En el presente trabajo se han diseñado, construido y evaluado dos fluorosensores miniaturizados y portátiles, que pueden representar una alternativa a la instrumentación analítica clásica de elevado coste, gran tamaño y elevado consumo de reactivos, que necesita de mantenimiento y de personal especializado para su utilización. El empleo de fluorescencia representa intrínsecamente una ventaja en términos de sensibilidad y minimización de interferencias, ya que existen muy pocas moléculas que sean fluorescentes, y menos aún en la zona vis-NIR del espectro electromagnético. Asimismo, los dos dispositivos desarrollados presentan una gran versatilidad para su posible uso en la detección de diversos analitos en función del optodo seleccionado. Los optodos empleados en los dispositivos desarrollados incluyen cromo(fluoro)ionóforos que han sido diseñados, sintetizados y caracterizados en el presente trabajo para operar con la instrumentación miniaturizada y de bajo coste disponible. Se han diseñado, sintetizado y caracterizado nuevos colorantes cianina (croconinas, cetocianinas y (nor)cianinas-anilinas) para su utilización como cromo(fluoro)ionóforos en optodos, tanto en medidas basadas en absorbancia como en fluorescencia.El primer dispositivo opera integrado como detector en un sistema de análisis por inyección de flujo continuo (FIA), y tanto con un optodo selectivo a potasio, como con uno selectivo a plomo, ha mostrado unas apropiadas características analíticas. Su utilización en la determinación de potasio en muestras dopadas de agua potable de red y de plomo en extractos de suelos contaminados ha demostrado su aplicabilidad en muestras reales. El segundo dispositivo consiste en una sonda más portátil y manejable y en la que la intercambiabilidad de la membrana es más fácil, para realizar medidas in-situ y en discontinuo. Ésta se ha activado químicamente con un optodo selectivo a plomo y ha mostrado adecuadas propiedades analíticas de respuesta. Finalmente, se ha aplicado a la determinación de plomo en muestras naturales, verificándose su buen funcionamiento. / In this study two miniaturized and portable fluorosensors were designed, constructed and evaluated. These sensors represent an alternative to classical analytical instrumentation which can be expensive, bulky and reagent dependent, not to mention the need for specialized technicians for its use and maintenance. The use of fluorescence represents an intrinsic advantage with regard to sensibility and interference minimization, since few fluorescent molecules exist in the vis-NIR region of the electromagnetic spectrum. These devices are also versatile; depending on the selected optode they can be used in the detection of diverse analytes. The optodes employed in these devices include chromo(fluoro)iononophores and were designed, synthesized and characterized in this study to operate with miniaturized and low-cost instrumentation. New cyanine dyes (croconines, ketocyanines and (nor)cyanine-anilines) were designed, synthesized and characterized for use as chromo(fluoro)iononophores in optodes for absorbance-based measurements as well as for fluorescence-based measurements. The first device operates as an integrated detector in a continuous flow injection analysis (FIA) system and showed excellent analytical performance with a potassium-selective optode, as well as with a lead-selective one. Its use in the determination of potassium in doped potable water samples, and of lead in contaminated soil extracts, demonstrates its applicability to natural samples. The second device consists of a more portable and user-friendly dip-probe which facilitates the interchangeability of the membrane when in-situ and continuous measurements are carried out. The dip-probe device was chemically activated with a lead-selective optode and also demonstrated good analytical response properties.Finally, this second device was applied to lead determination in natural samples, resulting in positive verifiable performance.

El Virus de la Immunodeficiència Humana, VIH, és un virus amb envolta de la família Retroviridae. El primer pas en el procés d'infecció del virus és la seva entrada dins de la cèl·lula hoste. En el cas d'infecció de limfòcits T, primer es produeix el reconeixement del receptor CD4 del limfòcit per part de la proteïna gp120 del virus. Aquest proteïna està unida mitjançant interaccions de tipus febles a una altra proteïna de l'envolta lipídica del virus, la proteïna gp41. Aquesta proteïna és la responsable final de la fusió entre la membrana plasmàtica de la cèl·lula hoste i l'envolta lipídica del virus, permetent l'entrada d'aquest últim al citosol de la cèl·lula i iniciant el procés d'infecció.La proteïna gp41 presenta en el seu extrem amino terminal una seqüència molt hidrofòbica i rica en residus de glicina i alanina, la qual cosa fa que sigui conformacionalment polimòrfca, i que es coneix com pèptid de fusió. Un cop produït el reconeixement, la gp120 sofreix un canvi conformacional que es transmet a la gp41, de manera que el pèptid de fusió interacciona amb la membrana del limfòcit, desencadenant el procés de fusió.En el present treball s'ha estudiat la interacció de pèptids de fusió de la proteïna gp41 del VIH amb membranes model. Els resultats obtinguts han permès proposar un model cinètic dels diferents processos que tenen lloc durant la interacció d'aquests pèptids amb membranes model, contribuint de manera remarcable a resoldre una qüestió fins ara controvertida, referent al tipus d'estructura que adopta el pèptid de fusió quan interacciona amb les membranes i que desencadena la fusió. El treball també ha permès determinar la importància del potencial dipolar de membrana, un paràmetre físico-químic de les membranes, en aquests processos així com la importància de la presència de colesterol en les membranes model. Segons els resultats obtinguts, el pèptid de fusió primerament interaccionaria amb la membrana. Un cop unit a aquesta, el pèptid de fusió experimentaria un canvi conformacional, passant d'una barreja d'estructura helicoïdal, desordenada i de fulla ?, a més estrcutura ?, la qual finalment seria l'estructura responsable de la fusió. A més, el pèptid durant la interacció provocaria una desestabilització de la membrana, una agregació de membranes model i una deshidratació de la seva interfície aigua-lípid. El potencial dipolar de membrana, afectaria tan sols al procés d'unió del pèptid de fusió a les membranes, mentre que no afectaria al canvi conformacional ni a la fusió. Aquests últims estarien afectats per la hidratació de les membranes i/o per la seva fluïdesa, tal i com mostren els resultats obtinguts amb el colesterol. Finalment el treball ens ha permès formular la qüestió de si els agregats peptídics amorfs detectats en el cas dels pèptids de fusió del VIH podrien correspondre a un tipus conformacional més general, implicat en d'altres processos amb rellevància biològica, com l'efecte citotòxic dels pèptids amiloïdes relacionat amb certes malalties neurodegeneratives.El conexeixement dels processos moleculars de la infecció vírica podria permetre el disseny de noves estratègies farmacològiques que podrien inhibir la entrada del virus a la cèl·lula. / The Human Immunodeficiency Virus, HIV, is an enveloped virus of the Retroviridae family. The first step in the sequence of events leading to the virus entry into the target cell is the binding of gp120 to the CD4 receptor on T-lymphocytes membranes. The gp120 protein is noncovalently associated to gp41 protein, which is the protein responsible of fusion between cellular and viral membranes, allowing virus entry in the target cell.The gp41 contains in its amino terminus a sequence rich in glycine and alanine residues, the so-called fusion peptide. Following the interaction of gp120 with the CD4 receptor, a series of conformational rearrangements takes place, which result in the interaction of the N-terminal part of gp41 with the cell membrane. This process has been described to trigger the fusion of the viral and the cellular membranes.In the present work we have studied the interaction of HIV gp41 fusion peptide with model membranes. The results obtained allow us to propose a kinetic model for the different steps that take place during interaction of fusion peptide with model membranes, contributing to resolve a controversial question about the secondary structure that adopts the fusion peptide upon interaction with membranes and that trigger membrane fusion. Results also allowed us to determine the significance of membrane dipole potential on the interaction of fusion peptides with the membranes, an effect which is due to the presence of cholesterol in the model membranes. The results showed that membrane fusion depends on the transformation of unordered and probably helical structures into ? aggregates structures and that such a conformational change occurs upon binding to the membrane. Moreover, this interaction would induce membrane destabilization, vesicle aggregation and the dehydration of the membrane surface. The membrane dipole potential would only affect the binding process but would not affect either the conformational change or the fusion. These two processes would be affected by surface membrane hydration and/or membrane fluidity. Finally this work allowed us hypothesize whether amorphous peptidic aggregates detected in the case of HIV fusion peptides would correspond to a more general structure, that could be involved in others relevant biological processes, such as the cytotoxic effect of amyloid peptides which is related with certain neurodegenerative diseases.The knowledge of molecular mechanisms underlying viral infection could facilitate the design of novel pharmacological strategies against the viral entry into the target cell.

Els olis d'oliva contenen espècies fluorescents, com la vitamina E, les clorofil·les i productes d'oxidació formats degut a la seva degradació. Això fa que es pugui obtenir informació sobre la composició dels olis a partir de mesures de fluorescència. Aquesta informació es pot obtenir a partir de mesures directes, sense necessitat de realitzar cap etapa prèvia de dilució o addició de reactius. Això suposa grans avantatges respecte a altres tècniques que requereixen aquestes etapes, com les cromatogràfiques, ja que no es generen residus addicionals i es redueix el temps d'anàlisi. Tot i això les possibilitats de la fluorescència en l'anàlisi d'olis no estan molt estudiades i aquesta tècnica normalment no s'utilitza en els laboratoris de control de qualitat d'olis. L'actual instrumentació permet enregistrar un conjunt d'espectres de fluorescència a diferents longituds d'ona d'excitació en una única mesura. D'aquesta manera s'obté el que s'anomena matriu d'excitació-emissió de fluorescència. Matemàticament les matrius de fluorescència són matrius de números i s'anomenen dades de segon ordre. Els mètodes quimiomètrics que s'apliquen a les dades de segon ordre reben el nom de mètodes de tres vies, perquè les dades estan disposades en una estructura tridimensional. L'objectiu d'aquesta tesi ha estat caracteritzar olis d'oliva a partir de l'espectroscòpia de fluorescència d'excitació-emissió (EFEE) i de mètodes de tres vies.La primera part de la tesi inclou l'aplicació de mètodes d'anàlisi exploratòria de tres vies a un conjunt d'olis comercials (verges, purs i de sansa d'oliva). Concretament es van aplicar els mètodes anàlisi de components principals sobre la matriu desplegada (unfold-PCA), anàlisi paral·lela de factors (PARAFAC) i anàlisi d'agrupacions jerarquitzada (HCA). Aquests mètodes van permetre diferenciar entre els tipus d'olis en funció de les seves matrius de fluorescència. PARAFAC té l'avantatge que permet extreure els espectres subjacents de les principals famílies de compostos fluorescents.A continuació es va utilitzar un segon conjunt d'olis per a relacionar les seves matrius de fluorescència amb dos paràmetres de qualitat: l'índex de peròxids i K270. L'estudi es va fer comparant dos mètodes quimiomètrics: PARAFAC combinat amb regressió lineal múltiple i regressió per mínims quadrats parcials multi-via (N-PLS). N-PLS va proporcionar ajustos millors i errors de predicció més baixos. També es va veure que l'EFEE permet detectar olis verges degradats.La darrera part de la tesi conté l'aplicació de diversos mètodes de classificació de tres vies per a detectar adulteracions i discriminar olis en funció dels seu origen i tipus. En primer lloc es va estudiar la detecció d'adulteracions d'oli d'oliva verge extra amb olis de sansa (al 5%). Es van aplicar els estadístics Hotelling T2 i Q i els mètodes anàlisi discriminant lineal de Fisher (Fisher's LDA) i N-PLS discriminant. N-PLS discriminant va discriminar entre olis verges i adulterats amb un 100% de classificació correcta. A continuació es mostra que les diferències d'estabilitat entre els olis de les dues subregions de la denominació d'origen protegida "Siurana" es poden detectar a partir de les seves matrius de fluorescència. El mètode unfold-PLS discriminant va permetre discriminar entre els olis de les regions Camp de Tarragona i Montsant amb classificacions superiors al 90%.Finalment, es va aplicar l'algorisme factorització de matrius no negativa (NMF) a les matrius de fluorescència de tres conjunts d'olis diferents. En aquest estudi es mostra que aquest mètode és capaç de descompondre les matrius de fluorescència dels olis en parts positives que es poden relacionar amb algunes espècies fluorescents dels olis. També es van estudiar les possibilitats de NMF combinat amb Fisher's LDA per a classificar olis. Es van obtenir classificacions entre 90-100%. / Olive oil contains fluorescent species, such as vitamin E, chlorophylls and oxidation products produced due to degradation. For this reason, fluorescence measurements can be used to obtain information about oil composition. This information can be obtained from direct measurements without needing any prior step of dilution of addition of reagents. This has great advantages with respect other techniques that require these steps, such as chromatographic, because no additional residues are generated and time of analysis is reduced. However the possibilities of fluorescence applied to olive oil analysis are not well studied and this technique is not normally used by the laboratories of olive oil quality control. The current instrumentation allows recording a set of fluorescence spectra at several excitation wavelengths in one measure. As a result, a fluorescence excitation-emission matrix is obtained. Mathematically, fluorescence matrices are matrices of numbers and are called second-order data. Chemometric methods applied to second-order data are called three-way methods, because the data are arranged in a three-dimensional structure. The objective of this thesis has been to characterize olive oils on the basis of excitation-emission fluorescence spectroscopy (EEFS) and three-way methods.The first part of the thesis includes the application of three-way exploratory methods of analysis to a set of commercial oils (virgin, pure and olive-pomace). The methods applied were unfold principal component analysis (unfold-PCA), parallel factor analysis (PARAFAC) and hierarchical cluster analysis (HCA). These methods enabled to distinguish between the oil types on the basis of their fluorescence matrices. PARAFAC has the advantage of providing the underlying spectra of the main families of fluorescent compounds.Next a second set of oils was considered for relating their fluorescence matrices with two quality parameters: peroxide value and K270. The study involved comparing two chemometric methods: PARAFAC combined with multiple lineal regression and multi-way partial least squares regression (N-PLS). N-PLS provided the best fits and the lowest prediction errors. It was also observed that EEFS can detect degraded virgin oils.The last part of the thesis contains the application of several three-way classification methods for detecting adulterations and discriminating between oils on the basis of their origin and type. Firstly, we studied the detection of extra virgin olive oil adulterations with olive-pomace oils (at 5% level). We applied Hotelling T2 and Q statistics and the methods Fisher's linear discriminant analysis and discriminant N-PLS. Discriminant N-PLS differentiated between virgin and adulterated oils with a 100% of correct classification. Next, it is shown that the different stability of the oils from the two subregions of the protected denomination of origin "Siurana" can be detected from their fluorescence matrices. The method discriminant unfold-PLS enabled to discriminate between the oils from the regions "Camp de Tarragona" and "Montsant" with classifications above 90%.Finally, we applied the algorithm non-negative matrix factorization (NMF) to the fluorescence matrices of three sets of olive oils. In this study it is shown that this method is able to decompose the fluorescence matrices of oils into positive parts that can be related with some fluorescence species of oils. We also studied the possibilities of NMF combined with Fisher's LDA for olive oil classification. We obtained classifications between 90-100%.

L'objectiu general d'aquest treball fou aprofundir en el coneixement dels sistemes de fotoprotecció en fulles de Quercus ilex. Per assegurar l'homogenitat i conservació del material vegetal durant el seu magatzematge i transport fins al moment de l'anàlisi de compostos fotoprotectors, s'ha estandarditzat un protocol consistent en la liofilització de les mostres vegetals amb la prèvia addició de 2-butilamino etanol. Es va comprovar que aquest protocol evita la degradació de les molècules implicades en la fotoprotecció i ha permès disposar de material vegetal sec i homogeni per a poder treballar amb espectroscòpia de reflectància al vermell proper (NIRS).La quantificació de compostos fotoprotectors i antioxidants és costosa en temps i diners. Per a aconseguir-ne una avaluació ràpida i àgil es construí una base de dades (BD) correlacionant, a cadascuna de les mostres de fulles de Q. ilex liofilitzades, les anàlisi bioquímiques de cada molècula amb els seus espectres del NIRS. S'establiren les equacions de cal·libració predictives per la quantificació dels pigments cloroplàstics (clorofil·les a i b, neoxantina, violaxantina, zeaxantina, anteraxantina, α- i ß-carotè, luteïna i luteïna epòxid (Lx)) i compostos antioxidants (α-, (β+γ)-tocoferol, ascorbat i fenols totals) mitjançant l'algoritme per regressió de mínims quadrats parcials. Les equacions de cal·libració de clorofil·les a i b, feofitina, β-carotè, neoxantina, luteina, fenols totals i α-tocoferol foren cal·librades acuradament mentre que les de la Lx i l'α-carotè mostraren resultats de cal·libració no tan bons degut a les baixes concentracions. Aquesta BD permet, per primera vegada, amb una sola lectura NIRS, la predicció de les concentracions de molècules amb caràcter fotoprotector o antioxidant emprades amb més freqüència en estudis ecofisiològics. Se n'ha demostrat la fiabilitat mitjançant un estudi de bosc caracteritzant fulles d'alzines adultes i de rebrots després de tala durant les dues estacions més estressants (estiu i hivern). També s'aplicà la nova BD NIRS per caracteritzar les respostes fotosintètiques i antioxidants de fulles d'alzines i dels seus rebrots originats sota diferents concentracions de CO2: ambiental (350 µL·L-1) (RA) i elevada (750 µL·L-1) (RE). En aquest estudi es demostrà que els RE compensaren la baixa fotosíntesi amb una major participació dels cicles de les xantofil·les (major Z/VAZ) i de la luteina epòxid (menor Lx), els quals són responsables de la dissipació tèrmica de l'excés d'energia d'excitació. Els RE mostraren també un major contingut en ascorbat (el qual es considera responsable de la major part de l'activitat antioxidant a Q. ilex) i un menor contingut en el compostots lipofílics (clorofil·les, carotenoids i tocoferols). Quan es someteren ambdos tipus de rebrots a estrès tèrmic (per alta temperatura), els RE mostraren una major resistència a l'estrès per altes temperatures.Els dos últims objectius d'aquest treball aprofundeixen en el paper de les poliamines en la fotoprotecció de les fulles d'alzina en condicions naturals i en condicions d'irradiància controlada, així com en la funció de les transglutaminases vegetals com a lligands de les poliamines a membranes. Primer trobàrem una disminució de les poliamines lliures (i en especial la putrescina) en augmentar la disponibilitat lluminosa (PPFD), atribuible a una necessitat superior de lligar poliamines als tilacoides per ajudar a la fotoprotecció de l'aparell fotosintètic en front a la situació d'estrès. Posteriorment, observàrem una tendència diürna on els valors més alts de la putrescina lligada a proteïnes i de l'activitat transglutaminasa correspongueren sempre al màxim d'intensitat lumínica i dosi de llum rebuda per les fulles. Aquests dos treballs indiquen la participació de les poliamines, i especialment la putrescina, en la fotoprotecció de l'aparell fotosintètic. En concret, l'activitat transglutaminasa, la quantitat de putrescina lligada i l'índex putrescina/espermidina lligades són uns clars indicadors de la magnitud d'estrès per excés de llum de la planta. / SUMMARY:"PHOTOPROTECTION SYSTEMS IN Quercus ilex L. AND THE APPLICATION OF THE NIRS (NEAR-INFRARED REFLECTANCE SPECTROSCOPY) AS AN ECOPHYSIOLOGICAL TOOL TO DETECT OXIDATIVE STRESS" TEXT:The present work goes deeper into our knowledge of photoprotection systems acting in Quercus ilex leaves.To ensure homogeneus plant material and its conservation during storage and transport until analysis avoiding the degradation of the molecules implied in photoprotection we standardized the conditions during freeze-drying to obtain dry material with an unaltered biochemical composition.Quantifying photoprotective and antioxidant compounds is laborious and expensive. A Q. ilex leaves database using Near Infrared Reflectance Spectroscopy (NIRS-database) and chemical analyses was built. Predictive calibration equations for concentration of chloroplast pigments (chlorophylls a and b, phaeophytin, neoxanthin, violaxanthin, zeaxanthin, antheraxanthin, alpha- and β-carotene, lutein and lutein epoxide) and antioxidants (alpha-, (β+γ)-tocopherol, ascorbate and total phenolics) were established using partial least squares regression algorithm. This is the first time that NIRS is used to characterize pigment composition in plants. NIRS constitutes a valid tool to characterize photoprotection compounds with only one single measurement allowing time and money saving.The NIRS-database feasibility was demonstrated by the characterization of adult holm oak leaves and resprouts after clear cut in their natural environment during the two stressing seasons.The new NIRS-database was applied to characterize the antioxidant compounds responses in holm oak resprouts under ambiental (350 µL·L-1; RA) and elevated (750 µL·L-1; RE) CO2 conditions and high temperature stress (HTS). RE showed higher resistance to HTS showing little response in their antioxidant composition. At the contrary, RA showed a significant increase in lipophilic compounds. Therefore, the higher antioxidant protection and higher temperature tolerance of RE would mitigate the effect of photosynthesis acclimation during the regeneration of Q. ilex plants.Two studies went deeper to the role of polyamines in holm oak photoprotection in its natural habitat or under controlled-irradiance conditions and plant's transglutaminases function binding polyamines to membrane proteins in the protection against high light stress. The obtained results support the hypothesis that the relationship between polamines, and specially putrescine, concentration (free and protein-bound) and transglutaminase activity is modulated by light intensity in Q. ilex leaves and that polamines are involved in the photoprotection of the photosynthetic apparatus.

S'ha avaluat mitjançant estudis in vitro la viabilitat de la teràpia fotodinàmica antifúngica per al tractament clínic d'infeccions causades per les espècies fúngiques patògenes Candida albicans, Candida parapsilosis, Candida krusei i Trichophyton mentagrophytes. L'objectiu és optimitzar aquesta tècnica per proporcionar una alternativa als fàrmacs antifúngics utilitzats en els tractaments clàssics actuals i eradicar així les micosis superficials. S'ha avaluat la capacitat citotòxica de tres fotosensibilitzadors amb propietats fotoquímiques diferents, la hipericina, la 5,10,15,20-tetraquis(N-metil-4-piridil)-21H,23H-porfina i el clorur de 3,7-Bis(etilamino)-2,8-dimetilfenotiacina-5-io, induint tots la inactivació cel.lular sobre les diferents espècies fúngiques. Per avaluar si la la tècnica produeix danys significatius sobre les cèl.lules epidèrmiques humanes s'han realitzat estudis sobre queratinòcits i fibroblasts humans. S'han avaluat els mecanismes d'acció dels tres fotosensibilitzadors mitjançant estudis espectroscòpics i cinètics de formació i desaparició dels seus estats excitats i oxigen singlet. En el cas de l'hipericina també s'han descrit els intermedis que es formen en irradiar, caracteritzant l'accessibilitat dels triplets a l'oxigen. / Se ha evaluado mediante estudios in vitro la viabilidad de la terapia fotodinámica antifúngica para el tratamiento clínico de infecciones causadas por las especies fúngicas patógenas Candida albicans, Candida parapsilosis, Candida krusei y Trichophyton mentagrophytes. El objetivo es optimizar esta técnica para proporcionar una alternativa a los fármacos antifúngicos usados en los tratamientos clásicos actuales y erradicar así las micosis superficiales. Se ha evaluado la capacidad citotóxica de tres fotosensibilizadores con propiedades fotoquímicas distintas, la hipericina, la 5,10,15,20-tetraquis(N-metil-4-piridil)-21H,23H-porfina y el cloruro de 3,7-Bis(etilamino)-2,8-dimetilfenotiacina-5-io, induciendo todos la inactivación celular sobre las distintas especies fúngicas. Para evaluar si la la técnica produce daños significativos sobre las células epidérmicas humanas se han realizado estudios sobre queratinocitos y fibroblastos humanos. Se han evaluado los mecanismos de acción de los tres fotosensibilizadores mediante estudios espectroscópicos y cinéticos de formación y desaparición de sus estados excitados y oxígeno singlete. En el caso de la hipericina también se han descrito los intermedios que se forman al irradiar, caracterizándose la accesibilidad de los tripletes al oxígeno. / Has been evaluated by in vitro viability studies of photodynamic therapy for clinical fungal infections caused by pathogenic fungal species Candida albicans, Candida parapsilosis, Candida krusei and Trichophyton mentagrophytes. The goal is to optimize this technique to provide an alternative to the antifungal drugs used in current classical treatments and thus eliminate superficial mycoses. We assessed the cytotoxic capacity of three photosensitizers with different photochemical properties, the hypericin, 5,10,15,20-tetrakis(N-methyl-4-pyridyl)-21H,23H-porphine and 3,7-Bis(ethylamino)-2,8-dimethylphenothiazin-5-ium chloride, inducing all cell inactivation on different fungal species. To assess if the technique produces significant damage to human epidermal cells, studies with human fibroblasts and keratinocytes were carried. We evaluated the mechanisms of action of the three photosensitisers by spectroscopic and kinetic studies of formation and disappearance of excited states and singlet oxygen. In the case of hypericin have also been described intermediates formed by irradiating, characterized accessibility of triplet oxygen.

[ES] Las arritmias cardíacas son un problema importante para los sistemas de salud en el mundo desarrollado debido a su alta incidencia y prevalencia a medida que la población envejece. La fibrilación auricular (FA) y la fibrilación ventricular (FV) se encuentran entre las arritmias más complejas observadas en la práctica clínica. Las consecuencias clínicas de tales alteraciones arrítmicas incluyen el desarrollo de eventos cardioembólicos complejos en la FA, y repercusiones dramáticas debido a procesos fibrilatorios sostenidos que amenazan la vida infringiendo daño neurológico tras paro cardíaco por FV, y que pueden provocar la muerte súbita cardíaca (MSC). Sin embargo, a pesar de los avances tecnológicos de las últimas décadas, sus mecanismos intrínsecos se comprenden de forma incompleta y, hasta la fecha, las estrategias terapéuticas carecen de una base mecanicista suficiente y poseen bajas tasas de éxito. Entre los mecanismos implicados en la inducción y perpetuación de arritmias cardíacas, como la FA, se cree que las dinámicas de las fuentes focales y reentrantes de alta frecuencia, en sus diferentes modalidades, son las fuentes primarias que mantienen la arritmia. Sin embargo, se sabe poco sobre los atractores, así como, de la dinámica espacio-temporal de tales fuentes fibrilatorias primarias, específicamente, las fuentes focales o rotacionales dominantes que mantienen la arritmia. Por ello, se ha desarrollado una plataforma computacional, para comprender los factores (activos, pasivos y estructurales) determinantes, y moduladores de dicha dinámica. Esto ha permitido establecer un marco para comprender la compleja dinámica de los rotores con énfasis en sus propiedades deterministas para desarrollar herramientas basadas en los mecanismos para ayuda diagnóstica y terapéutica. Comprender los procesos fibrilatorios es clave para desarrollar marcadores y herramientas fisiológica- y clínicamente relevantes para la ayuda de diagnóstico temprano. Específicamente, las propiedades espectrales y de tiempo-frecuencia de los procesos fibrilatorios han demostrado resaltar el comportamiento determinista principal de los mecanismos intrínsecos subyacentes a las arritmias y el impacto de tales eventos arrítmicos. Esto es especialmente relevante para determinar el pronóstico temprano de los supervivientes comatosos después de un paro cardíaco debido a fibrilación ventricular (FV). Las técnicas de mapeo electrofisiológico, el mapeo eléctrico y óptico cardíaco, han demostrado ser recursos muy valiosos para dar forma a nuevas hipótesis y desarrollar nuevos enfoques mecanicistas y estrategias terapéuticas mejoradas. Esta tecnología permite además el trabajo multidisciplinar entre clínicos y bioingenieros, para el desarrollo y validación de dispositivos y metodologías para identificar biomarcadores multi-dominio que permitan rastrear con precisión la dinámica de las arritmias identificando fuentes dominantes y atractores con alta precisión para ser dianas de estrategias terapeúticas innovadoras. Es por ello que uno de los objetivos fundamentales ha sido la implantación y validación de nuevos sistemas de mapeo en distintas configuraciones que sirvan de plataforma de desarrollo de nuevas estrategias terapeúticas. Aunque el mapeo panorámico es el método principal y más completo para rastrear simultáneamente biomarcadores electrofisiológicos, su adopción por la comunidad científica es limitada principalmente debido al coste elevado de la tecnología. Aprovechando los avances tecnológicos recientes, nos hemos enfocado en desarrollar, y validar, sistemas de mapeo óptico de alta resolución para registro panorámico cardíaco, utilizando modelos clínicamente relevantes para la investigación básica y la bioingeniería. / [CAT] Les arítmies cardíaques són un problema important per als sistemes de salut del món desenvolupat a causa de la seva alta incidència i prevalença a mesura que la població envelleix. La fibril·lació auricular (FA) i la fibril·lació ventricular (FV), es troben entre les arítmies més complexes observades a la pràctica clínica. Les conseqüències clíniques d'aquests trastorns arítmics inclouen el desenvolupament d'esdeveniments cardioembòlics complexos en FA i repercussions dramàtiques a causa de processos fibril·latoris sostinguts que posen en perill la vida amb danys neurològics posteriors a la FV, que condueixen a una aturada cardíaca i a la mort cardíaca sobtada (SCD). Tanmateix, malgrat els avanços tecnològics de les darreres dècades, els seus mecanismes intrínsecs s'entenen de forma incompleta i, fins a la data, les estratègies terapèutiques no tenen una base mecanicista suficient i tenen baixes taxes d'èxit. La majoria dels avenços en el desenvolupament de biomarcadors òptims i noves estratègies terapèutiques en aquest camp provenen de tècniques valuoses en la investigació de mecanismes d'arítmia. Entre els mecanismes implicats en la inducció i perpetuació de les arítmies cardíaques, es creu que les fonts primàries subjacents a l'arítmia són les fonts focals reingressants d'alta freqüència dinàmica i AF, en les seves diferents modalitats. Tot i això, se sap poc sobre els atractors i la dinàmica espaciotemporal d'aquestes fonts primàries fibril·ladores, específicament les fonts rotacionals o focals dominants que mantenen l'arítmia. Per tant, s'ha desenvolupat una plataforma computacional per entendre determinants actius, passius, estructurals i moduladors d'aquestes dinàmiques. Això va permetre establir un marc per entendre la complexa dinàmica multidomini dels rotors amb ènfasi en les seves propietats deterministes per desenvolupar enfocaments mecanicistes per a l'ajuda i la teràpia diagnòstiques. La comprensió dels processos fibril·latoris és clau per desenvolupar puntuacions i eines rellevants fisiològicament i clínicament per ajudar al diagnòstic precoç. Concretament, les propietats espectrals i de temps-freqüència dels processos fibril·latoris han demostrat destacar un comportament determinista important dels mecanismes intrínsecs subjacents a les arítmies i l'impacte d'aquests esdeveniments arítmics. Mitjançant coneixements previs, processament de senyals, tècniques d'aprenentatge automàtic i anàlisi de dades, es va desenvolupar una puntuació de risc mecanicista a la aturada cardíaca per FV. Les tècniques de cartografia òptica cardíaca i electrofisiològica han demostrat ser recursos inestimables per donar forma a noves hipòtesis i desenvolupar nous enfocaments mecanicistes i estratègies terapèutiques. Aquesta tecnologia ha permès durant molts anys provar noves estratègies terapèutiques farmacològiques o ablatives i desenvolupar mètodes multidominis per fer un seguiment precís de la dinàmica d'arrímies que identifica fonts i atractors dominants. Tot i que el mapatge panoràmic és el mètode principal per al seguiment simultani de paràmetres electrofisiològics, la seva adopció per part de la comunitat multidisciplinària d'investigació cardiovascular està limitada principalment pel cost de la tecnologia. Aprofitant els avenços tecnològics recents, ens centrem en el desenvolupament i la validació de sistemes de mapes òptics de baix cost per a imatges panoràmiques mitjançant models clínicament rellevants per a la investigació bàsica i la bioenginyeria. / [EN] Cardiac arrhythmias are a major problem for health systems in the developed world due to their high incidence and prevalence as the population ages. Atrial fibrillation (AF) and ventricular fibrillation (VF), are amongst the most complex arrhythmias seen in the clinical practice. Clinical consequences of such arrhythmic disturbances include developing complex cardio-embolic events in AF, and dramatic repercussions due to sustained life-threatening fibrillatory processes with subsequent neurological damage under VF, leading to cardiac arrest and sudden cardiac death (SCD). However, despite the technological advances in the last decades, their intrinsic mechanisms are incompletely understood, and, to date, therapeutic strategies lack of sufficient mechanistic basis and have low success rates. Most of the progress for developing optimal biomarkers and novel therapeutic strategies in this field has come from valuable techniques in the research of arrhythmia mechanisms. Amongst the mechanisms involved in the induction and perpetuation of cardiac arrhythmias such AF, dynamic high-frequency re-entrant and focal sources, in its different modalities, are thought to be the primary sources underlying the arrhythmia. However, little is known about the attractors and spatiotemporal dynamics of such fibrillatory primary sources, specifically dominant rotational or focal sources maintaining the arrhythmia. Therefore, a computational platform for understanding active, passive and structural determinants, and modulators of such dynamics was developed. This allowed stablishing a framework for understanding the complex multidomain dynamics of rotors with enphasis in their deterministic properties to develop mechanistic approaches for diagnostic aid and therapy. Understanding fibrillatory processes is key to develop physiologically and clinically relevant scores and tools for early diagnostic aid. Specifically, spectral and time-frequency properties of fibrillatory processes have shown to highlight major deterministic behaviour of intrinsic mechanisms underlying the arrhythmias and the impact of such arrhythmic events. Using prior knowledge, signal processing, machine learning techniques and data analytics, we aimed at developing a reliable mechanistic risk-score for comatose survivors of cardiac arrest due to VF. Cardiac optical mapping and electrophysiological mapping techniques have shown to be unvaluable resources to shape new hypotheses and develop novel mechanistic approaches and therapeutic strategies. This technology has allowed for many years testing new pharmacological or ablative therapeutic strategies, and developing multidomain methods to accurately track arrhymia dynamics identigying dominant sources and attractors. Even though, panoramic mapping is the primary method for simultaneously tracking electrophysiological parameters, its adoption by the multidisciplinary cardiovascular research community is limited mainly due to the cost of the technology. Taking advantage of recent technological advances, we focus on developing and validating low-cost optical mapping systems for panoramic imaging using clinically relevant models for basic research and bioengineering. / Calvo Saiz, CJ. (2022). Novel Cardiac Mapping Approaches and Multimodal Techniques to Unravel Multidomain Dynamics of Complex Arrhythmias Towards a Framework for Translational Mechanistic-Based Therapeutic Strategies [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182329 / TESIS