BODIPY derivatives: design, synthesis, and evaluation as chemosensors, probes for bioimaging, and photosensitizers for PDT

Abstract

4,4-Difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene derivatives, commonly referred as BODIPYs, constitute a class of fluorophores that has been arousing great curiosity in the scientific community. The excellent photophysical properties, the accessible synthesis, and the chemical versatility of BODIPY derivatives explain the growing interest in this class of compounds in recent years, as well as its demand for application in the most diverse areas of research. Thus, this dissertation was based on several objectives: the design, synthesis, and photophysical characterization of BODIPY derivatives functionalized with distinct groups at the meso position of the BODIPY core and the evaluation of the capacity of these compounds for different applications, namely, as optical chemosensors, fluorescent probes for bioimaging, aggregation-induced emission (AIE) fluorophores and photosensitizers for photodynamic therapy. In order to evaluate the application of these derivatives as optical chemosensors, spectrofluorimetric titrations were carried out in the presence of Pd2+, Hg2+, Fe3+, and Al3+, since the preliminary study of sensing capacity revealed a selectivity for these cations. On the other hand, the potential application as a fluorescent probe in bioimaging was evaluated in HeLa cancer cells using fluorescence techniques and confocal microscopy, with promising results. In the evaluation as a AIE fluorophore, the influence of solvent polarity on the spectroscopic and photophysical properties of one of the BODIPY derivatives under study and its emissive behavior in the aggregation state in an aqueous medium was also studied. Finally, for potential application as a photosensitizer for photodynamic therapy, the sensitization of singlet oxygen in solution was evaluated by spectroscopy, and the internalization and cytotoxicity performance of one BODIPY derivative was studied in 4T1 cancer cells using fluorescence techniques and flow cytometry, giving promising results.

Os derivados de 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indaceno, designados usualmente como BODIPYs, constituem uma classe de fluoróforos que tem vindo a despertar grande curiosidade na comunidade científica. As ótimas propriedades fotofísicas, a síntese acessível e a versatilidade química dos derivados de BODIPY explicam o crescente interesse por esta classe de compostos nos últimos anos bem como a sua procura para aplicação nas mais diversas áreas de investigação. Assim, esta dissertação baseou-se em vários objetivos: o design, síntese e caraterização fotofisica de novos derivados de BODIPY e a avaliação da capacidade destes compostos para diversas aplicações, nomeadamente, como sensores químicos óticos de iões, sondas fluorescentes para bioimagem, fluoróforos com emissão induzida por agregação (AIE) e fotossensibilizadores para terapia fotodinâmica. Com o objetivo de avaliar a aplicação destes derivados como sensores químicos óticos, efetuaram-se titulações espetrofluorimétricas na presença de Pd2+, Hg2+, Fe3+ e Al3+, uma vez que o estudo preliminar de capacidade sensora revelou seletividade para estes catiões. A potencial aplicação como sonda fluorescente em bioimagem foi avaliada em células cancerígenas HeLa recorrendo a técnicas de fluorescência e microscopia confocal, tendo-se obtido resultados promissores. Na avaliação como fluoróforos AIE, estudou-se a influência da polaridade do solvente nas propriedades espectroscópicas e fotofísicas de um dos derivados em estudo bem como o seu comportamento emissivo no estado de agregação em meio aquoso. Por fim, tendo como objetivo a aplicação como fotosensibilizador para terapia fotodinâmica avaliou-se a sensibilização de oxigénio singleto em solução por espetroscopia e a capacidade de internalização e a citotoxicidade de um derivado de BODIPY num estudo com células cancerígenas 4T1 recorrendo a técnicas de fluorescência e citometria de fluxo, tendo-se obtido resultados promissores.