UACH > VÝZKUM > Fotofunkční anorganické molekuly a materiály > Organizované uspořádání porfyrinových jednotek

Organizované uspořádání porfyrinových jednotek


Kontaktní osoby: Kamil Lang, Jan Demel

Zabýváme se studiem fyzikálně chemických, fotofyzikálních, fotochemických a fotobiologických vlastností porfyrinových sloučenin a (nano)materiálů z nich připravených, např. kovalentních organických sítí, metalorganických sítí (tzv. metal-organic frameworks, MOFs), nanočástic a polymerních nanovláken. Porfyrinové jednotky ve struktuře těchto materiálů v mnoha případech produkují singletový kyslík po ozáření viditelným světlem. Variabilita spojovacích komponent porfyrinových jednotek umožňuje ovlivňovat jejich chemické a bránit jejich těsnému kontaktu (agregaci). Toto ovlivňování struktury materiálů umožňuje nastavit jejich vlastnosti pro světlem indukované aplikace. Porfyrinové molekuly a (nano)materiály využíváme pro konstrukci fotodynamických antimikrobiálních povlaků, a dále v oblasti fotodynamické terapie a lokální detekce kyslíku.

Singletový kyslík

Singletový kyslík O2(1g) je excitovaná molekula molekulárního kyslíku. Je to reaktivní částice spoluzodpovědná za fototoxicitu fotosensitizátorů při jejich aplikaci ve fotodynamické terapii (PDT). Vzniká přenosem energie mezi excitovanými tripletovými stavy fotosensitizátoru a molekulárním kyslíkem (Obr. 2). Tyto vlastnosti O2(1g) spojené s krátkou dobou života v buňkách a tím jeho malou difuzní vzdáleností (d ~ 150-190 nm) vedou k jeho velké selektivitě pro destrukci cílových rakovinových buněk. Z důvodu reaktivity má O2(1g) také výrazné baktericidní a virucidní účinky, které jsou základem pro účinnou metodu pro boj s mikroorganismy (často rezistentní) – antimikrobiální fotodynamická inaktivace.

Vybrané publikace:
Lang, J. Mosinger, D. M. Wagnerová: Pokroky ve fotochemii singletového kyslíku. Chem. listy 99 (2005) 211-221.
Lang, J. Mosinger, D. M. Wagnerová: Photophysical properties of porphyrinoid sensitizers noncovalently bound to host molecules; models for photodynamic therapy. Coord. Chem. Rev. 248/3-4 (2004) 321-350.
Lang, J. Mosinger, P. Kubát: Nanofibers and nanocomposite films for singlet oxygen-based applications. Chapter 15, pp. 305 – 321. Singlet Oxygen: Applications in Biosciences and Nanosciences (Vol. 1), S. Nonell, C. Flors (Eds.), European Society for Photobiology 2016. The Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK.

Obrázek 1. Vznik singletového kyslíku přenosem energie mezi excitovanými tripletovými stavy fotosensitizátoru a molekulárním kyslíkem. Typické fotosensitizátory: oktaedrické molybdenové a wolframové klastry, porfyriny, ftalocyaniny.

 

Příklady molekul a (nano)materiálů

Fosfinátofenyl porfyriny. Jako první jsme syntetizovali a charakterizovali deriváty porfyrinu s fosfinátovými skupinami, které mají různé substituenty na atomu fosforu (Obr. 2, v modré barvě). Fotofyzikální vlastnosti těchto porfyrinů nejsou přítomností fosfinátových skupin ovlivněny, avšak substituenty na atomu fosforu ovlivňují klíčové vlastnosti, jako např. hydrofobicitu, agregační chování, interakci s albuminem. Tyto porfyriny jsou atraktivní pro fotodynamické aplikace (Obr. 3).

Obrázek 2. Struktury fosfinátofenyl porfyrinů (3a – 3c).

Obrázek 3. Konfokální mikroskopie HeLa buněk po inkubaci s LysoTracker Green (A, D), porfyrinem (B, E) a překryv obou snímků dokumentující, že porphyrin je lokalizován v lysosomech HeLa buněk (C, F, žlutooranžová barva).

 

Kovalentní organické sítě. Připravili jsme porfyrinové kovalentní organické sítě a využili jich pro fotodynamickou inaktivaci bakterií (Obr. 4).

Obrázek 4. Struktura kovalentních organických sítí.

 


Metalorganické sítě (metal-organic frameworks, MOFs). Nanočástice hexagonálního PCN-222 (Fig. 5) způsobují apoptózu nádorových buněk produkovaným singletovým kyslíkem po ozáření viditelným světlem (Obr. 6). Fototoxicita těchto nanočástic vymizí po několika hodinách, což je žádaná vlastnost pro eliminaci dlouhodobějších problémů.

Obrázek 5. Struktura MOFu – PCN-222, který se skládá z Zr(IV) strukturních stavebních jednotek (zeleně) spojených dohromady porfyrinovými spojnicemi (vlevo). Nanočástice PCN-222 pod transmisním elektronovým mikroskopem (vpravo).

Obrázek 6. Ilustrace fotodynamické aktivity nanočástic PCN-222.

Nanočástice a nanovlákna obsahující porfyrinové sensitizátory. Tyto nanomateriály, které po osvícení světlem produkují singletový kyslík, mají výrazné fotooxidační vlastnosti a mohou být použity pro fotoinaktivaci rezistentních baktérií nebo pro detekci (a stanovení koncentrace) kyslíku v různých prostředích (Obr. 7).

Obrázek 7. Snímky ze skenovacího elektronového mikroskopu ukazují polystyrénová nanovlákna používaná pro přípravu textilií s baktericidním povrchem (A, B). Snímek z transmisního elektronového mikroskopu (C) byl použit pro stanovení distribuce velikostí polymerních nanočástic připravených nanoprecipitační metodou (D).

Vybrané publikace:
J. Hynek, M. Koncošová, J. Zelenka, I. Křížová, T. Ruml, P. Kubát, J. Demel, K. Lang: Phosphinatophenylporphyrins tailored for high photodynamic efficacy. Organic & Biomolecular Chemistry 16 (2018) 7274 – 7281.
J. Hynek, J. Zelenka, J. Rathouský, P. Kubát, T. Ruml, J. Demel, K. Lang: Designing porphyrinic covalent organic frameworks for the photodynamic inactivation of bacteria. ACS Appl. Mater. Interfaces 10 (2018) 8527−8535.
P. Kubát, P. Henke, V. Berzediová, M. Štěpánek, K. Lang, J. Mosinger: Nanoparticles with embedded porphyrin photosensitizers for photooxidation reactions and continuous oxygen sensing. ACS App. Mater. Interfaces 9 (2017) 36229-36238.
D. Bůžek, J. Zelenka, P. Ulbrich, T. Ruml, I. Křížová, J. Lang, P. Kubát, J. Demel, K. Kirakci, K. Lang: Nanoscaled porphyrinic metal-organic frameworks: photosensitizer delivery systems for photodynamic therapy. J. Mater. Chem. B 5 (2017) 1815-1821.
J. Hynek, J. Rathouský, J. Demel, K. Lang: Design of porphyrin-based conjugated microporous polymers with enhanced singlet oxygen productivity. RSC Advances 6 (2016) 44279 – 44287.