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

Tesis por compendio / [ES] El oscurecimiento de los tejidos de frutas y verduras dañados puede provocar cambios indeseables y el rechazo por parte del consumidor. Este deterioro, conocido como pardeamiento enzimático, es causado principalmente por la enzima polifenol oxidasa (PPO), que oxida los compuestos fenólicos en pigmentos rojizos llamados melanoides. De esta forma, la prevención de la actividad de PPO en el procesamiento postcosecha tanto en frutas y verduras como en sus licuados, ha recibido desde siempre mucha atención por parte de la industria alimentaria. Sin embargo, los tratamientos actuales presentan diversos inconvenientes, entre los que podemos destacar los efectos negativos en la calidad nutricional de los productos y su elevado coste. El cometido de esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y evaluación de nuevas estrategias no térmicas para la inhibición de la PPO con el objetivo final de detener el pardeamiento enzimático. Para esto se abordaron dos estrategias diferentes. Por un lado, se seleccionaron y evaluaron varias poliaminas macrocíclicas. Se determinó que la estructura química influye fuertemente en el poder inhibidor, existiendo dos compuestos altamente eficaces contra el pardeamiento enzimático, los cuales presentan IC50 de 10 µM y 0.30 mM. Su eficacia se validó en zumo de manzana recién licuado retrasando el pardeamiento enzimático y la pérdida de compuestos fenólicos totales. Por otro lado, se estudió el desarrollo y aplicación de partículas de sílice mesoporosas funcionalizadas con diversos grupos químicos. Los resultados mostraron que tanto la estructura del material como la funcionalización son determinantes. El soporte UVM-7 ofreció la inhibición más fuerte sobre la enzima PPO, y una vez funcionalizado con grupos tiol este aumentó notablemente su poder inhibidor, deteniendo el pardeamiento enzimático en zumo de manzana. Por el contrario, los grupos amino, aunque mostraron menor poder inhibidor, fueron capaces de inmovilizar a la enzima y eliminarla del medio. Finalmente, el soporte UVM-7 fue magnetizado para su fácil eliminación del medio, evitando así la etapa de filtración. El soporte UVM-7 magnetizado y funcionalizado con tioles logró mantener la concentración inicial de vitamina C y flavonoides en el zumo de manzana. Además, la capacidad antioxidante y el contenido de fenoles totales se mantuvieron casi sin cambios. / [CA] L'enfosquiment de fruïtes i verdures provoca un alt rebuig per part del consumidor. Aquest fet genera grans pèrdues econòmiques i un gran desaprofitament d'aliments. Aquest deteriorament, conegut com enfosquiment enzimàtic, és causat principalment per l'enzim polifenol oxidasa (PPO), que oxida els compostos fenòlics en pigments vermellosos anomenats melanoïdines. D'aquesta manera, la prevenció de l'activitat de la PPO en el processament postcollita tant en fruites i verdures com en els seus liquats, ha rebut des de sempre molta atenció per part de la indústria alimentària. No obstant això, els tractaments actuals presenten diversos inconvenients, entre els quals podem destacar els efectes negatius en la qualitat nutricional dels productes o el seu elevat cost. L'objectiu d'aquesta tesi doctoral es centra en el desenvolupament i avaluació de noves estratègies no tèrmiques per a la inhibició de la PPO amb la finalitat de detindre el enfosquiment enzimàtic. Per això s'aborden dues estratègies diferents. D'una banda, es va seleccionar i avaluar diverses poliamines macrocícliques. Determinat que l'estructura química influeix fortament en el poder inhibidor, existint dos compostos altament eficaços contra el enfosquiment enzimàtic, els quals presenten IC50 de 10 µM i 0.30 mM. La seua eficàcia es va validar en el suc de poma recentment liquat retardant el enfosquiment enzimàtic i la pèrdua de compostos fenòlics totals. D'altra banda, es va estudiat el desenvolupament i aplicació de partícules de sílice mesoporoses funcionalitzades amb diversos grups químics. Els resultats van mostrar que tant l'estructura del material com la funcionalització foren determinants. El suport UVM-7 va oferir la inhibició més forta sobre l'enzim PPO, i una vegada funcionalitzat amb grups tiol aquest va augmentar notablement el seu poder inhibidor, detenint el enfosquiment enzimàtic en el suc de poma. Tot i això, els grups amina, encara que mostren menys poder inhibidor, foren capaços d'immobilitzar l'enzim i eliminar-la del medi. Finalment, el suport UVM-7 va ser magnetitzat per la seva fàcil eliminació del mig, evitant així l'etapa de filtració. El suport UVM-7 magnetitzat i funcionalitzat amb grups tiol va aconseguir mantindre la concentració inicial de vitamina C i flavonoides en el suc de poma. A més, la capacitat antioxidant i el contingut de fenols totals es van mantindre quasi sense canvis. / [EN] The browning of injured fruit and vegetable tissues can cause undesirable changes and consumers' rejection resulting in high economic losses and food waste. This damage, known as enzymatic browning, is mainly caused by the polyphenol oxidase enzyme (PPO) which oxidize the phenolic compounds found in these tissues into reddish pigments named melanonids. Thus, preventing PPO activity in post-harvest processing fruits and vegetables including their juices has received a lot of attention from the food industry. Nonetheless, the current alternatives have some drawbacks such as negative effects on the nutritional quality of products or high cost. Hence, the purpose of this doctoral thesis is focused on the development and evaluation of new non-thermal strategies for PPO inhibition and prevention of the enzymatic browning. For this purpose, two different strategies were addressed; On one hand, several macrocyclic polyamine compounds were selected and evaluated. The chemical structure was found to strongly influence the inhibitor power, and two different compounds were found to be efficient against the enzymatic browning with IC50 of 10 µM and 0.30 mM. Their effectiveness was proved in cloudy apple juice resulting in a delay of the enzymatic browning and the loss of total phenolic compounds. On the other hand, the development and application of mesoporous silica particles functionalized with diverse chemical groups were studied. The results showed that both the structure of the material and the type of functionalization are decisive. The UVM-7 support offered the strongest inhibition of the PPO. The functionalisation with thiol groups enhanced the inhibitor power stopping the enzymatic browning in cloudy apple juice. Alternatively, amine groups, although showing less inhibitory power, were able to immobilise the enzyme. Finally, the UVM-7 support was magnetized for easily elimination of the medium, thus preventing the juice filtration need. Cloudy apple juice treated with magnetized UVM-7 functionalized with tiol groups maintained the initial concentration of both vitamin C and flavonoids. Moreover, the antioxidant capacity and the total phenolic content remained almost unchanged. / Financial support by the Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (project RTI2018-100910-B-C44 and MAT2015-64139-C4-1), Ministerio de Economía y Competitividad (projects CTQ2016-78499-C6-1-R, Unidad de Excelencia MDM 2015- 0038 and CTQ2017-90852-REDC) and Generalitat Valenciana (projects PROMETEOII2015-002 PROMETEO/2018/024 and GVA/2014/13) is gratefully acknowledged. / Muñoz Pina, S. (2021). Mesoporous silica particles and macrocyclic ligands as modulators of polyphenol oxidase activity in food systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/174934 / TESIS / Compendio

Tesis por compendio / [ES] Esta tesis se enfoca en el desarrollo de dispositivos inteligentes para detectar metabolitos de sustancias tóxicas y la sobreexpresión enzimática relacionada con enfermedades. Se aborda la limitación de las técnicas de diagnóstico convencionales y se destaca la utilidad de la orina como muestra biológica. Se discuten conceptos de materiales mesoporosos de sílice, reconocimiento molecular y sondas moleculares fluorogénicas. Los objetivos se detallan, y luego se presenta un nanodispositivo para detectar ácido trans,trans-mucónico (t,t-MA) en orina (S4). Se describe una sonda fluorogénica en el infrarrojo cercano para la detección de elevados niveles de alanina aminopeptidasa en orina (NB-ALA). También se presentan nuevas sondas para detectar biomarcadores de cáncer (NB-SO3-Leu y NB-SO3-Ala), resaltando la importancia de su solubilidad y eliminación renal. Finalmente, se propone una sonda molecular no invasiva (Cy7-MAO) para detectar la enzima monoamina oxidasa a través de medidas de fluorescencia en la orina. Las conclusiones subrayan el potencial de estos sistemas para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades. / [CA] Aquesta tesi s'enfoca en el desenvolupament de dispositius intel·ligents per detectar metabòlits de substàncies tòxiques i la sobreexpressió enzimàtica relacionada amb malalties. S'aborda la limitació de les tècniques de diagnòstic convencionals i destaca la utilitat de l'orina com a mostra biològica. Es discuteixen conceptes de materials mesoporosos de sílice, reconeixement molecular i sondes moleculars fluorogèniques. Els objectius es detallen, i després es presenta un nanodispositiu per detectar àcid trans, transmucònic (t, t-MA) en orina (S4). Es descriu una sonda fluorogènica a l'infraroig proper per a la detecció d'elevats nivells d'alanina aminopeptidasa en orina (NB-ALA). També es presenten noves sondes per detectar biomarcadors de càncer (NB-SO3-Leu i NB-SO3-Ala), ressaltant la importància de la seva solubilitat i eliminació renal. Finalment, es proposa una sonda molecular no invasiva (Cy7-MAO) per detectar l'enzim monoamina oxidasa a través de mesures de fluorescència a l'orina. Les conclusions subratllen el potencial d'aquests sistemes per al diagnòstic i el tractament de malalties. / [EN] This PhD thesis focuses on the development of smart devices for detecting metabolites of toxic substances and enzyme overexpression related to diseases. It addresses the limitations of conventional diagnostic techniques and highlights the usefulness of urine as a biological sample. Concepts of mesoporous silica materials, molecular recognition, and fluorogenic molecular probes are discussed. The objectives are outlined, and then a nanodevice for detecting trans, trans-muconic acid (t,t-MA) in urine (S4) is presented. A near-infrared fluorogenic probe for the detection of high levels of alanine aminopeptidase in urine (NB-ALA) is described. New probes for detecting cancer biomarkers (NB-SO3-Leu and NB-SO3-Ala) are also introduced, emphasizing the importance of their solubility and renal elimination. Finally, a non-invasive molecular probe (Cy7-MAO) is proposed for detecting monoamine oxidase enzyme through fluorescence measurements in urine. The conclusions underscore the potential of these systems for the diagnosis and treatment of diseases. / Domínguez Rodríguez, M. (2023). Development of Smart Devices for the Detection of Metabolites of Toxic Substances and Disease-Related Enzyme Overexpression [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202015 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] La presente tesis doctoral se centra en el diseño, síntesis y caracterización de varios nanodispositivos híbridos orgánico-inorgánicos, utilizando como soporte nanopartículas de sílice mesoporosa equipadas con enzimas y puertas moleculares, los cuales muestran capacidades comunicativas además de la evaluación de diferentes estrategias de comunicación. El primer capítulo incluye un resumen de diferentes conceptos sobre los que se fundamentan los estudios realizados tales como nanotecnología, materiales de sílice mesoporosa, materiales con puertas moleculares que reaccionan a estímulos específicos, partículas Janus y biocomputación. Finalmente, se incluyen conceptos básicos acerca de la comunicación química, materiales y estrategias empleados hasta ahora y ejemplos representativos. A continuación, en el segundo capítulo, se presentan los objetivos generales de esta tesis doctoral que son abordados en los siguientes capítulos experimentales. El tercer capítulo muestra un sistema de biocomputación para liberación basado en nanopartículas Janus de oro-sílice mesoporosa capaces de comunicarse con el entorno procesando la información e imitando la función lógica booleana propia de un demultiplexer y que resulta en la liberación controlada de la carga. Se muestra que dicho nanodispositivo puede llevar a cabo sus funciones en medios complejos como en células cancerígenas. En el cuarto capítulo, se presenta un modelo circular de comunicación dentro de una red de tres nanopartículas diferentes basado en el intercambio jerárquicamente programado de mensajes químicos. La parte mesoporosa del nanodispositivo 1 (S1βgal) es cargada con la especie fluorescente [Ru(bpy)3]Cl2 y tapada con cadenas de oligo(etilenglicol) que contienen puentes disulfuro y que funcionan como puertas moleculares, mientras que la enzima β-galactosidasa es unida a la parte del oro. En la nanopartícula 2 (S2galox), la enzima galactosa oxidasa es inmovilizada en la cara del oro mientras que la sílice mesoporosa es cargada con 4-(bromometil)benzoato de metilo y los poros tapados con un derivado de arilboronato autoinmolante sensible a H2O2 que forma un complejo huéspedanfitrión con β-ciclodextrina. Finalmente, el nanodispositivo 3 (S3est) es funcionalizado con la enzima esterasa en la parte del oro, cargada con la especie reductora hidroclururo de tris(2-carboxietil)fosfina (TCEP) en la parte mesoporosa y tapada con una nanoválvula supramolecular que responde a pH (βciclodextrina:benzimidazol). En el quinto capítulo, se muestra un modelo interactivo de comunicación química entre una nanopartícula Janus abiótica y un organismo vivo (Saccharomyces cerevisiae). En particular, el nanodispositivo está basado en nanopartículas funcionalizadas con glucosa oxidasa en la parte del oro, cargadas con el genotóxico fleomicina y tapadas con la puerta molecular sensible a pH (βciclodextrina:benzimidazol). El microorganismo usado en el estudio es una levadura modificada que expresa GFP bajo el control del promotor del gen RNR3; la transcripción de dicho gen es inducida con la exposición a agentes que dañan el ADN. La ruta de comunicación interactiva empieza con la adición de sacarosa (estímulo de entrada) la cual es hidrolizada en glucosa por la invertasa localizada en el espacio periplásmico de las levaduras y que difunde al nanodispositivo donde es trasformada en el correspondiente ácido por la glucosa oxidasa de la parte del oro. La bajada local de pH da lugar a la apertura de la nanoválvula sensible a pH del nanovehículo y con ello a la liberación de fleomicina (mensaje de vuelta) que induce la expresión de GFP (señal de salida) en las levaduras. En el sexto capítulo, proponemos una estrategia para establecer una comunicación lineal entre dos microorganismos diferentes que no interactúan entre ellos mediada por un nanodispositivo que actúa como traductor químico. Finalmente, las conclusiones generales de la presente tesis doctoral son expuestas en el capítulo siete. El estudio de las capacidades comunicativas de los nanodispositivos mesoporosos funcionalizados con enzimas permite la construcción de estrategias de cooperación entre diferentes entidades que permiten funcionalidades que van más allá que aquellas llevadas a cabo por agentes individuales. / [CA] La present tesi doctoral es centra en el disseny, síntesi i caracterització de diversos nanodispositius híbrids orgànic-inorgànics, utilitzant com a suport nanopartícules de sílice mesoporosa equipades amb enzims i portes moleculars, i que mostren capacitats comunicatives a més de l’avaluació de diferents estratègies de comunicació. El primer capítol inclou un resum de diferents conceptes sobre els quals es fonamenten els estudis realitzats com ara nanotecnologia, materials de sílice mesoporosa, materials amb portes moleculars que reaccionen a estímuls específics, partícules Janus i biocomputació. Finalment, s’inclouen conceptes bàsics sobre la comunicació química, materials i estratègies utilitzades fins ara i exemples representatius. A continuació, en el segon capítol, es presenten els objectius generals d’aquesta tesi doctoral que són abordats en els següents capítols experimentals. El tercer capítol mostra un sistema de biocomputació per alliberament basat en nanopartícules Janus d’or-sílice mesoporosa capaços de comunicar-se amb l’entorn processant la informació i imitant la funció lògica booleana pròpia d’un demultiplexer i que resulta en l’alliberament controlat de la càrrega. Es mostra que aquest nanodispositiu pot dur a terme les seves funcions en mitjans complexos com en cèl·lules canceroses. En el quart capítol, es presenta un model circular de comunicació dins d’una xarxa de tres nanopartícules diferents basat en l’intercanvi jeràrquicament programat de missatges químics. La part mesoporosa del nanodispositiu 1 (S1βgal) es carrega amb l’espècie fluorescent [Ru(bpy)3]Cl2 i es tapa amb cadenes d’oligo(etilenglicol) que contenen ponts disulfur i que funcionen com portes moleculars, mentre que l’enzim β-galactosidasa s’immobilitza a la part de l’or. A la nanopartícula 2 (S2galox), l’enzim galactosa oxidasa s’immobilitza a la cara de l’or mentre que la sílice mesoporosa es carrega amb 4-(bromometil)benzoat de metil i els porus són tapats amb un derivat d’arilboronat autoimmolant sensible a H2O2 que forma un complex hoste-amfitrió amb β-ciclodextrina. Finalment, el nanodispositu 3 (S3est) es funcionalitza amb l’enzim esterasa en la part de l’or, es carrega amb l’espècie reductora hidroclurur de tris (2-carboxietil) fosfina (TCEP) a la part mesoporosa i es tapa amb una nanoválvula supramolecular que respon a pH (β-ciclodextrina:benzimidazol). En el cinqué capítol, es mostra un model interactiu de comunicació química entre una nanopartícula Janus abiòtica i un organisme viu (Saccharomyces cerevisiae). En particular, el nanodispositiu està basat en nanopartícules funcionalitzades amb glucosa oxidasa en la part de l’or, carregades amb el genotòxic fleomicina i tapades amb la porta molecular sensible a pH (βciclodextrina:benzimidazol). El microorganisme utilitzat en l’estudi és un rent modificat que expressa GFP sota el control del promotor del gen RNR3; la transcripció d’aquest gen és induïda amb l’exposició a agents que danyen l’ADN. La ruta de comunicació interactiva comença amb l’addició de sacarosa (estímul d’entrada) la qual és hidrolitzada en glucosa per la invertasa localitzada en l’espai periplasmàtic dels rents i que difon al nanodispositiu on és transformada en el corresponent àcid per la glucosa oxidasa de la part de l’or. La baixada local de pH dona lloc a l’obertura de la nanoválvula sensible a pH del nanovehicle i amb això l’alliberament de fleomicina (missatge de tornada) que indueix l’expressió de GFP (senyal de sortida) en el rent. En el sisé capítol, proposem una estratègia per establir una comunicació lineal entre dos microorganismes diferents que no interactuen entre ells facilitada per un nanodispositiu que actua com a traductor químic. Finalment, les conclusions generals de la present tesi doctoral són exposades en el capítol set. L’estudi de les capacitats comunicatives dels nanodispositius mesoporosos funcionalitzats amb enzims permet la construcció d’estratègies de cooperació entre diferents entitats que permeten funcionalitats que van més enllà que aquelles dutes a terme per agents individuals. Esperem que els resultats obtinguts inspiren aplicacions futures en diferents àrees com ara biomedicina, nanorobots, materials que imiten la naturalesa i tecnologies de la informació. / [EN] This PhD Thesis is focused on the design, synthesis and characterization of several hybrid organic-inorganic nanodevices using mesoporous silica nanoparticles equipped with enzymes and molecular gates which display communication capabilities as well as the design and evaluation of different communication strategies. The first chapter includes an overview of the different concepts which lay the foundations of the presented studies such as nanotechnology, mesoporous silica materials, stimuli-responsive gated materials, Janus particles and biocomputing. Basic concepts of chemical communication, materials and enabling technologies employed so far and representative examples in this field are also included. Next, in the second chapter, the general objectives of this PhD Thesis that are addressed in the following experimental chapters are presented. The third chapter shows a biocomputing delivery system based on Janus gold-mesoporous silica nanoparticles capable of chemically communicating with the environment and processing the information mimicking a demultiplexer Boolean logic function which results in a programmed cargo release. Finally, it is shown that such nanodevice is operative in complex media such as cancer cells. In the fourth chapter, it is presented a circular model of communication within a network of three different nanoparticles based on the hierarchically programmed exchange of chemical messages. The mesoporous face of nanodevice 1 (S1βgal) is loaded with the fluorescent dye [Ru(bpy)3]Cl2 and capped with disulfidecontaining oligo(ethylene glycol) chains acting as gatekeepers, whereas the enzyme β-galactosidase is attached to the gold face. In nanoparticle 2 (S2galox), the enzyme galactose oxidase is immobilized on the Au face, while the mesoporous silica is loaded with methyl 4-(bromomethyl)benzoate and the mesopores capped with a H2O2-sensitive self-immolative arylboronate derivative which forms a host-guest complex with β-cyclodextrin. Finally, the nanodevice 3 (S3est) is functionalized with the enzyme esterase on the Au face, loaded with the reductive species tris(2- carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP) in the mesoporous face and capped with a pH-responsive supramolecular nanovalve (β-cyclodextrin:benzimidazole). In the fifth chapter, it is showed an interactive model of chemical communication between an abiotic Janus nanoparticle and a living organism (Saccharomyces cerevisiae). In particular, the nanodevice is based on Janus goldmesoporous silica nanoparticles functionalized with glucose oxidase on the Au face, loaded with the genotoxin phleomycin and capped with a pH-responsive (βcyclodextrin:benzimidazole) gatekeeper. The microorganism used in the studies is an engineered budding yeast that expresses GFP under the control of the RNR3 promoter; RNR3 gene transcription is induced upon exposure to DNA-damaging agents. The interactive communication pathway starts with the addition of sucrose (input) which is hydrolyzed into glucose by invertase located in periplasmic space of yeasts and diffuses to the nanodevice where it is transformed into the corresponding acid by glucose oxidase on the Au face. The local drop in pH leads to uncapping of the pH-sensitive nanovalve in the nanocarrier and the release of phleomycin (feedback messenger) that induces GFP expression (output) in yeasts. In the sixth chapter, we propose a strategy to establish linear communication between two different non-interacting microorganisms mediated by a nanodevice which acts as a chemical “nanotranslator”. Finally, the general conclusions from this PhD Thesis are presented in chapter seven. The study of communication capabilities of enzyme-functionalized mesoporous nanodevices enables the construction of strategies of cooperation between different entities allowing sophisticated functionalities that go beyond those carried out by individual agents. We hope that the obtained results inspire future applications in different areas such as biomedicine, nanorobots, life-like materials and information technologies. / The authors wish to thank the Spanish Government (projects RTI2018-100910-B-C41 and RTI2018-101599-B-C22 (MCUI/AEI/FEDER, UE), CTQ2017-87954-P), the Generalitat Valenciana (PROMETEO 2018/024), the Comunidad de Madrid (IND2017/BMD7642) and CIBER-BBN (NANOCOMMUNITY project) for support. / De Luis Fernández, B. (2021). Development of enzyme-functionalized hybrid mesoporous nanodevices for advanced chemical communication [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171506 / TESIS / Compendio

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