Universitat Ramon Llull
Universitat Ramon Llull. IQS
La nanotecnologia és la clau de la propera revolució mèdica, ja que permet l'administració d'àcids nucleics per a la seva aplicació profilàctica i terapèutica en un ampli ventall de malalties, incloent-hi el càncer. Concretament, des de l'aprovació de les vacunes d’ARNm per a combatre la COVID-19, l'interès en el desenvolupament de nanovectors per l'administració de material genètic ha crescut exponencialment. Malgrat el seu innegable potencial encara existeixen barreres que cal superar per la implementació d'aquesta tecnologia. Entre d’altres, la ràpida eliminación dels vectors actuals i la seva falta d'especificitat a l'hora de transfectar les Cèl·lules Presentadores d'Antigen (CPA), són les que frenen considerablement el potencial d'aquesta estratègia. El disseny de noves plataformes que es dirigeixin a les cèl·lules immunitàries, generant una resposta controlada i eficaç és crucial per a l'acceptació de la tecnologia ARNm. En vista de la problemàtica descrita, la present tesi planteja un doble propòsit. El primer objectiu engloba el disseny, síntesi i validació d'una nova família de vectors d'alliberament d’ARNm de naturalesa polimèrica. El segon objectiu se centra en la caracterització exhaustiva de la identitat biològica de les partícules desenvolupades i la seva possible aplicació en vacunació contra el càncer com a prova de concepte. A través de la prevenció de la opsonització de les nanopartícules, s'espera controlar la interacció dels vectors amb el sistema biològic, assegurant l'alliberament específic de l’ARNm en el punt d'interès. El disseny racional d'aquesta plataforma es basa en la combinació de dos tipus de polímers; els poli (beta−aminoésteres) (pBAE) catiònics i les polisulfobetaïnes (pSBMA) zwitteriòniques. La nostra hipòtesi es fonamenta en la sinergia entre la càrrega positiva dels pBAE i les propietats antiadherents de la pSBMA, per a generar una formulació que permeti l'encapsulació de l’ARNm de manera eficient i asseguri el seu alliberament de forma dirigida. Tenint en compte aquest objectiu, s’incorpora un tercer element en les nanopartícules; un pèptid específic que interacciona amb un receptor expressat en les CPA. La integració d'aquest pèptid señal resulta en un increment de la transfecció de les cèl·lules que expressen el receptor complementari. Sinèrgicament, la component zwitteriònica assegura que el pèptid romangui accessible en termes estèrics, evitant l'emmascarament que provoquen les proteïnes adsorbides. Finalment, com a prova de concepte, s’avalua la possible aplicació de les nanopartícules desenvolupades a estratègies tant profilàctiques com terapèutiques del càncer. Partint d'un estudi rigorós de la seva biodistribució, des de l'anàlisi d'acumulació en òrgans, fins a nivel cel·lular, es determina la farmacodinàmica de les partícules i la seva selectivitat per les CPA. Les evidències obtingudes reflecteixen l'eficiència de les partícules desenvolupades en termes de transfecció, conduint a la caracterització de les respostes humorals i cel·lulars generades després de la seva administració en models murins. Finalment, es confirma la validació del sistema dissenyat a través d'un experiment d'immunització i eficàcia anti-tumoral, en el qual es prova l'eficiència en la prevenció i reducció del tumor administrant les nanopartícules de manera profilàctica i terapèutica respectivament, així com la prevenció del desenvolupament de metàstasis. En resum, els resultats obtinguts reflecteixen que un meticulós anàlisis de la interacció entre la identitat sintètica i biològica de les futures nanomedicinas és crucial per a la seva implementació.
La nanotecnología es la llave para la siguiente revolución médica, permitiendo la administración de ácidos nucleicos para su aplicación profiláctica y terapéutica en un amplio abanico de enfermedades, incluyendo el cáncer. Concretamente, desde la aprobación de las vacunas de ARNm para combatir la COVID-19, el interés en el desarrollo de nanovectores para la administración de material genético ha crecido exponencialmente. Sin embargo, pese a su innegable potencial, aún existen barreras por superar para extender la implementación de esta tecnología. Entre ellas, la rápida eliminación de los vectores actuales y su falta de especificidad a la hora de transfectar las Células Presentadoras de Antígeno (CPA) frenan considerablemente el potencial de esta estrategia. El diseño de nuevas plataformas que se dirijan a las células inmunitarias, generando una respuesta controlada y eficaz es crucial para la aceptación de la tecnología ARNm. En vista de la problemática descrita, la presente tesis pretende abordar un doble propósito. El primer objetivo comprende el diseño, síntesis y validación de una nueva familia de vectores de liberación de ARNm de naturaleza polimérica. El segundo objetivo aborda la caracterización exhaustiva de la identidad biológica de las partículas desarrolladas y su posible aplicación en vacunación contra el cáncer como prueba de concepto. A través de la prevención de la opsonización de las nanopartículas, se espera controlar la interacción de los vectores con el sistema biológico, asegurando la liberación específica del ARNm en el punto de interés. El diseño racional de esta plataforma se basa en la combinación de dos tipos de polímeros; los poli (beta−aminoésteres) (pBAE) catiónicos y las polisulfobetaínas (pSBMA) zwitteriónicas. Nuestra hipótesis se fundamenta en la sinergia entre la carga positiva de los pBAE y las propiedades antiadherentes de la pSBMA, para generar una formulación que permita la encapsulación el ARNm de forma eficiente y asegure su liberación de forma dirigida. Con este objetivo, se evalúa la adición de un tercer elemento en las nanopartículas; un péptido específico que interacciona con un receptor expresado en las CPA. La integración de este péptido señal resulta en un incremento de la transfección de las células que expresan el receptor complementario. Sinérgicamente, la componente zwitteriónica asegura que el péptido permanezca estéricamente accesible, evitando el enmascaramiento que provocan las proteínas adsorbidas. Finalmente, como prueba de concepto, se analiza la potencial aplicación de las nanopartículas desarrolladas en estrategias tanto profilácticas como terapéuticas en cáncer. Partiendo de un estudio riguroso de su biodistribución, desde el análisis de acumulación en órganos, hasta nivel celular, se describe la farmacodinámica de las partículas y su selectividad por las CPA. Las evidencias obtenidas reflejan la eficiencia de las partículas desarrolladas en términos de transfección, conduciendo a la caracterización de las respuestas humorales y celulares generadas tras su administración en modelos murinos. Finalmente, el sistema diseñado se valida a través de un experimento de inmunización y eficacia anti-tumoral, donde se prueba la eficiencia en la prevención y reducción del tumor administrando las nanopartículas de forma profiláctica y terapéutica respectivamente, así como su capacidad anti-metastástica. En resumen, los resultados obtenidos reflejan que un meticuloso análisis de la interacción entre la identidad sintética y biológica de las futuras nanomedicinas es crucial para su implementación.
The ultimate nanomedicine breakthrough holds promise in delivering nucleic acids for the prophylaxis and treatment of a diversity of diseases, including cancer. Particularly, mRNA-based vaccines to combat the COVID-19 pandemic sparked interest in the development of novel vectors for the delivery of genetic material for this purpose. Despite their potential, hurdles for their transfer to in vivo applications, and thus, their implementation into a suitable technology, remain. Fast clearance of the currently available carriers and their lack of specificity to Antigen Presenting Cell (APC) populations hinder the efficacy of these formulations and question their safety. Increasing the circulation of delivery carriers while arousing controlled inflammation and targeting specific immune cells is crucial to the successful implementation of mRNA based nanomedicines. Therefore, the present thesis has a dual purpose. First, we aim to design, synthesize and validate a novel family of polymeric-based mRNA-delivery vectors and second, to perform an exhaustive characterization of their biological identity and prove their potential application for mRNA-based cancer immunization. By preventing unspecific adsorption of biomolecules, these vehicles allow for proper control of the interaction of the system with the physiological environment, ensuring specific delivery of cargo. Rational design includes the combination of two different types of polymers via grafting polymerization; poly(beta−aminoesteres) cationic and zwitterionic polysulfobetaines. The former is considered an excellent candidate for encapsulating genetic materials while the latter provides stealth properties necessary for controlling the biological identity of the platform. Optimization and physicochemical characterization of the candidates led to the selection of the vector presenting suitable parameters for nucleic acid delivery. Following synthetic identity, further characterization of the biological performance of the developed nanoparticles was explored. An exhaustive analysis of the protein corona confirmed the stealth properties of the candidate vectors, evidencing the role of zwitterionic grafting in the formulation. Remarkably, after modifying of the platform with a peptide for actively targeting APCs, the stealth properties of the system were not affected. The integration of the active targeting moiety resulted in the enhanced specificity of the nanoparticles, not only increasing the transfection of the targeted cells, but also reducing the cellular uptake of the non-targeted ones. Finally, we aimed to prove the potential application of the characterized vectors for therapeutic and prophylactic cancer immunization. Therefore, precise and well-defined description of biodistribution and the pharmacokinetic profile of the nanoparticles was investigated. A rigorous and detailed study of the humoral and cellular response aroused by the preferred candidates allowed to hypothesize their potential for further cancer immunization. This hypothesis was conclusively confirmed by in vivo vaccination of murine melanoma model, evaluating not only the prevention and treatment of the tumor, but also the drastic inhibition of metastasis. Altogether, these achievements suggests that the deep understanding of the interrelation between the synthetic and biological identity of the nanomedicines is pivotal for their future implementation of genetic materials for this purpose.
vacunas mRNA; inmunología; nanopartículas; identidad biológica; zwitteriónicos; corona de proteínas
544 - Physical chemistry
Ciències naturals, químiques, físiques i matemàtiques
ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.
