Nanopartículas de paládio suportadas em grafeno: uma abordagem para reações de clivagem e produção in situ de O2 em condições biológicas

Abstract

O presente estudo teve por objetivo compreender o mecanismo de ação das nanopartículas de paládio na mediação de reações de clivagem (desproteção) e geração de O2 a partir de H2O2, em condições biológicas, buscando desenvolver catalisadores racionais e biocompatíveis para futura aplicação na ativação de prófármacos antioneoplásicos. As nanopartículas de paládio foram sintetizadas por meio da redução do paládio e da complexação com iodeto, resultando na formação de nanopartículas de Pd(0) e nanopartículas de iodeto de paládio, respectivamente. Para estabilização, foram utilizados os polímeros polivinilpirrolidona (PVP) e poli-2- vinilpiridina (P-2VP). O grafeno foi utilizado como suporte devido à sua capacidade de estabelecer interações do tipo p-p stacking com moléculas aromáticas e à sua eficiência como plataforma para nanopartículas de paládio, para a geração de oxigênio pela decomposição do peróxido de hidrogênio. Esse sistema é promissor na atenuação à hipóxia em células sob estresse oxidativo, ampliando seu potencial de aplicações em ambientes celulares inflamados. As nanopartículas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de transmissão, espectroscopia de absorção de raios X e espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier. As reações foram realizadas em condições biológicas e monitoradas cineticamente por espectrofotometria de UV-vis. Métodos de inibição catalítica foram utilizados para identificação das espécies ativas envolvidas nas reações mediadas pelas nanopartículas. Como substrato modelo para a reação de clivagem utilizou-se a 7- hidroxi-4-metilcumarina protegida com o grupo aleno. As cinéticas para as reações de clivagem mediadas por nanopartículas de Pd(0) seguiram o modelo de LangmuirHinselwood, no qual os reagentes são adsorvidos na superfície do catalisador antes da reação. No caso das nanopartículas de iodeto de paládio, devido à alta velocidade inicial das reações, não realizou-se estudos de saturação. O uso de H2O2 nas reações de clivagem bio-ortogonal resultou em um aumento significativo na conversão do fluoróforo, indicando a ocorrência de um processo de oxirredução no qual o paládio alterna entre estados de oxidação enquanto catalisa a decomposição do H2O2 em O2. Os estudos cinéticos indicaram que o catalisador que obteve o melhor desempenho foi para a nanopartícula de Pd(0) estabilizada com o polímero P-2VP, que apresentou maior constante de adsorção, maior constante de Langmuir e conversões. Esses resultados fornecem uma compreensão mais aprofundada sobre a atividade catalítica de nanopartículas de paládio suportadas em grafeno, para o desenvolvimento de novas catalisadores aplicáveis em sistemas biológicos complexos.

Abstract: The aim of the present study was to understand the mechanism of action of palladium nanoparticles in mediating cleavage reactions and O2 generation from H2O2, in biological conditions, with the goal of developing rational and biocompatible catalysts for future application in the activation of antineoplastics prodrugs. Palladium nanoparticles were synthesized through palladium reduction and iodide complexation, resulting in the formation of Pd(0) nanoparticles and palladium iodide nanoparticles. For stabilization, the polymers polyvinylpyrrolidone (PVP) and poly-2-vinylpyridine (P2VP) were used. Graphene was employed as a support due to its ability to form p-p stacking interactions with aromatic molecules and its efficiency as a platform for palladium nanoparticles, particularly for oxygen generation through hydrogen peroxide decomposition. This system is promising in mitigating hypoxia in cells under oxidative stress, thus expanding its potential applications in inflamed cellular environments. The nanoparticles were characterized by transmission electron microscopy, X-ray absorption spectroscopy, and Fourier-transform infrared spectroscopy. Reactions were conducted under biological conditions and kinetically monitored by UV-vis spectroscopy. Catalytic inhibition methods were employed to identify the active species involved in the reactions mediated by the nanoparticles. As a model substrate for the cleavage reaction, 7-hydroxy-4-methylcoumarin protected with an allenyl group was used. The kinetics using Pd(0) nanoparticles followed the Langmuir-Hinshelwood model, in which reagents are adsorbed onto the catalyst surface before the reaction. For palladium iodide nanoparticles, due to the high initial reaction rates, saturation studies were not conducted. The use of H2O2 in bio-orthogonal cleavage reactions led to a significant increase in fluorophore conversion, indicating the occurrence of a redox process in which palladium alternates between oxidation states while catalyzing H2O2 decomposition into O2. Kinetic studies indicated that the best-performing catalyst was the Pd(0) nanoparticle stabilized with the P-2VP polymer, which exhibited the highest adsorption constant, Langmuir rate, and conversion in the cleavage reaction. These results provide a deeper understanding of the catalytic activity of palladium nanoparticles supported on graphene, contributing to the development of new catalysts applicable to complex biological systems.