Water-soluble Porphyrins and Their Applications

Abstract

Porphyrins are large macrocycles made of twenty carbon atoms and four nitrogen atoms, which form four pyrrole rings joined to one another by a bridging carbon atom. The porphyrin structure has a 22π-electron system, which induces distinctive photophysical properties, such as strong light absorption across the visible spectrum. Porphyrins photophysical properties, such as high singlet oxygen quantum yield, long wavelength absorption and emission, and low in vivo toxicity, make them suitable for applications in the biomedical field. In addition, their versatility towards chemical modification enables a wide range of biological applications, including photodynamic therapy (PDT), antimicrobial photodynamic therapy (PACT) and drug delivery. Porphyrin derivatives are widely used in cancer therapy due to their non-invasive nature and ability to efficiently produce reactive oxygen species (ROS), which are used to kill tumour cells. Most porphyrins are not sufficiently soluble in aqueous media, limiting their use in biomedicine. Intrinsically water-soluble porphyrins avoid this problem entirely, eliminating the need for solubilising agents, such as surfactants or liposomes. Furthermore, intrinsic water-solubility allows the porphyrin-based systems to distribute more widely and penetrate target biological tissues more effectively. Porphyrin derivatives are often obtained by introducing substituents at the meso or β positions of the macrocycle. The most commonly attached substituents at these positions, and the ones examined in this thesis, are anionic, cationic and neutral hydrophilic groups, with particular emphasis on polyethylene glycol (PEG) groups. The aim of this thesis is to investigate the strategies through which porphyrins can be made water-soluble, to examine the common applications of water-soluble porphyrins, and to go through a synthetic approach for their preparation. The experimental section contains the synthesis of a A3B porphyrin with three PEG-based chains and a hydroxymethyl group. The synthesis also produced a symmetrical A4 porphyrin, which had PEG-chains at all four meso positions. This A4 porphyrin demonstrated solubility in HEPES buffer, suggesting potential biological applications.

Porfyriinit ovat kahdestakymmenestä hiiliatomista ja neljästä typpiatomista koostuvia suuria makrosyklejä, jossa neljä pyrollirengasta on yhdistetty toisiinsa hiiliatomisillan avulla. Porfyriinin rakenne sisältää 22π-elektronijärjestelmän, joka saa aikaan niille tunnusomaisia fotofysikaalisia ominaisuuksia, kuten voimakkaan valon absorption koko näkyvän valon alueella. Porfyriinien fotofysikaaliset ominaisuudet, kuten korkea singlettihapen kvanttisaanto pitkän aallonpituuden absorptio ja emissio sekä alhainen in vivo -toksisuus tekevät niistä soveltuvia moniin biolääketieteellisiin sovelluksiin. Lisäksi porfyriinien kemiallinen muokattavuus mahdollistaa laajan valikoiman biologisia sovelluksia, kuten fotodynaaminen terapia (PDT), antimikrobinen fotodynaaminen terapia (PACT) sekä lääkeaineiden kuljetus. Porfyriinijohdannaisia käytetään laajasti syövän hoidossa niiden ei-invasiivisen luonteen sekä kyvyn tuottaa tehokkaasti reaktiivisia happilajeja (ROS) ansiosta. Useimmat porfyriinit eivät ole kovinkaan vesiliukoisia, mikä rajoittaa niiden käyttöä biolääketieteessä. Luonnostaan vesiliukoiset porfyriinit välttävät tämän ongelman kokonaan, jolloin liuottimia, kuten pinta-aktiivisia aineita tai liposomeja, ei tarvita. Lisäksi luontainen vesiliukoisuus mahdollistaa porfyriinipohjaisten järjestelmien laajemman jakautumisen ja tehokkaamman tunkeutumisen kohdekudoksiin. Porfyriinijohdannaisia saadaan usein lisäämällä substituentteja makrosyklin meso- tai β-asemiin. Yleisimmät näissä asemissa käytetyt, ja tässä työssä käsitellyt, substituentit ovat anionisia, kationisia tai neutraaleja hydrofiilisiä ryhmiä, erityisenä painopisteenä polyetyleeniglykoli (PEG) ryhmät. Tämän työn tavoitteena on tutkia strategioita, joilla lisätä porfyriinien vesiliukoisuutta, tarkastella vesiliukoisten porfyriinien keskeisiä sovelluskohteita sekä käydä läpi niiden valmistukseen soveltuva synteettinen reitti. Kokeellinen osuus sisältää A3B-porfyriinin synteesin, jossa porfyriinillä on kolme PEG-pohjaista ketjua ja yksi hydroksimetyyliryhmä. Synteesissä tuotettiin myös symmetrinen A4-porfyriini, jolla on PEG-ketjut jokaisessa meso-asemassa. Tämä A4-porfyriini osoitti liukoisuutta HEPES-puskurissa, mikä viittaa sen lupaaviin mahdollisuuksiin erinäisissä biologisissa sovelluksissa.