Intramembrane photomechanical switches for the modulation of neural activity

Degenerative retinal diseases are the main causes for vision loss and affects a significant population. The two most diffused disease are Age-related Macular Degeneration (AMD) and Retinis Pigmentosa (RP). Both these diseases involve photoreceptors in the retina inhibiting light detection and, in more severe advanced cases, leading to irreversible blindness. Currently, some therapies exist only for wet AMD, the other retina degenerations remain untreatable. Herein, Intramembrane Photomechanical Switches (PS) were synthesized and characterized to be tested as a possible approach for vision restoration therapy. The pioneer molecule is the 1-{6-[(4-{2-[4-(azepan-1-yl) phenyl]diazen-1-yl}phenyl)[6-(pyridin-1-ium-1-yl) hexyl] amino] hexyl} pyridin-1-ium dibromide (Ziapin 2), which effectively partition into the cellular membrane bilayer, enabling photosensitivity in neurons. The neuron firing is generated by a significant change in the membrane capacitance induced by light-trigger isomerization of the azobenzene. This result is demonstrated both in vitro and in vivo, and it opens to a future vision restoration. From there, other compounds belonging to three different classes, i.e.: aze-amino-PSs, branched-PSs and push-pull-PSs, were synthesized and tested. The photochemical behaviour of all these compounds was studied in different solvents, in micelles and in buffer solution, to highlight how the environment affects the photoswitching, depending on the specific chemical formula of the azobenzene. The occurrence of aggregation phenomena is suggested in some cases, nevertheless all the species generate light-triggered change of membrane capacitance in electrophysiological tests. However, the molecular structure of the photochemical switch results in a different effectiveness of the generated signal. Regarding push-pull-PSs, the in-vitro test showed a depolarization upon irradiation which differs from the signals induced from other species. This difference can be ascribed by the different partitioning of the azobenzene with the membrane layers and to the strong change in the dipole moment which accompanies the trans-cis photoisomerization, which also affects the membrane capacitance. These findings showed that push-pull-PSs could be a viable option for future research.

Le malattie degenerative della retina sono la principale causa di perdita della funzione visiva e colpiscono una parte consistente della popolazione mondiale. Le due malattie più diffuse sono la Degenerazione Maculare legata all’età (AMD) e la Retinite Pigmentosa (RP). Entrambe coinvolgono i neuroni fotorecettori posizionati all’ interno della retina impedendo così il corretto funzionamento dell’apparato visivo o, nei casi più avanzati, portando alla perdita irreversibile della vista. Attualmente, nonostante esista un trattamento per la forma umida di AMD, le altre rimangono incurabili. In questo lavoro, molecole fotocromiche in grado di indurre fotosensibilità nei neuroni sono state sintetizzate e caratterizzate con l’obiettivo finale di curare queste malattie degenerative. La molecola di riferimento sulla quale si basa questo studio è la 1-{6-[(4-{2-[4-(azepan-1-il) fenil]diazen-1-il}fenil)[6-(piridin-1-io-1-il) esil] amino] esil} piridin-1-io dibromuro (Ziapin 2), capace di indurre fotosensibilità nei neuroni dopo essersi localizzata nel doppio strato della membrana. Una variazione nella capacità elettrica della membrana, indotta dalla fotoisomerizzazione dell’azobenzene, provoca il firing dei neuroni. Questo risultato è stato dimostrato sia in vitro che in vivo e apre la strada a una futura terapia. In questo lavoro sono stati quindi sintetizzate altre molecole che si possono suddividere in tre categorie: aze-amino-PSs, PSs a stella e push-pull-PSs. La fotochimica di tutti questi composti è stata studiata in diversi solventi, micelle e soluzioni buffer, in modo da valutare l’influenza dell’ambiente circostante. In alcuni casi sono stati osservati fenomeni di aggregazione cionondimeno le misure di elettrofisiologia confermano variazioni della capacità di membrana generate dalla fotoisomerizzazione. Le molecole differiscono nell’efficienza del segnale generato. Per quanto riguarda le molecole push-pull, i test in-vitro mostrano depolarizzazione della membrana, se soggetti ad irraggiamento, questo effetto è opposto a quello osservato in tutti gli altri composti. Questa differenza è dovuta ad una diversa maniera di interagire delle molecole con sé stesse e con i fosfolipidi della membrana e alla rilevante variazione nel momento di dipolo durante la fotoisomerizzazione trans-cis. Anche quest’ultimo parametro, influenza la capacità di membrana. Questo dimostra che i push-pull possono essere considerati come una valida opzione nel futuro di questa ricerca.