La luz puede ser usada para causar daño a los tejidos de diversas maneras, ya sea, térmica, mecánica o químicamente. Las aplicaciones de la luz incluyen técnicas terapéuticas en oftalmología, fotocoagulación, fotodisrupción y la fotoquímica. La fotoquímica difiere sustancialmente de las demás técnicas, ya que no implica ningún daño térmico o mecánico. El daño fotoquímico puede ocurrir naturalmente por exposición a la luz, induciendo mecanismos oxidativos. Por ejemplo, las consecuencias del estrés oxidativo de la retina generado por exposición a la luz, implican daño oxidativo de ADN, lípidos y proteínas (1,2). Durante años se ha incursionado en la utilización de diferentes terapias para la cura del cáncer. Una de ellas es la Terapia Fotodinámica. El presente trabajo de tesis se enmarca en este contexto, ahondando en el efecto del Beta-caroteno en el mecanismo de desactivación de oxígeno singlete en células mamíferas, a través del monitoreo directo de esta especie reactiva de oxígeno y la utilización de modelos donde se mimetiza tanto el ambiente heterogéneo al cual se enfrenta el carotenoide en la célula como la interacción con proteínas.

En aquesta tèsi s'ha avaluat l'ús de la teràpia fotodinàmica antimicrobiana (APDT) com a alternativa als antibiòtics. Inicialment, s'ha demostrat in vitro i en un model de cremades en ratolins el potencial de les fenotiazines, i més concretament del nou blau de metilè, per inactivar un bacteri resistent a antibiòtics com Acinetobacter baumanii. A més, també s'ha investigat el potencial dels porficens aril catiònics com a agents fotosensibilitzadors per a APDT in vitro i in vivo, inactivant exitosament diferents tipus de bacteris gram positius i negatius, així com fongs. Per altra banda, s'han estudiat les cinètiques de formació i decaïment d'oxigen singlet (1O2) en E. coli mitjançant un espectrofotòmetre ultrasensible a l'infraroig proper amb resolució temporal per sota del microsegon. Els resultats ens permeten profunditzar en el mecanisme de l'APDT, és a dir, en la localització del fotosensibilitzador (PS) en el bacteri i la reactivitat de l'1O2. Per un costat, l'entorn del PS canvia quan la distribució de les càrregues catiòniques varia. Per l'altre, en funció del lloc de formació, l'1O2 reacciona amb l'entorn proper o és capaç d'escapar fora de les cèl·lules. En tercer lloc, també s'ha estudiat, mitjançant sondes fluorescents i tècniques amb resolució temporal, l'habilitat d'una proteïna fluorescent per produir espècies reactives d'oxigen, actuant com a agents fotosensibilitzadors genèticament codificats. Així, s'ha calculat per primera vegada el rendiment quàntic de formació d'1O2 obtenint un valor similar al del cromòfor sintètic de les GFPs. Finalment, s'ha investigat mitjançant l'espectrofotòmetre en l'infraroig proper l'efecte plasmó produït per films d'illes de plata sobre l'1O2, demostrant un increment màxim en la luminescència d'1O2 a 1270 nm al voltant de 30 vegades en alguns casos. / En esta tesis se ha evaluado el uso la terapia fotodinámica antimicrobiana (APDT) como alternativa a los antibióticos. Inicialmente, se ha demostrado, in vitro y en un modelo de quemaduras en ratón, el potencial de las fenotiazinas, y más concretamente del nuevo azul de metileno, para inactivar una bacteria resistente a antibióticos como Acinetobacter baumanii. Además, también se ha investigado el potencial de los porficenos aril catiónicos como agentes fotosensibilizadores para APDT in vitro e in vivo, inactivando exitosamente distintos tipos de bacterias gram positivas y negativas, así como hongos. Por otro lado, se ha estudiado las cinéticas de formación y decaimiento de oxígeno singlete (1O2) en E. coli mediante un espectrofotómetro ultrasensible en el infrarrojo cercano con resolución temporal por debajo del microsegundo. Los resultados nos permiten profundizar en el mecanismo de la APDT, es decir, en la localización del fotosensibilizador (PS) en la bacteria y la reactividad del 1O2. Por un lado, el entorno del PS cambia cuando la distribución de las cargas catiónicas varía. Por otro lado, en función del lugar de formación, el 1O2 reacciona con el entorno cercano o es capaz de escapar fuera de las células. En tercer lugar, también se ha estudiado, mediante sondas fluorescentes y técnicas con resolución temporal, la habilidad de una proteína fluorescente para producir especies reactivas de oxígeno, actuando pues como agentes fotosensibilizadores genéticamente codificados. Así, se ha calculado por primera vez el rendimiento cuántico de formación de 1O2 mostrando un valor similar al del cromóforo sintético de las GFP. Finalmente, se ha investigado mediante el espectrofotómetro en el infrarojo cercano el efecto plasmon producido por films de islas de plata sobre 1O2, observando un incremento máximo de la luminiscencia de 1O2 a 1270 nm alrededor de 30 veces en algunos casos. / In this thesis, the use of antimicrobial photodynamic therapy as alternative to antibiotics has been assessed. First, the potential of phenothiazinium dyes, and specifically new methylene blue, to inactivate multidrug-resistant strains has been demonstrated against Acinetobacter baumanii in vitro and in a mouse burn model. In this regard, it also has been investigated the potential of aryl cationic porphycenes as photosensitizing drugs in APDT in vitro and in vivo, successfully inactivating different gram-positive and negative bacteria, and fungal cells.Second, the kinetics of singlet oxygen (1O2) production and fate in E. coli have been investigated by means of an ultrasensitive near-infrared spectrometer with submicrosecond time resolution. The results allowed us to gain insight into the mechanism of APDT, i.e., the localization of the photosensitiser (PS) in the bacteria and the reactivity of 1O2. On one hand, the microenvironment of the PS changes when the distribution of the cationic charges changes. On the other hand, depending on the site of production, 1O2 reacts with the nearest microenvironment or is able to escape out of the cells. Third, the ability of fluorescent proteins (GFPs), as genetically-encoded photosensitisers, to produce reactive oxygen species has been studied by means of fluorescent probes and time-resolved techniques. Thus, for the first time, the quantum yield of 1O2 production of some of the studied proteins has been calculated showing a value similar to that of the synthetic GFP chromophore.Finally, the plasmonic effect of silver island films on 1O2 has been investigated using the near-infrared spectrometer, demonstrating a maximum enhancement of the 1O2 luminescence signal at 1270 nm ca. 30-fold in some cases.

S'ha estudiat el desenvolupament de fotosensibilitzadors i la seva formulació en teràpia fotodinàmica. S'han caracteritzat les propietats fotofísiques dels fotosensibilitzadors porficènics. S'han proposat diferents estratègies tals com la introducció de grups carboxilat en la perifèria o ions de metalls pesants en el nucli, per millorar el disseny de nous fotosensibilitzadors basats en el macrocicle porficènic. Entre ells, el temocè (m-THPPo), el porficè anàleg a la temoporfina, mostra excel•lents propietats fotofísiques, fotoestabilitat i alta eficàcia fotodinàmica. A causa de la seva alta hidrofobicitat, s'ha desenvolupat una formulació liposomal per a l'administració in vitro i in vivo del temocè. m-THPPo/DPPC/DMPG (1:67.5:7.5 relació molar) té alta eficiència d'encapsulació mantenint les seves propietats tant fotofísiques com a biològiques. El temocè liposomal va exhibir l'eficàcia fotodinàmica in vitro més alta per molècula internalitzada, sent un sistema d'administració de fàrmacs eficaç per a una estratègia in vivo dirigida a les cèl•lules tumorals. El temocè encapsulat en micel•les de Cremophor EL va mostrar una mínima internalització cel•lular. Consistentment, la formulació micel•lar va mostrar millor la resposta in vivo quan s'utilitza en un règim vascular. Amb la finalitat de minimitzar la internalització del fotosensibilitzador en les cèl•lules normals, es van proposar liposomes decorats amb lligands folat. Aquesta estratègia resulta en una internalització dues vegades major dels liposomes dirigits al receptor folat respecte a la corresponent formulació no específica. Finalment, han estat explorats nous models cel•lulars in vitro per a l'optimització dels processos amb oxigen singlet. Els cultius cel•lulars en 3D reprodueixen l'heterogeneïtat d'oxigen i fotosensibilitzador que està present en els teixits reals, proporcionant informació molt útil per interpretar i predir el resultat de la teràpia fotodinàmica. També s'ha demostrat la capacitat de desactivació de l'oxigen singlet d'antioxidants en un model ex vivo de pell porcina. / Se ha estudiado el desarrollo de fotosensibilizadores y su formulación en terapia fotodinámica. Se han caracterizado las propiedades fotofísicas de los fotosensibilizadores porficénicos. Se han propuesto diferentes estrategias tales como la introducción de grupos carboxilato en la periferia o iones de metales pesados en el núcleo, para mejorar el diseño de nuevos fotosensibilizadores basados en el macrociclo porficénico. Entre ellos, el temoceno (m-THPPo), el porficeno análogo a la temoporfina, muestra excelentes propiedades fotofísicas, fotoestabilidad y alta eficacia fotodinámica. Debido a su alta hidrofobicidad, se ha desarrollado una formulación liposomal para la administración in vitro e in vivo del temoceno. m-THPPo/DPPC/DMPG (1:67.5:7.5 relación molar) tiene alta eficiencia de encapsulación manteniendo sus propiedades tanto fotofísicas como biológicas. El temoceno liposomal exhibió la eficacia fotodinámica in vitro más alta por molécula internalizada, siendo un sistema de administración de fármacos eficaz para una estrategia in vivo dirigida a las células tumorales. El temoceno encapsulado en micelas de Cremophor EL mostró una mínima internalización celular. Consistentemente, la formulación micelar mostró mejor la respuesta in vivo cuando se utiliza en un régimen vascular. Con el fin de minimizar la internalización del fotosensibilizador en las células normales, se propusieron liposomas decorados con ligandos folato. Esta estrategia resulta en una internalización dos veces mayor de los liposomas dirigidos al receptor folato respecto a la correspondiente formulación no específica. Por último, han sido explorados nuevos modelos celulares in vitro para la optimización de los procesos con oxígeno singlete. Los cultivos celulares en 3D reproducen la heterogeneidad de oxígeno y fotosensibilizador que está presente en los tejidos reales, proporcionando información muy útil para interpretar y predecir el resultado de la terapia fotodinámica. También se ha demostrado la capacidad de desactivación del oxígeno singlete de antioxidantes en un modelo ex vivo de piel porcina. / The photosensitizer and formulation development in photodynamic therapy have been studied. They have been characterized the photophysical properties of new porphycene-based photosensitizers. Different strategies such as the introduction of carboxylate groups in the periphery or heavy metal ions in the core have been proposed for improving the design of novel photosensitizers based on the porphycene macrocycle. Among them, temocene (m-THPPo), the porphycene analogue to temoporfin, shows excellent photophysical properties, superior photostability and high photodynamic efficiency. Owing to its high hydrophobicity, a liposomal formulation has been developed for in vitro and in vivo administration of temocene. m-THPPo/DPPC/DMPG (1:67.5:7.5 molar ratio) yielded high encapsulation efficiency maintaining its photophysical and biological properties. Liposomal temocene exhibited the highest in vitro killing efficacy per uptaken molecule and they were an efficient drug delivery system for in vivo tumor cell targeting strategy. Temocene encapsulated in Cremophor EL micelles showed minimal cell internalization. Consistently, micellar formulation showed the best in vivo response when used in a vascular regime. In order to minimize the internalization of the photosensitizer in normal cells, liposomes decorated with folic acid ligands were proposed. This strategy leads to a 2-fold higher uptake of folate-targeted liposomes than the corresponding non-targeted formulation. Finally, new in vitro cellular models for a better optimization of singlet oxygen-involved processes were explored. 3D cellular cultures reproduced the oxygen and photosensitizer heterogeneity found in real tissues, providing useful information to interpret and predict the photodynamic therapy outcome. The singlet oxygen quenching ability of antioxidants in ex vivo porcine skin model has also been demonstrated.

[EN] In this Doctoral Thesis the reactivity of a group of emerging pollutants (EP) present in the output waters of urban treatment plants and the implementation of a photo-Fenton process in slightly acidic pH conditions using bio-organic solubles (SBO) as auxiliary chemicals have been studied. First, a mechanistic study was performed to investigate the role played by various reactive species in the oxidation of a mixture of emerging pollutants generated photochemically through advanced oxidation processes. These oxidizing species are the hydroxyl radical (OH), singlet oxygen (1O2) and the excited states of photocatalysts able to act through electron transfer processes. Results show that the EP degradation from the photo-Fenton process is too complex to be explained exclusively by the direct reaction of radical OH¿. More likely, OH radical reacts with further species present in the medium, so that long-lived radicals are generated and contribute to the degradation of EP or participate in chain processes. Rose bengal, known 1O2 generator, showed very low reactivity with EP under photochemical conditions. This fact together with the low values obtained for the rate constants in the reaction of 1O2 with EP, indicate that degradation of EP with singlet oxygen at these concentrations is very inefficient. Electron transfer processes studied using triphenylpyrylium (TPP+) and triphenylthiopyrylium (TPTP+) showed that degradation of EP were produced through the excited singlet and triplet states of the photocatalysts, slightly higher results were obtained by using the TPTP+. SBO, isolated from the wet fraction of municipal waste, are formed by a mixture of macromolecules with a wide range of sizes that goes from 67 to 463 kgmol-1. Furthermore, chemical composition of SBO resembles that of natural organic matter that has been employed in solar photochemical processes for wastewater treatment. Characterization of SBO has shown that these substances are biocompatible, stable after 24 hours of irradiation and able to improve the efficiency of photo-Fenton under slightly acidic pH. The results obtained in the optimization of the operational variables of the photo-Fenton process in the presence of SBO suggest that the mechanism of this process has changed, so that the optimum pH value of 2,8 has shifted to values close to 4. Therefore, the hydroxyl radical is not the main specie but others species could play a role; however they have not been unequivocally identified due to the complexity process. Moreover, SBO are able to generate reactive species; however their efficiency depends on the balance between the generation of reactive species and the inner filter effect produced by the deep color of SBO and also by the competition for the generated reactive species between SBO and the pollutants / [ES] En la presente Tesis Doctoral se estudió la reactividad de un conjunto de contaminantes emergentes (CE) presentes en aguas naturales de salida de depuradoras urbanas y la posibilidad de implementar un proceso foto-Fenton en condiciones de pH ligeramente ácidas empleando sustancias solubles bio-orgánicas (SBO) como auxiliares químicos. En primer lugar se realizó un estudio mecanístico para indagar sobre el papel desarrollado por diversas especies reactivas, generadas fotoquímicamente mediante procesos de oxidación avanzada, en la oxidación de una mezcla de contaminantes emergentes. Entre estas especies oxidantes se encuentra el radical hidroxilo (OH.), el oxígeno singlete (1O2), y los estados excitados de los fotocatalizadores capaces de actuar en procesos de transferencia electrónica. Los resultados obtenidos muestran que el proceso de degradación de los CE mediante foto-Fenton es demasiado complejo para poder ser explicado únicamente mediante la reacción directa del radical OH. Posiblemente, tras ser generado, el radical OH reacciona con las especies presentes en el medio de forma que se generan radicales de vida larga que contribuyen a la degradación de los CE o bien inicia procesos en cadena. El rosa de bengala, conocido generador de 1O2, mostró muy baja reactividad con los CE en condiciones fotoquímicas. Este hecho unido a los bajos valores obtenidos para las constantes de reacción del 1O2 con los CE, nos indica que la degradación mediante reacción con oxígeno singlete a estas concentraciones es muy ineficiente. Los estudios de los procesos de transferencia electrónica empleando trifenilpirilio (TPP+) y trifeniltiopirilio (TPTP+) muestran que la degradación de los CE se produce desde los estados excitados singlete y triplete de los fotocatalizadores, obteniéndose unos resultados ligeramente superiores mediante el empleo del TPTP+. Los SBO son materiales extraídos de la fracción húmeda de los residuos urbanos. Estas sustancias están constituidas por una mezcla de macromoléculas con un amplio rango de tamaños que oscila de 67 a 463 kgmol-1. Además su composición química presenta similitudes estructurales con algunas sustancias que se encuentran en la materia orgánica natural y que han sido empleadas en procesos fotoquímicos solares para el tratamiento de aguas residuales. La caracterización de los SBO ha demostrado que estas sustancias son biocompatibles, estables tras 24 horas de irradiación y capaces de mejorar la eficiencia del foto-Fenton en condiciones de pH ligeramente ácidas. Los resultados obtenidos en la optimización de las variables operacionales en el proceso foto-Fenton en presencia de SBO sugieren que se ha producido una modificación en el mecanismo del proceso foto-Fenton de forma que se ha desplazado el valor óptimo de pH desde 2,8 a valores cercanos a 4. Por tanto el radical hidroxilo puede no ser la especie principal y entrar en juego otras especies que no han podido ser identificadas con certeza debido a la complejidad del proceso. Los SBO son capaces de generar especies reactivas, sin embargo se ha de llegar a un equilibrio entre la generación de especies reactivas y el efecto filtro producido por su acusada coloración, así como por la competencia de los propios SBO por las especies reactivas generadas. / [CAT] En la present Tesi Doctoral es va estudiar la reactivitat d'un conjunt de contaminants emergents (CE) presents en aigües d'eixida de depuradores urbanes i la possibilitat d'implementar un procés foto-Fenton en condicions de pH lleugerament àcides emprant substàncies solubles bio-orgàniques (SBO) com auxiliars químics. En primer lloc es va realitzar un estudi mecanístic per indagar sobre el paper desenvolupat per diverses espècies reactives, generades fotoquímicament mitjançant processos d'oxidació avançada, en l'oxidació d'una mescla de contaminants emergents. Entre aquestes espècies oxidants es troba el radical hidroxil (OH), l'oxigen singlet (1O2), i els estats excitats dels fotocatalitzadors capaços de actuar per processos de transferència electrònica. Els resultats obtinguts mostren que el procés de degradació dels CE mitjançant foto-Fenton és massa complex per poder ser explicat únicament per la reacció directa del radical OH. Possiblement després de ser generat, el radical OH reacciona amb les espècies presents en el medi de manera que es generen radicals de vida llarga que contribueixen a la degradació dels CE o bé inicia processos en cadena. El rosa de bengala, conegut generador de 1O2, va mostrar molt baixa reactivitat amb els CE en condicions fotoquímiques. Aquest fet unit als baixos valors obtinguts per a les constants de reacció del 1O2 amb els CE, ens indica que la degradació mitjançant reacció amb oxigen singlet a aquestes concentracions és molt ineficient. Els estudis dels processos de transferència electrònica utilitzant trifenilpirili (TPP+) i trifeniltiopirili (TPTP+) mostren que la degradació dels CE es produeix per mitjà dels estats excitats singlet i triplet dels fotocatalitzadors, obtenint uns resultats lleugerament superiors mitjançant l'ús del TPTP+. Els SBO són materials obtinguts de la fracció humida dels residus urbans. Aquestes substàncies estan constituïdes per una barreja de macromolècules amb un ampli rang de pesos moleculars que van de 67 a 463 kgmol-1. A més la seva composició química presenta similituds estructurals amb algunes substàncies que es troben en la matèria orgànica natural i que han sigut utilitzades en processos fotoquímics solars per al tractament d'aigües residuals. La caracterització dels SBO ha demostrat que aquestes substàncies són biocompatibles, estables després de 24 hores d'irradiació i son capaços de millorar l'eficiència del foto-Fenton en condicions lleugerament àcides. Els resultats obtinguts en l'optimització de les variables operacionals en el procés foto-Fenton en presència de SBO semblen suggerir que s'ha produït una modificació en el mecanisme de manera que s'ha desplaçat el valor òptim de pH des 2,8 a valors propers a 4. Pertant el radical hidroxil deixa de ser l'espècie principal i entren en joc altres espècies que no han pogut ser identificades amb certesa a causa de la complexitat del procés. Els SBO són capaços de generar espècies reactives, però s'ha d'arribar a un equilibri entre la generació d'espècies reactives i l'efecte filtre produït per la seua acusada coloració, així com per la competència dels propis SBO per les espècies reactives generades. / Gomis Vicens, J. (2015). Efecto de distintas especies reactivas generadas fotoquímicamente sobre la eliminación de contaminantes presentes en aguas naturales [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/51667 / TESIS

[ES] La demanda de agua y la contaminación del agua son dos problemas ligados no solo de los últimos años sino también para el futuro. Mucho se ha hecho en el pasado para eliminar los contaminantes emergentes (CEC) de los sistemas acuáticos, utilizando diferentes tipos de técnicas; entre ellos, los mediados por luz han obtenido gran atención en los últimos años, debido a su alta eficiencia y sus bajos costos. Entre todas estas técnicas, se han desarrollado Procesos Avanzados de Oxidación y Reducción (AOPs y ARPs, respectivamente) para eliminar eficientemente las CECs. En detalle, en esta tesis se ha investigado el uso de moléculas orgánicas como fotocatalizadores en combinación con luz solar y visible; La riboflavina y la eosina Y han sido seleccionadas como fotocatalizadores por sus diferentes propiedades químicas: la primera es una molécula natural, conocida por sus propiedades oxidativas, mientras que la segunda es un colorante sintético. El objetivo principal de esta tesis doctoral fue investigar la degradación de varias clases de CEC mediante el uso de fotocatalizadores orgánicos y luz visible. En detalle, se monitorearon las tendencias de degradación de cada CEC frente al tiempo en diferentes condiciones de trabajo, con el fin de encontrar el mejor sistema de fotodegradación. Además, se investigó el mecanismo de funcionamiento mediante la determinación de los principales fotoproductos y mediante el estudio de las especies reactivas generadas, involucradas en los procesos. Se realizaron pruebas de toxicidad adicionales para tener una visión general de todos los participantes del sistema. Al final, toda la información se combinó para postular un mecanismo de degradación hipotético para todos los CEC. Más concretamente, la tesis se podría dividir en dos partes principales: en los capítulos 3 y 4 se llevó a cabo la oxidación de CECs, mientras que en los capítulos 5 y 6 se evaluaron las condiciones reductoras. En detalle, en los capítulos 3 y 4, se oxidaron tres compuestos farmacéuticos en presencia de riboflavina acetilada (RFTA) y luz visible. Específicamente, se investigaron carbamazepina, atenolol y noscapina en condiciones oxidativas. Los estudios de fotodegradación de los compuestos iniciales y de sus fotoproductos fueron importantes para comprender su oxidación natural en los sistemas acuosos naturales. Todas las vías oxidativas se consideraron en un mecanismo de degradación hipotético final. Además, en los capítulos 5 y 6, se investigó la fotodegradación de algunos ejemplos de estabilizadores UV de benzotriazol (BUVS). Los BUVS son compuestos muy recalcitrantes, que no se ven afectados en condiciones oxidativas. En consecuencia, se probaron múltiples sistemas fotocatalíticos y, finalmente, varios BUVS se degradaron en condiciones reductoras en presencia de RFTA o eosina Y (EOY) como fotocatalizadores, un donante de sacrificio como DABCO y luz visible. Al igual que en los capítulos anteriores, las mediciones fotoquímicas fueron necesarias para determinar la principal ruta de degradación y las especies químicas reactivas involucradas en el proceso. Se han realizado experimentos adicionales en presencia de otros donantes de sacrificio y agua marina para recrear un entorno natural real para estudios futuros. / [CA] La demanda d'aigua i la contaminació de l'aigua són dos problemes lligats no sols dels últims anys sinó també per al futur. Molt s'ha fet en el passat per a eliminar els contaminants emergents (CECs) dels sistemes aquàtics, utilitzant diferents tipus de tècniques; entre ells, els mediats per llum han obtingut gran atenció en els últims anys, a causa de la seua alta eficiència i els seus baixos costos. Entre totes aquestes tècniques, s'han desenvolupat Processos Avançats d'Oxidació i Reducció (AOPs i ARPs, respectivament) per a eliminar eficientment les CECs. Detalladament, en aquesta tesi s'ha investigat l'ús de molècules orgàniques com fotocatalizadores en combinació amb llum solar i visible; la riboflavina i l'eosina I han sigut seleccionades com fotocatalizadores per les seues diferents propietats químiques: la primera és una molècula natural, coneguda per les seues propietats oxidatives, mentre que la segona és un colorant sintètic. Detalladament, es van monitorar les tendències de degradació de cada CEC enfront del temps en diferents condicions de treball, amb la finalitat de trobar el millor sistema de fotodegradación. A més, es va investigar el mecanisme de funcionament mitjançant la determinació dels principals fotoproductos i mitjançant l'estudi de les espècies reactives generades, involucrades en els processos. Es van realitzar proves de toxicitat addicionals per a tindre una visió general de tots els participants del sistema. Al final, tota la informació es va combinar per a postular un mecanisme de degradació hipotètic per a tots els CEC. Més concretament, la tesi es podria dividir en dues parts principals: en els capítols 3 i 4 es va dur a terme l'oxidació de CECs, mentre que en els capítols 5 i 6 es van avaluar les condicions reductores. Detalladament, en els capítols 3 i 4, es van oxidar tres compostos farmacèutics en presència de riboflavina acetilada (RFTA) i llum visible. Específicament, es van investigar carbamazepina, atenolol i noscapina en condicions oxidatives. Els estudis de fotodegradación dels compostos inicials i dels seus fotoproductos van ser importants per a comprendre la seua oxidació natural en els sistemes aquosos naturals. Totes les vies oxidatives es van considerar en un mecanisme de degradació hipotètic final. A més, en els capítols 5 i 6, es va investigar la fotodegradación d'alguns exemples d'estabilitzadors UV de benzotriazol (BUVS). Els BUVS són compostos molt recalcitrants, que no es veuen afectats en condicions oxidatives. En conseqüència, es van provar múltiples sistemes fotocatalíticos i, finalment, diversos BUVS es van degradar en condicions reductores en presència de RFTA o eosina I (EOY) com fotocatalizadores, un donant de sacrifici com DABCO i llum visible. Igual que en els capítols anteriors, els mesuraments fotoquímics van ser necessàries per a determinar la principal ruta de degradació i les espècies químiques reactives involucrades en el procés. S'han realitzat experiments addicionals en presència d'altres donants de sacrifici i aigua marina per a recrear un entorn natural real per a estudis futurs. / [EN] Water request and water pollution are two bonded problems not only of the last years but also for the future. A lot has been done in the past in order to eliminate contaminants of emerging concerned (CECs) from the aquatic systems, using different kind of techniques; among them, those mediated by light have obtained great attention in the last years, due to their high efficiency and their low costs. Among all these techniques, Advanced Oxidation and Reduction Processes (AOPs and ARPs, respectively) have been developed in order to efficiently remove CECs. In detail, in this thesis the use of organic molecules as photocatalysts has been investigated in combination with solar and visible light; riboflavin and eosin Y have been selected as photocatalysts for their different chemical properties: the first is a natural molecule, well-known for its oxidative properties, while the second one is a synthetic dye. The main aim of this doctoral thesis was to investigate the degradation of various classes of CECs through the use of organic photocatalysts and visible light. In detail, degradation trends of each CEC was monitored vs time under different working conditions, in order to find the best photodegradation system. Moreover, the operating mechanism was investigated through the determination of the main photoproducts and through the study of the generated reactive species, involved in the processes. Additional toxicity tests were performed in order to have an overall view of all the participants of the system. At the end, all the information was combined to postulate an hypothetical degradation mechanism for all the CECs. More specifically, the thesis could be divided in two main parts: in chapters 3 and 4 oxidation of CECs was carried out, while in chapters 5 and 6 reductive conditions were evaluated. In detail, in chapters 3 and 4, three pharmaceutical compounds were oxidized in the presence of acetylated riboflavin (RFTA) and visible light. Specifically, carbamazepine, atenolol and noscapine were investigated under oxidative conditions. Photodegradation studies of the initial compounds and of their photoproducts were important in order to understand their natural oxidation in the natural aqueous systems. All the oxidative pathways were considered in a final hypothetical degradation mechanism. Moreover, in chapters 5 and 6, the photodegradation of a few examples of the benzotriazole UV-stabilizers (BUVSs) was investigated. BUVSs are very recalcitrant compounds, not affected under oxidative conditions. Consequentially, multiple photocatalytic systems were tested and finally, various BUVSs were degraded under reductive conditions in the presence of RFTA or eosin Y (EOY) as photocatalysts, a sacrificial donor as DABCO and visible light. As in the previous chapters, photochemical measurements were necessary to determine the main degradation pathway and the reactive chemical species involved in the process. Additional experiments in the presence of other sacrificial donors and marine water have been performed in order to recreate a real natural environment for future studies. / Pavanello, A. (2022). Novel Mechanistic Insights on the Photoredox Degradation of CECs Using Organic Photocatalysts [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191002

S'ha estudiat la cinètica de fotosensibilització de l'oxigen singlet (1O2) en cèl·lules eucariotes en suspensió mitjançant un espectròmetre d'última generació amb resolució temporal per sota del microsegon. Els estudis revelen que la cinètica del 1O2 depèn del seu lloc de formació. Per una banda, la producció del 1O2 es més lenta en els lisosomes que en el nucli. Per altra banda, el 1O2 es capaç d'escapar de les cèl·lules quan es fotosensibilitza en el nucli, però es queda confinat al interior si es fotosensibilitza en els lisosomes. Malgrat que el temps de vida del 1O2 es troba en els microsegons, la desactivació principal ve donada per interaccions amb les biomolècules característiques de cadascú dels orgànuls. La incertesa respecte a la producció de 1O2 en un orgànul determinat es pot eliminar mitjançant l'ús de fotosensibilitzadors modificats genèticament, ja que aquets poden ésser expressats selectivament. Amb aquesta finalitat, s'avaluen les propietats fotosensibilitzants de mutants de proteïna fluorescent verd (GFP). Algunes de les GFPs estudiades sensibilitzen la formació del 1O2 malgrat amb baixa eficiència. Els resultats obtinguts es comparen amb els del cromòfor de la GFP i mostren que l'estructura proteínica, a sobre de modular les propietats fotofísiques del cromòfor, també el protegeix de la desactivació col·lisional. Finalment, s'estudien les propietats d'absorció bifotónica del 2,7,12,17-tetrafenilporficé i del seu complex de pal·ladi (II). L'eficiència de formació del 1O2 per part dels dos compostos, desprès de l'absorció simultània de dos fotons, es aproximadament 100 vegades superior a la dels seus anàlegs porfirínics, amb seccions d'absorció bifotòniques δ ~ 25 GM. Les excel·lents propietats d'aquestos compostos s'expliquen mitjançant arguments qualitatius i s'analitzen les seves perspectives de cara al seu ús en teràpia fotodinámica. / Se ha estudiado la cinética de fotosensibilización de 1O2 en células eucariotas en suspensión, usando un espectrómetro de última generación con resolución temporal por debajo del microsegundo. Los estudios revelan que la cinética del 1O2 depende de su lugar de formación. Por una parte, la producción de 1O2 es más lenta en los lisosomas que en el núcleo. Por otra parte, el 1O2 es capaz de escapar de las células cuando es fotosensibilizado en el núcleo, mientras que queda confinado en el interior si se fotosensibiliza en los lisosomas. A pesar de que el tiempo de vida del 1O2 se encuentra en los microsegundos, la desactivación principal viene dada por interacciones con las biomoléculas características de cada orgánulo. La incertidumbre respecto a la producción de 1O2 en un orgánulo determinado puede ser eliminada mediante el uso de fotosensibilizadores modificados genéticamente ya que pueden ser expresados selectivamente. Con este fin, se evalúan las propiedades fotosensibilizantes de mutantes de proteína fluorescente verde (GFP). Algunas de las GFPs estudiadas sensibilizan la formación de 1O2 aunque con baja eficiencia. Los resultados obtenidos se comparan con los del cromóforo de la GFP y muestran que la estructura proteínica, además de modular las propiedades fotofísicas del cromofóro, también lo protege de la desactivación colisional. Finalmente, se estudian las propiedades de absorción bifotónica del 2,7,12,17-tetrafenilporficeno y de su complejo de paladio (II). La eficacia de formación de 1O2 de ambos compuestos, tras la absorción simultánea de dos fotones, es aproximadamente 100 veces superior a la de sus análogos porfirínicos, con secciones de absorción bifotónica δ ~ 25 GM. Las excelentes propiedades de estos compuestos se explican mediante argumentos cualitativos y se analizan sus perspectivas de cara a su uso en terapia fotodinámica. / The kinetics of singlet oxygen (1O2) photosensitisation in human skin fibroblasts have been investigated by means of an ultrasensitive near-infrared spectrometer with submicrosecond time resolution. The results indicate that the 1O2 kinetics are site-dependent. On one hand, the production of 1O2 is slower in the lysosomes than in the nucleus. On the other hand, 1O2 is able to escape out of the cells when photosensitised in the nucleus, while 1O2 photosensitized in the lysosomes is confined. Despite showing a lifetime in the microsecond time domain, the decay of 1O2 is governed by interactions with the biomolecules within the organelle there it is produced. The uncertainty as to the intracellular site of 1O2 production may be removed by the use of genetically-encoded photosensitisers, which can be expressed in any desired organelle. Towards this end, the ability of some fluorescent proteins (GFPs) to photosensitise 1O2 has been studied. Some of the studied proteins are able to produce 1O2 albeit with a very low quantum yield. The results obtained are compared to those of the synthetic GFP chromophore and indicates that the protein scaffold not only plays a role in modulating the photophysical properties of the chromophore but also has a protective function from collisional quenching. Finally, the two-photon absorption properties of tetraphenylporphycene and its palladium (II) complex have been determined. These compounds are ca. 100-fold more efficient two-photon 1O2 photosensitisers than their isomeric porphyrin counterparts, with two-photon absorption cross sections δ ~ 25 GM. Qualitative symmetry-based arguments are provided to explain the excellent two-photon properties and the prospects for photodynamic therapy are discussed.