Sviluppo di Sistemi Fluorescenti Attivabili con Luce Visibile per il Rilascio di Ossido Nitrico

The alarmingly low turnover of new clinically approved anticancer drugs and the Multi Drug Resistance (MDR) phenomena emerging for drugs actually used, call for an urgent shift of attention to other “unconventional” and underexplored therapeutic modalities. The generation of reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species (RNS) as alternative therapeutic agent with great spatiotemporal control by using light stimulus has gained an increasing interest in the last years, opening new horizons for innovative therapeutic treatment. In this respect, the present project aims to contribute to spur new solutions in the field of “unconventional” therapies exclusively based on the photoregulated generation of nitric oxide (NO) as intriguing alternative to those based on the “conventional” anticancer drugs. NO offers unique advantages over conventional drug: i) it is a multitarget species, ii) it does not suffer of MDR issues, ii) it has a short lifetime and diffuses over short distances avoiding undesired systemic effects. This work focuses on the design, synthesis, characterization and therapeutic applications of novel, fluorescent NO photodonors (NOPDs) activatable with the biocompatible visible light. Many of the NOPD developed are based on a main chromophoric unit, which act as a visible light harvesting antenna, covalently bound to a N-nitrosoaniline derivative as NO-releasing moiety, through an insulator spacer. Basically, these hybrids exploit the excitation energy of the antenna to trigger an intramolecular electron transfer with the NO-releasing moiety that, in turn, stimulates the detachment of NO without significantly affect the emissive properties of the antenna. The fluorescence emission of the antenna is a key property to allow the visualization of the NOPD within a cellular environment, a fundamental requisite in view of image-guided phototherapies. In fact, excitation with low intensity light generates fluorescence emission, which allows its tracking in the biological environment. Afterwards, excitation with high intensity light can provide a highly localized burst of NO precisely at the desired sites. Moreover, part of this work has been focused on the development of innovative constructs incorporating not only NOPDs but also photosensitizers (PS) for the simultaneous generation of NO and singlet oxygen (1O2) under visible light stimulus. In recent years indeed, the use of NO in combination with photodynamic therapies (PDT) is emerging as one of the most suitable strategies because opening new possibilities in the field of multimodal therapeutic strategies. This new approach aims at exploiting the additive or synergistic effects arising from the activity of multiple therapeutic species in order to amplify the therapeutic activity and minimize the side effects.

Uno dei principali problemi delle terapie antitumorali è la comparsa di resistenza ai farmaci chemioterapici (multidrug resistance, MDR) utilizzati a livello clinico. Sfortunatamente, lo sviluppo di nuovi farmaci è un processo lento e può richiedere parecchi anni. Per queste ragioni è importante volgere lo sguardo verso lo sviluppo di nuove modalità terapeutiche "non convenzionali". La produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS) e di specie reattive dell'azoto (RNS) come agenti terapeutici alternativi ha riscontrato un interesse via via crescente negli ultimi anni, aprendo nuovi orizzonti nello sviluppo di trattamenti terapeutici innovativi. Il presente progetto intende dare un contributo nello sviluppo di nuove soluzioni nel campo delle terapie "non convenzionali" basate sul rilascio fotocontrollato di ossido nitrico come alternativa a quelle basate sui farmaci antitumorali "convenzionali". L’ossido nitrico presenta numerosi vantaggi rispetto ai farmaci convenzionali: i) è una specie multitarget, ii) non è soggetto a problemi di resistenza, ii) ha un tempo di vita breve e diffonde per brevi distanze evitando effetti sistemici indesiderati. Il presente lavoro di tesi si focalizza sulla progettazione, sintesi, caratterizzazione e applicazioni terapeutiche di nuovi fotodonatori fluorescenti attivabili con luce visibile. Molti dei fotodonatori sviluppati sono costituiti da un cromoforo, che agisce come antenna di raccolta della luce visibile, legato covalentemente ad un derivato della N-nitrosoanilina, gruppo in grado di rilasciare ossido nitrico. Questi ibridi molecolari sfruttano l'energia di eccitazione dell'antenna per innescare un trasferimento intramolecolare di elettroni che porta al rilascio di ossido nitrico senza influenzare significativamente le proprietà emissive dell'antenna, proprietà fondamentale per consentire la visualizzazione del fotodonatore all'interno dell’ ambiente cellulare. Inoltre, parte del lavoro è stata focalizzata sullo sviluppo di nuovi sistemi che, per via della copresenza di un fotodonatore e di un fotosensibilizzatore, sono in grado di generare contemporaneamente ossido nitrico ed ossigeno singoletto. Negli ultimi anni, infatti, l'uso dell’ossido nitrico in combinazione con le terapie fotodinamiche (PDT) ha incontrato un successo via via crescente aprendo nuove possibilità nel campo delle strategie terapeutiche multimodali. Questo nuovo approccio mira a sfruttare gli effetti additivi o sinergici derivanti dall'attività di più specie terapeutiche al fine di amplificare l'attività terapeutica e minimizzare gli effetti collaterali.