Membrane targeted azo compounds for optical modulation of cellular activity

Optical stimulation of biological tissues has emerged as an innovative approach in biophysics, offering high spatiotemporal precision and non-invasiveness compared to traditional systems. However, the practical application of molecular photoswitches is often hindered by their reliance on damaging ultraviolet (UV) radiation and limited tissue penetration. This thesis work focuses on the design, synthesis, and characterization of novel membrane-targeted azo compounds, specifically engineered to act as light-driven nanoactuators for the optical modulation of cellular activity. The research aims to overcome current limitations by systematically redshifting the absorption profile of the photoswitches toward the therapeutic window. Building upon the framework of previous actuators like Ziapin2 and MTP2, several compounds were developed. In particular, the H-series, which incorporates heterocyclic thiophene rings and strong electron-withdrawing groups (cyano and nitro moieties), demonstrated a significant bathochromic shift. Among these, compound H5 achieved a maximum absorption peak in the visible range (622 nm), enabling activation with low-energy visible light. The photophysical behaviour has been studied in different solvents at different concentrations, to determine how the materials behave according to the environment they come into contact with, enlightening the formation of excimer species and their influence on the compounds’ fluorescence.

La stimolazione ottica dei tessuti biologici è emersa come un approccio innovativo in biofisica, offrendo un’elevata precisione spazio-temporale e un carattere non invasivo rispetto ai tradizionali sistemi. Tuttavia, l’applicazione pratica dei fotoswitch molecolari è spesso limitata dalla necessità di utilizzare radiazione ultravioletta (UV) potenzialmente dannosa e dalla ridotta penetrazione nei tessuti. Il presente lavoro di tesi è incentrato sulla progettazione, sintesi e caratterizzazione di nuovi composti azoici a targeting di membrana, specificamente ingegnerizzati per agire come nanoattuatori fotoattivati per la modulazione ottica dell’attività cellulare. L’obiettivo della ricerca è superare tali limitazioni mediante lo spostamento sistematico verso il rosso del profilo di assorbimento dei fotoswitch, indirizzandolo verso la cosiddetta finestra terapeutica. Partendo dalla struttura di precedenti attuatori quali Ziapin2 e MTP2, sono stati sviluppati diverse molecole. In particolare, la serie H, caratterizzata dall’introduzione di anelli eterociclici tiofenici e di forti gruppi elettron-attrattori (unità ciano e nitro), ha mostrato un marcato spostamento batocromico. Tra questi, H5 ha raggiunto un massimo di assorbimento nella regione del visibile (622 nm), consentendo l’attivazione mediante luce visibile a bassa energia. Il comportamento fotofisico è stato studiato in diversi solventi e a differenti concentrazioni, al fine di determinare come i materiali si comportino in funzione dell’ambiente con cui entrano in contatto, mettendo in luce la formazione di specie eccimeriche e la loro influenza sulla fluorescenza dei composti.