Development of novel membrane-targeted photoswitches for neuron photosensitization

At present, degenerative retinal diseases including Retinitis Pigmentosa (RP) and Age-related Macular Degeneration (AMD) are the main causes for irreversible loss of photoreceptors, and can lead in their most advanced stages to untreatable blindness. Herein, a series of new Membrane Targeted Photoswitches (MTPSs), has been synthesized and tested for retinal neuron photosensitization. The design started from the (4-azepane- 4’-di(hexylpyridinium bromide)amino-azobenzene), consisting in a central azobenzene substituted with an azepane at one side and two omega-pyridiumhexyl chains on the other side. Molecular simulations on this azo-compound showed rapid and stable partitioning inside the bilayer, inducing a reversible modification of the membrane thickness upon isomerization. Confocal imaging and electrophysiological measurements on MTPS-loaded neurons confirmed the increase in membrane capacitance right after loading and a subsequent decrease after light stimulation. The same measurements on living neurons showed that this behaviour leads to exogeneous light-elicited firing as a consequence of the compound reversible photoisomerization. This opens the path to vision restoration implementations, and in-vivo trials are currently underway. Given these promising results, eight modified azobenzenes have been synthesised containing pyridinium or ammonium terminated alkyl chain on one side and different functional groups on the other side. The photoisomerization of these MTPSs is studied, highlighting a strong dependence of the process on the environment (i.e. solvent polarity) in the case of push-pull-MTPSs. Furthermore, it is shown that pyridinium and ammonium end groups as well as the number of cationic chains can lead to significant variations of the kinetics of the photochromic process. Further studies in biological environments are ongoing.

Le malattie degenerative della retina come la Retinite Pigmentosa (RP) e la Degenerazione Maculare senile (AMD) sono ad oggi le principali cause di perdita irreversibile di neuroni fotorecettori, e nei loro stati piú avanzati possono portare a cecitá incurabile. Nel presente lavoro, una serie di Membrane Targeted Photoswitches (MTPSs) sono stati progettati, sintetizzati e caratterizzati per la fotosensitizzazione dei neuroni della retina. Il primo composto sintetizzato e caratterizzato é il (4-azepano-4'-di(esapiridinio bromuro)ammino- azobenzene), un azobenzene sostituito da una parte con un azepano e dall’altra estremità con due catene esiliche terminate con gruppi piridinio. Simulazioni di dinamica molecolare effettuate su questo azo-composto hanno dimostrato la sua capacità di introdursi rapidamente e stabilmente all'interno della membrana cellulare, inducendo una variazione reversibile dello spessore di membrana a seguito di isomerizzazione. Imaging confocale e misure elettrofisiologiche su neuroni incubati con MTPS hanno confermato un aumento della capacità di membrana a seguito dell' incubazione e una successiva diminuizione a seguito di stimolo luminoso. Le stesse prove effettuate su neuroni attivi hanno determinato l'induzione di firing neuronale a seguito della fotoisomerizzazione del composto. Test in-vivo sono attualmente in corso. Considerati questi risultati preliminari, otto azo-composti derivati sono stati sintetizzati, contenenti catene alchiliche terminate con piridinio o ammonio da un lato e diversi gruppi funzionali dall'altro. Le dinamiche di fotoisomerizzazione di questi MTPS sono state studiate, mettendo in risalto una forte dipendenza del processo dall'ambiente chimico (i.e. polaritá del solvente) nel caso di MTPS donatore-accettore. Inoltre, si é dimostrato come le differenze nel gruppo cationico terminale (piridinio o ammonio) e nel numero di catene possano portare a variazioni significative nella cinetica del processo fotocromico. Studi in ambiente biologico sono tutt'ora in corso.