[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

Tesis por compendio / [EN] Abstract The present PhD thesis entitled "Supramolecular Chemistry: New chemodosimeters and hybrid materials for the chromo-fluorogenic detection of anions and neutral molecules" is based on the application of supramolecular chemistry and material science principles for the development of optical chemosensors for anions and neutral molecules detection. The second chapter of this PhD thesis is devoted to the preparation of chemodosimeters for the chromo-fluorogenic detection of fluoride, diisopropyl fluorophosphates (DFP) and hydrogen sulfide. The optical detection of fluoride anion was achieved by using a pyridine derivative containing a t-butyldimethylsilyl ether group. Aqueous solutions of the chemodosimeter were colorless but turned yellow upon addition of fluoride anion. Also a remarkable enhancement in emission was observed only upon the addition of fluoride. The optical changes were ascribed to a fluoride-induced hydrolysis of the silyl ether moiety. Also a chemodosimeter for the optical recognition of DFP, a nerve agent simulant, was prepared. In this case, the chemodosimeter was based on a stilbene pyridinium derivative functionalized with hydroxyl and silyl ether moieties. Aqueous solutions of the chemodosimeter were colorless changing to yellow upon DFP addition. The optical changes were ascribed to a hydroxyl phosphorylation followed by a fluoride-induced hydrolysis of the silyl ether group. Besides, that probe was implemented in test strips and DFP detection in gas phase was accomplished. Finally, the fluorogenic recognition of hydrogen sulfide anion was explored. For this purpose different fluorophores were selected and fucntionalized with 2,4-dinitrophenyl ether groups. The prepared probes were neraly non-emissive but remarkable emission enhancements upon addition of hydrogen sulfide were observed. The emission enhancements observed were due to a selective sulfide-induced hydrolysis of the 2,4-dinitrophenyl ether moiety that yielded the free fluorophores. Another set of chemodosimeters equipped with azide and sulfonylazide moieties were prepared. Again these probes were non-fluorescent but upon addition of hydrogen sulfide an important enhancement in emission was found. The selective response was ascribed to a reduction of the azide and sulfonylazide moieties to amine and sulfonylamide induced by hydrogen sulfide anion. Besides, the viability assays showed that these dosimeters were essentially non-toxic and real-time fluorescence imaging measurements confirmed their ability to detect intracellular hydrogen sulfide at micromolar concentrations. The third chapter of this PhD thesis was devoted to the preparation of nanoscopic gated materials and their use in sensing protocols. In a first step a gated material for the optical detection of glutathione (GSH) was prepared. For this purpose MCM-41 mesoporous silca nanoparticles were selected as inorganic scaffold. The pores were loaded with safranine O and the external surface was functionalized with disulfide-containing oligo(ethylene glycol) moieties. Dye delivery from aqueous suspensions of the sensory material was only observed in the presence of GSH. The signalling paradigm was ascribed to the selective reduction of the disulfide bond by GSH which induced pore opening and dye release. Also capped organic-inorganic hybrid materials for the selective detection of hydrogen sulfide were prepared and characterized. In this case the same MCM-41 support was used and charged with [Ru(bipy)3]2+ dye. Then, the external surface was functionalized with Cu(II)-macorcyclic complexes and finally, the pores were capped by the addition of the bulky anion hexametaphosphate. Aqueous suspensions of this material showed negligible dye release whereas in the presence of hydrogen sulfide anion a remarkable colour change was observed. This optical response was ascribed to a demetallation process of the Cu(II) complex induced by hydrogen sulfide. / [ES] Resumen La presente tesis doctoral titulada "Química supramolecular: Nuevos dosímetros químicos y materiales híbridos para la detección cromo-fluorogénica de aniones y moléculas neutras." está basada en la aplicación de principios básicos de la química supramolecular y de la ciencia de materiales en el desarrollo de sensores ópticos para aniones y moléculas neutras. El segundo capítulo de esta tesis doctoral está dedicado a la preparación de dosímetros químicos para la detección cromo-fluorogénica de fluoruro, diisopropil fluorofosfato (DFP) y sulfuro de hidrógeno. Para la detección óptica del anión fluoruro se sintetizó un derivado de piridina funcionalizado con un t-butildimetilsilil éter. En este capítulo también se describe la preparación de un dosímetro químico para la detección de DFP, que es un simulante de agentes nerviosos. Este dosímetro está basado en un estilbeno funcionalizado con una sal de piridinio que contiene grupos hidroxilo y silil éter en su estructura. Finalmente se prepararon dos familias de sensores para la detección óptica de hidrógeno sulfuro. La primera familia de sensores consiste en fluoróforos comunes funcionalizados con 2,4-dinitrofenil éteres. Los sensores preparados no presentaron una emisión de fluorescencia importante mientras que, en presencia del anión hidrógeno sulfuro, se observó un aumento significativo. La segunda familia de dosímetros también estaba compuesta por ciertos fluorofóros pero, en este caso, funcionalizados con grupos azida y sulfonilazida. Los dosimétros preparados, siguiendo esta segunda aproximación, tampoco dieron una fluorescencia significativa observándose un aumento de la misma al añadir el anión hidrógeno sulfuro. El tercer capítulo de esta tesis doctoral está dedicado a la preparación de materiales híbridos nanoscópicos funcionalizados con puertas moleculares y su aplicación en protocolos de reconocimiento. En primer lugar se preparó un material para la detección óptica de glutatión (GSH). Para ello se emplearon nanopartículas de MCM-41 mesoporosas como soporte inorgánico. Los poros del soporte fueron cargados con el colorante safranina O y la superficie externa funcionalizada con oligo(etilenglicol) conteniendo enlaces disulfuro. También se prepararon y caracterizaron varios materiales híbridos para la detección selectiva del anión hidrógeno sulfuro. En este caso también se empleó, como soporte inorgánico, sílice mesoporosa MCM-41. Los poros del soporte inorgánico fueron cargados con [Ru(bipy)3]2+ y la superficie externa funcionalizada con varios complejos macrocíclicos de Cu(II). El material sensor final fue obtenido al añadir el anion hexametafosfato, que compleja con los complejos de Cu(II), produciendo un bloqueo de los poros. / [CA] Resum La present tesi doctoral titulada "Química supramolecular: Nous dosímetres químics i materials híbrids per a la detecció cromo-fluorogènica d'anions i molècules neutres." està basada en l'aplicació dels principis bàsics de la química supramolecular i de la ciència dels materials en el desenvolupament de sensors òptics per a anions i molècules neutres. El segon capítol d'aquesta tesi doctoral està dedicat a la preparació de dosímetres químics per a la detecció cromo-fluorogènica de fluorur, diisopropil fluorofosfat (DFP) i sulfur d'hidrogen. Per a la detecció òptica de l'anió fluorur es va sintetitzar un derivat de piridina funcionalitzat amb un t-dibutildimetilsilil èter. En aquest capítol també es descriu la preparació d'un dosímetre químic per a la detecció de DFP, que és un simulant d'agents nerviosos. Aquest dosímetre està basat en un estilbè funcionalitzat amb una sal de piridina que conté grups hidroxil i silis èter en la seua estructura. Finalment varen ser preparades dues famílies de sensors per a la detecció òptica de sulfur d'hidrogen. La primera família consisteix en fluoròfors comuns funcionalitzats amb 2,4-dinitrofenil èters. Els sensors preparats no presentaren una emissió de fluorescència significativa mentre que, en presencia de l'anió hidrogen sulfur, es va observar un augment significatiu. La segona família de dosímetres també estava composada per certs fluròfors però, en aquest cas, funcionalitzats amb grups azida i sulfonilazida. Els dosímetres preparats, seguint aquesta segona aproximació, tampoc donaren una fluorescència significativa observant-se un augment de la mateixa al afegir l'anió hidrogen sulfur. El tercer capítol d'aquesta tesi doctoral està dedicat a la preparació de materials híbrids nanoscòpics funcionalitzats amb portes moleculars i la seua aplicació en protocols de reconeixement. En primer lloc es va preparar un material per a la detecció òptica de glutatió (GSH). Per a aquest propòsit es varen emprar nanopartícules MCM-41 mesoporoses com a suport inorgànic. Els porus del suport varen ser carregats amb el colorant safranina O i la superfície externa funcionalitzada amb oligo(etilenglicol) que contenia enllaços disulfurs. També varen ser preparats i caracteritzats diversos materials híbrids per a la detecció selectiva de l'anió hidrogen sulfur. En aquest cas també es va emprar, com a suport inorgànic, sílice mesoporosa MCM-41. Els porus del suport inorgànic varen ser carregats amb [Ru(bipy)3]2+ i la superfície externa funcionalitzada amb diversos complexos macrocíclics de Cu(II). El material sensor final es va obtindre al afegir l'anió hexametafosfat, que es complexa amb macrocicles de Cu(II), produint un bloqueig dels porus. / El Sayed Shehata Nasr, S. (2015). Supramolecular Chemistry: New chemodosimeters and hybrid materials for the chromo-fluorogenic detection of anions and neutral molecules [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/52598 / Compendio

[ES] La capacidad de las células madre para proliferar formando distintas células especializadas les otorga la potencialidad de servir de base para terapias efectivas para patologías cuyo tratamiento era inimaginable hasta hace apenas dos décadas. Sin embargo, esta capacidad se encuentra mediada por estímulos fisiológicos, químicos, y eléctricos, específicos y complejos, que dificultan su traslación a la rutina clínica. Por ello, las células madre representan un campo de estudio en el que se invierten amplios esfuerzos por parte de la comunidad científica. En el ámbito de la regeneración nerviosa, para modular su desarrollo y diferenciación el tratamiento farmacológico, la electroestimulación, y la estimulación optogenética son técnicas que están consiguiendo prometedores resultados. Es por ello por lo que en la presente tesis se ha desarrollado un conjunto de sistemas electrónicos para permitir la aplicación combinada de estas técnicas in vitro, con perspectiva a su aplicación in vivo. Hemos diseñado una novedosa tecnología para la liberación eléctricamente controlada de fármacos. Esta tecnología está basada en nanopartículas de sílice mesoporosa y puertas moleculares de bipiridina-heparina. Las puertas moleculares son electroquímicamente reactivas, y encierran los fármacos en el interior de las nanopartículas, liberándolos ante un estímulo eléctrico. Hemos caracterizado esta tecnología, y la hemos validado mediante la liberación controlada de rodamina en cultivos celulares de HeLa. Para la combinación de liberación controlada de fármacos y electroestimulación hemos desarrollado dispositivos que permiten aplicar los estímulos eléctricos de forma configurable desde una interfaz gráfica de usuario. Además, hemos diseñado un módulo de expansión que permite multiplexar las señales eléctricas a diferentes cultivos celulares. Además, hemos diseñado un dispositivo de estimulación optogenética. Este tipo de estimulación consiste en la modificación genética de las células para que sean sensibles a la radiación lumínica de determinada longitud de onda. En el ámbito de la regeneración de tejido mediante células precursoras neurales, es de interés poder inducir ondas de calcio, favoreciendo su diferenciación en neuronas y la formación de circuitos sinápticos. El dispositivo diseñado permite obtener imágenes en tiempo real mediante microscopía confocal de las respuestas transitorias de las células al ser irradiadas. El dispositivo se ha validado irradiando neuronas modificadas con luz pulsada de 100 ms. También hemos diseñado un dispositivo electrónico complementario de medida de irradiancia con el doble fin de permitir la calibración del equipo de irradiancia y medir la irradiancia en tiempo real durante los experimentos in vitro. Los resultados del uso de los bioactuadores en procesos complejos y dinámicos, como la regeneración de tejido nervioso, son limitados en lazo abierto. Uno de los principales aspectos analizados es el desarrollo de biosensores que permitiesen la cuantización de ciertas biomoléculas para ajustar la estimulación suministrada en tiempo real. Por ejemplo, la segregación de serotonina es una respuesta identificada en la elongación de células precursoras neurales, pero hay otras biomoléculas de interés para la implementación de un control en lazo cerrado. Entre las tecnologías en el estado del arte, los biosensores basados en transistores de efecto de campo (FET) funcionalizados con aptámeros son realmente prometedores para esta aplicación. Sin embargo, esta tecnología no permitía la medición simultánea de más de una biomolécula objetivo en un volumen reducido debido a las interferencias entre los distintos FETs, cuyos terminales se encuentran inmersos en la solución. Por ello, hemos desarrollado instrumentación electrónica capaz de medir simultáneamente varios de estos biosensores, y la hemos validado mediante la medición simultánea de pH y la detección preliminar de serotonina y glutamato. / [CA] La capacitat de les cèl·lules mare per a proliferar formant diferents cèl·lules especialitzades els atorga la potencialitat de servir de base per a teràpies efectives per a patologies el tractament de les quals era inimaginable fins fa a penes dues dècades. No obstant això, aquesta capacitat es troba mediada per estímuls fisiològics, químics, i elèctrics, específics i complexos, que dificulten la seua translació a la rutina clínica. Per això, les cèl·lules mare representen un camp d'estudi en el qual s'inverteixen amplis esforços per part de la comunitat científica. En l'àmbit de la regeneració nerviosa, per a modular el seu desenvolupament i diferenciació el tractament farmacològic, l'electroestimulació, i l'estimulació optogenética són tècniques que estan aconseguint prometedors resultats. És per això que en la present tesi s'ha desenvolupat un conjunt de sistemes electrònics per a permetre l'aplicació combinada d'aquestes tècniques in vitro, amb perspectiva a la seua aplicació in vivo. Hem dissenyat una nova tecnologia per a l'alliberament elèctricament controlat de fàrmacs. Aquesta tecnologia està basada en nanopartícules de sílice mesoporosa i portes moleculars de bipiridina-heparina. Les portes moleculars són electroquímicament reactives, i tanquen els fàrmacs a l'interior de les nanopartícules, alliberant-los davant un estímul elèctric. Hem caracteritzat aquesta tecnologia, i l'hem validada mitjançant l'alliberament controlat de rodamina en cultius cel·lulars de HeLa. Per a la combinació d'alliberament controlat de fàrmacs i electroestimulació hem desenvolupat dispositius que permeten aplicar els estímuls elèctrics de manera configurable des d'una interfície gràfica d'usuari. A més, hem dissenyat un mòdul d'expansió que permet multiplexar els senyals elèctrics a diferents cultius cel·lulars. A més, hem dissenyat un dispositiu d'estimulació optogenètica. Aquest tipus d'estimulació consisteix en la modificació genètica de les cèl·lules perquè siguen sensibles a la radiació lumínica de determinada longitud d'ona. En l'àmbit de la regeneració de teixit mitjançant cèl·lules precursores neurals, és d'interés poder induir ones de calci, afavorint la seua diferenciació en neurones i la formació de circuits sinàptics. El dispositiu dissenyat permet obtindré imatges en temps real mitjançant microscòpia confocal de les respostes transitòries de les cèl·lules en ser irradiades. El dispositiu s'ha validat irradiant neurones modificades amb llum polsada de 100 ms. També hem dissenyat un dispositiu electrònic complementari de mesura d'irradiància amb el doble fi de permetre el calibratge de l'equip d'irradiància i mesurar la irradiància en temps real durant els experiments in vitro. Els resultats de l'ús dels bioactuadors en processos complexos i dinàmics, com la regeneració de teixit nerviós, són limitats en llaç obert. Un dels principals aspectes analitzats és el desenvolupament de biosensors que permeteren la quantització de certes biomolècules per a ajustar l'estimulació subministrada en temps real. Per exemple, la segregació de serotonina és una resposta identificada amb l'elongació de les cèl·lules precursores neurals, però hi ha altres biomolècules d'interés per a la implementació d'un control en llaç tancat. Entre les tecnologies en l'estat de l'art, els biosensors basats en transistors d'efecte de camp (FET) funcionalitzats amb aptàmers són realment prometedors per a aquesta aplicació. No obstant això, aquesta tecnologia no permetia el mesurament simultani de més d'una biomolècula objectiu en un volum reduït a causa de les interferències entre els diferents FETs, els terminals dels quals es troben immersos en la solució. Per això, hem desenvolupat instrumentació electrònica capaç de mesurar simultàniament diversos d'aquests biosensors i els hem validat amb mesurament simultani del pH i la detecció preliminar de serotonina i glutamat. / [EN] The stem cells' ability to proliferate to form different specialized cells gives them the potential to serve as the basis for effective therapies for pathologies whose treatment was unimaginable until just two decades ago. However, this capacity is mediated by specific and complex physiological, chemical, and electrical stimuli that complicate their translation to clinical routine. For this reason, stem cells represent a field of study in which the scientific community is investing a great deal of effort. In the field of nerve regeneration, to modulate their development and differentiation, pharmacological treatment, electrostimulation, and optogenetic stimulation are techniques that are achieving promising results. For this reason, we have developed a set of electronic systems to allow the combined application of these techniques in vitro, with a view to their application in vivo. We have designed a novel technology for the electrically controlled release of drugs. This technology is based on mesoporous silica nanoparticles and bipyridine-heparin molecular gates. The molecular gates are electrochemically reactive and entrap the drugs inside the nanoparticles, releasing them upon electrical stimulus. We have characterized this technology and validated it by controlled release of rhodamine in HeLa cell cultures. For combining electrostimulation and controlled drug release we have developed devices that allow applying the different electrical stimuli in a configurable way from a graphical user interface. In addition, we have designed an expansion module that allows multiplexing electrical signals to different cell cultures. In addition, we have designed an optogenetic stimulation device. This type of stimulation consists of genetically modifying cells to make them sensitive to light radiation of a specific wavelength. In tissue regeneration using neural precursor cells, it is interesting to be able to induce calcium waves, favoring the cell differentiation into neurons and the formation of synaptic circuits. The designed device enable the obtention of real-time images through confocal microscopy of the transient responses of cells upon irradiation. The device has been validated by irradiating modified neurons with 100 ms pulsed light stimulation. We have also designed a complementary electronic irradiance measurement device to allow calibration of the irradiator equipment and measuring irradiance in real time during in vitro experiments. The results of using bioactuators in complex and dynamic processes, such as nerve tissue regeneration, are limited in an open loop. One of the main aspects analyzed is the development of biosensors that would allow quantifying of specific biomolecules to adjust the stimulation provided in real time. For instance, serotonin secretion is an identified response of neural precursor cells elongation, among other biomolecules of interest for the implementation of a closed-loop control. Among the state-of-the-art technologies, biosensors based on field effect transistors (FETs) functionalized with aptamers are promising for this application. However, this technology did not allow the simultaneous measurement of more than one target biomolecule in a small volume due to interferences between the different FETs, whose terminals are immersed in the solution. This is why we have developed electronic instrumentation capable of simultaneously measuring several of these biosensors, and we have validated it with the simultaneous pH measurement and the preliminary detection of serotonin and glutamate. / Monreal Trigo, J. (2023). Electronic Devices for the Combination of Electrically Controlled Drug Release, Electrostimulation, and Optogenetic Stimulation for Nerve Tissue Regeneration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193841

[ES] La mayoría de las terapias contra el cáncer de mama que se utilizan actualmente en la práctica clínica se centran en atacar las células tumorales. Sin embargo, los nuevos avances en el campo de la inmunología han resaltado el papel principal del microambiente tumoral en la modulación tumoral. Específicamente, los fibroblastos asociados al cáncer desempeñan un papel importante en la progresión tumoral, la modulación de la inmunidad tumoral y la resistencia a la terapia. Por ello, esta tesis doctoral titulada "Nanopartículas de sílice mesoporosas dirigidas al microambiente tumoral como herramienta para el tratamiento del cáncer de mama" se centra en el diseño de un nanodispositivo dirigido a los fibroblastos asociados al cáncer y en la evaluación de su potencial como nueva estrategia terapéutica para el tratamiento del cáncer de mama. Se diseñó y sintetizó una nanopartícula utilizando nanopartículas mesoporosas de sílice como soporte, cargadas con doxorrubicina y funcionalizadas con un péptido ligando de FAP-¿ (NP-FAP-DOX). La caracterización de NP-FAP-DOX mostró una liberación controlada de la carga y un perfil no tóxico in vitro. Los estudios in vitro evaluaron la eficacia de las nanopartículas para dirigirse a FAP-¿, la citotoxicidad celular y la penetrabilidad tumoral en las líneas celulares de cáncer de mama, en los fibroblastos asociados al cáncer derivados de biopsias de pacientes con cáncer de mama triple negativo y en los organoides derivados de pacientes con cáncer de mama. Estos estudios demostraron que NP-FAP-DOX se dirigió eficazmente y produjo un efecto citotóxico en células de cáncer de mama con expresión positiva de FAP-¿, así como en fibroblastos asociados al cáncer. Además, la NP-FAP-DOX presentó una buena eficiencia de penetración en los organoides derivados de paciente, manteniendo así la acción dirigida y el efecto citotóxico en este modelo tridimensional. Finalmente, se evaluó la eficacia de NP-FAP-DOX in vivo en un modelo murino de cáncer de mama triple negativo. La NP-FAP-DOX mostró una buena capacidad para atacar tumores y una administración eficaz de fármacos, lo que dio como resultado un efecto antitumoral in vivo. Además, el tratamiento in vivo con NP-FAP-DOX se dirigió eficazmente a los fibroblastos asociados al cáncer y los eliminó, lo que llevó a la remodulación del microambiente tumoral y a la activación de la respuesta inmunitaria del tumor. Específicamente, este tratamiento promovió la infiltración de linfocitos, aumentó el porcentaje de células asesinas naturales y disminuyó los macrófagos M2, lo que llevó a un aumento de la proporción M1/M2 en los tumores. Además, las nanopartículas mejoraron el perfil terapéutico y de seguridad del fármaco libre, previniendo la toxicidad cardíaca y sistémica inducida por doxorrubicina. Con todo, estos resultados demostraron el potencial de los nanodispositivos diseñados como un nuevo sistema de administración de fármacos dirigido para el tratamiento del cáncer de mama. Estas nanopartículas pueden mejorar la eficacia de la administración de fármacos, superar los efectos secundarios adversos y mejorar la eficacia de la terapia mediante la modulación del microambiente tumoral. / [CA] La majoria de les teràpies contra el càncer de mama que s'utilitzen actualment en la pràctica clínica, es centren en atacar les cèl·lules tumorals. Tanmateix, els nous avanços en el camp de la immunologia han ressaltat el paper principal del microambient tumoral en la modulació tumoral. Específicament, els fibroblasts associats al càncer tenen un paper important en la progressió tumoral, la modulació de la immunitat tumoral i la resistència a teràpia. Per això, aquesta tesi doctoral titulada "Nanopartícules de sílice mesoporoses dirigides al microambient tumoral com a ferramenta per al tractament del càncer de mama" es centra en el disseny d'un nanodispositiu dirigit als fibroblasts associats al càncer i en l'avaluació del seu potencial com a nova estratègia terapèutica per al tractament del càncer de mama. Es va dissenyar i sintetitzar una nanopartícula utilitzant nanopartícules mesoporoses de sílice com a suport, carregades amb doxorubicina i funcionalitzades amb un pèptid lligand de FAP-¿ (NP-FAP-DOX). La caracterització de NP-FAP-DOX va mostrar un alliberament controlat de la càrrega i un perfil no tòxic in vitro. Els estudis in vitro van avaluar la eficàcia de les nanopartícules en l'acció dirigida a FAP-¿, la citotoxicitat cel·lular i la penetrabilitat tumoral en les línies cel·lulars de càncer de mama, en els fibroblasts associats al càncer derivats de biòpsies de pacients amb càncer de mama triple negatiu i en els organoides derivats de pacients amb càncer de mama. Aquests estudis van demostrar que NP-FAP-DOX es dirigia eficaçment i produïa un efecte citotòxic en les cèl·lules de càncer de mama amb expressió positiva de FAP-¿, així com en fibroblasts associats al càncer. A més, la NP-FAP-DOX va presentar una bona eficiència de penetració en els organoides derivats de pacient, mantenint així l'acció dirigida i l'efecte citotòxic en aquest model tridimensional. Finalment, es va avaluar la eficàcia de NP-FAP-DOX in vivo en un model murí de càncer de mama triple negatiu. La NP-FAP-DOX va mostrar una bona capacitat per a atacar tumors i una administració eficaç de fàrmacs, el que va donar com a resultat un efecte antitumoral in vivo. Addicionalment, el tractament in vivo amb NP-FAP-DOX es va dirigir eficaçment als fibroblasts associats al càncer generant la seua depleció i així, la remodelació del microambient tumoral i l'activació de la resposta immunitària del tumor. Específicament, aquest tractament va promoure la infiltració de limfòcits, va augmentar el percentatge de cèl·lules citocides naturals i va disminuir els macròfags M2, el que va conduir a un augment en la proporció M1/M2 en els tumors. A més, les nanopartícules van millorar el perfil terapèutic i de seguretat del fàrmac lliure, prevenint la toxicitat cardíaca i sistèmica induïda per la doxorubicina. Amb tot, aquests resultats demostraren el potencial dels nanodispositius dissenyats com un nou sistema d'administració de fàrmacs dirigits per al tractament del càncer de mama. Aquestes nanopartícules poden millorar l'eficàcia de l'administració de fàrmacs, reduir els efectes secundaris adversos i millorar l'eficàcia de la teràpia mitjançant la modulació del microambient tumoral. / [EN] Most of the breast cancer therapies currently used in the clinical practice are focused on targeting tumor cells. Nevertheless, new advances in the immunology field uncovered the main role of the tumor microenvironment in tumor modulation. Specifically, cancer-associated fibroblasts play an important role in tumor progression, tumor immunity modulation, and therapy resistance. Hence, this Ph.D. thesis entitled "Mesoporous silica nanoparticles targeting tumor microenvironment as a tool for breast cancer treatment" is focused on the design of a nanodevice targeting cancer-associated fibroblasts and on the evaluation of its potential as a new therapeutic strategy for breast cancer treatment. A nanoparticle was designed and synthesized using mesoporous silica nanoparticles as support, loaded with doxorubicin, and functionalized with a FAP-¿ ligand peptide (NP-FAP-DOX). NP-FAP-DOX's characterization showed controlled cargo release and an in vitro nontoxic profile. The in vitro studies evaluated the nanoparticle efficacy to target FAP-¿, cellular cytotoxicity, and tumor penetration in breast cancer cell lines, cancer-associated fibroblasts derived from triple-negative breast cancer patient biopsies, and breast cancer patient-derived organoids. These studies probed that the NP-FAP-DOX efficiently targeted and produced a cytotoxic effect in breast cancer cells with FAP-¿ positive expression as well as in cancer-associated fibroblasts. Moreover, the NP-FAP-DOX presented good penetration efficiency in patient-derived organoids, while maintaining the targeting and cytotoxic effect in this 3D model. Finally, the NP-FAP-DOX's in vivo efficacy was evaluated in a murine triple-negative breast cancer model. The NP-FAP-DOX showed a tumor-targeting ability and effective drug delivery, resulting in an in vivo antitumoral effect. Moreover, the NP-FAP-DOX in vivo treatment efficiently targeted and depleted cancer-associated fibroblasts, leading to tumor microenvironment re-modulation and activation of tumor immune response. Specifically, this treatment promoted lymphocyte infiltration, increased the percentage of natural killer cells, and decreased the M2-like macrophages leading to an increased M1/M2 ratio in tumors. Besides, the nanoparticles improved the therapeutic and safety profile of the free drug, preventing doxorubicin-induced cardio and systemic toxicity. Overall, these results demonstrated the potential of the designed nanodevices as a new targeted drug delivery system for breast cancer treatment. These nanoparticles can improve drug delivery efficacy, overcome adverse side effects, and enhance therapy efficacy through the modulation of the tumor microenvironment. / Trigo Lameirinhas, AC. (2024). Mesoporous Silica Nanoparticles Targeting Tumor Microenvironment as a Tool for Breast Cancer Treatment [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/210630