Critical care has undergone several developments in the recent years leading to improved survival. However, acquired muscle weakness in the intensive care unit (ICU) is an important complication that affects severely ill patients and can prolong their ICU stay. Critical illness myopathy (CIM) is the progressive decline in the function and mass of the limb muscles in response to exposure to the ICU condition, while ventilator-induced diaphragm dysfunction (VIDD) is the time dependent decrease in the diaphragm function after the initiation of mechanical ventilation. Since the complete underlying mechanisms for CIM and VIDD are not completely understood, there is a compelling need for research on the mechanisms of CIM and VIDD to develop intervention strategies targeting these mechanisms. The aim of this thesis was to investigate the effects of several intervention strategies and rehabilitation programs on muscle wasting associated with ICU condition. Moreover, muscle specific differences in response to exposure to the ICU condition and different interventions was investigated. Hence, a rodent ICU model was used to address the mechanistic and therapeutic aspects of CIM and VIDD. The effects of heat shock protein 72 co-inducer (HSP72), BGP-15, on diaphragm and soleus for rats exposed to different durations of ICU condition was investigated. We showed that 5 and 10 days treatment with BGP-15 improved diaphragm fiber and myosin function, protected myosin from posttranslational modification, induced HSP72 and improved mitochondrial function. Moreover, BGP-15 treatment for 5 days improved soleus muscle fibers function, improved mitochondrial structure and reduced the levels of some ubiquitin ligases. In addition to BGP-15 treatment, passive mechanical loading of the limb muscles was investigated during exposure to the ICU condition. We showed that mitochondrial dynamics and mitophagy gene expression was affected by Mechanical silencing while mechanical loading counteracted these effects. Our investigation for other pathways that can be involved in muscle wasting associated with ICU condition showed that the Janus kinase 2/ Signal transducer and activator of transcription 3 (JAK2/STAT3) pathway is differentially activated in plantaris, intercostals and diaphragm. However, further studies are required with JAK2/STAT3 inhibitors to fully examine the role of this pathway in the pathogenesis of CIM and VIDD prior to translation to clinical research.

Jak3, a member of the Janus family of tyrosine kinases, is essential for signaling via the receptors for IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, IL-15 and IL-21. These Jak3-dependent cytokines primarily activate STAT5 and are critical for lymphoid generation and differentiation. Using naïve CD4+ T cells from Jak3-deficient mice and wild type CD4+ T cells treated with a pharmacological inhibitor of Jak3, we report that Jak3-dependent cytokine signals are not required for the proliferation of naïve CD4+ T cells. This is illustrated by the similar percentage of divided cells, comparable cell divisions, intact cell cycle progression and unaffected regulation of cell cycle proteins in the absence of Jak3. In contrast to proliferation, differentiation of naïve CD4+ T cells into Th1 effector cells requires Jak3-dependent cytokine signals. In the absence of Jak3, naïve CD4+ T cells proliferate robustly, but produce little IFN-γ after Th1 polarization in vitro. This defect is not due to reduced activation of STAT1 or STAT4, nor to impaired up-regulation of the transcription factor T-bet. Instead, we find that T-bet binding to the Ifng promoter is greatly diminished in the absence of Jak3-dependent signals, correlating with a decrease in Ifng promoter accessibility and histone acetylation. These data indicate that while Jak3-dependent signals are dispensable for naïve CD4+ T cell proliferation, Jak3 regulates epigenetic modification and chromatin remodeling of the Ifng locus during Th1 differentiation.

In dieser Arbeit wurden verschiedene Materialien durch das Pfropfen von Polymerbürsten auf Poly(dopamin) (PDA) und Graphen (G) synthetisiert. Ein besonderes Augenmerk wurde dabei auf sog. strain-engineering von Graphen und Synthese von Janus-Membranen gelegt. Die Kombination aus PDA-Oberflächenchemie und oberflächeninitiierter Cu(0)-vermittelter kontrolliert radikalischer Polymerisation (SI-CuCRP) wurde als robuste und vielseitige Methode zur Synthese von Polymerbürsten etabliert. Dabei können Schichtdicken von einigen hundert Nanometern innerhalb 1 h erreicht werden. Die Zugänglichkeit der Endgruppen bleibt erhalten, was die Synthese von Pentablockcopolymerbürsten ermöglicht. Dies stellt die bis dato höchste Blockzahl für oberflächengebundenes Copolymer dar. Zudem erlaubt die SI-CuCRP eine einfache und hocheffiziente Synthese von Polymerbürsten mit definierten Gradienten und Strukturen sowie die Funktionalisierung von natürlichen Membranen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde diese Methode zur Funktionalisierung von Graphen mit Polymerbürsten angewendet. Aufgrund des hohen sterischen Drucks innerhalb der Bürsten, sollte die resultierende chemisch-mechanische Beanspruchung zu einer Deformation des Graphens und einem straintronic-Effekt führen. Die Bewertung und Quantifizierung der chemisch-mechanisch induzierten Belastung ist jedoch problematisch. Vermutlich führt die induzierte mechanische Spannung zum Bruch bzw. Reißen der Graphenschicht, wenn die Pfropfungsdichte und Schichtdicke der Polymerbürsten zunimmt. Diese Annahme wird durch neueste Literatur gestützt. Dennoch wurde eine ganze Reihe von Polymermodifikationen auf Graphen erhalten, um (gerichtete) Faltenbildung verschiedener Größenordnungen zu erzielen. Im Zusammenhang der Materialsynthese wurden sowohl aus PDA als auch aus Graphen Janus-Membranen, sog. Janus polymer carpets, hergestellt. Hierzu wurde entweder sequentieller Transfer freistehender Polymerteppiche oder einseitige, sequentielle Polymerisation auf Graphen genutzt. Auf diesem Weg wurden Janus-Membranen hergestellt, die hydrophob/hydrophil, nicht-sensitiv/T sensitiv oder nicht sensitiv/pH sensitiv sind oder eine Polymerbürsten/Flaschenbürsten-Architektur besitzen. Diese kann allerdings Reihe auf einfache Weise erweitert werden. Alle hergestellten Janus polymer carpets weisen typischerweise eine Größe von ca. 1 cm² auf. Unter Berücksichtigung ihrer Gesamtdicken, die im Bereich von max. einigen hundert Nanometern liegen, betragen die Aspektverhältnisse zwischen 10000 und 100000. In Kombination mit der strukturellen Vielfalt von Polymerbürsten bieten die vorgestellten Methoden einen einzigartigen Weg zu einer ganzen Palette neuartiger 2D-Materialien mit einstellbaren Eigenschaften. Das hervorragende Faltverhalten von strukturierten Janus polymer carpets macht sie besonders interessant für gerichteten Transport und Bewegung oder kontrollierte Verformung.

No description available.

No description available.

Janus kinase 3 (JAK3) est un membre de la famille JAK de protéines tyrosine kinase impliquées dans la transduction du signal intracellulaire médiée par les récepteurs de cytokines via la voie de signalisation JAK/STAT. JAK3 s'est avéré exprimé de manière différentielle dans les cellules de la granulosa (GC) des follicules pré-ovulatoires bovins et régulé à la baisse par l'hormone lutéinisante. Ces observations suggèrent que la régulation de JAK3 pourrait moduler la prolifération des GC, l'activité stéroïdienne et l'activation/l'inhibition des cibles en aval. Pour étudier les mécanismes des actions de JAK3 dans GC, nous avons utilisé JANEX-1, un inhibiteur pharmacologique de JAK3, et des traitements FSH et analysé des marqueurs de prolifération, des enzymes stéroïdogènes et la phosphorylation de protéines cibles, y compris STAT3 et les partenaires JAK3 précédemment identifiés CDKN1B/p27Kip1 et MAPK8IP3/JIP3. Les GC en culture ont été traités avec ou sans FSH en présence ou non de JANEX-1. L'ARN total et les protéines ont été extraits et analysés par RT-qPCR, western blot et UHPLC-MS/MS. L'expression de l'enzyme stéroïdogène CYP11A1, mais pas du CYP19A1, était significativement régulée à la hausse dans les GC traités avec la FSH et les deux étaient significativement diminuées lorsque JAK3 était inhibé par rapport au contrôle. Les marqueurs de prolifération CCND2 et PCNA ont été significativement réduits dans les GC traités au JANEX-1 et régulés positivement par la FSH. Les analyses Western blots ont montré que le traitement JANEX-1 réduisait de manière significative les quantités de pSTAT3 tandis que la surexpression de JAK3 augmentait pSTAT3. De même, le traitement à la FSH a augmenté pSTAT3 même dans les GC traités au JANEX-1. Les analyses UHPLC-MS/MS ont montré une phosphorylation et des modifications supplémentaires de résidus d'acides aminés spécifiques dans JAK3 ainsi que ses partenaires de liaison CDKN1B et MAPK8IP3 révélant une activation ou une inhibition possible de JAK3 après des traitements FSH ou JANEX-1, respectivement. L'abondance de la protéine totale JAK3 a augmenté après le traitement par FSH et a diminué de manière significative, avec MAPK8IP3, dans le GC traité par JANEX-1, tandis que l'abondance totale de CDKN1B a été modifiée après FSH et augmentée après JANEX-1. Nous montrons que JAK3 influence l'activité GC par la phosphorylation de protéines cibles en réponse à des stimulations telles que la FSH, ce qui conduit à l'activation de JAK/STAT et module probablement d'autres voies de signalisation impliquant CDKN1B et MAPK8IP3. / Janus kinase 3 (JAK3) is a member of the JAK family of tyrosine kinase proteins involved in cytokine receptor-mediated intracellular signal transduction through the JAK/STAT signaling pathway. JAK3 was shown as differentially expressed in granulosa cells (GC) of bovine preovulatory follicles and downregulated by the luteinizing hormone. These observations suggested JAK3 regulation could modulate GC proliferation, steroidogenic activity and activation/inhibition of downstream targets. To investigate the mechanisms of JAK3 actions in GC, we used JANEX-1, a pharmacological JAK3 inhibitor, and FSH treatments and analyzed proliferation markers, steroidogenic enzymes and phosphorylation of target proteins including STAT3 and previously identified JAK3 partners CDKN1B/p27Kip1 and MAPK8IP3/JIP3. Cultured GCs were treated with or without FSH in the presence or not of JANEX-1. Total RNA and proteins were extracted and analyzed by RT-qPCR, western blotting and UHPLC-MS/MS. Expression of steroidogenic enzyme CYP11A1, but not CYP19A1, was significantly upregulated in GC treated with FSH and both were significantly decreased when JAK3 was inhibited as compared to control. Proliferation markers CCND2 and PCNA were significantly reduced in JANEX-1-treated GC and upregulated by FSH. Western blots analyses showed that JANEX-1 treatment significantly reduced pSTAT3 amounts while JAK3 overexpression increased pSTAT3. Similarly, FSH treatment increased pSTAT3 even in JANEX-1-treated GC. UHPLC-MS/MS analyses showed phosphorylation and additional modifications of specific amino acid residues within JAK3 as well as its binding partners CDKN1B and MAPK8IP3 revealing possible activation or inhibition of JAK3 following FSH or JANEX-1 treatments, respectively. Abundance of JAK3 total protein was increased post-FSH treatment and significantly decreased, along with MAPK8IP3, in JANEX-1-treated GC while CDKN1B total abundance was altered post-FSH and increased post-JANEX-1. We show that JAK3 influences GC activity through phosphorylation of target proteins in response to stimulations such as FSH, which leads to the activation of JAK/STAT and likely modulating other signaling pathways involving CDKN1B and MAPK8IP3.

Neointimal hyperplasia (NIH) is a cardiovascular disease characterised by increased smooth muscle cell (SMC) inflammation and proliferation. Suppressor of cytokine signalling 3 (SOCS3) limits Janus kinase (JAK)/signal transducer and activator of transcription (STAT) pathways involved in vascular remodelling but is limited by its short biological half-life. Therefore, mutation of all 9 Lys residues that are potential sites of ubiquitylation to Arg should produce a mutated SOCS3 resistant to ubiquitin-mediated proteasomal degradation (“Lys-less” SOCS3). This study hypothesise that enhancing SOCS3 stability and limiting JAK/STAT signalling may provide sustained inhibition of the vascular remodelling in NIH. Lentiviral transduction of WT and Lys-less SOCS3 in human saphenous vein (HSVSMCs) was highly efficient after 48 hours (>97%) and was sustained over 2 weeks. Lys-less SOCS3 was resistant to ubiquitylation contrary to WT-transduced HSVECs, and Lys-less SOCS3 was more stable (t1/2=4h) than WT (t1/2<4h) (n=6, P<0.001) in HSVSMCs. In HSVSMCs, both Lys-less SOCS3 and WT inhibited sIL-6Rα/IL-6 mediated STAT3 activation but not extracellular signal regulated protein kinase 1/2 (ERK1/2) by 80±7% (Lys-lessSOCS3/pSTAT3) and 74±6% (WT/pSTAT3) (n=3, P<0.05) and similarly inhibited PDGF-mediated STAT3 activation but not ERK1/2 by 67±17% (Lys-less SOCS3/pSTAT3) and 72±18% (WT/pSTAT3) (n=3, P<0.05). Functionally, Lys-less SOCS3 and WT were equivalent in inhibiting sIL-6Rα/IL-6 and PDGF-induced proliferation, whilst having no effects on PDGF-induced migration in HSVSMCs. Lys-less SOCS3 can be successfully transduced into primary HSVSMCs. It is more stable than WT yet retains its functional ability to ameliorate pro-inflammatory signalling and SMC proliferation, making it an attractive option for developing treatment of NIH. / University of Botswana

[ES] La presente tesis doctoral titulada "New advanced anti-tumor therapies based on hybrid mesoporous nanodevices" se centra en el diseño, síntesis, caracterización y evaluación de nuevos nanodispositivos híbridos orgánico-inorgánicos. En concreto, se han desarrollado nanopartículas de sílice mesoporosas (MSNs) y nanopartículas Janus combinando MSNs con platino y con oro con el objetivo de mejorar los tratamientos anti-tumorales. El primer capítulo es una introducción general que incluye una visión global del contexto en el que se enmarca la investigación realizada. En particular, se incluye información básica sobre los diferentes tipos de nanopartículas empleados en esta tesis doctoral, así como la descripción de la enfermedad del cáncer y la aplicación de los nanomateriales como terapia. A continuación, en el segundo capítulo, se presentan los objetivos generales y específicos de esta tesis doctoral. Los capítulos tercero y cuarto describen dos estrategias terapéuticas basadas en el desarrollo de nanopartículas con movimiento para mejorar la terapia antitumoral. Concretamente, en el primer capítulo experimental se presenta un nanodispositivo autopropulsado para la liberación controlada de fármacos en respuesta al glutatión (GSH) intracelular. Éste se basa en nanopartículas tipo Janus compuestas por sílice mesoporosa y oro, funcionalizadas en la parte del oro con la enzima catalasa, cargadas con doxorrubicina y con cadenas de oligo(etilenglicol) (S-S-PEG) unidas por puentes disulfuro en la cara de la sílice. Una vez sintetizado y caracterizado el dispositivo, se confirmó su movimiento y se demostró el funcionamiento de la puerta molecular. Finalmente, la internalización celular y la liberación de doxorrubicina se estudiaron en cultivos celulares. Motivados por los resultados anteriores, en el cuarto capítulo se describe un nuevo nanomotor diseñado como tratamiento antitumoral y similar al anterior. En este caso, la nanopartícula Janus desarrollada está compuesta por una nanopartícula de sílice mesoporosa junto con una de platino, cargada con doxorrubicina y cubierta con S-S-PEG. Al igual que en el trabajo anterior, se consigue la autopropulsión del dispositivo. Además, se obtuvo el perfil cinético de liberación del cargo en respuesta a estímulos y se confirmó su aplicación en cultivos celulares. Los capítulos cinco y seis se centran en una estrategia terapéutica nueva que consiste en potenciar la acción del sistema inmune sobre el tumor para conseguir su eliminación. En el primero de estos capítulos experimentales, se utilizaron nanopartículas MSNs cargadas con el fármaco JQ-1 y un siRNA frente al factor de crecimiento transformante ßeta (TGF-ß) como inmunoterapia. Una vez sintetizadas y caracterizadas, se confirmó la capacidad de estas nanopartículas para llevar a cabo la liberación de los cargos, junto con la disminución en la expresión de PD-L1 y en la producción de TGF-ß. Por último, se confirmó su aplicabilidad al ser capaces de inducir la eliminación de células de melanoma por el sistema inmune. De acuerdo con el último capítulo experimental, se describe un nuevo enfoque inmunoterapéutico basado en la comunicación química. En este caso, empleamos una nanopartícula Janus de oro y sílice funcionalizada con un péptido llamado pHLIP en la cara de sílice y el anticuerpo contra el receptor PD-1 unido a la cara de oro (J-pHLIP-PD1). La membrana de la célula tumoral es decorada por este nanodispositivo y gracias a la exposición del anticuerpo PD-1, se consiguió atrapar a los linfocitos T circulantes, desencadenando la eliminación de células tumorales por el sistema inmunitario. Además, estos resultados se confirmaron en un modelo metastásico B16-F10-Luc con una reducción de nódulos metastáticos. Finalmente, en el capítulo séptimo y octavo, se aborda la discusión general y las conclusiones derivadas de los estudios experimentales presentados en esta tesis doctoral. / [CA] Aquesta tesi doctoral titulada "New advanced anti-tumor therapies based on hybrid mesoporous nanodevices" se centra en el disseny, síntesi, caracterització i avaluació de nous nanodispositius híbrids orgànic-inorgànics. En concret, s'han desenvolupat nanopartícules de sílice mesoporoses (MSNs) i nanopartícules Janus combinant MSNs amb platí i amb or per al tractament antitumoral. El primer capítol és una introducció general que inclou una visió global del context on s'emmarca la recerca realitzada. En particular, es presenta informació bàsica sobre les nanopartícules emprades en aquesta tesi doctoral, així com la descripció de la malaltia del càncer i l'aplicació dels nanomaterials com a teràpia. A continuació, al segon capítol, es presenten els objectius generals i específics d'aquesta tesi doctoral. Els capítols tercer i quart descriuen dues estratègies terapèutiques basades en el desenvolupmanet de nanopartícules amb moviment per aconseguir una millora de la terapia antitumoral. Concretament, al primer capítol experimental es presenta un nanodispositiu autopropulsat per a l'alliberament controlat de fàrmacs en resposta al glutatió (GSH) intracel·lular. Aquest es basa en nanopartícules tipus Janus compostes per sílice mesoporosa i or, funcionalitzades a la part de l'or amb l'enzim catalasa, carregades amb doxorrubicina i amb cadenes d'oligo(etilenglicol) (SS-PEG) unides per ponts disulfur a la cara de la sílice. Una vegada sintetitzat i caracteritzat el dispositiu, es va confirmar la seua capacitat de moviment i es va demostrar el funcionament correcte de la porta molecular. Finalment, la internalització cel·lular i l'alliberament de doxorrubicina es van estudiar en cultius cel·lulars. Motivats pels resultats anteriors, al quart capítol es descriu un nanomotor nou dissenyat com a tractament antitumoral i similar a l'anterior. En aquest cas, la nanopartícula Janus desenvolupada està composta per una nanopartícula de sílice mesoporosa juntament amb una de platí, carregada amb doxorrubicina i coberta amb S-S-PEG. Igual que en el treball anterior, s'aconsegueix autopropulsió del dispositiu. A més, es va obtenir el perfil cinètic d'alliberament del càrrec en resposta a estímuls i se'n va confirmar l'aplicació en cultius cel·lulars. Els capítols cinc i sis se centren en una estratègia terapèutica nova que consisteix a potenciar l'acció del sistema immune sobre el tumor per aconseguir-ne l'eliminació. Al primer d'aquests capítols experimentals, es van utilitzar nanopartícules MSNs carregades amb el fàrmac JQ-1 i un siRNA davant del factor de creixement transformant ßeta (TGF-ß) com a immunoteràpia. Un cop sintetitzades i caracteritzades, es va confirmar la capacitat d'aquestes nanopartícules per dur a terme l'alliberament dels càrrecs, juntament amb la disminució de l'expressió de PD-L1 i de la producció de TGF-ß. Finalment, se'n va confirmar l'aplicabilitat en ser capaços d'induir l'eliminació de cèl·lules de melanoma pel sistema immune. D'acord amb el darrer capítol experimental, es descriu un nou enfocament immunoterapèutic basat en la comunicació química. En aquest cas, fem servir una nanopartícula Janus d'or i sílice funcionalitzada amb un pèptid anomenat pHLIP a la cara de sílice i l'anticòs contra el receptor PD-1 unit a la cara d'or (J-pHLIP-PD1). La membrana de la cèl·lula tumoral és decorada per aquest nanodispositiu i gràcies a l'exposició de l'anticòs PD-1, es va aconseguir atrapar els limfòcits T circulants, desencadenant l'eliminació de cèl·lules tumorals pel sistema immunitari. A més, aquests resultats es van confirmar en un model metastàtic B16-F10-Luc amb una reducció de nòduls metastàtics. Finalment, al capítol setè i vuitè, s'aborda la discussió general i les conclusions derivades dels estudis experimentals presentats en aquesta tesi doctoral. / [EN] The present PhD thesis entitled "New advanced anti-tumor therapies based on hybrid mesoporous nanodevices" focuses on the design, synthesis, characterization, and evaluation of new hybrid organic-inorganic nanodevices. We have developed mesoporous silica nanoparticles (MSNs) and Janus platinum-MSN and gold-MSN nanoparticles for tumor treatment. The first chapter is a general introduction that includes an overview of the context related to the research developed in this thesis. In particular, it includes basic information about different nanoparticles used in this doctoral thesis along with the description of cancer disease characteristics and the application of nanomaterials as therapy. Next, in the second chapter, the general and specific objectives of this Ph.D. thesis are presented. The third and fourth chapters describe two nanotechnology-based therapeutic strategies based on the development of nanomotors to improve cancer therapy. Specifically, the first experimental chapter presents a self-moving nanodevice for controlled drug release in response to intracellular glutathione (GSH). It is based on Janus gold-mesoporous silica nanoparticles functionalized with the enzyme catalase in the gold face, loaded with doxorubicin and capped with disulfide-linked oligo(ethylene glycol) (S-S-PEG) chains on the silica face. Once synthesized and characterized, the nanosystem motion was confirmed and the proper gating mechanism of the nanodevice was proven. Finally, the cellular uptake and doxorubicin release capacity have been demonstrated in cell cultures. Encouraged by the above results, chapter four describes a similar nanomotor design for antitumor therapy. In this case, the nanoparticle developed is composed of a Janus platinum-mesoporous silica nanoparticle, loaded with doxorubicin, and capped with S-S-PEG. As well as in the previous work, self-propulsion of the nanoparticles was achieved. Moreover, the stimuli-responsive cargo release kinetic profile was obtained and its application was confirmed in cell cultures. Chapters five and six focus on a new therapeutic strategy, empowering the immune system action on tumors to reach tumor cell death. In the first of these experimental chapters, JQ-1 and transforming growth factor-beta (TGF-ß) siRNA-loaded nanoparticles were used as efficient tumor immunotherapy. Once synthesized and characterized, the efficient cargo delivery was accomplished along with the programmed death-ligand 1 (PD-L1) downregulation and TGF-ß silencing. Lastly, its application was confirmed by triggering a specific immunogenic removal of tumor cells in melanoma cells. In chapter six, the development of a new communication-based immunotherapeutic approach is reported. In this case, we employ Janus gold-MSN functionalized with a peptide called pHLIP onto silica face and anti-PD-1 antibody bound to gold face (J-pHLIP-PD1). Tumor cell membrane is decorated by this nanodevice, leaving exposed on the surface PD-1 antibody which catches circulating T lymphocytes. It triggers immune system-induced-tumor leveling. Moreover, J-pHLIP-PD1 treatment-associated reduction of metastatic burden was also proven. Finally, in the seventh and eighth chapter, the general discussion and conclusions derived from the presented experimental studies of this Ph.D. thesis are exposed. / The authors thank the Spanish Government (Projects MAT2015-64139-C4-1, AGL2015-70235-C2-2-R, CTQ2014-58989-P, CTQ2015-71936-REDT and CTQ2017-87954-P) and the Generalitat Valencia (PROMETEO/2018/024) for support. The Comunidad de Madrid (IND2017/BMD-7642) is also gratefully acknowledged. The authors thank the Spanish Government (project PID2021-126304OB-C41, (MCUI/FEDER, EU)) and the Generalitat Valenciana (project PROMETEO CIPROM/2021/007). E.L-S is grateful for her FPU fellowship funded by MINECO (FPU18/06539). This work was supported by the European Research Council (ERC) via Advanced Grant (101052997, EDISON). This study forms part of the Advanced Materials program (MFA/2022/049) and was supported by MCIN with funding from European Union NextGenerationEU (PRTR-C17.I1) and by Generalitat Valenciana. This work was supported by the European Research Council (ERC) via Advanced Grant (101052997, EDISON) and by CIBER -Consorcio Centro de Investigación Biomédica en Red- (CB06/01/2012), Instituto de Salud Carlos III, Ministerio de Ciencia e Innovación. / Lucena Sánchez, E. (2024). New advanced anti-tumor therapies based on hybrid mesoporous nanodevices [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/205528

Dendrimers are a class of monodisperse polymeric macromolecules with a well defined and highly branched three-dimensional architecture. Their well-defined structure and structural precision makes them outstanding candidates for the development of new types of multifunctional super-molecules and materials with applications in medicine and pharmacy, catalysis, electronics, optoelectronics, etc. Liquid Crystalline Dendrimers (LCDrs) are a relatively new class of super-molecules which are based on the functionalization of common dendrimers with mesogenic (liquid crystalline) units. The combination of the fascinating molecular properties of the common dendrimers with the directionality of the mesogenic units have produced a novel class of liquid crystal forming super-mesogens (LCDRs) with unique molecular properties that allow novel ways of supramolecular self-assembly and self-organisation. This work is mainly concerned with the computational modelling of LCRs. A coarse grain strategy is adopted for the development of computational tractable models which take explicitly into account the specific architecture, the extended flexibility and the shape anisotropy of the mesogenic units of LCDRs. The developed force field applies easily to a variety of dendritic architectures. Utilizing Monte Carlo computer simulations we study the structural and conformational behavior of single LCDrs and of systems of LCDrs either in confined geometries or in the bulk. Special emphasis is given on the modeling of the response of LCDRS on externally applied alignment fields. External fields might be fictitious aligning potentials which mimic electric or magnetic fields or fields induced by the confining substrates. The surface alignment of liquid crystalline dendrimers (LCDrs) is a key factor for many of their potential applications. We present results from Monte Carlo simulations of LCDrs adsorbed on flat, impenetrable aligning substrates. A tractable coarse-grained force field for the inter-dendritic and the dendrimer-substrate interactions is introduced. The developed force field is based on modifications of well-known interaction potentials that can be used either with MC or with molecular dynamics simulations. We investigate the conformational and ordering properties of single, end-functionalized LCDrs under homeotropic, random (or degenerate) planar and nidirectional planar aligning substrates. Depending on the anchoring constrains to the mesogenic units of the LCDr and on temperature, a variety of stable ordered LCDr states, differing in their topology, are observed and analyzed. The influence of the dendritic generation and core functionality on the surface-induced ordering of the LCDrs are examined. The study has been extended to system of LCDrs confined in nano-pores of different shapes and sizes under several anchoring conditions. Two basic confining geometries (pores) considered in this work: slit and cylindrical pores. In each confining geometry, different anchoring conditions are imposed. The Isobaric-Isothermal (NPT) Monte Carlo Simulation is used to investigate the thermodynamic and structural properties of these nano-confined systems. The ransmission of orientational and positional ordering from the surface to the middle region of the pore depends on the size of the pore as well as on temperature and on anchoring strength. In the case of cylindrical pore, alignment propagation is short ranged compared to that of slit-pore. As a benchmark of our coarse-grained modelling strategy, we have extended and tested our coarse grained Force Field for the study of Janus-like dendrimers confined on planar substrates. The obtained results indicate the capability of our model to capture successfully the highly amphipilic nature of these class dendrimers and their self-organisation properties. / Τα δενδριμερή είναι μία κατηγορία μονοδιάσπαρτων πολυμερικών μακρομορίων με δενδρόμορφη τρισδιάστατη αρχιτεκτονική. Η μοριακή αρχιτεκτονική τους και η μονοδιασπορά τους καθιστούν τα δενδριμερή ιδανικά ως πολυλειτουργικά υπερ-μόρια με εφαρμογές στην ιατρική και τη φαρμακολογία, την κατάλυση, την ηλεκτρονική και οπτοηλεκτρονική κλπ. Τα Υγρό-Κρυσταλλικά Δενδριμερή (ΥΚΔ) είναι μια σχετικά νέα κατηγορία υπερ-μορίων που βασίζονται στη χημική τροποποίηση των κοινών δενδριμερών με μεσογόνες (υγρόκρυσταλλικές) μοριακές μονάδες. Ο συνδυασμός των ιδιαίτερων μοριακών ιδιοτήτων των κοινών δενδριμερών με την κατευθυντικότητα των μεσογόνων έχουν οδηγήσει σε μια νέα κατηγορία υπερ-μεσογόνων (ΥΚΔ) με μοναδικές μοριακές ιδιότητες που επιτρέπουν νέους τρόπους (υπερ)μοριακής αυτο-συναρμολόγησης και αυτο-οργάνωσης. Η εργασία αυτή ασχολείται με τη μοντελοποίηση και την υπολογιστική προσομοίωση ΥΚΔ. Εισάγονται οι αρχές για μια αδροποιημένη μοντελοποίηση ΥΚΔ που να λαμβάνει ρητά υπόψη την ειδική αρχιτεκτονική, την εκτεταμένη μοριακή ευκαμψία και την ανισοτροπία σχήματος των μεσογόνων του ΥΚΔ. Τα δυναμικά αλληλεπιδράσεων που εισάγονται επιτρέπουν τη μοντελοποίηση ποικίλων δενδριτικών αρχιτεκτονικών. Με την χρήση υπολογιστικών προσομοιώσεων Monte Carlo μελετώνται οι μοριακές ιδιότητες απλών ΥΚΔ διαφόρων γενεών και αρχιτεκτονικών καθώς και η θερμοδυναμική συμπεριφορά και οι μετατροπές φάσεων συστημάτων ΥΚΔ. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην μοντελοποίηση της απόκρισης των LCDRS σε εξωτερικά πεδία που μπορούν να προκαλέσουν ευθυγράμμισης των μεσογόνων ομάδων του ΥΚΔ. Τα εξωτερικά εφαρμοζόμενα πεδία μπορεί να είναι δυναμικά ευθυγράμμισης που μιμούνται τα ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία ή πεδία που επάγονται από τους γεωμετρικούς περιορισμούς (συνοριακές συνθήκες) που επιβάλλονται στο υλικό όταν βρίσκεται κοντά σε επιφάνειες ή περιορισμένο εντός πόρων. Η δυνατότητα επίτευξης κοινού μοριακού προσανατολισμού στις μεσοφάσεις από ΥΚΔ αποτελεί βασικό παράγοντα για πολλές από τις πιθανές εφαρμογές τους. Παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων Monte Carlo Μόντε ΥΚΔ σε επαφή με επίπεδο, αδιαπέραστο υπόστρωμα που έχει τη δυνατότητα προσρόφησης (αγκύρωσης) των μεσογόνων μονάδων του ΥΚΔ υπό επιθυμητό προσανατολισμό. Τα αποτελέσματα βασίζονται σε κατάλληλα αδροποιημένο πεδίο δυνάμεων για την περιγραφή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των δενδριμερών καθώς και του δενδριμερούς με το υπόστρωμα. Ανάλογα με τον τύπο μοριακής αγκύρωσης στην επιφάνεια και τη θερμοκρασία, μια ποικιλία από διαφορετικούς τρόπους οργάνωσης του ΥΚΔ στην επιφάνεια παρατηρούνται και αναλύονται. Η μελέτη έχει επεκταθεί επίσης σε συστήματα ΥΚΔ περιορισμένα σε νανο-πόρους διαφόρων σχήματα και μεγεθών κάτω από διάφορες συνθήκες μοριακής αγκύρωσης. Οι δύο βασικές γεωμετρίες περιορισμού (πόροι) που μελετούνται αναφέρονται σε παραλληλεπίπεδους και κυλινδρικούς πόρους. Σε κάθε γεωμετρία επιβάλλονται διαφορετικές συνθήκες αγκύρωσης. Οι προσομοιώσεις Monte Carlo έγιναν στην ισοβαρή συλλογή (ΝΡΤ) και διερευνήθηκε η θερμοδυναμική συμπεριφορά καθώς και η μοριακή οργάνωση των συστημάτων υπό νανο-εγκλεισμό. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν πλούσια θερμοδυναμική συμπεριφορά. Η μοριακή οργάνωση καθώς και η μετάδοση του προσανατολισμού και της τάξης θέσεων από την επιφάνεια προς την μεσαία περιοχή των πόρων εξαρτάται το σχήμα και τι μέγεθος του πόρου, από τη θερμοκρασία καθώς και από τις συνθήκες μοριακής αγκύρωσης στις επιφάνειες του πόρου. Για έλεγχο της αποτελεσματικότητας της στρατηγικής αδροποιημένης μοντελοποίησης που αναπτύχθηκε μελετήθηκαν επίσης αμφίφυλα δενδριμερή τύπου Janus περιορισμένα σε επίπεδη επιφάνεια. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν την ικανότητα του μοντέλου μας να αποτυπώσει με επιτυχία το την αμφίφυλη φύση αυτών των δενδρομερών και να περιγράψει με επιτυχία διαφορετικούς τύπους αυτοργάνωσης που σχετίζονται με την αμφιφυλικότητα αυτών των μορίων και τον συνεπαγόμενο νανο-φασικό διαχωρισμό τους.

No description available.