Membrane Targeted Push-Pull Azobenzenes for Light-Induced Cell Stimulation

Degenerative retinal diseases are amongst the main causes of visual disability in the world, affecting over 100 million people today. Neural pathologies such as Age-related Macular Degeneration (AMD), Retinitis Pigmentosa (RP), and glaucoma affect the photoreceptors in the retina, triggering their progressive degeneration until cell death. Promising innovative treatments include membrane targeted photoswitches (PSs), particularly if they are designed to absorb in the visible range of the light spectrum to reduce the tissue damage by UV light. Herein, novel push-pull Membrane Targeted Azobenzenes (MTABs) were synthesized, characterized, and tested as possible light-triggered cell stimulators, based on molecules previously synthesized in our research group (i.e., Ziapin2 and PP-2Pyr). These compounds were designed to localize into the membrane and stimulate its potential variation, upon isomerization after light irradiation. Here, push-pull azobenzenes were designed in order to redshift the absorption towards the range of the therapeutic window. Light towards the red allows for less tissue damage but most of all a deeper skin penetration. This consequently would allow to sensitize other kinds of cells, such as muscle cells. Comparing the photophysical characterization and in-vitro tests for the different MTABs, the role of some specific functional groups, i.e., pyridine and pyridinium, was investigated. These electron-withdrawing groups would seem to be responsible for the colocalization in the mitochondrial membrane, and, in combination with a donor group, to contribute to the redshift of the absorption, thus of the emission in a detectable range outside the autofluorescence of the cells.

Le malattie degenerative della retina sono tra le principali cause di disabilità visiva al mondo e attualmente colpiscono oltre 100 milioni di persone. Patologie come la Degenerazione Maculare Legata all'Età (AMD), la Retinite Pigmentosa (RP) e il glaucoma colpiscono i neuroni fotorecettori della retina, innescandone la progressiva degenerazione fino alla morte cellulare. Molecole fotocromiche che hanno come target la membrana rappresentano un promettente trattamento innovativo, specialmente se progettati per assorbire nel visibile, in modo da limitare i danni ai tessuti causati dalla radiazione UV. In questo lavoro, sono stati sintetizzati, caratterizzati e testati dei nuovi azobenzeni push-pull mirati alla membrana (MTAB) come possibili stimolatori cellulari in grado di indurre fotosensibilità, sulla base di molecole precedentemente sintetizzate dal nostro gruppo di ricerca (i.e., Ziapin2 e PP-2Pyr). Questi composti sono stati progettati per localizzarsi nella membrana e stimolarne la variazione del potenziale a seguito dell’isomerizzazione indotta dall’irradiazione. In questo studio, azobenzeni push-pull sono stati progettati per spostare l’assorbimento a lunghezze d’onda maggiori, verso l’intervallo della finestra terapeutica. La luce verso il rosso consente un minor danno ai tessuti, ma soprattutto una penetrazione cutanea più profonda. Ciò di conseguenza consentirebbe la sensibilizzazione di altri tipi di cellule, come ad esempio quelle muscolari. Confrontando la caratterizzazione fotofisica e i test in vitro per i diversi MTAB, è stato investigato il ruolo di alcuni specifici gruppi funzionali, come la piridina e il piridinio. Questi gruppi, che sono degli accettori elettronici, sembrerebbero essere responsabile della co-localizzazione nella membrana mitocondriale e, in combinazione con un gruppo donatore, contribuirebbero al redshift dell'assorbimento e quindi dell'emissione in un intervallo rilevabile rispetto all’autofluorescenza della cellula.