In this thesis we study the space of compact connected oriented genus g subsurfaces of a fixed manifold M, and in particular its homological properties. We construct a “scanning map” which compares this space to the space of sections of a certain fibre bundle over M associated to its tangent bundle, and show that this map induces an isomorphism on homology in a range of degrees. Our results are analogous to McDuff’s theorem on configuration spaces, extended from 0-submanifolds to 2-submanifolds. / En esta tesis estudiamos el espacio de subsuperficies compactas, conexas y orientadas de género g de una variedad ambiente M, y en particular sus propiedades homológicas. En particular, construimos una aplicación scanning que compara este espacio con el espacio de secciones de un cierto fibrado sobre M asociado a su fibrado tangente, y mostramos que esta aplicación induce un isomorfismo en homología en cierto rango. Nuestros resultados son análogos al teorema de McDuff sobre espacios de configuraciones, generalizados de 0-subvariedades a 2-subvariedades.

El planteamiento inicial de esta tesis fue el de valorar la capacidad de imitación en grandes simios, uno de los procesos de aprendizaje social que más controversia ha generado en la literatura sobre el aprendizaje animal y sus capacidades cognitivas. Durante el transcurso de la investigación surgió una segunda línea de trabajo centrada en el empleo de las interacciones positivas con humanos como una herramienta para mejorar el bienestar de los animales cautivos. La investigación sobre imitación, se desarrolló con dos especies de grandes simios. Inicialmente se trabajó en el centro de rescate de primates, Rainfer (Madrid) con una hembra de chimpancé (Estudio 1). A continuación, y tras las adaptaciones pertinentes, se replicó en el Parque Zoológico de Barcelona con dos hembras de gorila de costa (Estudio 2). Durante esta fase surgió la posibilidad de iniciar una investigación paralela para valorar las repercusiones que un estudio de este tipo podía tener sobre el bienestar de los individuos (Estudio 3). Los resultados de los Estudios 1 y 2 ponen de manifiesto una destacable capacidad imitativa por parte de los sujetos de estudio. Tanto el sujeto de la especie Pan troglodytes schweinfurthi como los dos individuos de la especie Gorilla gorilla gorilla imitaron correctamente un marcado número de acciones gestuales y acciones con objetos, superando los éxitos registrados en otros estudios anteriores. Además, la tercera investigación incluida en esta tesis, evidencia que la interacción positiva con los humanos, mediante la terapia “entreno/juego”, puede ser una alternativa de enriquecimiento sencilla y económica, así como una herramienta efectiva para mejorar el bienestar de los primates en cautividad y facilitar su manejo. Tal como pudo comprobarse durante el tercer estudio, las sesiones cortas y puntuales de juego entre humanos y grandes simios incrementan la calidad de vida de los individuos mantenidos en cautividad y potencian las relaciones sociales y la aparición de juego entre los integrantes del grupo de gorilas. / This study demonstrates that research on great apes, animal welfare and enrichment in captivity can become three aspects closely related. In order to evaluate the imitative abilities of 1 chimpanzee and 2 western lowland gorillas we used a battery of 52 actions classified in 4 categories (gestures, object, object-object and object-subject). The imitations made by these subjects were far better than any other individual in the literature. On the other hand, this research studied the effects of applying a combination of training sesions with relatively unstructured playing sessions on group of lowland gorillas. Regarding the second study, the results showed positive changes in the gorillas' behaviour: stereotypies, interactions with the public, aggression between subjects and inactivity were all reduced, while affiliative behaviour and individual and social play-related behaviour increased. which would seem to indicate that training/playing can be used to create a more relaxed atmosphere, reducing social tension and improving the well-being of all the subjects involved in any primate´s investigation.

Tesi cotutelada por la Université de Rennes 1 / Esta tesis presenta una serie de modelos analógicos en sistemas compresivos a diferentes escalas. Los de escala cortical simulan estructuras compresivas de antepais y los de escala litosférica simulan la deformación de la placa continental en zonas de subducción. Los de escala cortical se han realizado para comprobar la evolución de una única estructura perteneciente a un sistema de pliegues y cabalgamientos. Esta estructura está sometida a sedimentación sincinemática durante la compresión y tiene dos niveles de despegue precinematicos. La estructura resultante es asimétrica en el caso de poca sedimentación y poco acortamiento, y su simetría aumenta cuando la sedimentación sincinemática y el acortamiento aumentan. Los resultados se han aplicado al Subandino boliviano. Los de escala litosférica se han realizado para investigar los parámetros que influencian la subducción y la extensión trasarco. Cada modelo consiste en dos placas adyacentes compuestas de arena y silicona, que simulan una placa continental y otra oceánica. Estas placas están flotando sobre miel que simula la astenósfera. Los parámetros estudiados son: (1) la velocidad de convergencia, (2) el tamaño del pistón y (3) la diferencia de densidades entre las placas continental y oceánica. Esta diferencia de densidades es el parámetro clave para explicar la extensión trasarco, y cuanto menor es esta diferencia menor es la extensión que se produce. El caso natural donde se han aplicado estos modelos es Anatolia. Finalmente estos modelos anteriores han sido utilizados para analizar la reproducibilidad y las limitaciones de la modelización analógica. Los parámetros que pueden influenciar los resultados son: (i) la heterogeneidad de los materiales, (ii) la técnica de construcción del modelo, (iii) los posibles problemas que pueden aparecer cuando el experimento está en marcha, (iv) la heterogeneidad natural de la deformación, y (v) la localización de la observación. Los resultados muestran que no todos los modelos tienen la misma reproducibilidad, los experimentos a escala cortical permiten análisis cuantitativos mientras que los de escala litosférica solo permiten análisis cualitativos.

La propuesta de una vejiga artificial es un obstáculo a trasponer. El cáncer de vejiga está entre los casos más frecuentes de enfermedades oncológicas en Estados Unidos y Europa. Ese cáncer es considerado un problema médico importante una vez que esa enfermedad presenta altas tasas de re-ocurrencia, muchas veces llevando a la remoción del órgano. La solución más sofisticada para remplazar ese órgano es la vejiga ileal, que consiste en una neovejiga hecha de tejido intestinal del enfermo. Desafortunadamente, esa solución presenta no solo problemas mecánicos funcionales, descritos en la literatura como problemas de vaciado y fuga, peo también problemas de orden biológica (como ejemplo pérdida ósea, debido a la absorción por el intestino de substancias que necesitan ser eliminadas del organismo). A través de la solicitación de la comunidad urológica del Hospital Clínico de Barcelona y con su experiencia en modelos numéricos para estructuras biomédicas, el Centro de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE) ha tenido la iniciativa de proporcionar actividad investigadora de la mecánica de la vejiga urinaria y de la simulación de interacción fluidoestructura para reproducir el llenado y vaciado de ese órgano con la orina. La simulación de la vejiga humana por el Método de los Elementos Finitos (FEM) y un completo entendimiento de la mecánica de ese órgano y de su interacción con la orina dará la posibilidad de proponer mejora en la geometría y de analizar materiales para la solución artificial en caso de remplazamiento de la vejiga. Para lograr ese objetivo, primeramente procedemos a una revisión bibliográfica de los modelos matemáticos del aparato urinario y un estudio comprehensivo de la fisiología y dinámica de la vejiga. Presentamos una revisión de las principales estructuras urológicas, riñón, uréter y uretra. Las estructuras anexas también son consideradas para entender las condiciones de contorno del problema estudiado. Posteriormente, proponemos el modelo constitutivo para estudiar la vejiga urinaria humana. El comportamiento del musculo detrusor durante llenado y vaciado de la vejiga con orina, su habilidad de retención de orina a baja presión debe ser correctamente representada por medio de la implementación de un modelo constitutivo no-lineal. El modelo matemático necesita representar las variables mecánicas que gobiernan ese órgano, y también las propiedades de la orina. El comportamiento no-lineal de tejidos vivos es implementado y validado con ejemplos de la literatura. La propiedad quasi-incompressible de la orina y las ecuaciones Navier-Stokes son consideradas para análisis del fluido. Para representar la geometría de la vejiga, implementamos un modelo computacional 3D a partir de imágenes de tomografía computadorizada de un cadáver adulto. Los datos son tratados para considerar las condiciones de contorno. Hemos construido dos modelos de malla: un mallado con tetrahedos de cuatro nodos y otro mallado con elementos de membrana de tres nodos. El esquema utilizado para calcular la interacción fluido-estructura debe ser adecuado para materiales de densidad muy parecidas. El análisis numérico de llenado y vaciado de la vejiga humana es validada con tests urodinámicos estandarizados. La parte final de la tesis, presentamos una simulación de una neo-vejiga, siendo el primer paso para representar numéricamente materiales artificiales para remplazamiento de la vejiga. / The proposal of an artificial bladder is still a challenge to overcome. Bladder cancer is among the most frequent cases of oncologic diseases in United States and Europe. It is considered a major medical problem once this disease has high rates of reoccurrence, often leading to the extirpation of this organ. The most refined solution to replace this organ is the ileal bladder, which consists of a neobladder made of the patient’s intestinal tissue. Unfortunately this solution presents not only functional mechanical problems, described on the literature as voiding and leaking problems, but also biological ones (i.e. bone loss, given the absorption by the intestine of substances that should be eliminated from the organism). Urged by the urological community of the Hospital Clinic de Barcelona and backgrounded by its experience in the numerical simulation of biomedical structures, the Center of Numerical Methods in Engineering (CIMNE) had the initiative to provide the research of the mechanics of the urinary bladder and the simulation of fluid structure interaction (FSI) to account for the filling and voiding of this organ with urine. The Finite Element Method (FEM) simulation of the real bladder and the comprehensive understanding of the mechanics of this organ and its interaction with urine will give the possibility to propose geometrical improvements and study suitable materials for an artificial solution to address the cases on which the bladder needs to be removed. To reach this goal, first we proceeded to the bibliographic review of mathematical models of the urinary apparatus and to a comprehensive study of the physiology and dynamics of the bladder. A review of the major urological structures, kidney, ureter and urethra, takes place. To consider boundary conditions other surrounding structures to the urinary system are also studied. In the second part of the thesis, we propose the numerical model to study the human urinary bladder. The behavior of the detrusor muscle during filling and voiding of the bladder with urine and its ability to promote the storage of urine under low pressure need to be accurately represented, requiring the implementation of a non-linear constitutive model. The mathematical model needs to be capable to simulate the mechanical variables that govern this organ and the properties of the urine. The nonlinear behavior of living tissues is implemented and validated with examples from the literature. The quasi-incompressibility property of urine and the navierstokes equations for the fluid are taken into account. The geometry of the bladder needs to be taken into account, and the implementation of a 3D computational model obtained from the computerized tomography of a cadaver male adult is considered. The data has been treated to consider boundary conditions. Two models have been conceived: one meshed with four nodes tetrahedral and another meshed with shell elements. FSI must work for the simulation of filling and voiding of the bladder. Due to the close densities of the materials the scheme used to solve fluid-structure needs to be carefully selected. The proposed numerical model and the filling and voiding analysis are finally validated with standardized urodynamic tests. The final part of the thesis, the simulation of a neobladder is presented, being the first step to simulate numerically artificial materials for bladder replacement.

Cell migration is a fundamental element in a variety of physiological and pathological processes. Alteration of its regulatory mechanisms leads to loss of adhesion and increased motility, critical steps in the initial stages of metastasis. Consequently, cell migration has become the focus of intensive experimental and theoretical studies; however the understanding many of its mechanisms remains elusive. Cell migration is the result of a periodic sequence of protrusion, adhesion remodeling and contraction stages that leads to directed movement towards external stimuli. The spatio-temporal coordination of these processes depends on the activation of the signaling networks that regulate them at specific subcellular locations. Particularly, the family of small RhoGTPases plays a central role in regulating cell polarization, the formation of adhesion sites and the generation of the forces that drive motion. Theoretical models based on an independent description of these processes have a limited capacity to predict cellular behavior observed in vitro, since their functionality depends on the cross-regulation between their signaling pathways. This thesis presents a model of cell migration that integrates a description of force generation and cell deformation, adhesion site dynamics and RhoGTPases activation. The cell is modeled as a viscoelastic body capable of developing traction and protrusion forces. The forces are determined by the activation level of the RhoGTPases, whose distribution in the cell is described by a set of reaction-diffusion equations. Adhesion sites are modeled as punctual clusters of transmembrane receptors that dynamically bind and unbind the extracellular matrix depending on the force transimtted to them and the distance with ligands coating the substrate. On the theoretical level, the major findings relate the topology of a Crosstalk Scheme and the properties inherited by the associated reaction network as a gradient sensing and regulatory system: reversible polarization, adaptation to uniform stimulus, multi-stimuli response and amplification. Models formulated according to these principles remain functional against the biological diversity associated to different cell types and match the observed behavior in Chemotaxis essays: the capacity of cells to detect shallow gradients, polarize without featuring Turing patterns of activation, and switch the direction of migration after the stimulus source is changed. The biological implications challenge a long held view on the mechanisms of RhoGTPase crosstalk and suggests that the role of GDIs, GEFs and GAPs has to be revised, as supported by recent experimental evidence. In addition, the model recapitulates a continuous transition from the tear-like shape adopted by neutrophiles to the fan-like shape of keratocytes during migration by varying the magnitudes of protrusion and contraction forces or, alternatively, the strength of RhoGTPase Crosstalk. The second mechanism represents a novel explanation of the different morphologies observed in migrating cells. On cell mechanosensing, a new hypothesis is proposed to explain how cells sense the mechanical properties of the ECM. The hypothesis provides a unifying explanation to apparently conflicting observations on force development and growth in real time at cell Focal adhesions, previously attributed to differences in experimental set-ups or cell types studied. An interpretation for the observed relationships between polarization time, migration speed, mechano-sensing limits and substrate rigidity follows from this hypothesis. Further, the theory directly suggests the currently unknown mechanisms that could explain the universal preference of cells (bar neurons) to migrate along stiffness gradients, and for the first time, a plausible biological function for the existence of this phenomenon. It is known as Durotaxis, and its abnormal regulation has been associated to the malignant behaviour of cancer cells.

Tesi realitzada al Departament d'Isquèmia i Inflamació (IIBB-CSIC-IDIBAPS) / After ischemic damage in kidney, alternatively activated or M2 macrophages are key players in resolving inflammation and participating in kidney repair. Obtaining this particular phenotype is a process controlled by deregulation of a series of genes. Modulation of those genes could result in controlling macrophages phenotype and functions, aiming new approaches in resolving ARF. The first aim of this study was to identify genes that are related to M2 macrophages that are involved in tissue repair. By functional genomics we have identified the expression of 14 genes crucial for the induction of the endogenous reparative capacity of the kidney that are modulated by the presence of macrophages. We also demonstrated that modulation of Ivns1abp gene can modulate renal repair. More concrete we show that over-expression of the Ivns1abp gene can enhance macrophages regenerative capacity and switch their phenotype towards M2, provoking modulation of their inflammatory state and increasing its resistance against inflammation inputs. We also demonstrated that silencing of the Ivns1abp genet to macrophages leads them to acquire a M1 phenotype and decrease their reparative and phagocytosis capacity. As a last step, we define pathways that regulate the transcription of the Ivns1abp gene. We show that Ivns1abp gene expression in macrophages is regulated by the c-myc transcription factor and modulated by the presence of cytokines determining cell fate. / Después de la lesión isquémica en el riñón, los macrófagos activados alternativamente o M2 no solo participan en la reparación del daño sino son factores clave en la resolución de la inflamación. La obtención de este fenotipo particular es un proceso controlado por la desregulación de una serie de genes. Modulando estos genes, se podría controlar el fenotipo y las funciones de los macrófagos, con el objetivo de nuevos enfoques en el tratamiento de FRA. El primer objetivo de este estudio fue identificar los genes que están implicados en la reparación de tejidos y que están relacionados con los macrófagos M2. Por genómica funcional hemos identificado la expresión de 14 genes cruciales para la inducción de la capacidad regeneradora endógena del riñón y modulados por la presencia de macrófagos. A continuación hemos demostrado que la modulación del gen Ivns1abp puede modular la reparación renal. En concreto hemos demostrado que la sobre-expresión del gen Ivns1abp en macrófagos puede mejorar su capacidad regenerativa y cambiar su fenotipo hacia M2, provocando la modulación de su estado inflamatorio y aumento de su resistencia frente la inflamación. Se demostró además que el silenciamiento del gen Ivns1abp en macrófagos disminuye su capacidad reparadora y fagocítica transformando su fenotipo a M1. Como ultimo, hemos definido las vías que regulan la transcripción del gen Ivns1abp. Hemos demostrado que la expresión del gen Ivns1abp en los macrófagos está regulada por el factor del trascripción c-myc y modulada por la presencia de citoquinas, determinando el destino de la célula.

Sex allocation (SA) refers to the proportion of resources allocated to male and female reproduction; relatedly, sex ratio (SR) refers to the numbers of each sex that are produced. Hence, their scientific study deals with the variation in the quantity and quality of males and females and its ultimate and proximate causes. Adaptive theories make predictions about sex allocation under the assumption that facultative adjustment will be favoured when the fitness benefits compensate the fitness costs. However, although SA theory is one of the great successes of evolutionary biology and its mechanisms have been successfully applied to a number of taxa, they are still poorly understood in vertebrates. This thesis investigated causes of variation in avian sex allocation, with a focus on the role of sexual size dimorphism (SSD) and other features of avian life-history, associated with differences in the reproductive value of sons and daughters. In the first section, we present the results of tests of a sex ratio population model which involve species with sexual size dimorphism, in which it is possible to estimate the strength of selection for adjustments. Both species-level and phylogenetically controlled analyses showed that, across bird species, hatching and fledging sex ratios are influenced by the degree of SSD. Dimorphic species show a higher proportion of the smaller sex, but the effect is particularly strong in species with female-biased SSD. Parents adjust offspring sex ratio by differential production, possibly the less costly mechanism, rather than by sex-specific mortality. The degree of SSD is also correlated with offspring sex-biased vulnerability (expressed as a greater mortality and mass reduction of the larger sex). The survival and viability costs involved in achieving a larger body size support the size-dependent explanations of vulnerability. However, they should be combined with sex-dependent explanations, as growing large is mainly disadvantageous when coupled with the male-phenotype. Other life-history characteristics of the species, however, appear as potential modifiers of the relationship between SR and SSD. This reflects the composite matrix of factors that are acting on avian sex ratio evolution and questions the validity of “equal-investment” theories in this context. In the second section, the common tern Sterna hirundo was used as model species to investigate, via observational and experimental studies, the factors that could shape sex allocation in this slightly dimorphic species. In search for indications of different reproductive value/costs of each sex and possible differential parental allocation, we describe the sexual dimorphism in phenotype and developmental strategies of the offspring, related to environmental and parental traits. The results underline (1) the potential of parents to affect the development of their offspring by differential supply of particularly important resources, such as carotenoids; and (2) the influence of parental reproductive quality on the offspring sexual differences, even if these are slight. Furthermore, we performed a comprehensive study with complete information over a long period (7 years), to examine sex ratio and sex-specific mortality in common terns. Population patterns revealed no deviations from parity, but environmental factors and parental condition and quality affected sex ratio adjustment at individual level. Overall, this thesis highlights the intricate relationships between facultative sex ratios and individual and life-history traits which may drive the evolution of sex allocation in birds. / La asignación por sexo (SA) se refiere a la proporción de recursos asignados a la reproducción masculina y femenina. Un concepto relacionado es la razón de sexos (SR), el número relativo de machos y hembras. Su estudio científico trata de la variación en cantidad y calidad de cada sexo y de sus causas últimas y próximas. Las teorías adaptativas hacen predicciones bajo el supuesto de que el ajuste facultativo se ve favorecido cuando los beneficios en eficacia biológica compensan los costes. Empero, sus mecanismos son aún poco conocidos en vertebrados. En esta tesis se investigaron las causas de variación en la SA en aves, con especial énfasis en el papel del dimorfismo sexual en tamaño (SSD) y de otras características de estrategia vital. La primera sección presenta los resultados de un modelo de SR a nivel poblacional que incluye especies con distintos grados de SSD, en las que es posible estimar la fuerza de la selección para los ajustes. Los análisis comparativos mostraron que el SSD influye en los patrones de SR y vulnerabilidad diferencial de la descendencia. Otras características biológicas de las especies, sin embargo, parecen modificar estas relaciones. Una compleja matriz de factores parece actuar sobre el SR en aves, cuestionando la validez de las teorías de “inversión igualitaria" en este contexto. La segunda sección presenta estudios observacionales y experimentales de los factores que afectan a la asignación por sexo en el charrán común (Sterna hirundo). Se analizó el dimorfismo sexual en el fenotipo y estrategias de desarrollo de los pollos en relación a distintos factores. Los resultados subrayan (1) el potencial parental para influir en el desarrollo de la descendencia, a través del suministro diferencial de recursos, y (2) la influencia de la calidad parental en las diferencias sexuales, aunque pequeñas, de la descendencia. Además, se realizó un estudio del SR durante un largo período (7 años). Los patrones poblacionales de mortalidad y SR no revelaron desviaciones de la paridad, pero factores ambientales y de condición y calidad parental influyeron en el ajuste a nivel individual. Esta tesis pone de relieve las complejas relaciones entre la razón de sexos facultativa y los rasgos individuales y de estrategia vital que conducen a la evolución de la SA en aves.

Treball realitzat en el Departament d’Evolució funcional d’insectes de l’Institut de Biologia Evolutiva (CSIC-UPF) / La panerola Blattella germanica és un insecte de metamorfosi incompleta (hemimetàbol) i anautògen. Aquesta és una estratègia reproductiva per la qual les femelles no es poden reproduir fins que no han menjat. D'alguna manera els senyals nutricionals han d'arribar als diferents teixits i cèl•lules per informar-los que s'ha assolit un estat nutricional adequat per iniciar els processos reproductius. Tant la via de TOR com la via del receptor d'insulina (InR) semblen formar part conjunta d'aquesta senyalització nutricional. A B. germanica la vitel•logènesi s'activa mitjançant l'hormona juvenil (HJ), que es fabrica i secreta per unes glàndules retrocerebrals anomenades corpora allata (CA). Quan falta l'aliment, els CA no sintetitzen HJ i aquesta no pot activar la síntesi de vitel•logenina (Vg) en el cos gras (CG), que no pot ser incorporada als ovaris, impedint que aquests es desenvolupin correctament. Prèviament havia estat clonada la seqüència de TOR de B. germanica (BgTOR). En aquest treball s'han clonat les de BgInR, BgS6K i de BgPepck. Gràcies al dsRNAi s'ha estudiat la funció del InR com a regulador del creixement, veient que no només afecta a la maduresa sexual de les femelles sinó també la seva mida quan s'injecta en estadis nimfals. La interferència del InR també produeix problemes en el correcte desenvolupament i desplegament de les ales i les tegmines. Així mateix, s'ha comprovat que la interferència del InR fa baixar els nivells dels trànscrits de HMG-S1, HMG-S2, HMG-R i epoxidasa en els CA, implicats en la síntesi d'HJ, així com de la Vg en CG , independentment de l'efecte de la HJ sobre aquesta. També s'ha vist que la interferència del InR produeix una major longevitat en les femelles, a causa que aquestes no es reprodueixen, evitant el desgast que això produeix. Alhora, l'aplicació de dsInR confereix certa protecció davant situacions de dejuni. Altres resultats suggereixen que l'activació d'S6K, tal com succeeix en altres organismes, es realitza per modificacions post-transcripcionals, probablement per fosforilació de la proteïna. S'ha començat a posar a punt un sistema de western-blot per usar-lo per a la detecció de l'estat de fosforilació de S6K i per tant del seu estat d'activació. Mitjançant la tècnica del RNAi s'ha comprovat que la interferència per S6K fa baixar els transcrits de HMG-S1, HMGS2, HMG-R i epoxidasa en els CA, implicats en la síntesi d'HJ, així com la Vg en CG, indicant que està implicat en la transmissió del senyal nutricional als teixits implicats en la vitel•logènesi. Finalment s'ha establert Pepck com a marcador de l'estat nutricional, ja que s'incrementa la seva expressió en situacions de dejuni. No s'ha observat, però, que augmenti quan es redueixen els nivells de S6K o InR mitjançant RNAi, la qual cosa ens indica que la influència de la situació de dejuni sobre la transcripció de PEPCK es pot realitzar per vies alternatives a S6K i InR, si bé sembla que necessita de la presència de InR funcional. / The cockroach Blatella germanica is a hemimetabolous insect with anautogenous reproduction. TOR and Insulin Receptor (InR) pathways are responsible of the nutritional signaling and to control reproductive processes. In B. germanica the yolk protein synthesis is activated by juvenile hormone (JH), which is secreted by retrocerebrals glands known as corpora allata (CA). In starvation, CA are not able to synthesize JH and it can’t activate the synthesis of vitelogenin (Vg) in the fat body (FB), and it can’t be incorporated by the ovaries, preventing their proper development. In this work we have cloned the sequences of BgInR, BgS6K and BgPepck. Using RNAi, InR has been studied as a regulator of growth, affecting not only sexual maturity of females, but also their size when RNAi is injected at nymphs. InR interference also produces problems for the proper development and deployment of wings and elytra. It has also been observed that InR interference lowers the levels of HMG-S1, HMG-S2, HMG-R and epoxidase transcription in CA, involved on the synthesis of JH by CA, and consequently, reducing Vg levels. Independently of JH, InR has a direct effect on Vg expression. Besides, InR interference confers greater longevity in females and protection in front of fasting. We have also begun to implement western-blot technique to detect phosphorylation of S6K. The S6K interference reduce transcription levels of HMG-S1, HMG-S2, HMG-R and epoxidase in CA, and Vg in the CG , indicating that it is involved in nutritional signal transmission to the tissues involved in vitelogenesis. Finally, we established Pepck as a marker of the nutritional status, as its expression is increased in starvation. However, it has not been observed any increase when reducing the levels of S6K or InR using RNAi, indicating that the influence of starvation on Pepck transcription can be performed in alternative ways to S6K and InR, but needs the presence of functional InR.

El text de la “Part III – Results” ha estat retirat seguint instruccions de l’autora de la tesi, en existir participació d’empreses, existir conveni de confidencialitat o existeix la possibilitat de generar patents / The text of this chapter (“Part III – Results”) has been withdrawn on the instructions of the author, as there is participation of undertakings, confidentiality agreement or the ability to generate patent / Carbon-encapsulated iron nanoparticles have being researched heavily, since they present advantageous properties over other protective coatings such as polymer or silica. The carbon coating protects the iron core from oxidation, chemical and thermal degradation and hence, magnetic cores present stable magnetic properties when nanoparticles are exhibited in air or other environments. Several studies about carbon-encapsulated magnetic nanoparticles were already reported. However, nanoparticles are obtained rather polydisperse and not very uniform in composition, making very difficult their use for several applications. The aim of this thesis is the production and characterisation of carbon-encapsulated iron nanoparticles showing very narrow size distributions with well-characterised magnetic properties for several applications, in particular, those related to the biomedical field (hyperthermia, drug delivery or as agents contrast in MRI). However, the systematic study of these applications was not the framework of this thesis. The content of this dissertation comprises the design of two arc-discharge plasma (ADP) reactors (a conventional and a modified one); the experimental study of the different reactor parameters involved; the morphological, structural and magnetic characterisation of the obtained nanoparticles; the comprehension of the mechanisms involve in the formation of this kind of nanoparticles in comparison with nanoparticles obtained by other methods; and finally, a first approach to the functionalisation of the nanoparticles for the biomedical applications. This thesis is structured in four parts: Backgrounds (Chapter 1), Nanotools (Chapter 2 and Chapter 3), Results (from Chapter 4 to Chapter 8) and finally, the Conclusions. Chapter 1 - Basis of carbon-encapsulated iron nanoparticles: A general introduction of the nanoparticle properties derived from their nanometric dimensions is presented in this chapter. The state of the art about the formation mechanisms and techniques used for the generation of carbon-encapsulated iron nanoparticles is described. Several applications of this kind of nanoparticles in fields such as biomedicine, electronics or food and environmental, are also presented. Chapter 2 - Characterisation methods: The most common characterisation techniques used to investigate the morphological, composition, structural and magnetic properties are described within this chapter. Details about the equipments and conditions used during this thesis for the characterisation of the nanoparticles are also reported. Chapter 3 - Experimental set-up: In this chapter, the description of two different arc-discharge reactors used during this thesis is presented. A first reactor (the conventional ADP) was developed by following similar experimental setups described in the literature. Second reactor (a modified ADP) was designed to overcome the disadvantages from the first reactor and to obtain high quality nanoparticles (narrower size distribution, uniform composition). Chapter 4 - Preliminary studies from conventional ADP reactor: This chapter presents a design of experiments (DOE) based on the Plackett-Burman design in order to evaluate the reactor parameters that influence the most the final characteristics of the nanoparticles. The study was performed using the conventional ADP reactor and the preliminary results were very useful for the development of next generation of experiments using the second reactor, the modified ADP. Chapter 5 - Generation of nanoparticles by a modified ADP reactor: Morphological and structural properties of the nanoparticles obtained by the modified ADP reactor are presented. The discussion of the effect of the most relevant parameters on the formation of the nanoparticles was reported. Iron core diameters with corresponding size distribution as well as the carbon shell formation obtained under different parameter conditions were investigated. Chapter 6 - Magnetic properties of the nanoparticles: A systematic study of the magnetic properties of the nanoparticles obtained in Chapter 5 is performed. Size-dependent variables such as magnetic moments, coercivity values, blocking temperature and anisotropy energies were presented. Magnetic properties were in agreement with the morphological characteristics of the nanoparticles. Chapter 7 – Thermally induced structural evolution of the nanoparticles: The comparison of annealed nanoparticles obtained by mADP and chemical vapour deposition (CVD) method is presented in this chapter. Differences on the morphological, structural and magnetic properties were studied. Structural evolution of nanoparticles during annealing under in-situ TEM observations was investigated. Chapter 8 - First approach to biomedical applications: As a first approach to biomedical applications, the stabilisation of the nanoparticles in aqueous solution by using polyvinyl-alcohol was investigated. Results of the internalisation of the nanoparticles into HeLa cells are presented. / Les nanopartícules magnètiques de ferro recobertes de carboni s’estan investigant en gran mesura, ja que presenten avantatjoses propietats sobre d’altres recobriments protectors del nucli magnètic com els polímers o la sílice. El recobriment de carboni protegeix el nucli de ferro de l’oxidació, la degració química i tèrmica, d’aquesta manera els nuclis presenten propietats magnètiques estables quan les nanopartícules s’exhibeixen en aire o en un altre medi. S’han realitzat diversos estudis sobre aquest tipus de nanopartícules, però aquest tipus de nanopartícules s’obtenen amb gran dispersió de grandàries i poca uniformitat en les seves característiques. És encara un repte en aquest camp la producció de nanopartícules de ferro recobertes de carbon amb propietats morfològiques i estructurals, així com l’estudi sistemàtic de les seves propietats magnètiques. Per aquest motiu, l’objectiu d’aquesta tesi es centra en la producció i caracterització de nanopartícules superparamagnètiques de ferro recobertes de carboni amb estreta distribució de mides i amb propietats magnètiques ben caracteritzades per diverses aplicacions, en particular, les relacionades amb el camp de la biomedicina. No obstant això, l’estudi sistemàtic d’aquestes aplicacions es troba fora del marc d’aquesta tesi. El contingut s’estructura en quatre parts: • La primera part d’introducció conté els aspectos bàsics sobre aquest tipus de nanopartícules, així com les propietats derivades de la seva mida nanomètrica, les tecnologies que s’utilitzen per generar aquest tipus de nanopartícules, una explicació sobre els possibles mecanismes responsables de la seva formació i les principals aplicacions d’aquestes nanopartícules. • La segona part descriu les tècniques utilitzades per la seva caracterització que engloben tècniques de microscopia, de difracció de raigs-X, d’espectroscòpia Raman, per la caracterització col•loidal de les nanopartícules fins la seva caracterització magnètica. També inclou la descripció detallada dels equips basats en la descàrrega d’arc utilitzats per la seva producció. El primer equip es va dissenyar seguint les característiques d’un reactor convencional (conventional ADP reactor). El segon equip basat en la mateixa tecnologia de descàrrega d’arc, però modificat (mADP reactor) i dissenyat especialment amb l’objectiu de millorar les característiques del producte final. • La tercera part exposa els resultats obtinguts durant aquesta tesi. L’estudi previ del reactor convencional basat en un disseny d’experiments de Plackett-Burman per avaluar l’efecte dels diferents paràmetres del reactor en la grandària dels nuclis de ferro. A partir d’aquest estudi, es va realitzar un estudi més específic en el nou reactor modificat on es van estudiar l’efecte del corrent d’arc utilizat, la velocitat del flux d’heli i el contigut de ferrocè com a matèria prima del ferro. Després es va realitzar l’estudi sistemàtic de les seves propietats magnètiques observant la dependència d’aquestes propietats amb la grandària dels nuclis de ferro. A continuació, es va presentar la comparació d’aquestes nanopartícules amb d’altres obtingudes mitjantçant el mètode de dipòsit químic en fase vapor (CVD). A partir d’aquesta comparació es va estudiar l’evolució estructural d’aquestes nanopartícules sotmetes a un tractament tèrmic en observació in-situ d’un microscopi de transmissió electrònica. Finalment, es va presentar un primer estudi de les propietats col•loidals en suspensió d’aquestes nanopartícules recobertes amb un polímer d’alcohol de polivinil (PVA). Es presenta un primer estudi de l’internalització d’aquestes nanopartícules en cèl•lules tumorals HeLa. • Per acabar es presenten les conclusions i l’apèndix que conté informació sobre les mostres produïdes i un llistat de publicacions, congressos, patents resultants d’aquest treball.

En la present tesi doctoral s’ha plantejat com un dels principals objectius desenvolupar un sistema de diagnòstic in vitro per a detectar al∙lèrgies a fàrmacs β‐lactàmics, i més concretament contra amoxicil∙lina, una de les penicil∙lines més utilitzades com a antibiòtic avui dia. Per tal d’aconseguir els determinants antigènics necessaris per desenvolupar l’assaig desitjat s’han utilitzat dos estratègies. Una d’elles consisteix en la producció d’antígens a partir de la conjugació de proteïnes a penicil∙lines. Mitjançant aquesta estratègia s’han aconseguit obtenir un total de 17 antígens que es poden classificar en 4 grups diferents, en funció del tipus d’haptè i mètode de conjugació utilitzat. L’altra estratègia utilitzada és molt més innovadora. Consisteix en la preparació d’una sèrie de sondes peptídiques mitjançant síntesi en fase sòlida. Aquestes sondes, totalment caracteritzades per RMN i MS, han resultat ser reactives a amoxicil∙lina i generar diferents epítops, simulant la unió que pot haver entre una proteïna endògena i el fàrmac abans de desenvolupar una reacció d’hipersensibilitat. Però amb la gran avantatge que aquests adductes han pogut ser aïllats (gràcies a la incorporació d’un grup cromòfor en la sonda peptídica) i caracteritzats per RMN i MS. Concretament, durant aquest treball s’han aconseguit aïllar 3 adductes, dos en medis aquosos isotònics a pH 4,7 i un a pH 11. L’adducte aïllat a pH 11 es correspon amb el que es coneix com el determinant antigènic majoritari de l’amoxicil∙lina, que consisteix en la obertura de l’anell β‐lactàmic per l’atac nucleòfil, d’una amina de les proteïnes. Els dos adductes aïllats a pH 4,7 no s’havien descrit fins el moment i, conseqüentment s’han hagut d’elucidar estructuralment. Per dur a terme aquesta tasca s’han utilitzat tres pèptids simplificats anàlegs a una de les sondes peptídiques emprades. Mitjançant l’elucidació estructural dels compostos formats entre aquests peptíds i l’amoxicil∙lina s’ha aconseguit fer una proposta de les estructures més probables dels adductes creats a pH 4,6. Tant els antígens com els adductes penicil∙línics s’han utilitzat com a determinants antigènics per desenvolupar immunoasssaigs per la detecció de IgEs específiques en sèrums de pacients al∙lèrgics a penicil∙lines. Aquests assaigs s’han desenvolupat en format ELISA i magneto‐ELISA. Gràcies a la preconcentració dels sèrums i la eliminació del senyal inespecífic que ofereix el magneto‐ELISA, s’ha aconseguit desenvolupar un assaig on totes les mostres dels pacients al∙lèrgics han presentat una resposta positiva en front d’algun dels tres adductes. Alguns dels antígens també han sigut reconeguts utilitzant l’assaig ELISA convencional. Per tal d’avaluar a la vegada antígens i adductes es va traslladar l’assaig al format microarray. Però després de fer grans esforços per incrementar el senyal, optimitzant tots els paràmetres possibles de l’assaig no va ser possible detectar IgEs específiques. El segon bloc d’aquesta tesi consisteix en prevenir les reaccions adverses a penicil∙lines detectant aquests fàrmacs en mostres d’aliments. Per portar a terme aquest segon objectiu es va plantejar desenvolupar un immunoassaig per a la detecció d’amoxicil∙lina en mostres de llet. Per això calia prèviament produir anticossos específics contra amoxicil∙lina. En un primer moment es van desenvolupar anticossos policlonals de conill utilitzant dos tipus d’immunògens que havien estat dissenyats d’una forma racional. L’immunogen Amx1‐PLL estava dissenyat per generar anticossos específics per a reconèixer la part variable de l’amoxicil∙lina mentre que l’immunogen Amx2‐Br‐HCH estava pensat per produir anticossos de família, és a dir, anticossos capaços de reconèixer l’anell β‐lactàmic de totes les penicil∙lines. La polilisina (PLL) va resultar no ser suficientment immunogènica. Pel contrari l’immunogen Amx2‐Br‐HCH sí va produir anticossos contra amoxicil∙lina. Els antisèrums As218 i As219 van presentar una gran afinitat per tots els conjugats amoxicil∙línics produits, però en canvi molt poca competició per la molècula d’amoxicil∙lina. Això va suggerir que una bona part de la població dels anticossos policlonals estaven reconeixent una estructura modificada de la penicil∙lina, concretament la seva forma oberta, l’àcid amoxiciloic. Es va aconseguir obtenir una gran detectabilitat per aquest analit, amb valors de IC50 al voltant de 0.35 μg/L, molt per sota dels límits establerts per aquest fàrmac. Per tant, tot i no haver pogut desenvolupar un assaig contra amoxicil∙lina en forma tancada, sí s’ha aconseguit un assaig amb molt bons resultats per a detectar amoxicil∙lina en forma oberta. Finalment es va fer un últim intent d’obtenció d’anticossos contra amoxicil∙lina produint anticossos monoclonals. Aquests es produeixen aïllant les cèl∙lules productores d’anticossos o limfòcits B, i clonant aquests amb cèl∙lules tumorals immortals. Els hibridomes resultants s’aïllen individualment, i cadascun d’aquests és capaç de crear una immunoglobulina diferent. Tot i l’esforç emprat en aquesta via, no va ser possible aïllar cap clon productor i per tant no es van poder produir anticossos monoclonals específics contra amoxicil∙lina. / One of the principal aims of this work has been to develope an in vitro diagnostic assay to detect allergies to b‐lactam antibiotics, especially amoxicillin. Two strategies have been applied to obtain all the antigenic determinants. The first strategy has allowed to obtain 17 different antigenic determinants coming from penicillin G, penicillin V, amoxicillin and ampicillin. This strategy is based on the rational design and synthesis of bioconjugates. The other strategy uses peptides probes to obtain new antigenic determinants form amoxicillin. The principal advantage of using peptide probes is that adducts can be isolated and characterized in a very easy way. In this case, we have been able to isolate 3 different adducts coming form amoxicillin. Two of them have been obtained at pH 4.6 and one at pH 11. Adduct obtained at pH 11 corresponds with the major determinant. The amine of the lysine reacts with the b‐lactam ring and opens the structure. The two adducts obtained at pH 4.6 have never been described before. The elucidation of its structures has been done synthesizing three new simplify peptide probes. Adducts formed have been successfully analyzed by Mass spectroscopy and NMR. All these antigens and adducts have been used as antigenic determinants to develop and immunoassay to detect specific IgEs against penicillins. The assay has been tested with serums coming from allergic patients. And the best results have been obtained using the magneto‐ ELISA. All the serums have showed a positive response against almost one of three adducts. The second block of this work has been focus on the adverse reactions prevention detecting penicillin in food samples. The way to achieve this second objective was to develop an immunoassay to detect amoxicillin in milk samples. The antibodies used in this immunoassay were design and produce during this work. Two different immunogen were synthesized but only one was able to produce antibodies against penicillins. Although all the antigens were recognize by the antiserums only showed competition against open‐ring penicillins. Excellent results were achieved detecting amoxicilloic acid. We were able to obtain an assay with a very good detectability (IC50 around 35 μg/L) against amoxicilloic acid. Monoclonal antibodies were produced during this work too. The aim was to produce specific antibodies against amoxicillin. It wasn’t able produce monoclonal antibodies against this analyte.