Bio-medicinal applications of coordination compounds: a photophysical point of view

Abstract

Il presente lavoro di ricerca, svolto presso il Laboratorio di Chimica Inorganica e di Coordinazione (LaCIC) dell'Università della Calabria, sotto la supervisione del Dott. Massimo La Deda, e in parte nel Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents (Université Claude Bernard, Lyon, France), si colloca all'interfaccia tra la Biomedicina, la Chimica di Coordinazione e la Fotochimica, alla ricerca di un comune denominatore. L'obiettivo del nostro lavoro è stato quello di sviluppare una metodologia ed un set-up sperimentale per collegare l'esperienza del LaCIC nella sintesi organometallica, con le applicazioni di composti di coordinazione in campo biomedico. Abbiamo scelto tre aree di ricerca in grado di mettere in evidenza la relazione tra "composti di coordinazione", "luce" e "biomedicina": l'applicazione di complessi metallici incapsulati in polimeri o in nanoparticelle di oro e silice per la generazione di ossigeno di singoletto nella Terapia Fotodinamica (Capitoli 3 e 4), l'utilizzo dei processi a trasferimento di energia che coinvolgono i composti di coordinazione per lo studio delle interazioni farmaco-proteina (applicazioni di “sensing”, capitolo 2), l'utilizzo della luminescenza di nanoparticelle contenenti complessi di metalli di transizione nell’imaging cellulare. Le proprietà uniche dei composti metallici, soprattutto la rilevante fotochimica e fotofisica dei composti di metalli di transizione, li rendono idonei per applicazioni in fotomedicina. Capitolo 2 - Applicazione di “sensing” dei composti di coordinazione: interazione farmaco-proteina. Un nuovo complesso di zinco, recentemente sintetizzato presso il LaCIC, ha evidenziato un’interessante attività antiproliferativa in vitro nei confronti di alcune linee cellulari tumorali. Tuttavia, i test in vitro rappresentano solo il primo step per l’applicazione di questo complesso come farmaco antineoplastico; una fase successiva richiede uno studio della sua biodistribuzione, dunque la sua interazione con biomolecole quali l’ Albumina sierica umana, la proteina più abbondante presente nel torrente circolatorio, la quale aumenta la solubilità di farmaci idrofobici nel plasma e ne modula il rilascio a livello cellulare. Grazie alla fluorescenza della proteina, è stato possibile studiarne il fenomeno di quenching della luminescenza, correlandolo all’interazione di legame con il complesso metallico. Inoltre, la "struttura speciale" del composto di coordinazione, la sua luminescenza intrinseca, ha reso possibile lo studio dell’interazione di legame da un’altra prospettiva, giungendo ad una interessante conclusione, che evidenzia l'aspetto multifattoriale del complesso: terapeutico e sensoristico. Capitolo 3 - Processi attivati dalla luce in composti di coordinazione: fotogenerazione di ossigeno di singoletto. La Terapia Fotodinamica (PDT) fa riferimento all’applicazione di luce al fine di ottenere un effetto terapeutico, in particolare fa riferimento alla capacità di fotogenerare 1O2, una specie altamente reattiva (il “vero” agente terapeutico) da una molecola cosiddetta “fotosensibilizzante”. Tra gli effetti terapeutici dell’ 1O2 si pongono in evidenza la terapia antimicrobica e, soprattutto, la terapia antitumorale: in entrambe è preferibilmente richiesto l’utilizzo di fotosensibilizzanti solubili in acqua. I Complessi di Metalli di Transizione (TMC), grazie alle loro “speciali” proprietà fotofisiche, sono fotosensibilizzanti eccellenti, ma per la maggior parte scarsamente idrofilici. Per rendere TMC solubili in acqua si può procedere per esempio inserendoli in un polimero biocompatibile, senza che gli stessi perdino la loro capacità di generare ossigeno di singoletto. Seguendo questo criterio, è stato sintetizzato e caratterizzato il primo esempio di un polimero solubile in acqua legante un complesso di Pt(II) in grado di generare ossigeno di singoletto. Capitolo 4 - Il paradigma “theranostic”: complessi di metalli di transizione e nanoparticelle. Un’altra alternativa per ottenere un fotosensibilizzante solubile in acqua con le “speciali” proprietà dei TMC è di incapsularlo all’interno di nanoparticelle (NPs), le quali stanno sempre più acquisendo una crescente importanza in ambito medico, grazie alla capacità di agire da sistema di rilascio e alla loro bassa tossicità. Su questa base, sono state sintetizzate e caratterizzate un certo numero di NPs aventi un “core” d’oro e una “shell” di silice con intrappolati nella matrice complessi di Ir (III) e Ru (II), aventi la capacità di generare ossigeno di singoletto. Come prova preliminare, un campione di NPs contenenti un complesso di Ru (II), è stato caratterizzato in vitro per valutarne la citotossicità in diverse linee di cellule tumorali, con risultati promettenti. Inoltre, le "speciali" proprietà fotofisiche dei TMC consentono una disattivazione non radiativa degli stati eccitati (fenomeno necessario per la generazione di 1O2 mediante un processo a trasferimento di energia) senza perdere la luminescenza. In virtù di questo, è stato possibile localizzare le NPs fotosensibilizzanti all'interno della cellula mediante microscopia a fluorescenza, rendendo le NPs sintetizzate un nuovo materiale per “theranostic purposes”.