Novel approaches to singlet oxygen photosensitization in the nano- and bio-era

Resumen

En esta tesis se detallan nuevas aproximaciones nano- y biomoleculares para mejorar la fotosensibilización y detección del oxígeno singlete en medio biológico. En primer lugar se presenta una nueva reacción fluoro- y cromogénica para el etiquetado de proteínas y nanopartículas con derivados de porficeno. Concretamente, la reacción de porficenos isotiocianato con aminas primarias y secundarias genera 2-aminotiazolo[4,5-c]porficeno derivados con un desplazamiento concomitante en sus espectros de absorción y emisión por más de 70 nm. Esta reacción inesperada ha sido racionalizada en base a la ciclación espontánea del derivado 9-tiourea porficeno generado tras la reacción para dar lugar a un tiazoloporficeno fusionado. El alcance de dicha reacción ha sido expandido a otros derivados de porficeno como los 9-amidoporficenos. Finalmente, los porficenos isotiocianato han sido usados para el marcaje de biomoléculas y nanopartículas, dando nanoconjugados teranósticos en el infrarrojo cercano. En segundo lugar, se ha sido estudiado el efecto de la morfología de las nanopartículas de sílice sobre la capacidad de producción y desactivación de oxígeno singlete por protoporfirina IX. La agregación del fotosensibilizador en la superficie de la nanopartícula limita la producción de oxígeno singlete. Por otro lado, a medida que aumenta la porosidad del nanomaterial es posible detectar distintas poblaciones de oxígeno singlete; una de ellas capaz de escapar de la superficie de las nanopartículas y decaer en el disolvente mientras que la otra se mantiene atrapada dentro de los poros de sílice. Los resultados revelan que controlar el grado de agregación del fotosensibilizador y su localización en la red de sílice son factores críticos a tener en cuenta en la preparación de materiales nanoporosos para liberación de oxígeno singlete. Finalmente se han diseñado y estudiado fotosensibilizadores plasmónicos capaces de aumentar la producción y el decaimiento radiante del oxígeno singlete. Mediante técnicas de espectroscopia estacionaria y resuelta en el tiempo se demuestra que el núcleo de plata ejerce un efecto dual mediante la absorción incrementada de luz y el aumento del decaimiento radiante del oxígeno singlete, lo que se traduce en un mayor aumento de su fosforescencia. Además se demuestra que el aumento en la producción y en decaimiento radiante del oxígeno singlete depende enormemente de la proximidad del fotosensibilizador a la nanopartícula plasmónica. Así, se han identificado 3 regímenes distintos a medida que el fotosensibilizador se aleja de la nanoestructura plasmónica, situándose el máximo factor de aumento a distancias entre 10 y 20 nm del núcleo metálico. Adicionalmente, las nanopartículas plasmónicas se han usado en bacterias Gram-positivas y Gram-negativas, observando un aumento tanto de su actividad antimicrobiana como en el límite de detección de oxígeno singlete.