Towards Translational Nanobiotechnology: Biomedical Applications of Noble Metal Nanoparticles

Abstract

L’objectiu d’aquesta tesis es contribuir al camp emergent on els camps de la biomedicina i la síntesis de materials es combinen en una nova ciència interdisciplinària, implicada amb l’ús segur i eficient de nanomaterials per aplicacions biomèdiques. La fusió d’aquests dos camps força diferents suposa un repte per al seu èxit. En les últimes dècades, la nanotecnologia ha experimentat un creixement exponencial i, en conseqüència, les seves potencials aplicacions en l’àmbit mèdic. No obstant això, malgrat resultats molt prometedors, les expectatives no s’han ajustat a la seva traducció a la clínica, principalment a causa de la manca d’expertesa i els buits de coneixement entre ambdues àrees. En els darrers anys s’ha fet evident que la comprensió i la comunicació adequada entre la biologia i la nanociència, juntament amb els extensos estudis de caracterització dels nanomaterials, són essencials per aconseguir que la nanomedicina assoleixi el seu màxim potencial i així millorar la qualitat i l’expectativa de vida dels pacients. Aquest treball es va centrar en l’aplicació racional de nanopartícules (NPs) inorgàniques en l’àmbit biomèdic, enfocat principalment en nanopartícules plasmòniques, Au i Ag. Es van adoptar tres aproximacions molt diferents, des de l’ús de nanopartícules com a plataformes de lliurament o principis actius fins a la seva visualització en sistemes biològics. Com a primera aplicació, es proposa unir l’ARNm a Au NPs funcionalitzdes amb molècules acabats amb amina, com una forma més segura d’alliberament al citosol mitjançant endocitosi, amb l’objectiu de produir cèl·lules CAR-T per al tractament de la leucèmia limfocítica crònica. Les Au NP són d’especial interès per al lliurament de material genètic a causa de la seva biocompatibilitat, la seva química de superfície ajustable on es pot carregar una combinació de compostos terapèutics o d’orientació, i les seves propietats òptiques i electròniques permeten un seguiment precís de l’evolució, la distribució i les modificacions del seu ambient químic. Més important encara, aquesta estratègia supera les principals limitacions dels enfocaments de teràpia gènica estàndard basats en vectors virals, alhora que indueix un alliberament lent de l’ARNm dins de la cèl·lula que allarga la vida mitjana de l’ARNm i l’expressió de proteïnes, en comparació amb els mètodes no virals actuals. La segona part de la tesi uneix l’àrea de la síntesi de nanopartícules i les seves propietats òptiques amb els camps de la microscòpia i la biologia. Aquí, es reporta la visualització de diverses nanopartícules inorgàniques no marcades, rellevants en l’àmbit biomèdic, mitjançant la microscòpia confocal d’escaneig làser. Les simulacions teòriques de les seves propietats òptiques s’acoblen a la seva observació experimental al microscopi, proporcionant així una metodologia fàcil d’utilitzar aplicable a molts altres casos. La rellevància d’aquest treball es basa en la possibilitat d’estudiar les interaccions de cèl·lules amb NP, a alta resolució i/o en temps real sense necessitat d’equips cars i especialitzats. L’últim apartat de la tesi ofereix un estudi ampli de l’efecte sinèrgic de la combinació d’antibiòtics amb Ag NPs sobre diferents soques de bacteris resistents als fàrmacs. Destaca la importància de la qualitat dels nanomaterials, correlacionant la dependència de la mida de la nanopartícula amb els efectes biològics observats. De la mateixa manera, es realitza una àmplia caracterització de les nanopartícules sintetitzades en els medis biològics utilitzats, estudiant les transformacions químiques observades de les nanopartícules.

El objetivo de esta tesis es contribuir al campo emergente en el que los campos de la biomedicina y la síntesis de materiales se combinan en una nueva ciencia interdisciplinaria, implicada con el uso seguro y eficiente de nanomateriales para aplicaciones biomédicas. La fusión de estos dos campos bastante distintos supone un reto para su éxito. En las últimas décadas, la nanotecnología ha experimentado un crecimiento exponencial y, en consecuencia, sus potenciales aplicaciones a nivel médico. Sin embargo, a pesar de resultados muy prometedores, las expectativas no se han ajustado a su traducción en la clínica, principalmente debido a la carencia de experiencia y los vacíos de conocimiento entre ambas áreas. En los últimos años se ha hecho evidente que la adecuada comprensión y comunicación entre la biología y la nanociencia, junto con estudios extensos de caracterización de los nanomateriales, son esenciales para conseguir que la nanomedicina alcance su máximo potencial y así mejorar la calidad y la expectativa de vida de los pacientes. Este trabajo se centró en la aplicación racional de nanopartículas (NPs) inorgánicas en el ámbito biomédico, enfocado principalmente en nanopartículas plasmónicas, Au y Ag. Se adoptaron tres aproximaciones muy distintas, desde el uso de nanopartículas como plataformas de entrega o principios activos hasta su visualización en sistemas biológicos. Como primera aplicación, se propone unir el ARNm a Au NPs funcionalizadas con moléculas acabados con amina, como una forma más segura de liberación al citosol mediante endocitosis, con el objetivo de producir células CAR-T para el tratamiento de la leucemia linfocítica crónica. Las Au NP son de especial interés para la entrega de material genético debido a su biocompatibilidad, su química de superficie ajustable donde se puede cargar una combinación de compuestos terapéuticos o de orientación, y sus propiedades ópticas y electrónicas permiten un seguimiento preciso de la evolución, distribución y modificaciones de su ambiente químico. Más importante aún, esta estrategia supera las principales limitaciones de los enfoques de terapia génica estándar basados en vectores virales, al tiempo que induce una liberación lenta del ARNm dentro de la célula que alarga la vida media del ARNm y la expresión proteínas, en comparación con los métodos no virales actuales. La segunda parte de la tesis une el área de la síntesis de nanopartículas y sus propiedades ópticas con los campos de la microscopía y la biología. Aquí se reporta la visualización de diversas nanopartículas inorgánicas no marcadas, relevantes en el ámbito biomédico, mediante la microscopía confocal de escaneo láser. Las simulaciones teóricas de sus propiedades ópticas se acoplan a su observación experimental en el microscopio, proporcionando así una metodología fácil de utilizar aplicable a muchos otros casos. La relevancia de este trabajo se basa en la posibilidad de estudiar las interacciones de células con NP, en alta resolución y/o en tiempo real sin necesidad de equipos caros y especializados. El último apartado de la tesis ofrece un amplio estudio del efecto sinérgico de la combinación de antibióticos con Ag NPs sobre diferentes cepas de bacterias resistentes a los fármacos. Destaca la importancia de la calidad de los nanomateriales, correlacionando la dependencia del tamaño de la nanopartícula con los efectos biológicos observados. De la misma forma, se realiza una amplia caracterización de las nanopartículas sintetizadas en los medios biológicos utilizados, estudiando las transformaciones químicas observadas de las nanopartículas.

This thesis aims to contribute to this emerging field, in which the biomedical and synthetic worlds combine into a new interdisciplinary science concerned with the safe and efficient use of nanomaterials for biological applications. The merging of this two quite different fields poses a challenge for its success. In the past few decades, nanotechnology has experienced an exponential growth, and consequently their potential applications in the medical field. However, despite very promising results, expectations have not been matched towards their translation into the clinic, mostly due to lack of expertise and knowledge gaps between both areas. In the recent years it has become evident that proper understanding and communication between biology and nanoscience, along with extensive characterization studies of the nanomaterials, is essential to unleash nanomedicine to its full potential and improve patient quality and expectation of life. This work was focused on the rational application of inorganic nanoparticles (NPs) in the biomedical field, mainly focused on plasmonic nanoparticles, Au and Ag. Three very different approaches were taken, from using nanoparticles as delivery scaffolds or active principles to their imaging in biological systems. As a first approach, it is proposed to bind mRNA to Au NPs functionalized with amine-terminated molecules as a safer way to target the cytosol via endocytosis, aiming to produce CAR T-Cells for the treatment of Chronic Lymphocytic Leukaemia. Au NPs are of special interest for genetic material delivery due to their biocompatibility, tuneable surface chemistry where a combination of therapeutic and targeting moieties can be loaded, and their special optical and electronic properties allow fine monitoring of the evolution, distribution and modifications of their chemical environment. More importantly, this strategy overcomes the main limitations of standard gene therapy approaches based on viral vectors, while inducing a slow release of the mRNA inside the cell extending the mRNA half-life and protein expression, compared to current non-viral methods. The second part of the dissertation bridges the area of nanoparticle synthesis and their optical properties with the microscopy and biology fields. Here, it is reported the imaging of several unlabelled inorganic nanoparticles, relevant in the biomedical field, in the laser scanning confocal microscopy. Theoretical simulations of their optical properties are coupled to their experimental observation in the microscope, thus providing a user-friendly methodology applicable to many other cases. The relevance of this work relies on the possibility of studying NP-cell interactions at high resolution and/or in real-time without the need of expensive and specialized equipment. The last section of the thesis offers an extended study of the synergistic effect of the combination of antibiotics with Ag NPs on different strains of drug resistant bacteria. It emphasizes the importance of the quality of the nanomaterials, correlating the dependency of the nanoparticle’s size with the observed biological effects. Thus, a broad characterization of the synthesized nanoparticles in the biological medias used is performed, studying observed chemical transformations of the nanoparticles.