M.Sc. (Chemistry) / With the increase in the number of new Human Immunodeficiency Virus (HIV) infection and mortality rate worldwide partly due to diagnostic drawbacks which gives false negatives during the window period, it is imperative to find an alternative method of detection. The need for prompt, bed-side and field applicable analytical devices for biomedical purposes cannot be over emphasized in our fast paced world today. As a contribution to meeting these challenges, this dissertation reports (i) the development of novel electrochemical DNA/RNA aptamer biosensor for HIV sensing and (ii) the development of other DNA sequence specific electrochemical biosensors. These biosensors were based on composite platforms of dendrimer and gold nanoparticles...

Les nano-objets ou nanoparticules sont des systèmes de taille nanométrique. Dans le domaine de l’oncologie, ils sont capables de transporter des agents anticancéreux et/ou des macromolécules comme des gènes ou des protéines, de sorte qu’ils s’accumulent préférentiellement dans le tissu tumoral. Ainsi, les nanoparticules ont pour but de diminuer la quantité de principe actif libre dans l’organisme, responsable de toxicités. Elles permettent en clinique d’améliorer la balance bénéfice/risque des agents de chimiothérapies conventionnels. Ce sont de véritables plateformes qui permettent de s’affranchir de certains excipients toxiques contenus dans la formulation du paclitaxel (Cremophor El). Ainsi, au cours de ce travail nous nous sommes intéressés dans un premier temps aux nanoparticules d’or (Au-NP) produites par ablation laser femtoseconde. Nous avons ainsi caractérisé ces Au-NP sur le plan physico-chimique et biologique, et mis en évidence leur internalisation et leur innocuité. Dans un deuxième temps, nous avons évalué l’efficacité pharmacologique de conjugués dendron-paclitaxel sur des cultures cellulaires 2D et 3D et mis en avant la libération prolongée intracellulaire du paclitaxel et son effet retard. Compte-tenu des propriétés observées, ces nanoparticules sont de bons candidats pour un futur développement. En effet, la liaison de ces deux nanostructures entre elles permettra l’obtention d’un nano-objet aux propriétés de théranostiques. / Nano-objects or nanoparticles can be readily fabricated with their size being controlled typically in the range of 1–100 nm. In the field of oncology, they can be used for drug delivery, as their composition/structure may be engineered to load anticancer drugs, macromolecules or proteins. Indeed, the delivery of anticancer drugs through a nanoparticle-based platform offers many attractive features. Nanoparticle-based drugs are synthetized to significantly improve the benefit/risk ratio of conventional chemotherapeutics. They allow overcoming some toxic excipients in the formulation of paclitaxel (Cremophor El). In this work, we first studied the physico-chemical and biological properties of Au-NPs synthetized by femtosecond laser ablation and we investigated their safety and cellular uptake. Second, we evaluated the anticancer activity of dendron-paclitaxel conjugates in 2D and 3D cell cultures and showed a delayed effect of this new formulation. Based on these results, the studied nanoparticles are good candidates for future development. By combining the two nano-objects, we will obtain nanoparticles with theranostic properties.

Multifunctional agents for the management of highly heterogeneous diseases, like cancer, are gaining increased interest with the intent of improving the diagnostics and therapy of cancer patients. These agents are also important because more than one treatment modality is typically used for cancer therapy in the clinic. Further, nanotechnology offers a platform where more than one agent can be combined to help provide improved cancer diagnosis and therapy. Near-infrared light-activatable phototherapeutic agents have great potential in vivo. Body tissues have minimum absorption in the near- infrared range. They also have been shown to enhance the cytotoxic effect of chemotherapeutic drugs when used in combination with them. We have, hence, investigated the potential of two multifunctional targeted nanoparticles for combined chemo-phototherapy (employing near- infrared light activable agent) and for understanding their underlying cellular responses. The first is employing polymeric Poly-lactic acid-co-glycolic acid (PLGA) nanoparticles with simultaneous incorporation of Indocyanine Green (ICG) (a near-infrared light-activatable photothermal agent) and Doxorubicin (DOX) and surface conjugated with anti-Human Epithelial Receptor-2 (HER-2). The PLGA nanoparticles were subjected to two modes of hyperthermia, incubator and laser hyperthermia, to mimic whole-body and localized hyperthermia used clinically. These nanoparticles upon laser exposure showed a rapid heat shock protein 70 (HSP70) response in comparison to the cellular HSP70 response upon incubator hyperthermia exposure. However, 12h post-treatment, downregulation of HSP70, was observed, thus, causing cellular apoptosis or necrosis based on the degree of thermal insult. These targeted nanoparticles, simultaneously incorporating agents, suffer from the limitation of release of both the agents from the nanoparticles and the need to control their release for bringing in effective therapy. Therefore, the second multifunctional nanoparticle employing silver nanoparticles (AgNPs) conjugated with Doxorubicin was formulated. AgNP serve as a near-infrared activatable agent itself, other than serving as a drug delivery vehicle. Thus, these nanoparticles only require the need to control the release of DOX alone. We further studied their mechanism of action, which included enhanced reactive oxygen species (ROS) production and reduction of intracellular thiol levels.

Orientador: Marcelo Bispo De Jesus / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-27T02:58:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferreira_LuizAlbertoBandeira_M.pdf: 6087254 bytes, checksum: 800e7d6dd948a9f1da84d37dbff2a96d (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A nanomedicina se tornou uma promessa de profundos impactos para a saúde humana através da utilização de nanopartículas, nanorobôs e outros nanomateriais para prevenir, diagnosticar ou curar doenças. Um dos exemplos de nanomateriais empregados na medicina são as nanopartículas de prata, que podem ser adquiridas por métodos químicos ou biossintéticos. As nanopartículas de prata apresentam alta atividade antimicrobiana, propriedade essa de grande interesse científico-industrial. Em vista disso, cresce também a preocupação em relação ao uso, manipulação e eliminação desse nanomaterial, visando uma aplicação mais segura. Diante dessas informações, o presente trabalho teve como objetivo investigar mecanismos moleculares envolvidos na citotoxicidade e processamento das nanopartículas biossintéticas de prata em macrófagos peritoneais obtidos de camundongos C57BL/6. Inicialmemte, demonstrando que as nanopartículas atingiram o IC50 de 25 µM em 6h de tratamento por redução do MTT. A análise de microscopia de fluorescência revelou alterações na integridade de membrana a partir de 3 h, que foram agravadas após 6 h de tratamento. Esse mesmo perfil foi observado por microscopia eletrônica de varredura, no qual revelou que após 3 h de tratamento as células já apresentavam perda de projeções celulares, e após 6 h início de fragmentação celular. Além disso, as nanopartículas causaram aumento dos níveis de espécies reativas de oxigênio e demonstramos que este é um fator determinante para os efeitos citotóxicos. Com a inibição da fagocitose e endocitose mediada por caveolina evidenciamos a reversão parcial da citotoxicidade das nanopartículas. Por outro lado, o aumento do efeito citotóxico das nanopartículas também foi observado com a inibição da autofagia, o que sugere que esses processos estejam envolvidos no processamento das nanopartículas. Por fim, concluímos que as nanopartículas biossintéticas de prata apresentaram um efeito citotóxico semelhante aqueles descritos em literatura pelas nanopartículas de síntese química / Abstract: Nanomedicine became a promise of profound impacts on human health through the use of nanoparticles, nanorobots and other nanomaterials to prevent, diagnose or cure diseases. One example of nanomaterials used in medicine is silver nanoparticles, which can be produced by chemical or biosynthetic methods. Silver nanoparticles have high antimicrobial activity; this property is of great scientific and industrial interest. Consequently, there is growing concern about the use, handling and disposal of nanomaterials, aiming more secure application. Hence, the present study aimed to investigate the molecular mechanisms involved in cytotoxicity and intracellular processing of biogenic silver nanoparticles in peritoneal macrophages from C57BL/6 mice. We began showing that the nanoparticles have reached the IC50 of 25 µM after 6 hours of treatment determined by MTT reduction. Fluorescence microscopy analysis showed changes in membrane integrity after 3 h, which has been intensified after 6 h of treatment. A similar profile was observed by scanning electron microscopy, which showed loss of cellular projections after 3 h of treatment and after 6 h was observed cellular fragmentation. In addition, the nanoparticles treatment increased levels of reactive oxygen species and this response seems to be determining for the cytotoxic effects. The inhibition of phagocytosis and caveolin-mediated endocytosis led to a reduction in cytotoxicity of nanoparticles. On the other hand, an increase in the cytotoxic effect was observed upon inhibition of autophagy, suggesting that this response is part of the intracellular processing of the nanoparticles in peritoneal macrophage. Finally, we concluded that the biogenic of silver nanoparticles exhibited cytotoxic effects similar to that described for silver nanoparticles chemically synthesized / Mestrado / Fármacos, Medicamentos e Insumos para Saúde / Mestre em Ciências

Hsp90 (heat shock protein 90) est une protéine chaperonne ubiquitaire et conservée impliquée dans le repliement et la réparation de protéines dites « clientes ». Parmi ces protéines, de nombreuses sont impliquées dans des phénomènes oncogéniques, faisant de hsp90 une cible d’intérêt dans le traitement du cancer. Hsp90 est constituée de trois domaines, un domaine N-terminal site de l’hydrolyse de l’ATP, nécessaire à sa fonction ; un domaine intermédiaire où vient se fixer la protéine cliente et un domaine C-terminal impliqué dans la dimérisation, étape indispensable pour le repliement de la protéine cliente. De nombreux inhibiteurs ont été synthétisés en ciblant ces différents domaines. Les inhibiteurs N-terminaux sont efficaces, à l’instar de la Geldanamycine en termes d’activité anti-tumorale mais des effets secondaires ainsi que des résistances au traitement ont limité leur utilisation en pratique clinique. En effet, l’inhibition N-terminale induit une réponse au stress caractérisée par une augmentation de hsp90 et de ses co-chaperonnes, souvent associée à une résistance au traitement et un pronostic défavorable. La novobiocine, un antibiotique coumarinique, est capable d’inhiber le domaine C-terminal de hsp90, sans induire de réponse au stress. Ainsi de nombreux dérivés de cette molécule ont été synthétisés, parmi lesquels on trouve le 6BrCaQ. Cette molécule induit l’apoptose et le blocage dans le cycle cellulaire sur plusieurs lignées cellulaires (dont MCF-7 et MDA-MB-231) et provoque la dégradation de plusieurs protéines clientes impliquées dans le développement tumoral mais sa faible solubilité limite son administration in vivo.Dans cette thèse, une forme liposomale du 6BrCaQ a été développée et étudiée sur des lignées cellulaires de cancer de prostate, de sein et de leucémie aigüe myéloïde in vitro et in vivo sur un modèle orthotopique de cancer du sein (MDA-MB-231 luc-GFP). Le 6BrCaQ liposomal est capable d’ induire de l’apoptose, de bloquer le cycle cellulaire sur différentes lignées cellulaires (PC-3, MDA-MB-231 et MOLM-13) mais également de ralentir la migration cellulaire sur PC-3 (test de comblement de blessure). De plus, le 6BrCaQ liposomal entre en synergie avec la doxorubicine (cellules PC-3) et la daunorubicine (cellules MOLM-13). Au niveau moléculaire, les liposomes de 6BrCaQ modifient l’expression protéique de Hsp90 sans modifier celle d’Hsp70 sur PC-3 alors que les gènes codant pour les Hsp70 semblent être légèrement induits dans MDA-MB-231. Les résultats in vivo ont montré un ralentissement de la croissance tumorale sur un modèle de cancer du sein orthotopique (MDA-MB-231-luc2-GFP) dès 13 jours de traitement pour une dose de 1 mg/kg injectée une fois par semaine. Des analyses histologiques ont révélé une augmentation de la proportion des zones nécrotiques dans le groupe traité par rapport au contrôle et une diminution significative de la prolifération cellulaire (marquage au KI67) intra-tumorale.Par ailleurs, Hsp90 possède également des isoformes et des analogues localisés dans des organites intracellulaires, parmi lesquelles, TRAP-1, localisée au niveau de la mitochondrie, impliquée dans la rgulation du métabolisme mitochondrial et qui pourrait jouer un rôle dans la progression tumorale et les métastases. Le déqualinium (DQ) est capable de cibler la mitochondrie. Dans une seconde partie du travail, des liposomes encapsulant le DQ ont été formulés dans le but de vectoriser le 6BrCaQ vers la mitochondrie. Toutefois, face à la difficulté d’encapsuler le DQ dans des liposomes, une étude de physico-chimie sur l’interaction DQ/liposomes a été mise en place pour comprendre comment le DQ agit sur les bicouches phospholipidiques. Cette étude a révélé que, malgré une capacité de ciblage mitochondrial des liposomes, le DQ était difficile à encapsuler dans les milieux salins et n’était pas inerte sur les bicouches lipidiques ce qui limite son utilisation pour la formulation de liposomes ciblant la mitochondrie. / Hsp90 (Heat shock protein 90) is an ubiquitous and well-conserved chaperone protein involved in the folding and the repair of « client » proteins. Among these proteins, several are involved in oncogenic phenomena making hsp90 an interesting target for cancer therapy. Hsp90 consists of three domains ; a N-terminal domain as the ATP hydrolysis site ; a middle domain where the client proteins binds and a C-terminal domain involved in the dimerization, a necessary step to refold the client protein. Several inhibitors were synthesized to target these different domains. N-terminal inhibitors such as Geldanamycin ; were shown to be very efficient but side effects and resistance to the treatment limited their clinical use. Indeed, N-terminal inhibition induces a stress response characterized by an increase of hsp90 and its co-chaperones which is often associated with resistance to the treatment and poor prognosis. Novobiocin, a coumarin antibiotic, is capable of inhibiting the C-terminal domain of hsp90, without inducing a stress response. Several derivatives of this molecule have been synthesized, including 6BrCaQ. The latter was effective in terms of apoptosis induction and cell cycle blockade on several cell lines (MCF-7, MDA-MB-231) and induced pro-tumoral client protein degradation but its low solubility limits its in vivo administration. In this thesis, a liposomal formulation of 6BrCaQ has been developed and studied on in prostate cancer cell lines and acute myelogenous leukemia in vitro and in vivo in an orthotopic model of breast cancer (MDA-MB-231 luc-GFP). Liposomal 6BrCaQ showed ability to induce apoptosis, to block the cell cycle on several cell lines (PC-3 and MDA-MB-231) and slow down migration of PC-3 cells (wound healing assay). Liposomal 6BrCaQ is able to synergize with doxorubicine or daunorubicine in PC-3 cells and in MOLM-13 cells, respectively. Moreover, protein and RNA expression profiles show that in PC-3 cells liposomal 6BrCaQ downregulates Hsp90 protein and in MDA-MB-231 cells slightly upregulates Hsp70 gene expression. Results obtained during in vivo experiments on the breast orthotopic model revealed a slow downslowdown of tumor growth after 13 days for a dose of 1 mg/kg injected weekly. Histological analysis revealed necrosis in treated groups and aassociated with a decreased cell proliferation (ki67 staining).Hsp90 also has isoforms and analogues localized in intracellular organelles, including, TRAP-1, localized in the mitochondrion and probably implicated in malignant progression through its role in the regulation of the mitochondrial metabolism. Dequalinium (DQ) demonstrated ability to target the mitochondrion. In a second part of the work, liposomes encapsulating DQ have been formulated in order to target 6BrCaQ to mitochondria. However, faced with the difficulty of encapsulating the DQ in liposomes, a physical chemistry study on the interaction DQ / liposomes was established to understand how DQ acts on phospholipid bilayers. Though a mitochondrial targeting capacity, this study revealed DQ was difficult to encapsulate in liposomes in saline medium and not completely inert on lipid bilayers limiting its use to target liposomes to mitochondria.

Cette thèse porte sur l’influence de la formulation de méthode de nanoprecipitation sur la taille et la structure interne de particules de dérivés squalénés. Ces composés introduits en 2006 par P. Couvreur sont basés sur l’association de principe actif au groupe squalène pour obtenir des propriétés d’auto-assemblage. L’augmentation de l’efficacité thérapeutique des nanoparticules par rapport au principe actif libre et la versatilité de fonctionnalisation ont ouvert une nouvelle stratégie pour les applications biomédicales. Cependant, la compréhension des mécanismes de formation des particules et de leur structure interne reste incomplète. Ces caractéristiques (taille et structure) pouvant influencer l’activité thérapeutique, il est crucial en vue d’une application médicale de déterminer les paramètres clef de la formation des nanoparticules. Dans cette thèse, les particules de squalène deoxycitidine ont été caractérisées par diffusion de neutrons et de rayons X aux petits angles et par cryo-microscopie électronique. Dans une première partie, nous avons identifié les paramètres optimums de formulation pour la nanoprecipitation. Dans une deuxième partie, l’étude de la nature du solvant organique sur la nanoprecipitation a mis en évidence pour certains solvants un mécanisme de nucléation croissance. Les effets de solvants sont cependant faibles par rapport à ce qui est classiquement observé pour les polymères. La troisième partie basée sur la cryo-TEM des particules oriente vers un mécanisme décrit pour les autres cubosomes d’attachements inter lamellaires pour les structures internes cubiques. Enfin, à l’issue de ce travail, nous avons étendu le protocole de nanoprecipitation au D α- Tocophérol Succinate en tentant de stabiliser la phase cristalline hexagonale présente dans le diagramme de phase binaire eau/ α-TOS. / This thesis investigates the influence of the formulation on the size and the internal structure of particles obtained by nanoprecipitation of squalene derivatives. These compounds were introduced in 2006 by P. Couvreur's team as part of a process called squalenoylation. Based on the association of drug with the squalene group it confers to these molecules self-assembling properties and it increased therapeutic efficacy. The particles are prepared by the solvent displacement method ("Ouzo" effect) and were characterized by neutron and X-ray scattering at small angles and by cryo-electron microscopy.We have highlighted the necessary preparation parameters for the reproducible preparation of cubosomes in a dimater of hundred nanometres. A study on the effect of the nature of the organic solvent on Squalene deoxycitidine has highlighted for some of them (isopropanol and DMSO) a nucleation mechanism that could be followed by growth (ethanol and acetone). TEM cryo-microscopy analysis suggests that cubic internal structures form by the mechanism of interlamellar attachments. Finally, we extended the nanoprecipitation method to Dα-Tocopherol Succinate, a derivative of Vitamin E

Cancer prevails as one of the most devastating diseases being at the top of death causes for adults despite continuous development and innovation in cancer therapy. Nanotechnology may be used to achieve therapeutic dosing, establish sustained-release drug profiles, and increase the half-life of drugs. In this context, magnetic nanowires (NWs) have shown a good biocompatibility and cellular internalization with a low cytotoxic effect. In this thesis, I induced cancer cell death by combining the chemotherapeutic effect of iron NWs functionalized with Doxorubicin (DOX) with mechanical disturbance under a low frequency alternating magnetic field. Two different agents, APTES and BSA, were separately used for coating NWs permitting further functionalization with DOX. Internalization was qualitatively and quantitatively assessed for both formulations by confocal reflection microscopy and inductively coupled plasma-mass spectrometry. From confocal reflection analysis, BSA formulations demonstrate to have a higher internalization degree and a broader distribution within the cells in comparison to APTES formulations. Both groups of functionalized NWs generated a comparable cytotoxic effect in MDA-MB-231 breast cancer cells in a DOX concentration-dependent manner, (~60% at the highest concentration tested) that was significantly different from the effect produced by the free DOX (~95% at the same concentration) and non-functionalized NWs formulations (~10% at the same NWs concentration). A synergistic cytotoxic effect is obtained when a low frequency magnetic field (1 mT, 10 Hz) is applied to cells treated with the two formulations that is again comparable (~70% at the highest concentration). Furthermore, the cytotoxic effect of both groups of coated NWs without the drug increased notoriously when the field is applied (~25% at the highest concentration tested). Here, a novel bimodal method for cancer cell destruction was developed by the conjugation of the magneto-mechanical properties of the iron NWs coupled with the chemotoxic effect of an anticancer drug. Moreover, it was demonstrated that iron nanowires possess an outstanding biocompatibility and showed high efficacy as drug delivery agents coupled to a high degree of cell internalization. Finally, the proposed method benefits from the low power fields applied during treatment. This poses much less safety risks and allows using cheaper and simpler equipment.

L’adénosine est une molécule dotée d’un fort potentiel thérapeutique, mais présentant néanmoins un temps de demi-vie plasmatique extrêmement court qui limite de manière sérieuse son efficacité. Comme présenté dans l’introduction bibliographique de cette thèse, cette difficulté peut être surmontée grâce à l’utilisation de systèmes de délivrance de médicaments à base de lipides. L’adénosine peut en effet être soit encapsulée dans des liposomes, soit simplement couplée à un lipide. Parmi les « lipidizations » de l’adénosine, la « squalénisation », notamment, a favorablement modifié la biodistribution de cette substance active. Cette technique consiste à coupler l’adénosine à une molécule lipophile dérivée du squalène, générant ainsi des bioconjugués ayant la capacité de s’auto-assembler spontanément en milieu aqueux sous forme de nanoparticules d’une centaine de nanomètres de diamètre. L’injection de ces nanoparticules d’adénosine-squalène (AdSQ) par voie intraveineuse a donné des résultats très prometteurs pour le traitement de l’ischémie cérébrale et du traumatisme de la moëlle épinière. Ainsi, l’objectif de cette thèse a consisté à faire progresser le développement pré-clinique de ces nanomédicaments suivant deux axes principaux: l’étude du mécanisme d’action et l’amélioration de la formulation.De ce fait, le premier chapitre de cette thèse présente les résultats obtenus lors de l’étude in vitro du mécanisme d’action des nanoparticules d’AdSQ. Les travaux ont montré que ces nanoparticules d’AdSQ n’interagissaient pas directement avec les récepteurs à l’adénosine, mais formaient un réservoir intracellulaire d’adénosine. En effet, après internalisation, le bioconjugué d’AdSQ est clivé pour libérer l’adénosine. Celle-ci finit par être effluée par les cellules vers le milieu extracellulaire, où elle peut ainsi activer les récepteurs spécifiques situés au niveau des membranes des cellules avoisinantes. Après étude du mécanisme, l’amélioration de la formulation de ces nanoparticules a été explorée et décrite dans le deuxième chapitre. Les efforts ont été principalement concentrés sur la lyophilisation de la suspension nanoparticulaire, afin de proposer une formulation stable dans le temps et facile d’utilisation dans le cadre médical. Les conditions utilisées ont abouti au bon maintien des propriétés physico-chimiques des nanoparticules et l’obtention de solutions injectables sans risque chez l’animal. Dans son ensemble, ce travail de thèse a permis d’élargir les perspectives d’application des nanoparticules d’AdSQ grâce à une meilleure compréhension de leur mécanisme d’action ainsi que la mise au point d’une formulation plus adaptée aux besoins cliniques. / Adenosine has a high therapeutic potential but its extremely short half-life in blood seriously impairs its efficacy. As presented in the literature review, this difficulty can be overcome by using lipid-based drug delivery systems. Indeed, adenosine can be encapsulated into liposomes or conjugated to a lipid. In particular, among adenosine « lipidizations », the so-called « squalenoylation » has been shown to enhance adenosine biodistribution. This technique consists in coupling adenosine to a lipophilic squalene derivative, thus generating bioconjugates which are able to spontaneously self-assemble as nanoparticles of 100 nm of diameter in aqueous solution. Intravenous injection of these squalene-adenosine (SQAd) nanoparticles led to highly promising results for the treatment of cerebral ischemia and spinal cord injury. Thus, the aim of this thesis was to push forward the pre-clinical development of these nanomedicines following two main directions: unveiling their mechanism of action and enhancing their formulation.Thereby, the first chapter of this thesis presents the results from in vitro study on SQAd nanoparticles mechanism of action. This work has shown that SQAd nanoparticles did not interact directly with adenosine receptors, but formed an intracellular reservoir of adenosine. Indeed, after internalisation, SQAd bioconjugates acted as prodrugs by releasing free adenosine. This molecule was then efflued out of the cells into the extracellular medium, where it could activate specific membrane receptors on neighbouring cells. After studying the mechanism of action, we explored how to optimize the formulation. Results are described in the second chapter. We focus our efforts on freeze-drying the nanoparticles suspension, in order to offer a stable and easy-to-use formulation. Pre-formulation studies were conducted in order to define the optimal conditions for the preservation of nanoparticles physico-chemical properties and for an easy reconstitution of these nanoparticles suspension which can thus be safely injected intravenously. Overall, this work has widen the field of applications for SQAd nanoparticles thanks to a better understanding of their mechanism of action and the development of a formulation which is more suited to clinical needs.

Le développement de thérapies ciblées est un enjeu majeur en santé et l’essor des nanovecteurs permet de répondre à ces besoins cliniques. Le premier axe de cette thèse est consacré à l’étude du potentiel thérapeutique de nanoparticules multifonctionnelles pour l’imagerie médicale, la thérapie photothermique et la délivrance de drogue pour le traitement du cancer. Le deuxième axe de recherche s’oriente vers le ciblage thérapeutique actif. L’entreprise NanoMedSyn a pour objectif de développer un ciblage actif du récepteur du mannose 6-phosphate, permettant un meilleur adressage des médicaments et des traitements plus efficaces. Ce type de ciblage peut avoir des retombées multiples pour la thérapie anticancéreuse mais également pour la thérapie des maladies lysosomales qui sont des maladies génétiques rares. NanoMedSyn développe des dérivés synthétiques de glycovecteurs innovants, appelés AMFA, qu’elle exploite en exclusivité. Les AMFA ont une bonne affinité pour le récepteur du mannose 6-phosphate et ont été greffés sur des nanoparticules multifonctionnelles dans le but d’améliorer l’adressage et la thérapie photodynamique biphotonique d’un cancer pédiatrique : le rhabdomyosarcome ; et sur des enzymes lysosomales pour le traitement de maladies lysosomales telle que la maladie de Pompe. / The development of targeted therapies is a major health issue and the rise of nanovectors makes it possible to meet these clinical needs. The first approach of this thesis is dedicated to the study of the therapeutic potential of multifunctional nanoparticles for medical imaging, photothermal therapy and drug delivery in cancer treatment. The second line of research focuses on active therapeutic targeting. The NanoMedSyn company aims to develop an active targeting of the mannose 6-phosphate receptor, allowing a better addressing of drugs and more effective treatments. This type of targeting may have multiple benefits for cancer therapy but also for the treatment of the lysosomal diseases which are rare genetic diseases. NanoMedSyn develops innovative synthetic derivatives of glycovectors, called AMFA, which it exploits exclusively. AMFA have a good affinity for the mannose 6-phosphate receptor and have been grafted on multifunctional nanoparticles in order to improve addressing and two-photon photodynamic therapy of a pediatric cancer: the rhabdomyosarcoma; and on lysosomal enzymes for the lysosomal diseases treatment such as for Pompe disease.

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Nanomateriales con puertas moleculares como plataforma de liberación controlada de fármacos para el tratamiento de desórdenes inflamatorios" se centra la preparación y evaluación de nanomateriales híbridos orgánico-inorgánicos, basados en nanopartículas mesoporosas de sílice, para la liberación controlada de fármacos en aplicaciones biomédicas, en concreto en el campo de la inflamación. En primer lugar se describe un nanomaterial para la liberación controlada del inhibidor de caspasa-1, VX-765, aprovechando la acumulación preferencial de las nanopartículas en las zonas inflamadas. En concreto, se han preparado nanopartículas mesoporosas de sílice, cargadas con el fármaco VX-765 y funcionalizadas covalentemente con ¿-poli-L-lisina que actúa como puerta molecular. La actividad anti-inflamatoria del material se ha comprobado tanto in vitro, en el modelo celular de monocitos THP-1, como in vivo en ratones en un modelo de inflamación de bolsa de aire. Los resultados muestran la acumulación preferente de las nanopartículas en las zonas inflamadas así como un aumento del efecto terapéutico del fármaco que se atribuye a las ventajas que ofrece la encapsulación. Se concluye que las nanopartículas mesoporosos de sílice con puertas moleculares podrían ser una herramienta importante para el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas en el campo de la inflamación. Basándonos en los resultados obtenidos, en el capítulo cuatro se describe un sistema de liberación controlada para el tratamiento de la inflamación pulmonar aguda como terapia alternativa que permita la administración directa de fármacos a los pulmones. Se ha preparado un nanosistema basado en nanopartículas mesoporosas de sílice cargadas con el glucocorticoide dexametasona y funcionalizadas covalentemente con una puerta molecular peptídica que reconoce el receptor del factor de necrosis tumoral 1 (TNFR1), que a su vez actúa como agente diana para la acumulación preferente en macrófagos pro-inflamatorios. La actividad terapéutica del sistema se ha corroborado en ensayos in vitro en macrófagos pro-inflamatorios, e in vivo en un modelo de ratón de inflamación pulmonar aguda. Se ha comprobado la acumulación preferente de las nanopartículas en los pulmones inflamados, así como la mejora del efecto terapéutico de la dexametasona en la reducción del daño pulmonar, minimizando los efectos adversos asociados a la administración del fármaco libre. Con todo ello se concluye que las nanopartículas mesoporosas de sílice pueden ser utilizadas para el tratamiento de la inflamación pulmonar aguda pudiendo ser una herramienta útil para superar las limitaciones de los tratamientos actuales. Finalmente, se describe otro sistema de liberación controlada de fármacos para inflamación pulmonar aguda. En este caso, se aborda el uso de un nuevo inhibidor del inflamasoma, QM-378, como terapia farmacológica alternativa. Con el objetivo de potenciar la administración directa en los pulmones inflamados, el QM-378 se encapsula en nanopartículas mesoporosas de sílice funcionalizadas con la puerta molecular peptídica que reconoce TNFR1. La acumulación preferente de las nanopartículas en los pulmones inflamados queda demostrada a través de los ensayos de biodistribución, así como la mejora del efecto terapéutico del QM-378 en la reducción del daño pulmonar, debido a las ventajas de la encapsulación en un nanosistema dirigido. Con todo ello se concluye que el QM-378 es un buen candidato para el tratamiento de la inflamación pulmonar aguda, y que su encapsulación en las nanopartículas ofrece una administración pulmonar directa y controlada, consiguiéndose así una mejora en el perfil terapéutico del fármaco. La conclusión principal de la presente tesis doctoral es que el desarrollo de nanomateriales mesoporosos de sílice para la liberación controlada de fármacos se presenta como un / [CAT] La present tesi doctoral titulada "Nanomaterials amb portes moleculars com a plataforma d'alliberament controlat de fàrmacs per al tractament de desordres inflamatoris" se centra en la preparació i avaluació de nanomaterials híbrids orgànic-inorgànics, basats en nanopartícules mesoporoses de sílice, per a l'alliberament controlat de fàrmacs en aplicacions biomèdiques, en concret en el camp de la inflamació. En primer lloc, es presenta un nanomaterial per a l'alliberament controlat de l'inhibidor de caspasa-1, VX-765, aprofitant que les nanopartícules s'acumulen preferencialment en les zones inflamades. S'han preparat nanopartícules mesoporoses de sílice, carregades amb VX-765 i funcionalitzades covalentment amb ¿-poli-L-lisina com a porta molecular. L'activitat anti-inflamatòria del material s'ha comprovat tant in vitro, en el model cel·lular de THP-1, com in vivo en ratolins en un model d'inflamació de bossa d'aire. Els resultats mostren la acumulació preferent de les nanopartícules en les zones inflamades així com un augment de l'efecte terapèutic del fàrmac, atribuÏt als avantatges que ofereix l'encapsulació. Es conclou que les nanopartícules mesoporoses de sílice amb porta molecular podrien ser una eina important per al desenvolupament de noves estratègies terapèutiques en el camp de la inflamació. Basant-nos en els resultats obtinguts, en el capítol quatre es presenta un sistema d'alliberament controlat per al tractament de la inflamació pulmonar aguda com a teràpia alternativa que permet l'administració directa de fàrmacs als pulmons. S'ha preparat un nanosistema basat en nanopartícules mesoporoses de sílice carregades amb el glucocorticoide dexametasona i funcionalitzades amb la unió covalent de una porta molecular peptídica que reconeix el receptor del factor de necrosi tumoral 1 (TNFR1), que al seu torn actua com a agent diana per a la acumulació preferent en macròfags pro-inflamatoris. L'activitat terapèutica del sistema dissenyat s'ha corroborat en assajos in vitro en macròfags pro-inflamatoris, i in vivo en un model de ratolí d'inflamació pulmonar aguda. S'ha comprovat la acumulació preferent de les nanopartícules en els pulmons inflamats a través d'assajos de biodistribució, així com la millora de l'efecte terapèutic de la dexametasona en la reducció de la lesió pulmonar minimitzant els efectes adversos associats a l'administració del fàrmac lliure. Amb tot això es conclou que les nanopartícules mesoporoses de sílice poden ser utilitzades per al tractament de la inflamació pulmonar aguda ja que poden ajudar a superar les limitacions dels tractaments actuals. Finalment es mostra també un sistema d'alliberament controlat de fàrmacs per a inflamació pulmonar aguda. En aquest cas, es descriu l'ús d'un nou inhibidor de l'inflamasoma, QM-378, com a teràpia farmacològica alternativa al tractament de la inflamació descontrolada en la inflamació pulmonar aguda. Amb l'objectiu de potenciar l'administració directa en els pulmons inflamats, el QM-378 s'encapsula en les nanopartícules mesoporoses de sílice funcionalitzades amb la porta molecular péptidica que reconeix TNFR1. La acumulació preferent de les nanopartícules en els pulmons inflamats queda demostrada a través dels assajos de biodistribució, així com la millora de l'efecte terapèutic del QM-378 en la reducció de la inflamació pulmonar, atribuït als avantatges de l'encapsulació en un nanosistema dirigit. Amb tot això es conclou que el QM-378 és un bon candidat per al tractament de la inflamació pulmonar aguda, i que la seua encapsulació en les nanopartícules ofereix una administració pulmonar directa i controlada aconseguint-se així una millora en el perfil terapèutic del fàrmac. La conclusió principal és que el desenvolupament de nanomaterials mesoporosos de sílice per a l'alliberament controlat de fàrmacs es presenta com una estratègia amb molt potencial en el camp de les / [EN] This PhD thesis entitled "Gated nanomaterials as delivery platform to manage inflammatory disorders" is focused on the design, synthesis and evaluation of hybrid organic-inorganic nanomaterials using mesoporous silica nanoparticles, for controlled drug release in biomedical applications, specifically in the field of inflammation. In a fist step, we present a new nanodevice for the controlled delivery of VX-765, a caspase 1 inhibitor, which takes advantage of the intrinsic passive targeting effect of the nanoparticles to inflamed tissues. In particular, mesoporous silica nanoparticles loaded with the drug VX-765 and functionalized with ¿-poly-L-lysine (acting as gatekeeper) have been prepared. The anti-inflammatory activity of the prepared nanodevice has been evaluated both in vitro, in the cellular model of monocytes THP-1, and in vivo using air pouch mouse as model of inflammation. The results showed the preferential accumulation of the nanoparticles in the inflamed tissue, as well as an increase in the therapeutic effect of the entrapped drug. As conclusion, gated mesoporous silica nanoparticles constitute an important tool for the development of new therapeutic strategies in the inflammatory field. Based on the previous results presented, a drug delivery system for the treatment of acute lung injury is described in chapter four as alternative therapy that allow the direct delivery of drugs into the lungs. Mesoporous silica nanoparticles has been prepared, loaded with the glucocorticoid dexamethasone and capped with a peptide gatekeeper that recognizes the receptor of tumour necrosis factor 1 (TNFR1), which also targets the pro-inflammatory macrophages. The therapeutic activity of the designed nanoparticles has been studied in vitro in pro-inflammatory macrophages, and in vivo in an acute lung injury mouse model. The preferential accumulation of the nanoparticles in the inflamed lungs has been corroborated through biodistribution assays, as well as the ability to enhance the dexamethasone therapeutic effect by the reduction of lung injury and minimizing the undesired side effects associated of the free drug administration. As conclusion, gated mesoporous silica nanoparticles can be used for the treatment of acute lung injury and represent a potential tool to overcome the limitations of current treatments. Finally, a drug delivery system for acute lung injury is also presented. In this case, we use the novel inflammasome inhibitor QM-378 as pharmacological alternative therapy to the treatment of uncontrolled inflammation in acute lung injury. With the aim of enhancing the direct drug delivery in lungs, QM-378 is encapsulated in mesoporous silica nanoparticles capped with a peptidic gate that recognizes TNFR1. The preferential accumulation of nanoparticles to inflamed lungs has been also corroborated through biodistribution assays. An enhancement of the therapeutic effect of QM-378 by reducing lung inflammation is demonstrated, due to the advantages of drug encapsulation in a targeted-lung nanosystem. As conclusion, the QM-378 is a suitable candidate for acute lung injury treatment, and its encapsulation in mesoporous silica nanoparticles offers a direct lung drug delivery thus improving the therapeutic profile of the drug. The principal conclusion from this PhD thesis is that the preparation of mesoporous silica nanoaprticles for drug delivery is presented as potential strategy in the field of inflammatory disorders. / García Fernández, A. (2019). Gated nanomaterials as delivery platform for the treatment of inflammatory disorders [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/132694 / TESIS