[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

Lors d’une infection par un pathogène, des lymphocytes T CD8+ naïfs (LTn) spécifiques de l’antigène sont activés, prolifèrent et se différencient en LT effecteurs (LTe). Les LTe produisent différentes cytokines et acquièrent une activité cytotoxique menant à l’élimination du pathogène. Seulement 5 à 10 % des LTe survivront et se différencieront en LT mémoires (LTm), qui sont capables de répondre plus rapidement lors d’une seconde infection par le même pathogène, contribuant au succès de la vaccination. Toutefois, la compréhension de l’ensemble des mécanismes régulant le développement des LTe et des LTm demeure incomplète. Afin de mieux comprendre les signaux requis pour la différenciation des LT CD8+ lors de la réponse immune, nous avons posé deux hypothèses. Nous avons d’abord proposé que différentes cellules présentatrices d’antigène (CPA) fournissent différents signaux au moment de la reconnaissance antigénique influençant ainsi le devenir des LT CD8+. Vu leur potentiel d’utilisation en immunothérapie, nous avons comparé la capacité d’activation des LT CD8+ par les lymphocytes B activés via le CD40 (CD40-B) et les cellules dendritiques (CD). Nous avons montré que l’immunisation avec des CD40-B induit une réponse effectrice mais, contrairement à l’immunisation avec des CD, pratiquement aucun LTm n’est généré. Les LTe générés sont fonctionnels puisqu’ils sécrètent des cytokines, ont une activité cytotoxique et contrôlent une infection avec Listeria monocytogenes (Lm). Nous proposons qu’une sécrétion plus faible de cytokines par les CD40 B ainsi qu’une interaction plus courte et moins intime avec les LT CD8+ comparativement aux CD contribuent au défaut de différenciation des LTm observé lors de la vaccination avec les CD40-B. Ensuite, nous posé l’hypothèse que, parmi les signaux fournis par les CPA au moment de la reconnaissance antigénique, la voie de signalisation Notch influence le développement des LTe, mais aussi des LTm CD8+ en instaurant un programme génétique particulier. D’abord, grâce à un système in vitro, le rôle de la signalisation Notch dans les moments précoces suivant l’activation du LT CD8+ a été étudié. Ce système nous a permis de démontrer que la voie de signalisation Notch régule directement l’expression de la molécule PD-1. Ensuite, grâce à des souris où il y a délétion des récepteurs Notch1 et Notch2 seulement chez les LT CD8+ matures, un rôle de la voie de signalisation Notch dans la réponse immune des LT CD8+ a été démontré. Nos résultats démontrent que suite à une infection avec Lm ou à une immunisation avec des CD, la signalisation Notch favorise le développement de LTe, exprimant fortement KLRG1 et faiblement CD127, destinés à mourir par apoptose. Toutefois, la signalisation Notch n’a pas influencé la génération de LTm. De façon très intéressante, l’expression des récepteurs Notch influence la production d’IFN- en fonction du contexte d’activation. En effet, suite à une infection avec Lm, l’absence des récepteurs Notch n’affecte pas la production d’IFN- par les LTe, alors qu’elle est diminuée suite à une immunisation avec des CD suggérant un rôle dépendant du contexte pour la voie de signalisation Notch. Nos résultats permettent une meilleure compréhension des signaux fournis par les différentes CPA et de la voie de signalisation Notch, donc des mécanismes moléculaires régulant la différenciation des LT CD8+ lors de la réponse immunitaire, ce qui pourrait ultimement permettre d’améliorer les stratégies de vaccination. / Following an infection with a pathogen, antigen-specific naive CD8+ T lymphocytes (Tn) will proliferate and differentiate into effector (Te) cells. Those Te cells will produce different cytokines and acquire a cytotoxic activity, leading to pathogen clearance. Only 5 to 10 % of Te cells will survive and differentiate into memory CD8+ T lymphocytes (Tm) able to respond rapidly following a second encounter with the same pathogen, contributing to the success of vaccination. However, the mechanisms regulating Te and Tm cells development remain incompletely understood. To better understand the signals required for CD8+ T lymphocytes during an immune response, we proposed two hypotheses. First, we propose that different antigen presenting cells (APCs) can deliver different signals to CD8+ T lymphocytes at the time of priming leading to different outcome. Given their potential for use in immunotherapy, we compared the ability of CD40 activated B lymphocytes (CD40-B) and dendritic cells (DCs) to activate CD8+ T lymphocytes. We have shown that CD40-B cell immunisation leads to an effector response but very few Tm cells are generated compared to DC immunisation. The Te cells generated following CD40-B cell immunisation are functional because they secrete cytokine, are cytotoxic and control a Listeria monocytogenes (Lm) infection. We propose that CD40-B cells secrete less cytokines and interact during shorter period of time with the CD8+ T lymphocytes, without engulfment, contributing to the decreased Tm generation observed following immunisation with CD40-B cells. Second, among the signals provided by APC at the time of CD8+ T lymphocyte priming, we have hypothesised that the Notch signalling pathway influences Te and Tm cell differentiation by inducing a particular genetic program. Using an in vitro system, we first studied the role of the Notch signalling pathway in the hours following CD8+ T lymphocyte priming. We demonstrated that Notch signalling directly regulates PD-1 expression. Then, studying mice where Notch1 and Notch2 receptor genes are deleted only in mature CD8+ T lymphocytes, we characterised the role of the Notch signalling pathway on Te and Tm differentiation during an immune response. Our results show that following Lm infection or a DC immunisation, the Notch signalling pathway promotes the differentiation of short lived effector cells Te cells (KLRG1highCD127low) meant to die by apoptosis. However, the Notch signalling pathway did not influence the generation of CD8+ Tm cells. Most interestingly, IFN- regulation by the Notch signalling pathway depends on the activation context. Indeed, following Lm infection, lack of Notch receptors does not impact IFN- secretion by Te cells while it is significantly decreased following a DC immunisation suggesting a context dependant role for the Notch signalling pathway. Our findings provide a better understanding of the key signals provided by APC as well as the Notch signalling pathway, and thus the molecular mechanisms leading to CD8+ lymphocyte effector and memory generation which is crucial as this knowledge may ultimately lead to improved vaccination.

Les immunothérapies de type immune checkpoint blockade (ICB) ont révolutionné les approches thérapeutiques en oncologie médicale et ont largement contribué au fait que l’immunothérapie est maintenant considérée comme le quatrième pilier des traitements anticancer, aux côtés d’approches traditionnelles telles que la chirurgie, la radiothérapie et la chimiothérapie. Malgré les résultats encourageants des études cliniques évaluant ce type d’immunothérapie, la majorité des patients décèderont des suites de leur maladie. Conséquemment, le domaine de recherche visant à comprendre les mécanismes de résistance aux immunothérapies est en expansion constante. Plusieurs stratégies visant à améliorer les issues cliniques ont été proposées, parmi lesquelles figurent: 1) la recherche de nouvelles cibles thérapeutiques dans le microenvironnement immun tumoral et; 2) les études de combinaisons thérapeutiques où une immunothérapie est jumelée à d’autres types de modalités thérapeutiques potentiellement synergiques. Chacune des études présentées dans cette thèse de recherche s’apparente à l’une ou l’autre de ces stratégies. Dans le cadre de notre première étude, nous démontrons que la protéine WISP1 représente une cible prometteuse à l’intérieur du microenvironnement de plusieurs types de tumeurs solides étant donné son association avec différentes variables pronostiques et proinflammatoires, ainsi qu’avec un programme épigénétique complexe, la transition épithélialemésenchymateuse (Epithelial-Mesenchymal Transition; EMT). De plus, nous démontrons que les niveaux d’expression de WISP1 sont significativement plus élevés au sein des tumeurs démontrant une résistance primaire aux immunothérapies de type ICB, particulièrement lorsque qu’une signature reliée à l’EMT peut être retrouvée de façon concomitante. Pour notre deuxième étude, nous avons utilisé des modèles murins in vivo de cancer pulmonaire non à petites cellules KRAS-mutés afin de tester différentes combinaisons thérapeutiques jumelant une thérapie dite ciblée (i.e., un inhibiteur de MEK) a différentes immunothérapies de type ICB. Nos résultats démontrent que l’ajout d’une immunothérapie anti-CTLA-4 à l’inhibiteur de MEK AZD6244 (selumetinib) et une immunothérapie anti-PD-L1 augmente significativement la survie, et que ces bénéfices sont associés à une diminution de marqueurs reliés à l’EMT. Il existe donc un lien commun entre ces deux études qui repose sur l’importance de l’EMT comme facteur favorisant la résistance thérapeutique aux immunothérapies. De plus, nous démontrons pour la première fois que les bénéfices associés à la triple combinaison thérapeutique susmentionnée peuvent être corrélés à une diminution d’expression de marqueurs liés à l’EMT. Par conséquent, nos résultats sont discutés en tant que base potentielle pour de futures études visant à réduire la résistance thérapeutique reliée à l’EMT. Nous discutons également de la valeur translationnelle de nos résultats à travers le développement d’une étude clinique. / Immune checkpoint blockade (ICB) has revolutionized therapeutic approaches in the field of medical oncology and has largely contributed to the fact that immunotherapy is now being regarded as the fourth pillar of cancer treatment alongside surgery, radiotherapy and chemotherapy. Despite encouraging results from clinical trials using ICB, most patients ultimately relapse or succumb to their disease. Therefore, the field of immunotherapeutic resistance research is rapidly expanding. Many strategies to improve ICB responses have been undertaken, including: 1) the search for novel, actionable targets in the immune tumor microenvironment (TME) and; 2) therapeutic combination studies where an ICB backbone is combined with different, synergistic treatment modalities. Each of the studies presented in this research thesis embraces one of these strategies. In our first study, we show that WISP1 represents a promising TME target in multiple solid tumor types by demonstrating its association with prognostic and pro-inflammatory variables, as well as to a complex epigenetic program termed Epithelial-Mesenchymal Transition (EMT). Furthermore, we show that increased WISP1 expression is associated to primary resistance to ICB, particularly when EMT-related signatures are found concomitantly. In our second study, we used in vivo mouse models of KRAS-mutant Non-Small Cell Lung Cancer (NSCLC) to test different therapeutic combinations of targeted therapies (i.e., MEK inhibitor) and ICB. We found that the addition of anti-CTLA-4 ICB to MEK inhibitor AZD6244 (selumetinib) and anti-PD-L1 ICB increases survival, and that these benefits are associated with the downregulation of EMT-related markers. Therefore, there exists a common link between these studies, which relies on the significance of EMT as a detrimental factor within the TME and its association with ICB resistance. Moreover, we show for the first time that the benefits of ICB combination therapy can be associated to the downregulation of EMT markers in vivo. Consequently, we discuss how our results may constitute the basis for future work aiming at reducing EMT-mediated therapeutic resistance, as well as the translational relevance of our pre-clinical results through the development of a clinical trial.