Conjugados nanopartículas magnéticasporfirina para la inactivación fotodinámica de microorganismos

La resistencia de los microorganismos a diferentes antimicrobianos ha aumentado considerablemente en los últimos años. Por lo tanto, es necesario desarrollar terapias alternativas para el control y tratamiento de enfermedades infecciosas. Así, la inactivación fotodinámica (PDI) ha sido propuesta como una estrategia emergente para la erradicación de patógenos. En este sentido, el uso de agentes fototerapéuticos inmovilizados en una matriz sólida permite la recuperación con posterioridad al tratamiento y una aplicación sustentable. En este trabajo de Tesis Doctoral se sintetizaron conjugados de derivados de porfirinas unidos a nanopartículas magnéticas. El núcleo magnético de Fe3O4 funcionalizado directamente con grupos amino (MNPNH2) resulta ser un soporte inadecuado para inmovilizar fotosensibilizadores (PSs) debido a la baja estabilidad. Sin embargo, este núcleo recubierto con una capa de sílica y luego funcionalizado con grupos amino (MNPSINH2) mostró ser un soporte estable. En primer lugar, se inmovilizó una porfirina aniónica (TCPP) sobre dichas nanopartículas. Mediante espectroscopía UV-visible se corrobora la unión del PS al soporte. Estudios cinéticos con distintos sustratos indican que TCPP inmovilizada produce eficientemente especies reactivas de oxígeno (ROS). Estudios in vitro de PDI con la levadura Candida albicans y las bacterias Staphyloccocus aureus (Gram positiva) y Escherichia coli (Gram negativa), muestran una considerable disminución de la viabilidad celular de los tres microorganismos. El resultado más interesante es que el conjugado es reciclable y reutilizable en la inactivación de microbios hasta, al menos, tres veces. Estos resultados motivaron la síntesis de nuevos PSs que adquieren cargas positivas en la periferia del macrociclo tetrapirrólico y de esta manera, se pueden obtener conjugados que interaccionan mejor con las células microbianas. Así, se diseñaron porfirinas con simetría A3B y ABAB, con carácter anfifílico sustituidas por grupos amino y perfluorofenilo. Dichos PSs muestran una importante actividad fotodinámica en solución. Además, se observa elevada PDI de los microorganismos, siendo A3B el más eficiente. Por otro lado, estas porfirinas se inmovilizaron sobre MNPSINH2. Estudios cinéticos e in vitro muestran que el conjugado formado tiene buena actividad fotodinámica y una eficiente PDI de S. aureus. Sin embargo, la principal desventaja de este procedimiento es el bajo rendimiento en la obtención de porfirinas asimétricamente sustituidas. Por lo tanto, se decidió trabajar con una porfirina perfluorada (F20TPP) con simetría A4, la cual se obtiene con mayor rendimiento. Este nuevo conjugado MNPSINH-F19TPP se modificó in situ para obtener grupos amino sobre la periferia del macrociclo. El conjugado MNPSIN + -F16TPP-N + , el cual contiene cargas positivas sobre los grupos amino de las nanopartículas y de las porfirinas, es el más eficiente en la PDI de microorganismos y además, puede ser reutilizado. Finalmente, la exploración del desarrollo de nuevas estructuras para anclar a las nanopartículas, lleva a la utilización de BODIPYs. Estas moléculas basadas en la mitad del macrociclo tetrapirrólico presentan un procesos de síntesis y purificación son más sencillos. A partir de un BODIPY fluorescente y otro con elevada actividad fotodinámica se diseñaron conjugados MNPSINH-BODIPYs. Así, fue posible obtener un conjugado que actúa como fluoróforo para la detección de infecciones y otro como agente fototerapéutico con elevada eficiencia para la erradicación fotodinámica de microorganismos.The resistance of microorganisms to different antimicrobials has increased in recent years. Therefore, it is necessary to develop alternative therapies for the control and treatment of infectious diseases. Thus, photodynamic inactivation (PDI) has been proposed as an emerging strategy for the eradication of pathogens. In this sense, the use of immobilized phototherapeutic agents in a solid matrix allows the recovery of it after treatment and a sustainable application. In this PhD thesis, conjugates of porphyrin derivatives linked to magnetic nanoparticles were synthesized. The magnetic core of Fe3O4 functionalized directly with amino groups (MNPNH2) turns out to be an inadequate support to immobilize photosensitizers (PSs) due to the low stability. However, this core coated with a layer of silica and then functionalized with amino groups (MNPSiNH2) was a stable support. First, an anionic porphyrin (TCPP) was immobilized on these nanoparticles. The union of the PS to the support was observed by means of UV-visible spectroscopy. Kinetic studies with substrates indicate that immobilized TCPP efficiently produces reactive oxygen species (ROS). In vitro studies of PDI with the yeast Candida albicans and the bacteria Staphyloccocus aureus (Gram-positive) and Escherichia coli (Gram-negative) show a considerable decrease in the cell viability of these microorganisms. The most interesting result is that the conjugate is recyclable and reusable in the inactivation of microbes up to at least three times. These results motivate the synthesis of new PSs that acquire positive charges in the periphery of the tetrapyrrolic macrocycle. In this way, the conjugates can have a better interaction with microbial cells. Thus, porphyrins with A3B and ABAB symmetry were designed with amphiphilic character bearing amino and perfluorophenyl groups. These PSs show an important photodynamic activity in solution. In addition, the PDI of the microorganisms was observed, being A3B the most efficient. On the other hand, these porphyrins were immobilized on MNPSiNH2. Kinetic and in vitro studies show that the conjugate presents appropriated photodynamic activity and an efficient PDI of S. aureus. However, the main disadvantage of this process is the low yield in obtaining asymmetrically substituted porphyrins. Therefore, a perfluorinated porphyrin (F20TPP) with A4 symmetry was used, which can be synthetized in higher yield. This new conjugate MNPSiNH-F19TPP was modified in situ to obtain amino groups on the periphery of the macrocycle. The conjugate MNPSiN+ -F16TPP-N + , which contains positive charges on the amino groups of nanoparticles and porphyrins, is the most efficient in the PDI of microorganisms and can also be reused. Finally, the exploration of the development of new structures for nanoparticles leads to the use of BODIPYs. They are based on half of the tetrapyrrole macrocycle and have a simplest synthesis and purification processes. From a fluorescent BODIPY and another with high photodynamic activity, novel conjugates were designed MNPSiNH-BODIPYs. Thus, it was possible to obtain a conjugate that acts as fluorophore for the detection of infections and another as a phototherapeutic agent with higher efficiency for the photodynamic eradication of microorganisms.Fil: Scanone, Ana Coral. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; Argentin

Magnetic Nanoplatforms for in Situ Modification of Macromolecules: Synthesis, Characterization, and Photoinactivating Power of Cationic Nanoiman-Porphyrin Conjugates

A nanoplatform concept was developed to synthesize accessible photoactive magnetic nanoparticles (MNPs) of Fe3O4 coated with silica. This approach was based on the covalent binding of 5,10,15,20-tetrakis(pentafluorophenyl)porphyrin (TPPF20) to aminopropyl-grafted MNPs by nucleophilic aromatic substitution reaction (SNAr) to obtain conjugate MNP-P1. After in situ modification, the remaining pentafluorophenyl groups of TPPF20 attached to MNPs were substituted by dimethylaminoethoxy groups to form MNP-P2. The basic amine group of these conjugates can be protonated in aqueous media. In addition, MNP-P1 and MNP-P2 were intrinsically charged to produce cationic conjugates MNP+-P1 and MNP+-P2+ by methylation. All of them were easily purified by magnetic decantation in high yields. The average size of the MNPs was ∼15 nm, and the main difference between these conjugates was the greater coating with positive charges of MNP+-P2+, as shown by the zeta potential values. Absorption spectra exhibited the Soret and Q bands characteristic of TPPF20 linked to MNPs. Furthermore, these conjugates showed red fluorescence emission of porphyrin with quantum yields of 0.011-0.036. The photodynamic effect sensitized by the conjugates indicated the efficient formation of singlet molecular oxygen in different media, reaching quantum yield values of 0.17-0.34 in N,N-dimethylformamide. The photodynamic activity of the conjugates was evaluated to inactivate the Gram-positive bacteria Staphylococcus aureus, the Gram-negative bacteria Escherichia coli, and the yeast Candida albicans. The modified cationic MNP+-P2+ was the most effective conjugate for photodynamic inactivation (PDI) of microorganisms. Binding of this conjugate to bacteria and photoinactivation capability was checked by means of fluorescence microscopy. Also, sustainable use by recycling was determined after three PDI treatments. Therefore, this methodology is a suitable scaffold for the in situ modification of conjugates, and in particular, MNP+-P2+ represents a useful photodynamic active material to eradicate microorganisms.Fil: Scanone, Ana Coral. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Gsponer, Natalia Soledad. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; ArgentinaFil: Alvarez, María Gabriela. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; ArgentinaFil: Heredia, Daniel Alejandro. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; ArgentinaFil: Durantini, Andres Matías. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; ArgentinaFil: Durantini, Edgardo Néstor. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentin

Porphyrins containing basic aliphatic amino groups as potential broad-spectrum antimicrobial agents

New porphyrin derivatives bearing basic aliphatic amino groups were synthesized from the condensation of meso-4-[(3-N,N-dimethylaminopropoxy)phenyl]dipyrromethane, pentafluorobenzaldehyde and 4-(3-N,N-dimethylaminopropoxy)benzaldehyde. The reaction was catalyzed by trifluoroacetic acid in acetonitrile. This approach was used to obtain porphyrins with different patterns of substitution, of which three of them were isolated: 5,15-di(4-pentafluorophenyl)-10,20-di[4-(3-N,N-dimethylaminopropoxy)phenyl]porphyrin (F10APP), 5-(4-pentafluorophenyl)-10,15,20-tris[4-(3-N,N-dimethylaminopropoxy)phenyl]porphyrin (F5APP) and 5,10,15,20-tetrakis[4-(3-N,N-dimethylaminopropoxy)phenyl]porphyrin (TAPP). The UV–vis spectroscopic characterizations and the photodynamic effect of these compounds were compared in N,N-dimethylformamide. These porphyrins showed red fluorescence emission with quantum yields of 0.09-0.15. Moreover, they sensitized the production of singlet molecular oxygen, reaching quantum yields values of 0.33-0.53. Photodynamic inactivation was studied in two bacteria, Staphylococcus aureus and Escherichia coli, and a yeast Candida albicans. High amount of cell-bound porphyrin was obtained at short times (<2 min) of incubation. After 15 min irradiation, a 7 log reduction of S. aureus was found for cells treated with 1 μM F5APP. Similar photokilling was obtained in E. coli, but using 7.5 μM F5APP and 30 min irradiation. Under these conditions, a decrease of 5 log was observed in C. albicans cells. An increase in cell survival was observed by addition of sodium azide, whereas a slight protective effect was found in the presence of D-mannitol. Moreover, the photoinactivation mediated by these porphyrins was higher in D2O than in water. Thus, these porphyrins induced the photodynamic activity mainly through the intermediacy of O2(1Δg). In particular, F5APP was a highly effective photosensitizer with application as a broad-spectrum antimicrobial. This porphyrin contains three basic aliphatic amino groups that may be protonated at physiological pH. In addition, it is substituted by a lipophilic pentafluorophenyl group, which confers an amphiphilic character to the tetrapyrrolic macrocycle. This effect can increase the interaction with the cell envelopment, improving the photocytotoxic activity against the microorganisms.Fil: Scanone, Ana Coral. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; ArgentinaFil: Gsponer, Natalia Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Alvarez, María Gabriela. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; ArgentinaFil: Durantini, Edgardo Néstor. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentin

Photodynamic properties and photoinactivation of microorganisms mediated by 5,10,15,20-tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrin covalently linked to silica-coated magnetite nanoparticles

Magnetic nanoparticles of Fe3O4 (MNP) were synthesized by co-precipitating Fe2+ and Fe3+ ions in an ammonia solution. This MNP was coated with silica using sodium metasilicate to obtain silica-coated MNP (MNPSi). Grafting of aminopropyl groups on MNP or MNPSi was performed with (3-aminopropyl)trimethoxysilane to form MNPNH2 or MNPSiNH2, respectively. 5,10,15,20-Tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrin (TCPP) was covalently bound onto the MNPNH2 or MNPSiNH2 via carbodiimide activation to obtain MNPNH-TPCC or MNPNH-TPCC, respectively. These MNP presented an average diameter of about 15 nm. UV–vis absorption spectra presented the characteristic Soret and Q bands of TCPP covalently linked to the nanoparticles. The MNP containing TCPP produced a high photodecomposition of 2,2-(anthracene-9,10-diyl)bis(methylmalonate), which was used to detect singlet molecular oxygen O2(1Δg) production in water. Moreover, these nanoparticles sensitized the photooxidation of L-tryptophan in water, mainly mediated by a type II photoprocess. Photoinactivation of microorganisms was investigated in Staphylococcus aureus, Escherichia coli and Candida albicans. In vitro experiments showed that photosensitized inactivation induced by MNPSiNH-TCPP improved with an increase of irradiation times. After 30 min irradiation, a 2.5 log reduction was found for S. aureus and C. albicans. Also, the last conditions produced a decrease of 3 log in E. coli. Similar result was obtained MNPNH-TCPP. However, the main difference between these nanoparticles as photosensitizer was found after recycling experiments. While the photoinactivation mediated by MNPNH-TCPP rapidly decrease after one cycle, MNPSiNH-TCPP was still efficient after three cycles of inactivation. Therefore, MNPSiNH-TCPP is an interesting and versatile photodynamic active material to eradicate microorganisms.Fil: Scanone, Ana Coral. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; ArgentinaFil: Gsponer, Natalia Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Alvarez, María Gabriela. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; ArgentinaFil: Durantini, Edgardo Néstor. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; Argentin

Visible-light photopolymerization of epoxy-terminated poly(dimethylsiloxane) blends: Influence of the cycloaliphatic monomer content on the curing behavior and network properties

Siloxane-based networks were obtained by photoinitiated cationic ring-opening polymerization of mixtures composed of two different siloxane monomers: poly(dimethylsiloxane) diglycidyl ether (PDMS-DGE) and bis [2(3,4-epoxycyclohexyl) ethyl]-tetramethylsiloxane (ECE-TMA). The photoinitiated polymerization of PDMS-DGE is very sluggish and thus finds little use in high-speed photocuring applications. However, this monomer undergoes fast visible-light photopolymerization when combined with ECE-TMA. This behavior was ascribed to copolymerization effects induced for the higher reactivity of the cycloaliphatic epoxy monomer (ECE-TMA). It was demonstrated that the polymerization rate, as well as the thermo-mechanical properties of the resulting networks, can be adjusted by varying the ratio between both monomers. Plots of PDMS-DGE conversion versus ECE-TMA conversion evidenced a non-ideal copolymerization behavior, with a preferential addition of ECE-TMA units during the first stages of network formation. The composition of the mixture was varied over the entire range of concentrations without evidence of phase separation before or during photopolymerization at room temperature. The resulting networks exhibited a behavior that changed from a rubbery to a glassy state at room temperature depending on the mixture composition, as revealed by dynamic mechanical analysis. The storage modulus and damping factor were successfully correlated with the crosslinking density and network topology. The high transparency of the mixtures allowed to reach a high epoxy conversion by photopolymerization, even for thick samples (1?2 mm in thickness), which constitutes a significant advance for applications requiring highspeed curing protocols at ambient conditions.Fil: Scanone, Ana Coral. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Casado, Ulises Martín. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Schroeder, Walter Fabian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Hoppe, Cristina Elena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentin

Functionalized Magnetic Nanoparticles with BODIPYs for Bioimaging and Antimicrobial Therapy Applications

The antimicrobial capability and recyclability of two conjugates that combines the versatility of iron oxide magnetic nanoparticles (MNPs) with the high photosensitizing proficiency of boron-dipyrromethene (BODIPY) dyes are assessed. By a relatively simple synthetic pathway, two conjugates were obtained. The first one, MNP-B1, contains a highly fluorescent dye for bioimaging and suitable inactivating properties. The other one, MNP-B2, is optimized to improve the production of cytotoxic reactive oxygen species (ROS) by incorporating heavy atoms in the BODIPY core. In vitro experiments in bacterial cell suspensions and at the single bacterium level reveal that both conjugates can inactivate either Gram-positive (methicillin-resistant Staphylococcus aureus) and Gram-negative (Escherichia coli) bacteria. By means of fluorescence microscopy, not only cellular uptake of the conjugates but also recyclability and sustained performance over the cycles of photodynamic inactivation (PDI) are demonstrated. This is the first time that MNPs functionalized with BODIPY dyes are utilized to obtain fluorescent images of bacterial cells and photoinactivate pathogens.Fil: Scanone, Ana Coral. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Santamarina, Sofia Carla. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Heredia, Daniel Alejandro. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Durantini, Edgardo Néstor. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Durantini, Andres Matías. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentin