The photophysics of cell membrane-targeting phototransducers

The light-driven modulation of cellular activity is an emerging tool for both therapeutic purposes and the investigation of organism physiology and functioning, as it offers higher temporal and spatial resolution compared to traditional electrical stimulation techniques. Different non-genetic approaches have been proposed to manipulate the cell behaviour using light. A variety of different photoactive materials can be exploited as phototransducers, converting the light stimulus into a mechanical, thermal, electrical, or chemical stimulus that can be recognized by cells and tissues. This thesis investigates the use of three different small organic molecules as membrane-targeting photoactuator, focusing on their photophysical characterization and on the photoinduced biological effects on in vitro models. The work aims at combining the information retrieved from optical spectroscopy measurements, electrophysiology and calculations and identifies three different light-driven mechanisms that allow the manipulation of cell activity. The photoinduced effects observed on cells are found to be related to (i) the thinning or thickening of the membrane due to conformational changes in the molecules; (ii) the increase of the membrane permeabilization, and the formation of pore-like structures likely due to the lipid peroxidation following the photosensitization of singlet oxygen within the cell membrane; and (iii) the rearrangement of the charges adsorbed to the membrane due to variations in the molecular dipole moment, for the three different photoactuators, respectively. Possible applications of these phenomena in neuroscience and medicine are discussed.

L’utilizzo della luce come strumento per controllare l’attività cellulare è una tecnica emergente, che può essere applicata sia con finalità terapeutiche sia per lo studio della fisiologia e del funzionamento degli organismi. La luce, infatti, offre una migliore risoluzione temporale e spaziale rispetto alle tradizionali tecniche di stimolazione elettrica. Sono stati proposti diversi approcci non-genetici per manipolare il comportamento delle cellule utilizzando la luce. Tra questi risulta interessante l’impiego di differenti materiali sensibili alla luce, che possono posti in prossimità di tessuti biologici e sfruttati come fototrasduttori, convertendo lo stimolo luminoso in uno stimolo meccanico, termico, elettrico o chimico che è riconosciuto da cellule. Questa tesi presenta lo studio di tre diverse piccole molecole organiche, sfruttate come fototrasduttori che si localizzano all’interno della membrana cellulare. Lo studio si concentra sulla caratterizzazione fotofisica delle tre molecole e sui diversi effetti biologici foto-indotti in modelli in vitro. Il lavoro ha l’obiettivo di combinare le informazioni ricavate da misure di spettroscopia ottica, dall'elettrofisiologia e da calcoli quantomeccanici per identificate tre diversi meccanismi, regolati dall’interazione la luce, che consentono di manipolare l'attività cellulare. Gli effetti fotoindotti osservati sulle cellule sono legati, per i tre diversi fotoattuatori studiati, rispettivamente a: (i) l'assottigliamento o l'ispessimento della membrana determinato da cambiamenti conformazionali delle molecole; (ii) l'aumento della permeabilità della membrana e la formazione di strutture simili a pori, probabilmente legati all’ ossidazione dei lipidi da parte dell’ossigeno di singoletto prodotto all’interno della membrane cellulare stessa; e (iii) il riarrangiamento delle cariche adsorbite sulla membrana causate da variazioni del momento di dipolo molecolare. Nella tesi sono anche discusse alcune possibili applicazioni di questi fenomeni nelle neuroscienze e nella medicina.