Estudo da reatividade dos carbon quantum dots como nanocarreadores para liberação de espécies reativas de nitrogênio em sistemas de drug delivery

Abstract

O desenvolvimento de pontos quânticos de carbono (CQDs) como plataformas fotoresponsivas para liberação de óxido nítrico (NO) tem despertado crescente interesse, com estudos experimentais demonstrando liberação eficiente sob irradiação na região do visível. Apesar desses avanços, a compreensão mecanística detalhada do processo fotolítico, do papel da funcionalização dos CQDs e da influência de parâmetros fisiológicos, como o pH, ainda é limitada, dificultando o desenvolvimento racional de sistemas otimizados. Neste trabalho, cálculos baseados em teoria do funcional da densidade (DFT) e teoria do funcional da densidade dependente do tempo (TD-DFT) foram empregados para investigar os mecanismos em nível atomístico envolvidos na liberação de NO em um sistema modelo funcionalizado (CQDCY S+T PP CA ···NO). Foram analisadas, de forma sistemática, a reatividade no estado fundamental, os efeitos de protonação e as propriedades do estado excitado. Os resultados indicam que a desprotonação da cisteína desempenha papel fundamental na formação da ligação S–NO. Os cálculos de TD-DFT revelam a presença de um estado excitado de baixa energia localizado no grupo SNO, caracterizado por uma transição predominante do tipo n→ π ∗ . Essa excitação promove uma transferência eletrônica fotoinduzida do enxofre para o nitrogênio, enfraquecendo a ligação S–NO e fornecendo uma explicação em nível molecular para a liberação de NO observada experimentalmente. Além disso, embora condições fortemente ácidas possam comprometer a estabilidade estrutural do sistema, este se mantém predominantemente estável em pH fisiológico. De modo geral, os resultados estabelecem um quadro mecanístico consistente que evidencia o papel sinérgico do núcleo de CQD, da cisteína, do TPP e do NO. Esses achados fornecem diretrizes fundamentais para o desenvolvimento de nanoplataformas baseadas em CQDs com maior estabilidade, liberação controlada de NO e menor ocorrência de efeitos fora do alvo, contribuindo para o avanço de aplicações fotodinâmicas e biomédicas.

The development of carbon quantum dots (CQDs) as photoresponsive platforms for nitric oxide (NO) delivery has attracted increasing attention, with experimental studies demonstrating efficient NO release under visible light irradiation. Despite these advances, a detailed mechanistic understanding of the photolytic process, the role of CQD functionalization, and the influence of physiological parameters such as pH remains limited, hindering the rational design of optimized systems. In this work, density functional theory (DFT) and time-dependent DFT (TD-DFT) calculations were employed to investigate the atomistic mechanisms governing NO release in a representative functionalized CQD system (CQDCY S+T PP CA ···NO). Ground-state reactivity, protonation effects, and excited-state properties were systematically analyzed. The results indicate that cysteine deprotonation plays a crucial role in enabling S–NO bond formation. TD-DFT calculations reveal the presence of a low-energy excited state localized on the SNO moiety, characterized by a predominant n→ π ∗ transition. This excitation promotes a photoinduced electron transfer from sulfur to nitrogen, weakening the S–NO bond and providing a molecular-level explanation for the experimentally observed photodynamic NO release. Furthermore, while strongly acidic conditions may compromise the structural stability of the system, it remains predominantly stable under physiological pH. Overall, the findings establish a consistent mechanistic framework that highlights the synergistic roles of the CQD core, cysteine, TPP, and NO units. These insights provide fundamental guidelines for the design of CQD-based nanoplatforms with improved stability, controlled NO release, and minimized off-target effects, contributing to the advancement of photodynamic and biomedical applications.