Increasing the resolution at the nanobiointerface with engineering inorganic nanoparticles

Abstract

El desarrollo de la ciencia y la tecnología durante la década pasada, está marcado por el estudio de nanomateriales. El interés se centró en el desarrollo de nuevas estrategias, basadas en las propiedades de los nuevo nano-objetos, con el objetivo de generar nuevas aplicaciones que pudieran dar mejores soluciones a problemas no resueltos. Las propiedades únicas de los nanomateriales como el tamaño pequeño, la gran área de superficie y la alta reactividad, ofrecen nuevas oportunidades para responder a las necesidades de la sociedad moderna como pueden ser la transferencia y almacenamiento de energía, la descontaminación del agua, la producción de biocombustibles o el tratamiento terapéutico en nanomedicina. Un interés especial surgió en el campo de la nanomedicina, donde el estudio de las interacciones entra nanomateriales y el entorno biológico fue crucial para entender los mecanismos que ocurren en la nanobiointerfase. Cuando se exponen las nanopartículas a componentes biológicos como moléculas, proteínas, ADN, vesículas, organelas, membrana celular, citoplasma o fluídos biológicos, ocurrirán interacciones dinámicas fisicoquímicas entre la superficie del nanomaterial coloidal y el componente biológico con intercambios cinéticos y termodinámicos. Estas interacciones conducirán a la formación de coronas de proteínas, a la internalización intracelular y procesos biocatalíticos que podrían tener respuestas biocompatibles o bioadversas. Mediante el entendimiento de las nanobiointerferencias, se pueden determinar predicciones de estructura y actividad a través de las propiedades de las nanopartículas. En este sentido, el tamaño, la forma, la carga de superficie, la química y el recubrimiento de la superficie de las nanopartículas comprometerán su biocompatibilidad y las respuestas biológicas determinando el uso seguro de los nanomateriales. Esta Tesis está enfocada en el control de la funcionalización de nanopartículas metálicas de oro con el objetivo de explorar diferentes estados de conjugados. También se explorará su interacción con proteínas generando la corona de proteínas sobre la superficie de nanopartículas y conjugados así como su internalización en células del sistema inmune y la respuesta celular frente a los nanomateriales.

The development of science and technology over the past decade is distinguished by the study of nanomaterials. The focus was placed on the development of new strategies, based on the properties of the novel nano-objects, in order to generate new applications that could give better solutions to non resolved problems. The unique properties of nanomaterials suchs as small size, large surface area and high reactivity, offer new opportunities to meet the needs of modern society such as transference and storage of energy, decontamination of water, biofuel production or therapeutic treatment in nanomedicine could be. A special interest was born in the field of nanomedicine, where the study of interactions between nanomaterials and biological environment was crucial for understanding mechanisms at the nanobiointerface. When nanoparticles are exposed to biological components, such as molecules, proteins, DNA, vesicles, organelles, cell membrane, cytoplasm or biological fluids, there would be dynamic physicochemical interactions between the colloidal nanomaterial and the biological compound surfaces with kinetics and thermodynamic exchanges. These interactions lead to the formation of protein coronas, intracellular uptake and biocatalytic processes that could have biocompatible or bioadverse outcomes. By understanding the nanobiointerferences, predictions of structure and activity can be determined by the nanoparticles properties. In this sense, the size, shape, surface charge, chemistry and surface coatings of nanoparticles would compromise their biocompatibility and biological responses and would determine the safety use of nanomaterials. This Thesis is focused on the control of the functionalization of metallic gold nanoparticles in order to explore different states of conjugates. Their interaction with proteins generating the Protein Corona onto the nanoparticles and conjugates surfaces was also explored as well as their internalization in cells from the immune system and the cell response against them.