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Near-infrared Light-Activated Photorelease Systems for Biological Applications

Applicant Stacko Peter
Number 193425
Funding scheme Ambizione
Research institution Institut für Chemie Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Organic Chemistry
Start/End 01.12.2020 - 30.11.2024
Approved amount 911'342.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Organic Chemistry
Physical Chemistry

Keywords (8)

cyanine dyes; photorelease; near-infrared; simultaneous release; photochemistry; phototherapy; photodynamic therapy; phototransparent

Lay Summary (German)

Lead
Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung neuer Systeme, die bei Bestrahlung mit Nahinfrarot-Licht (NIR) biologisch aktive Moleküle freisetzen, aktivieren oder generieren, zum Zwecke der Phototherapie der nächsten Generation.
Lay summary

Aktuelle medizinische Behandlungen beruhen meist auf der Verabreichung von Medikamenten und deren selektiver Affinität zu den molekularen Zielen im menschlichen Körper, um eine pharmakologische Reaktion zu erzeugen. Die Verwendung von Licht als Stimulus zur Regulierung der Aktivität von Medikamenten bietet Vorteile, da es zeitlich und räumlich präzise gesteuert werden kann, es nicht mit anderen bio(chemischen) Stimuli interferiert und die Bildung von schädlichen Abfallprodukten vermieden wird. Das in lebenden Organismen anwendbare Licht ist durch die Toxizität des UV-Lichts und das Vorhandensein von Biomolekülen, die die Tiefe der Gewebepenetration begrenzen, auf den NIR-Bereich (650–900 nm) beschränkt. 

In diesem Projekt werden organische Systeme auf der Basis bereits etablierter, übergangsmetallfreier und FDA-zugelassener organischer Farbstoffe, wie z.B. Indocyaningrün, entwickelt und zu Photofreisetzungssystemen umfunktioniert, die durch NIR-Licht aktiviert werden können. Auf diese Weise kann die therapeutische Wirkung von arzneimittelähnlichen Molekülen bei Bedarf nur am gewünschten Ort und zur gewünschten Zeit ausgelöst werden, wodurch ihre (Neben-)Wirkungen an anderer Stelle begrenzt werden. Die in diesem Projekt entwickelten Photofreisetzungssysteme werden (a) durch Licht im NIR-Bereich (>700 nm) aktiviert, (b) eine beliebige Art von Wirkstoff freisetzen und (c) die gleichzeitige Freisetzung oder Erzeugung von therapeutischen Wirkstoffen ermöglichen. Dieser Ansatz wird es uns ausserdem ermöglichen, Synergien zwischen verschiedenen arzneimittelähnlichen Molekülen für therapeutische Zwecke zu erforschen. 

Direct link to Lay Summary Last update: 15.12.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Light as the control stimulus offers unparalleled advantages in biological settings because it can be controlled precisely in time and space, it does not interfere with other bio(chemical) stimuli, and avoids formation of harmful waste products. The irradiation wavelengths applicable in living organisms are, however, restricted by the toxicity of UV-light and the presence of biomolecules that limit the depth of tissue penetration. Photodynamic therapy (PDT) is a successful protocol for clinical treatment of cancer and skin diseases, which takes advantage of deep tissue penetration of the near-infrared (NIR) light (650- 900 nm). The drawback of PDT is that it relies on generation of singlet oxygen (1O2), which severely limits the number of potential therapeutic avenues. Currently, there are no organic systems that can deliver and release any type of cargo for a phototherapeutic treatment at a low NIR photon flux or in the absence of oxygen.This project will develop organic systems based on established, FDA-approved cyanine dyes and re engineer them into photorelease systems that can be activated by NIR light in the absence of oxygen. This seminal goal will be achieved by a combination of state-of-the-art theoretical models and robust synthetic methodology developed recently by myself. The photorelease systems delivered within the scope of this project will (a) absorb strongly in the NIR region (>700 nm), (b) release any type of payload, (c) allow for simultaneous release or generation of therapeutic agents, and (d) be compatible with aqueous media. Photophysical and photochemical performance of the synthesized systems will be evaluated and the most promising candidates will be selected for biological experiments. Successful implementation of this project will permit to study and harness synergies between different biologically active molecules delivered and released by a single photosystem in a therapeutic setting for the first time. In conjunction with the rapidly evolving field of bioimaging, the widespread therapeutic adoption of sophisticated photorelease systems will, one day, challenge the way the phototherapy and medical treatment are conducted today.
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