Orientador: Prof. Dra. Juliana Campos Junqueira / Banca: Antonio Olavo Cardoso Jorge / Banca: Egberto Munin / Resumo: Esse estudo teve como objetivo avaliar a ação dos fotossensibilizadores azul de metileno, azul de toluidina e verde de malaquita em conjunto com um laser de baixa intensidade sobre cepas planctônicas e biofilmes de Staphylococcus aureus, Escherichia coli e Candida albicans. Em cada grupo, foram estudadas cinco cepas clínicas e uma cepa padrão. A formação do biofilme foi realizada colocando-se a suspensão microbiana em contato com corpos-de-prova e o meio de cultura BHI por 4 dias a 37ºC. Os fotossensibilizadores foram preparados nas concentrações de 3000, 1800, 600, 300, 150, 75 e 37,5 μM. Foi adicionado ao fotossensibilizador a suspensão de microrganismos para o estudo das células planctônicas e biofilme. Os ensaios foram executados utilizandose um laser de Arseneto de Gálio e Alumínio (660 nm). Os grupos controles foram radiados nas mesmas condições, entretanto não receberam fotossensibilizador. Para estudo das células planctônicas, após radiação, foram realizadas diluições e semeaduras em ágar BHI ou Sabouraud. Após incubação, foi feita a contagem de UFC/mL. Para análise do biofilme, após radiação, os corpos-de-prova foram submetidos à homogeneização ultra-sônica e as células dispersas foram semeadas em ágar BHI ou Sabouraud (37°C por 24 a 48 horas) para a contagem de UFC/corpo-de-prova. Os resultados foram submetidos à análise estatística descritiva. A redução de UFC/mL foi de 0,4 a 6,53 log10 dependente do microrganismo e fotossensibilizador testado. As concentrações mais eficazes dos fotossensibilizadores variaram entre 37,5 a 1800 μM para o azul de metileno, 37,5 a 300 μM para o azul de toluidina e 300 a 3000 μM para o verde de malaquita. A maior redução microbiana observada ocorreu com o fotossensibilizador verde de malaquita. Concluiu-se que os fotossensibilizadores estudados foram eficazes na redução dos microrganismos testados após a realização da terapia fotodinâmica / Abstract: The purpose of this study will be evaluate the action of photosensitizers methylene blue, toluidine blue and malachite green for photodynamic antimicrobial therapy on planctonic and biofilm strains of Staphylococcus aureus, Escherichia coli and Candida albicans. In each group ten strains will be studied (1 ATCC and 5 clinical strain). An acrylic resin applying will be used for biofilm formation that will be immersed in steribe brain-heart infusion (BHI) broth containing 5% sacarose, then inoculated with standardized suspension of microorganisms and incubated at 37º C for four days. The photosensitizer will be prepared in the following concentrations: 3.000, 1.800, 600, 300, 150, 75, 37,5 μM and will be immersed the applying containing biofilm. The light source used will be a diode laser, with output power of 100mW and wavelength of 660nm. The control group will be treated under same condition, without photosesitizer. For the planctonic cells study, after irradiation, serial dilutions will be obtained from each sample in physiological solution and aliquots of 0,1ml will planted on BHI or Saboraud dextrose agar. After incubation at 37ºC for 24 or 48 hours the number of colony forming units will be calculated. For the biofim study, after irradiation the acrylic resin applying will be submitted to an ultrasonic homogenization. Serial dilution will be prepared and plated on BHI or Sabouraud dextrose agar. After incubation at 37ºC for 24 or 48 hours the number of colony forming units will be calculated. The results will be submitted to statistical analysis. The most effective concentrations of photosensitizers ranged from 37.5 to 1800 μM for methylene blue, 37.5 to 300 μM for toluidine blue and from 300 to 3000 μM for malachite green. Most microbial reduction was observed with the photosensitizer malachite green. It was concluded that the photosensitizers studied were effective in reducing microorganisms after photodynamic therapy / Mestre

Pneumonia is one of the main causes of death worldwide, specially of the elderly and the children under 5 years old. The traditional antibiotic-based therapy faces a crisis due to the increase in resistance and a lack of new molecules approved. Recently, our research group demonstrated the photodynamic inactivation of streptococcal pneumonia in vivo, a technique to which the development of resistance is described to be unlikely. This study proposed to investigate the applicability of nebulization as a delivery method for photosensitizers, in the hope to advance the research of the photodynamic inactivation of bacterial pneumonia. First, the critical attributes for nebulization (droplet size and delivery rate), the extent of nebulization, and the stability of three photosensitizers were stablished, and they were all found to be compatible with the technique. Then, the delivery was validated in an animal model using the most promising compound. It was possible to activate it using extracorporeal infrared light without causing acute lung or liver damage. In conclusion, nebulization presented itself as a promising tool for the delivery of photosensitizers to the respiratory tract. / A pneumonia é uma das principais causas de morte no mundo, sobretudo de idosos e crianças menores de cinco anos. A terapia tradicional, baseada em antibióticos, enfrenta uma crise diante do aumento da resistência e do número reduzido de novas moléculas que são aprovadas. Recentemente, este grupo de pesquisa demonstrou a inativação fotodinâmica da pneumonia pneumocócica in vivo, uma técnica para a qual o surgimento de resistência é descrito como pouco provável. Este estudo se propôs a investigar a aplicabilidade da nebulização como método de entrega de fotossensibilizadores, na esperança de avançar a pesquisa da inativação fotodinâmica da pneumonia bacteriana. Inicialmente, os atributos críticos da nebulização (tamanho de gotícula e taxa de entrega), a extensão da dose nebulizada, e a estabilidade de três fotossensibilizadores foram estabelecidas. Todos eles se mostraram compatíveis com a técnica. Então, a entrega foi validada em um modelo animal, utilizando o composto mais promissor. Foi possível ativá-lo usando luz infravermelha extracorpórea sem que houvesse dano agudo pulmonar ou hepático. Em conclusão, a nebulização se mostrou uma ferramenta promissora na entrega de fotossensibilizadores ao trato respiratório.

O aparecimento de uma grande variedade de microrganismos patogênicos resistentes aos antimicrobianos tem resultado no aumento do índice de doenças e mortalidade provocadas por infecções que eram facilmente tratadas no passado. Muitas vezes essa resistência está relacionada à formação de biofilme pelos microrganismos, que produzem substâncias poliméricas extracelulares (EPS) dificultando a penetração de agentes antimicrobianos. A Terapia Fotodinâmica antimicrobiana (aPDT, do inglês antimicrobial photodynamic therapy) é uma alternativa promissora para combater infecções microbianas, principalmente aquelas em que apresentam biofilmes. Basicamente esse mecanismo envolve a combinação sinérgica de um fotossensibilizador (FS), oxigênio molecular e luz visível de comprimento de onda adequado para produzir espécies reativas de oxigênio (EROs) que causam oxidação dos componentes da célula levando-a à morte. Devido à natureza multifacetada e não-específica das EROs produzidos na aPDT, os microrganismos têm menos chance de desenvolver mecanismos de resistência. Apesar destas vantagens, a aPDT tem enfrentando o problema da hidrofobicidade que FSs como hipericina (Hy) e ftalocianina de zinco (FcZn) apresentam. Esta hidrofobicidade promove a agregação do FS em meio biológico, reduzindo a sua atividade fotodinâmica. Diante disso, este estudo teve o objetivo avaliar a ação fotodinâmica da Hy, FcZn e seus derivados hidrossolúveis (hipericina-glucamina - HyG, ftalocianina de zinco tetracarboxilada - FcZnTc e ftalocianina de zinco tetracarboxi-N-metilglucamina - FcZnTcG), para inativar as bactérias Staphylococcus aureus e Escherichia coli, tanto em cultura planctônica como em biofilme. Como a aPDT apresenta também a vantagem de seletividade, foi proposto que as condições para fotoinativação destas bactérias provocassem o mínimo de dano às células hospedeiras. Estudos físico-químicos dos novos FSs mostraram menor agregação dos FSs derivados em meio aquoso que seus compostos de origem, bem como um ligeiro aumento no coeficiente de atividade fotodinâmica. Além disso, a hidrofilicidade dos FSs aumentou a acumulação intracelular dos mesmos nas bactérias de estudo S. aureus e E. coli, tanto na forma de células planctônicas quanto em biofilme. Os ensaios de acumulação intracelular dos FSs determinaram os parâmetros de fotoinativação seletiva dos microrganismos, tanto em células planctônicas como em biofilme. Todos os FSs, com exceção de FcZn, foram capazes de promover a seletividade de S. aureus e E. coli na forma planctônica. Entretanto, devido a maior complexidade morfológica de E. coli, os parâmetros de fotoinativação utilizados para inibir esta bactéria foram cerca de duas vezes maiores que para inativar a mesma concentração celular de S. aureus. Dentre todos os FSs, a FcZnTcG apresentou as melhores condições de seletividade tanto para E. coli quanto para S. aureus, uma vez que inibiu aproximadamente 100% destes microrganismos e no máximo 15% de células epiteliais (Vero). A obtenção das condições de seletividade para os biofilmes bacterianos foi mais difícil, pois a acumulação dos FSs por S. aureus e E. coli foi menor, tornando-se assim necessário aumentar os parâmetros de fotoinativação, ou seja, concentração do FS, tempo de incubação e dose de luz, que consequentemente inibiram mais as células epiteliais. Apesar disso, HyG e FcZnTcG foram capazes de promover a seletividade do biofilme de S. aureus em todas as etapas de formação. Entretanto, a seletividade do biofilme de E. coli foi alcançada apenas nas etapas de adesão reversível e irreversível e somente por FcZnTcG. Isso pode ser justificado pela maior concentração de EPS sintetizado por E. coli que por S. aureus, dificultando a acumulação dos FSs nas últimas etapas do biofilme de E. coli (biofilme maduro e dispersão). Portanto, os resultados desse estudo permitem sugerir que a hidrofilicidade é uma característica importante para os FSs fotoinativarem seletivamente os microrganismos S. aureus e E. coli, mesmo na forma de biofilme. Além disso, foi observado que a ação de aPDT no EPS do biofilme bacteriano desempenha um papel fundamental para inibição tanto de S. aureus quanto de E. coli. / The appearance of a large variety of antimicrobial-resistant pathogenic microorganisms has led to increased rates of disease and mortality caused by infections that were easily treated in the past. It has become clear that the biofilm-grown cells increase the bacteria resistance to antibiotics. Antimicrobial photodynamic therapy (aPDT) is a promising alternative way to fight microbial infections, especially the biofilm ones. This technique, basically, involves the synergistic combination of a photosensitizer, molecular oxygen and visible light of an appropriate wavelength to produce highly reactive oxygen species that lead to the oxidation of several cell components and to cell inactivation. The main advantage of the technique is that, given the existence of multiple targets, there is no development of resistance. The hidrophobicity of photosensitizers (PSs) like hypericin (Hy) and zinc phthalocyanine (ZnPc), reduces their photodynamic activity once they form aggregates in biological media. For this reason, was evaluated the effectivenes of Hy, ZnPc and its water-soluble derivatives (glucamine-hypericin-HyG, zinc tetracarboxylated phthalocyanine-ZnTcPc and zinc tetracarboxy-N-metylglucamine phthalocyanine-ZnTcGPc) to photoinactivate S. aureus and E. coli with minimal damage to a model of host cells. Physicochemical studies showed that hidrophilic PSs suffer less aggregation in aqueous media, as well as present a slight increase in photodynamic activity compared to Hy and ZnPC. Furthermore, the hydrophilicity of PSs increased the PS intracellular accumulation in bacteria, either in planktonic culture or biofilms. The accumulation study allowed to determine the parameters of selective photoinactivation of microorganisms. Due the morphologic complexity of E. coli the photodynamic parameters (incubation time, PS concentration and light dose) were twice that used against S. aureus. As a consequence, some more epithelial cells were affected by the process. Despite that, only the ZnPc could not promote the selective inactivation for planktonic cells. By the other hand, HyG and FcZnTcG were able to seletively photoinactivate the biofilm of S. aureus in all its formation stages. However, the selective inactivation of E. coli biofilm was achieved only in the reversible and irreversible adhesion and just for FcZnTcG. This fact can be explained by the higher concentration of exopolysaccharide (1,9 \'mü\'g/mL) synthesized by E. coli compared with S. aureus, making difficult the accumulation of the PSs in the last stages of the E. coli biofilm formation (mature biofilm and dispersion). So, we can suggest that hidrophilicity is an important characteristic for the PSs, improving the selective photoinactivation of S. aureus and E. coli, even as biofilm. Moreover, the effectiveness of aPDT agains EPS plays a key role for inhibition of bacterial biofilms.

La thérapie photodynamique (PDT) est utilisée actuellement pour traiter certains cancers accessibles par irradiation laser. Son principe repose sur l'action combinée de la lumière et d'un principe actif nommé photosensibilisant (PS). La molécule photosensible génère des espèces réactives de l'oxygène sous l'action d'un rayonnement spécifique. Ces espèces sont fortement réactives et entrainent la mort des cellules alentour. Plusieurs facteurs limitent cependant l'efficacité de ce traitement. Dans cette optique, l'encapsulation d'un PS de seconde génération, le Foscan®, a conduit à la formation de nanoparticules qui ont été caractérisées et dont l'effet PDT a été étudié sur des cellules gliomales C6. Les nanoparticules présentent l'avantage de contrôler la solubilité du système, d'affiner le ciblage des traitements et de pouvoir adapter les doses de traitement. Le confinement du PS au sein de la nanoparticule peut permettre de réduire des effets secondaires et d'augmenter la concentration en principe actif au sein des tissus tumoraux. Par la suite, des nanoparticules chargées en complexes de ruthénium(II) ont été caractérisées. Ces complexes présentent des propriétés optiques adéquates pour de telles applications. De plus, une excitation biphotonique est réalisable, permettant d'augmenter la sélectivité et la profondeur du traitement. Des études préliminaires de l'effet PDT par excitation biphotonique ont été effectuées. / Photodynamic therapy (PDT) is currently used to treat certain cancers accessible by laser irradiation. Its principle is based on the combined action of light and a drug called photosensitizer (PS). The photosensitive molecule generates reactive oxygen species through the action of a specific radiation. These species are highly reactive, entailing the death of surrounding cells. However, several factors limit the effectiveness of this treatment. In this context, the encapsulation of a second-generation PS, Foscan®, led to the formation of nanoparticles that have been characterized and whose PDT effect was studied on C6 glioma cells. The nanoparticles have the advantage of controlling the solubility of the system, better targeting of treatment and to adjust the dose of treatment. Containment of the PS inside nanoparticles can reduce side effects and increase the concentration of active drug in tumor tissues. Thereafter, the nanoparticles loaded with ruthenium(II) complexes have been characterized. These complexes show optical properties suitable for such applications. In addition, a two-photon excitation is possible, improving the selectivity and increasing the depth of treatment. Preliminary studies of the effect of PDT photon excitation were performed.

A Terapia Fotodinâmica (TFD) caracteriza-se por um conjunto de processos físicos, químicos e biológicos que ocorre após a administração de compostos fotossensibilizantes, que ficam retidos preferencialmente nos tecidos alterados, ao que se segue a irradiação com luz visível, ativando esses fotossensibilizadores (FS) por meio da absorção da luz. Nesta modalidade terapêutica, ocorrem mecanismos de transferência de energia entre o FS e o oxigênio molecular presente nos tecidos, gerando espécies reativas de oxigênio capazes de levar as células à morte. A TFD tem uma de suas principais aplicações no tratamento do câncer de pele, e este trabalho tem por objetivo otimizar tal aplicação utilizando a luz intensa pulsada (LIP) como sistema de irradiação. Na literatura, estudos demonstram a eficiência da aplicação de LIP na área dermatológica e estética na remoção de pelos, tratamento de lesões vasculares, acnes e no fotorejuvenescimento da pele, através de efeitos fotoquímicos e térmicos, mas não há relatos sobre aplicações terapêuticas para o câncer de pele. A aplicação da LIP em TFD leva a diferentes tipos de vantagens destacando-se a possibilidade de diminuição do tempo de tratamento, com consequente redução da dor durante o procedimento. Além disso a possibilidade de aplicação de misturas de FSs que absorvam em diferentes comprimentos de onda, promovendo a ativação simultânea de diferentes bandas de absorção que pode levar a potencialização do efeito da TFD. A ideia da irradiação com LIP é permitir a possibilidade de excitar diferentes bandas do FS simultaneamente, bem como reduzir os níveis de saturação do oxigênio dos tecidos devido a longos períodos de irradiação, minimizando também possíveis efeitos térmicos ocasionados pela irradiação prolongada. Neste trabalho, estudou-se a TFD com um equipamento comercial de LIP (Intense Pulse Light, HKS801) utilizando dois precursores do FS endógeno Protoporfirina (PpIX), 5-ácido aminolevulínico (ALA) e aminolevulinato de metila (M-ALA) e os FSs Photodithazine (PDZ) e Indocianina verde (ICV), em modelo de pele normal de suínos. As diferenças relativas à aplicação tópica de ALA e M-ALA por meio de creme e através da aplicação em sistema de injeção de alta pressão sem agulhas (SAFE INJECT) foram avaliadas. O sistema de injeção também foi utilizado para disponibilização dos FSs na pele. O estudo in vitro mostrou que a LIP interagiu com todos os FSs e levou à multiativação de suas bandas. Com relação aos estudos in vivo observou-se diferentes aspectos do uso da LIP para TFD. A avaliação de fluorescência mostrou que a distribuição por injeção foi mais homogênea, sugerindo a possibilidade de protocolos de TFD menos demorados. A análise termográfica mostrou que não ocorre aquecimento relevante do tecido nas aplicações de LIP em aplicações de TFD no protocolo utilizado. A avaliação histológicas das condições entre 24 e 48 horas permitiu observar as diferentes fases do processo cicatricial em função do tempo decorrido. O estudo possibilitou maior entendimento sobre os efeitos da LIP em tecido biológico, especialmente em associação à TFD. Também foi estabelecido, pela primeira vez, um modelo de protocolo para investigação do uso da LIP em modelo animal para TFD em pele, que pode ser extrapolado em futuros estudos para tratamentos oncológicos e dermatológicos. Consideradas as possibilidades oferecidas e a pronta disponibilidade do dispositivo para irradiação, a TFD com LIP torna-se viável técnica e comercialmente para uso clínico. / Photodynamic Therapy (PDT) is mainly composed of physical, chemical, and biological processes that occur after administration of photosensitizing compounds, which are selectively held in abnormal tissues. After visible light irradiation, those photosensitizers (PS) are activated by light absorption. During treatment, energy transfer mechanisms take place between PS and molecular oxygen that is available in tissues, promoting the generation of reactive oxygen species that bring cells to death. One of this technique´s main applications is skin cancer treatment, and this study aims to optimize such a PDT application by using intense pulsed light (IPL) as irradiation system. Literature shows IPL efficacy on dermatological aesthetic procedures, such as hair removal, treatment of vascular lesion, acne and skin photorejuvenation, promoted by photochemical and thermal effects. However, skin cancer treatment was never reported. Using IPL for PDT may bring advantages such as reducing the treatment sessions, which reduces pain during procedures, and the ability to use PS blends that will absorb in different regions of wavelengths, resulting in simultaneous activation of different absorption bands and improving PDT effect. Shorter irradiation may reduce oxygen depletion due to long irradiation periods, and major thermal effects. In this study, PDT was performed using an IPL commercial device (Intense Pulse Light, HKS801) with the application of two PpIX precursors (ALA and MAL) and the exogenous PS Photodithazine (PDZ) and Indocyanine Green (ICG) on porcine health skin model. Administration of the PS or PpIX precursors were investigated both by vehiculation via cream and by high pressure, needle-free injection (SAFE INJECT). The results obtained in this study showed that the damage induced by PDT using the needle-free injection is more expressive than for cream vehiculation. The in vitro study showed that IPL interacted with all PS and promoted absorption bands multi-activation. The in vivo studies showed different aspects of using IPL for PDT. Fluorescence investigation showed that the distribution by the needle-free injection was more homogeneous, suggesting that shorter PDT protocols are possible. Thermography imaging showed that no relevant heating was observed for IPL applications of PDT during the protocols of choice. Histological analysis of conditions between 24 and 48 hours allowed observing the different stages of the healing process as a function of time. This study provided deeper understanding of IPL effects in biological tissues, and particularly when associated to PDT. In addition, for the first time, an investigation protocol for the use of IPL-PDT in porcine healthy skin was designed, which can be extrapolated for future studies on cancer and skin lesions. Given the possibilities and the prompt availability of the irradiation device, IPL-PDT is readily available technically and commercially for clinical use.

A terapia fotodinâmica consiste em uma nova e promissora técnica de tratamento de câncer. O tratamento se baseia na administração tópica ou sistêmica de um fotossensibilizador, que se acumula seletivamente em tecido tumoral. Na presença de luz e oxigênio o fotossensibilizador produz espécies tóxicas levando as células à morte. Neste trabalho foi determinada a eficiência fotodinâmica dos corantes fenotiazínicos (Azul de Metileno e Azul de Toluidina O) e xantenos (Rose Bengal, Eritrosina B, Eosina Y e Fluoresceína) através da comparação dos valores de concentração inibitória media (IC50) em células tumorais HEp-2; atividade fotodinâmica utilizando o ácido úrico como dosímetro químico; interação com proteína através da constante de ligação (KA) com BSA e coeficiente de partição em octanol-água (logP). Os resultados foram relacionados com as propriedades moleculares destes corantes afim de se obter uma melhor compreensão de suas estruturas e fornecer subsídios para o planejamento de novos e melhores compostos para serem utilizados como fotossensibilizadores em PDT. Os experimentos mostraram que os fenotiazínicos são mais citotóxicos nesta linhagem celular do que os xantenos, sendo que o Azul de Toluidina O possui o menor valor de IC50. Dentre os xantenos, o Rose Bengal foi o fotossensibilizador mais eficiente em causar fotoxidação do ácido úrico e o Azul de Toluidina O dentre os fenotiazínicos. Estes resultados estão de acordo com os resultados obtidos nos experimentos citotóxicos, em que Rose Bengal e Azul de Toluidina O apresentam os menores valores de IC50, em suas respectivas famílias. Os xantenos possuem maior interação com BSA do que os fenotiazínicos. Os corantes fenotiazínicos são mais hidrofóbicos do que os xantenos (com vii exceção do Rose Bengal), o que corrobora com os valores de IC50, pois também são os mais citotóxicos. Relacionando algumas propriedades moleculares dos corantes obtidos no estudo teórico com os dados experimentais observou-se que; i) quanto menor os valores das energias dos orbitais HOMO e LUMO maior foi os valores obtidos de IC50; ii) os corantes fenotiazínicos são moléculas menores que os corantes xantenos, facilitando sua difusão pela membrana plasmática e a localização nas organelas; iii) nos corantes xantenos a substituição por um átomo de número atômico maior provoca aumento no valor da atividade fotodinâmica e iv) os xantenos apresentam momentos de dipolo maiores do que os fenotiazínicos, explicando assim a maior hidrofilicidade dos xantenos. Os resultados obtidos mostraram que os corantes fenotiazínicos possuem uma eficiência fotodinâmica superior aos dos corantes xantenos, sendo que o Azul de Toluidina O é o mais eficiente e deve ser considerado como agente potencial para aplicação em PDT. / The photodynamic therapy consists in a new technique for cancer treatment. The treatment is based on topic or systemic administration of a photosensitizer, which is selectively retained in tumor tissue. In the presence of light and oxygen, it produces toxic species to cells leading to their death. In this work it was determinated the photodynamic efficiency of phenothiazinium (Methylene Blue and Toluidine Blue O) and xanthene dyes (Rose Bengal, Erythrosin B, Eosin Y and Fluorescein) by comparing the values of medium inibitory concentration (IC50) in HEp-2; photodynamic activity using the uric acid as a chemical dosimeter; interaction with protein through the binding constant (KA) with BSA and the octanolwater partition coefficient (logP). The results were related with the molecular properties of these dyes, in order to obtain a better understanding of their structures and provide insights for the design of new and better compounds to be used as photosensitizers in PDT. The experiments showed that the phenothiazine dyes are more cytotoxic in this cell line than the xanthenes, being Toluidine Blue the one that has the lower IC50. Among the xanthenes, Rose Bengal was the most efficient photosensitizer in causing photoxidation of uric acid and the Toluidine Blue O among the phenothiazines. These results are consistent with the ones obtained in the cytotoxicity experiments, once the Rose Bengal and Toluidine Blue O have the lower IC50 values, when compared with the other dyes studied in the same family. The xathenes have higher interaction with BSA than the phenothiazines. The phenothiazine dyes are more hydrophobic than the xanthenes (with the exception of Rose Bengal), which corroborate with the IC50 values, once they are also the most cytotoxic. Relating some molecular properties of the dyes obtained in the theoretical studies with the experimental data, it could be observed that; i) the lower is the values of HOMO and LUMO energy, the high is the IC50; ii) the phenothiazine dyes are smaller molecules than the xanthenes, which facilitate their diffusion across the plasmatic membrane and the localization in organelles; iii) in xanthenes dyes the substitution for an atom with higher atomic number increases the photodynamic activity, and iv) the xanthenes dyes have the higher dipole moment than the phenothiazines, explaining the higher hydrophilicity of the xanthenes. The obtained results showed that the phenothiazine dyes have higher photodynamic efficiency than the xanthenes dyes, being Toluidine Blue the most efficient of these dyes and it should be considered as a potential agent for photodynamic therapy.

A imobilização de fotossensibilizadores (FS) em materiais nanométricos tem se mostrado uma excelente alternativa ao seu emprego na forma molecular para terapia fotodinâmica (PDT). O presente trabalho descreve uma série de estratégias sintéticas desenvolvidas para a imobilização de FS em nanoesferas de sílica contendo núcleos magnéticos, bem como o estudo das propriedades foto-químicas, foto-físicas e morfológicas dos nanomateriais obtidos. Os FS utilizados foram o azul de metileno, tionina, azure A, protoporfirina IX, hematoporfirina IX e clorofilina. As metodologias de imobilização empregadas envolveram a adição do FS durante o crescimento da camada de sílica ou a ligação do FS na superfície do nanomaterial já formado. Em alguns casos foi necessário modificar previamente o FS com organossilanos. Os núcleos magnéticos foram preparados por co-precipitação de sais de ferro(II) e ferro(III) em meio básico e o revestimento com sílica foi realizado utilizando-se tetraetilortossilicato em uma microemulsão. Os núcleos magnéticos revestidos com uma camada de sílica mantiveram o comportamento superparamagnético. Para a tionina e o azul de metileno não foi detectada geração de oxigênio singlete após a imobilização. Para o azure A, protoporfirina IX e clorofilina imobilizados, a geração de oxigênio singlete foi detectada e caracterizada por métodos químicos e físicos. O material contendo clorofilina mostrou-se bastante promissor e foi empregado em estudos preliminares com células HeLa, levando à morte celular após irradiação, o que comprova o potencial para PDT. O comportamento do fotossensibilizador imobilizado e a possível proteção extra fornecida pela camada de sílica foram estudados pela supressão de fluorescência com íons brometo e supressão da geração de oxigênio singlete com albumina de soro bovino. Hematoporfirina IX é mais afetada na forma livre do que imobilizada em nanoesferas de sílica, o que indica que o FS imobilizado é capaz de gerar oxigênio singlete e está mais protegido de interferentes. / The immobilization of photosensitizers (PS) in nanometric materials is an excellent alternative to their use in molecular forms for photodynamic therapy (PDT). The present work describes a series of synthetic strategies for the immobilization of PS on silica nanospheres containing magnetic nucleous, as well as the studies of the photochemical, photophysical and morphological properties of the obtained materials. The studied PS were methylene blue, thionin, azure A, protoporphyrin IX, hematoporphyrin IX and chlorophyllin. The immobilization methodologies involve the addition of PS during the growth of the silica shell or the attachment of PS to the material surface. Often, a previous modification of the PS with organosilanes was necessary. The magnetic cores were prepared by co-precipitation of iron(II) and iron(III) salts in basic media and the coating with silica was performed by a microemulsion using TEOS. After coating with silica, the magnetic nanomaterial maintained the superparamagnetic behavior. The generation of singlet oxygen by thionin and methylene blue was not detect after immobilization. The generation of singlet oxygen by immobilized azure A, protoporphyrin IX and chlorophyllin was detected and characterized by chemical and physical methods. The material containing chlorophyllin is promising for PDT and was applied in preliminary studies with HeLa cells, causing cell death after irradiation. The behavior of the immobilized PS and the possible extra protection given by the silica shell were investigated by fluorescence quenching with bromide ions and by suppression of singlet oxygen generation with bovine serum albumin. Hematoporphyrin IX was more affected in the free form than immobilized in silica nanospheres, which indicates that the immobilized FS still generates singlet oxygen and is more protected against interfering species

A leishmaniose pertence à classe de doenças infecciosas e é causada por parasitas do gênero Leishmania. Essa enfermidade se manifesta nas formas visceral ou cutânea e o tratamento de ambas consiste em quimioterapia utilizando fármacos à base de antimônio. A aplicação desses medicamentos, no entanto, apresenta diversas desvantagens, como o surgimento de efeitos colaterais severos e a disseminação de parasitas resistentes aos fármacos convencionais. Dessa forma, há uma grande necessidade de se desenvolver novos medicamentos, bem como, novas técnicas de tratamento e diagnostico. Neste trabalho foram sintetizados novos fotossensibilizadores derivados da riboflavina (vitamina B2) com potencial aplicação no tratamento de leishmaniose cutânea (através de terapia fotodinâmica) e foram sintetizados novos complexos de Ru (II) com potencial uso como sensores luminescentes de antimônio. Os derivados da riboflavina foram obtidos utilizando a vitamina B2 como material de partida e as transformações químicas estudadas fizeram uso de reações de acilação das hidroxilas da cadeia ribitil e de alquilações do nitrogênio 3 do sistema de anéis isoaloxazina. Essas modificações estruturais permitiram a construção de uma biblioteca de fotossensibilizadores que contém partes hidrofílicas, hidrofóbicas, anfifílicas e iônicas, que possibilitaram estudos da relação estrutura atividade. Com a otimização dessas rotas sintéticas foram obtidos dois derivados flavínicos-catiônicos inéditos na literatura com rendimentos de até 68%. Foi mostrado que as transformações químicas estudadas não afetaram significantemente as propriedades fotofísicas dos derivados flavínicos, sendo todos eles fluorescentes e capazes de fotossensibilizar a produção de oxigênio singlete com rendimento quântico semelhante ao da riboflavina (Φ&#916. ≈ 0,5). Por outro lado, as modificações estruturais na riboflavina alteraram as propriedades físico-químicas em termos de solubilidade e coeficiente de partição. Os derivados sintetizados foram testados contra promastigotas de Leishmania major utilizando LED azul (470 nm). Os fotossensibilizadores apresentaram baixa toxicicidade no escuro (CE50 (concentração efetiva 50%)> 100 µM para todos os compostos) e todos os derivados testados apresentaram maior fototoxicidade (CE50 de até 5 µM) que a riboflavina (CE50 de 50 µM). Foi observado que a fototoxicidade dos derivados da riboflavina está fortemente associada à lipofilicidade do fotossensibilizador. Um complexo de Ru (II) que responde à presença de antimônio foi preparado a partir do bis-complexo Ru(bpz)2Cl2 e do ligante derivado da fenantrolina contendo o grupo bitiofeno (bitiofeno-imidazo-fen). Esse complexo apresenta potencial na construção de sensores luminescentes de antimônio. Foi mostrado que o novo complexo sintetizado [Ru(bpz)2(bitiofeno-imidazo-fen)2+] apresenta baixa luminescência na região do vermelho devido à auto-supressão causada pelo grupo bitiofeno. No entanto, estudos preliminares mostraram que a adição de SbCl3 ou tartarato de antimônio ao meio intensifica significativamente a emissão nessa região do espectro. Devido à formação do complexo Sb-bitiofeno, ocorre o aumento percentual da espécie eletronicamente excitada e a mesma é auto-suprimida com menos eficiência. / The leishmaniases belong to a group of infectious diseases caused by a parasite of the genus Leishmania. This disease manifests as the visceral or the cutaneous forms and the treatment of both types is based on chemotherapies with antimony drugs. The application of these drugs, however, presents drawbacks like several side effects and dissemination of parasites resistant to this conventional treatment. Thus, there is a growing need to develop new drugs, as well as new modalities of treatment and diagnosis. In this work, novel photosensitizers derived from riboflavin (vitamin B2) with potential application in the treatment of cutaneous leishmaniasis (by photodynamic therapy) were synthesized. Also, novel Ru (II) complexes with potential usage as luminescent sensors of antimony were synthesized. The riboflavin derivatives were obtained by using vitamin B2 as the starting material, and the chemical transformations were based on acylation of the hydroxyl groups from the ribityl side chain and alkylation of nitrogen 3 of the isoalloxazine ring system.These structural modifications yielded a library of photosensitizers containing hydrophilic, hydrophobic, amphiphilic or ionic moieties, which provide molecules for a study of the structure-activity relationship. By optimizing these synthetic routes, two novel cationic riboflavin derivatives were obtained in good yield (up to 68%). It has been shown that the chemical modifications performed have not significantly affected the photophysical properties of the riboflavin derivatives. All compounds are fluorescent and able to photosensitize singlet oxygen in yields similar to riboflavin itself (Φ&#916 ≈ 0,5). On the other hand, these structural modifications varied the physic-chemical properties related to solubility and partition coefficient of the derivatives. The obtained derivatives were tested against promastigotes of Leishmania major using blue LED (470 nm). The photosensitizers displayed low dark toxicity (EC50 (Effective Concentration 50%) > 100 µM for all the studied compounds) and all derivatives showed greater phototoxicity (EC50 up to 5µM) when compared to riboflavin (EC50 = 50µM). It was observed that the phototoxicity of the riboflavin derivatives is strongly associated with the lipophilicity of photosensitizer. A Ru (II) complex that responds in the presence of antimony was prepared from Ru(bpz)2Cl2 and a phenanthroline ligand containing a bithiophene group (bithiophen-imidazo-phen). This complex can be potentially applied in the construction of luminescent sensors of antimony. It has been demonstrated that the novel complex [Ru(bpz)2(bitiofeno-imidazo-fen)2+] displays low red luminescence due to the self-quenching promoted by the bithiophen moiety. However, preliminary studies have evidenced that, upon addition of SbCl3 or antimony tartrate to the media, the emission intensifies in the red region of the spectrum. Due to the formation of the chelate Sb-bithiophene, the elf-quenching of the electronic excited species occurs less efficiently.