1. Úvod (proč (proč jsou dů důlež ležité ité) 2. Fotosensitizované reakce a jejich mechanismus 3. Fotodynamická terapie 4. Spontánní aggregace 5. Samoorganizované porfyrinové nanostruktury a jednoduché aplikace Porfyriny zabudové v polymerních nanovláknech a anorganických hybridních materiálech (Dr. K. Lang)
1
Porfyrinový kruh Velikost cca 1 nm N N
N H
H N
Tetraphenylporfyrin
Metalloporfyrin
N N NH
N N
H
N
N
N
N
N
N
M N
N N
N
M
H
N HN
N
Safyrin
Texafyrin
The Porphyrin Handbook (20(20-Volume Set) by Karl Kadish, Kevin M. Smith, and Roger Guilard Academic Press 1999 - 2006
2
9Absorpce záření molekulami porfyrinu 9 Využití absorbované energie k dalším procesům UV C
UV B
280
Blízká IČ
UV A
320
400
780 nm
ozon proteiny
Nukleové kyseliny
Absorpční spektrum porfyrinu
Přenos elektronu
Terčová struktura
Radikálová reakce S2 S1
Intersystem crossing T1
Fluorescence
S0
Tripletní stavy
Mechanismus 1. typu
Singletní stavy porfyrinu
3
Singletní Singletní kyslí kyslík Oxidace
Terčová struktura
b1Σg+ 1908 nm T1
732 nm a1∆g
Tripletní stavy porfyrinu 1270 nm
X3Σg-
Mechanismus 2. typu
R
R
Nenasycené lipidy - buněčné membrány, cholesterol
ene addition
ene addition
HO
HO
OOH
O OH
5-α hydrope roxide
Proteiny
a. tryptofan, histidin, tyrosin CH
2
CH RNH
NH
b. Methionin, cystein CH 2 CH
COR´
O cycloaddition
NH
COR´
RNH
NHR
O
CH
CO
MeSO-CH2-CH2- CH-COR´
MeS-CH2-CH - CH-COR´ 2
2
CH
NHR
COR´
RNH NHCHO
O Nukleové kyseliny - guanin
N
HN H2N
N
N H
H2N -
CO 2
H2N
O
NH
+O
NH O NH
4
N
N Fe
N
N
+
= COOH
COOH
Hematoporfyrin
Meyer-Betz (1903)
5
1942 - Auler/Banzer V tumorech je zvýšená koncentrace porfyrinů 1960 - Lipson Porfyriny se přednostnostně akumulují v tumorech 1978 - Dougherty HpD-PDT na kočce 1990 - Kennedy ALA-PDT kožních tumorů
Selektivní akumulace léku (porfyrinu) v nádoru
Nádor
Ozáření zářením vhodné vlnové délky
Chemické a biologické změny
Nekróza (apoptóza)
6
Before PDT
10 days after PDT
3.5 years total recovery
1 months after PDT
www.timtec.net/photogem
Normal AMD
PDT
• Visudyne™ 40000 CZK/1 dávka • $500 million/rok - 2004 http://www.visudyne.com/
7
S2 S1
S0
20 mm
Bronchoskopie Dvě fluorescenčně pozitivní ložiska v průduškách (CIS a M )
8
τT < 2 ms ΦT < 0.7 0.7
τf < 10 ns, Φf < 0.1 S2
T2
τ∆ = 3 µs µs (H2O) = 50 µs (D2O) = 3 ms (CCl4) Φ∆ < 0.6
T1
S1
a1∆g
S0
X3Σg-
Singletní Singletní kyslí kyslík
Porfyrin
Design a syntéza Měření fyzikálně-chemických vlastností spektra Výběr podle fotofyzikálních vlastností
absorpce v červené oblasti vysoké hodnoty kvantových výtěžků
Biologické experimenty na buněčných kulturách Experimenty na laboratorních zvířatech
toxicita
nežádoucí účinky
Klinické zkoušky Fáze I
II
III
9
Je doplňková metoda pro terapii nádorů
Výhody v porovnání se standardními metodami Umožňuje diagnostiku (intenzivní červená fluorescence) Chemoterapie a ozařování - menší vedlejší účinky Chirurgické odstranění - šetrná k okolní tkáni (bez jizev) Nevýhody Pouze lokální účinek Nevhodné pro léčbu velkých nádorů a nádorů na nepřístupných místech Složité přístroje a jejich složitá obsluha (barvivový laser × lampy pro dermatologii, diodové lasery)
10
α
α
J-dimer
H-dimer
Interakce exciton–dipól M2 (1 − 3 cos 2 α ) 3 Kasha, 1964 r
∆ν ≈
∆ν ≈
2
M r
3
(1 − 3 cos 2 a )
SO3
NH
HN
NH
HN
O 3S
SO3
SO3
Delokalizovaný exciton
11
průměr 50-70 nm 20 nm tloušťka stěny
Vznikají agregací opačně nabitých porfyrinů
-Absorbují viditelné světlo -Fotokatalytické vlastnosti -Horší mechanické vlastnosti
Základ funkčních (nano)přístrojů ? Sandia Laboratory, 2004
Sandia Laboratory, 2005
12
Kovalentní vazba (400 kJ.mol-1) Iont-iont (250 kJ.mol-1) Vodíková vazba (15 kJ.mol-1)
Komplikovaná syntéza větších struktur
Iont-dipól (15 kJ.mol-1) Van der Walls (5 kJ.mol-1)
Samoorganizace po smísení dvou složek
13
světlo
O HN
N
N H
N
eN N
+
O3S
N
HN
e-
N H
H
Intensity (a.u.)
N
N H
n
N
N H
H N
e500 nm
Fotoindukovaný přenos elektronu
Přenos elektronu
Fotoexcitace
Rekombinace Donor
Akceptor
(Gratzelovy) solární články
14
Přenos elektronu (protonu) Časová asová škála: ps fs
ns, ps
µs, ms
S1
ns, ps T1
S0
a1∆g
µs X3Σg-
Porfyrin
Singletní Singletní kyslí kyslík
15
Medicína a biologie Včasná diagnostika (pre)karcinomů in situ
Fotodynamická terapie specielních typů karcinomů (malé vedlejší účinky, kosmetický efekt)
Antibakteriální a antivirální materiály
Materiálový výzkum Nanoelektronika
Energetika Solární články, výroba vodíku, (malá účinnost, malá stabilita „soft“ materiály)
„ Zelená“ chemie (umělá fotosyntéza)
Děkuji za pozornost !
16
R
N R
N
H H
N R
Porfyrinový kruh zajistí akumulaci v karcinomu
N
1. Fotodynamická terapie – ničení buněk pomocí 1O2
R
2. Neutronová terapie- záchyt n atomem 10B a generace γ záření
O
O = BH
3. Ozařování X-ray nebo γ paprsky – absorpce záření těžkým kovem
O Co
=B = CH
Přirozený nosič polárních molekul v krvi Zajišťuje transport k cílové struktuře
Tumor pH= 6.9
Zdravá tkáň pH= 7.4
vazba Zdravá tkáň N N
N H
H
Tumor
SO 3
SO 3
pK a=1
PO 3
pK a=7
N
PO3H
- H+
17
c Singlet oxygen d Superoxide radical anion
i
Lipid (LH)
e Peroxyl radical f Superoxide dismutase
Fe2+
i lipid radical
j
h
LOO•
H2O2
1O 2
UV light heme Fe CoQ
O2
H2O
OH•
g Haber-Weiss reaction; h Fenton reaction
j lipid peroxyl radical
L•
g
c
f
H2O, H+
H+ O2
HOO•
O2-• d NADPH or CoQ
e H+
Reactive species
Antioxidant
Singlet oxygen 1O2
vitamin A, vitamin E
Superoxide radical O2-•
superoxide dismutase, vitamin C
Hydrogen peroxide H2O2
catalase, glutathione peroxidase
Peroxyl radical ROO•
vitamin C, vitamin E
Lipid peroxyl radical LOO•
vitamin E
Hydroxyl radical OH•
vitamin C
18
Generation
Navažme porfyrin a získejme
Price EURO/5g
Molecular Weight
Measured Diameter (A)
Surface Groups
0
517
15
4
98
1
1430
22
8
227
2
3256
29
16
3
6909
36
32
4
14215
45
64
5
28826
54
128
6
58048
67
256
7
116493
81
512
8
233383
97
1024
9
467162
114
2048
10
934720
135
4096
8620
„Kyslíkové“ koule !
SO3
NH
HN
NH
HN
O3S
SO3
pH = 1 1x1 µm SO3
lll
19
Struktury DNA
N
CH3
Interkalace mezi GC, povrchová povrchová vazba na AT N N
H
N
Stabilizace ně některých struktur (quadruplex (quadruplex))
N
Tvorba chiralnich struktur (duplex) (duplex)
H
20
