Estudio teórico de propiedades intrínsecas de derivados porfirínicos en procesos de fotosensibilización

Abstract

La búsqueda constante de tratamientos efectivos contra el cáncer es un área de investigación altamente activa. En este contexto, la terapia fotodinámica (PDT; de sus siglas en inglés PhotoDynamic Therapy) ha resultado ser un tratamiento atractivo para combatir la proliferación de células cancerosas. Ésta se basa en la utilización de fotosensibilizadores (PS; de sus siglas en inglés Photosensitizer), luz, y oxígeno molecular en su estado fundamental (3O2), que inducen un efecto citotóxico por la generación de especies de oxígeno altamente reactivas (ROS; de sus siglas en inglés Reactive Oxygen Species), particularmente oxigeno singlete. La gran ventaja de las PDT en comparación con los otros tratamientos es su baja toxicidad sistémica, ya que los PS sólo se activan cuando son irradiados con la longitud de onda correcta y, por otra parte, su capacidad de destruir selectivamente los tumores. El mecanismo general en PDT consta en irradiar el PS (S0; 1PS), pasando éste a un estado excitado singlete (S1; 1PS*), para luego alcanzar su estado triplete (T1; 3PS) previo cruce intersistema. En este último caso, el PS puede interaccionar con la molécula de O2 en su estado basal (3O2), generando un complejo de encuentro PS···O2, para la posterior liberación de 1O2. La PDT es un proceso que ha despertado el interés de varios científicos debido a la interacción entre sistemas excitados y basales, punto clave en la generación de oxígeno singlete para la destrucción de células cancerígenas. Este proceso ha logrado ser estudiado desde un punto de vista teórico por Asturiol y col. utilizando un derivado de porfirina llamado Porficeno (Pc), llevando a cabo cálculos basados en B3LYP y CASSCF para el complejo Pc···O2 y las posibles multiplicidades que puedan formarse, en el cual se lograron dilucidar siete procesos directos de obtención de 1O2 y cinco procesos indirectos. Este proceso es posible analizarlo utilizando el marco conceptual de la DFT de espín polarizado (SP-DFT; del inglés Spin-Polarized DFT) en el cual la densidad electrónica y la densidad de espín es la principal fuente de información donde es posible extraer los términos de Spinphylicity (𝜔𝑆+) y Spin-Donicity (𝜔𝑆−) los cuales miden la capacidad de un sistema para cambiar su polarización de espín en la ausencia de transferencia de electrones. El objetivo de estudio de investigación se centra en una caracterización teórica y computacional del mecanismo de PDT para nueve compuestos derivados de Porfirina. El foco de atención estará centrando en la aplicación de métodos DFT, SP-DFT y modelos de reactividad química para así dilucidar e identificar interacciones específicas para comprender la eficiencia de éstos.

The constant search for effective cancer treatments is a highly active area of research. In this context, photodynamic therapy (PDT) has proven to be an attractive treatment for combating the proliferation of cancer cells. It is based on the use of photosensitizers (PS), light, and molecular oxygen in its ground state (3O2), which induce a cytotoxic effect through the generation of highly reactive oxygen species (ROS), particularly singlet oxygen. The major advantage of PDT compared to other treatments is its low systemic toxicity, as PS are only activated when irradiated with the correct wavelength, and, furthermore, their ability to selectively destroy tumors. The general mechanism in PDT involves irradiating the PS (S0; 1PS), causing it to transition to an excited singlet state (S1; 1PS*), and then reach its triplet state (T1; 3PS) via intersystem crossing. In this latter case, the PS can interact with an O2 molecule in its ground state (3O2), generating an encounter complex PS···O2, for the subsequent release of 1O2. PDT is a process that has captured the interest of several scientists due to the interaction between excited and ground-state systems, a key point in the generation of singlet oxygen for the destruction of cancer cells. This process has been studied from a theoretical perspective by Asturiol et al. using a porphyrin derivative called Porphycene (Pc), carrying out calculations based on B3LYP and CASSCF for the Pc···O2 complex and the possible multiplicities that can be formed, in which seven direct processes for obtaining 1O2 and five indirect processes were elucidated. This process can be analyzed using the conceptual framework of spin-polarized DFT (SPDFT), in which the electron density and the spin density are the main sources of information, from which the terms Spin-philicity (𝜔𝑆+) and Spin-donicity (𝜔𝑆−) can be extracted. These measure a system's capacity to change its spin polarization in the absence of electron transfer. The objective of this research study focuses on a theoretical and computational characterization of the PDT mechanism for nine porphyrin-derived compounds. The focus will be centered on the application of DFT methods, SP-DFT, and chemical reactivity models to elucidate and identify specific interactions to understand their efficiency.