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Tesis:

Contribución al estudio de las propiedades de las nanopartículas magnéticas en aplicaciones biomédicas relacionadas con la detección en tejidos ex-vivo y cultivos celulares

  • Autor: URBANO BOJORGE, Ana Lorena

  • Título: Contribución al estudio de las propiedades de las nanopartículas magnéticas en aplicaciones biomédicas relacionadas con la detección en tejidos ex-vivo y cultivos celulares

  • Fecha: 2017

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION

  • Departamentos: TECNOLOGIA FOTONICA Y BIOINGENIERIA

  • Acceso electrónico: http://oa.upm.es/47969/

  • Director/a 1º: SERRANO OLMEDO, José Javier

  • Resumen: Desde su aparición, la nanotecnología ha irrumpido como área puntera de investigación ofreciendo beneficios significativos a la sociedad a través de aplicaciones y desarrollos tecnológicos que han revolucionado diversas áreas de la ciencia. En el sector salud, el empleo de la nanotecnología (nanomedicina), ha beneficiado el sistema sanitario en áreas de diagnóstico y terapia mediante la introducción de técnicas más eficientes, localizadas y personalizadas. El empleo de Nanopartículas Magnéticas (NPM) con fines biomédicos ha despertado un gran interés debido a que sus propiedades físicas únicas pueden conducir a nuevos métodos terapéuticos. Sin embargo, hay una necesidad de comprender las propiedades magnéticas de las nanopartículas y sus interacciones con los organismos vivos con el objetivo de desarrollar terapias más seguras y eficaces. Así mismo, la carencia de estudios centrados en el análisis de la distribución y destino final de las nanopartículas en el organismo tras una terapia, sumado a los problemas toxicológicos que pueda generar, ha ralentizado la aceptación comercial de muchas terapias que utilizan los nanomateriales. Esta situación se debe tanto a una infravaloración del estudio de la nanotoxicología como a la dificultad de implementar técnicas de seguimiento y detección eficaces. Por consiguiente, este trabajo de tesis doctoral busca dar respuesta directa a estas cuestiones aún sin resolver completamente. Por esta razón, se diseñó un exhaustivo protocolo de medida para llevar a cabo una adecuada caracterización de las NPMs distribuidas en los tejidos biológicos provenientes de ratones de experimentación a los cuales se les administró previamente una dosis de NPMs. Adicionalmente, se realizó la caracterización de NPMs suspendidas en diversos fluidos viscosos (agua desionizada y soluciones de fibroína) e internalizadas en cultivos celulares. A través de este estudio también se pretende demostrar y evaluar la viabilidad de los métodos de medición como una herramienta útil para realizar el estudio del comportamiento magnético de las nanopartículas suspendidas en fluidos viscosos y su internalización en cultivos celulares y tejidos ex-vivo. Para realizar la caracterización magnética de las nanopartículas, el Laboratorio de Bioinstrumentación y Nanomedicina (LBN) del Centro de Tecnología Biomédica (CTB) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) dispone de una plataforma de Caracterización Funcional de Nanopartículas Magnéticas. Esta plataforma corresponde a la Unidad 15 del sistema NANBIOSIS-ICTS impulsado por el Centro de Investigación Biomédica en Red en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN) para el fomento de la investigación en biotecnología. La Unidad de Caracterización Funcional de Nanopartículas Magnéticas está formada por dos equipos: un Magnetómetro por Gradiente Alternante MicroMagTM 2900 (AGM System) y un Relajómetro por Ciclado Rápido de Campo (FFCR). El AGM mide la magnetización de saturación de los materiales magnéticos y su extremada sensibilidad y precisión lo hacen especialmente atractivo para caracterizar NPMs. El FFCR mide los tiempos de relajación y los perfiles de dispersión de las nanopartículas magnéticas. Es importante mencionar que fue necesaria una adaptación de la sonda del AGM mediante la fabricación de un portamuestras con características específicas para llevar a cabo el estudio del comportamiento magnético de las nanopartículas suspendidas en fluidos viscosos e internalizadas en cultivos celulares. Los resultados obtenidos mostraron la validez de los procedimientos ya que efectivamente fue posible observar diferencias en el comportamiento magnético de las nanopartículas según el tiempo y el tipo de tejido. En general se apreció que, tras la inyección, las nanopartículas viajan a través del torrente sanguíneo durante las primeras horas y con el tiempo van siendo eliminadas a través de la orina o depositadas en ciertos órganos. Después de un mes de administrada la inyección de las NPMs, se detectó una acumulación de nanopartículas en el bazo e hígado indicando así una respuesta del sistema reticuloendotelial (RES). Sin embargo, en el cerebro no se detectó acumulación de NPMs durante el tiempo que duró el estudio (1 mes) indicando que las NPMs no atravesaron la barrera hematoencefálica (BHE). Por otro lado, se pudo observar una disminución en la magnetización de saturación de las nanopartículas dependiendo de la viscosidad del medio y la concentración de material magnético. Esta alteración es causada por las interacciones dipolo-dipolo, la formación de clústers o cadenas y el impedimento de los momentos magnético para alinearse con el campo magnético por el aumento de la viscosidad del medio y la concentración. También fue posible detectar una disminución en la magnetización de saturación de las nanopartículas cuando se internalizaron en los lisosomas. La variación causada por el encapsulamiento de las NPMs en los lisosomas provoca una disminución en los grados de libertad de las NPMs y la formación de agregados. Por otra parte, se observó un aumento en la relajatividad inducida por el incremento de la viscosidad del fluido debido a que la superficie de las NPMs está protegida contra el agua libre por la matriz de fibroína. Esto nos lleva a concluir que la fibroína podría ser un buen agente de recubrimiento para las NPMs. De manera general, se pudo comprobar la viabilidad de la Unidad 15 como una herramienta eficaz y versátil para llevar a cabo estudios de biodistribución y seguimiento de NPMs a través del estudio de los tejidos ex-vivo. Así mismo, esta herramienta permite realizar investigaciones relacionadas con las propiedades físicas de las NPMs suspendidas en fluidos viscosos e internalizadas en cultivos celulares. ----------ABSTRACT---------- Since its original conception, nanotechnology has emerged as a leading area of research offering significant benefits to society through applications and technological developments that have revolutionized various areas of science. In the health sector, the use of nanotechnology, also known as nanomedicine, has benefited the health system in areas of diagnosis and therapy though the introduction of more efficient, localized, and personalized techniques. The use of Magnetic Nanoparticles (MNPs) for biomedical purposes has generated a great interest due to their unique physical properties, which can lead to new therapeutic methods. However, there is a need for understanding the magnetic nanoparticles properties and their interactions with living organisms to develop safer and more efficient therapies. Moreover, the lack of studies focused on the analysis of nanoparticles distribution and final destination in the body after a therapy, in addition to the toxicological problems that it can generate, has slowed down the commercial acceptance of many therapies that utilize nanomaterials. This situation is due both to an underestimation of the study of nanotoxicology and to the difficulty of implementing effective monitoring and detection techniques. Therefore, this thesis seeks to give a direct answer to these issues still completely unresolved. For this reason, an exhaustive measurement protocol was designed in order to carry out an appropriate characterization of MNPs distributed in biological tissues from experimental mouse models, which a dose of MNPs was previously administered. Additionally, the characterization of MNPs suspended in viscous fluids (deionized water and fibroin solutions) and internalization into cultured cells were performed. Through this study, also intends to demonstrate and to assess the feasibility of the measurement methods as an useful tool to perform the study of the magnetic behavior of the MNPs suspended into viscous fluids and their internalization into cell cultures and ex-vivo tissues. In order to carry out the magnetic characterization of the nanoparticles, the Laboratory of Bioinstrumentation and Nanomedicine (LBN) of the Centre for Biomedical Technology (CTB) of the Technical University of Madrid (UPM), has a platform of functional characterization of MNPs. This platform corresponds to Unit 15 of the system NANBIOSIS-ICTS driven by the Centre for Biomedical Research Network Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine (CIBER- BBN) to promote the biotechnology research. The Unity of functional characterization of MNPs is composed by two devices: an Alternating Gradient Magnetometer MicroMagTM 2900 (AGM System) and a Fast Field Cycling Relaxometry (FFCR). The saturation magnetization of the magnetic materials is measured by an AGM. Their high sensibility and precision make these especially attractive to characterize MNPs. The relaxation times and dispersion profiles of the MNPs are measured with the FFCR. It is important to mention that an adaptation of the AGM’s probe was necessary through the manufacturing of a sample holder with specific characteristics to carry out the study of the magnetic behavior of nanoparticles suspend in viscous fluids and internalized into cell cultures. The results obtained showed the validity of the procedures since it was possible to efficiently observe differences in the magnetic behavior of the nanoparticles according to the time and type of tissue. Overall, it was noticed that after the injection, the nanoparticles travel through the bloodstream during the first hours and over time these are eliminated via urine or deposited in some organs. One month after administrating the injection of the MNPs, an accumulation of nanoparticles was detected in the spleen and liver, thus indicating a response of the reticuloendothelial system (RES). However, in the brain was not detected any accumulation of MNPs during the time the study last (1 month), indicating that MNPs did not cross the blood-brain barrier (BBB). On the other hand, a decrease in the saturation magnetization of the MNPs was observed depending on the viscosity of the medium and the concentration of the magnetic material. This change is caused by the dipole-dipole interactions, the formation of clusters or chains, and the hindrance of magnetic moments to align with the magnetic field by increasing the viscosity of the medium and the concentration. Furthermore, it was possible to detect a decrease in the saturation magnetization of the nanoparticles when they were internalized into the lysosomes. The variation caused by the encapsulation of the MNPs in the lysosomes causes a decrease in the degrees of freedom of the magnetic moments of the MNPs and the formation of aggregates. On the other hand, an increase in the relaxation induced by the increased viscosity of the fluid was observed because the surface of the MNPs is protected against free water by the fibroin matrix. This leads us to conclude that fibroin matrix could be a good coating agent for MNPs. In general, the viability of Unit 15 was verified as an efficient and versatile tool to carry out studies on the biodistribution and monitoring of MNPs through the study of ex-vivo tissues. Likewise, this tool allows research on the physical properties of MNPs suspended in viscous fluids and internalized into cell cultures.