Polypyrrole nanoparticles & composites: Cardiac arrythmia treatment evaluated in cells & Caenorhabditis elegans

Abstract

Els polímers conjugats (CP) són materials versàtils amb una àmplia gamma de propietats valuoses per a aplicacions biomèdiques. Les PCs en les estratègies terapèutiques modernes, com l'enginyeria de teixits, han guanyat una atenció de forma ràpida i constant. La conductivitat de les nanopartícules de polipirrol (Ppy NP) s'aprofita especialment en aplicacions d'enginyeria de teixits d'òrgans conductors, com els nervis i la pell. Aprofitem la conductivitat inherent dels teixits cardíacs i centrem la nostra atenció en el potencial de les NP de PPI a les teràpies cardíaques. Les malalties cardiovasculars són la principal causa de mort a tot el món. Tot i això, els tractaments existents manquen en gran mesura d'eficiència i seguretat. Per tant, la investigació de PPI NP per a teràpies cardíaques contribueix al desenvolupament duna nanomedicina segura, eficient i multifuncional. Encara que hi ha alguns estudis preliminars sobre diferents compostos de Ppy NP per a l'aplicació de teràpia cardíaca, falten estudis substancials en animals, cosa que és crucial per al progrés de nous candidats a assajos clínics. En aquesta tesi, avaluem la NP de Ppy al ritme cardíac utilitzant Caenorhabditis elegans (C elegans). Després d'avaluar a fons les nanopartícules en cucs, vam produir una bastida composta de nanopartícules de polipirrol amb cel·lulosa bacteriana com a possible pegat cardíac i vam realitzar avaluacions in vitro en cèl·lules cardíaques. 1. Breument, el Capítol 1 analitza la prevalença, la patologia i les opcions de tractament actuals per a l'arítmia cardíaca i els esforços de la nanotecnologia per millorar els tractaments existents i portar noves teràpies. També es discuteixen les diverses plataformes in vitro, in vivo i de petits animals disponibles per avaluar l'eficàcia de les nanomedicines innovadores, amb una atenció especial a l'oportunitat de C. elegans per avaluar l'efecte dels nanomaterials sobre el ritme cardíac. 2. A capítol 2, Avaluem i informem la mida, la càrrega superficial, la morfologia, la conductivitat, l'estructura química, les propietats tèrmiques i òptiques i l'estabilitat en diverses condicions. 3. Els criteris de valoració de la toxicitat sistèmica a C. elegans es van estudiar meticulosament per a les NP de Ppy, des de la supervivència fins als nivells de lípids intracel·lulars, per estimar la seguretat de les NP a l'organisme i es van elaborar al Capítol 3 . 4. El capítol 4 analitza laplicació de la faringe de C elegans. Avaluem els efectes faringis de les fàrmacs de control i NP de Ppy en ceps mutants específics i de tipus salvatge. Finalment, també es va investigar la influència del tractament amb NP Ppy en la senyalització de Ca2+ intracel·lular a la faringe per dilucidar una possible acció mecànica de les NP Ppy. 5. L'avaluació dels efectes cardíacs de les NPs de Ppy a C. elegans ens va portar a dissenyar un material compost amb NPs de Ppy i cel·lulosa bacteriana (BC-Ppy) amb funcionalitats millorades impartides per la BC. El disseny d'aquest material estarà més a prop de l'aplicació pràctica de pegats cardíacs per a l'infart de miocardi i les arítmies. L'optimització de les bastides amb contingut variable de Ppy i l'avaluació in vitro en cèl·lules cardíaques es discuteixen detalladament al Capítol 5. 6. L'Annex obre la via per crear mutacions arrítmiques específiques a C. elegans a través de l'edició del genoma per a futures avaluacions de fàrmacs antiarítmics i nanomaterials en ceps mutants dissenyats a mida. 7. Finalment, les conclusions i les futures perspectives resumeixen les troballes significatives d'aquest treball, les conclusions principals i les oportunitats futures. 8. Currículum i Publicacions. Les publicacions de lautor durant el temps del doctorat.

Los polímeros conjugados (CP) son materiales versátiles con una amplia gama de propiedades valiosas para aplicaciones biomédicas. Las PC en las estrategias terapéuticas modernas, como la ingeniería de tejidos, han ganado una atención de forma rápida y constante. La conductividad de las nanopartículas de polipirrol (Ppy NP) se aprovecha especialmente en aplicaciones de ingeniería de tejidos de órganos conductores, como los nervios y la piel. Aprovechamos la conductividad inherente de los tejidos cardíacos y centramos nuestra atención en el potencial de las NP de Ppy en las terapias cardíacas. Las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de muerte en todo el mundo. Sin embargo, los tratamientos existentes carecen en gran medida de eficiencia y seguridad. Por lo tanto, la investigación de Ppy NP para terapias cardíacas contribuye al desarrollo de una nanomedicina segura, eficiente y multifuncional. Aunque existen algunos estudios preliminares sobre diferentes compuestos de Ppy NP para la aplicación de terapia cardíaca, faltan estudios sustanciales en animales, lo cual es crucial para el progreso de nuevos candidatos a ensayos clínicos. En esta tesis, evaluamos la NP de Ppy en el ritmo cardíaco utilizando Caenorhabditis elegans (C elegans). Tras evaluar a fondo las nanopartículas en gusanos, produjimos un andamio compuesto de nanopartículas de polipirrol con celulosa bacteriana como posible parche cardíaco y realizamos evaluaciones in vitro en células cardíacas. 1. Brevemente, el Capítulo 1 analiza la prevalencia, la patología y las opciones de tratamiento actuales para la arritmia cardíaca y los esfuerzos de la nanotecnología para mejorar los tratamientos existentes y traer terapias novedosas. También se discuten las diversas plataformas in vitro, in vivo y de pequeños animales disponibles para evaluar la eficacia de las nanomedicinas innovadoras, con especial atención a la oportunidad de C. elegans para evaluar el efecto de los nanomateriales sobre el ritmo cardíaco. 2. En capitulo 2, Evaluamos e informamos el tamaño, la carga superficial, la morfología, la conductividad, la estructura química, las propiedades térmicas y ópticas y la estabilidad en diversas condiciones. 3. Los criterios de valoración de la toxicidad sistémica en C. elegans se estudiaron meticulosamente para las NP de Ppy, desde la supervivencia hasta los niveles de lípidos intracelulares, para estimar la seguridad de las NP en el organismo y se elaboraron en el Capítulo 3. 4. El capítulo 4 analiza la aplicación de la faringe de C elegans. Evaluamos los efectos faríngeos de las farmacos de control y NP de Ppy en cepas mutantes específicas y de tipo salvaje. Finalmente, también se investigó la influencia del tratamiento con NP Ppy en la señalización de Ca2+ intracelular en la faringe para dilucidar una posible acción mecánica de las NP Ppy. 5. La evaluación de los efectos cardíacos de las NPs de Ppy en C. elegans nos llevó a diseñar un material compuesto con NPs de Ppy y celulosa bacteriana (BC-Ppy) con funcionalidades mejoradas impartidas por la BC. El diseño de este material estará más cerca de la aplicación práctica de parches cardíacos para el infarto de miocardio y las arritmias. La optimización de los andamios con contenido variable de Ppy y la evaluación in vitro en células cardíacas se discuten en detalle en el Capítulo 5. 6. El Anexo abre la vía para crear mutaciones arrítmicas específicas en C. elegans a través de la edición del genoma para futuras evaluaciones de fármacos antiarrítmicos y nanomateriales en cepas mutantes diseñadas a medida. 7. Finalmente, las Conclusiones y las Perspectivas futuras resumen los hallazgos significativos de este trabajo, las conclusiones principales y las oportunidades futuras. 8. Currículum y Publicaciones. Las publicaciones del autor durante el tiempo del doctorado.

Conjugated polymers (CPs) are versatile materials with a wide range of valuable properties for biomedical applications. CPs in modern therapeutic strategies such as tissue engineering has been gaining rapid and steady attention. Among these, polypyrrole is one of the most studied conjugated polymers. The conductivity of polypyrrole nanoparticles (Ppy NPs) is especially exploited in tissue engineering applications of conducting organs, such as the nerve and skin. We leverage the inherent conductivity of cardiac tissues and focus our attention on the potential of Ppy NPs in cardiac therapies. Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide. Among the patients with underlying heart disease, 90% report some form of cardiac arrhythmia (CA). However, existing treatments for CA are sub-par, lacking heavily in efficiency and safety. Thus, the investigation of Ppy NPs for cardiac therapies contributes to the development of safe, efficient, and multifunctional nanomedicine. Although some preliminary studies on different composites of Ppy NPs for cardiac therapy application exist, substantial animal studies are lacking, which is crucial for the progress of novel candidates to clinical trials. In this thesis, we first evaluated Ppy NPs' biocompatibility and effects on cardiac rhythm using a small animal model, the Caenorhabditis elegans (C. elegans). The continuous pumping of C. elegans' pharynx resembles the human heart at the molecular and genetic levels. After thoroughly evaluating the nanoparticles in worms, we produced a composite scaffold of polypyrrole nanoparticles with bacterial cellulose as a potential cardiac patch and performed in vitro evaluations in cardiac cells. 1. We begin this thesis with an introductory chapter that provides the scientific background and state-of-the-art research on the relevant topics. Briefly, Chapter 1 discusses the prevalence, pathology, and current treatment options for cardiac arrhythmia and the efforts of nanotechnology to improve existing treatments and bring novel therapies. The various in-vitro, in-vivo, and small animal platforms available to assess the efficacy of innovative nanomedicines are also discussed, with a particular focus on the opportunity of C. elegans to evaluate the effect of nanomaterials on cardiac rhythm. 2. The synthesis and characterization of Ppy NPs are discussed in Chapter 2We assessed and reported the size, surface charge, morphology, conductivity, chemical structure, thermal and optical properties, and stability in various conditions. 3. The systemic toxicity endpoints in C. elegans were meticulously studied for Ppy NPs ranging from survival to intracellular lipid levels to estimate the NPs´ safety in the organism and elaborated in Chapter 3. 4. Chapter 4 discusses the application of the C. elegans pharynx as a model organ to study cardiac rhythms. We established the animal model for such evaluations using two drugs with known arrhythmic effects and achieved the expected impact of those drugs. Following this, we evaluated the pharyngeal effects of Ppy NPs in wild-type and specific mutant strains. Finally, the influence of Ppy NP treatment in the intracellular Ca2+ signaling in the pharynx was also investigated to elucidate a possible mechanistic action of Ppy NPs. 5. The evaluation of cardiac-like effects of Ppy NPs in C. elegans led us to design a composite material with Ppy NPs and bacterial cellulose (BC-Ppy) with improved functionalities imparted by the BC. This material design will be closer to the practical application of cardiac patches. Optimization of the scaffolds with varying Ppy content and in-vitro evaluation in cardiac cells are discussed in detail in Chapter 5. 6. The Annex opens the avenue for creating specific arrhythmic mutations in C. elegans through genome editing for future evaluation of anti-arrhythmic drugs and nanomaterials in custom-designed mutant strains. 7. Finally, the Conclusions and Future perspectives summarize the significant findings of this work, the main takeaways, and the future opportunities. 8. CV and Publications. The publications of the author during the time of the PhD.