Nanoparticles to modulate topography and ligand distribution at the nanoscale: impact on cell behavior

Abstract

Comprendre les interaccions entre cèl·lules i materials és un objectiu important pel desenvolupament d’estratègies en enginyeria de teixits, ja sigui pel tractament de malalties o per substituir teixits u òrgans. La interacció cèl·lula-matèria està dirigida per senyals bioquímics i mecànics provinents de l’entorn, que han de ser transmesos a través de la membrana cel·lular. Entre aquests senyals, s’ha demostrat que la topografia i la distribució de lligands a la nanoescala són rellevants en biologia cel·lular. En aquesta feina s’ha fet servir una estratègia nanoarquitectònica, basada en autoassemblatge molecular, per a processar diferents tipus de nanopartícules orgàniques en superfícies, creant substrats biofuncionalitzats per millorar la comprensió i el control del comportament cel·lular. Les nanopartícules proteiques similars a cossos d’inclusió (IB-like pNPs) són agregats de proteïna produïts en bacteris. Aquests agregats presenten les característiques d’un material nanoparticulat que manté la funció de la proteïna original. Al capítol 2, els IB-like pNPs s’han fet servir per biofuncionalitzar i modular la topografia de superfícies a la nanoescala per controlar el comportament cel·lular. Específicament, les nanopartícules s’han unit covalentment a monocapes autoensamblades terminades en grups maleimida, aprofitant la reacció clic entre maleimida i tiol. A més, les nanopartícules s’han organitzats en patrons a la microescala mitjançant impressió de microcontacte, permetent guiar l’adhesió i morfologia cel·lulars. Els Quatsomes són nanovesícules lipídiques no liposomals, desenvolupades pel grup Nanomol-Bio, formades per l’autoassemblatge d’esterols i surfactants. Els Quatsomes presenten una alta homogeneïtat vesícula a vesícula, així com una gran estabilitat. A més, la seva membrana és fluida i permet la difusió lateral de molècules ancorades a la seva superfície. Al capítol 3, els Quatsomes s’han fet servir com a nanopartícules orgàniques per a modular la topografia i la distribució de lligands d’adhesió cel·lular a la nanoescala, millorant l’adhesió cel·lular depenent d’integrines. Específicament, Quatsomes decorats amb lligands d’adhesió cel·lular, pèptids RGD, han sigut ancorats covalentment a superfícies en estats de “quasi suspensió” a través de la interacció or-tiol. Aquestes noves superfícies nanoarquitectòniques han presentat una millora de les adhesions focals en comparació a superfícies convencionals amb lligands distribuïts homogèniament. Finalment, al capítol 4, els Quatsomes s’han estudiat com a candidats per a controlar la distribució de lligands a la nanoescala i afectar al comportament cel·lular en entorns 3D. Per tant, els Quatsomes han sigut integrats en hidrogels híbrids PEG-heparina per a fer-se servir com a nodes limfàtics artificials, amb l’objectiu de millorar la proliferació de cèl·lules immunes per a teràpies cel·lulars adoptives. En resum, la feina duta a terme en aquesta tesi ofereix noves possibilitats per controlar la topografia i distribució de lligands a la nanoescala utilitzant diferents nanopartícules orgàniques, millorant l’impacte en el comportament cel·lular en entorns 2D i 3D per a aplicacions de biologia cel·lular i enginyeria de teixits.

Entender las interacciones entre células y materiales es un objetivo importante para el desarrollo de estrategias en ingeniería de tejidos, ya sea para el tratamiento de enfermedades o para reemplazar tejidos u órganos. La interacción célula-materia está dirigida por señales bioquímicas y mecánicas provenientes del entorno, que deben ser transmitidas a través de la membrana celular. Entre estas señales, se ha demostrado que la topografía y la distribución de ligandos en la nanoescala son relevantes en biología celular. En este trabajo se ha usado una estrategia nanoarquitectónica, basada en autoensamblaje molecular, para procesar diferentes tipos de nanopartículas orgánicas en superficies, creando sustratos biofuncionalizados para mejorar la comprensión y el control del comportamiento celular. Las nanopartículas proteicas similares a cuerpos de inclusión (IB-like pNPs) son agregados de proteína producidos en bacterias. Estos agregados presentan las características de un material nanoparticulado que mantiene la función de la proteína original. En el capítulo 2, las IB-like pNPs se han usado para biofuncionalizar y modular la topografía de superficies en la nanoescala para controlar el comportamiento celular. Específicamente, las nanopartículas se han unido covalentemente a monocapas autoensambladas terminadas en grupos maleimida, aprovechando la reacción clic entre maleimida y tiol. Además, las nanopartículas se han organizado en patrones en la microescala mediante la impresión de microcontacto, permitiendo guiar la adhesión y morfología celulares. Los Quatsomes son nanovesículas lipídicas no liposomales, desarrolladas por el grupo Nanomol-Bio, formadas por el autoensamblaje de esteroles y surfactantes. Los Quatsomes presentan una alta homogeneidad vesícula a vesícula, así como una gran estabilidad. Además, su membrana es fluida y permite la difusión lateral de moléculas ancladas en su superficie. En el capítulo 3, los Quatsomes se han usado como nanopartículas orgánicas para modular la topografía y la distribución de ligandos de adhesión celular en la nanoescala, mejorando la adhesión celular mediada por integrinas. Específicamente, Quatsomes decorados con ligandos de adhesión celular, péptidos RGD, han sido anclados en superficies en estados de “casi suspensión” a través de la interacción oro-tiol. Estas nuevas superficies nanoarquitectónicas han presentado una mejora de las adhesiones focales en comparación a superficies convencionales con ligandos distribuidos homogéneamente. Finalmente, en el capítulo 4, los Quatsomes se han estudiado como candidatos para controlar la distribución de ligandos en la nanoescala y afectar al comportamiento celular en entornos 3D. Para ello, los Quatsomes han sido integrados en hidrogeles híbridos PEG-heparina para usarse como nodos linfáticos artificiales, con el objetivo de mejorar la proliferación de células inmunes para terapias celulares adoptivas. En resumen, el trabajo llevado a cabo en esta tesis ofrece nuevas posibilidades para controlar la topografía y la distribución de ligando en la nanoescala usando diferentes nanopartículas orgánicas, mejorando el impacto en el comportamiento celular en entornos 2D y 3D para aplicaciones de biología celular e ingeniería de tejidos.

Understanding cell-material interactions is an important goal for the development of tissue engineering strategies, either to treat diseases or to replace missing or damaged tissues or organs. The interaction of cell with matter is driven through biochemical and mechanical signals received from the environment which must be transmitted across the cell membrane. Among those signals, topography and ligand distribution at the nanoscale have been proved to be relevant in cell biology. In this work, using a nanoarchitectonic approach involving molecular self-assembly, different kinds of organic nanoparticulate materials have been processed on surfaces to produce biofunctionalized substrates to better understand and control cell behavior. Inclusion body-like protein nanoparticles (IB-like pNPs) are aggregates of protein produced in bacterial hosts. These aggregates have the characteristics of a soft nanoparticulate material that retains the function of the original protein. In chapter 2, IB-like pNPs have been used to biofunctionalize and modulate the topography of surfaces at the nanoscale to control cell behavior. Specifically, pNPs have been covalently anchored on maleimide-terminated self-assembled monolayers (SAMs) exploiting the maleimide-thiol click reaction. Additionally, the pNPs have been arranged into striped micropatterns through microcontact printing, being able to successfully guide cell adhesion and morphology. Quatsomes are non-liposomal lipid-based nanovesicles, developed by the Nanomol-Bio group, formed by self-assembly of surfactants and sterols. Quatsomes exhibit high vesicle-to-vesicle homogeneity and high stability and shelf life. Additionally, their membrane is fluid, allowing for a lateral diffusion of molecules anchored to their membranes. In chapter 3, Quatsomes have been used as organic nanoparticles to modulate the topography and cell adhesion ligand distribution at the nanoscale enhancing integrin mediated cell adhesion. Specifically, Quatsomes decorated with cell adhesion ligands, RGD peptides, have been anchored on surfaces in a state of quasi-suspension through a gold-thiol interaction. The novel nanoarchitectonic surfaces exhibit an enhancement of focal adhesions in comparison to conventional surfaces with homogeneously distributed ligands on surfaces. Finally, in chapter 4, Quatsomes have been explored as candidates to control the ligand distribution at the nanoscale and impact cell behavior in a 3D environment. Thus, Quatsomes have been integrated in hybrid PEG-heparin hydrogels to be used as artificial lymph nodes, in order to improve the proliferation of immune cells for adoptive cell therapies. In summary, the work carried out in this thesis offers new possibilities to control topography and ligand distribution at the nanoscale using different organic nanoparticles, enhancing the impact on cell behavior in 2D and 3D environments for cell biology and tissue engineering applications.