Advanced BODIPYs for Fluorescent Bioimaging. From Synthetic Innovation to Membrane-Targeted and CPL-Active Imaging Tools BODIPY

• Autores: Sergio Serrano Buitrago
• Directores de la Tesis: Beatriz Lora Maroto (dir. tes.), Santiago de la Moya Cerero (dir. tes.), Florencio Moreno Jiménez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 234
• Títulos paralelos:
  • Avanzados para Bioimagen Fluorescente. De la Innovación Sintética a Herramientas para Imagen de Membranas e Imagen Basada en CPL
• Tribunal Calificador de la Tesis: Nazario Martín León (presid.), Iván López Montero (secret.), Esther María Márquez Sánchez Carnerero (voc.), Miriam Mba Blázquez (voc.), Juan Manuel Cuerva Carvajal (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Orgánica por la Universidad Complutense de Madrid
• Menciones:
  • Internacional
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Química
    • Química orgánica
      • Otras especialidades de química orgánica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    La bioimagen fluorescente mediada por sondas orgánicas pequeñas es clave en el estudio de procesos biológicos y en el diagnóstico médico. Entre los colorantes empleados, los BODIPY han supuesto un gran avance gracias a su naturaleza orgánica, pequeño tamaño y elevada flexibilidad química. No obstante, muchas de las sondas disponibles presentan limitaciones en su accesibilidad, eficiencia fotónica - especialmente en técnicas exigentes como las de superresolución - y eficacia en el marcaje de objetivos complejos y dinámicos. Además, pese al potencial de la microscopía de luminiscencia circularmente polarizada (CPL), aún no se han desarrollado sondas totalmente orgánicas que exploren su aplicación en esta técnica.

    En este contexto, el objetivo de esta Tesis es desarrollar estrategias sintéticas eficientes y versátiles para la funcionalización de colorantes BODIPY orientadas a la rápida obtención de sondas fluorescentes, así como generar sondas avanzadas dirigidas a sistemas biológicos complejos -en particular envolturas celulares- y a técnicas emergentes como la microscopía de CPL. La tesis se estructura en cuatro capítulos que abordan sus distintos objetivos específicos.

    En el primer capítulo se presenta una metodología innovadora y general para la funcionalización eficiente de colorantes BODIPY con nucleófilos orgánicos, demostrando su potencial para generar sondas funcionales de manera rápida y bajo condiciones suaves. El método parte de colorantes accesibles para obtener un intermedio estable mediante un reactivo comercial de bajo coste. Este intermedio puede activarse y reaccionar con diferentes nucleófilos, conservando o modulando las propiedades fotofísicas originales, lo que amplía el alcance del procedimiento.

    El segundo capítulo describe el diseño de sondas fluorescentes avanzadas para el estudio de la dinámica de la membrana plasmática y su modificación química covalente guiada por imagen. Se emplean dos estrategias complementarias basadas en BODIPY anfifílico y lipofílico, que combinan alta especificidad, intensa fluorescencia, alta fotoestabilidad y persistencia prolongada en membrana. Estas características permiten la adquisición de bioimágenes con excelente resolución espacial y temporal. Además, se introduce una nueva familia de BODIPY funcionalizados en el boro, con potencial en áreas más allá de la bioimagen fluorescente.

    El tercer capítulo aborda el desarrollo de BODIPY-D-aminoácidos fluorescentes orientados al estudio de la envoltura celular bacteriana. Estas sondas muestran alta especificidad por bacterias Gram-positivas y compatibilidad con microscopía de superresolución. Su patrón de marcaje, complementario al de otras sondas basadas en D-aminoácidos, se localiza preferentemente en los polos bacterianos, lo que podría aportar información clave para identificar nuevas dianas terapéuticas en el desarrollo de antibióticos.

    El cuarto capítulo presenta las primeras sondas totalmente orgánicas para microscopía de CPL, basadas en BINOL-O-BODIPY, demostrando su eficacia en esta técnica emergente. Se establecen criterios para modular su CPL a lo largo del espectro visible e infrarrojo cercano, y se explora la implementación de otras propiedades relevantes en bioimagen: solubilidad en agua, emisión retardada y excitación bifotónica. Estos BODIPY quirales constituyen una plataforma versátil para el desarrollo de emisores orgánicos simples de luz circularmente polarizada (CPL-SOM) y para aplicaciones quirópticas avanzadas más allá de la bioimagen CPL.

    En conclusión, la Tesis aporta avances significativos en la funcionalización eficiente y flexible de colorantes BODIPY, posibilitando el desarrollo de sondas fluorescentes adaptadas al estudio de estructuras biológicas complejas -como las envolturas celulares- y a su aplicación en técnicas de microscopía avanzada, especialmente la microscopía de CPL, donde las sondas desarrolladas representan una contribución pionera.

  • English

    The present PhD Thesis, entitled “Advanced BODIPYs for Fluorescent Bioimaging. From Synthetic Innovation to Membrane-Targeted and CPL-Active Imaging Tools”, addresses the development of new BODIPY dyes designed for effective application in specific studies based on advanced fluorescent bioimaging techniques.Nowadays, fluorescent bioimaging using molecular probes has become an indispensable tool for exploring biological processes and species, enabling the diagnosis and study of diseases. However, some of the probes currently available still have limitations mainly related to their synthetic accessibility, their photonic efficiency, their availability and effectiveness for labeling certain targets of biological interest, and their applicability in certain advanced microscopy techniques, including super-resolution fluorescent microscopy. On the other hand, despite the potential interest of CPL microscopy (circularly polarized luminescence microscopy) due to the higher resolution of circularly polarized light, fully-organic probes for their application in this emerging technique have not been described yet. Consequently, the objective of this doctoral thesis is to advance the development of new synthetic strategies for the effective functionalization of BODIPY dyes, which are of interest in the development of efficient fluorescent probes, as well as in the synthesis of advanced fluorescent probes for complex biological targets of interest that have been less studied due to their difficult fluorescent labeling, and/or for their application in new techniques under development...