La presente tesis doctoral titulada ¿Materiales funcionales híbridos para el reconocimiento óptico de explosivos nitroaromáticos mediante interacciones supramoleculares¿ se basa en la combinación de principios de Química Supramolecular y de Ciencia de los Materiales para el diseño y desarrollo de nuevos materiales híbridos orgánico-inorgánicos funcionales capaces de detectar explosivos nitroaromáticos en disolución. En primer lugar se realizó una búsqueda bibliográfica exhaustiva de todos los sensores ópticos (cromogénicos y fluorogénicos) descritos en la bibliografía y que abarca el periodo desde 1947 hasta 2011. Los resultados de la búsqueda están reflejados en el capítulo 2 de esta tesis. El primer material híbrido preparado está basado en la aplicación de la aproximación de los canales iónicos y, para ello, emplea nanopartículas de sílice funcionalizadas con unidades reactivas y unidades coordinantes (ver capítulo 3). Este soporte inorgánico se funcionaliza con tioles (unidad reactiva) y una poliamina lineal (unidad coordinante) y se estudia el transporte de una escuaridina (colorante) a la superficie de la nanopartícula en presencia de diferentes explosivos. En ausencia de explosivos, la escuaridina (color azul y fluorescencia intensa) es capaz de reaccionar con los tioles anclados en la superficie decolorando la disolución. En presencia de explosivos nitroaromáticos se produce una inhibición de la reacción escuaridinatiol y la suspensión permanece azul. Esta inhibición es debida a la formación de complejos de transferencia de carga entre las poliaminas y los explosivos nitroaromáticos. En la segunda parte de esta tesis doctoral se han preparado materiales híbridos con cavidades biomiméticas basados en el empleo de MCM-41 como soporte inorgánico mesoporoso (ver capítulo 4). Para ello se ha procedido al anclaje de tres fluoróforos (pireno, dansilo y fluoresceína) en el interior de los poros del soporte inorgánico y, posteriormente, se ha hidrofobado el interior de material mediante la reacción de los silanoles superficiales con 1,1,1,3,3,3-hexametildisilazano. Mediante este procedimiento se consiguen cavidades hidrófobas que tienen en su interior los fluoróforos. Estos materiales son fluorescentes cuando se suspenden en acetonitrilo mientras que cuando se añaden explosivos nitroaromáticos a estas suspensiones se observa una desactivación de la emisión muy marcada. Esta desactivación de la emisión es debida a la inclusión de los explosivos nitroaromáticos en la cavidad biomimética y a la interacción de estas moléculas (mediante interacciones de ¿- stacking) con el fluoróforo. Una característica importante de estos materiales híbridos sensores es que pueden ser reutilizados después de la extracción del explosivo de las cavidades hidrofóbicas. En la última parte de esta tesis doctoral se han desarrollado materiales híbridos orgánicoinorgánicos funcionalizados con ¿puertas moleculares¿ que han sido empleados también para detectar explosivos nitroaromáticos (ver capítulo 5). Para la preparación de estos materiales también se ha empleado MCM-41 como soporte inorgánico. En primer lugar, los poros del soporte inorgánico se cargan con un colorante/fluoróforo seleccionado. En una segunda etapa, la superficie externa del material cargado se ha funcionalizado con ciertas moléculas con carácter electrón dador (pireno y ciertos derivados del tetratiafulvaleno). Estas moléculas ricas en electrones forman una monocapa muy densa (debida a las interacciones dipolo-dipolo entre estas especies) alrededor de los poros que inhibe la liberación del colorante. En presencia de explosivos nitroaromáticos se produce la ruptura de la monocapa, debido a interacciones de ¿-stacking con las moléculas ricas en electrones, con la consecuencia de una liberación del colorante atrapado en el interior de los poros observándose una respuesta cromo-fluorogénica / Salinas Soler, Y. (2013). Functional hybrid materials for the optical recognition of nitroaromatic explosives involving supramolecular interactions [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31663 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[EN] In the present doctoral thesis electronic systems of measurement have been developed. As element sensor, they include multiple electrodes of nature electrochemical. Each of the electrodes possesses a not specific sensibility to some of the parameters or chemical compounds of the sample to analyzing. The set of electrodes contribute a series of signs that are analyzed of joint form, this way conclusions of interest are obtained, normally the discrimination of complex samples or the quantification of some of their components. This type of measurement systems is denominated electronic tongues. The systems of measurement developed use sensors of type potentiometric and are constructed by pastes of thick film technology, and also by simple metallic electrodes in pure state. With this method, devices with characteristics of construction simplicity, mechanical robustness, easy handling and low cost are obtained. With the data obtained pattern recognition techniques are applied, such as, Principal Components Analysis (PCA), artificial neuronal networks, predictive techniques (PLS), etc. Several types of applications are developed, first with samples of strong ionic character as they are the natural waters. This way, an analysis of several types of packaged and urban provision waters is made, reaching a good discrimination of the samples by means of analysis PCA. By means of techniques PLS (Partial Least Square) the concentration of present ions in those waters is predicted. The experiences with acuosus dissolutions continue with artificial dissolutions to obtain the discrimination according to the type of anion or cation, concluding that is easier the discrimination of dissolutions with different anion that with different cation, as much in pure as in complex dissolutions. The experiences continue with liquid samples but of more complex nature as it is the wine. This type of samples facilitates to be analyzed by systems of electronic tongue because they are formed by a great amount of components, some in elevated proportion as it is the water and the alcohol, but others in small proportion and that are those that provide the organoleptic characteristics of the wine. The experiences are made first on artificial samples with some chemical characteristics similar to the wine and later with real wines of different type and tonality. A good discrimination of the different samples are obtained. But the most remarkable newness of the analyses with wine is the development of a system of detection of volatile by means of potentiometric sensors, from this form, a system of humid electronic nose is obtained. / [ES] En la presente tesis doctoral se desarrollan sistemas electrónicos de medida que tienen como elemento sensor múltiples electrodos de naturaleza electroquímica. Cada uno de los electrodos posee una sensibilidad no específica ante algunos de los parámetros o compuestos químicos de las muestras a analizar. El conjunto de electrodos aportan una serie de señales que se analizan de forma conjunta, para así obtener conclusiones de interés, normalmente en la discriminación de muestras complejas o la cuantificación de algunos de sus componentes. A este tipo de sistemas de medida se le denominan lenguas electrónicas. Los sistemas de medida desarrollados utilizan sensores de tipo potenciométrico y están construidos con pastas de la tecnología de capa gruesa (Thick-Film), y también por electrodos metálicos simples en estado puro. Con este método se consiguen dispositivos con características de sencillez de construcción, robustez mecánica, fácil manejo y bajo costo. Con las señales obtenidas se aplican técnicas de reconocimiento de patrones, como son el Análisis de Componentes Principales (PCA), redes neuronales artificiales, técnicas predictivas como PLS, etc. Se desarrollan varios tipos de aplicaciones, la primera con muestras de fuerte carácter iónico como son las aguas naturales. De esta forma, se realiza un análisis de varios tipos de aguas envasadas y de suministro urbano, alcanzando una buena discriminación de las muestras por medio de análisis PCA. Por medio de técnicas PLS (Partial Least Square) se predice la concentración de los iones presentes en esas aguas. Las experiencias con disoluciones acuosas continúan con disoluciones artificiales para lograr la discriminación de dichas disoluciones según el tipo de anión o de catión, concluyendo que es más fácil la discriminación de las disoluciones con distintos anión que con distinto catión, tanto en disoluciones puras como en compuestas. Las experiencias siguen con muestras líquidas pero de naturaleza más compleja como es el vino. Este tipo de muestras facilita ser analizadas por sistemas de lenguas electrónicas porque están formados por una gran cantidad de componentes, algunos en proporción elevada como es el agua y el alcohol, pero otros en pequeña proporción que son los que proporcionan las características organolépticas del vino. Las experiencias se realizan primero sobre muestras artificiales con algunas características químicas similares al vino y posteriormente con vinos reales de distinto tipo y tonalidad, consiguen una buena discriminación de las diferentes muestras. Pero la novedad más destacable de los análisis con vino es el desarrollo de un sistema de detección de volátiles por medio de sensores potenciométricos, de esta forma se obtiene un sistema de nariz electrónica húmeda. En el tercer tipo de experiencias se utilizan muestras de alimentos sólidos pero con gran proporción de agua, como son la carne y el pescado. En el caso del pescado, se realiza múltiples experiencias con varios tipos de electrodos metálicos y se comprueba que los que ofrecen un mejor resultado son los electrodos de oro y de plata, en ambos casos con un comportamiento bastante repetitivo. Aprovechando estos fenómenos se realizan una serie de análisis con redes neuronales para al final obtener un sistema que ofrece un análisis cualitativo que permite determinar la conservación del pescado en tres posibles estados: Apto, Dudoso y no Apto. Este análisis se acompaña con experiencias de bioquímicas y microbianas para así correlacionar con las medidas potenciométricas. El último tipo de experiencias es el análisis de lomo de cerdo. Por un lado, también se realizan experiencias para determinar si un sistema multielectrodo formado por múltiples metales es capaz de detectar el deterioro de la carne con el paso del tiempo. Un segundo tipo de análisis consiste en lograr una discriminación de diversas piezas d e lomo curado de cerdo. Estas piezas se diferencian entre si por la distinta composición de sales, tanto de NaCl que es el más habitual en el consumo, como KCl, y CaCl2. Por lo tanto, el desarrollo de los sistemas de lengua y nariz electrónica que se presente en esta memoria puede mejorar el control de calidad de las muestras analizadas, con buenas perspectivas de aplicación en múltiples campos económicos, sobretodo en la industria alimentaria. / [CA] En la present tesi doctoral es desenvolupen sistemes electrònics de mesura que tenen com element sensor múltiples elèctrodes de naturalesa electroquímica. Cadascun dels elèctrodes posseïx una sensibilitat no específica davant alguns dels paràmetres o compostos químics de la mostra a analitzar. El conjunt d'elèctrodes aporten una sèrie de senyals que s'analitzen de forma conjunta, per a així obtenir conclusions d'interès, normalment en la discriminació de mostres complexes o la quantificació d'alguns dels seus components. A aquest tipus de sistemes de mesura se li denominen llengües electròniques. Els sistemes de mesura desenvolupats utilitzen sensors de tipus potenciomètric i estan construïts amb pastes de la tecnologia de capa gruixuda (Thick-Fim), i també per elèctrodes metàl·lics simples en estat pur. Amb aquest mètode s'assoleixen dispositius amb característiques de senzillesa de construcció, robustesa mecànica, fàcil maneig i reduït cost. Amb els senyals obtinguts s'apliquen tècniques de reconeixement de patrons, com són l'Anàlisi de Components Principals (PCA), xarxes neuronals artificials, tècniques predictives com PLS, etc. Es desenvolupen diversos tipus d'aplicacions, la primera amb mostres de fort caràcter iònic com són les aigües naturals. D'aquesta forma, es realitza una anàlisi de diversos tipus d'aigües envasades i de subministrament urbà, arribant a una bona discriminació de les mostres per mitjà d'anàlisi PCA. Amb tècniques PLS (Partial Least Square) es prediu la concentració dels ions presents en aquestes aigües. Les experiències amb dissolucions aquoses continuan amb dissolucions artificials per a assolir la discriminació d'aquestes dissolucions segons el tipus d'anió o de catió, concloent que és més fàcil la discriminació de les dissolucions amb diferents anió que amb diferent catió, tant en dissolucions pures com en compostes. Les experiències segueixen amb mostres líquides però de naturalesa més complexa com és el vi. Aquest tipus de mostres es presta a ser analitzades per sistemes de llengües electròniques perquè estan formats per una gran quantitat de components, alguns en proporció elevada com és l'aigua i l'alcohol, però altres en petita proporció que són els quals proporcionen les característiques organolépticas del vi. Les experiències es realitzen primer sobre mostres artificials amb algunes característiques químiques similars al vi i posteriorment amb vins reals de diferent tipus i tonalitat, aconsegueixen una bona discriminació de les diferents postres. Però la novetat més destacable de les anàlisis amb vi és el desenvolupament d'un sistema de detecció de volàtils per mitjà de sensors potenciomètrics, d'aquesta forma s'obté un sistema de nas electrònic humida. En el tercer tipus d'experiències s'utilitzen mostres d'aliments sòlids però amb gran proporció d'aigua, com són la carn i el peix. En el cas del peix es realitza múltiples experiències amb diversos tipus d'elèctrodes metàl·lics i es comprova que els quals oferixen un millor resultats són els elèctrodes d'or i de plata. En ambdós casos tenien un comportament bastant repetitiu. Aprofitant aquests fenòmens es realitzen una sèrie d'anàlisi amb xarxes neuronals per al final obtenir un sistema que oferix una anàlisi qualitativa que permet determinar la conservació del peix en tres possibles estats: Apte, Dubtós i no Apte. Aquesta anàlisi s'acompanya amb experiències de bioquímicques i microbianes per a així correlacionar amb les mesures potenciomètrics. L'últim tipus d'experiències és l'anàlisi de llom de porc. D'una banda, també es realitzen experiències per a determinar si un sistema multielèctrode format per múltiples metalls és capaç de detectar la deterioració de la carn amb el pas del temps. Un segon tipus d'anàlisi consisteix a assolir una discriminació de diverses peces de llom guarit de porc. Aquestes peces es diferencien entre si per la diferent composició de sals, tant de NaCl que és el més habitual en el consum, com KCl, i CaCl2. Per tant, el desenvolupament dels sistemes de llengua i nas electrònic que es presenti en aquesta memòria pot millorar el control de qualitat de les mostres analitzades, amb bones perspectives d'aplicació en múltiples camps econòmics, fonamentalment a la indústria alimentària. / Gil Sánchez, L. (2007). Diseño de lenguas electrónicas potenciométricas construidas con electrodos metálicos y con tecnología de capa gruesa para análisis de medios complejos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/135954 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[ES] La presente tesis doctoral titulada "New nanostructured suports with signal amplification features for the detection of molecules and biomolecules of interest" se centra en el diseño y preparación de nuevos materiales híbridos orgánicos-inorgánicos constituidos por puertas moleculares soportadas sobre alúmina mesoporosa con el objetivo de desarrollar nuevos sistemas sensores con aplicaciones potenciales en el campo de la diagnosis y del control alimentario. En el primer capítulo de la tesis se introducen los conceptos en los que están basados los estudios realizados y los materiales preparados. A continuación, en el segundo capítulo se describen los objetivos generales de la tesis que serán abordados en los siguientes apartados. En el tercer capítulo se presenta el diseño y optimización de un nanodispositivo para la detección de la bacteria Mycoplasma fermentans. En primer lugar, los poros de una placa de alúmina mesoporosa se cargan con un indicador fluorescente (rodamina B). Seguidamente, la superficie es funcionalizada con una secuencia de ADN complementaria a una región altamente conservada de la subunidad ribosomal 16S de la bacteria Mycoplasma fermentans. El impedimento estérico generado por las secuencias de ADN ancladas al exterior de los poros impide la salida del indicador encapsulado. Únicamente en presencia de DNA de la bacteria Mycoplasma fermentans, se produce la apertura de los poros permitiéndose la difusión de la carga (rodamina B) que es posteriormente medida mediante espectroscopía de fluorescencia. En el capítulo cuatro se diseña de un nanodispositivo capaz de detectar de forma rápida, sensible y selectiva la bacteria Staphylococcus aureus. Para la preparación del material sensor, un soporte de alúmina mesoporosa es, en primer lugar, cargado con el indicador fluorescente rodamina B. A continuación, los poros del soporte son tapados mediante el anclaje de un aptámero que reconoce de forma específica la bacteria. Solamente en presencia de Staphylococcus aureus se produce la liberación del indicador encapsulado, que es posteriormente medido mediante espectroscopía de fluorescencia. Además, la respuesta obtenida es específica para Staphylococcus aureus. Este sistema ha sido ensayado en muestras reales. En el sexto capítulo, diseña un nanodispositivo híbrido orgánico-inorgánico consistente en un material de alúmina mesoporosa cubierto con una secuencia de ADN específica para la detección de ADN del hongo Pneumocystis jirovecii. En este caso, el soporte de alúmina cargado con rodamina B se recubre con una secuencia de ADN específica para el reconocimiento de este hongo. En presencia del organismo, la horquilla hibrida con el ADN del hongo, lo que resulta en una conformación triplex con elevada afinidad y estabilidad que induce, al mismo tiempo, el desplazamiento de este complejo de la superficie. Como consecuencia de este reconocimiento la carga se libera y es cuantificada mediante espectroscopía de fluorescencia. El sistema ha sido satisfactoriamente validado. En el séptimo capítulo, se diseña un sistema sensor con la capacidad de detectar gluten de forma rápida y sencilla en extractos de alimentos procesados y no procesados. Para ello, un soporte de alúmina mesoporosa se carga con rodamina B y los poros se recubren con un aptámero específicamente diseñado para la detección de la proteína gliadina, que constituye el 50 % del total del clúster de elementos que forman el gluten. La elevada afinidad y especificidad entre el aptámero y la proteína en cuestión hacen que en presencia de ésta se produzca un desplazamiento de la puerta molecular que permite la difusión del colorante encapsulado que es finalmente monitorizado mediante espectroscopía de fluorescencia. Finalmente, en el capítulo octavo se discuten de forma conjunta los resultados obtenidos en los capítulos anteriores y la potencial aplicación de los sistemas desarrollados en el actual sistem / [CA] La present tesi doctoral, titulada "New nanostructured supports with signal amplification features for the detection of molecules and biomolecules of interest", es centra en el disseny i preparació de nous materials híbrids orgànics-inorgànics constituïts per portes moleculars suportades sobre alúmina mesoporosa amb l'objectiu de desenvolupar nous sistemes sensors amb potencials aplicacions en el camp de la diagnosi i del control alimentari. En el primer capítol de la tesi s'introdueixen els conceptes en què estan basats els estudis realitzats i els materials preparats. A continuació, en el segon capítol es descriuen els objectius generals de la tesi que seran abordats en els següents apartats. En el tercer capítol es presenta el disseny i optimització d'un nanodispositiu per a la detecció de la bactèria Mycoplasma fermentans. Primerament, els porus d'una placa d'alúmina mesoporosa són carregats amb un indicador fluorescent (rodamina B). Seguidament, la superfície és funcionalitzada amb una seqüència d'ADN complementaria a una regió altament conservada de la subunitat ribosomal 16S de la bactèria Mycoplasma fermentans. L'impediment estèric generat per les seqüències d'ADN ancorades a l'exterior dels porus impedeix l'alliberament de l'indicador encapsulat. Únicament en presencia d'ADN de la bactèria Mycoplasma fermentans, es produeix l'obertura dels porus permetent la difusió de la càrrega (rodamina B) que és posteriorment mesurada mitjançant fluorescència. En el capítol quatre es dissenya un nanodispositiu capaç de detectar de forma ràpida, sensible i selectiva la bactèria Staphylococcus aureus. Per a la preparació del material sensor, el suport d'alúmina mesoporosa és, primerament, carregat amb l'indicador fluorescent rodamina B. A continuació, els porus del suport són tapats mitjançant l'ancoratge d'un aptàmer que reconeix de forma específica a la bactèria. Solament en presència de Staphylococcus aureus es produeix l'alliberament de l'indicador encapsulat, que és posteriorment mesurat mitjançant espectroscòpia de fluorescència. A més a més, la resposta obtinguda és específica per Staphylococcus aureus. Aquest sistema ha sigut validat amb mostres reals de pacients. En el sisè capítol, es dissenya un nanodispositiu híbrid orgànic-inorgànic consistent en un material d'alúmina mesoporosa cobert amb una seqüència d'ADN específica per a la detecció de l'ADN del fong Pneumocystis jirovecii. En aquest cas, el suport d'alúmina carregat amb l'indicador fluorescent rodamina B és recobert amb una seqüència d'ADN específica per al reconeixement d'aquest fong. En presència de l'organisme, la forquilla hibrida amb l'ADN del fong, resultant en una conformació triplex amb elevada afinitat i estabilitat, que indueix, al mateix temps, el desplaçament d'aquest complex de la superfície. Com a conseqüència d'aquest reconeixement la càrrega és alliberada i quantificada mitjançant espectroscòpia de fluorescència. El sistema ha sigut validat com a mètode diagnòstic mitjançant l'anàlisi de mostres reals de pacients. En el seté capítol, es dissenya un sistema sensor amb la capacitat de detectar gluten de forma ràpida i senzilla en extractes d'aliments processats i no processats. Per a això, un suport d'alúmina mesoporosa es carrega amb indicador fluorescent rodamina B i posteriorment és recobert amb un aptàmer específicament dissenyat per a la detecció de la proteïna gliadina, que constitueix el 50 % del total del clúster d'elements que formen el gluten. L'elevada afinitat i especificitat entre l'aptàmer i la proteïna en qüestió fa que en presència d'aquesta es produesca un desplaçament de la porta molecular que permet la difusió de la càrrega encapsulada i que serà finalment monitoritzada mitjançant espectroscòpia de fluorescència. Finalment, en el capítol vuité es discuteixen de manera conjunta els result / [EN] The PhD thesis hereby presented and entitled "New nanostructured supports with signal amplification features for the detection of molecules and biomolecules of interest", focuses in the design and preparation of new hybrid organic-inorganic materials constituted by molecular gates supported over mesoporous alumina with the aim of developing new sensor probes of potential applications in the fields of diagnosis and food control. In the first chapter, the concepts in which studies and prepared materials are based, are introduced. Next, the second chapter describes the general objectives of this thesis, which will be approached in the following sections. In the third chapter, it is presented in detail the design and optimization process of a nanodevice applied for the detection of Mycoplasma fermentans bacterium. First of all, mesoporous alumina porous films are charged with a fluorescent indicator (rhodamine B). Then, the surface is functionalized with a DNA sequence complementary to a highly conserved region of the 16S ribosomal subunit of the bacterium Mycoplasma fermentans. Steric hindrance generated by DNA sequences on the surface inhibits the release of the encapsulated indicator. Only in the presence of bacterium Mycoplasma fermentans DNA, molecular gates open, allowing payload diffusion to the solution, which is measured by fluorescence spectroscopy. In chapter four, it is carried out the design and optimization of a nanodevice able to detect Staphylococcus aureus bacterium in a fast, sensitive and selective way. For the sensor preparation, alumina mesoporous support is, first, loaded with the rhodamine B fluorescent dye. Then, the mesoporous are blocked through the attachment of an aptamer that recognises specifically this bacterium. Exclusively in the presence of Staphylococcus aureus it is accomplished the release of the encapsulated dye, which is later monitored by fluorescence spectroscopy. The response obtained is specific for Staphylococcus aureus. This system has been validated in real samples. In the sixth chapter, it is detailed the design and optimization process of a hybrid organic-inorganic nanodevice based on a capped mesoporous alumina material for the detection of Pneumocystis jirovecii fungus DNA. In this case, the mesoporous alumina support is loaded with a fluorescent dye and decorated with a specific oligonucleotide sequence designed for the recognition of Pneumocystis fungus. In the presence of the target organism, the fork-like oligonucleotide hybridises with the DNA of the fungus, which results in the adoption of a triplex conformation with high affinity and stability that induces, at the same time, the displacement of this complex from the surface. Consequently, the payload diffused to the solution is quantified through fluorescence spectroscopy. The system has been successfully validated. In the seventh chapter, it was developed a sensor system for gluten detection, in a quick and easy way, in processed and non-processed food extracts. For this, a mesoporous alumina support is loaded with the fluorescent dye rhodamine B, and later was functionalized with an aptamer specifically designed for the detection of gliadin, a protein that constitutes 50 % of average cluster elements that forms gluten. The protein-aptamer high affinity and specificity induce the displacement of the capping aptamer and cargo delivery, which is monitored through fluorescence spectroscopy. Finally, in the eighth chapter, the results obtained in the previous chapters and the potential application of the systems developed as health and food control system are discussed. / We thank the Spanish Government projects MAT2015-64139-C4-1-R, AGL2015-70235-C2-2-R, and TEC2015-71324-R (MINECO/FEDER, UE), the Generalitat Valenciana (project PROMETEOII/2014/047), the Catalan authority (project AGAUR 2014SGR1344), and ICREA under the 2014 ICREA Academia Award for support. This study was supported by the Spanish Government projects RTI2018-100910-B-C41 and SAF2017-82251-R (MCUI/AEI/FEDER, UE), the Generalitat Valenciana (project PROMETEO/2018/024), the Universitat Politècnica de València−Instituto de Investigación Sanitaria La Fe (B02-MIRSA project), CIBER-BBN (NANOPATH and valorization project CANDI-EYE) and co-financed by the EU through the Valencian Community ERDF PO 2014-2020. This research was funded by the Spanish Government, projects RTI2018-100910-B-C41 (MCUI/AEI/FEDER, UE) and CTQ2017-84415-R / Pla Blasco, L. (2021). New nanostructured supports with signal amplification features for the detection of molecules and biomolecules of interest [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/166500

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Nuevas sondas, portadores y pro-fármacos dirigidos a células senescentes in vivo" se centra en el diseño, preparación, caracterización y evaluación de sondas basadas en fluoróforos funcionalizados o en nanopartículas, así como en el desarrollo de profármacos, aplicadas al campo de la senescencia celular. En el primer capítulo se introducen, a nivel general, los diferentes conceptos relacionados con el reconocimiento molecular y la detección de biomarcadores. Seguidamente se introducen conceptos básicos de senescencia celular y envejecimiento, así como el papel que juegan las células senescentes a nivel fisiológico, en enfermedades asociadas al envejecimiento celular y en el cáncer. Por último, se aborda también la creciente necesidad de desarrollar nuevas herramientas de diagnóstico y terapias centradas en la detección y tratamiento de dichas enfermedades. En el segundo capítulo se exponen los objetivos generales de la presente tesis doctoral, así como los objetivos concretos que son abordados en los diferentes capítulos experimentales. En el tercer capítulo se describe una nueva sonda molecular para la detección de senescencia in vivo. En concreto, se describe el diseño de una sonda de dos fotones basada en un fluoróforo de naftalimida conectada, mediante un éster metílico de L-histidina, con una galactosa acetilada que esta unida a uno de los átomos de nitrógeno aromático de la L-histidina a través de un enlace N-glicosídico hidrolizable (AHGa). La sonda inicial presenta una baja emsión pero en células senescentes se transforma en un fluoróforo con alto rendimiento cuantico que permite visualizar estas células debido a la hidrólisis del enlace N-glicosidico por la enzima ¿-galactosidasa sobreexpresada en este tipo de células. La sonda es capaz de detectar in vitro células de melanoma humano SK-Mel-103 tratadas con quimioterapia inductora de senescencia frente a células control. Adicionalmente, se validó la detección in vivo de senescencia en ratones con xenoinjertos tumorales tratados con quimioterapia inductora de senescencia. Basándonos en los resultados obtenidos en el capítulo tres, en el capítulo cuatro se describe un sistema similar cuyas características confieren al fluoróforo una mayor longitud de onda de excitación (HeckGal). La nueva sonda es capaz de detectar células senescentes debido a la sobreexpresión de la enzima ¿-galactosidasa asociada a senescencia en gran variedad de líneas celulares con diversos métodos de inducción de senescencia. Esta sonda se validó también in vivo en un modelo ortotópico de cáncer de mama de ratón tratado con quimioterapia inductora de senescencia, y en un modelo de ratón de fibrosis renal. Seguidamente, el capítulo cinco, se centra en un nuevo concepto de sondas moleculares no invasivas, que proporcionan una señal fácilmente legible a través de simples medidas de fluorescencia de la orina. Esta idea se llevó a cabo mediante la funcionalización de una sonda con grupos que le confieren características diuréticas (rápida eliminación renal) y el concepto se aplicó al diseño de una sonda para a la detección en orina de la carga senescente en diversos modelos. La sonda (Cy7Gal) está basada en la cianina-7 que es hidrolizada por la enzima ¿-galactosidasa en un fluoróforo altamente emisivo Cy7. Cy7Gal y Cy7 contienen restos de ácido sulfónico que aumentan su solubilidad en agua y desencadenan su rápida excreción por el sistema urinario. El grado de senescencia se cuantificó por medición directa de fluorescencia en orina en tres modelos de senescencia en ratones: (i) un modelo ortotópico de cáncer de mama en ratones BALB/cByJ con senescencia inducida por quimioterapia; (ii) ratones BALB / cByJ envejecidos de forma natural; y (iii) ratones con senescencia acelerada (SAMP8, del inglés Senescence Accelerated Mouse-Prone 8). Además, las imágenes IVIS ex vivo permite / [CA] La tesi doctoral titulada "Noves sondes, portadors i profàrmacs dirigits a cèl·lules senescents in vivo" se centra en el desenvolupament i avaluació de sondes basades en fluoròfors funcionalitzats o en nanopartícules, així com en el desenvolupament de profàrmacs, aplicades a el camp de la senescència cel·lular. Primer s'introdueixen els diferents conceptes relacionats amb el sensing i amb la sescencia cel·lular, abordant la necessitat de noves eines diagnòstiques i terapèutiques d'aquestes malalties. En els capítols 3:04 es descriuen una nova sonda molecular dos fotons per a la detecció de senescència in vivo en ratolins amb xenoempelts tumorals tractats amb quimioteràpia inductora de senescència, una altra sonda per a la detecció in vivo en un model ortotòpic de càncer de mama de ratolí tractat amb quimioteràpia inductora de senescència, i en un model de ratolí de fibrosi renal. El capítol 5, se centra en un nou concepte de sondes moleculars no invasives, que proporcionen un senyal fàcilment llegible a través de simples mesures de fluorescència de l'orina. Finalment, pel que fa a detecció de senescència cel·lular es refereix, es presenta en el capítol sis la detecció in vivo de senescència cel·lular mitjançant l'alliberament controlat de Nile Blue en nanopartícules de sílice mesoporoses funcionalitzades amb un galactohexasacárido. Un cop assolits els objectius planificats pel que fa a la diagnosi, en el capítol set es va abordar la millora d'un dels senolíticos més potents i àmpliament conegut en el camp de la senescència cel·lular que existeix a dia d'avui al mercat: el Navitoclax. / [EN] The doctoral thesis entitled "New probes, carriers and pro-drugs directed to senescent cells in vivo" focuses on the development and evaluation of probes based on functionalized fluorophores or nanoparticles, as well as on the development of prodrugs, applied to the field of cellular senescence. First, the different concepts related to sensing and cell sescence are introduced, addressing the need for new diagnostic and therapeutic tools for these diseases. Chapters three and four describe a new two-photon molecular probe for in vivo senescence detection in mice with tumor xenografts treated with senescence-inducing chemotherapy, another probe for in vivo detection in an orthotopic mouse breast cancer model. treated with senescence-inducing chemotherapy, and in a mouse model of renal fibrosis. Chapter five focuses on a new concept of non-invasive molecular probes, which provide an easily readable signal through simple measurements of urine fluorescence. Finally, regarding the detection of cellular senescence, chapter six presents the in vivo detection of cellular senescence through the controlled release of Nile Blue in mesoporous silica nanoparticles functionalized with a galactohexasaccharide. Once the planned objectives with regard to diagnosis had been achieved, chapter seven addressed the improvement of one of the most powerful and widely known senolytics in the field of cellular senescence that exists on the market today: Navitoclax. / The authors thank the financial support from the Spanish Government (projects MAT2015-64139-C4-1-R and AGL2015-70235-C2-2-R) and the Generalitat Valenciana (project PROMETEOII/2014/047). R.M laboratory members thank the financial support from the Spanish Government (project RTI2018-100910-B-C41) and the Generalitat Valenciana (project PROMETEO 2018/024). B.L-T. is grateful to the Spanish Ministry of Economy for their PhD grants (FPU15/02707). Work in the laboratory of MS was funded by the IRB and by grants from the Spanish Ministry of Economy co-funded by the European Regional Development Fund (ERDF) (SAF2013-48256-R), the European Research Council (ERC-2014-AdG/669622), and the “laCaixa” Foundation. D.M.-E. laboratory is supported by the Cancer Research UK (CRUK) Cambridge Centre Early Detection Programme, by a CRUK Early Detection OHSU Project Award (C62187/A26989), by a Medical Research Council (MRC) New Investigators Research Grant (NIRG, MR/R000530/1). Work in the laboratory of I.F. is supported by grants from the Spanish Government (SAF2017-86690-R), Instituto de Salud Carlos III (CIBERNED and RETIC Tercel), and Generalitat Valenciana (Prometeo 2017/030). / Lozano Torres, B. (2021). Novel probes, carriers and prodrugs to target senescent cells in vivo [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172175

[ES] La presente tesis doctoral, titulada "Estudio, desarrollo y mejora de la síntesis de nanopartículas mesoporosas de sílice (MSN) tipo MCM-41 orientada a aplicaciones biomédicas" se centra en la síntesis, caracterización, estudio y evaluación de diferentes MSN tipo MCM-41, con el objetivo de ampliar el conocimiento de las MSN como nanomateriales implicados en aplicaciones biomédicas. El primer capítulo de este trabajo es una introducción general sobre los temas que se van a tratar a lo largo de la tesis. Por un lado, se introducen los principales conceptos sobre las nanopartículas de sílice mesoporosas, y en particular las MSN de tipo MCM-41, como su descubrimiento, sus propiedades, ventajas y aplicaciones, su síntesis y la química implicada, y la posibilidad de ser funcionalizadas o dopadas para adquirir propiedades adicionales y únicas. Por otro lado, se presenta un amplio abanico de técnicas de caracterización de MSN, destacando su importancia en la presente tesis. Por último, se revisan los conceptos de nanomedicina y nanomateriales, incluyendo el conjunto de requisitos que deben cumplir los nanomateriales para ser validados, los tipos de nanomateriales desarrollados hasta el momento y los principales cuellos de botella encontrados en la traslación clínica de los nanomateriales. En este contexto, se revisan los estudios de las MSN en nanomedicina, señalando los retos de las mismas dentro de esta especialidad y la oportunidad que ofrecen a la ciencia de los materiales. En el segundo capítulo se exponen los objetivos generales de la presente tesis doctoral, que son abordados en los siguientes capítulos. El tercer capítulo se basa en un estudio en profundidad del mecanismo de síntesis de las MSN de tipo MCM-41, considerando el mecanismo de estructuración de la sílice, la nucleación, el crecimiento y los procesos de envejecimiento. En particular, se analizan detalladamente las primeras etapas de la síntesis de MSN. Además, se revisan los diferentes modelos descritos sobre el mecanismo de estructuración de la sílice, que han sido ampliamente estudiados. El cuarto capítulo se centra en la investigación del efecto de algunos parámetros tradicionalmente poco estudiados en la síntesis y formación de MSN de tipo MCM-41, como el tiempo de síntesis, la velocidad de agitación, el núcleo de agitación magnética utilizado, la velocidad de adición del TEOS y el método de neutralización una vez formadas las nanopartículas. También se introduce una revisión de la influencia de los parámetros de síntesis más estudiados en las MSN tipo MCM-41. El quinto capítulo se basa en el estudio de la obtención, caracterización y manipulación de MSN de tipo MCM-41 coloidales. En primer lugar, se presenta una revisión crítica de los trabajos que informan sobre la obtención de MSN coloidales, correctamente suspendidas o discretas. En segundo lugar, se introduce una metodología para caracterizar la estabilidad coloidal de las MSN. En tercer lugar, se estudia y compara el comportamiento coloidal de diferentes nanopartículas en diferentes condiciones. Y, por último, se desarrolla un marco conceptual y de trabajo sobre los principios que rigen la estabilidad coloidal de las nanopartículas. El sexto capítulo es un estudio exhaustivo de las implicaciones del uso de diferentes procedimientos de eliminación de surfactantes en las MSN de tipo MCM-41, como la calcinación a diferentes temperaturas y la extracción con disolventes. Las propiedades fisicoquímicas de las MSN estudiadas son la eficiencia de eliminación de surfactantes, el grado de condensación de la sílice, la porosidad, la estabilidad coloidal y la reactividad superficial. Además, se comprobó la biocompatibilidad de las nanopartículas en cuanto a su citotoxicidad y su degradación en un entorno fisiológico simulado, para validar su uso en aplicaciones biomédicas. El séptimo capítulo recoge las conclusiones generales de la presente tesis, que resumen las conclusiones obtenidas en cada capítulo. / [CA] L'actual tesi doctoral, titulada "Estudi, desenvolupament i millora de la síntesi de nanopartícules mesoporoses de sílice (MSN) de tipus MCM-41 orientada cap a aplicacions biomèdiques" se centra en la síntesi, caracterització, estudi i avaluació de diferents mostres de MSN de tipus MCM-41 amb l'objectiu de millorar el coneixement de les MSN com nanomaterials implicats en aplicacions biomèdiques. El primer capítol d'aquest treball és una introducció general sobre els elements que es tractaran durant tota la tesi. D'una banda, s'introdueixen els conceptes principals sobre les nanopartícules mesoporoses de sílice, i en particular les de tipus MCM-41, com el seu descobriment, les seues propietats, avantatges i aplicacions, la seua síntesi i la química implicada, i la possibilitat de ser funcionalitzades o dopades per adquirir propietats addicionals i úniques. D'altra banda, es presenta una àmplia gamma de tècniques de caracterització de MSN destacant la seua importància en la tesi actual. Finalment, es revisen els conceptes de nanomedicina i nanomaterials, incloent-hi el conjunt de requisits que els nanomaterials han d'aconseguir per ser validats, els tipus de nanomaterials desenvolupats fins ara, i els principals colls d'ampolla trobats en la translació clínica de nanomaterials. En aquest context, es revisen els estudis de les MSN en nanomedicina, assenyalant els seus reptes dins de la nanomedicina i l'oportunitat que ofereixen a la ciència dels materials. El segon capítol exposa els objectius generals de la tesi doctoral actual, que són abordats en els següents capítols. El tercer capítol es basa en un estudi en profunditat del mecanisme de síntesi de les MSN tipus MCM-41, considerant el mecanisme d'estructuració de la sílice, la nucleació, el creixement i els processos de maduració. Particularment, les primeres etapes de la síntesi de MSNs s'analitzen en detall. A més, es revisen els diferents models reportats sobre el mecanisme d'estructuració de sílice, que ja han sigut àmpliament estudiats. El quart capítol es centra en la investigació de l'efecte d'alguns paràmetres tradicionalment menys estudiats en la síntesi i formació de l'MSN de tipus MCM-41, com: el temps de síntesi, la velocitat d'agitació, el nucli d'agitació magnètica utilitzat, la velocitat d'addició de TEOS i el mètode de neutralització una vegada que es formen les nanopartícules. També s'introdueix una revisió de la influència dels paràmetres de síntesi més estudiats en les MSN de tipus MCM-41. El cinqué capítol es basa en l'estudi de l'obtenció, caracterització i manipulació de les MSN de tipus MCM-41 col·loidals. En primer lloc, es presenta una revisió crítica dels treballs que descriuen l'obtenció de MSN col·loidals, correctament suspeses o discretes. En segon lloc, s'introdueix una metodologia per caracteritzar l'estabilitat col·loidal de les MSN. En tercer lloc, s'estudia i compara el comportament col·loidal de diverses nanopartícules en diferents condicions. I finalment, es desenvolupa un marc conceptual i de treball sobre els principis que regeixen l'estabilitat col·loidal de les nanopartícules. El sisé capítol és un estudi exhaustiu de les implicacions de l'ús de diferents procediments d'extracció de surfactants a les MSN de tipus MCM-41, com la calcinació a diferents temperatures i l'extracció de dissolvents. Les propietats fisicoquímiques de les MSN estudiades són l'eficiència d'extracció de surfactant, el grau de condensació de sílice, la mesoporositat, l'estabilitat col·loidal i la reactivitat de la superfície. A més, la biocompatibilitat de les nanopartícules es va provar pel que fa a la seua citotoxicitat i la seua degradació en un entorn fisiològic simulat, per validar el seu ús en aplicacions biomèdiques. El seté capítol recull les conclusions generals de la tesi actual, que resumeix les conclusions obtingudes en cada capítol, però també proporciona noves perspectives i una visió global de la matèria estudiada. / [EN] The present PhD thesis, entitled "Study, development and improvement of MCM-41-type mesoporous silica nanoparticles (MSN) synthesis oriented to biomedical applications" is focused on the synthesis, characterisation, study and evaluation of different MCM-41-type MSN samples to improve the knowledge of MSN as nanomaterials involved in biomedical applications. The first chapter of this work is a general introduction about the items that are going to be treated throughout the thesis. On the one hand, the main concepts about the mesoporous silica nanoparticles, and in particular MCM-41-type MSN, are introduced, such as their discovery, their properties, advantages, and applications, their synthesis and the chemistry involved, and the possibility of being functionalised or doped to acquire additional and unique properties. On the other hand, a wide range of MSN characterisation techniques are presented highlighting their importance in the current thesis. Finally, the concepts of nanomedicine and nanomaterials are reviewed, including the set of requirements the nanomaterials must accomplish to be validated, the types of nanomaterials developed thus far, and the main bottlenecks found in clinical translation of nanomaterials. In this context, the studies of MSN in nanomedicine are reviewed, illustrating the challenges of MSN within the nanomedicine and the opportunity their offer to material science. Second chapter exposes the general objectives of present PhD thesis, which are addressed in the following chapters. Third chapter is based on an in-depth study of the synthesis mechanism of MCM-41-type MSN, considering the silica templating mechanism, the nucleation, the growth and the aging processes. Particularly, the early stages of the MSNs synthesis are substantially analysed. In addition, the different models reported about the silica templating mechanism, which are widely studied, are reviewed. Fourth chapter is focused on the investigation of the effect of some disregarded parameters on the synthesis and formation of MCM-41-type MSN, such as synthesis time, stirring rate, the magnetic stir bar used, TEOS addition rate and the neutralisation method once nanoparticles are formed. A review of the influence of the most studied synthesis parameters on MCM-41-type MSN is also introduced. Fifth chapter is based on the study of the obtaining, characterisation and manipulation of colloidal MCM-41-type MSN. First, a critical review of works that report the obtaining of colloidal, well-suspended or discrete MSN is presented. Second, a methodology to characterise the colloidal stability of MSN is introduced. Third, the colloidal behaviour of several nanoparticles under different conditions is studied and compared. And finally, a conceptual and operational framework about the principles governing the colloidal stability of nanoparticles is developed. Sixth chapter is a comprehensive study of the implications of the use of different surfactant removal procedures on standard MCM-41-type MSN, such as calcination at different temperatures and solvent extraction. The physicochemical properties of MSN studied are the surfactant removal efficiency, the silica condensation degree, the mesostructured framework, the colloidal stability and the surface reactivity. Additionally, the biocompatibility of nanoparticles was tested regarding their cytotoxicity and their degradation in a simulated physiological environment, to validate their use in biomedical applications. Finally, seventh chapter gathers the general conclusions of the current thesis, which summarise the conclusions obtained in each chapter, but also provide new perspectives and the big picture of the studied matter. / Candela Noguera, V. (2022). Study, development and improvement of MCM-41-type MSN synthesis oriented to biomedical applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182386

[ES] La presente tesis se centra en la síntesis, caracterización, evaluación y aplicación en ensayos de lateral-flow de sensores moleculares, así como, de distintos sistemas híbridos orgánicos-inorgánicos basados en nanopartículas de sílice mesoporosa (MSNs) capaces de producir una respuesta fluorogénica ante la presencia de estímulos exógenos específicos como serían las drogas de abuso para su detección en diferentes medios competitivos. En el primer capítulo, se establece una visión general de los tipos de drogas de abuso existentes, así como, sus principales características y la importancia del desarrollo de nuevos métodos para detectarlas. Además, se presenta una visión general del campo de la nanotecnología, y su potencial aplicación como herramientas multifuncionales en el campo de los sensores, así como, una descripción general de sistemas de detección basados en complejos de metales de transición. A continuación, en el segundo capítulo se enumeran los principales objetivos generales a conseguir durante el desarrollo de la presente tesis doctoral. En el tercer capítulo se presenta un nanodispositivo para la detección fluorimétrica del estupefaciente 25I-NBOMe en golosinas. El sistema consta de MSNs cargadas con un fluoróforo y funcionalizadas en su superficie externa con un derivado de serotonina. Finalmente, los poros son bloqueados completamente por la interacción del derivado de serotonina anclado en la superficie con el anticuerpo del receptor 5-HT2A. La respuesta obtenida con el nanosensor es muy selectiva y con límites de detección bajos. En el cuarto capítulo se llevó a cabo la preparación y caracterización de un nanosensor para la detección fluorogénica selectiva y sensible de 3,4-metilendioxipirovalerona (MDPV), comúnmente conocida como droga caníbal. El nanodispositivo está basado en MSNs cargadas con un colorante fluorescente (rodamina B), y funcionalizadas en su superficie externa con un derivado de dopamina, que interactúa específicamente con el transportador de dopamina (DAT), bloqueando los poros. En presencia de MDPV, se produce la inhibición del reconocimiento entre el derivado de dopamina y el DAT que se desprende consecuentemente de las MSNs, provocando la liberación de rodamina B y permitiendo la detección de la droga. El nanodispositivo se ha empleado para la detección de MDPV en muestras de saliva y plasma sanguíneo. El quinto capítulo muestra el diseño de una sencilla tira portátil de doble canal usando nanomateriales híbridos para la detección in situ en muestras de saliva de escopolamina y MDPV, empleando un dispositivo smartphone. El nanosensor se basa en MSNs cargadas con un colorante fluorescente (rodamina B) y con la superficie externa funcionalizada con betanecol (agonista del receptor muscarínico de acetilcolina M2/CM2 (M2-AChR)). Al añadir el receptor M2-AChR se produce el tapado de los poros debido a la interacción específica con el derivado de betanecol. En el sexto capítulo se presenta un sensor molecular para la detección de GHB en bebidas alcohólicas, basado en un complejo de Cu2+ coordinado con un ligando tetradentado y un colorante fluorescente, cumarina 343. El mecanismo de detección se basa en un ensayo de desplazamiento del indicador (IDA). Este sistema se incorporó a una tira reactiva en un ensayo de lateral-flow. Por último, en el capítulo 7 se presentan las conclusiones generales. Los estudios realizados mostraron que estas sondas proporcionan excelentes ventajas sobre las técnicas analíticas tradicionales, tales como su simplicidad química, facilidad de uso, respuestas rápidas adecuadas para la detección in situ en tiempo real haciendo que la aplicación de estos sistemas suponga un prometedor avance para la detección precoz de casos de sumisión química o de adulteración de muestras con drogas de abuso difícilmente detectables. / [CA] La present tesi se centra en la síntesi, caracterització, avaluació i aplicació en assajos tipus lateral-flow de sensors moleculars, així com, de diferents sistemes híbrids orgànics-inorgànics basats en nanopartícules de sílice mesoporosa (MSNs) capaços de produir una resposta fluorogénica davant la presència d'estímuls exògens específics com serien les drogues d'abús per a la seua detecció en diferents medis competitius. En el primer capítol, s'estableix una visió general dels tipus de drogues d'abús existents, així com, les seues principals característiques i la importància del desenvolupament de nous mètodes per a detectar-les. A més, es presenta una visió general del camp de la nanotecnologia, i la seua potencial aplicació com a eines multifuncionals en el camp dels sensors, així com, una descripció general de sistemes de detecció basats en complexos de metalls de transició. A continuació, en el segon capítol s'enumeren els principals objectius generals a aconseguir durant el desenvolupament de la present tesi doctoral. En el tercer capítol es presenta un nanodispositiu per a la detecció fluorimètrica de l'estupefaent 25I-NBOMe en llepolies. El sistema consta de MSNs carregades amb un fluorofore (rodamina B) i funcionalitzades en la seua superfície externa amb un derivat de serotonina. Finalment, els porus són bloquejats completament per la interacció del derivat de serotonina ancorat a la superfície amb l'anticòs del receptor 5-HT2A que actua com a porta molecular. La resposta obtinguda es molt selectiva i amb limits de detecció baixos. En el quart capítol es va dur a terme la preparació i caracterització d'un nanosensor híbrid orgànic-inorgànic per a la detecció fluorogénica selectiva i sensible de 3,4-metilendioxipirovalerona (MDPV), comunament coneguda com a droga caníbal. El nanodispositiu està basat en MSNs carregades amb un colorant fluorescent (rodamina B), i funcionalitzades en la seua superfície externa amb un derivat de dopamina, que interactua específicament amb el transportador de dopamina (DAT), bloquejant els porus. El nanodispositiu ha estat utilitzat amb exit per a detectar MDPV en mostres de saliva i plasma sanguini. En el cinqué capítol s'ha dissenyat una senzilla tira portàtil de doble canal usant nanomaterials híbrids per a la detecció in situ en mostres de saliva de escopolamina i MDPV. La detecció de aquestes drogues en saliva es du a terme mitjançant la utilització d'un dispositiu smartphone. El nanosensor es basa en MSNs carregades amb un colorant fluorescent (rodamina B) i amb la superfície externa functionalitzada amb un derivat de betanecol (agonista del receptor muscarínic d'acetilcolina M2/CM2 (M2-AChR)). En presencia de M2-AChR es tapen els porus a causa de la interacció específica amb el derivat de betanecol. En el sisé capítol es presenta un sensor molecular per a la detecció de GHB en begudes alcohòliques, basat en un complex de Cu2+ coordinat amb un lligand tetradentat i un colorant fluorescent, cumarina 343. El mecanisme de detecció es basa en un assaig de desplaçament de l'indicador (IDA). Aquest sistema es va incorporar a una tira reactiva en un assaig lateral-flow. Finalment, en el capítol setè es presenten les conclusions generals. Els estudis realitzats van mostrar que aquestes sondes (que poden ser simples molècules o sistemes més sofisticats que involucren biomolècules en materials híbrids orgànic-inorgànics) proporcionen excel·lents avantatges sobre les tècniques analítiques tradicionals, com son la seua simplicitat química, facilitat d'ús, respostes ràpides i adequades per a la detecció in situ en temps real fent que l'aplicació d'aquests sistemes supose un prometedor avanç per a la detecció precoç de casos de submissió química o d'adulteració de mostres amb drogues d'abús difícilment detectables. / [EN] This PhD thesis focus on the synthesis, characterisation, evaluation and application in lateral-flow assays of molecular sensors, as well as different hybrid organic-inorganic systems based on mesoporous silica nanoparticles (MSNs) able to generate a fluorogenic response in the presence of specific exogenous stimuli such as abuse drugs for their detection in different competitive environments. In the first chapter, an overview about the different types of abuse drugs is given, as well as their main characteristics and the importance of new detection methods. In addition, a general view relate to metal complexes as sensor and nanotechnology is presented, and their potential application as multifunctional tools in the field of sensors. Then, the second chapter describes the main general objectives to be achieved during the development of this PhD thesis. The third chapter presents a nanodevice for the fluorimetric detection of 25I-NBOMe in candies. The system consists of MSNs loaded with a fluorophore (rhodamine B) and functionalised on their external surface with a serotonin derivative. Finally, the pores are completely capped by the interaction of the surface-anchored serotonin derivative with the 5-HT2A receptor antibody acting as a molecular gate. The response obtained with the nanosensor is quite selective and with low detection limits. In the fourth chapter, the preparation, and characterisation of a hybrid organic-inorganic nanosensor for the highly selective and sensitive fluorogenic detection of 3,4-methylenedioxypyrovalerone (MDPV), commonly known as cannibal drug, was carried out. The nanodevice is based on MSNs loaded with a fluorescent reporter (rhodamine B) and functionalised on their outer surface with a dopamine derivative, which specifically interacts with the dopamine transporter (DAT), capping the pores. The nanosensor was successfully used for MDPV detection in saliva and blood plasma samples. In the fifth chapter, a straightforward portable dual-track strip using nanomaterials has been designed for in situ in saliva samples and simultaneous detection of scopolamine and MDPV. Detection of both drugs in saliva samples was achieved by quantifying the released dye using a smartphone device. The nanosensor for MDPV detection is based on MSNs loaded with a fluorescent dye (rhodamine B) and a bethanechol derivative (an agonist of the muscarinic acetylcholine receptor M2/CM2 (M2-AChR)) grafted onto the external surface of the nanoparticles. Pores were capped after addition of M2-AChR due to its preferential coordination with the grafted bethanechol. The sixth chapter presents a molecular sensor for the GHB detection in alcoholic beverages, based on a Cu2+ complex coordinated with a tetradentate ligand and a fluorescent dye, coumarin 343. The detection mechanism is based on an indicator displacement assay (IDA). This system was incorporated into a test strip in a lateral-flow assay. Finally, general conclusions are presented in chapter seven. The studies performed showed that these probes (which can be from simple molecules to more sophisticated systems involving biomolecules in organic-inorganic hybrid materials) provide excellent advantages over traditional analytical techniques, such as their chemical simplicity, ease of use, rapid responses suitable for real-time in situ detection whereby the application of these systems is a promising advance for the early detection of chemical submission cases or adulteration of samples with hardly detectable abuse drugs. / Garrido García, EM. (2022). Development of Molecular and Nanostructured Sensors for Illicit Drug Detection [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/186235

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

[ES] La tesis doctoral titulada «Nanomotores Janus platino-sílice mesoporosa como plataforma para la entrega de fármacos en aplicaciones biomédicas» se centra en el desarrollo de una nanopartícula multifuncional autopropulsada (nanomotor). El nanomotor se basa en una nanopartícula Janus integrada por una nanopartícula de platino (Pt) y una nanopartícula mesoporosa de sílice (MSN) y es capaz de propulsarse y liberar fármacos de forma controlada. La cara de Pt es responsable del movimiento mediante la catálisis de H2O2 en O2, mientras que, la cara de MSN es responsable de la entrega de la carga ante el reconocimiento de estímulos específicos. El objetivo del trabajo es emplear la fuerza motriz de los nanomotores para difundir a través de barreras biológicas (BB), favoreciendo la entrega de fármacos en localizaciones diana de difícil acceso. En concreto, la zona interna de las biopelículas bacterianas y los tumores sólidos, que en ambos casos está protegida por una matriz extracelular (ECM) prácticamente impenetrable. El nanomotor Janus Pt-MSN se sintetiza de forma toposelectiva mediante la técnica de emulsión de Pickering. En primer lugar, se carga con una molécula modelo y se funcionaliza con una puerta molecular sensible a estímulos redox, unida a la superficie de la cara de MSN mediante enlaces disulfuro. Los resultados confirman la estructura del nanomotor (tipo «muñeco de nieve») y su doble funcionalidad: difusión incrementada en respuesta a H2O2 y salida selectiva de la carga en respuesta a una especie redox (glutatión). En segundo lugar, el nanomotor se carga con el antiséptico clorhexidina y sus poros se bloquean con una nanoválvula sensible al pH, formada por un complejo de inclusión establecido entre grupos benzimidazol y ¿-ciclodextrinas unidas a la proteasa ficina. La puerta molecular es capaz de hidrolizar los componentes de la ECM e inducir la liberación de la carga a pH ácido, rasgo característico de la zona interna de las biopelículas. Los experimentos realizados prueban que la triple funcionalidad sinérgica del nanomotor resulta en la eliminación de los microorganismos de las biopelículas endodónticas. A continuación, se propone un nanomotor propulsado por glucosa, ya que existe una urgente necesidad de emplear combustibles biocompatibles y biodisponibles para evitar efectos nocivos en los pacientes. Para ello, se une la enzima glucosa oxidasa a la cara mesoporosa del nanomotor mediante enlaces amida. La enzima desempeña una doble función. Por una parte, constituye el primer elemento de la cascada que induce el movimiento, al catalizar la transformación enzimática de glucosa en H2O2. Finalmente, el H2O2 es descompuesto por la cara de Pt propulsando al nanomotor. Por otra parte, actúa como puerta molecular sensible a proteasas, induciendo la liberación del fármaco doxorrubicina en los lisosomas. Los resultados obtenidos evidencian la habilidad del nanomotor para eliminar las células cancerosas de los tumores sólidos. Las conclusiones de esta tesis doctoral se resumen en que se ha logrado materializar un nanomotor muy versátil con 2 ventajas prominentes: (i) amplia área catalítica capaz de inducir una difusión incrementada y (ii) amplia área susceptible de ser funcionalizada con puertas moleculares. Además, se ha demostrado la capacidad de los nanomotores para atravesar BB, logrando un efecto terapéutico en infecciones endodónticas y cáncer. También se ha probado que el efecto es mayor que el causado por los componentes de los nanomotores independientemente y por nanopartículas control privadas de alguno de sus elementos. Esperamos que estos datos contribuyan al desarrollo de nuevas estrategias o a la mejora de las ya existentes para solventar el reto de la entrega de agentes terapéuticos en áreas enfermas inaccesibles, un problema clínico sin solución en la actualidad. / [CA] La tesi doctoral titulada «Nanomotors Janus platí-sílice mesoporosa com a plataforma per a l'alliberament de fàrmacs en aplicacions biomèdiques» se centra en el desenvolupament d'una nanopartícula multifuncional autopropulsada (nanomotor). El nanomotor es basa en una nanopartícula Janus integrada per una nanopartícula de platí (Pt) i una nanopartícula mesoporosa de sílice (MSN) i és capaç de propulsar-se i alliberar fàrmacs de manera controlada. La cara de Pt és responsable del moviment mitjançant la catàlisi de H2O2 a O2, mentre que la cara de MSN és responsable de l'alliberament de la càrrega davant el reconeixement d'estímuls específics. L'objectiu del treball és fer servir la força motriu dels nanomotors per difondre a través de barreres biològiques (BB), afavorint l'alliberament de fàrmacs en localitzacions diana de difícil accés. En concret, la zona interna de les biopel·lícules bacterianes i els tumors sòlids, que en tots dos casos està protegida per una matriu extracel·lular (ECM) pràcticament impenetrable. El nanomotor Janus Pt-MSN se sintetitza de forma toposelectiva mitjançant la tècnica d'emulsió de Pickering. En primer lloc, es carrega amb una molècula model i es funcionalitza amb una porta molecular sensible a estímuls redox, unida a la superfície de la cara de MSN mitjançant enllaços disulfurs. Els resultats confirmen l'estructura del nanomotor (tipus ninot de neu) i la seva doble funcionalitat: difusió incrementada en resposta a H2O2 i sortida selectiva de la càrrega en resposta a una espècie redox (glutatió). En segon lloc, el nanomotor es carrega amb clorhexidina i els seus porus es bloquegen amb una nanovàlvula sensible al pH, formada per un complex d'inclusió establert entre grups benzimidazol i beta ciclodextrines unides a la proteasa ficina. La porta molecular és capaç d'hidrolitzar els components de l'ECM i induir l'alliberament de la càrrega a pH àcid, un tret característic de la zona interna de les biopel·lícules. Els experiments realitzats proven que la triple funcionalitat sinèrgica del nanomotor resulta en l'eliminació dels microorganismes de les biopel·lícules endodòntiques. A continuació, es proposa un nanomotor propulsat per glucosa, ja que hi ha una necessitat urgent d'emprar combustibles biocompatibles i biodisponibles, per a evitar efectes nocius als pacients. Per fer-ho, s'uneix l'enzim glucosa oxidasa a la cara mesoporosa del nanomotor mitjançant enllaços amida. L'enzim exerceix una doble funció. D'una banda, constitueix el primer element de la cascada que indueix el moviment, en catalitzar la transformació enzimàtica de glucosa a H2O2. Finalment, l'H2O2 és descompost per la cara de Pt propulsant el nanomotor. D'altra banda, actua com a porta molecular sensible a proteases, induint l'alliberament del fàrmac doxorrubicina als lisosomes. Els resultats obtinguts evidencien l'habilitat del nanomotor per eliminar les cèl·lules canceroses dels tumors sòlids. Les conclusions d"aquesta tesi doctoral es resumen en que s"ha aconseguit materialitzar un nanomotor molt versàtil amb 2 avantatges prominents: (i) àmplia àrea catalítica capaç d"induir una difusió incrementada i (ii) àmplia àrea susceptible de ser funcionalitzada amb portes moleculars. A més, s'ha demostrat la capacitat dels nanomotors per travessar BB, aconseguint un efecte terapèutic en infeccions endodòntiques i càncer. També s'ha provat que l'efecte és més gran que el causat pels components dels nanomotors independentment i per nanopartícules control privades d'algun dels elements. Esperem que aquestes dades contribueixin al desenvolupament de noves estratègies o a la millora de les ja existents per resoldre el repte de l'alliberament d'agents terapèutics en àrees malaltes inaccessibles, un problema clínic sense solució actualment. / [EN] The PhD thesis entitled "Platinum-mesoporous silica Janus nanomotors as a platform for drug delivery in biomedical applications" focuses on the development of a multifunctional self-propelled nanoparticle (nanomotor). The nanomotor is based on a Janus nanoparticle composed of a platinum nanoparticle (Pt) and a mesoporous silica nanoparticle (MSN) and can propel itself and release drugs in a controlled manner. The Pt face is responsible for the movement by catalyzing H2O2 into O2, whereas the MSN face is responsible for the delivery of cargo upon recognition of specific stimuli. The objective is to employ the driving force of nanomotors to diffuse through biological barriers (BB), favoring drug delivery to hard-to-reach target sites, such as the inner zone of bacterial biofilms and solid tumors, which in both cases is protected by an extracellular matrix (ECM). The Janus Pt-MSN nanomotor is synthesized toposelectively using the Pickering emulsion technique. It is first loaded with a model molecule and functionalized with a redox-stimuli-sensitive molecular gate, attached to the MSN face surface via disulfide bonds. The results confirm the structure of the nanomotor ("snowman" type) and its dual functionality: increased diffusion in response to H2O2 and selective cargo delivery in response to glutathione. Second, the nanomotor is loaded with chlorhexidine and its pores are blocked by a pH-sensitive nanovalve formed by an inclusion complex established between benzimidazole and ¿-cyclodextrins bound to ficin protease. The molecular gate is able to hydrolyze ECM components and induce cargo release at acidic pH, a characteristic feature of the inner zone of biofilms. The experiments performed prove that the triple synergistic functionality of the nanomotor results in the elimination of microorganisms from endodontic biofilms. Next, a glucose-powered nanomotor is proposed, as there is an urgent need to employ biocompatible and bioavailable fuels. For this purpose, the enzyme glucose oxidase is attached to the mesoporous face of the nanomotor via amide bonds. The enzyme plays a dual role. On the one hand, it constitutes the first element of the movement-inducing cascade by catalyzing the enzymatic transformation of glucose into H2O2. Finally, H2O2 is decomposed by the Pt face propelling the nanomotor. Moreover, it acts as a protease-sensitive molecular gate, inducing the release of the drug doxorubicin into lysosomes. The results obtained evidence the ability of the nanomotor to kill cancer cells in solid tumors. The conclusions of this doctoral thesis are that a very versatile nanomotor has been materialized with 2 prominent advantages: (i) large catalytic area capable of inducing increased diffusion and (ii) large area susceptible to be functionalized with molecular gates. In addition, the ability of nanomotors to pass through BB has been demonstrated, achieving a therapeutic effect on endodontic infections and cancer. It has also been proven that the effect is greater than that caused by the components of the nanomotors independently and by control nanoparticles deprived of some of their elements. We hope that these data will contribute to the development of new strategies or the improvement of existing ones to solve the challenge of delivering therapeutic agents to inaccessible diseased areas, a clinical problem with no solution at present. / Escudero Noguera, A. (2024). Nanomotores Janus de platino y sílice mesoporosa como plataforma para la entrega de fármacos en aplicaciones biomédicas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/205396

[ES] La presente tesis doctoral titulada "New advanced anti-tumor therapies based on hybrid mesoporous nanodevices" se centra en el diseño, síntesis, caracterización y evaluación de nuevos nanodispositivos híbridos orgánico-inorgánicos. En concreto, se han desarrollado nanopartículas de sílice mesoporosas (MSNs) y nanopartículas Janus combinando MSNs con platino y con oro con el objetivo de mejorar los tratamientos anti-tumorales. El primer capítulo es una introducción general que incluye una visión global del contexto en el que se enmarca la investigación realizada. En particular, se incluye información básica sobre los diferentes tipos de nanopartículas empleados en esta tesis doctoral, así como la descripción de la enfermedad del cáncer y la aplicación de los nanomateriales como terapia. A continuación, en el segundo capítulo, se presentan los objetivos generales y específicos de esta tesis doctoral. Los capítulos tercero y cuarto describen dos estrategias terapéuticas basadas en el desarrollo de nanopartículas con movimiento para mejorar la terapia antitumoral. Concretamente, en el primer capítulo experimental se presenta un nanodispositivo autopropulsado para la liberación controlada de fármacos en respuesta al glutatión (GSH) intracelular. Éste se basa en nanopartículas tipo Janus compuestas por sílice mesoporosa y oro, funcionalizadas en la parte del oro con la enzima catalasa, cargadas con doxorrubicina y con cadenas de oligo(etilenglicol) (S-S-PEG) unidas por puentes disulfuro en la cara de la sílice. Una vez sintetizado y caracterizado el dispositivo, se confirmó su movimiento y se demostró el funcionamiento de la puerta molecular. Finalmente, la internalización celular y la liberación de doxorrubicina se estudiaron en cultivos celulares. Motivados por los resultados anteriores, en el cuarto capítulo se describe un nuevo nanomotor diseñado como tratamiento antitumoral y similar al anterior. En este caso, la nanopartícula Janus desarrollada está compuesta por una nanopartícula de sílice mesoporosa junto con una de platino, cargada con doxorrubicina y cubierta con S-S-PEG. Al igual que en el trabajo anterior, se consigue la autopropulsión del dispositivo. Además, se obtuvo el perfil cinético de liberación del cargo en respuesta a estímulos y se confirmó su aplicación en cultivos celulares. Los capítulos cinco y seis se centran en una estrategia terapéutica nueva que consiste en potenciar la acción del sistema inmune sobre el tumor para conseguir su eliminación. En el primero de estos capítulos experimentales, se utilizaron nanopartículas MSNs cargadas con el fármaco JQ-1 y un siRNA frente al factor de crecimiento transformante ßeta (TGF-ß) como inmunoterapia. Una vez sintetizadas y caracterizadas, se confirmó la capacidad de estas nanopartículas para llevar a cabo la liberación de los cargos, junto con la disminución en la expresión de PD-L1 y en la producción de TGF-ß. Por último, se confirmó su aplicabilidad al ser capaces de inducir la eliminación de células de melanoma por el sistema inmune. De acuerdo con el último capítulo experimental, se describe un nuevo enfoque inmunoterapéutico basado en la comunicación química. En este caso, empleamos una nanopartícula Janus de oro y sílice funcionalizada con un péptido llamado pHLIP en la cara de sílice y el anticuerpo contra el receptor PD-1 unido a la cara de oro (J-pHLIP-PD1). La membrana de la célula tumoral es decorada por este nanodispositivo y gracias a la exposición del anticuerpo PD-1, se consiguió atrapar a los linfocitos T circulantes, desencadenando la eliminación de células tumorales por el sistema inmunitario. Además, estos resultados se confirmaron en un modelo metastásico B16-F10-Luc con una reducción de nódulos metastáticos. Finalmente, en el capítulo séptimo y octavo, se aborda la discusión general y las conclusiones derivadas de los estudios experimentales presentados en esta tesis doctoral. / [CA] Aquesta tesi doctoral titulada "New advanced anti-tumor therapies based on hybrid mesoporous nanodevices" se centra en el disseny, síntesi, caracterització i avaluació de nous nanodispositius híbrids orgànic-inorgànics. En concret, s'han desenvolupat nanopartícules de sílice mesoporoses (MSNs) i nanopartícules Janus combinant MSNs amb platí i amb or per al tractament antitumoral. El primer capítol és una introducció general que inclou una visió global del context on s'emmarca la recerca realitzada. En particular, es presenta informació bàsica sobre les nanopartícules emprades en aquesta tesi doctoral, així com la descripció de la malaltia del càncer i l'aplicació dels nanomaterials com a teràpia. A continuació, al segon capítol, es presenten els objectius generals i específics d'aquesta tesi doctoral. Els capítols tercer i quart descriuen dues estratègies terapèutiques basades en el desenvolupmanet de nanopartícules amb moviment per aconseguir una millora de la terapia antitumoral. Concretament, al primer capítol experimental es presenta un nanodispositiu autopropulsat per a l'alliberament controlat de fàrmacs en resposta al glutatió (GSH) intracel·lular. Aquest es basa en nanopartícules tipus Janus compostes per sílice mesoporosa i or, funcionalitzades a la part de l'or amb l'enzim catalasa, carregades amb doxorrubicina i amb cadenes d'oligo(etilenglicol) (SS-PEG) unides per ponts disulfur a la cara de la sílice. Una vegada sintetitzat i caracteritzat el dispositiu, es va confirmar la seua capacitat de moviment i es va demostrar el funcionament correcte de la porta molecular. Finalment, la internalització cel·lular i l'alliberament de doxorrubicina es van estudiar en cultius cel·lulars. Motivats pels resultats anteriors, al quart capítol es descriu un nanomotor nou dissenyat com a tractament antitumoral i similar a l'anterior. En aquest cas, la nanopartícula Janus desenvolupada està composta per una nanopartícula de sílice mesoporosa juntament amb una de platí, carregada amb doxorrubicina i coberta amb S-S-PEG. Igual que en el treball anterior, s'aconsegueix autopropulsió del dispositiu. A més, es va obtenir el perfil cinètic d'alliberament del càrrec en resposta a estímuls i se'n va confirmar l'aplicació en cultius cel·lulars. Els capítols cinc i sis se centren en una estratègia terapèutica nova que consisteix a potenciar l'acció del sistema immune sobre el tumor per aconseguir-ne l'eliminació. Al primer d'aquests capítols experimentals, es van utilitzar nanopartícules MSNs carregades amb el fàrmac JQ-1 i un siRNA davant del factor de creixement transformant ßeta (TGF-ß) com a immunoteràpia. Un cop sintetitzades i caracteritzades, es va confirmar la capacitat d'aquestes nanopartícules per dur a terme l'alliberament dels càrrecs, juntament amb la disminució de l'expressió de PD-L1 i de la producció de TGF-ß. Finalment, se'n va confirmar l'aplicabilitat en ser capaços d'induir l'eliminació de cèl·lules de melanoma pel sistema immune. D'acord amb el darrer capítol experimental, es descriu un nou enfocament immunoterapèutic basat en la comunicació química. En aquest cas, fem servir una nanopartícula Janus d'or i sílice funcionalitzada amb un pèptid anomenat pHLIP a la cara de sílice i l'anticòs contra el receptor PD-1 unit a la cara d'or (J-pHLIP-PD1). La membrana de la cèl·lula tumoral és decorada per aquest nanodispositiu i gràcies a l'exposició de l'anticòs PD-1, es va aconseguir atrapar els limfòcits T circulants, desencadenant l'eliminació de cèl·lules tumorals pel sistema immunitari. A més, aquests resultats es van confirmar en un model metastàtic B16-F10-Luc amb una reducció de nòduls metastàtics. Finalment, al capítol setè i vuitè, s'aborda la discussió general i les conclusions derivades dels estudis experimentals presentats en aquesta tesi doctoral. / [EN] The present PhD thesis entitled "New advanced anti-tumor therapies based on hybrid mesoporous nanodevices" focuses on the design, synthesis, characterization, and evaluation of new hybrid organic-inorganic nanodevices. We have developed mesoporous silica nanoparticles (MSNs) and Janus platinum-MSN and gold-MSN nanoparticles for tumor treatment. The first chapter is a general introduction that includes an overview of the context related to the research developed in this thesis. In particular, it includes basic information about different nanoparticles used in this doctoral thesis along with the description of cancer disease characteristics and the application of nanomaterials as therapy. Next, in the second chapter, the general and specific objectives of this Ph.D. thesis are presented. The third and fourth chapters describe two nanotechnology-based therapeutic strategies based on the development of nanomotors to improve cancer therapy. Specifically, the first experimental chapter presents a self-moving nanodevice for controlled drug release in response to intracellular glutathione (GSH). It is based on Janus gold-mesoporous silica nanoparticles functionalized with the enzyme catalase in the gold face, loaded with doxorubicin and capped with disulfide-linked oligo(ethylene glycol) (S-S-PEG) chains on the silica face. Once synthesized and characterized, the nanosystem motion was confirmed and the proper gating mechanism of the nanodevice was proven. Finally, the cellular uptake and doxorubicin release capacity have been demonstrated in cell cultures. Encouraged by the above results, chapter four describes a similar nanomotor design for antitumor therapy. In this case, the nanoparticle developed is composed of a Janus platinum-mesoporous silica nanoparticle, loaded with doxorubicin, and capped with S-S-PEG. As well as in the previous work, self-propulsion of the nanoparticles was achieved. Moreover, the stimuli-responsive cargo release kinetic profile was obtained and its application was confirmed in cell cultures. Chapters five and six focus on a new therapeutic strategy, empowering the immune system action on tumors to reach tumor cell death. In the first of these experimental chapters, JQ-1 and transforming growth factor-beta (TGF-ß) siRNA-loaded nanoparticles were used as efficient tumor immunotherapy. Once synthesized and characterized, the efficient cargo delivery was accomplished along with the programmed death-ligand 1 (PD-L1) downregulation and TGF-ß silencing. Lastly, its application was confirmed by triggering a specific immunogenic removal of tumor cells in melanoma cells. In chapter six, the development of a new communication-based immunotherapeutic approach is reported. In this case, we employ Janus gold-MSN functionalized with a peptide called pHLIP onto silica face and anti-PD-1 antibody bound to gold face (J-pHLIP-PD1). Tumor cell membrane is decorated by this nanodevice, leaving exposed on the surface PD-1 antibody which catches circulating T lymphocytes. It triggers immune system-induced-tumor leveling. Moreover, J-pHLIP-PD1 treatment-associated reduction of metastatic burden was also proven. Finally, in the seventh and eighth chapter, the general discussion and conclusions derived from the presented experimental studies of this Ph.D. thesis are exposed. / The authors thank the Spanish Government (Projects MAT2015-64139-C4-1, AGL2015-70235-C2-2-R, CTQ2014-58989-P, CTQ2015-71936-REDT and CTQ2017-87954-P) and the Generalitat Valencia (PROMETEO/2018/024) for support. The Comunidad de Madrid (IND2017/BMD-7642) is also gratefully acknowledged. The authors thank the Spanish Government (project PID2021-126304OB-C41, (MCUI/FEDER, EU)) and the Generalitat Valenciana (project PROMETEO CIPROM/2021/007). E.L-S is grateful for her FPU fellowship funded by MINECO (FPU18/06539). This work was supported by the European Research Council (ERC) via Advanced Grant (101052997, EDISON). This study forms part of the Advanced Materials program (MFA/2022/049) and was supported by MCIN with funding from European Union NextGenerationEU (PRTR-C17.I1) and by Generalitat Valenciana. This work was supported by the European Research Council (ERC) via Advanced Grant (101052997, EDISON) and by CIBER -Consorcio Centro de Investigación Biomédica en Red- (CB06/01/2012), Instituto de Salud Carlos III, Ministerio de Ciencia e Innovación. / Lucena Sánchez, E. (2024). New advanced anti-tumor therapies based on hybrid mesoporous nanodevices [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/205528

[ES] El envejecimiento se concibe como un proceso progresivo de deterioro funcional que se produce a lo largo de la vida. En general, el avance de la edad va acompañado del deterioro de múltiples tejidos, la alteración de la homeostasis y el aumento de la fragilidad. La edad se considera el principal factor de riesgo de un gran número de enfermedades con elevadas tasas de mortalidad, como las patologías cardiovasculares, el cáncer, la fibrosis pulmonar, la esteatosis hepática y los trastornos neurodegenerativos, entre otros. A medida que aumenta la población de edad avanzada, estas patologías son cada vez más frecuentes en nuestra sociedad y constituyen actualmente una de las principales preocupaciones sanitarias en atención primaria. Por consiguiente, comprender los mecanismos que causan el envejecimiento y el consiguiente deterioro de la salud es un reto importante para la comunidad científica, respaldado por un significativo interés socioeconómico. Alcanzar este objetivo permitiría realizar intervenciones específicas contra las enfermedades relacionadas con la edad, promover un envejecimiento saludable y prolongar la vida humana. En este contexto, la senescencia celular se ha convertido en un importante objetivo de investigación, ya que este destino celular se considera un factor que contribuye al deterioro funcional y estructural de los tejidos con el aumento de la edad, dando lugar a enfermedades crónicas. Los trastornos neurodegenerativos son en su mayoría de etiología desconocida, y en la actualidad sólo se dispone de tratamientos paliativos. La neurodegeneración puede deberse a la disminución de la neurogénesis que se produce con el envejecimiento. A este respecto, la vasculatura cerebral representa un componente esencial de los nichos neurogénicos, donde residen las células con capacidad para generar nuevas neuronas. Los microvasos cerebrales contribuyen sustancialmente a preservar la homeostasis y el potencial neurogénico de estas regiones, pero también experimentan cambios estructurales y funcionales con la edad. Sin embargo, aún no está claro si estas alteraciones están relacionadas con la senescencia celular. De ahí que el propósito de esta tesis sea profundizar en los entresijos de la senescencia relacionada con la edad y su impacto en el proceso de envejecimiento cerebral. En este sentido, hemos desarrollado una sonda fluorogénica para la detección in vivo de la actividad ß-Gal, un marcador ampliamente utilizado de senescencia celular. Hemos estimado la carga de células senescentes de forma no invasiva en estudios longitudinales utilizando esta sonda durante el envejecimiento natural y acelerado o durante tratamientos senolíticos. Estos resultados nos han permitido establecer una correlación real entre envejecimiento y senescencia. Por otro lado, hemos centrado nuestros esfuerzos en crear estrategias para detectar la senescencia en las células endoteliales cerebrales y estudiar sus efectos sobre la neurogénesis durante el envejecimiento. Los resultados mostraron que las células endoteliales senescentes a nivel cerebral tienen un impacto perjudicial sobre la neurogénesis y las células madre neurales, lo que sitúa a estas células como diana para futuros estudios sobre el envejecimiento cerebral. / [CA] L'envelliment es concep com un procés progressiu de deterioració funcional que es produeix al llarg de la vida. En general, l'avanç de l'edat va acompanyat de la deterioració de múltiples teixits, l'alteració de l'homeòstasi i l'augment de la fragilitat. L'edat es considera el principal factor de risc d'un gran nombre de malalties amb elevades taxes de mortalitat, com les patologies cardiovasculars, el càncer, la fibrosi pulmonar, la esteatosis hepàtica i els trastorns neurodegeneratius, entre altres. A mesura que augmenta la població d'edat avançada, aquestes patologies són cada vegada més freqüents en la nostra societat i constitueixen actualment les principals preocupacions sanitàries en atenció primària. Per consegüent, comprendre els mecanismes que causen l'envelliment i la consegüent deterioració de la salut és un repte important per a la comunitat científica, recolzat per un significatiu interés socioeconòmic. Aconseguir aquest objectiu permetria realitzar intervencions específiques contra les malalties relacionades amb l'edat, promoure un envelliment saludable i prolongar la vida humana. En aquest context, la senescència cel·lular s'ha convertit en un important objectiu d'investigació, ja que aquest destí cel·lular es considera un factor que contribueix a la deterioració funcional i estructural dels teixits amb l'augment de l'edat, donant lloc a malalties cròniques. Els trastorns neurodegeneratius són en la seua majoria d'etiologia desconeguda, i en l'actualitat només es disposa de tractaments pal·liatius. La neurodegeneración pot deure's a la disminució de la neurogènesi que es produeix amb l'envelliment. Referent a això, la vasculatura cerebral representa un component essencial dels nínxols neurogènics, on resideixen les cèl·lules amb capacitat per a generar noves neurones. Els microvasos cerebrals contribueixen substancialment a preservar l'homeòstasi i el potencial neurogènic d'aquestes regions, però també experimenten canvis estructurals i funcionals amb l'edat. No obstant això, encara no és clar si aquestes alteracions estan relacionades amb la senescència cel·lular. D'aquí ve que el propòsit d'aquesta tesi siga aprofundir en els secrets de la senescència relacionada amb l'edat i el seu impacte en el procés d'envelliment cerebral. En aquest sentit, hem desenvolupat una sonda fluorogénica per a la detecció in vivo de l'activitat ß-Gal, un marcador àmpliament utilitzat de senescència cel·lular. Hem estimat la càrrega de cèl·lules senescentes de forma no invasiva en estudis longitudinals utilitzant aquesta sonda durant l'envelliment natural i accelerat o durant tractaments senolíticos. Aquests resultats ens han permés establir una correlació real entre envelliment i senescència. D'altra banda, hem centrat els nostres esforços a crear estratègies per a detectar la senescència en les cèl·lules endotelials cerebrals i estudiar els seus efectes sobre la neurogènesi durant l'envelliment. Els resultats van mostrar que les cèl·lules endotelials *senescentes a nivell cerebral tenen un impacte perjudicial sobre la neurogènesi i les cèl·lules mare *neurales, la qual cosa situa a aquestes cèl·lules com a diana per a futurs estudis sobre l'envelliment cerebral. / [EN] Ageing is conceived as a progressive process of functional decline that occurs over the course of life. In general, advancing age is accompanied by the deterioration of multiple tissues, altered homeostasis and increased frailty. Age is considered to be the main risk factor for a large number of diseases with high mortality rates, such as cardiovascular pathologies, cancer, pulmonary fibrosis, hepatic steatosis, and neurodegenerative disorders, among others. As the elderly population grows, these pathologies are becoming increasingly prevalent in our society and are now the leading health concerns in primary care. Consequently, comprehending the mechanisms that cause ageing and resulting health decline is a major challenge for the scientific community, backed by significant socio-economic interest. Achieving this goal would allow for targeted interventions against age-related diseases, promote healthy ageing, and extend human lifespan. In this context, cellular senescence has emerged as an important research target, as this cellular fate is considered a contributing factor to the functional and structural deterioration of tissues with increasing age, leading to chronic diseases. Neurodegenerative disorders are mostly of unknown etiology, and only palliative treatments are currently available. Neurodegeneration may be prompted by the decline in neurogenesis that occurs with ageing. In this regard, the brain vasculature represents an essential component of the neurogenic niches, where cells with the capacity to generate new neurons reside. Brain microvessels contribute substantially to preserving the homeostasis and neurogenic potential of these regions, but they also undergo structural and functional changes with age. However, whether these alterations are linked to cellular senescence it is not yet clear. Hence, the purpose of this thesis is to delve deeper into the intricacies of age-related senescence and its impact on the process of brain ageing. In this regard, we have developed a fluorogenic probe for the in vivo detection of ß-Gal activity, a widely used marker of cellular senescence. We have estimated the senescent cell burden non-invasively in longitudinal studies using this probe during natural and accelerated ageing or during senolytic treatments. These results have allowed us to establish a real correlation between ageing and global senescence. On the other hand, we have focused our efforts on creating strategies to detect senescence in brain endothelial cells and to study its effects on neurogenesis during ageing. The results showed that senescent endothelial cells at the brain level have a detrimental impact on neurogenesis and neural stem cells, positioning these cells as a target for future studies on brain ageing. / This PhD thesis has been supported by a pre-doctoral scholarship from the Spanish Ministry of Universities, “Programa de Formación del Profesorado Universitario (FPU)”, and a technical expert contract funded by the European Commission. The research has been funded by the following research projects led by Ramón Mártinez Máñez: - Gobierno de España (RTI2018-100910-B-C41 and PID2021-126304OB-C41). - Generalitat Valenciana (PROMETEO 2018/024 and CIPROM/2021/007). - CIBER-BBN- Instituto de Salud Carlos III, Ministerio de Ciencia e Innovación (CB06/01/2012). And by the following research projects led by Isabel Fariñas: - 2014-2018. Estudio de células madre en el ámbito de las investigaciones básicas en terapia celular. Fundación Botín-Banco de Santander. - 2018-2021. Regulación del comportamiento de las células madre neurales por el medio sistémico: el nicho extendido. MINECO (SAF2017-86690-R). - 2016-ongoing. CIBER en Enfermedades Neurodegenerativas (CIBERNED). ISCIII (Programa de Investigación Cooperativa, CB06/05/0086). - 2017-2021. Efectos directos y remotos de la respuesta inflamatoria sobre las células madre neurales. Generalitat Valenciana (Proyectos de Excelencia, PROMETEO/2017/030). - 2017-2021. RETIC de terapia celular ISCIII (RD16/0011/0017). - 2021-2024 Regulación molecular de la heterogeneidad celular en los nichos neurogénicos adultos MICINN (PID2020- 117937GB-I00). - 2021-2025. Una aproximación multidisciplinar al estudio de la respuesta al daño genómico en células madre neurales: de levadura a mamíferos y vuelta. Generalitat Valenciana. Programa Prometeo de Proyectos de Excelencia (PROMETEO/2021/028). / Rojas Vázquez, S. (2023). Impact of Brain Endothelial Senescence on Neurogenesis: Application of Novel Strategies for Age-Related Senescence Detection [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194629