El desarrollo de nanofármacos aplicados en terapias frente al cáncer es un prometedor campo de la biomedicina en el cual se entrecruzan diferentes disciplinas científicas como la biología, la ciencia de los materiales, química, medicina y farmacia. Con la aplicación clínica de este tipo de materiales se pretende superar los inconvenientes que presentan los actuales tratamientos contra el cáncer, como una limitada efectividad terapéutica y un gran número de efectos secundarios. La presente tesis doctoral se ha enfocado en la síntesis de nanofármacos basados en sílice para la difusión intracelular y liberación controlada del agente antineoplásico camptotecina. En primer lugar, se llevó a cabo la síntesis de diversos nanomateriales aplicando el método sol-gel. En paralelo, se obtuvieron diferentes profármacos para su posterior incorporación a los materiales mediante enlace covalente. Tras una completa caracterización, se comprobó la estabilidad de los nanofármacos en medio fisiológico y, una vez demostrada su robustez, se procedió al estudio del mecanismo de liberación del principio activo a partir del nanofármaco, realizando experimentos de liberación mediante la aplicación de diferentes estímulos. Sobre los datos experimentales obtenidos se aplicaron varios modelos cinéticos de liberación de fármacos, observando que la difusión en matrices granulares es el fenómeno físico-químico de mayor influencia. Posteriormente, se evaluó la actividad antineoplásica in vitro de los nanofármacos mediante ensayos de viabilidad celular, apreciando una toxicidad similar a la del fármaco libre. Por otro lado, también se realizaron experimentos para determinar los principales factores que influyen en la internalización de los materiales por parte de las células, siendo estos el diámetro hidrodinámico y la hidrofobicidad del material. Finalmente, se investigó la biodistribución, tolerabilidad y eficacia terapéutica in vivo en un modelo de xenoinjerto de cáncer colorectal humano en ratones. A pesar de observarse una importante captación del nanofármaco por células del sistema retículoendotelial, la acumulación del sistema terapéutico en el tumor mejoró la efectividad del fármaco libre, a la vez que se minimizaron los efectos secundarios del agente antitumoral. Los resultados obtenidos apuntan al desarrollo de una nueva generación de fármacos basados en nanomateriales híbridos orgánicoinorgánicos, capaces de llevar a cabo terapias anticancerígenas con un elevado grado de eficacia y selectividad. / Muniesa Lajara, C. (2013). Materiales nanoestructurados biocompatibles basados en sílice. Preparación y aplicaciones en terapia anticancerígena [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/29691 / TESIS

[EN] The PhD Thesis entitled "Silica nanoparticles as inorganic scaffolds for the preparation of hybrid materials for the optical detection of anions" deals with the combination of supramolecular and material chemistry concepts to prepare hybrid sensing materials with the ability to detect selected ions through color and emission changes. The first hybrid material prepared is based in the use of silica nanoparticles as inorganic scaffold functionalized with spirobenzopyrans (signaling unit) and with thiourea moieties (binding unit). In the final nanoparticles the spirobenzopyran signaling unit is in its open polar conformation (red color merocyanine structure). Coordination of long chain carboylates (octanoate, decanoate and dodecanoate) with the thiourea moieties induced the formation of a dense hydrophobic monolayer around the signaling unit. This non-polar monolayer induced a change in the conformation of the spirobenzopyran to the closed spirocyclic form with a subsequent color change. The second part of this PhD Thesis was related with the preparation of silica nanoparticles functionalized with anthracene, as signalling subunit, and two different thioureas, as anion binding sites. Acetonitrile suspensions of the bifunctionalized nanoparticles showed the typical structured emission band of the anthracene fluorophore. Addition of certain anions to acetonitrile suspensions of the nanoparticles induced an enhancement of the emission intensity (Cl-, Br-, H2PO4-, acetate and benzoate) or a marked quenching (F- and CN-). Finally, the last part of this PhD Thesis deals with the preparation of silica nanoparticles functionalized with terpyridine binding sites and sulforhodamine B as signaling subunit. Coordination of transition metal cations (Fe3+, Hg2+, Cu2+, Ni2+ and Pb2+) with the terpyridine bindind sites induced a marked quenching of the emsission intensity (ca. 95%) of the sulforhodamine B fluorophore. The prepared materials were used for the fluorogenic recognition of anions. At this respect, addition of H2PO4-, HSO4-, F-, Cl-, Br-, I- and NO3-anions induced different degrees of cation displacements with the subsequent enhancement of the emission intensity of the fluorophore. Principal component analysis (PCA) allowed the discrimination of all the anions tested. Besides, only H2PO4- anion was able to induce the displacement of Pb2+ cation with the subsequent emission enhancement. / [ES] La presente Tesis Doctoral titulada "Nanopartículas de sílice como soporte inorgánico para la preparación de materiales híbridos para la detección óptica de aniones" se basa en el empleo de conceptos de química supramolecular y de química de materiales para la preparación de sistemas sensores híbridos con capacidad para reconocer iones mediante cambios de color y de fluorescencia. El primer material sensor desarrollado esta basado en nanopartículas de sílice funcionalizadas con espirobenzopiranos (unidad indicadora) y con tioureas (unidad coordinante). En las nanopartículas bifuncionalizadas el espiropirano está en su forma polar abierta (merocianina de color rojo). Cuando coordinan las tioureas con carboxilatos de cadena larga (octanoato, decanoato y dodecanoato) se forma un entorno apolar alrededor de la unidad indicadora que favorece su transformación de la forma abierta a la apolar espirocíclica cerrada con el consiguiente cambio de color. En la segunda parte de la Tesis se han preparado nanoparticulas de sílice funcionalizadas con antraceno, como unidad indicadora, y con dos diferentes tioureas, como unidades coordinantes de aniones. Suspensiones de las nanopartículas bifuncionalizadas en acetonitrilo muestran la típica emisión estructurada del antraceno. Al añadir diferentes aniones a la suspensión de las nanoparticulas se obiene un aumento de fluorescencia (con Cl-, Br-, H2PO4-, acetato y benzoato) o una desactivación de la misma (F- y CN-). Por último se prepararon nanopartículas de sílice funcionalizadas con terpiridinas, como unidad coordinante, y con sulforodamina B, como unidad indicadora. La coordinación de cationes metálicos de transición (Fe3+, Hg2+, Cu2+, Ni2+ y Pb2+) con las terpiridinas dio lugar a una desactivación importante de la emisión de la sulforodamina B anclada (95% de la inicial). En un segundo paso se estudio la capacidad de ciertos aniones (H2PO4-, HSO4-, F-, Cl-, Br-, I- y NO3-) de desplazar al metal coordinado con la subsiguiente regeneración de la emisión de la sulforodamina. Aplicando el análisis de componentes principales (PCA) se consiguió la discriminación de todos los aniones empleados. Además, las nanopartículas tratadas con el catión Pb2+ dieron una respuesta selectiva con el anión H2PO4-. / [CAT] La present Tesi Doctoral titulada "Nanopartícules de sílice com a suport inorganic en la preparació de materials hibrids per a la detecció optica de anions" es basa en l'ús de conceptes de química supramolecular i de química de materials per a la preparació de sistemes sensors híbrids amb capacitat per a reconèixer ions mitjançant canvis de color i de fluorescència. El primer material sensor desenvolupat està basat en nanopartícules de sílice funcionalitzades amb espirobenzopirans (unitat indicadora) i amb tiourees (unitat coordinant). A les nanopartícules bifuncionalitzades l'espiropirà està en la seua forma polar oberta (merocianina de color vermell). Quan coordinen les tiourees amb carboxilats de cadena llarga (octanoat, decanoat i dodecanoat) es forma un entorn apolar al voltant de la unitat indicadora que afavoreix la seua transformació de la forma oberta a l'apolar espirocíclica tancada amb el conseqüent canvi de color. A la segona part de la Tesi s'han preparat nanoparticules de sílice funcionalitzades amb antracè, com a unitat indicadora, i amb dos tiourees diferents, com unitats coordinants d'anions. Suspensions de les nanopartícules bifuncionalitzades en acetonitril mostren la típica emissió estructurada del'antracè. En afegir diferents anions a la suspensió de les nanoparticules s'obté un augment de fluorescència (amb Cl-, Br-, H2PO4-, acetat i benzoat) o una desactivació de la mateixa (F- i CN-). Finalment es prepararen nanopartícules de sílicie funcionalitzades amb terpiridines, com a unitat coordinant, i amb sulforodamina B, com a unitat indicadora. La coordinació de cations metàl¿lics de transició (Fe3+, Hg2+, Cu2+, Ni2+ i Pb2+) amb les terpiridines va donar lloc a una desactivació important de l'emissió de la sulforodamina B unida covalentment al material (95% de la inicial). En un segon pas, es va estudiar la capacitat de certs anions (H2PO4-, HSO4-, F-, Cl-, Br-, I- i NO3-) de desplaçar al metall coordinat amb la subsegüent regeneració de l'emissió de la sulforodamina. Aplicant l'anàlisi de components principals (PCA) es va aconseguir la discriminació de tots els anions estudiats. A més, les nanopartícules tractades amb el catió Pb2+ van donar una resposta selectiva amb l'anió H2PO4-. / Calero Rodriguez, MP. (2016). Silica nanoparticles as inorganic scaffolds for the preparation of hybrid materials for the optical detection of anions [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63459 / TESIS

Tesis por compendio / [ES] La presente tesis doctoral, titulada "Diseño y desarrollo de nuevos nanodispositivos con puertas biomoleculares para la liberación dirigida y controlada de fármacos", está centrada en el diseño, síntesis, caracterización y evaluación in vitro de nuevos nanosistemas híbridos orgánicos-inorgánicos como estrategias innovadoras para la administración dirigida y controlada de moléculas terapéuticas. El primer capítulo de este trabajo es una introducción general que define el contexto en el que se sitúan los proyectos llevados a cabo a lo largo de esta tesis. En particular, se describe el concepto de nanomedicina, así como las principales estrategias para el desarrollo de dispositivos nanofarmacéuticos eficientes y los desafíos que esto conlleva. Además, se presentan brevemente los materiales mesoporosos de sílice. Sucesivamente, se presentan los objetivos generales que se abordan en los siguientes capítulos experimentales. El tercer capítulo se centra en el desarrollo de un sistema de administración dirigida al Toll-like receptor 3 (TLR3), basado en nanopartículas mesoporosas de sílice funcionalizadas con el RNA sintético de doble cadena ácido polinosínico-policitidílico (poly(I:C)). El poly(I:C) ha mostrado efectos citotóxicos en diferentes tipos de cáncer, y los resultados obtenidos en este trabajo demuestran su capacidad de desencadenar respuestas apoptóticas en células de cáncer de mama, gracias a su interacción con TLR3. Asimismo, la carga del antibiótico antraciclínico doxorubicina en los mesoporos, ha permitido conseguir un efecto terapéutico aún más intenso. De hecho, se ha observado una mayor disminución de la viabilidad en la línea celular SK-BR3. El capítulo cuatro muestra el diseño de una estrategia de cooperación entre nanopartículas. El objetivo de este trabajo es el de mejorar la eficacia de la aproximación terapéutica para cáncer de mama desarrollada precedentemente, a través de la combinación de dos tipos de nanopartículas mesoporosas de sílice con puertas moleculares capaces de cooperar con el fin de conseguir un objetivo terapéutico. El primer tipo, de hecho, induce cambios que incrementan la interacción del segundo con la célula tumoral diana. Para ello, se han sintetizado nanopartículas cargadas con ácido 9-cis retinoico y funcionalizadas en su superficie con interferón-¿, y nanopartículas cargadas con el colorante sulforodamina B y con poly(I:C) anclado en superficie. Aprovechando la habilidad del interferón-¿ del ácido 9-cis retinoico de aumentar la expresión del TLR3, nuestra intención era la de mejorar la interacción de las nanopartículas funcionalizadas con poly(I:C) con las células diana. Los resultados obtenidos demuestran que la estrategia de combinación propuesta realmente ha producido un aumento de los niveles de internalización de los nanodispositivos funcionalizados con poly(I:C) en el modelo celular seleccionado. En el quinto capítulo se presenta un sistema basado en nanopartículas mesoporosas de sílice dendriméricas. El volumen de poro más amplio de este tipo de materiales hace de ellos unos dispositivos adecuados para lograr el objetivo principal de este proyecto: la administración local y la liberación controlada de moléculas de RNA pequeño de interferencia (siRNA) anti-factor de crecimiento vascular endotelial (VEGF) en células del epitelio pigmentado retinal. Los nanodispositivos se han sintetizado, cargado con siRNA y finalmente funcionalizado con cadenas de polietilenimina, que actúan de puerta molecular para la liberación controlada de las moléculas de siRNA y como agentes de escape endosomal para su liberación en el citosol. Los resultados obtenidos en el silenciamiento de VEGF en las células ARPE-19 resaltan el considerable potencial del sistema diseñado como transportador de siRNA. Las conclusiones generales en relación con los trabajos recopilados en esta tesis se resumen en el capítulo sei / [CA] La present tesi doctoral, titulada "Disseny i desenvolupament de nous nanodispositius amb portes biomoleculars per a l'alliberament dirigit i controlat de fàrmacs", està centrada en el disseny, síntesi, caracterització i avaluació in vitro de nous nanosistemes híbrids orgànics-inorgànics com a estratègies innovadores per a l'administració dirigida i controlada de molècules terapèutiques. El primer capítol d'aquest treball és una introducció general que defineix el context en el qual es situen els projectes duts a terme al llarg d'aquesta tesi. En particular, es descriu el concepte de nanomedicina, així com les principals estratègies per al desenvolupament de dispositius nanofarmacèutics eficients i els desafiaments que això comporta. A més, es presenten breument els materials mesoporosos de sílice. Successivament, es presenten els objectius generals que s'aborden en els següents capítols experimentals. El tercer capítol es centra en el desenvolupament d'un sistema d'administració dirigida al Toll-like receptor 3 (TLR3), basat en nanopartícules mesoporoses de sílice funcionalitzades amb l'RNA sintètic de doble cadena àcid polinosínic-policitidílic (poly(I:C)). El poly(I:C) ha mostrat efectes citotòxics en diferents tipus de càncer, i els resultats obtinguts en aquest treball demostren la seua capacitat de desencadenar respostes apoptòtiques en cèl·lules de càncer de mama, gràcies a la seua interacció amb TLR3. Així mateix, la càrrega de l'antibiòtic antraciclínic doxorubicina en els mesopors, ha permès aconseguir un efecte terapèutic encara més intens. De fet, s'ha observat una major disminució de la viabilitat en la línia cel·lular SK-BR3. El capítol quatre mostra el disseny d'una estratègia de cooperació entre nanopartícules. L'objectiu d'aquest treball és el de millorar l'eficàcia de l'aproximació terapèutica per a càncer de mama desenvolupada precedentment, mitjançant la combinació de dos tipus de nanopartícules mesoporoses de sílice amb portes moleculars capaces de cooperar amb la fi d'aconseguir un objectiu terapèutic. El primer tipus, de fet, indueix canvis que incrementen la interacció del segon amb la cèl·lula tumoral diana. Per a això, s'han sintetitzat nanopartícules carregades amb àcid 9-cis retinoic i funcionalitzades en la seua superfície amb interferó-¿, i nanopartícules carregades amb el colorant sulforodamina B i amb poly(I:C) ancorat en superfície. Aprofitant l'habilitat de l'interferó-¿ de l'àcid 9-cis retinoic d'augmentar l'expressió del TLR3, la nostra intenció era la de millorar la interacció de les nanopartícules funcionalitzades amb poly(I:C) amb les cèl·lules diana. Els resultats obtinguts demostren que l'estratègia de combinació proposada realment ha produït un augment dels nivells d'internalització dels nanodispositius funcionalitzats amb poly(I:C) en el model cel·lular seleccionat. El cinquè capítol presenta un sistema basat en nanopartícules mesoporoses de sílice dendrimèriques. El volum de porus més ampli d'aquest tipus de materials fa d'ells uns dispositius adequats per a aconseguir l'objectiu principal d'aquest projecte: l'administració local i l'alliberament controlat de molècules d'RNA xicotet d'interferència (siRNA) anti-factor de creixement vascular endotelial (VEGF) en cèl·lules de l'epiteli pigmentat retinal. Els nanodispositius s'han sintetitzat, carregats amb siRNA i finalment funcionalizats amb cadenes de polietilenimina, que actuen de porta molecular per a l'alliberament controlat de les molècules de siRNA i com a agents d'escap endosomal per al seu alliberament en el citosol. Els resultats obtinguts en el silenciament de VEGF en les cèl·lules ARPE-19 ressalten el considerable potencial del sistema dissenyat com a transportador de siRNA. Les conclusions generals en relació amb els treballs recopilats en aquesta tesi es resumeixen en el capítol sis. / [EN] The present PhD thesis, entitled "Design and development of new bio-gated nanodevices for targeted controlled drug release" is focused on the design, synthesis, characterization and in vitro evaluation of new hybrid organic-inorganic nanosystems as innovative strategies for the targeted and controlled delivery of therapeutic molecules. The first chapter of this work is a general introduction that defines the context in which the projects carried out during this thesis are placed. In particular, the concept of nanomedicine is described, as well as the main strategies for the development of efficient nanopharmaceutical devices and the related challenges. Furthermore, a brief presentation of mesoporous silica materials is given. Next, the general objectives that are addressed in the following experimental chapters are introduced. The third chapter is focused on the development of a targeting delivery system directed to Toll-like receptor 3 (TLR3) and based on mesoporous silica nanoparticles capped with the synthetic double stranded RNA (dsRNA) polyinosinic-polycytidylic acid (poly(I:C)). Poly(I:C) has shown cytotoxic effects in different types of cancer, and the results obtained in this work demonstrate its ability to trigger apoptotic pathways in breast cancer cells, thanks to its interaction with TLR3. Furthermore, loading the mesopores with the anthracyclinic antibiotic doxorubicin, a commonly used chemotherapeutic agent, allowed to achieve an enhanced therapeutic effect. In fact, a higher decrease of the cellular viability in SK-BR-3 cell line was observed. Chapter four shows the design of a nanoparticles cooperation strategy. The aim of this work is to improve the efficacy of the previously developed therapeutic approach for breast cancer through the combination of two gated mesoporous silica nanoparticles sets able to cooperate to achieve a medical goal. The first type, in fact, induces changes that enhance the interaction of the second one with the target cancer cell. In order to do that, nanoparticles loaded with 9-cis-retinoic acid and capped with interferon-¿, and nanoparticles loaded with sulforhodamine B dye and gated with poly(I:C) were synthesized. Taking advantage of the ability of both interferon-¿ and 9-cis-retinoic to increase TLR3 expression, we intended to improve the interaction of poly(I:C) functionalized nanoparticles with target cells. The obtained results show that the proposed combination strategy actually increased the uptake levels of poly(I:C) gated nanodevices in the cellular model selected. In the fifth chapter a system based on dendrimer-like mesoporous silica nanoparticles is presented. The higher pore volume of such materials makes them suitable for the achievement of the main aim of this project: the topical administration and controlled delivery of anti-vascular endothelial growth factor (VEGF) small interfering-RNA (siRNA) molecules to retinal pigmented epithelial cells. The nanodevices were synthesized, loaded with siRNA and finally functionalized with polyethylenimine chains, that act as molecular gate for the controlled release of the siRNA molecules and endosomal escape agent for cytosolic delivery. The obtained results in VEGF silencing in ARPE-19 cells highlight the noteworthy potential of the designed system as siRNA carrier. General conclusions regarding the works collected in this thesis are summarized in chapter six. / We thank the Spanish Government (projects SAF2010-21195 and MAT2012-38429-C04-01) and the Generalitat Valenciana (project PROMETEOII/2014/047) for support. A.U. and C.G. are grateful to the Ministry of Education, Culture and Sport for their doctoral fellowships. / Ultimo, A. (2019). Design and development of new bio-gated nanodevices for targeted controlled drug release [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/129875 / TESIS / Compendio

[ES] Esta tesis doctoral titulada "Evaluación preclínica de estrategias basadas en la senescencia para mejorar la terapia contra el cáncer" se centra en explotar la senescencia como opción terapéutica en los tratamientos contra el cáncer mediante el diseño, la síntesis y la evaluación in vitro e in vivo de varios nanodispositivos y profármacos, así como la identificación de un nuevo fármaco senolítico. En el primer capítulo experimental evaluamos el efecto negativo de la senescencia endotelial en el contexto tumoral y la consecuencia de su eliminación mediante el uso del senolítico navitoclax. Comprobamos que el tratamiento sistémico con palbociclib en un modelo ortotópico de cáncer de mama en ratones induce senescencia en las células endoteliales vasculares, generando un endotelio alterado funcionalmente que favorece la migración de células cancerosas. La recuperación de la funcionalidad endotelial se consigue con una estrategia terapéutica que, tras la inducción de senescencia con palbociclib, elimina las células senescentes (senólisis) con la nanopartícula (NP(nav)-Gal). En el modelo preclínico, el tratamiento combinado de palbociclib con NP(nav)-Gal disminuyó la senescencia endotelial en venas, así como los nódulos metastásicos en los pulmones. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, el capítulo dos se describe una estrategia terapéutica en dos pasos similar a la anterior para cáncer de mama triple negativo. En este caso se emplea un modelo de ratón implantado con xenoinjertos humanos de este tipo de cáncer para evaluar el efecto de la terapia combinada de palbociclib y navitoclax. Para superar los efectos secundarios del tratamiento con navitoclax (principalmente trombocitopenia), evaluamos el efecto del profármaco nav-Gal. La senescencia inducida por la terapia con palbociclib, seguida de una terapia adyuvante con navitoclax o nav-Gal, provoca la eliminación sinérgica de las células senescentes tumorales y la reducción del crecimiento tumoral y de la metástasis pulmonar en el modelo utilizado de ratones con xenoinjertos de cáncer de mama humano agresivo. El capítulo tres se centra en el diseño y el desarrollo de un nuevo sistema de comunicación de nanopartículas por estigmergía para mejorar la terapia tumoral en el cáncer de mama. La comunicación de nanopartículas por estigmergía consiste en un sistema secuencial de dos nanopartículas en la que la primera modifica el entorno permitiendo que la segunda nanopartícula pueda actuar. Para ello, nos basamos de nuevo en una terapia en dos pasos, siendo el primer paso la inducción de senescencia con palbociclib en las células tumores y el segundo su posterior eliminación con navitoclax. Con este objetivo, se prepararon dos nanodispositivos: el primer nanodispositivo (NP(palbo)PEG-MUC1) se cargó con palbociclib y se funcionalizó con un aptámero dirigido a la proteína de superficie MUC1, frecuentemente sobreexpresada en las células tumorales de mama; para el segundo nanodispositivo se empleó la nanopartícula senolítica NP(nav)-Gal. Cuando ambas nanopartículas se administraron secuencialmente se consiguió un efecto aumentado, retrasando el crecimiento tumoral y reduciendo las metástasis en pulmón en el modelo descrito previamente de ratones con xenoinjerto hTNBC. En el último capítulo identificamos un nuevo agente senolítico (H14) que puede eliminar a las células tumorales senescentes de melanoma con una eficacia y seguridad óptima in vivo. Para ello, se realizó un cribado de una biblioteca combinatoria de hexapéptidos de D-aminoácidos en células senescentes de melanoma SK-Mel-103, en las que la inducción de la senescencia se había producido mediante el tratamiento con palbociclib. El tratamiento combinado de palbociclib y el hexapéptido H14 logró una mejora en la eliminación de células tumorales senescentes in vivo, así como en la reducción del crecimiento tumoral, alcanzando efectos similares al tratamiento combinado de palbociclib con navitoclax. / [CA] Aquesta tesi doctoral titulada "Avaluació preclínica d'estratègies basades en la senescència per millorar la teràpia contra el càncer" se centra a explotar la senescència com a opció terapèutica en els tractaments contra el càncer mitjançant el disseny, la síntesi i l'avaluació in vitro i in vivo diversos nanodispositius i profàrmacs, així com la identificació d'un nou fàrmac senolític. Al primer capítol experimental avaluem l'efecte negatiu de la senescència endotelial en el context tumoral i la conseqüència de la seva eliminació mitjançant l'ús del senolític navitoclax. Comprovem que el tractament sistèmic amb palbociclib en un model ortotòpic de càncer de mama en ratolins indueix senescència a les cèl·lules endotelials vasculars, generant un endoteli alterat funcionalment que afavoreix la migració de cèl·lules canceroses. La recuperació de la funcionalitat endotelial s'aconsegueix amb una estratègia terapèutica que, després de la inducció de senescència amb palbociclib, elimina les cèl·lules senescents (senòlisi) amb la nanopartícula (NP(nav)-Gal). En el model preclínic, el tractament combinat de palbociclib amb NP(nav)-Gal va disminuir la senescència endotelial en venes, així com els nòduls metastàsics als pulmons. Tenint en compte els resultats obtinguts, el capítol dos es descriu una estratègia terapèutica en dos passos similar a l'anterior per al càncer de mama triple negatiu. En aquest cas es fa servir un model de ratolí implantat amb xenoempelts humans d'aquest tipus de càncer per avaluar l'efecte de la teràpia combinada de palbociclib i navitoclax. Per superar els efectes secundaris del tractament amb navitoclax (principalment trombocitopènia), avaluem l'efecte del profàrmac nav-Gal. La senescència induïda per la teràpia amb palbociclib, seguida d'una teràpia adjuvant amb navitoclax o nav-Gal, provoca l'eliminació sinèrgica de les cèl·lules senescents tumorals i la reducció del creixement tumoral i de la metàstasi pulmonar en el model utilitzat de ratolins amb xenoempelts de càncer de mama humà agressiu. El capítol tres se centra en el disseny i desenvolupament d'un nou sistema de comunicació de nanopartícules per estigmergia per millorar la teràpia tumoral al càncer de mama. La comunicació de nanopartícules per estigmergia consisteix en un sistema seqüencial de dues nanopartícules on la primera modifica l'entorn permetent que la segona nanopartícula pugui actuar. Per això, ens basem de nou en una teràpia en dos passos, sent el primer pas la inducció de senescència amb palbociclib a les cèl·lules tumors i el segon la posterior eliminació amb navitoclax. Amb aquest objectiu, es van preparar dos nanodispositius: el primer nanodispositiu (NP(palbo)PEG-MUC1) es va carregar amb palbociclib i es va funcionalitzar amb un aptàmer dirigit a la proteïna de superfície MUC1, freqüentment sobreexpressada a les cèl·lules tumorals de mama; per al segon nanodispositiu es va emprar la nanopartícula senolítica NP(nav)-Gal. Quan ambdues nanopartícules es van administrar seqüencialment es va aconseguir un efecte augmentat, endarrerint el creixement tumoral i reduint les metàstasis en pulmó en el model descrit prèviament de ratolins amb xenoempelt hTNBC. A l'últim capítol identifiquem un nou agent senolític (H14) que pot eliminar les cèl·lules tumorals senescents de melanoma amb una eficàcia i seguretat òptima in vivo. Per fer-ho, es va realitzar un cribratge d'una biblioteca combinatòria d'hexapèptids de D-aminoàcids en cèl·lules senescents de melanoma SK-Mel-103, on la inducció de la senescència s'havia produït mitjançant el tractament amb palbociclib. El tractament combinat de palbociclib i l'hexapèptid H14 va aconseguir una millora en l'eliminació de cèl·lules tumorals senescents in vivo, així com en la reducció del creixement tumoral, aconseguint efectes similars al tractament combinat de palbociclib amb navitoclax. / [EN] This PhD thesis entitled "Preclinical evaluation of senescence-based strategies to improve cancer therapy" focuses on exploiting senescence as a therapeutic option in cancer treatments through design, synthesis and in vitro and in vivo evaluation. of several nanodevices and prodrugs, as well as the identification of a new senolytic drug. In the first experimental chapter we evaluated the negative effect of endothelial senescence in the tumor context and the consequence of its elimination through the use of the senolytic navitoclax. We found that systemic treatment with palbociclib in an orthotopic model of breast cancer in mice induces senescence in vascular endothelial cells, generating a altered endothelium that favors the migration of cancer cells. Recovery of endothelial functionality was achieved, after palbociclib-senescence induction, by removal of senescent cells (senolysis) with navitoclax-loaded nanoparticles (NP(nav)-Gal). In a preclinical model, the combined treatment of palbociclib with NP(nav)-Gal decreased endothelial senescence in veins as well as in metastatic nodules in the lungs. Taking into account the results obtained, chapter two describes a similar therapeutic strategy for triple-negative breast cancer. In this case, a human xenograft mice model was employed to evaluate the effect of combined therapy of palbociclib plus navitoclax. To overcome the side effects of navitoclax treatment (mainly thrombocytopenia), we evaluated the effect of the prodrug nav-Gal. Palbociclib therapy-induced senescence, followed by adjuvant navitoclax or nav-Gal therapy, resulted in synergistic clearance of senescent tumor cells and reduction of tumor growth and lung metastasis in the xenograft mice model of aggressive human TNBC. Chapter three focuses on the design and development of a new stigmergy nanoparticle communication system to improve tumor therapy in breast cancer. The communication of nanoparticles by stigmergy consists of a sequential system of two nanoparticles in which the first modifies the environment allowing the second nanoparticle to act. To do this, we again rely on a two-step therapy, the first step being the induction of senescence with palbociclib in tumor cells and the second its subsequent elimination with navitoclax. To this end, two nanodevices were prepared: the first nanodevice (NP(palbo)PEG-MUC1) was loaded with palbociclib and functionalized with an aptamer targeting the surface protein MUC1, frequently overexpressed in breast tumor cells; for the second nanodevice, the senolytic nanoparticle NP(nav)-Gal was used. When both nanoparticles were administered sequentially, an increased effect was achieved, delaying tumor growth and reducing lung metastases in the previously described model of hTNBC xenograft mice. In the last chapter we identified a new senolytic agent (H14) that can kill senescent melanoma tumor cells with optimal efficacy and safety in vivo. For this, a combinatorial library of D-amino acid hexapeptides was screened in senescent SK-Mel-103 melanoma cells, in which senescence induction had occurred by treatment with palbociclib. The combined treatment of palbociclib and H14 hexapeptide achieved an improvement in the elimination of senescent tumor cells in vivo, as well as in the reduction of tumor growth, reaching similar effects to the combined treatment of palbociclib and navitoclax. Future breakthroughs in the field of cellular senescence treatment are expected. We hope that the results achieved in this PhD thesis will open new research opportunities and inspire the development of advanced strategies with smart nanodevices and prodrugs for their application in the field of cellular senescence and other different biomedical areas and in sensing and communication technologies to solve patient needs. / Estepa Fernández, A. (2022). Preclinical evaluation of senescence-based strategies to improve cancer therapy [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188845

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Detección óptica de especies químicas de importancia ambiental y biológica utilizando sensores moleculares y materiales híbridos" se centra en el diseño, preparación, caracterización y evaluación de sensores químicos moleculares. El trabajo realizado se puede dividir en dos partes: (i) síntesis de sensores de cationes metálicos en disolución y (ii) síntesis y caracterización de nanopartículas híbridas orgánico-inorgánicas para el reconocimiento de especies químicas y biológicas. En el primer capítulo se introduce el marco en el que se engloban los fundamentos teóricos de la química supramolecular en que se basan los estudios prácticos realizados durante la presente tesis doctoral. A continuación, en el capítulo dos, se presentan los objetivos generales de la tesis. En el tercer capítulo se presenta un quimiodosímetro cromo-fluorogénico, capaz de detectar selectivamente cationes trivalentes entre cationes y aniones monovalentes y divalentes mediante una reacción de deshidratación en agua. En el cuarto capítulo se presenta una unidad (BODIPY) conectada electrónicamente con un macrociclo dithia-dioxa-aza. Las soluciones de acetonitrilo y agua-acetonitrilo 95: 5 v / v de la sonda mostraron una banda ICT en la zona visible y son casi no emisivas. Cuando se utilizó acetonitrilo como disolvente, la adición de Hg (II) y cationes metálicos trivalentes indujo un cambio hipsocrómico de la banda de absorción y mejoras moderadas de la emisión. Se obtuvo una respuesta altamente selectiva al utilizar medios competitivos como agua-acetonitrilo 95:5 v/v. En este caso, sólo el Hg (II) indujo un cambio hipsocrómico de la banda de absorción y una mejora marcada de la emisión. El quinto capítulo explora el desarrollo de sensores para berberina y amantadina. Dos moléculas de interés biológico por su uso como fármacos. Se han preparado tres sistemas de sensores basados en la aproximación de puertas moleculares. En concreto, sobre nanopartículas MCM-41 cargadas con rodamina B como unidad de señalización, se ha llevado a cabo la funcionalización con diversas aminas y el bloqueo de poros con cucurbituril CB7. Las aminas utilizadas son ii ciclohexilamina, bencilamina y amantadina. Los materiales obtenidos se han caracterizado por técnicas de difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión confirmando la estructura mesoporosa de las nanopartículas. Los materiales preparados muestran una respuesta a la berberina y la adamantina, quitando el tapón y liberando el tinte fluorescente al medio. La respuesta de los materiales a las dos sustancias de interés (berberina y amantadina) depende de la estructura química de cada uno de los materiales en función de las constantes de afinidad entre el analito y CB7. Los resultados obtenidos abren el camino al uso de puertas moleculares como sensores de berberina y amantadina. / [CA] La present tesi doctoral titulada "Detecció òptica d'espècies químiques d'importància ambiental i biològica utilitzant sensors moleculars i materials híbrids" se centra en el disseny, preparació, caracterització i avaluació de sensors químics moleculars. El treball realitzat es pot dividir en dues parts: (i) síntesi de sensors de cations metàl·lics en dissolució i (ii) síntesi i caracterització de nanopartícules híbrides orgànic-inorgànics per al reconeixement d'espècies químiques i biològiques. En el primer capítol s'introdueix el marc en el qual s'engloben els fonaments teòrics de la química supramolecular en què es basen els estudis pràctics realitzats durant la present tesi doctoral. A continuació, en el capítol dos, es presenten els objectius generals de la tesi. En el tercer capítol es presenta un quimiodosímetro crom-fluorogénic, capaç de detectar selectivament cations trivalents entre cations i anions monovalents i divalents mitjançant una reacció de deshidratació en aigua. En el quart capítol es presenta una unitat (BODIPY) connectada electrònicament amb un macrocicle dithia-dioxa-aza. Les solucions de acetonitril i aigua-acetonitril 95:5 v/v de la sonda van mostrar una banda ICT a la zona visible i són gairebé no emisivas. Quan es va utilitzar acetonitril com a dissolvent, l'addició de Hg (II) i cations metàl·lics trivalents va induir un canvi hipsocròmic de la banda d'absorció i millores moderades de l'emissió. Es va obtenir una resposta altament selectiva a l'utilitzar mitjans competitius com aigua-acetonitril 95:5 v/v. En aquest cas, només el Hg (II) va induir un canvi hipsocròmic de la banda d'absorció i una millora marcada de l'emissió. El cinquè capítol explora el desenvolupament de sensors per berberina i amantadina. Dues molècules d'interès biològic pel seu ús com a fàrmacs. S'han preparat tres sistemes de sensors basats en l'aproximació de portes moleculars. En concret, sobre nanopartícules MCM-41 carregades amb rodamina B com a unitat de senyalització, s'ha dut a terme la funcionalització amb diverses amines i el bloqueig de porus amb cucurbituril CB7. Les amines utilitzades són ciclohexilamina, bencilamina i amantadina. Els materials obtinguts s'han caracteritzat per tècniques iv de difracció de raigs X i microscòpia electrònica de transmissió confirmant l'estructura mesoporosa de les nanopartícules. Els materials preparats mostren una resposta a la berberina i la adamantina, llevant el tap i alliberant el tint fluorescent a l'mig. La resposta dels materials a les dues substàncies d'interès (berberina i amantadina) depèn de l'estructura química de cada un dels materials en funció de les constants d'afinitat entre l'anàlit i CB7. Els resultats obtinguts obren el camí a l'ús de portes moleculars com a sensors de berberina i amantadina. / [EN] The present doctoral thesis entitled "Optical detection of chemical species of environmental and biological importance using molecular sensors and hybrid materials" focuses on the design, preparation, characterization and evaluation of molecular chemical sensors. The work carried out can be divided into two parts: (i) synthesis of metal cation sensors in solution and (ii) synthesis and characterization of hybrid organic-inorganic nanoparticles for the recognition of chemical and biological species. The first chapter introduces the framework that encompasses the theoretical foundations of supramolecular chemistry on which the practical studies carried out during this doctoral thesis are based. Next, in chapter two, the general objectives of the thesis are presented. In the third chapter, a chromium-fluorogenic chemodosimeter is presented, capable of selectively detecting trivalent cations by means of a dehydration reaction in water. The fourth chapter presents a new compound containing a BODIPY unit electronically connected with a dithia-dioxa-aza macrocycle. Acetonitrile and water-acetonitrile 95:5 v/v solutions of the probe showed an ICT band in the visible zone and were nearly non-emissive. When acetonitrile was used as a solvent, addition of Hg(II) and trivalent metal cations induced an hypsochromic shift of the absorption band and moderate emission enhancements. A highly selective response was obtained when using competitive media such as water- acetonitrile 95:5 v/v. In this case only Hg(II) induced a hypsochromic shift of the absorption band and a marked emission enhancement. The fifth chapter explores the development of sensors for berberine and amantadine; two molecules of biological interest due to their use as drugs. Three sensing systems based on a "molecular gate" approximation have been prepared. Specifically, MCM-41 nanoparticles were loaded with Rhodamine B as a signalling unit, functionalized with various amines and capped with cucurbituril CB7. The amines used are cyclohexylamine, benzylamine and amantadine., The materials obtained were characterized by X-ray diffraction techniques and transmission vi electron microscopy, confirming the mesoporous structure of the nanoparticles. The prepared materials showed a response to berberine and adamantine, which induced release of the fluorescent dye to the medium. The response of the materials to the two substances of interest (berberine and amantadine) depends on the chemical structure of the capping ensemble and it is a function of the affinity constants between the analyte and CB7. The results obtained open the way to the use of gated materials as berberine and amantadine probes. / We thank the Spanish Government (MAT2015-64139-C4-1-R) and Generalitat Valenciana (PROMETEOII/2014/047). M. L. P. thanks Generalitat Valenciana for her Grisolia fellowship. Thanks are also due to Fundação para a Ciência e Tecnologia (Portugal) for financial support to the Portuguese NMR network (PTNMR, Bruker Avance III 400-Univ. Minho), FCT and FEDER (European Fund for Regional Development)-COMPETEQREN- EU for financial support to the research centre CQ/UM [PEst-C/ QUI/UI0686/2013 (FCOMP-01-0124-FEDER-037302)], and a post- doctoral grant to R. M. F. Batista (SFRH/BPD/79333/2011). / Lo Presti, M. (2021). Optical detection of chemical species of environmental and biological relevance using molecular sensors and hybrid materials [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172664 / TESIS

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Mesoporous silica and gold-based nanodevices: new controlled delivery platforms for biomedical applications" se centra en el diseño, síntesis, caracterización y evaluación de distintos nanodispositivos híbridos orgánico-inorgánicos. En concreto, se utilizan como soporte nanopartículas mesoporosas de sílice y nanopartículas de oro para su aplicación biomédica, en concreto en el campo del cáncer de mama. En el primer capítulo se introduce el marco general en el que se engloban los estudios realizados. Se presentan los conceptos relacionados con nanotecnología y nanomedicina, así como la interacción de las nanopartículas a nivel biológico con el organismo y las células. Finalmente, se introducen conceptos básicos del cáncer de mama y la aplicación de nanomateriales como terapia. A continuación, en el segundo capítulo, se exponen los objetivos de la presente tesis doctoral que son abordados en los siguientes capítulos experimentales. En el tercer capítulo se describe el primer nanomaterial para la liberación controlada de dos inhibidores (navitoclax y S63845) de las proteínas anti- apoptóticas de la familia Bcl-2. Este sistema se ha diseñado con el objetivo de superar la resistencia a navitoclax en un modelo celular de cáncer de mama triple negativo. En concreto, se han preparado nanopartículas mesoporosas de sílice cargadas con navitoclax y S63845, y funcionalizadas con un aptámero dirigido a la proteína de superficie MUC1, que actúa como puerta molecular. En este trabajo hemos demostrado que las nanopartículas diseñadas son internalizadas preferentemente por células tumorales de cáncer de mama. También hemos demostrado la capacidad de las nanopartículas de revertir la resistencia a navitoclax en un modelo celular de cáncer de mama triple negativo. Además, ponemos de manifiesto la disminución del principal efecto adverso (trombocitopenia) asociado a la administración del navitoclax en su formulación libre, gracias a la encapsulación en las nanopartículas. En el capítulo cuatro se presenta un sistema sensible a pH para la liberación controlada de un cargo fluorescente y la maquinaria de edición génica basada en el sistema CRISPR/Cas9, dirigido a la edición del gen codificante de la proteína fluorescente verde (GFP, del inglés gren fluorescent protein). El nanodispositivo está constituido por nanopartículas mesoporosas de sílice cargadas con rodamina B, funcionalizadas con polietilenimina y revestidas con el plásmido codificante del sistema CRISPR/Cas9. En este trabajo se ha demostrado el escape lisosomal de las nanopartículas, mediado por el efecto esponja de protones de la PEI. Asimismo, mostramos un nanodispositivo pionero en su campo, basado en nanopartículas mesoporosas de sílice, capaz de realizar la doble función de llevar a cabo la edición del gen codificante de GFP y la liberación exitosa del cargo fluorescente. En el quinto, y último, capítulo experimental se propone una nueva aproximación para realizar una terapia enzimática prodroga empleando nanopartículas de oro como transportadores enzimáticos. En este caso, se aborda la funcionalización de nanopartículas de oro con la enzima peroxidasa de rábano (HRP, del inglés horseradish peroxidase), capaz de transformar la prodroga inocua ácido indol-3-acético en especies radicales que resultan tóxicas para las células tumorales. En este capítulo se ha demostrado el efecto terapéutico del nanodispositivo en combinación con la prodroga en modelos celulares de cáncer de mama de los subtipos luminal A y triple negativo. Además, se ha confirmado la eficacia terapéutica del sistema en esferoides tumorales formados por células de cáncer de mama triple negativo. Por último, se presentan en el capítulo seis las conclusiones extraídas del desarrollo de esta tesis doctoral. Los resultados obtenidos en este trabajo contribuirán al desarrollo de nuevos nanomateriales inteligentes con aplicación en diversas áreas de la nanomedicina. / [CA] La present tesi doctoral titulada "Mesoporous silica and gold-based nanodevices: new controlled delivery platforms for biomedical applications" se centra en el disseny, síntesi, caracterització i avaluació de diferents nanodispositius híbrids orgànic-inorgànics. En concret, s'utilitzen com a suport nanopartícules mesoporoses de sílice i nanopartícules d'or per a la seua aplicació biomèdica, en concret en el camp del càncer de mama. En el primer capítol s'introdueix el marc general en el qual s'engloben els estudis realitzats. Es presenten els conceptes relacionats amb la nanotecnologia i nanomedicina, així com la interacció de les nanopartícules a nivell biològic amb l'organisme i les cèl·lules. Finalment, s'introdueixen conceptes bàsics del càncer de mama i l'aplicació de nanomaterials com a teràpia. A continuació, en el segon capítol, s'exposen els objectius de la present tesi doctoral que són abordats en els següents capítols experimentals. En el tercer capítol es descriu el primer nanomaterial utilitzat per a l'alliberament controlat de dos inhibidors (navitoclax i S63845) de les proteïnes anti-apoptòtiques de la família Bcl-2. Aquest sistema s'ha dissenyat amb l'objectiu de superar la resistència a navitoclax en un model cel·lular de càncer de mama triple negatiu. En concret, s'han preparat nanopartícules mesoporoses de sílice carregades amb navitoclax i S63845, i funcionalitzades amb un aptàmer dirigit a la proteïna de superfície MUC1, que actua com a porta molecular. En aquest treball hem demostrat que les nanopartícules dissenyades són internalitzades preferentment per cèl·lules tumorals de càncer de mama. També hem demostrat la capacitat de les nanopartícules de revertir la resistència a navitoclax en un model cel·lular de càncer de mama triple negatiu. A més, posem de manifest la disminució del principal efecte advers (trombocitopènia) associat a l'administració del navitoclax en la seua formulació lliure, gràcies a l'encapsulació en les nanopartícules. En el capítol quatre es presenta un sistema sensible a pH per a l'alliberament controlat d'una càrrega fluorescent i la maquinària d'edició gènica basada en el sistema CRISPR/Cas9, dirigit a l'edició gènica del gen codificant de la proteïna fluorescent verda (GFP, del anglés gren fluorescent protein). El nanodispositiu està constituït per nanopartícules mesoporoses de sílice carregades amb rodamina B, funcionalitzades amb polietilenimina i revestides amb el plàsmid codificant del sistema CRISPR/Cas9. En aquest treball s'ha demostrat la fuga lisosomal de les nanopartícules, mediat per l'efecte esponja de protons de la PEI. Així mateix, vam mostrar un nanodispositiu pioner en el seu camp, basat en nanopartícules mesoporoses de sílice, capaç de realitzar la doble funció de dur a terme l'edició del gen codificant de la GFP i l'alliberament exitós de la càrrega fluorescent. En el cinqué i últim capítol experimental es proposa una nova aproximació per a realitzar una teràpia enzimàtica prodroga emprant nanopartícules d'or com a transportadors enzimàtics. En aquest cas, s'aborda la funcionalització de nanopartícules d'or amb l'enzim peroxidasa de rave (HRP, del anglés horseradish peroxidase), capaç de transformar la prodroga innòcua àcid indol-3-acètic en espècies radicals que resulten tòxiques per a les cèl·lules tumorals. En aquest capítol s'ha demostrat l'efecte terapèutic del nanodispositiu en combinació amb la prodroga en models cel·lulars de càncer de mama dels subtipus luminal A i triple negatiu. A més, s'ha confirmat l'eficàcia terapèutica del sistema en esferoides tumorals formats per cèl·lules de càncer de mama triple negatiu. Finalment, en el capítol sis es presenten les conclusions extretes del desenvolupament d'aquesta tesi doctoral. Els resultats obtinguts en aquesta tesi contriburan al desenvolupament de nous nanomaterials intel·ligents amb aplicació en diverses àrees de la nanomedicina. / [EN] This Ph.D. thesis entitled "Mesoporous silica and gold-based nanodevices: new controlled delivery platforms for biomedical applications" is focused on the design, synthesis, characterisation, and evaluation of several hybrid organic-inorganic nanomaterials. We have developed mesoporous silica nanoparticles and gold nanoparticles for biomedical applications, specifically in the breast cancer area. The first chapter includes an overview of the concepts related to the research performed. Introductory notions about nanotechnology and biomedicine are presented, as well as the basis of the interactions of nanoparticles with biological systems. Finally, breast cancer disease and the application of nanomaterials as therapy are described. Next, in the second chapter, the objectives addressed in the following experimental chapters are displayed. In the third chapter, we present the first nanomaterial for the controlled delivery of two inhibitors (navitoclax and S63845) of the Bcl-2 anti-apoptotic proteins. This nanosystem has been designed to overcome navitoclax resistance in a triple-negative breast cancer cellular model. We have prepared mesoporous silica nanoparticles loaded with navitoclax and S63845 and functionalised with an aptamer targeting MUC1 surface protein as a molecular gate. In this work, the specific targeting of the nanodevice to breast cancer cells has been demonstrated. The ability to overcome navitoclax resistance has been shown in navitoclax-resistant triple-negative breast cancer cells. Furthermore, navitoclax encapsulation in the nanoparticles has proved to reduce the main adverse effect (thrombocytopenia) associated with free formulated drug administration. In the fourth chapter, we describe a pH-responsive nanosystem for the controlled co-delivery of a fluorescent cargo and the genome-editing machinery based on CRISPR/Cas9, which targets the green fluorescent protein (GFP) coding gene. The nanodevice consists of mesoporous silica nanoparticles loaded with rhodamine B, functionalised with polyethyleneimine, and capped with the CRISPR/Cas9 plasmid. In the present work, we have shown the lysosomal scape capacity of the nanodevice enhanced by the proton sponge effect of PEI. We have also demonstrated a pioneering mesoporous silica-based nanodevice efficient in the simultaneous genome editing of the GFP gene (as a model gene) and the successful release of a fluorescent cargo (as a model drug). In the fifth and last experimental chapter, we propose a new approximation to develop enzyme prodrug therapy using gold nanoparticles as enzyme carriers. In this case, we use gold nanoparticles functionalised with the enzyme horseradish peroxidase (HRP), which transforms the non-toxic prodrug indol-3-acetic acid into radical species toxic to tumour cells. In this chapter, the therapeutic effect of the nanodevice in combination with the prodrug has been demonstrated in two breast cancer cell subtypes (luminal A and triple-negative breast cancers). Also, the therapeutic effect of the material has been corroborated in multicellular tumour spheroid-like cultures formed by triple-negative breast cancer cells. Finally, in the sixth chapter, the conclusions derived from the presented studies and the general conclusions of this Ph.D. thesis are released. The obtained results will promote the development of new smart nanomaterials with diverse biomedical applications. / Gema Vivo-Llorca thanks the Generalitat Valenciana for her fellowship ACIF/2017/072. Vicente Candela-Noguera thanks the Spanish Government for his fellowship FPU15/02753. We would like to thank Servier for the workart used in the figures of this manuscript (Servier Medical Art https://smart.servier.com/). We thank the Spanish Government (project RTI2018-100910-B-C41 (MCUI/AEI/FEDER, UE); SAF2017-84689-R-B (MCUI/AEI/FEDER, UE)) and the Generalitat Valenciana (project PROMETEO/2018/024 and PROMETEO/2019/065) for support. / Vivo Llorca, G. (2021). Mesoporous silica and gold-based nanodevices: new controlled delivery platforms for biomedical applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172713 / TESIS

[ES] La presente tesis doctoral, titulada "Estudio, desarrollo y mejora de la síntesis de nanopartículas mesoporosas de sílice (MSN) tipo MCM-41 orientada a aplicaciones biomédicas" se centra en la síntesis, caracterización, estudio y evaluación de diferentes MSN tipo MCM-41, con el objetivo de ampliar el conocimiento de las MSN como nanomateriales implicados en aplicaciones biomédicas. El primer capítulo de este trabajo es una introducción general sobre los temas que se van a tratar a lo largo de la tesis. Por un lado, se introducen los principales conceptos sobre las nanopartículas de sílice mesoporosas, y en particular las MSN de tipo MCM-41, como su descubrimiento, sus propiedades, ventajas y aplicaciones, su síntesis y la química implicada, y la posibilidad de ser funcionalizadas o dopadas para adquirir propiedades adicionales y únicas. Por otro lado, se presenta un amplio abanico de técnicas de caracterización de MSN, destacando su importancia en la presente tesis. Por último, se revisan los conceptos de nanomedicina y nanomateriales, incluyendo el conjunto de requisitos que deben cumplir los nanomateriales para ser validados, los tipos de nanomateriales desarrollados hasta el momento y los principales cuellos de botella encontrados en la traslación clínica de los nanomateriales. En este contexto, se revisan los estudios de las MSN en nanomedicina, señalando los retos de las mismas dentro de esta especialidad y la oportunidad que ofrecen a la ciencia de los materiales. En el segundo capítulo se exponen los objetivos generales de la presente tesis doctoral, que son abordados en los siguientes capítulos. El tercer capítulo se basa en un estudio en profundidad del mecanismo de síntesis de las MSN de tipo MCM-41, considerando el mecanismo de estructuración de la sílice, la nucleación, el crecimiento y los procesos de envejecimiento. En particular, se analizan detalladamente las primeras etapas de la síntesis de MSN. Además, se revisan los diferentes modelos descritos sobre el mecanismo de estructuración de la sílice, que han sido ampliamente estudiados. El cuarto capítulo se centra en la investigación del efecto de algunos parámetros tradicionalmente poco estudiados en la síntesis y formación de MSN de tipo MCM-41, como el tiempo de síntesis, la velocidad de agitación, el núcleo de agitación magnética utilizado, la velocidad de adición del TEOS y el método de neutralización una vez formadas las nanopartículas. También se introduce una revisión de la influencia de los parámetros de síntesis más estudiados en las MSN tipo MCM-41. El quinto capítulo se basa en el estudio de la obtención, caracterización y manipulación de MSN de tipo MCM-41 coloidales. En primer lugar, se presenta una revisión crítica de los trabajos que informan sobre la obtención de MSN coloidales, correctamente suspendidas o discretas. En segundo lugar, se introduce una metodología para caracterizar la estabilidad coloidal de las MSN. En tercer lugar, se estudia y compara el comportamiento coloidal de diferentes nanopartículas en diferentes condiciones. Y, por último, se desarrolla un marco conceptual y de trabajo sobre los principios que rigen la estabilidad coloidal de las nanopartículas. El sexto capítulo es un estudio exhaustivo de las implicaciones del uso de diferentes procedimientos de eliminación de surfactantes en las MSN de tipo MCM-41, como la calcinación a diferentes temperaturas y la extracción con disolventes. Las propiedades fisicoquímicas de las MSN estudiadas son la eficiencia de eliminación de surfactantes, el grado de condensación de la sílice, la porosidad, la estabilidad coloidal y la reactividad superficial. Además, se comprobó la biocompatibilidad de las nanopartículas en cuanto a su citotoxicidad y su degradación en un entorno fisiológico simulado, para validar su uso en aplicaciones biomédicas. El séptimo capítulo recoge las conclusiones generales de la presente tesis, que resumen las conclusiones obtenidas en cada capítulo. / [CA] L'actual tesi doctoral, titulada "Estudi, desenvolupament i millora de la síntesi de nanopartícules mesoporoses de sílice (MSN) de tipus MCM-41 orientada cap a aplicacions biomèdiques" se centra en la síntesi, caracterització, estudi i avaluació de diferents mostres de MSN de tipus MCM-41 amb l'objectiu de millorar el coneixement de les MSN com nanomaterials implicats en aplicacions biomèdiques. El primer capítol d'aquest treball és una introducció general sobre els elements que es tractaran durant tota la tesi. D'una banda, s'introdueixen els conceptes principals sobre les nanopartícules mesoporoses de sílice, i en particular les de tipus MCM-41, com el seu descobriment, les seues propietats, avantatges i aplicacions, la seua síntesi i la química implicada, i la possibilitat de ser funcionalitzades o dopades per adquirir propietats addicionals i úniques. D'altra banda, es presenta una àmplia gamma de tècniques de caracterització de MSN destacant la seua importància en la tesi actual. Finalment, es revisen els conceptes de nanomedicina i nanomaterials, incloent-hi el conjunt de requisits que els nanomaterials han d'aconseguir per ser validats, els tipus de nanomaterials desenvolupats fins ara, i els principals colls d'ampolla trobats en la translació clínica de nanomaterials. En aquest context, es revisen els estudis de les MSN en nanomedicina, assenyalant els seus reptes dins de la nanomedicina i l'oportunitat que ofereixen a la ciència dels materials. El segon capítol exposa els objectius generals de la tesi doctoral actual, que són abordats en els següents capítols. El tercer capítol es basa en un estudi en profunditat del mecanisme de síntesi de les MSN tipus MCM-41, considerant el mecanisme d'estructuració de la sílice, la nucleació, el creixement i els processos de maduració. Particularment, les primeres etapes de la síntesi de MSNs s'analitzen en detall. A més, es revisen els diferents models reportats sobre el mecanisme d'estructuració de sílice, que ja han sigut àmpliament estudiats. El quart capítol es centra en la investigació de l'efecte d'alguns paràmetres tradicionalment menys estudiats en la síntesi i formació de l'MSN de tipus MCM-41, com: el temps de síntesi, la velocitat d'agitació, el nucli d'agitació magnètica utilitzat, la velocitat d'addició de TEOS i el mètode de neutralització una vegada que es formen les nanopartícules. També s'introdueix una revisió de la influència dels paràmetres de síntesi més estudiats en les MSN de tipus MCM-41. El cinqué capítol es basa en l'estudi de l'obtenció, caracterització i manipulació de les MSN de tipus MCM-41 col·loidals. En primer lloc, es presenta una revisió crítica dels treballs que descriuen l'obtenció de MSN col·loidals, correctament suspeses o discretes. En segon lloc, s'introdueix una metodologia per caracteritzar l'estabilitat col·loidal de les MSN. En tercer lloc, s'estudia i compara el comportament col·loidal de diverses nanopartícules en diferents condicions. I finalment, es desenvolupa un marc conceptual i de treball sobre els principis que regeixen l'estabilitat col·loidal de les nanopartícules. El sisé capítol és un estudi exhaustiu de les implicacions de l'ús de diferents procediments d'extracció de surfactants a les MSN de tipus MCM-41, com la calcinació a diferents temperatures i l'extracció de dissolvents. Les propietats fisicoquímiques de les MSN estudiades són l'eficiència d'extracció de surfactant, el grau de condensació de sílice, la mesoporositat, l'estabilitat col·loidal i la reactivitat de la superfície. A més, la biocompatibilitat de les nanopartícules es va provar pel que fa a la seua citotoxicitat i la seua degradació en un entorn fisiològic simulat, per validar el seu ús en aplicacions biomèdiques. El seté capítol recull les conclusions generals de la tesi actual, que resumeix les conclusions obtingudes en cada capítol, però també proporciona noves perspectives i una visió global de la matèria estudiada. / [EN] The present PhD thesis, entitled "Study, development and improvement of MCM-41-type mesoporous silica nanoparticles (MSN) synthesis oriented to biomedical applications" is focused on the synthesis, characterisation, study and evaluation of different MCM-41-type MSN samples to improve the knowledge of MSN as nanomaterials involved in biomedical applications. The first chapter of this work is a general introduction about the items that are going to be treated throughout the thesis. On the one hand, the main concepts about the mesoporous silica nanoparticles, and in particular MCM-41-type MSN, are introduced, such as their discovery, their properties, advantages, and applications, their synthesis and the chemistry involved, and the possibility of being functionalised or doped to acquire additional and unique properties. On the other hand, a wide range of MSN characterisation techniques are presented highlighting their importance in the current thesis. Finally, the concepts of nanomedicine and nanomaterials are reviewed, including the set of requirements the nanomaterials must accomplish to be validated, the types of nanomaterials developed thus far, and the main bottlenecks found in clinical translation of nanomaterials. In this context, the studies of MSN in nanomedicine are reviewed, illustrating the challenges of MSN within the nanomedicine and the opportunity their offer to material science. Second chapter exposes the general objectives of present PhD thesis, which are addressed in the following chapters. Third chapter is based on an in-depth study of the synthesis mechanism of MCM-41-type MSN, considering the silica templating mechanism, the nucleation, the growth and the aging processes. Particularly, the early stages of the MSNs synthesis are substantially analysed. In addition, the different models reported about the silica templating mechanism, which are widely studied, are reviewed. Fourth chapter is focused on the investigation of the effect of some disregarded parameters on the synthesis and formation of MCM-41-type MSN, such as synthesis time, stirring rate, the magnetic stir bar used, TEOS addition rate and the neutralisation method once nanoparticles are formed. A review of the influence of the most studied synthesis parameters on MCM-41-type MSN is also introduced. Fifth chapter is based on the study of the obtaining, characterisation and manipulation of colloidal MCM-41-type MSN. First, a critical review of works that report the obtaining of colloidal, well-suspended or discrete MSN is presented. Second, a methodology to characterise the colloidal stability of MSN is introduced. Third, the colloidal behaviour of several nanoparticles under different conditions is studied and compared. And finally, a conceptual and operational framework about the principles governing the colloidal stability of nanoparticles is developed. Sixth chapter is a comprehensive study of the implications of the use of different surfactant removal procedures on standard MCM-41-type MSN, such as calcination at different temperatures and solvent extraction. The physicochemical properties of MSN studied are the surfactant removal efficiency, the silica condensation degree, the mesostructured framework, the colloidal stability and the surface reactivity. Additionally, the biocompatibility of nanoparticles was tested regarding their cytotoxicity and their degradation in a simulated physiological environment, to validate their use in biomedical applications. Finally, seventh chapter gathers the general conclusions of the current thesis, which summarise the conclusions obtained in each chapter, but also provide new perspectives and the big picture of the studied matter. / Candela Noguera, V. (2022). Study, development and improvement of MCM-41-type MSN synthesis oriented to biomedical applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182386 / TESIS

[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