Functional naphthalimide luminogens: from aggregation-induced emission and self-assembly to biological activity and nanomaterials applications

Abstract

La tesis doctoral “Luminógenos funcionales de naftalimida: desde la emisión inducida por agregación y el autoensamblaje hasta la actividad biológica y las aplicaciones en ciencia de los nanomateriales” aborda la síntesis y caracterización de derivados de naftalenomonoimida (NMI) con capacidad de autoensamblaje y comportamiento fluorescente dual, abarcando tanto la emisión inducida por agregación (AIE) como el apagado de fluorescencia por agregación (ACQ). Partiendo de una estructura base común y mediante la incorporación de diferentes sustituyentes, se diseñaron nuevas familias de compuestos funcionales con aplicaciones en biomedicina, catálisis, química supramolecular, materiales quirales y terapia fotodinámica. El Capítulo 1 se centra en derivados depsipeptídicos de NMI que forman nanovesículas luminiscentes en medios acuosos. Se estudió su citotoxicidad modulable y su potencial como nanotransportadores de péptidos activos, y su internalización en células se comprobó mediante microscopía confocal. Además, mediante simulaciones de dinámica molecular se ha demostrado que la formación de nanovesículas se debe al apilamiento curvado de los anillos aromáticos centrales, estabilizado por las cadenas depsipeptídicas. En el Capítulo 2A se determinó la influencia de la longitud y naturaleza de las cadenas de aminoácidos de quiralidad alternada sobre la formación de vesículas. A partir de este capítulo surge el Capítulo 2B, que describe la capacidad de ciertos derivados de inducir la reducción de metales nobles, generando nanoestructuras de oro y plata. Se demostró que las nanodendritas de oro generadas presentan actividad catalítica en reacciones de acoplamiento C-C, concretamente en la reacción de Suzuki–Miyaura. El Capítulo 3 explora la conjugación de derivados de NMI con testosterona químicamente modificada, lo que dio lugar a compuestos con efecto AIE y capacidad de formar nanovesículas. Su evaluación en líneas celulares de cáncer de próstata (PC-3 y LNCaP) reveló una actividad antitumoral selectiva y su orgánulo diana se determinó mediante microscopia confocal. El Capítulo 4 describe derivados de NMI unidos a ureas quirales, que forman nanofibras helicoidales en mezclas de disolvente-agua. Estas estructuras mostraron señales de dicroísmo circular y luminiscencia polarizada, ésta última dependiente de la agregación supramolecular. Además, estas fibras quirales se emplearon como plantillas para el crecimiento selectivo de nanopartículas de plata. Finalmente, en el Capítulo 5 se estudiaron derivados de NMI enlazados a complejos organometálicos de rutenio e iridio. Los estudios fotofísicos pusieron de manifiesto procesos de transferencia electrónica y la generación de oxígeno singlete tras excitación, lo que confirma su potencial como fotosensibilizadores en terapia fotodinámica. Ensayos en células embrionarias de riñón (HEK 293) mostraron que estos sistemas inducen muerte celular por daño oxidativo bajo irradiación. En conjunto, esta investigación establece una correlación entre las propiedades ópticas y la nanoestructura de agregados funcionales, propone nuevas estrategias para el diseño de nanomateriales programables y aporta sistemas innovadores para aplicaciones biomédicas, catalíticas y en ciencia de materiales

The doctoral thesis “Functional Naphthalimide Luminogens: from Aggregation-Induced Emission and Self-Assembly to Biological Activity and Nanomaterials Applications” addresses the synthesis and characterization of naphthalenemonoimide (NMI) derivatives with self-assembling properties and dual fluorescent behavior, encompassing both aggregation-induced emission (AIE) and aggregation-caused quenching (ACQ). Based on a molecular scaffold previously developed within the research group, new families of functional compounds were designed with potential applications in biomedicine, catalysis, supramolecular chemistry, chiral materials, and photodynamic therapy. Chapter 1 focuses on NMI-based depsipeptidic derivatives that form luminescent nanovesicles in aqueous media. Their tunable cytotoxicity and potential as nanocarriers for bioactive peptides were evaluated, and their cellular internalization was confirmed by confocal microscopy. Moreover, molecular dynamics simulations demonstrated that nanovesicle formation arises from the curved stacking of central aromatic rings, stabilized by the depsipeptidic chains. In Chapter 2A, the influence of the length and nature of amino acid chains (with alternating chirality) on vesicle formation was investigated. From this work emerged Chapter 2B, which describes the ability of certain derivatives to induce the reduction of noble metals, leading to the formation of gold and silver nanostructures. The generated gold nanodendrites exhibited catalytic activity in C-C coupling reactions, specifically in the Suzuki–Miyaura cross-coupling reaction. Chapter 3 explores the conjugation of NMI derivatives with chemically modified testosterone, yielding compounds with AIE behavior and the ability to form nanovesicles. Their evaluation in prostate cancer cell lines (PC-3 and LNCaP) revealed selective antitumor activity, and their target organelles were identified through confocal microscopy studies. Chapter 4 describes NMI derivatives linked to chiral urea moieties, which self-assemble into helical nanofibers in aqueous mixtures. These structures exhibited circular dichroism signals and aggregation-dependent polarized luminescence. Furthermore, the chiral nanofibers were employed as templates for the selective growth of silver nanoparticles. Finally, Chapter 5 investigates NMI derivatives covalently linked to organometallic complexes of ruthenium and iridium. Photophysical studies revealed electron-transfer processes and singlet oxygen generation upon excitation, confirming their potential as photosensitizers in photodynamic therapy. Assays in embryonic kidney cells (HEK 293) demonstrated that these systems induce oxidative cell death upon irradiation. Overall, this research establishes a correlation between the optical properties and the nanostructure of functional aggregates, proposes new strategies for the rational design of programmable nanomaterials, and provides innovative systems for biomedical, catalytic, and materials science applications