Advancing Antimicrobial and Vaccine Delivery Systems: Innovations in Protein Nanoparticles, Encapsulation Techniques, and Targeted Therapeutic Approaches

Abstract

Aquesta tesi doctoral explora el desenvolupament de sistemes avançats per a la producció, purificació i lliurament de pèptids antimicrobians (AMPs) i vacunes, amb l’objectiu de donar resposta als reptes que planteja la resistència antimicrobiana (AMR) i les infeccions emergents. El treball se centra en estratègies innovadores per millorar l’estabilitat i l’eficàcia dels AMPs, així com en el disseny de sistemes de lliurament que permetin dirigir aquests pèptids de manera més precisa als teixits afectats. Entre els sistemes investigats s’inclouen les vesícules derivades de membranes cel·lulars, conegudes com a cellsomes.

Els objectius principals de la recerca són, en primer lloc, la producció recombinada d’AMPs per millorar-ne la funcionalitat i l’estabilitat. En segon lloc, es busca optimitzar els processos de purificació de proteïnes per aconseguir productes d’alta puresa que es puguin encapsular de manera eficient. En tercer lloc, es desenvolupen tècniques d’encapsulació innovadores per protegir els AMPs en medis biològics i millorar-ne l’eficàcia antibacteriana en models preclínics. Finalment, s’investiga la utilització de cellsomes i altres sistemes de lliurament avançats per a l’administració de vacunes, amb l’objectiu de millorar la resposta immunitària i reduir els riscos associats als mètodes convencionals.

Un dels grans reptes d’aquesta recerca és l’augment de la resistència antimicrobiana a escala global, que està limitant cada cop més l’eficàcia dels tractaments antibiòtics tradicionals. Els AMPs ofereixen una solució prometedora gràcies a la seva capacitat per destruir les membranes de les cèl·lules bacterianes. Tanmateix, els AMPs tenen limitacions pel que fa a la seva estabilitat en el cos humà, i aquesta tesi aborda aquestes dificultats mitjançant l’ús de tècniques d’encapsulació que els protegeixen de la degradació prematura i n’optimitzen el lliurament.

Els resultats d’aquesta tesi han demostrat que els AMPs encapsulats presenten una major estabilitat i eficàcia en comparació amb les formes lliures dels mateixos pèptids. En models preclínics, els AMPs encapsulats han aconseguit una reducció significativa de la càrrega bacteriana en les àrees d’infecció, cosa que subratlla el seu potencial terapèutic en el tractament de les infeccions. A més, les tècniques de purificació desenvolupades en aquest estudi han permès obtenir AMPs de gran puresa, millorant així la seva eficàcia.

Pel que fa als sistemes de lliurament de vacunes, s’han desenvolupat nous mètodes basats en l’ús de vesícules de membrana cel·lular per transportar antígens de manera segura i efectiva. Aquests sistemes han mostrat una gran versatilitat i capacitat d’adaptació a diferents tipus de patògens, fet que els fa especialment útils per a situacions d’emergència sanitària. La recerca també ha explorat l’ús de cellsomes com a vehicle per a l’administració de vacunes, amb resultats prometedors que apunten a una millora significativa en la resposta immunitària.

En conclusió, aquesta tesi presenta avenços importants en el camp dels fàrmacs antimicrobians i les vacunes. Els AMPs encapsulats i els sistemes de lliurament desenvolupats tenen el potencial de superar les limitacions dels antibiòtics convencionals i oferir noves alternatives terapèutiques per al tractament d’infeccions resistents. A més, els sistemes de lliurament de vacunes desenvolupats podrien tenir un impacte significatiu en la salut pública, millorant tant la prevenció com la resposta a infeccions emergents. Els avenços exposats en aquest treball ofereixen noves perspectives per al tractament i la prevenció de malalties infeccioses a escala global.

Esta tesis doctoral explora el desarrollo de sistemas avanzados para la producción, purificación y entrega de péptidos antimicrobianos (AMPs) y vacunas, con el objetivo de abordar los retos que plantea la resistencia antimicrobiana (AMR) y las infecciones emergentes. El trabajo se centra en estrategias innovadoras para mejorar la estabilidad y la eficacia de los AMPs, así como en el diseño de sistemas de entrega que permitan dirigir estos péptidos de manera más precisa a los tejidos afectados. Entre los sistemas investigados se incluyen vesículas derivadas de membranas celulares, conocidas como cellsomas.

Los objetivos principales de la investigación son, en primer lugar, la producción recombinante de AMPs para mejorar su funcionalidad y estabilidad. En segundo lugar, se busca optimizar los procesos de purificación de proteínas para obtener productos de alta pureza que puedan encapsularse de manera eficiente. En tercer lugar, se desarrollan técnicas de encapsulación innovadoras para proteger los AMPs en medios biológicos y mejorar su eficacia antibacteriana en modelos preclínicos. Finalmente, se investiga la utilización de cellsomas y otros sistemas avanzados de entrega para la administración de vacunas, con el objetivo de mejorar la respuesta inmunitaria y reducir los riesgos asociados a los métodos convencionales.

Uno de los grandes retos de esta investigación es el aumento de la resistencia antimicrobiana a nivel global, lo que está limitando cada vez más la eficacia de los tratamientos antibióticos tradicionales. Los AMPs ofrecen una solución prometedora gracias a su capacidad para destruir las membranas de las células bacterianas. Sin embargo, los AMPs tienen limitaciones en cuanto a su estabilidad en el cuerpo humano, y esta tesis aborda estas dificultades mediante el uso de técnicas de encapsulación que los protegen de la degradación prematura y optimizan su entrega.

Los resultados de esta tesis han demostrado que los AMPs encapsulados presentan una mayor estabilidad y eficacia en comparación con las formas libres de los mismos péptidos. En modelos preclínicos, los AMPs encapsulados han logrado una reducción significativa de la carga bacteriana en las áreas de infección, lo que subraya su potencial terapéutico en el tratamiento de infecciones. Además, las técnicas de purificación desarrolladas en este estudio han permitido obtener AMPs de gran pureza, mejorando así su eficacia.

En cuanto a los sistemas de entrega de vacunas, se han desarrollado nuevos métodos basados en el uso de vesículas de membrana celular para transportar antígenos de manera segura y efectiva. Estos sistemas han mostrado una gran versatilidad y capacidad de adaptación a diferentes tipos de patógenos, lo que los hace especialmente útiles para situaciones de emergencia sanitaria. La investigación también ha explorado el uso de cellsomas como vehículo para la administración de vacunas, con resultados prometedores que apuntan a una mejora significativa en la respuesta inmunitaria.

En conclusión, esta tesis presenta avances importantes en el campo de los fármacos antimicrobianos y las vacunas. Los AMPs encapsulados y los sistemas de entrega desarrollados tienen el potencial de superar las limitaciones de los antibióticos convencionales y ofrecer nuevas alternativas terapéuticas para el tratamiento de infecciones resistentes. Además, los sistemas de entrega de vacunas desarrollados podrían tener un impacto significativo en la salud pública, mejorando tanto la prevención como la respuesta a infecciones emergentes. Los avances expuestos en este trabajo ofrecen nuevas perspectivas para el tratamiento y la prevención de enfermedades infecciosas a nivel global.

This doctoral thesis explores the development of advanced systems for the production, purification, and delivery of antimicrobial peptides (AMPs) and vaccines, with the aim of addressing the challenges posed by antimicrobial resistance (AMR) and emerging infections. The research focuses on innovative strategies to improve the stability and efficacy of AMPs, as well as on designing delivery systems that allow for more precise targeting of these peptides to affected tissues. Among the systems investigated are cell membrane-derived vesicles, known as cellsomes.

The main objectives of the research are, first, the recombinant production of AMPs to enhance their functionality and stability. Second, the optimization of protein purification processes to obtain high-purity products that can be efficiently encapsulated. Third, innovative encapsulation techniques are developed to protect AMPs in biological media and improve their antibacterial efficacy in preclinical models. Finally, the research investigates the use of cellsomes and other advanced delivery systems for vaccine administration, aiming to enhance immune response and reduce the risks associated with conventional methods.

One of the major challenges of this research is the global rise in antimicrobial resistance, which is increasingly limiting the efficacy of traditional antibiotic treatments. AMPs offer a promising solution due to their ability to destroy bacterial cell membranes. However, AMPs face limitations in terms of their stability in the human body, and this thesis addresses these issues through encapsulation techniques that protect them from premature degradation and optimize their delivery.

The results of this thesis have shown that encapsulated AMPs exhibit greater stability and efficacy compared to free forms of the same peptides. In preclinical models, encapsulated AMPs have achieved a significant reduction in bacterial load in infected areas, underscoring their therapeutic potential in treating infections. Moreover, the purification techniques developed in this study have enabled the production of highly pure AMPs, further improving their effectiveness.

In terms of vaccine delivery systems, new methods based on the use of cell membrane vesicles have been developed to safely and effectively transport antigens. These systems have demonstrated great versatility and adaptability to different types of pathogens, making them especially useful in public health emergencies. The research has also explored the use of cellsomes as a vehicle for vaccine administration, with promising results indicating a significant improvement in immune response.

In conclusion, this thesis presents important advances in the field of antimicrobial drugs and vaccines. Encapsulated AMPs and the delivery systems developed have the potential to overcome the limitations of conventional antibiotics and offer new therapeutic alternatives for the treatment of resistant infections. Additionally, the vaccine delivery systems developed could have a significant impact on public health, improving both prevention and response to emerging infections. The advances presented in this work offer new perspectives for the treatment and prevention of infectious diseases on a global scale.