A new generation of ring-fused fluorinated chlorins as promising pdt agents: from synthesis to in vitro studies

Abstract

A terapia fotodinâmica (TFD) apresenta várias vantagens sobre as terapias convencionais contra o cancro. Combinando o uso de um fotossensibilizador (FS), irradiação de luz de um comprimento de onda específico para cada FS e oxigénio, esta alcança uma seletividade única pela produção localizada de oxigénio singleto e outras espécies reativas de oxigénio (ROS) dentro de células tumorais levando à sua destruição, traduzindo-se, consequentemente, em menos efeitos colaterais.Relativamente aos fotossensibilizadores, os macrociclos porfirínicos em geral, e as clorinas em particular, têm as características fotofísicas ideais para serem usados na TFD, pois possuem um rico padrão de bandas de absorção na região espectral do vermelho e infravermelho próximo (NIR), entre 650 e 850 nm. Esta faixa é conhecida como janela fototerapêutica, e equilibra a penetração profunda dos tecidos com o fornecimento de energia suficiente para excitar o oxigénio para o seu estado singleto (comprimentos de onda mais efetivos inferiores a 800 nm). Contudo, as clorinas que resultam da simples redução de uma das ligações duplas do anel porfirínico apresentam desvantagens quanto à sua estabilidade e síntese em várias etapas. Uma vez que foi demonstrado que as porfirinas podem atuar como dienófilos em reações de Diels-Alder e como dipolarófilos em ciclo-adições 1,3-dipolar, uma forma mais simples de produzir clorinas mais estáveis é via reações de cicloadição com porfirinas que possuam dois grupos atractores de eletrões nas posições vicinais beta. Além disso, é bem conhecido que a incorporação de átomos de halogénios (-F, -Cl) nas posições orto dos anéis fenilo na posição meso do macrociclo melhoram as propriedades fotofísicas e apresentam propriedades citotóxicas melhoradas devido a alterarem o balanço entre a fluorescência e o cruzamento intersistema. Esta dissertação foca-se, portanto, numa reação de cicloadição [8π + 2π] de 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina (TPPP20) com o anião metil diazafulvénio, gerado por extrusão térmica de SO2 a partir de 2,2-dioxo-6,7-dimetil-1H,3H-pirazolo[1,5-c][1,3]tiazole-6,7-dicarboxilato. Esta reação produziu a 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)clorina (TPPC20) de um modo seletivo, a qual revelou ser um molde surpreendentemente versátil para novos derivados de clorina, uma vez que o substituinte pentafluorofenil reage facilmente com nucleófilos através, por exemplo, de substituições nucleofílicas aromática (SNAr) nos átomos de fluor da posição para, de forma altamente seletiva e frequentemente ocorre com alto rendimento.Foi demonstrado, ainda, que a hidrofilicidade dessas clorinas é crucial para garantir alta citotoxicidade contra as células cancerígenas. Sabendo que uma estratégia aplicada no design de fármacos para obter compostos com as propriedades ideais para serem utilizados em meios biológicos e para melhorar a permeabilidade celular é a incorporação de porções de polietilenoglicol (PEG), decidiu-se preparar um novo tipo de pentafluorofenilclorinas de anel fundido PEGuiladas, explorando essas mesmas reações nucleofílicas de substituição aromática. Desta forma, estas estruturas não só possuem estabilidade química e estrutural, melhorada pela introdução de um anel fundido, mas também aumentam a sua hidrofilicidade. Estas características em associação com um padrão rico de bandas de absorção dentro da janela fototerapêutica, tornam estes compostos promissores agentes fotodinâmicos muito ativos.O objetivo desta tese foi, em última análise, esclarecer sobre os detalhes sintéticos, a caracterização estrutural e a avaliação da citotoxicidade destes agentes muito promissores para a TFD contra linhas celulares de cancro do esófago (OE19) e de melanoma (A375).

Photodynamic therapy (PDT) presents several advantages over conventional cancer therapies. Combining the use of a photosensitizer (PS), light irradiation of a specific wavelength for each PS, and oxygen, it achieves a unique selectivity by the localized generation of singlet oxygen and other reactive oxygen species (ROS) inside tumor cells leading to their destruction, which, consequently, translates in less side effects.When it comes to the PS, porphyrin type macrocycles in general, and chlorins, in particular, have the ideal photophysical characteristics to be used in PDT because they have a rich pattern of absorption bands in the red and near-infrared spectral region (NIR), between 650 and 850 nm. This is the range known as phototherapeutic window, which balances deeper penetration of tissues by providing enough energy to excite the oxygen to its singlet state (most effective wavelengths inferior to 800 nm). Their only drawback is the problems related to multi-step synthesis and stability. Since it has been demonstrated that porphyrins can act as dienophiles in Diels-Alder reactions and as dipolarophiles in 1,3-dipolar cycloadditions, a simple way to produce chlorins is via cycloaddition reactions over the porphyrins bearing two vicinal electron-withdrawing groups in beta positions, namely Diels-Alder 1,3-dipolar cycloadditions. In addition to that, it is well-known that the incorporation of a halogen atom (-F, -Cl) in the ortho positions of the phenyl rings in the meso position of the macrocycle improves the photophysical properties and changes the balance between fluorescence and intersystem crossing, enhancing its photo-induced cytotoxic properties. Therefore, this dissertation focused on a [8π + 2π] cycloaddition of 5,10,15,20-tetrakis(pentafluorophenyl)porphyrin (TPPP20) with diazafulvenium methide, generated by thermal extrusion of SO2 from 2,2-dioxo-1H,3H-pyrazol[1,5-c]thiazole. This reaction afforded 5,10,15,20-tetrakis(pentafluorophenyl)chlorin (TPPC20) in a selective fashion, which has revealed to be a surprisingly versatile template to new chlorin derivatives, since the pentafluorophenyl easily reacts with nucleophiles through, for example, nucleophilic aromatic substitution (SNAr) of the para-F atoms providing a simple and general access to functionalized meso-tetraarylchlorins containing electron-donating substituents in the p-position of their meso-aryl groups in a highly selective way and frequently with high yield. Furthermore, it was demonstrated that the hydrophilicity of these chlorins is crucial to ensure high cytotoxicity against cancer cells. A strategy applied in drug design to achieve compounds with the ideal properties to be used in biological media and to improve cell permeability is the incorporation of polyethylene glycol (PEGs) moieties.For that reason, it was decided to prepare a new type of PEGylated ring-fused (pentafluorophenyl)chlorins by exploring these nucleophilic aromatic substitution reactions. This way, the obtained structures do not only show enhanced chemical and structure stability by the introduction of a fused ring but also increased hydrophilicity. All these characteristics make these compounds promising very active photodynamic agents.The aim of this thesis was, ultimately, to offer synthetic details, structural characterization and cytotoxicity evaluation of these very promising PDT agents against oesophagus cancer cell line (OE19) and melanoma cells lines (A375).