Design of new bio-gated nanodevices for advanced communication processes and targeted controlled release of therapeutic agents

Abstract

[EN] The present PhD thesis, which is entitled "Design of new bio-gated nanodevices for advanced communication processes and targeted controlled release of therapeutic agents" is focused on the development of new functional hybrid organic-inorganic materials for applications in the field of the controlled delivery of target molecules.

The first chapter of the present thesis gives an introduction to the organic-inorganic hybrid materials functionalized with "molecular gates" and its application in controlled release processes.

The second chapter of this thesis is focused on the development of a new nanodevice able to deliver its cargo as a function of the glucose concentration. The nanodevice is based on mesoporous silica nanoparticles loaded with a suitable fluorophore and functionalized with propylbenzymidazole moieties on the pore outlets. The mesopores are then capped with an active cyclodextrin modified glucose oxidase enzyme (through the formation of an inclusion complex between the cyclodextrins and the propylbenzymidazole group anchored to the solid support). When glucose is added its enzymatic oxidation produced gluconic acid. This acid induced a decrease in the pH of the medium and the protonation of the benzymidazole group that might result in the inclusion complex dethreading and the subsequent cargo release.

The third chapter of the thesis is focused on the development of a new redox-responsive material for the controlled delivery of cytotoxic drugs in cancer cells. The system is based on mesoporous silica nanoparticles loaded with a reporter (safranin O) and functionalized with two different sized polyethylene glycol chains in the pore outlets using a disulfide linkage. In presence of glutathione, the disulfide bonds are cleaved allowing the release of the entrapped cargo. Once confirmed the aperture protocol, the uptake of the gated nanoparticles and their ability to deliver the cargo (fluorophore or cytotoxic agent) in HeLa cells were tested. Moreover, cell viability assays were also performed.

The fourth chapter of the thesis is focused on the preparation and the study of a nanodevice for the controlled delivery in senescent cells in a murine model of pulmonary fibrosis. The material is prepared using mesoporous silica nanoparticles (as an inorganic support) and galactoligosaccharide (molecular gate) moieties anchored on the external surface. In presence of senescent cells, which overexpress ß-galactosidase enzyme, the hydrolysis of the galactooligosaccharide capping molecules take place and the cargo release from the inner of the pores is produced (rhodamine B). After the in vitro studies, the ability of nanoparticles to accumulate and release their payload in tissues with abundance of senescent cells was evaluated in vivo. For that purpose, mice with induced pulmonary fibrosis, pathogenesis with associated increased alveolar senescence, were treated with the synthesized material and subsequently examined to assess its ability to accumulate and release its payload (fluorophore) in lung's damaged areas.

In the fifth chapter of the thesis it has been explored the concept of cascade chemical communication using different types of nanodevices, each of them loaded with a certain messenger and externally functionalized with a gate-like entity that controls the release of the payload. When the enzyme able to hydrolyze the molecular gate that blocks the pores of the first type of nanoparticles (S1), is added to an aqueous suspension containing the three nanoparticles, the delivery of the chemical messenger 1 is produced. This messenger is able to open the second type of nanoparticles (S2) which delivers the messenger 2. Finally, the messenger 2 triggers the aperture of the third group of gated system (S3), which ultimately delivers its load (a dye) as a final response.

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Diseño de nuevos nanodispositivos para procesos avanzados de comunicación y liberación controlada y dirigida de agentes terapéuticos" está centrada en el desarrollo de nuevos materiales híbridos orgánico-inorgánicos funcionales para aplicaciones en el campo de la liberación controlada de moléculas de interés.

El primer capítulo de la tesis ofrece una introducción a los materiales híbridos orgánico-inorgánicos funcionalizados con "puertas moleculares" y su aplicación en procesos de liberación controlada.

En el segundo capítulo de la tesis se aborda el desarrollo de un nanodispositivo capaz de responder y liberar su carga en función de la concentración de glucosa. Este nanodispositivo está basado en nanoparticulas de sílice mesoporosa funcionalizadas en su superficie externa con grupos benzimidazol y con los poros cargados con un fluoróforo. Los poros se cierran al añadir la enzima glucosa oxidasa funcionalizada con ciclodextrinas (por formación de un complejo de inclusión entre el benzimidazol y los oligosacáridos cíclicos). Al adicionar glucosa se produce su oxidación enzimática dando ácido glucónico. Este ácido induce una bajada del pH del medio con la consiguiente protonación de los benzimidazoles y la ruptura de los complejos de inclusión. Esta ruptura provoca la salida de la enzima de la superficie y la liberación del colorante atrapado en los poros.

El tercer capítulo de la tesis se ha centrado en el desarrollo de un material para la liberación controlada de agentes citotóxicos en células cancerosas en respuesta a cambios en el potencial redox. De nuevo se emplean nanopartículas de sílice mesoporosa con los poros cargados con un colorante (safranina O) y la superficie externa funcionalizada con dos polietilenglicoles conteniendo enlaces disulfuro. En presencia de glutatión se produce la reducción del enlace disulfuro con la consiguiente liberación del colorante. Una vez confirmado el protocolo de apertura, se estudió la internalización y la liberación de un fluoróforo y de un agente citotóxico en el modelo celular HeLa, realizando además ensayos de viabilidad. En el cuarto capítulo de la tesis se ha preparado y ensayado un nanodispositivo para la liberación controlada en células senescentes en un modelo murino de fibrosis pulmonar. El material se prepara empleando nanopartículas de sílice mesoporosa y un galactooligosacárido anclado en la superficie externa. En presencia de células senescentes, que sobreexpresan la enzima ¿-galactosidasa, se produce la hidrólisis del oligosacárido con la consiguiente liberación de la carga atrapada en los poros del soporte (rodamina B). Tras los estudios in vitro, la capacidad del nanodispositivo de acumularse y liberar su carga en tejidos ricos en células senescentes se evaluó in vivo. Para ello, ratones con fibrosis pulmonar inducida, patología en la que se ha descrito la aparición de senescencia, se trataron con el material sintetizado y posteriormente fueron examinados para comprobar la capacidad de acumularse y liberar su carga (fluoróforo) en la zona pulmonar dañada.

En el quinto capítulo se ha explorado el proceso de comunicación química en cascada empleando tres tipos de nanopartículas mesoporosas de sílice cargadas con diferentes mensajeros y funcionalizadas con tres puertas moleculares distintas. Cuando sobre una suspensión de las tres nanopartículas se añade la enzima capaz de hidrolizar la puerta molecular que bloquea los poros del primer tipo de nanopartículas (S1), se produce la liberación del mensajero 1. Este mensajero es capaz de inducir la apertura del segundo tipo de nanopartículas (S2), que a su vez liberan al medio el mensajero 2. Por último, el mensajero 2 es capaz de abrir la puerta molecular del tercer tipo de nanopartículas (S3), que liberan finalmente su carga (un colorante) como respuesta final.

[CA] La present tesis doctoral titulada "Disseny de nous nanodispositius per a processos avançats de comunicació i lliberació controlada i dirigida d'agents terapèutics" està centrada en el desenvolupament de nous materials híbrids orgànic-inorgànic funcionals per a aplicacions en el camp de la lliberació controlada de molècules d'interès.

El primer capítol de la tesis ofereix una introducció als materials híbrids orgànic-inorgànic funcionalitzats amb "portes moleculars" i la seua aplicació en processos de lliberació controlada.

En el segon capítol de la tesis s'aborda el desenvolupament d'un nanodispositiu capaç de respondre i lliberar la seua càrrega en funció de la concentració de glucosa. Este nanodispositiu està basat en nanopartícules de sílice mesoporoses funcionalitzades a la seua superfície externa amb grups benzimidazol i amb els pors carregats amb un fluoròfor. Els pors queden bloquejats al afegir el enzim glucosa oxidasa funcionalitzada amb ciclodextrines (per formació d'un complex d'inclusió entre el benzimidazol i els oligosacàrids cíclics). Al afegir glucosa es produeix la seua oxidació enzimàtica donant lloc a àcid glucònic. Este àcid indueix una baixada del pH del medi amb la consegüent protonació dels benzimidazols i el trencament dels complexes d'inclusió. Este trencament provoca l'eixida del enzim de la superfície i la lliberació del colorant atrapat als pors.

El tercer capítol de la tesis s'ha centrat en la preparació d'un material per a la lliberació controlada d'agents citotòxics en cèl¿lules canceroses en resposta a canvis en el potencia redox. De nou s'empren nanopartícules de sílice mesoporoses amb els pors carregats amb un colorant (safranina O) i la superfície externa funcionalitzada amb dos polietilenglicols (de diferent pes molecular) contenint enllaços disulfur. En presència de glutatió es produeix la reducció del enllaç disulfur amb la consegüent lliberació del colorant. Una volta confirmat el protocol d'obertura, es va estudiar la internalització i la lliberació d'un fluoròfor i d'un agent citotòxic en el model cel¿lular HeLa, realitzant ademés assajos de viabilitat.

En el quart capítol de la tesis s'ha preparat i s'ha estudiat un nanodispositiu per a la lliberació controlada en cèl¿lules senescents, en un model murí de fibrosis pulmonar. El material es prepara emprant nanopartícules de sílice mesoporoses i un galactooligosacàrid anclat a la superfície externa del material. En presència de cèl¿lules senescents, que sobreexpresen el enzim ¿-galactosidasa, es produeix la hidròlisis del oligosacàrid amb el consegüent alliberament de la càrrega atrapada en els pors del suport (rodamina B). Després dels estudis in vitro, la capacitat del nanodispositiu d'acumular-se i lliberar la càrrega en teixits rics en cèl¿lules senecents es va evaluar in vivo. Amb este propòsit, ratolins amb fibrosis pulmonar induïda, patologia en la que s'ha descrit l'aparició de senescència en els teixits danyats, es van tractar amb el material sintetitzat i posteriorment van ser examinats per a comprovar la capacitat d'acumular-se i lliberar la seua càrrega (fluoròfor) en la zona dels pulmons afectada.

En el quint capítol s'ha explorat el procés de comunicació química en cascada utilitzant tres tipus de nanopartícules mesoporoses de sílice carregades amb diferents missatgers i funcionalitzades amb tres portes moleculars diferents. Quan, sobre una suspensió de les tres nanopartícules, s'afegeix l'enzim capaç d'hidrolitzar la porta molecular que bloqueja els pors del primer tipus de nanopartícules (S1), es produeix la lliberació del missatger 1 des de S1. Este missatger és capaç d'induir l'obertura del segon tipus de nanopartícules (S2), les quals lliberen al medi el missatger 2. Per últim, el missatger 2 és capaç d'obrir la porta molecular del tercer tipus de nanopartícules (S3), que lliberen finalment la seua càrr