Projektowanie, synteza, badania fizyczne, in vitro i in vivo

Terapia fotodynamiczna (PDT, Photodynamic Therapy) jest formą fotochemioterapii, której
skuteczność jest uwarunkowana obecnością trzech elementów: tlenu, światła o określonej
długości fali oraz światłoczułego związku chemicznego, zwanego fotouczulaczem (PS).
Fotouczulacz wzbudzony do pierwszego stanu sigletowego (1PS*, S1), w wyniku
bezpromienistego przejścia interkominacyjnego, może przejść do metatrwałego stanu
trypletowego (3PS*, T1) i reagować z tlenem występującym w podstawowym stanie
trypletowym (3O2). Wówczas cząsteczka tlenu odbierając energię od cząsteczki fotouczulacza
przechodzi w singletowy stan wzbudzony (1O2), a fotouczulacz wraca do swego stanu
podstawowego (1PS, S0). Powstała w ten sposób reaktywna forma tlenu ma właściwości silnie
utleniające i jest uważana za główny czynnik cytotoksyczny w PDT.
Zbadanie właściwości spektralnych stanowi ważne zagadnienie w kontekście poznania
procesów zachodzących w cząsteczkach fotouczulaczy w stanie podstawowym i w stanach
wzbudzonych. Zastosowanie metod obliczeniowych DFT (Density Functional Theory) i TDDFT (Time-Dependent Density Functional Theory) z uwzględnieniem przejść pomiędzy
stanami wibracyjnymi ukazało znaczny ich wpływ na kształt widm absorpcyjnych i
emisyjnych porfiryn. Obliczenia te zostały wykonane za pomocą programu Gaussian 09 w
oparciu o zasadę Franck’a-Condon’a, która głosi że przejścia elektronowe zachodzą bez
zmiany położenia jąder oraz, że najbardziej prawdopodobne są te przejścia, dla których
maksymalna jest całka nakrywania funkcji wibracyjnych opisujących stany wibracyjne
cząsteczki należące do dwóch różnych stanów elektronowych. W rzeczywistości jednak
istnieją niewielkie przesunięcia jąder w trakcie wzbudzenia i dlatego dobrym przybliżeniem
jest rozwinięcie dipolowego momentu przejścia elektronowego w szereg Taylora w otoczeniu
położenia równowagi jednego ze stanów wzbudzonych:
′ ≅ + + ⋯
Intensywność
Pierwszy
składnik
tego
rozwinięcia stanowi przybliżenie
0,12
Franck’a-Condon’a (FC), które
Qx
zakłada że moment dipolowy
Qy
0,08
pozostaje stały w trakcie
przejścia i daje bardzo dobre
wyniki w przypadku przejść
0,04
dozwolonych. Natomiast drugi
składnik stanowi przybliżenie
0
Herzberg’a-Teller’a (HT), które
400 420 440 460 480 500 520 540 560 580
zakłada
zmianę
momentu
Długość fali [nm]
dipolowego w trakcie przejścia;
Rysunek 1. Wibracyjnie rozdzielcze widmo absorpcyjne wyznaczone metodą
przybliżenie to jest istotne gdy B3LYP przy użyciu bazy funkcyjnej 6-311+G** dla pasma Qx i Qy porfiny z
mamy
do
czynienia
z uwzględnieniem przybliżenia FCHT (FC+HT)
przejściami wzbronionymi.
Zestawienie otrzymanych w wyniku obliczeń danych z danymi eksperymentalnymi umożliwia
identyfikację oraz określenie pochodzenia poszczególnych pasm obserwowanych w widmie UV-VIS.
Opracowana technika obliczeń może stanowić podstawę do wyznaczenia teoretycznych widm
fotouczulaczy z grupy chloryn.
a)
b)
0,02
0-0
0-0
0,6
0,015
0,4
0,01
0,2
0,005
0-13
0-77
0
16000
16500
0-7
0-13
0-7
0-33
0-34
17000
17500
18000
0
17300
17800
18300
0-76
18800
19300
Rysunek 2. Wibracyjnie rozdzielcze widma emisyjne (a) i absorpcyjne (b) [cm-1] (kolor czarny) obliczone metodą
B3LYP przy użyciu bazy funkcyjnej 6-311+G** dla pasma Qx porfiny z uwzględnieniem przubliżenia FC oraz
określeniem charakteru przejść wibronowych najintensywniejszych pasm; udział przejścia 0-0 (kolor czerwony),
nadtonów (kolor zielony)
Fotouczulacze stosowane obecnie w terapii fotodynamicznej nowotworów nie są doskonałe
m.in. ze względu na niską absorpcję światła w zakresie bliskiej podczerwieni. Istotną kwestią jest
poszukiwanie takich związków fotouczulających, których pierwsze pasmo absorpcyjne Qx(0,0), tj.
związane z przejściem S0→S1, mieści się w zakresie 700-800 nm. Z jednej strony jest to
uwarunkowane tym iż promieniowanie świetlne z zakresu 700-1100 nm najgłębiej penetruje tkankę; z
drugiej strony absorpcja fotonów o długości fali powyżej 800 nm nie zapewnia wystarczająco dużej
energii stanu trypletowego fotouczulacza do wytworzenia tlenu singletowego, tj. powyżej 1 eV (~1274
nm).
Rysunek 3. Widma absorpcyjne związku THPP oraz struktur I, II, III, IV obliczone metodą LR-PCM/TDDFT/B3LYP/6-31G** z uwzględnieniem wpływu rozpuszczalnika (wody)
Analiza dotychczasowych wyników badań zwróciła uwagę na pochodne meso-tetra(4-hydroksyfenylo)
porfiryny (THPP) z wiązaniami mostkowymi, które łączą bezpośrednio ze sobą dwa atomy węgla
należące do pierścienia pirolowego oraz hydroksyfenylowego. Przeprowadzone obliczenia wykazały
że tylko struktura I może znaleźć zastosowanie w terapii fotodynamicznej, ponieważ jako jedyna
spełnia wymagane warunki spektralne – pasmo Qx(0,0) położone jest przy 708 nm, co prowadzi do
stanu trypletowego o energii 1.08 eV (1147 nm).