Molecular, Supramolecular and Biohybrid Aqueous Phthalocyanine Systems as Photoactive Materials for Energy Conversion and Nanomedicine

Zusammenfassung

Molecular, Supramolecular and Biohybrid Aqueous Phthalocyanine Systems as Photoactive Materials for Energy Conversion and Nanomedicine Durante las tres últimas décadas, la nanociencia se ha convertido en uno de los temas más candentes en ciencia, generando un gran impacto en una amplia variedad de áreas, tales como la medicina, las tecnologías de conversión de energía, ciencias ambientales, informática, comunicaciones o industria pesada. En el campo de la nanomedicina, los materiales nanoestructurados presentan numerosas ventajas y, en particular, en el campo de la nanooncología. Una de las principales dificultades en el tratamiento de esta enfermedad es la amplia distribución genética de la misma, incluso dentro del mismo paciente. La nanomedicina, y la nanooncologia en particular, presenta una amplia variedad de estrategias respecto a la oncología tradicional, facilitando terapias personalizadas que se pueden adaptar a cada individuo. El diseño de un fármaco multifuncional es consecuencia de la adecuada selección de los componentes activos, bien para el diseño de un agente de contraste multimodal, en el que se incluyan dos o más agentes de contraste para diversas técnicas, o bien la combinación de agentes de contraste con agentes terapéuticos, dando como resultado un fármaco teranóstico (aquel que permite tanto terapia como diagnosis en la misma formulación). Actualmente, de entre todas las variedades terapéuticas disponibles, la terapia fotodinámica (PDT, photodynamic therapy) destaca entre las más prometedoras. Esta tecnología médica consiste en la interacción entre tres agentes esenciales: una molécula fotoactiva o un fotosensibilizador (PS, photosensitizer), luz de una adecuada longitud de onda y oxígeno molecular. La iluminación del PS con luz a la adecuada longitud de onda provoca su excitación al estado triplete excitado, desde donde interactúa con el oxígeno presente en el medio biológico, generando formas reactivas de oxígeno (ROS, reactive oxygen species) entre las cuales destaca el oxígeno singlete (1O2). Un aspecto clave de esta terapia consiste en la selectiva vehiculización del PS, activa o pasiva, típica de los materiales nanoestructurados. Adicionalmente, el 1O2 es una especie clave en otras aplicaciones, tales como el tratamiento de aguas residuales, dispositivos de diagnóstico y como oxidante en síntesis orgánica. Por otro lado, el desarrollo y optimización de nuevas formas de energía se ha visto fuertemente impulsada, debido a una creciente preocupación sobre el impacto negativo en el medioambiente de los subproductos derivados de los combustibles fósiles. En este sentido, la conversión directa de energía solar en eléctrica a través de dispositivos fotovoltaicos ha sido extensamente estudiada durante las últimas décadas. Complementariamente a las células inorgánicas, que se encuentran actualmente en uso comercial, se han desarrollado nuevas configuraciones basadas en materiales orgánicos o en la combinación de ambos, presentando varias ventajas como ser fáciles de preparar mediante técnicas de fabricación en disolución, lo que reduce su coste de producción, la ausencia de materiales activos tóxicos y su flexibilidad y reducido peso, abriendo nuevas aplicaciones de las mismas. Adicionalmente, dentro de este último tipo de células ha surgido una nueva preocupación respecto a los disolventes empleados en la fabricación de estos dispositivos, siendo contaminantes al ser usados en grandes cantidades. Por ello, el desarrollo de sistemas fotoactivos solubles en agua representa una aproximación al desarrollo de dispositivos fotovoltaicos más respetuoso con el medio ambiente. Las ftalocianinas (Pcs, phthalocyanines) macrociclos aromáticos formados por cuatro unidades de isoindol unidas mediante átomos de nitrógeno. Su estructura posee una nube de 18 electrones π distribuidos sobre los 16 átomos del anillo interno. Entre otras de sus utilidades, las Pcs son excelentes candidatas como PS gracias a su versatilidad química y sus excelentes propiedades fotofísicas tales como gran estabilidad, alto coeficiente de absorción molar en el la región del rojo e infrarrojo cercano del espectro visible, y altos rendimientos cuánticos de estado triplete excitado y fluorescencia, con largos tiempos de vida media de estos estados. Estas propiedades, así como la posibilidad de modificar de manera su estructura y por lo tanto sus propiedades electroquímicas mediante sustitución periférica convierte a estas moléculas en excelentes moléculas para (i) aplicaciones biomédicas (como PS para PDT), así como para (ii), dentro de los sistemas de conversión de energía, actuar como excelentes antenas absorbiendo luz y posteriormente transferir esa energía absorbida o electrones a un aceptor, en un proceso análogo a la fotosíntesis natural. A pesar de todo, estos macrociclos presentan dos principales desafíos: el primero es que, debido a la lipofilia del anillo central, la solubilidad en agua de estos macrociclos es limitada y, en segundo, una vez solubilizadas en medio acuoso, presentan una alta tendencia a la agregación. Todo esto restringe la eficiencia de los procesos relacionados con el estado excitado tales como la fluorescencia o la producción eficiente de 1O2 a través del estado triplete. Ambos problemas pueden ser paliados mediante la sustitución en la periferia de las Pcs con grupos voluminosos y solubles en agua, que prevengan la agregación y doten de solubilidad en medios biológicos. Por otro lado, nuevas estrategias consisten en el desarrollo de nuevas formulaciones consistentes en la incorporación de Pcs en diferentes sistemas nanoestructurados biohíbridos, posibilitando la solubilidad en medio acuoso, así como la ruptura de la agregación y una elevada biocompatibilidad.