Photochemistry of 1,3-Dicarbonyl Compounds: DNA Photodamage vs. Photoprotection

Abstract

El objetivo principal de esta tesis es contrastar el papel de dichos compuestos 1,3-dicarbonilicos como agentes que dañan el ADN con respecto a su potencial fotoprotector. Primero, 5,6-dihidropirimidinas han sido derivatizadas utilizando el grupo fotolábil t-Bu cetona con el fin de estudiar la generación de radicales en C5 en un medio no acuoso. Después, el estudio por fotólisis de destello láser en ACN de los derivados 1,3-dicarbonilicos diseñados da lugar a la detección de los supuestos radicales 5,6-dihidropirimidin-5-ilo. Su caracterización muestra especies transitorias de vida larga y están centrados a 400-420 nm o 350-400 nm para los derivados 5,6-dihidrouridina o 5,6-dihidrotimidina, respectivamente. Además, la generación de radicales también se ha evidenciado mediante experimentos de fluorescencia en estado estacionario mediante el uso de una sonda profluorescente (AAA-TEMPO) que atrapa el radical. Por lo tanto, la irradiación de los derivados fotolábiles del ácido nucleico en presencia de AAA-TEMPO produce un aumento de la emisión, de acuerdo con la captura del radical C5 por la sonda paramagnética. La formación del aducto se ha confirmado mediante UPLC-HRMS. Los datos experimentales se han corroborado con cálculos teóricos ab initio CASPT2 // CASSCF.

Segundo, otro derivado 1,3-dicarbonílico de la pirimidina se ha investigado. De hecho, el daño 5-formiluracilo (ForU) presenta características interesantes como potencial agente fotosensibilizador intrínseco del ADN. Por lo tanto, los estudios espectroscópicos revelan que ForU tiene una absorción en el rango UVA/UVB y también presenta un estado triplete excitado (3ForU *) con un tiempo de vida algunos micros y con una ET suficientemente alta como para fotosensibilizar la formación de los conocidos dímeros de pirimidina de tipo ciclobutano (CPDs) a través de una transferencia de energía triplete-triplete. Este proceso ha sido confirmado por medio de la síntesis de díadas modelo Thy-Thy y Cyt-Cyt, ya que su irradiación en presencia de ForU ha demostrado que producen CPDs. Asimismo, el estudio en ADN plasmídico permitió establecer la capacidad de ForU para inducir roturas de cadena simple y CPDs. A continuación, se ha desarrollo una nueva estrategia para la fotoprotección de moléculas bioactivas aprovechando la reactividad fotoquímica del tautómero 1,3-dicetona de la avobenzona (AB), un filtro del UVA. Los compuestos seleccionados son dos fármacos antiinflamatorios no esteroideos de uso tópico con propiedades fotosensibilizantes, (S)-ketoprofeno (KP) y diclofenaco (DF). El tautómero dicetona de la AB contiene dos restos fenacilo, que es un grupo protector fotolábil muy establecido. Por lo tanto, un diseño juicioso de una díada profármaco/profiltro permite la fotoliberación del fármaco y de su protector, la AB. La viabilidad de esta liberación controlada de los ingredientes se verificó en diferentes disolventes con carácter dador de H y viscosidad para simular la formulación tópica. Además, los estudios de fotólisis de destello láser en EtOH permiten la caracterización de una especie transitoria a 400-420 nm, la cual ha sido asignada al estado excitado triplete de AB-KP. Finalmente, se ha evaluado la fotoseguridad de la díada fotoactivable AB-KP. Los espectros de absorción transitoria de la díada AB-KP en ciclohexano muestra que la especie observada es el estado excitado triplete del KP y no el de la AB en su forma dicetona. El impacto de la díada sobre la membrana celular se ha abordado mediante irradiación UVA de soluciones de ácido linoleico en presencia de AB-KP y su potencial fototóxico se ha evidenciado mediante espectrofotometría UV-Vis revelando la formación de derivados hidroperóxidos diénicos conjugados del ácido linoleico. Sin embargo, la diada AB-KP no exhibe un potencial fotogenotóxico como lo demuestran los experimentos del ensayo comet, donde a diferencia del KP, la forma redonda no

The main objective of this thesis is to contrast the role of these 1,3-dicarbonyl compounds as DNA damaging agents to their photoprotective potential. Firstly, 5,6-dihydropyrimidines have been derivatized using a tert-butyl ketone photolabile group in order to study the generation of C5-centered radicals in non aqueous media. Then, laser flash photolysis study in acetonitrile of the designed 1,3-dicarbonyl derivatives yields the formation of the purported 5,6-dihydropyrimidin-5-yl radicals. Their characterization shows long lived transient species, which do not decay in the µs range and are centered at 400-420 nm or 350-400 nm for the 5,6-dihydrouridine or 5,6-dihydrothymidine derivatives, respectively. Moreover, radical generation has also been evidenced by steady state fluorescence experiments by using a profluorescent radical trap (AAA-TEMPO). Thus, irradiation of the photolabile nucleic acid derivatives in the presence of AAA-TEMPO results in an increased emission, in agreement with the trapping of C5 radical by the paramagnetic probe. Formation of the resulting adduct has been confirmed by UPLC-HRMS. Experimental data have been corroborated with ab initio CASPT2//CASSCF theoretical calculations. In a second chapter, another 1,3-dicarbonyl derivative of pyrimidine has been investigated. Indeed, 5-formyluracil (ForU) presents interesting features as a potential intrinsic DNA photosensitizing agent. Thus, spectroscopic studies reveal that ForU has not only an absorption in the UVA/UVB range, but also a triplet excited state (3ForU*) with a lifetime of some micros and with an energy high enough to photosensitize the well-known cyclobutane pyrimidine dimers (CPDs) through triplet-triplet energy transfer. This process has been confirmed by means of the synthesis of model Thy-Thy and Cyt-Cyt dyads, which after irradiation in the presence of ForU have been demonstrated to produce CPDs. Finally, the study extended to plasmid DNA allows establishing the ability of ForU to produce single strand breaks and CPDs. Next, the attention has been focused on the development of a new strategy for photoprotection of bioactive molecules taking advantage of the photochemical reactivity of the 1,3-diketo tautomer of the UVA filter avobenzone (AB). The selected bioactive compounds are two photosensitive topical non steroidal anti-inflammatory drugs, (S)-ketoprofen (KP) and diclofenac (DF). In this context, the diketo tautomer of avobenzone contains two phenacyl moieties, which are well-known photoremovable protecting groups. Thus, a judicious design of a pro-drug/pro-filter dyad allows the photorelease of the drug and its protecting shield, avobenzone. The viability of this controlled release of the active ingredients was checked in different solvents of different H donating properties and viscosity to simulate topical formulation.Plus, laser flash photolysis studies in ethanol allow characterization of a transient absorption band at 400-420 nm assigned to the triplet excited state of the dyad by comparison with that of the diketo form of AB. Finally, the photosafety of the photoactivatable AB-KP dyad has been assessed. The transient absorption spectra obtained for AB-KP dyad in cyclohexane showed the triplet excited state of KP and not that of the AB in its diketo form. The impact on the cellular membrane has been addressed by UVA irradiation of linoleic acid solutions in the presence of the dyad. Phototoxic potential of the dyad has been evidenced by UV-Vis spectrophotometry through the formation of the conjugated dienic hydroperoxides derived from linoleic acid. However, AB-KP does not exhibit a photogenotoxic potential as demonstrated by comet assay experiments, where by contrast with KP, the non damaged round shape of the cell is still observed after UVA irradiation.

L'objectiu principal d'aquesta tesi és contrastar el paper d'aquests compostos 1,3-dicarbonil com a agents que danyen l'ADN respecte al seu potencial fotoprotector. En primer lloc, 5,6-dihidropirimidines han sigut derivatitzades utilitzant el grup fotolàbil t-Bu cetona amb la finalitat d'estudiar la generació de radicals centrats en C5 en un mitjà no aquós. Després, l'estudi de fotòlisi de flaix làser en acetonitril dels derivats 1,3-dicarbonil dissenyats produeix la formació dels suposats radicals 5,6-dihidropirimidin-5-il. La seua caracterització mostra espècies transitòries de vida llarga i estan centrats a 400-420 nm o 350-400 nm per als derivats 5,6-dihidrouridina o 5,6-dihidrotimidina, respectivament. Per tant, la irradiació dels derivats fotolàbils d'àcid nucleic en presència de AAA-TEMPO dóna com resultat un augment de l'emissió, d'acord amb la captura del radical C5 per la sonda paramagnètica. La formació del adducte resultant s'ha confirmat mitjançant UPLC-HRMS. Així mateix, les dades experimentals s'han corroborat amb càlculs teòrics ab initio CASPT2 // CASSCF. En un segon capítol, un altre derivat 1,3-dicarbonil de la pirimidina ha sigut investigat. De fet, el dany 5-formiluracil (ForU), presenta característiques interessants com a potencial fotosensibilitzador intrínsec de l'ADN. Per tant, els estudis espectroscòpics revelen que ForU té una absorció en el rang UVA/UVB i també presenta un estat triplet excitat (3ForU*) amb un temps de vida d'alguns micros i amb una ET prou alta com per a fotosensibilitzar la formació dels coneguts dímers de pirimidina de tipus ciclobutà (CPDs) a través d'una transferència d'energia triplet-triplet. Aquest procés ha sigut confirmat per mitjà de la síntesi de diades model Thy-Thy i Cyt-Cyt, que després de la irradiació en presència de ForU s'ha demostrat que produeixen CPDs. Finalment, l'estudi en ADN plasmídic ha permès establir la capacitat de ForU per a produir trencaments de cadena simple i CPDs. A continuació, s'ha desenvolupat una nova estratègia per a la fotoprotecció de molècules bioactives aprofitant la reactivitat fotoquímica del tautòmer 1,3-dicetona del filtre de l'UVA Avobenzone (AB). Els compostos seleccionats són dos fàrmacs antiinflamatoris no esteroïdals d'ús tòpic amb propietats fotosensibilizants, (S)-ketoprofè (KP) i diclofenac (DF). En aquest context, el tautòmer dicetona de l'AB conté dues fraccions fenacil, que es un grup protector fotolàbil ben conegut. Per tant, un disseny judiciós d'una diada profàrmac / profiltre permet el fotoalliberament del fàrmac i del seu escut protector, l'AB. La viabilitat d'aquest alliberament controlat dels ingredients actius s'ha verificat en diferents dissolvents de diferent caràcter dador d'hidrogen i viscositat per a simular la formulació tòpica. A més, els estudis de fotòlisi de flaix làser en EtOH permeten la caracterització d'una banda d'absorció transitòria a 400-420 nm, la qual ha sigut assignada a l'estat excitat triplet de AB-KP. Finalment, s'ha avaluat la fotoseguretat de la diada fotoactivable AB-KP. Els espectres d'absorció transitòria de la diada AB-KP en ciclohexà mostres que l'espècie observada és l'estat excitat triplet del KP i no el de la AB en la seua forma dicetònica. L'impacte sobre la membrana cel·lular s'ha abordat mitjançant la irradiació UVA de solucions d'àcid linoleic en presència de AB-KP. El potencial fototòxic de la diada s'ha evidenciat mitjançant espectrofotometria UV-Vis revelant la formació de derivats hidroperòxids diènics conjugats de l'àcid linoleic. No obstant açò, la diada AB-KP no exhibeix un potencial fotogenotòxic com ho demostren els experiments de l'assaig comet, on a diferència del KP, la forma redona no danyada de la cèl·lula encara s'observa després de la irradiació UVA.