Поиск «идеального» фотосенсибилизатора (ФС) является ключевым звеном в развитии фотодинамической терапии (ФДТ). Одним из подходов к разработке «идеального» ФС является модификация химической структуры ФС, использующихся в клинической практике или известных в доклиническом применении. Модификации подвергается как сам макрогетероцикл, например, за счет включения катиона металла, так и его периферийное обрамление. Показано, что присутствие и природа центрального атома оказывает значительное влияние на фотохимические, фотофизические и фотобиологические свойства ФС. Кроме того, ряд исследований сообщает об усилении противоопухолевого эффекта за счёт реакций Фентона при наличии в составе ФС катиона железа.

В качестве потенциальных ФС нами были синтезированы тетра(арил)тетра(циано)порфиразины в виде свободных оснований и металлокомплексов, содержащих атомы железа или палладия в центре макроцикла, с тиофеновыми, бензотиофеновыми и нафтильными группами в периферийном окружении макроцикла. Для оценки вклада реакций Фентона мы использовали для сравнения металлокомплекс с благородным металлом, не катализирующим реакций фентоновского типа, и комплекс железа.

Нами было показано, что для исследуемых свободных оснований и их металлокомплексов характерно наличие пиков поглощения и флуоресценции в красной и дальне-красной области спектра. Мы подтвердили принадлежность исследуемых металлокомплексов к классу флуоресцентных молекулярных роторов, зарегистрировав выраженную зависимость квантового выхода флуоресценции от вязкости окружающей среды. Показано, что добавление катиона металла в макроцикл приводит к изменению фотофизических свойств тетра(арил)тетра(циано)порфиразинов. Так, для комплексов железа мы отметили более высокую вязкостную чувствительность и повышение фотостабильности по сравнению со свободным основанием.

Мы показали интенсивное накопление свободных оснований и комплексов железа и палладия клетками эпидермоидной карциномы человека А431. Нами было показано увеличение фотодинамических индексов, отражающих во сколько раз ФС токсичнее на свету по сравнению с темновыми условиями, для комплексов железа и палладия по сравнению со свободными основаниями. Это может указывать на потенциальное уменьшение побочных эффектов в отношении здоровых органов и тканей. Важно заметить, что фотодинамический индекс для комплексов, содержащих железо, оказался выше, чем для комплекса с палладием. Мы так же зарегистрировали повышение уровня продукции синглетного кислорода для соединений, содержащих катион железа, по сравнению со свободными основаниями. Мы продемонстрировали увеличение времени жизни возбуждённого состояния порфиразиновых металлокомплексов, локализованных в цитоплазме клеток А431, после фотодинамического воздействия. Мы предполагаем, что это может свидетельствовать о фотоиндуцированном локальном увеличении внутриклеточной микровязкости.

В целом, полученные результаты демонстрируют, что присутствие катиона железа и палладия оказывает значительное влияние на фотофизические и фотобиологические свойства циано(арил)порфиразинов. Исследуемые соединения в виде свободных оснований и металлокомплексов могут быть рассмотрены в качестве потенциальных фотосенсибилизаторов и высокочувствительных флуоресцентных сенсоров вязкости в клетке, в том числе при проведении фотодинамической терапии.



Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-23-00515).

The pursuit of the "ideal" photosensitizer (PS) is a major focus in the development of photodynamic therapy (PDT). One approach to develop an "ideal" PS's is to modify the chemical structure of PS's used in clinical practice or known in pre-clinical applications. Both the macroheterocycle itself, for example by including a metal cation, and its peripheral frame are modified. It has been shown that the presence and nature of the central atom has a significant influence on the photochemical, photophysical and photobiological properties of PS. In additional, a number of studies have reported an increased antitumour effect through Fenton reactions if iron cation is present in PS.

We have synthesized tetra(aryl)tetra(cyano)porphyrazines as potential PS in the form of free bases and metal complexes containing iron or palladium atoms in the macrocycle centre, with thiophene, benzothiophene and naphthyl groups in the macrocycle periphery. To evaluate the Fenton reaction contribution, we have used a noble metal complex that does not catalyse Fenton-type reactions and an iron complex for comparison.

We have shown that the free bases and their metal complexes under study are characterised by absorption and fluorescence peaks in the red and far-red region of the spectrum. We have confirmed that the metal complexes under investigation are belonging to the class of fluorescent molecular rotors by registering a pronounced dependence of the quantum yield of fluorescence on the viscosity of the environment. It has been shown that the addition of a metal cation to the macrocycle changes the photophysical properties of tetra(aryl)tetra(cyano)porphyrazines. Thus, for iron complexes we have noted a higher viscosity sensitivity and increased photostability in comparison to a free base.

We have demonstrated intense accumulation of free bases and iron and palladium complexes by human epidermoid carcinoma A431 cells. We have shown a rise in photodynamic indices reflecting how many times more toxic in the light than in the dark for iron and palladium complexes compared to free bases. This might indicate a potential reduction of side-effects on healthy organs and tissues. It was important to note that the photodynamic index for the iron complexes was higher than for the palladium complex. We also registered an elevated level of singlet oxygen generation for compounds containing iron cation compared free bases. We have demonstrated an extension of the excited state lifetime of porphyrazine metal complexes, localized in the cytoplasm of A431 cells, after photodynamic treatment. We hypothesise that this may be evidence of a photoinduced local increase in intracellular microviscosity.

Altogether, the results demonstrated that the presence of iron and palladium cation has a major impact on the photophysical and photobiological properties of the cyano(aryl)porphyrazines. The investigated compounds in the forms of free bases and metal complexes can be considered as potential photosensitizers and highly sensitive fluorescent sensors of cell viscosity, particularly for photodynamic therapy.



This work was financially supported by the Russian Science Foundation (project no. 23-23-00515) and state assignment of the Ministry of Science