# name
Advanced synthetic strategies to control pharmacological action using ultraviolet, visible, and infrared light

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Facultat de Química

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] Photopharmacology fuses the best features of various neuromodulation techniques, allowing high spatial and temporal control to overcome the adverse effects of systemic pharmacology. The control of neuronal activity with photopharmacology can be achieved by (1) freely diffusible ligands that exert different pharmacological actions in the dark and with light, (2) photoswitchable molecules covalently bound to their receptors that allow a more selective action, with high precision and control of a specific neuronal population, and (3) the release of active ligands by light-controlled drug encapsulation systems. In this thesis, we have used these three design strategies to neuromodulate different targets. In the first part, we have focused on photopharmacology based on ultraviolet and visible light. First, we have developed photochromic glycine receptor ligand analogues to expand the active molecules available for this class of orphan receptors, study glycinergic transmission and potentially inhibit neuropathic pain with light. We have also used ultraviolet light to trigger the selective release of glutamatergic and muscarinic ligands from supramolecular polymer-based drug encapsulation systems. We have designed two different strategies to encapsulate drugs. With the former, we have obtained good molecular coupling results using transmission electron microscopy and circular dichroism, but we have not been able to verify its efficacy in biological systems due to the low solubility of the polymer. We have overcome this barrier in the second strategy, introducing a potent muscarinic agonist into the supramolecular structure and demonstrating its release using the calcium imaging technique. In this way, we have demonstrated the applicability of this class of supramolecular polymers as selective light-activated drug delivery systems. Despite the great technical advances achieved over the last twenty years, the translation of photopharmacology to the clinic remains difficult, partly due to the toxicity and low tissue penetration of ultraviolet light. For this reason, in the second part of this thesis, we have developed photopharmacological ligands that allow the application of light more deeply and safely. First, we used two-photon excitation to control neuronal activation by means of a novel photoswitchable ligand that can covalently conjugate to native ionotropic glutamate receptors, without requiring mutagenesis. In addition, this new ligand has shown selectivity for specific subtypes of ionotropic glutamate receptors, AMPA and kainate receptors. Activation with near-infrared light by multiphoton stimulation also offers focused stimulation at the micrometer scale and in three dimensions. However, the technical complexity of multiphotonic stimulation limits its clinical applications to practice. Therefore, we have also developed photochromic ligands based on donor and acceptor Stenhouse adductes that can be photoactivated in the therapeutic window of the spectrum by excitation of a photon. These new ligands contain active barbiturates at gamma-aminobutyric acid receptors and chemical substitutions that push their absorption at infrared wavelengths. We have also studied their isomerization mechanisms to understand how to make them compatible with protic environments. The most promising compound in the library has good solubility, absorption wavelength in dark red, and antagonist activity at gamma-aminobutyric acid receptors.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[cat] La fotofarmacologia fusiona les millors característiques de diverses tècniques de neuromodulació, permetent un alt control espacial i temporal per superar els efectes adversos de la farmacologia sistèmica. El control de l'activitat neuronal amb fotofarmacologia es pot aconseguir mitjançant (1) lligands lliurement difusibles que exerceixen diferents accions farmacològiques a les fosques i amb llum, (2) molècules fotocommutables unides covalentment als seus receptors que permeten una acció més selectiva, amb alta precisió i control d'una població neuronal específica, i (3) l'alliberament de lligands actius mitjançant sistemes d’encapsulament de fàrmacs controlats amb llum. En aquesta tesi, hem emprat aquestes tres estratègies de disseny per neuromodular diferents dianes. A la primera part, ens hem centrat en la fotofarmacologia basada en la llum ultraviolada i visible. Primer, hem desenvolupat anàlegs fotocròmics de lligands dels receptors de glicina, per ampliar les molècules actives disponibles per a aquesta classe de receptors orfes, estudiar la transmissió glicinèrgica i potencialment inhibir el dolor neuropàtic amb llum. També hem utilitzat llum ultraviolada per desencadenar l'alliberament selectiu de lligands glutamatèrgics i muscarínics de sistemes d'encapsulament de fàrmacs basats en polímers supramoleculars. Hem dissenyat dues estratègies diferents per encapsular les drogues. Amb la primera, hem obtingut bons resultats d’acoblament molecular mitjançant microscòpia electrònica de transmissió i dicroïsme circular, però no hem pogut verificar la seva eficàcia en sistemes biològics degut a la baixa solubilitat del polímer. Hem superat aquesta barrera en la segona estratègia, introduint un potent agonista muscarínic en l'estructura supramolecular i demostrant el seu alliberament mitjançant la tècnica d’imatge de calci. D’aquesta manera, hem demostrat l'aplicabilitat d’aquesta classe de polímers supramoleculars com a sistemes selectius d’alliberament de fàrmacs activats per la llum. Malgrat els grans avenços tècnics assolits durant els darrers vint anys, la translació de la fotofarmacologia a la clínica segueix essent difícil, en part a causa de la toxicitat i la baixa penetració tissular de la llum ultraviolada. Per aquest motiu, a la segona part d'aquesta tesi, hem desenvolupat lligands fotofarmacològics que permeten aplicar llum més profundament i forma segura. Primer, hem utilitzat l'excitació de dos fotons per controlar l'activació neuronal mitjançant un nou lligand fotocommutable que es pot conjugar covalentment als receptors de glutamat ionotròpics nadius, sense requerir mutagènesi. A més, aquest nou lligand ha mostrar selectivitat per a subtipus específics de receptors de glutamat ionotròpics, els receptors d’AMPA i de kainat. L'activació amb llum d'infraroja propera mitjançant l'estimulació multifotònica també ofereix una estimulació focalitzada a escala micromètrica i en tres dimensions. Tanmateix, la complexitat tècnica de l'estimulació multifotònica limita les seves aplicacions clíniques a la pràctica. Per tant, també hem desenvolupat lligands fotocròmics basats en adductes de Stenhouse amb donant i acceptor que es poden fotoactivar a la finestra terapèutica de l'espectre mitjançant l'excitació d'un fotó. Aquests nous lligand contenen barbitúrics actius als receptors d'àcid gamma-aminobutíric i substitucions químiques que empenyen la seva absorció a longituds d'ona infraroges. També hem estudiat els seus mecanismes d'isomerització per entendre com fer-los compatibles amb ambients pròtics. El compost més prometedor de la biblioteca té bona solubilitat, longitud d'ona d'absorció en el vermell fosc i activitat antagonista als receptors d’àcid gamma-aminobutíric.

# metadata.dc.title[].value
Advanced synthetic strategies to control pharmacological action using ultraviolet, visible, and infrared light