Unravelling cell-particle interactions for the design of new micro- and nanoengineered systems

Abstract

Els micromaterials i nanomaterials presenten unes propietats fisicoquímiques úniques i controlables, les quals han permès la creació d’eines innovadores per tal d’afrontar alguns dels reptes que presenten diferents branques de la ciència i tecnologia, incloent la medicina moderna. El creixement exponencial de la microtecnologia i nanotecnologia en els últims anys ha generat la necessitat de conèixer millor el comportament dels micromaterials i nanomaterials en ambients fisiològics, especialment a nivell cel·lular, per tal d’assegurar un desenvolupament segur i eficient. En aquest context, l’objectiu principal d’aquesta tesi ha estat estudiar la interacció entre diferents tipus de micropartícules i cèl·lules. Amb aquesta finalitat, es van dur a terme tres treballs diferents. Primer, s’ha avaluat l’impacte del recobriment de micropartícules amb lípids i polímers catiònics en la seva internalització en cèl·lules no fagocítiques HeLa. En concret, s’ha observat que la utilització de PEI a una concentració de 0.05 mM presenta el millor balanç entre eficiència d’internalització i citotoxicitat. En segon lloc, s’ha analitzat si la modificació de la superfície de les micropartícules té un efecte diferent segons la línia cel·lular utilitzada. En concret, s’ha observat que les cèl·lules epitelials mamàries tumorals (SKBR-3) i no tumorals (MCF-10A) mostraven diferències significatives, tant pel que fa a la eficiència d’internalització de micropartícules com als mecanismes d’endocitosi involucrats. Finalment, s’ha demostrat que els xips intracel·lulars compostos de polisilici, crom i or, són bons candidats per a la seva utilització en aplicacions biològiques, ja que presenten una alta biocompatibilitat i són capaços de desenvolupar diferents funcions mitjançant la seva bifuncionalització. En conjunt, els resultats d’aquesta tesi posen de manifest la importància de determinar la citotoxicitat, l’eficiència d’internalització, la localització intracel·lular i l’efecte de la línia cel·lular a l’hora de dissenyar nous microsistemes i nanosistemes per tal de maximitzar la seva eficiència i minimitzar els efectes adversos.

Los micromateriales y nanomateriales presentan propiedades fisicoquímicas únicas y controlables que han permitido la creación de herramientas innovadoras para abordar algunos de los mayores retos que presentan distintas ramas de la ciencia y tecnología, incluyendo la medicina moderna. El crecimiento exponencial de la microtecnología y nanotecnología durante los últimos años ha generado la necesidad de comprender el comportamiento de los micromateriales y nanomateriales en ambientes fisiológicos, especialmente a nivel celular, para conseguir un desarrollo eficiente y seguro. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis ha sido estudiar las interacciones entre diferentes tipos de micropartículas y células. Para ello, se han llevado a cabo tres estudios diferentes. Primero, se ha evaluado el impacto del recubrimiento de micropartículas con lípidos y polímeros catiónicos en la internalización de estas en la línea celular no fagocítica HeLa. Se ha determinado que utilización de PEI a una concentración de 0.05 mM presenta el mejor balance entre internalización y citotoxicidad. En segundo lugar, se ha analizado si la modificación de la superficie de las micropartículas tenía un efecto diferente según la línea celular utilizada. Concretamente, se ha observado que las células epiteliales mamarias tumorales (SKBR-3) y no tumorales (MCF-10A) presentaban diferencias significativas con respecto a la eficiencia de internalización y a los mecanismo de endocitosis involucrados. Finalmente, se ha demostrado que los chips intracelulares compuestos de polisilicio, cromo y oro, son buenos candidatos para su utilización en aplicaciones biológicas, ya que muestran una alta biocompatibilidad y son capaces de desempeñar distintas funciones mediante su bifuncionalización. En conjunto, los resultados de esta tesis ponen de manifiesto la importancia de determinar la citotoxicidad, eficiencia de internalización, localización intracelular y el efecto de la línea celular de los nuevos microsistemas y nanosistemas para maximizar su eficiencia y minimizar sus efectos adversos.

The unique and controllable physico-chemical properties of micro- and nanomaterials have allowed the creation of ground-breaking approaches to overcome some of the major challenges of different branches of technology and science, including modern medicine. The fast advances in micro- and nanotechnology have lead to an increasing demand for understanding the behaviour of micro- and nanomaterials within the physiological environments as well as their interactions at the bio-interface, including the cellular level, for an efficient and safe development. In this scenario, the present Thesis aimed to provide an integrated understanding about microparticle interactions with cells. First, we assessed the impact of cationic lipids and polymer coating of microparticles on their uptake by non-phagocytic (HeLa) cells. We found that non-covalently conjugated PEI at a 0.05 mM concentration offers the best balance between uptake efficiency and cytotoxicity. Second, we observed that surface modified microparticles were differently uptaken by tumoral (SKBR-3) and non-tumoral (MCF-10A) human breast epithelial cells, not only in terms of uptake efficiency but also of their endocytic pathways. Third, we demonstrated that polysilicon-chromium-gold multi-material intracellular chips (MMICCs) are suitable for biological applications due to their biocompatibility and capability of developing multiple functions through their bi-functionalization using orthogonal chemistry. Collectively, our results highlight the importance of assessing cell-particle interactions, in terms of cytotoxicity, uptake, intracellular location and cell type effect of newly designed micro- and nanomaterials, not only with respect to the target cells but also the neighbouring cells, in order to ensure their safety and efficiency.