RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Complessi porfirinici autoorganizzati su scala nanoscopica: proprietà e applicazioni tecnologiche

Università di riferimento

Università degli Studi di MESSINA - CHIMICA INORGANICA,CHIMICA ANALITICA E CHIMICA FISICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Luigi Monsù Scolaro

Descrizione

Il programma dell’UR di Messina prevede di continuare ed approfondire indagini precedenti su processi di auto-aggregazione ed aggregazione supramolecolare di porfirine mediata da matrici polimeriche, condotte negli ultimi anni grazie al contributo del MIUR (Cofin-2002). I risultati raggiunti in precedenza costituiscono la base di partenza per cercare di sviluppare delle specifiche applicazioni in cui tali sistemi supramolecolari possano essere impiegati in campo biologico ed in opto-elettronica. Gli obiettivi principali della ricerca saranno: (i) estendere indagini cinetiche e strutturali su specie aggregate di porfirine al fine di ottenerne un controllo delle dimensioni, principalmente su scala nanometrica, e delle proprietà fotofisiche, al fine di verificare la loro applicabilità in opto-elettronica, (ii) progettare ed investigare sistemi supramolecolari non-covalenti da impiegare in sensoristica e (iii) studiare l’interazione di porfirine con proteine modello e con vescicole formate da ciclodestrine anfifiliche al fine di studiarne le potenziali applicabilità come agenti bio-veicolanti per applicazioni quali la PDT.
In particolare, l’attività di ricerca di questa UR sarà articolata nelle seguenti linee:
1)Indagini strutturali e cinetiche sulla formazione di nanoaggregati di porfirine.
Questo argomento di ricerca rappresenta la logica prosecuzione di quanto avviato nel corso del precedente progetto di ricerca finanziato. Al fine di comprendere il ruolo dei vari fattori (concentrazione dei reagenti, forza ionica, pH, temperatura), è stato condotto un ampio studio tanto sull’auto-aggregazione di porfirine solubili in acqua, quanto sull’interazione supramolecolare con varie piccole molecole di rilevanza biologica. In questo ambito, abbiamo indirizzato la nostra attenzione alle porfirine tetrakis-(4-solfonatofenil)porfina (TPPS4) e trans-bis(N-4-metilpiridinio)difenilporfina (trans-H2Pagg). La specie diacida della porfirina anionica TPPS4 è in grado di aggregare a pH sufficientemente acido ed ad elevati valori della forza ionica, per dare degli aggregati di tipo J. In questi aggregati, le porfirine esibiscono una disposizione laterale generando schiere lineari, stabilizzate da forti interazioni elettrostatiche tra il gruppi solfonici laterali ed il centro protonato del macrociclo, oltre che da legami ad idrogeno e forze di van der Waals. Tali sistemi sono caratterizzati da un forte accoppiamento elettronico che produce degli effetti marcati tanto sulle bande di assorbimento (spostamenti di oltre 50 nm verso il rosso delle bande nel visibile), quanto sulle proprietà fotofisiche. Inoltre, questi aggregati esibiscono un effetto noto come “resonance light scattering” (RLS), che determina un elevato innalzamento dell’intensità della luce diffusa in prossimità di una banda di assorbimento.[1] L’impiego combinato di varie tecniche spettroscopiche (UV/Vis, fluorescenza e scattering) ci ha consentito di chiarire che le strutture mesoscopiche ottenute per aggregazione indotta da acidi è di tipo frattalico e fortemente dipendente dalla concentrazione dell’acido, dall’ordine di mescolamento dei reagenti e dall’invecchiamento delle soluzioni di partenza.[2] Particolarmente interessante è il comportamento di questa porfirina in presenza di poliammine lineari, che sono in grado di indurre aggregazione di tipo J a valori di pH meno acidi, rispetto alle usuali condizioni richieste per l’auto-aggregazione. La natura della poliammina ed in particolare il numero degli atomi di azoto protonabili influenza la morfologia degli aggregati finali. L’aggiunta di spermina produce la formazione di sistemi aventi una morfologia dendritica e che si sono rivelati degli efficienti sistemi antenna.[3] Sistemi supramolecolari organizzati chirali sono stati ottenuti per interazione della porfirina trans-H2Pagg con acido poliglutammico in conformazione di alfa-elica o su acidi nucleici.[4] Le cinetiche di formazione di tali aggregati sono state studiate, soprattutto tramite l’impiego del dicroismo circolare (CD), sfruttando l’induzione di forti segnali CD nelle regioni del visibile dove sono posizionate le bande di assorbimento elettroniche delle porfirine. Le evidenze sperimentali ottenute mostrano come sia possibile ottenere una buona riproducibilità ed un controllo fine del grado di aggregazione agendo sugli usuali parametri del mezzo. Anche in questo caso, modalità di aggiunta dei reagenti ed invecchiamento delle soluzioni giocano dei ruoli importanti soprattutto nella cinetica di aggregazione. Nel corso di tali indagini sono stati ampiamente evidenziati fenomeni di nucleazione.
In base a questi risultati, ci proponiamo di sfruttare le conoscenze acquisite con le due porfirine sovrariportate per ottenere aggregati contenenti complessi metallici dei due leganti macrociclici. L’impiego di metallo-porfirine consente una modulazione estesa delle proprietà fotofisiche degli aggregati, introduce delle potenziali attività di tipo redox e può indurre delle importanti variazioni strutturali, imposte dalle caratteristiche coordinative del centro metallico.
Saranno pertanto condotte dettagliate indagini spettroscopiche risolte nel tempo (assorbimento UV/Vis, fluorescenza, light scattering risonante) per ottenere informazioni sui processi di formazione di questi aggregati supramolecolari. Questi studi potranno essere eventualmente estesi ad altre porfirine anioniche con gli stessi substrati modello o a porfirine cationiche su substrati polianionici. La caratterizzazione della struttura degli aggregati in soluzione sarà condotta attraverso le tecniche di light scattering. Un’analisi della morfologia degli aggregati supramolecolari potrà essere realizzata attraverso l’impiego di tecniche di microscopia ad alta risoluzione, AFM (disponibile presso l'UR di Bari) e microscopia ottica confocale.
In collaborazione con l’UR di Bari, tali aggregati saranno studiati in relazione alle loro potenziali applicazioni opto-elettroniche (optical limiting e assorbimento a due fotoni).
2) Deposizione di nanoaggregati di porfirine mediante irradiazione con luce UV.
Nel corso di studi di aggregazione della porfirina tetra(4-piridil)porfina in solventi quali diclorometano e cloroformio, questa UR ha evidenziato la possibilità di ottenere dei depositi di nano- e microcristalli sulla superficie della cella esposta all’irradiazione del fascio UV/Vis. Il fenomeno è stato ascritto alla fotodecomposizione del solvente alogenato ad opera delle radiazioni UV, con conseguente formazione di acido cloridrico, protonazione della porfirina e nucleazione sulla superficie di quarzo.[5] Indagini preliminari suggeriscono che la metodologia può essere estesa a molte altre porfirine, pertanto, ci proponiamo di studiare le condizioni ottimali (tempo di esposizione, potenza del fascio, temperatura) per ottenere delle deposizioni di cristalli dalle dimensioni controllate su vari tipi di substrati (quarzo, silicio, metalli). E’ interessante notare che, l’impiego di solventi alogenati di tipo differente potrebbe condurre all’ottenimento di cristalli di porfirine acide contenenti controioni differenti dal cloruro. Tale opportunità consentirebbe di modulare le proprietà fotofisiche dei nanocristalli, in quanto è stata verificata una forte dipendenza di tali proprietà dalla natura dei contro-ioni.[6] Ovviamente, anche l’impiego di metallo-porfirine potrebbe consentire un ulteriore controllo delle proprietà di tali sistemi. I nanocristalli ottenuti saranno caratterizzati tramite le tecniche usuali di spettroscopia UV/Vis, fluorescenza e RLS. La morfologia sarà indagata mediante microscopia a forza atomica (AFM, UR di Bari), microscopia ottica confocale in trasmissione o fluorescenza ed a campo prossimo (SNOM) disponibile presso il Dipartimento di Metodologie Fisiche avanzate dell’Università di Messina. Le possibili applicazioni di tali nanocristalli come sensori (tramite QCM) o come agenti attivi in dispositivi opto-elettronici saranno indagate in collaborazione con l’UR di Lecce.
3) Interazione di porfirine solubili con proteine.
Le indagini condotte su semplici poliammine e polipeptidi costituiscono la base di partenza per la caratterizzazione spettroscopica, strutturale e cinetica degli addotti con proteine. La UR si propone di studiare la formazione di complessi supramolecolari di porfirine e di aggregati di porfirine con semplici proteine modello, quali l’albumina. In particolare, la scelta è stata rivolta a quest'ultima proteina, in quanto essa costituisce uno dei maggiori veicoli di trasporto nel flusso sanguigno di porfirine, ed è stata identificata come avente un ruolo importante nell’impiego di tali molecole nella terapia fotodinamica dei tumori. Le indagini verteranno sulla completa caratterizzazione spettroscopica (UV/Vis, fluorescenza, dicroismo circolare, IR ed NMR, light scattering risonante) di queste biostrutture complesse. In particolare, saranno studiate le cinetiche di formazione dei complessi supramolecolari tramite le tecniche spettroscopiche risolte nel tempo. Esperimenti specifici saranno disegnati per indagare tanto l’aggregazione di porfirine sulle proteine scelte come modello quanto l’interazione di aggregati preformati di porfirina con proteine. Effetti specifici delle porfirine su fenomeni di auto-aggregazione mostrati da albumina ed altre proteine[7] saranno investigati, essenzialmente tramite tecniche di light scattering.
L’applicazione combinata di tecniche di light scattering elastico ed a piccolo angolo consentirà la determinazione delle dimensioni ovvero del peso molecolare apparente delle particelle presenti in soluzione. L’applicazione di light scattering dinamico e di fluorescenza risolta nel tempo consentiranno di ricavare ulteriori dettagli sulle dinamiche rotazionali di questi aggregati.
4) Interazione di porfirine con ciclodestrine anfifiliche.
Indagini precedenti hanno mostrato che la porfirina TPPS4 interagisce con vescicole formate da ciclodestrine anfifiliche, dando luogo ad aggregati di tipo diverso a seconda dei rapporti relativi di concentrazione. Tali sistemi supramolecolari generano ossigeno singoletto per irradiazione e sono in grado di veicolare la porfirina all’interno di cellule tumorali, con un’elevata specificità nei confronti del comparto nucleare.[8] I risultati ottenuti sono di elevato interesse per lo sviluppo di sistemi per terapia fotodinamica, in quanto, somministrazioni di porfirina da sola nelle stesse condizioni evidenziano un legame di tipo aspecifico sulla parete cellulare. Continuando questa linea di ricerca, ci proponiamo di studiare la natura dell’interazione tra vari derivati metallici (ad es. Zn(II)) di porfirine anioniche e clorofilla (in collaborazione con l’UR di Bari) con delle ciclodestrine anfifiliche, aventi gruppi idrofilici terminati con una funzione di tipo amminico (e pertanto carichi positivamente a pH fisiologico). Tali interazioni saranno modellizzate teoricamente in collaborazione con l'UR di Bari. Al solito la caratterizzazione sarà effettuata tramite l’uso combinato delle tecniche spettroscopiche fin qui descritte, unitamente all’impiego di misure del potenziale Z (light scattering elettroforetico), che consente di ottenere una descrizione degli aggregati in termini di carica e dimensioni. L’impiego della microscopia SNOM ed ottica confocale in fluorescenza consente la visualizzazione delle vescicole in soluzione, unitamente alla distribuzione delle porfirine all’interno delle cellule. La fotogenerazione di ossigeno singoletto sarà determinata tramite metodiche chimiche e fotochimiche convenzionali (in collaborazione con l’UR di Catania). Prove in vitro su linee cellulari tumorali saranno condotte in collaborazione con il Dipartimento di Scienze Microbiologiche, Genetiche e Molecolari dell’Università di Messina.

[1] R.F. Pasternack et al. Science 1995, 269, 935.
[2] M. Castriciano, et al. J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 8765.
[3] L. Monsù Scolaro et al .Chem. Commun. 2005, 3018. N. Micali et al. Phys. Rev. E. 2005, 72, 050401.
[4] L. Monsù Scolaro, et al. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 7178
[5] L. Monsù Scolaro et al. J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 2040.
[6] A. Rosa et al. J. Phys. Chem. A, 2003, 107, 11468. G. De Luca et al. J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 7149. G. De Luca et al. Chem. Mat. 2006, 18, 2005.
[7] T.T. Tominaga, et al. J. Inorg. Biochem. 1997, 65, 235.
[8] A. Mazzaglia, et al. Chem., Eur. J. 2003, 9, 5762. S. Sortino et al. Biomaterials 2006 in press.