Universitat Ramon Llull
Universitat Ramon Llull. IQS
Moltes malalties, com l'epilèpsia, les neurodegeneratives i els tumors cerebrals, afecten al cervell. Tot i que els nous fàrmacs, com les teràpies basades en proteïnes i àcids nucleics, ofereixen un gran potencial pel seu tractament, no aconsegueixen arribar al cervell en quantitats suficients a causa de la baixa permeabilitat a través de la barrera hematoencefàlica (BHE). Aquesta tesi es va proposar desenvolupar nous sistemes per millorar l’administració de proteïnes i àcids nucleics a través de la BHE. La primera part del treball es va centrar en el desenvolupament de BrainBikes, una família de pèptids bicíclics resistents a proteases que milloren el transport de diverses càrregues a través de la BHE. A partir del pèptid lineal Y1, dirigit al receptor de la transferrina (TfR1), sobreexpressat a les cèl·lules endotelials de la BHE, es van generar diversos anàlegs mitjançant un enllaç químic. La ciclació d’aquests pèptids va millorar la seva estabilitat proteolítica, allargant la vida mitjana del pèptid lineal en sèrum humà. Entre els anàlegs desenvolupats, BrainBike-4 va ser el millor candidat, mostrant una afinitat més alta pel receptor TfR1 que el pèptid original i els altres anàlegs. Per validar la seva funció com a transportador cerebral, es va conjugar de manera específica amb una proteïna model i amb un anticòs de fragment variable de cadena senzilla (scFv). Aquesta conjugació va incrementar significativament el transport de les proteïnes a través d’un model cel·lular humà de BHE, superant altres transportadors reportats anteriorment. La segona part es va centrar en el desenvolupament d’un sistema d’administració de gens basat en poli(β-amino ester)s modificats amb oligopèptids (OM-pBAEs). Es va crear una formulació simplificada amb un únic oligopèptid heteromèric que conté residus d’arginina i histidina, mantenint una eficiència similar a la formulació tradicional amb múltiples oligopèptids homomèrics. Per reduir la transfecció inespecífica, es va afegir un pèptid zwitteriònic als pBAE-CRHR poliplexes. També per desenvolupar un sistema d’administració condicionalment actiu, es va implementar un mecanisme de resposta a la llum en el polímer zwitteriònic, com a prova de concepte. Després de l’activació amb llum, es va recuperar l’eficiència de transfecció sense comprometre la selectivitat inicial. Es van explorar dues estratègies més: una per dirigir els complexos a les cèl·lules tumorals mitjançant un nanoanticòs anti-EGFR, i una altra per millorar el transport a través de la BHE, conjugant BrainBike-4 per incrementar la transfecció en cèl·lules que expressen TfR1 i incrementant el transport a través d’un model humà de BHE. Aquest treball demostra el potencial dels peptidomimètics bicíclics com a transportadors cerebrals i introdueix nous enfocaments per al transport selectiu de bio- i nano-teràpies, avançant en el desenvolupament de sistemes d’administració dirigits i la medicina de precisió.
Muchas enfermedades afectan al cerebro, desde la epilepsia hasta las enfermedades neurodegenerativas y los tumores cerebrales. Aunque los nuevos fármacos, como las terapias basadas en proteínas y ácidos nucleicos, ofrecen un gran potencial para el tratamiento de estas patologías, no logran llegar al cerebro en cantidades suficientes debido a su baja permeabilidad a través de la barrera hematoencefálica (BHE). Esta tesis tuvo como objetivo desarrollar nuevos sistemas para la administración de proteínas y ácidos nucleicos a través de la BHE. La primera parte de la tesis se centró en el desarrollo de BrainBikes, una familia novedosa de péptidos bicíclicos, resistentes a proteasas que mejoran el transporte de diversas cargas a través de la BHE. A partir del péptido lineal Y1, dirigido al receptor de la transferrina (TfR1), sobreexpresado en las células endoteliales que forman la BHE, se generaron diversos análogos mediante un enlace químico. La ciclación de estos péptidos mejoró su estabilidad frente a las proteasas, prolongando la vida media del péptido lineal en suero humano. Entre estos análogos, BrainBike-4 destacó como el mejor candidato, mostrando una mayor afinidad por el receptor TfR1 en comparación con el péptido original y otros análogos. Para evaluar su función como transportador cerebral, se conjugó de forma específica con una proteína modelo y con un anticuerpo de fragmento variable de cadena sencilla (scFv). Esta conjugación incrementó significativamente el transporte de estas proteínas a través de un modelo celular humano de BHE, superando a otros transportadores peptídicos reportados previamente. La segunda parte de la tesis se centró en el desarrollo de un sistema de administración de genes basado en poli(β-amino éster)s modificados con oligopéptidos (OM-pBAEs). Se diseñó una formulación simplificada con un único oligopéptido heteromérico que contiene residuos de arginina e histidina, manteniendo una eficiencia similar a la formulación tradicional con múltiples oligopéptidos homoméricos. Para reducir la transfección inespecífica, se añadió un péptido zwitteriónico a los pBAE-CRHR poliplejos. Además, se desarrolló un sistema de administración condicionalmente activo mediante la incorporación de un mecanismo de respuesta a la luz en el polímero zwitteriónico, como prueba de concepto. Tras la activación con luz, se recuperó la eficiencia de transfección sin comprometer la selectividad inicial. Se desarrollaron además dos estrategias: una para dirigir los complejos a las células tumorales mediante un nanoanticuerpo anti-EGFR, y otra para mejorar el transporte a través de la BHE, conjugando BrainBike-4 para aumentar la transfección en células que expresan TfR1 e incrementar el transporte a través de un modelo humano de BHE. Este trabajo pone de manifiesto el potencial de los peptidomiméticos bicíclicos como transportadores cerebrales eficaces e introduce nuevos enfoques para el transporte selectivo de terapias bio- y nanoterapias, avanzando en el desarrollo de sistemas de administración dirigida y en la medicina de precisión.
Many diseases affect the brain, ranging from epilepsy to neurodegenerative diseases and brain tumours. Although novel drugs, such as protein and nucleic acid therapeutics, offer great potential to treat brain diseases, they fail to reach the brain in sufficient amounts due to their low permeability across the blood-brain barrier (BBB). This thesis aimed to develop new systems for the delivery of proteins and nucleic acids across the blood-brain barrier. The first part of this thesis focused on the development of BrainBikes, a novel family of bicyclic, protease-resistant peptide shuttles capable of enhancing the transport of various types of cargoes across the BBB. Using a chemical linker, we generated several bicyclic analogues from the Y1 linear peptide that targets the transferrin receptor (TfR1), a receptor overexpressed in endothelial cells forming the BBB. Cyclization of these peptides resulted in improved protease stability, extending the human serum half-life of the linear peptide. Among these, BrainBike-4 emerged as the lead candidate, exhibiting higher binding to TfR1 than the parental peptide and the other analogues. To test the activity of BrainBike-4 as a brain shuttle, we site-specifically conjugated BrainBike-4 to a model protein and a single-chain variable fragment (scFv) antibody. Conjugation of the brain shuttle peptide resulted in a significant increase in transport of these proteins across a human cell-based BBB model, significantly outperforming previously reported peptide shuttles. The second part of the thesis focused on generating a gene delivery system based on oligopeptide-modified poly(β-amino ester)s (OM-pBAEs). A simplified formulation using a single heteromeric oligopeptide containing arginine and histidine residues was developed, offering similar efficiency to the traditional multiple homomeric oligopeptide formulation. To decrease unspecific transfection of the gene delivery system, a zwitterionic peptide was conjugated to the pBAE-CRHR polyplexes. Aiming to generate a conditionally-active gene delivery system, we implemented light responsiveness to the zwitterionic polymer as a proof-of-concept. Upon activation with light, the transfection efficiency was recovered without compromising the selectivity provided by the zwitterionic modification. Two strategies were further pursued for selective targeting of cancer cells and improved BBB transport. In order to target the polyplexes to cancer cells, we conjugated an anti-EGFR nanobody enabled efficient transfection of EGFR-expressing tumor cells. Finally, aiming to overcome the BBB, we conjugated BrainBike-4, which enhanced transfection in TfR1-expressing cells and increased transport across a tight monolayer of endothelial cells in a human BBB model. This work highlights the potential of bicyclic peptidomimetics as effective brain shuttles and introduces novel approaches for selective bio- and nano-therapeutic transport, paving the way for advancements in targeted drug delivery systems and precision medicine.
Peptides; Proteins; Nanoparticles; Brain; Blood-brain barrier; Bicyclic peptides
5 - Ciències pures i naturals; 54 - Química; 57 - Biologia
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.
