Embargament
Document embargat fins el 2027-02-06Tipus de document
TesiVersió
Versió publicadaData de publicació
Llicència de publicació
Si us plau utilitzeu sempre aquest identificador per citar o enllaçar aquest document: https://hdl.handle.net/2445/227299
Azobenzene-based photoswitchable ligands for light-dependent modulation of β-adrenoceptors: from molecular design to photopharmacological evaluation in cardiac tissue
Títol de la revista
Autors
Director/Tutor
ISSN de la revista
Títol del volum
Recurs relacionat
Resum
[eng] β-adrenoceptors (β-ARs) are class A G Protein-Coupled Receptors (GPCRs) that play a central role in the regulation of essential physiological functions, thus representing major pharmacological targets for the treatment of cardiovascular and respiratory diseases, among others. However, conventional β-AR drugs lack spatial and temporal precision, that may lead to off-target effects. Moreover, many aspects of β-ARs function remain incompletely understood, including mechanisms of activation, receptor dynamics and signaling. Photopharmacology offers a promising strategy to overcome these limitations by utilizing ligands with light-dependent properties that allow precise control of drug action and, thus, receptor function. To achieve this, a photochromic moiety such as azobenzene can be incorporated into the molecular scaffold of β-AR ligands. Upon illumination with suitable light wavelengths, azobenzenes undergo reversible trans-cis isomerization, inducing significant changes in ligand geometry, polarity, and electron density that, when integrated within the drug scaffold, are expected to modulate binding affinity and functional activity. This thesis aimed to achieve light-dependent control of β-adrenoceptors through the development of azobenzene-based photoswitchable ligands, including rational design, chemical synthesis, and both photochemical and photopharmacological evaluation. The design was first based on established structural features of known agonists giving three series of azobenzene-based β-AR ligands. All the compounds were synthesized and characterized through spectroscopic techniques to determine their photoisomerization wavelengths, reversibility, and thermal relaxation rates. Their pharmacological properties were then assessed through a systematic photopharmacological evaluation across the three β-AR subtypes, using binding and functional assays to determine receptor subtype activity and light-dependent modulation of receptor activity. The most promising ligands proved to be fully inactive in the dark and to activate the receptors upon illumination. Furthermore, some lead compounds were validated ex vivo in isolated cardiac and adipose tissues, demonstrating the feasibility of optical control of β-AR-mediated physiological responses. These results establish the potential of photopharmacology for precise light-dependent activation of β-ARs, providing both a rational framework for ligand design and a toolbox of photoswitchable ligands with diverse photochemical and pharmacological properties. Future directions should focus on improving receptor susbtype selectivity, enhancing light penetration through red-shifted photoswitchable ligands, and developing implantable light-delivery systems to enable clinical translation.
[cat] Els β-adrenoceptors (β-ARs) són receptors acoblats a proteïnes G (GPCRs) de classe A que juguen un paper central en la regulació de diverses funcions fisiològiques, incloent-hi les cardíaca, respiratòria i urinària. Per aquest motiu, constitueixen les principals dianes farmacològiques en el tractament de malalties cardiovasculars i respiratòries. Tot i això, els fàrmacs convencionals dirigits als β-ARs sovint manquen de precisió tant espacial com temporal, la qual cosa pot provocar efectes fora de l’objectiu terapèutic i limitar la seva eficàcia clínica. A més, molts aspectes relacionats amb el funcionament dels β-ARs encara no es comprenen completament, incloent-hi els mecanismes d’activació, la dinàmica dels receptors a la membrana cel·lular i la senyalització cel·lular. En aquest context, la fotofarmacologia emergeix com una estratègia prometedora per superar aquestes limitacions, ja que permet utilitzar lligands amb propietats dependents de la llum que proporcionen un control precís i reversible sobre l’acció del fàrmac i, per tant, també sobre els processos d’activació i inactivació dels receptors. Per aconseguir aquesta regulació en funció de la llum, es poden incorporar molècules fotocròmiques, com l’azobenzè, dins l’estructura molecular dels lligands β-AR. Quan aquests lligands s’exposen a llum de longituds d’ona específiques, els azobenzens experimenten una isomerització reversible trans-cis, que provoca canvis significatius en la geometria, la polaritat i la densitat electrònica del lligand, modificant de manera controlada la seva afinitat pel receptor i activitat funcional. L’objectiu principal d’aquesta tesi és aconseguir el control dels β-adrenoceptors en funció de la llum mitjançant el desenvolupament d’agonistes fotocommutables activables per la llum i basats en azobenzè. Aquest objectiu inclou el disseny racional, la síntesi química i l’avaluació fotoquímica i fotofarmacològica. Inicialment, es va aplicar una aproximació de disseny racional basat en les característiques estructurals d’agonistes coneguts. S’han sintetitzat tres sèries de lligands β-AR basates en azobenzè i s’han caracteritzar mitjançant diverses tècniques espectroscòpiques per determinar les longituds d’ona de fotoisomerització, la reversibilitat i temps de relaxació tèrmica. Posteriorment, les seves propietats farmacològiques s’han avaluat de manera sistemàtica en els tres subtipus de β-AR, mitjançant assajos de unió a receptor i funcionals, per determinar l’activitat de cada lligan en cada subtipus, i com es pot modular l’activitat receptor amb llums d’una longitud d’ona determinada. Els lligands més prometedors han resultat totalment inactius sense presencia de llum i poden activar els receptors quan s’exposaven a una llum determinada. A més a més, alguns dels compostos més destacats s’han validat ex vivo en teixit cardíac i adipós aïllats, demostrant la viabilitat de controlar òpticament les respostes fisiològiques mediades pels β-AR al cor. Aquests resultats evidencien el gran potencial de la fotofarmacologia per al control precís i en funció de la llum dels β-ARs, proporcionant tant un marc racional per al disseny de nous lligands com un extens repertori de lligands fotocommutables amb diverses propietats fotoquímiques i activitats sobre els diferents tipus de β-adrenoceptors. Les línies futures de recerca haurien de centrar-se a millorar la selectivitat entre subtipus de receptors, optimitzar la penetració de la llum mitjançant lligands fotocommutables amb amb longituds d’ona en menys energètiques el rang visible i desenvolupar sistemes implantables d’adminsitració de llum, amb l’objectiu d’afavorir la translació clínica d’aquesta estratègia terapèutica innovadora.
[cat] Els β-adrenoceptors (β-ARs) són receptors acoblats a proteïnes G (GPCRs) de classe A que juguen un paper central en la regulació de diverses funcions fisiològiques, incloent-hi les cardíaca, respiratòria i urinària. Per aquest motiu, constitueixen les principals dianes farmacològiques en el tractament de malalties cardiovasculars i respiratòries. Tot i això, els fàrmacs convencionals dirigits als β-ARs sovint manquen de precisió tant espacial com temporal, la qual cosa pot provocar efectes fora de l’objectiu terapèutic i limitar la seva eficàcia clínica. A més, molts aspectes relacionats amb el funcionament dels β-ARs encara no es comprenen completament, incloent-hi els mecanismes d’activació, la dinàmica dels receptors a la membrana cel·lular i la senyalització cel·lular. En aquest context, la fotofarmacologia emergeix com una estratègia prometedora per superar aquestes limitacions, ja que permet utilitzar lligands amb propietats dependents de la llum que proporcionen un control precís i reversible sobre l’acció del fàrmac i, per tant, també sobre els processos d’activació i inactivació dels receptors. Per aconseguir aquesta regulació en funció de la llum, es poden incorporar molècules fotocròmiques, com l’azobenzè, dins l’estructura molecular dels lligands β-AR. Quan aquests lligands s’exposen a llum de longituds d’ona específiques, els azobenzens experimenten una isomerització reversible trans-cis, que provoca canvis significatius en la geometria, la polaritat i la densitat electrònica del lligand, modificant de manera controlada la seva afinitat pel receptor i activitat funcional. L’objectiu principal d’aquesta tesi és aconseguir el control dels β-adrenoceptors en funció de la llum mitjançant el desenvolupament d’agonistes fotocommutables activables per la llum i basats en azobenzè. Aquest objectiu inclou el disseny racional, la síntesi química i l’avaluació fotoquímica i fotofarmacològica. Inicialment, es va aplicar una aproximació de disseny racional basat en les característiques estructurals d’agonistes coneguts. S’han sintetitzat tres sèries de lligands β-AR basates en azobenzè i s’han caracteritzar mitjançant diverses tècniques espectroscòpiques per determinar les longituds d’ona de fotoisomerització, la reversibilitat i temps de relaxació tèrmica. Posteriorment, les seves propietats farmacològiques s’han avaluat de manera sistemàtica en els tres subtipus de β-AR, mitjançant assajos de unió a receptor i funcionals, per determinar l’activitat de cada lligan en cada subtipus, i com es pot modular l’activitat receptor amb llums d’una longitud d’ona determinada. Els lligands més prometedors han resultat totalment inactius sense presencia de llum i poden activar els receptors quan s’exposaven a una llum determinada. A més a més, alguns dels compostos més destacats s’han validat ex vivo en teixit cardíac i adipós aïllats, demostrant la viabilitat de controlar òpticament les respostes fisiològiques mediades pels β-AR al cor. Aquests resultats evidencien el gran potencial de la fotofarmacologia per al control precís i en funció de la llum dels β-ARs, proporcionant tant un marc racional per al disseny de nous lligands com un extens repertori de lligands fotocommutables amb diverses propietats fotoquímiques i activitats sobre els diferents tipus de β-adrenoceptors. Les línies futures de recerca haurien de centrar-se a millorar la selectivitat entre subtipus de receptors, optimitzar la penetració de la llum mitjançant lligands fotocommutables amb amb longituds d’ona en menys energètiques el rang visible i desenvolupar sistemes implantables d’adminsitració de llum, amb l’objectiu d’afavorir la translació clínica d’aquesta estratègia terapèutica innovadora.
Matèries (anglès)
Citació
Col·leccions
Citació
IGNAZZITTO, Maria Tindara. Azobenzene-based photoswitchable ligands for light-dependent modulation of β-adrenoceptors: from molecular design to photopharmacological evaluation in cardiac tissue. [consulted: 4 of August of 2026]. Available at: https://hdl.handle.net/2445/227299