Development of cationic photosensitizers for photoinactivation of microorganisms

Abstract

According to the World Health Organization, one of the main challenges of modern medicine is associated with the lack of efficient drugs and treatments against infectious diseases caused by multi-resistant bacteria or viruses, including SARS-CoV-2. Taking these concerns into account, the overall goal of the studies described in this master’s Thesis is centered on the computational analysis and optimization of synthetic methods in a multi-gram scale for meso-imidazolyl cationic and amphiphilic porphyrins and chlorins, for the development of photosensitizers for photoinactivation of disease-causing pathogens. The present work is divided into five Chapters.In Chapter 1-Introduction, a critical review of the problems associated with infections caused by micro-organisms is described and alternative solutions are presented, namely, antimicrobial photodynamic inactivation. In accordance with the goals of this project, a review of the literature about the structure and activity of several families of photosensitizers used for inactivation of bacteria and viruses responsible for respiratory tract infections is presented. Additionally, a general discussion on the use of microwave assisted porphyrin synthesis is presented. Chapter 1 finishes with the main goals of the work developed in this Thesis.Chapter 2 begins with a general introduction of computational methods and their applications in Medicinal Chemistry. Then, the experimental results on the conformational analysis of meso-imidazolyl cationic chlorins (5,15-bis(4-ethyl-1-methyl) imidazolyl chlorin, 5,15-bis(4-(1,1,1-trifluoro)ethyl-1-methyl)imidazolyl chlorin, 5,10,15,20-tetra(4-ethyl-1-methyl)imidazolyl chlorin and 5,10,15,20-tetra(4-(1,1,1-trifluoro)ethyl-1-methyl)imidazolyl chlorin. The electrostatic maps of selected conformers are also presented. The results obtained in this Chapter give us an insight on possible experimental challenges and the problem of having atropisomers in a new drug.Chapter 3 describes the optimization process for scale-up of meso-tetra-imidazolyl and 5,15-bis-imidazolyl porphyrins and their transposition to a larger scale. In the first case, the best synthetic process was the one-step nitrobenzene/propionic acid method under microwave irradiation, where porphyrin 1 was obtained with 21% yield. For the 5,15-bis(1-methyl)imidazolyl porphyrin 2, the best scale-up method was performed at PorphyChem, where, it was possible to obtain in a multi-gram scale porphyrin 2 with a yield of 17%. Porphyrin 2 was selected to prepare the cationic derivatives 4, 5 and 6 with 82%, 79% and 84% yields. To evaluate the use of these porphyrins as photosensitizers, they were characterized not only using NMR and mass spectrometry, but also through their photophysical properties (molar absorption coefficient, fluorescence and singlet oxygen quantum yield and photodegradation) which are described and discussed. Aiming the optimization of the properties of these photosensitizers and based on the results obtained with computational analysis, Chapter 4 presents de results of the optimization of the reduction of porphyrin to the corresponding chlorin followed by its cationization. The optimization of the analytical method HPLC and purification through flash chromatography is also described. (These results are protected by intellectual property). The purity and photophysical properties of the cationic chlorin are also described and discussed. Lastly, preliminary studies with very promising results are presented comparing the use of the new cationic imidazolyl porphyrins and chlorin in the photoinactivation of pathogens that cause infectious diseases. Chapter 5 contains the detailed description of the synthesis and characterization of all the compounds described in this work. Computational methods are also described in this Chapter.

Segundo a Organização Mundial de Saúde um dos maiores problemas da medicina atual está associado à falta de medicamentos e/ou tratamentos eficazes para doenças infeciosas, provocadas por bactérias multirresistentes ou vírus, incluindo o SARS-CoV-2. Em linha com esta preocupação o objetivo global dos estudos descritos nesta Tese de mestrado centra-se na modulação computacional e otimização de processos de síntese, em escala multi-grama, de meso-imidazolil porfirinas e clorinas catiónicas e anfifílicas, para desenvolvimento de fotossensibilizadores para fotoinativação de agentes patogénicos responsáveis por doenças infeciosas. O trabalho encontra-se dividido em 5 Capítulos.No Capítulo 1 – Introdução, descreve-se uma revisão crítica da problemática associada às infeções resultantes de micro-organismos e apresentam-se algumas soluções alternativas. De entre elas, e por ser o objetivo central da Tese, apresenta-se uma revisão da literatura relativa à estrutura e atividade das diferentes famílias de fotossensibilizadores para inativação fotodinâmica de bactérias e de vírus responsáveis por infeções respiratórias. Adicionalmente, é apresentada uma discussão geral da utilização de micro-ondas na síntese de fotossensibilizadores da família das porfirinas. O Capítulo 1 termina com a descrição dos objetivos do trabalho experimental desenvolvido e descrito nesta Tese. O Capítulo 2 inicia-se com uma introdução geral sobre os diferentes métodos de cálculo computacional e suas aplicações em Química Medicinal. Segue-se a apresentação dos resultados dos cálculos computacionais relativos à análise conformacional meso-imidazolil-clorinas nomeadamente, (5,15-bis(4-etil-1-metil)imidazolil clorina, 5,15-bis(4-(1,1,1-trifluoro)etil-1-metil)imidazolil clorina, 5,10,15,20-tetra(4-etil-1-metil) imidazolil clorina e 5,10,15,20-tetra(4-(1,1,1-trifluoro)etil-1-metil) imidazolil clorina catiónicas. São ainda apresentados os mapas de potencial eletrostático de confórmeros selecionados. Da análise crítica destes resultados, surgem orientações para a síntese que irá ser otimizada experimentalmente e ainda sobre a problemática da existência de atropisómeros no desenvolvimento de um novo medicamento.No Capítulo 3 descreve-se, em primeiro lugar, o processo de otimização à escala laboratorial do processo de síntese de meso-tetra-imidazolil porfirina e de 5,15-bis-imidazolilporfina, seguido da sua transposição para uma escala de multi-grama. No primeiro caso concluiu-se que o método de um só passo, nitrobenzeno/propiónico, sob irradiação de micro-ondas, é o processo de síntese mais apropriado para efetuar a transposição de escala, tendo-se obtido a porfirina 1 com um rendimento de 21%. A porfirina 5,15-bis(1-metil)imidazolil foi preparada em maior escala nos laboratórios da empresa PorphyChem. Esta porfirina 2 foi isolada com um rendimento de 17%. A porfirina 2 foi selecionada para preparar os respetivos derivados catiónicos tendo-se obtido as porfirinas 4, 5 e 6 com rendimentos de 82%, 79% e 84%, respetivamente. Para avaliar as suas potencialidades como fotossensibilizados, para além das técnicas habituais de caraterização para comprovar a pureza (RMN, e espetrometria de massa), neste capítulo foram ainda efetuados estudos para determinar as propriedades fotofísicas dos compostos sintetizados (coeficiente de absorção molar, rendimento quântico de fluorescência e de oxigénio singuleto e fotodegradação).Tendo como objetivo otimizar as propriedades deste tipo de fotossensibilizadores catiónicos e orientados pelos cálculos computacionais, no Capítulo 4 apresentam-se os resultados de otimização da reação de redução de porfirina à respetiva clorina, seguida da sua cationização (Estes resultados estão protegidos por propriedade intelectual). Descreve-se a otimização do método analítico por HPLC e sua purificação por cromatografia de flash. A pureza e propriedades fotofísicas da clorina catiónica são também descritas e discutidas. Por fim, apresentam-se estudos preliminares, mas muito promissores, da comparação da utilização das novas imidazolil porfirinas e clorina catiónicas na fotoinativação de agentes patogénicos de doenças infeciosas. No Capítulo 5 apresenta-se a descrição experimental detalhada referente a todos os Capítulos da Tese e ainda a caracterização química completa de todas as porfirinas e clorinas sintetizadas no decorrer do trabalho. Descrevem-se também detalhadamente os métodos computacionais utilizados.