Preliminary research on metalized phthalocyanines synthesis. Evaluation as potential photosensitizer in photodynamic therapy

SUMMARY Introduction: Phthalocyanines are porphyrin-based dyes. They have plenty applications in different fields, including biomedical and chemical research. From a chemical point of view, Phthalocyanines are macrocyclictetraaza compounds, which mainly are made up of isoindol groups that confer aromaticity and planarity on Phthalocyanine structure. Unlike other kinds of porphyrin compounds, Phthalocyanine structure is able to chelate a lot of metals, which more often contribute to their huge variety of functions, including ROS generation, fluorescence, absorption spectra, and others. Aim: To evaluate phthalocyanines compounds owing their excellent photochemical and pharmaceutical properties that explain their wide use at the clinical and medical level. Methodology: We have carried out a meticulous search for scientific works related to the subject between April 2020 and April 2021, the most of them were written in English. As a result, we can say that, for studying Phthalocyanines' properties, the work can be separated into two issues: synthesis of the metalized phthalocyanines and photochemical and photobiological properties. Results: Phthalocyanines have plenty properties that are desirable to biomedical and pharmaceutical research. Because of their photochemical and photobiological properties, as well as ROS generation, Phthalocyanines are one of the photosenstitizers most widely used in photodynamic therapy. They also have antibacterial, antiviral and anticancer activities. In this sense, Phthalocyanine synthesis and in vitro studies are a very important scientific issue.

Introducción: las ftalocianinas son tintes porfirínicos. Tienen muchas aplicaciones en diferentes campos, incluida la investigación biomédica y química. Desde el punto de vista químico, las ftalocianinas son compuestos macrocíclicos de tetraaza. Se componen principalmente de grupos isoindol que confieren aromaticidad y planaridad a la estructura de la ftalocianina. Esta última es capaz de quelar muchos metales, que con mayor frecuencia contribuyen a su gran variedad de funciones, incluida la generación de EROS, la fluorescencia, los espectros de absorción y otros. Objetivo: evaluar algunos derivados de ftalocianinas gracias a las excelentes propiedades fotoquímicas y farmacéuticas que explican su amplio uso a nivel clínico y médico. Metodología: hemos realizado una búsqueda minuciosa de trabajos científicos relacionados con el tema entre abril de 2020 y abril de 2021, la mayoría de ellos escritos en inglés. Como resultado, podemos decir que, para estudiar las propiedades de las ftalocianinas, el trabajo se puede dividir en dos temas: síntesis de las ftalocianinas metalizadas y propiedades fotoquímicas y ffotobiológicas. Resultados: las ftalocianinas tienen muchas propiedades que son deseables para la investigación biomédica y farmacéutica. Por sus propiedades fotoquímicas y fotobiológicas, así como por la generación de EROS, las ftalocianinas son uno de los fotosensibilizadores más utilizados en terapia fotodinámica. También tienen actividades antibacterianas, antivirales y anticancerígenas. En este sentido, la síntesis de ftalocianina y los estudios in vitro son un tema científico muy importante.

Introdução: as ftalocianinas são corantes à base de porfirinas. Eles têm muitas aplicações em diferentes campos, incluindo pesquisas biomédicas e químicas. Do ponto de vista químico, as ftalocianinas são compostos macrocíclicos tetraaza, que são constituídos principalmente por grupos isoindol que conferem aromaticidade e planaridade à estrutura das ftalocianinas. Ao contrário de outros tipos de compostos de porfirina, a estrutura da ftalocianina é capaz de quelar uma grande quantidade de metais, que mais frequentemente contribuem para sua enorme variedade de funções, incluindo geração de ROS, fluorescência, espectro de absorção e outros. Objetivo: avaliar alguns derivados de ftalocianinas graças às excelentes propriedades fotoquímicas e farmacêuticas que explicam a sua ampla utilização a nível clínico e médico. Metodologia: efetuamos uma busca minuciosa de trabalhos científicos relacionados ao assunto entre abril de 2020 e abril de 2021, a maioria deles redigidos na língua inglesa. Como resultado, podemos dizer que, para estudar as propriedades das ftalocianinas, o trabalho pode ser dividido em duas questões: síntese das ftalocianinas metalizadas e propriedades fotoquímicas e fotobiológicas. Resultados: as ftalocianinas têm muitas propriedades desejáveis para a pesquisa biomédica e farmacêutica. Pelas suas propriedades fotoquímicas e fotobiológicas, além da geração de ROS, as ftalocianinas são um dos ffotossensibilizantes mais amplamente utilizados na terapia fotodinàmica e processos fototóxicos. Eles também têm atividades antibacteriana, antiviral e anticàncer. Nesse sentido, a síntese de ftalocianina e os estudos in vitro são uma questão científica muito importante.

Transferosomas conteniendo ftalocianina de aluminio clorada como alternativa terapéutica en leishmaniasis cutánea: permeabilidad y biodistribución en ratas Wistar / Transferosomes loaded with chloroaluminum phthalocyanine as cutaneous leishmaniasis therapeutic alternative: permeability and biodistribution in Wistar rats

Resumen Objetivo: Evaluar la permeabilidad, retención y biodistribución de los LUD-PcAlCl in vivo. Metodología: Los transferosomas fueron obtenidos mediante rehidratación de película lipídica. Ratas Wistar fueron tratadas tópica e intraperitonealmente con los transferosomas por 5 días. La penetración ex vivo fue determinada mediante el ensayo en celdas de Franz y la retención por el método de la cinta adhesiva. Cinco y treinta días postratamiento se obtuvo la piel y órganos para determinar la retención del compuesto y realizar estudios histopatológicos. La PcAlCl fue extraída con solventes y cuantificada por fluorometría. Los resultados se expresaron en nM PcAlCl/mg órgano. Resultados: La PcAlCl no penetró la piel en los ensayos ex vivo, reteniéndose principalmente en el estrato córneo. Cinco días post-tratamiento tópico la PcAlCl fue retenida en estrato córneo (41,76±0,02), mostrando concentraciones mínimas en bazo (0,09±0,02), epidermis-dermis (0,06±0,17), hígado (0,03±0,02) y pulmón (0,02±0,01 nM). Por vía intraperitoneal se encontró PcAlCl en bazo (0,58±0,4), cerebro (0,07±0,07), corazón (0,07±0,12), pulmón (0,012±0,01) y piel (0,021±0,02 nM). Treinta días postratamiento no se encontró PcAlCl en ningún órgano. Los estudios histopatológicos fueron negativos. Conclusión: La PcAlCl contenida en transferosomas fue retenida principalmente en estrato córneo, mostrando bajas concentraciones en la dermis, sitio donde se aloja el parásito. Se sugiere modificar los componentes vesiculares del sistema para aumentar la permeación del compuesto.

Abstract Objective: To assess the UDL-ClAlPc permeability, retention and biodistribution in vivo. Methods: Transferosomas were obtained by lipid film re-hydration method. Wistar rats were treated topically and intraperitoneally with UDL-ClAlPc for 5 days. Skin and organs were collected five and thirty days after-treatment to determine ClAlPc retention and histopatho-logical studies. The ClAlPc was extracted with solvents and quantified by fluorometry. The results were expressed in nM PcAlCl/mg organ. The permeation was tested ex vivo using Franz-diffusion cells and the retention in stratum corneum and epidermis-dermis by tape stripping. Results: In the ex vivo experiments ClAlPc-UDL was not able to penetrate rat skin and was retained mainly in the stratum corneum. In rat, five days after topical treatment ClAlPc was retained mainly in the stratum corneum (41.76±0.02) with minimum concentrations in spleen (0.09±0.02), epidermis-dermis (0.06±0.17), liver (0.03±0.02) and lung (0.02±0.01 nM). After intra peritoneal treatment, ClAlPc was found in spleen (0.58±0.4), brain (0.07±0.07), heart (0.07±0.12), lung (0.01±0.012) and skin (0.021±0.02 nM). Thirty days post-treatment ClAlPc was not found in any organ. Histopathological studies were negative. Conclusion: The ClAlPc contained in transferosomes was retained mainly in the stratum corneum. Low concentration was detected in dermis a place where the parasite survives. This vehicle needs to be improved to increase skin penetration.

Permeación en piel humana de una nanoemulsión de ftalocianina de aluminio clorada para la optimización de tratamientos tópicos de leishmaniasis cutánea / Human Skin Permeation of a Chloroaluminum Phthalocyanine Nanoemulsion for Optimization of Topical Cutaneous Leishmaniasis Formulations / Permeação em pele humana de uma nanoemulsão de ftalocianina de alumínio clorada para a otimização de tratamentos tópicos de leishmaniose cutânea

Introducción: Las nanoemulsiones son excelentes sistemas de transporte y entrega de fármacos. La ftalocianina de aluminio clorada (PcAlCl) en terapia fotodinámica constituye una alternativa de tratamiento en leishmaniasis cutánea. Objetivo: Determinar la difusión y retención en piel humana de la PcAlCl contenida en una nanoemulsión (nano-PcAlCl) para su optimización en formulaciones tópicas. Materiales y métodos: Se prepararon y caracterizaron fisico-químicamente dos formulaciones (nano-PcAlCl y solución-PcAlCl) y sus vehículos sin-PcAlCl. La permeación se determinó en ensayos en celdas de difusión de Franz y la retención por el método de la cinta adhesiva. La concentración de PcAlCl fue determinada fluorométricamente (nM/cm2). Biopsias de piel fueron analizadas histotécnicamente. Resultados: El tamaño promedio, el potencial Z y el índice de polidispersión de la nano-PcAlCl en agua fue de 132,9 nm, -19,23 y 0,14 y diluida en PBS fue 125,33 nm, -13,69 y 0,139. Las concentraciones de PcAlCl se mantuvieron estables. La PcAlCl no atravesó la piel y fue retenida en sus capas, en estrato córneo y epidermis+dermis con valores de 44,17 nM y 8,48 nM postratamiento con nano-PcAlCl, y 96,90 nM y 9,80 nM postratamiento con solución-PcAlCl. Esta última promovió mayor retención en estrato córneo y ambas formulaciones promovieron similar retención en epidermis+dermis. Se observó desprendimiento del estrato córneo y fragmentación del colágeno. Conclusión: La PcAlCl no atravesó la piel, se retuvo en estrato córneo y epidermis+dermis. Se sugiere realizar ensayos de permeación utilizando piel humana desprovista de estrato córneo y ensayos de distribución en animales con leishmaniasis cutánea.

Introduction: The nanoemulsions constitute excellent drug delivery systems for carrying and delivering active drugs. Chloroaluminum phthalocyanine (ClAlPc) in photodynamic therapy constitutes an interesting alternative in cutaneous leishmaniasis treatment. Objective: To determine the diffusion and retention of ClAlPc contained in a nanoemulsion (nano-ClAlPc) in human skin membranes for optimization of topical formulations. Materials and methods: Two formulations (ClAlPc-nano- and ClAlPc-solution) and vehicles without ClAlPc were prepared and physicochemical characterized. The permeation was tested in Franz-diffusion cells and the retention by the tape stripping method. ClAlPc concentration was determined fluorometrically (nM/cm2). Skin biopsies were analyzed by histologic technics. Results: The ClAlPc-nano average size, zeta potential and polydispersity index diluted in water was 132.9 nm, -19.23 and 0.14 and diluted in phosphate-buffer-saline was 25.33 nm, -13.69 and 0.139. ClAlPc maintains its stability in each formulation. ClAlPc was unable to pass completely through the skin; it was retained in the different skin layers. A ClAlPc retention in stratum corneum and epidermis+dermis was observed with values of 44.17 nM and 8.48 nM after ClAlPc-nano treatment and 96.90 nM and 9.80 nM after ClAlPc-solution treatment. The ClAlPc-solution promoted greater retention in stratum corneum and both formulations showed similar ClAlPc-retention in epidermis+dermis. Histological changes as stratum corneum detachment and collagen-fragmentation were observed. Conclusion: ClAlPc was not able to cross completely the skin, it was retained in stratum corneum and epidermis+dermis Human permeation test using skin membranes without stratum corneum, and distribution assays in cutaneous leishmaniasis-infected animals, are suggested.

Introdução: as nanoemulsões são excelentes sistemas de transporte e entrega de fármacos. A ftalocianina de alumínio clorada (PcAlCl) em terapia fotodinâmica constitui uma alternativa de tratamento em leishmaniose cutânea. Objetivo: determinar a difusão e retenção em pele humana da PcAlCl contida em uma nanoemulsão (nano-PcAlCl) para sua otimização em formulações tópicas. Materiais e métodos: se prepararam e caracterizaram fisico-quimicamente duas formulações (nano-PcAlCl e solução-PcAlCl) e seus veículos sem-PcAlCl. A permeação determinou-se em ensaios em celas de difusão de Franz e a retenção pelo método da fita adesiva. A concentração de PcAlCl foi determinada fluorometricamente (nM/cm²). Biopsias de pele foram analisadas histotecnicamente. Resultados: o tamanho médio, o potencial Z e o índice de polidispersão da nano-PcAlCl em água foi de 132,9 nm, -19,23 e 0,14 e diluída em PBS foi 125,33 nm, -13,69 e 0,139. As concentrações de PcAlCl mantiveram-se estáveis. A PcAlCl não atravessou a pele, foi retido em suas capas. A PcAlCl foi retida em estrato córneo e epiderme+derme com valores de 44,17 nM e 8,48 nM pós-tratamento com nano-PcAlCl e 96,90 nM e 9,80 nM pós-tratamento com solução-PcAlCl. A solução-PcAlCl promoveu maior retenção em estrato córneo e ambas as formulações promoveram similar retenção em epiderme+derme. Observou-se desprendimento do estrato córneo e fragmentação do colágeno. Conclusão: a PcAlCl não atravessou a pele; reteve-se em estrato córneo e epiderme+derme. Sugere-se realizar ensaios de permeação utilizando pele humana desprovida de estrato córneo e ensaios de distribuição em animais com leishmaniose cutânea.

Permeación en piel y biodistribución de una nanoemulsión de ftalocianina de aluminio clorada (PcAlCl) aplicada tópicamente en ratas Wistar / Skin permeation and biodistribution of chloroaluminum phthalocyanine (ClAlPc) nanoemulsion applied topically in Wistar rats

Una formulación tópica en leishmaniasis cutánea debe garantizar la permeación y acumulación del compuesto en la dermis, sitio donde se encuentran los macrófagos infectados con Leishmania. Se determinó la difusión y retención de PcAlCl contenida en una nanoemulsión (nano-PcAlCl) y en solución-PcAlCl y su distribución en ratas Wistar, con piel sana o lesionada quirúrgicamente. La nano-PcAlCl se preparó por el método de emulsificación espontánea y la solución-PcAlCl en mezcla DMSO: Tween 80: agua tipoI; la estabilidad se determinó espectrofotométricamente. La difusión se determinó utilizando celdas de Franz y la retención en el estrato córneo (EC) y la epidermis-dermis (E+D) por "tape stripping". Las formulaciones mantuvieron las características espectroscópicas del compuesto. La PcAlCl no difundió al medio receptor. Después de 12 y 24 horas la retención del compuesto en EC con nano-PcAlCl fue 99,73 y 79,40nM y con solución-PcAlCl 66,73 y 57,01nM; en E+D la retención con nano-PcAlCl fue 40,94 y 62,49nM y con solución-PcAlCl 81,92 y 50,28nM. En EC la nano-PcAlCl registró mayor retención y en E+D la solución-PcAlCl, registró mayor retención a las 12 horas y la nano-PcAlCl a las 24 horas. Se observó desprendimiento y disminución en las capas del epitelio. El tratamiento con nano-PcAlCl retuvo el compuesto en EC y E+D de los animales con valores de 6,43nM y 33,18nM con piel sana y 0,99nM y 17,08 con piel lesionada; valores menores de 1,92nM fueron detectados sólo en pulmón. El tratamiento con solución-PcAlCl retuvo el compuesto en EC y E+D de los animales con valores de 31,86 y 202,40nM con piel sana y 5,93 y 63,83nM con piel lesionada; se encontraron valores de 2,36nM y 20,33nM en los pulmones y valores entre 1,58 y 5,80nM en otros órganos. La piel lesionada presentó regeneración del epitelio, desprendimiento de queratina, infiltrado celular y neovascularización. La PcAlCl retenida en EC y E+D indicó la eficacia de las formulaciones para penetrar el EC y retener el compuesto en las capas viables de la piel. El tratamiento con nano-PcAlCl permeó el EC, se retuvo en E+D y no presentó distribución hacia órganos.

A successful formulation contained aluminum phthalocyanine chloride (ClAlPc) able for cutaneous leishmaniasis (CL) ensures the skin permeation and retention of the compound in dermis, a place where macrophages infected with Leishmania are located. The aim of this study was to determine the ClAlPcex vivo permeation and retention in Wistar rat skin and its distribution in animals with healthy skin and surgically damaged skin. Two formulations were prepared: nanoemulsion (ClAlPc-nano) and solution (ClAlPc-solution). The diffusion was determined using Franz diffusion cells with Wistar rat skin as membrane after 12 and 24 hours of testing. Retention in stratum corneum (SC) and epidermis plus dermis (E+D) was determined by the tape stripping method and organic solvent extraction. The distribution was performed after the topical application of formulations analyzing the CLAlPc concentration in the skin layers and organs by fluorometry. The results were expressed as nM/mg of tissue of ClAlPc. Simultaneously, skin biopsies were taken in order to determine their histological characteristics. ClAlPc formulations were effective in maintaining compound solubility and spectroscopic characteristics. ClAlPc was unable to pass completely through the skin; its skin retention was related with the used formulation, time of assays and type of skin layer. After 12 and 24 hours, the SC retention induced by ClAlPc-nano treatment was 99.73 and 79.40nM and by ClAlPc-solution was 66.73 and 57.01nM. In E+D the retention induced by ClAlPc-nano was 40.94 and 62.49nM and by ClAlPc-solution was 81.92 and 50.28nM. In SC, ClAlPc-nano showed greater retention after 12 and 24 hours, while in E+D, ClAlPc-solution was greater retained at 12 hours and ClAlPc-nano at 24 hours. After the permeation assays, detachment and reduction in epithelial layers were observed in skin membranes. In Wistar rats, ClAlPc-nano placed on healthy skin retained the compound in E+D and SC with values of 33.18nM and 6.43nM and placed on damaged skin retained in E+D in SC with values of 17.08nM and 0.99nM respectively; no organs distribution occur, except in lung where values of 0.82nM in animals with healthy skin and 1.92nM in animals with damaged skin were observed. ClAlPc-solution induced retention of 31.86 in SC and 202,40nM in E+D placed on healthy skin and 5.93 in SC and 63.83nM E+D placed on damaged skin; concentrations in lung with values of 2,36nM after application in animals with healthy skin and 20,33nM in animals with damaged skin were observed. In addition, ClAlPc-solution promoted, after application on damaged skin, distribution of ClAlPc to other organs with values between 1.58 and 5.80nM. In animals without skin injury, normal histologic skin anatomy were observed after treatment. In contrast, epithelial regeneration, detachment of keratin, loss of cellular differentiation, cellular infiltration and neovascularization were observed in animals with skin injury. The efficacy of the formulation to penetrate the SC and be retained in the viable skin layers was demonstrated. The in vivo ClAlPc-biodistribution was related on its concentration and skin state. A nanoemulsion contained ClAlPc, represents a good system of drug delivery because induce both the SC penetration and E+D retention, without systemic organ distribution even when presented tissue repair and regeneration. A ClAlPc-nano prepared in this work constitutes a good formulation for the topical application of ClAlPc in LC treatment.

Análise da ação da quimioterapia fotodinâmica antimicrobiana (PACT) com Ftalocianina cloro-alumínio (FC-ClAl) sobre os microrganismos Pseudomonas aeruginosa (Gram -) e Staphylococcus aureus (Gram +) / Analysis of photodynamic antimicrobial chemotherapy (PACT) action with Chloro-Aluminum Phthalocyanine (Pc-ClAl) on Pseudomonas aeruginosa (Gram -) and Staphylococcus aureus (Gram +) microorganisms

INTRODUÇÃO: A grande incidência de bactérias patogênicas resistentes tem incentivado a busca de uma alternativa viável para a inativação satisfatóriadas mesmas. A quimioterapia fotodinâmica antimicrobiana (PACT) é uma alternativa já encontrada que tem apresentado resultados satisfatórios na eliminação de células indesejadas. A Ftalocianina, por sua vez, tem sido apontada como um fármaco fotossensível eficaz na eliminação de tecido tumoral e na potencialização do processo cicatricial de feridas. Entretanto, se fez necessário iniciar a realização de testes para averiguar se essa substância também apresenta eficácia na eliminação de células bacterianas, considerando que estas frequentemente ocorrem em ferimentos. OBJETIVO: Este trabalho objetivou analisar se há uma ação satisfatória da PACT com a Ftalocianina Cloro-Alumínio (FC-ClAl) na inativação de bactérias, e se esta possível ação está relacionada apenas à eficácia do fármaco utilizado ou se há interferência da metodologia envolvida. MÉTODOS: Em biofilmes de P. aeruginosa e S. aureus realizou-se etapa única de aplicação da PACT/FC-ClAl com duas diferentes formulações. Foram feitas análises quantitativas através da contagem de UFC e medidas de absorbância em leitora de ELISA. A pré-lavagem da metodologia utilizada na PACT não mostrou ter interferência nos resultados finais dos experimentos. A redução de microrganismos nos grupos pós-lavagem só foi observada nos grupos experimentais com a P. aeruginosa que receberam os fármacos, apontando para uma ação da droga, e não da metodologia. CONCLUSÃO: Não houve diferenças estatísticas significativas entre os grupos experimentais com S. aureus. Foi possível também observar uma ação bactericida das substâncias testadas, encorajando a realização de análises mais detalhadas para averiguar se esse resultado se mantém com biofilmes mais maduros e se é mais eficaz com substâncias outras associadas à Ftalocianina Cloro-Alumínio.

INTRODUCTION: The high incidence of resistant bacteria has encouraged the search for a viable alternative to satisfactory inactivation of these pathogens. The photodynamic antimicrobial chemotherapy (PACT) is an alternative already found that has shown satisfactory results to eliminate unwelcome cells. The Phthalocyanine, in turn, has been identified as a photosensitive drug effective for the tumor tissue elimination and the enhancement of the wounds healing process. Currently, it became necessary start some tests to check if this substance also has efficacy in the bacterial cells elimination, once these microorganisms often occur on open wounds. OBJECTIVE: This study aimed to analyze whether there is a satisfactory action of PACT with Chloro-Aluminum Phthalocyanine (FC-ClAl) in the bacteria inactivation, and if its possible action is related only to the effectiveness of the drug used or if there is interference of the methodology involved. METHODS: In biofilms of P. aeruginosa and S. aureus was carried out a single application of PACT/FC-ClAl with two different formulations. Quantitative analyzes were performed by counting CFU and absorbance measurements in ELISA reader. The results showed that the pre-washingused in the PACT methodology do not interfered in the final results of the experiments. The reduction of microorganisms in groups after washing was only observed in the experimental groups with P. aeruginosa that received the drugs, pointing to a drug action, and not to an interference of the methodology. CONCLUSION: There were no statistically significant differences between experimental groups with S. aureus. It was also possible to observe a bactericidal action of the used substance, encouraging more detailed analyzes to determine if this result holds with more mature biofilms and if it is more effective with other substances associated with Chloro-Aluminum Phthalocyanine.