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Nanopartículas como herramientas en procesos bio-químicos. Síntesis, caracterización, funcionalización y aplicaciones: Profile on PlumX
Título : Nanopartículas como herramientas en procesos bio-químicos. Síntesis, caracterización, funcionalización y aplicaciones
Autor(es) : Sánchez Paradinas, Sara
Director(es) : Almendral Parra, María Jesús
Alonso Mateos, Ángel
Palabras clave : Tesis y disertaciones académicas
Universidad de Salamanca (España)
Tesis Doctoral
Academic dissertations
Bioquímica
Química analítica
biochemistry
analytical chemistry
Clasificación UNESCO: Materias::Investigación::23 Química::2302 Bioquímica
Fecha de publicación : 15-may-2013
Resumen : [ES] ` Cuando la naturaleza se acaba el producir su propia especie , el hombre comienza a utilizar las cosas naturales en armonía con esta misma naturaleza para crear una infinidad de especies de ` Jean -Marie Lehn utiliza estas palabras de Leonardo da Vinci para ofrecer sus puntos de vista sobre las perspectivas de futuro de la química supramolecular . Química supramolecular investiga los principios de la naturaleza para producir complejos extraordinarios y enlaces moleculares funcionales, potencialmente útiles como sensores , catalizadores, el transporte y otras aplicaciones en la medicina y la ingeniería. Comenzando con el descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN , la biología ha pasado de ser una disciplina puramente descriptiva y fenomenológica a la ciencia molecular. Todos estos acontecimientos revolucionarios han llevado a fusionar Biotecnología y Ciencia de los Materiales , dando la ventaja indudable de utilizar componentes biológicos para generar nuevos materiales de diseño y , a la inversa , la aplicación de estos materiales avanzados y las nuevas técnicas fisicoquímicas para resolver problemas biológicos. Con el fin de explotar y utilizar todos los conceptos relacionados con los sistemas naturales en la nanoescala , el desarrollo de la Nanociencia y Nanoquímica es crucial. La nanociencia es la ciencia que se ocupa del análisis y la manipulación de materiales a nivel atómico o molecular , donde las características o propiedades físicas o químicas difieren significativamente de los que se presentan en una escala más grande. En este sentido , un nanomaterial se define como un material que consiste de una sustancia o estructura que tiene al menos una dimensión inferior a 100 nm . Estas estructuras tienen nuevas propiedades y un comportamiento diferente de la exhibida por el material a granel de la misma composición . Nanopartículas inorgánicas son particularmente atractivos como bloques de construcción para la construcción de grandes superestructuras y se pueden preparar fácilmente a partir de diversos materiales . Ellos tienen propiedades ópticas , electrónicas y catalíticas interesantes , que dependen fuertemente del tamaño de partícula . Durante los últimos veinte años ha habido un interés creciente en la fabricación de materiales híbridos inorgánicos entre las nanopartículas y biomoléculas . Como las nanopartículas y biomoléculas se encuentran en una longitud de escala similar , parece lógico que la combinación de las biomoléculas con nanomateriales podría llevar a algunas herramientas de imitación interesantes de biomoléculas , lo que demuestra los mecanismos de los procesos biológicos. En la actualidad , es fácil de controlar y modificar las propiedades de las nanoestructuras para lograr su integración con los sistemas biológicos , por ejemplo el control de su tamaño o la modificación de su capa superficial para aumentar su solubilidad acuosa o biocompatibilidad . La nanotecnología se define entonces como la comprensión y el control de la materia a escala nanométrica , en dimensiones entre aproximadamente 1 y 100 nanómetros, donde los fenómenos únicos permiten nuevas aplicaciones . No se trata sólo de un nuevo campo de la ciencia y la ingeniería , sino una nueva forma de ver y estudiar. Las primeras aplicaciones prácticas de la nanotecnología fueron a los avances en las comunicaciones , Ingeniería , Física , Química , Biología , Robótica y Medicina. La nanotecnología en la medicina ha sido utilizado , y está siendo utilizado , para el suministro de fármacos y el desarrollo de tratamientos para una variedad de enfermedades y trastornos . El aumento en la producción de nanomateriales se correlaciona con los avances posteriores en estas disciplinas . Se utilizan nanopartículas , o siendo evaluados para su uso, en muchos campos , siendo uno de ellos el campo de la Proteómica . Nanotecnología en proteómica se ha convertido en una plataforma tecnológica prometedora para las tareas difíciles de estudiar proteomas complejos. Por otra parte , las nanopartículas son una nueva generación de sensores que juegan un papel importante en el descubrimiento de biomarcadores . Los biomarcadores basados ​​en las interacciones con el ADN forman un grupo importante en el estudio de , y los avances en el campo del cáncer y otras enfermedades , y también en el desarrollo de tratamientos con diferentes fármacos . Entre ellos, los que tienen características de fluorescencia son muy prometedores, de tal manera que los métodos encaminados a su desarrollo y el perfeccionamiento de ellos son actualmente de extraordinario interés . Un campo importante para el uso de biomarcadores en los estudios que abordan compuestos contra el cáncer se ha abierto por la llegada de nuevos fluoróforos llamados puntos cuánticos (puntos cuánticos ) . Puntos cuánticos son nanocristales semiconductores con un tamaño de entre 1 y 10 nanómetros que se forman por elementos de los grupos II-VI o III-V de la tabla periódica y que son capaces de superar los límites de colorantes orgánicos . Sus principales ventajas en este campo son los siguientes : el espectro de emisión QD se puede modificar en un amplio intervalo cambiando el tamaño y la composición del núcleo , lo que los hace altamente susceptible de detección biológica . Su amplio de excitación y ayuda espectros de emisión estrecha para evitar la superposición espectral , aumentando así la posibilidad de distinguir múltiples fluoróforos simultáneamente . También facilitan el uso de una sola longitud de onda de excitación para los puntos cuánticos de diferentes colores . Estas propiedades les proporcionen una ventaja sobre los colorantes orgánicos , que tienen excitación estrecho y amplio espectro de emisión . El aspecto más importante a considerar , sin embargo , es su capacidad para bioconjugación , lo que les permite unen a las proteínas y otras biomoléculas que contienen aminas primarias y ácido carboxílico como grupos funcionales , así como muchos otros substances.There es un amplio campo de investigación con muchas perspectivas de futuro en el estudio de los puntos cuánticos para aplicaciones biológicas. Aunque los avances importantes se han hecho en algunos aspectos , hay muchos puntos débiles en cuanto a los procedimientos utilizados para la síntesis de estas nanopartículas , y su comportamiento en diferentes medios de comunicación también debe recibir una atención más concertada. Los puntos cuánticos más utilizados como biomarcadores , tales como CD, se encuentran en la mayoría de los casos sintetizados en fase orgánica , el uso de disolventes de alto punto de ebullición . Los procedimientos de síntesis en medio acuoso son una alternativa atractiva a la síntesis de los puntos cuánticos en medio orgánico y ahora son un área activa de interés . Síntesis acuosa muestra una buena reproducibilidad , baja toxicidad , de bajo costo y , en particular , los productos preparados en medio acuoso tienen una excelente solubilidad en agua , estabilidad y compatibilidad biológica . La necesidad de arrojar más luz sobre el estudio de su estructura y comportamiento químico es crucial si vamos a optimizar los procesos de bioconjugación involucrados , siendo uno de los objetivos de este trabajo . Las nanopartículas de oro (AuNPs ) han surgido recientemente como un candidato atractivo para la entrega de moléculas de fármaco pequeñas o grandes biomoléculas ( proteínas , ADN o ARN ) en sus objetivos. Sus propiedades químicas y físicas han sido explotadas para el transporte y descarga de los productos farmacéuticos y en contextos terapéuticos fototérmica . El núcleo de oro es inerte , no tóxico y biocompatible. Ellos pueden ser fácilmente sintetizados de una manera monodisperso y tamaños de núcleo que van desde 1 nm a 150 nm . Tienen absorción óptica fuerte y armonioso . Son fáciles de modificar para dotarlos de funcionalidades diferentes , por lo general a través de enlaces tiol , la unión de una amplia gama de moléculas orgánicas. Además , AuNPs tienen propiedades ópticas únicas , tales como las bandas de excitación característicos en la región visible , debido a la resonancia de plasmón superficial . Esta propiedad permite el uso de AuNPs en muchas aplicaciones médicas , biológicas y farmacéuticas . Actualmente , AuNPs son candidatos atractivos para la entrega de una carga útil a un sitio diana particular . Estas cargas útiles van desde ser pequeñas moléculas de fármacos a grandes biomoléculas , como proteínas , ADN y ARN . La liberación eficiente de estos agentes terapéuticos en el lugar adecuado es un requisito previo para una terapia eficaz y es la base de las terapias dirigidas , principalmente en los campos más avanzados de la medicina. Esta tesis se divide en tres partes. El objetivo del capítulo uno es desarrollar un nuevo procedimiento para la preparación de los puntos cuánticos en medio acuoso , en presencia de ácido mercaptoacético ( MAA ) como un reactivo de limitación , a presión normal y temperatura ambiente . La influencia de varias variables experimentales , incluyendo la temperatura , el pH, la relación Cd / S y la relación Cd / MAA , sobre las propiedades ópticas de los puntos cuánticos obtenidos se estudió sistemáticamente . Los resultados experimentales indican que estas variables juegan un papel importante en la determinación del tamaño y estado de la superficie de las nanopartículas , y por lo tanto sus propiedades luminiscentes y estabilidad temporal . Aspectos como la nucleación y crecimiento de nanocristales durante la síntesis son importantes para lograr las mejores condiciones para la síntesis de nanopartículas de alta calidad. Un profundo estudio de las propiedades físicas de las nanopartículas y su comportamiento en solución en diferentes condiciones facilitará su uso como biomarcadores y en otras aplicaciones de interés analítico. Capítulo dos explora la actividad citotóxica potencial de derivados de cisplatino de ácidos biliares como bisursodeoxycholate ( etilendiamina ) platino (II ) , PTU2 , cuando se conjuga con nanopartículas de oro . Estos derivados tienen un potencial actividad citotóxica y toxicidad reducida , debido a su labilidad inferior y su carácter anfipático , haciéndolos una alternativa adecuada para CDDP , como los fármacos anti- tumorales. Se analizó la capacidad de suministro intracelular de estos compuestos después de la conjugación con nanopartículas de 20 nm de oro ( PTU2 - AuNPs) en el ( osteosarcoma ) línea celular MG63 , un modelo de uno de los tumores malignos más intratables y dolorosas cuyo tratamiento estándar requiere cirugía radical y La terapia neoadyuvante. El capítulo tres es un comentario sobre el estado del arte de las nanopartículas en la Proteómica . Microarrays de proteínas son una plataforma para el análisis paralelo y simultáneo de las interacciones proteína- proteína y proteína de perfiles . Junto con los avances en las tecnologías de microarrays , metodologías cada vez más sensibles y fiables de detección se están desarrollando actualmente . Tales sistemas de detección de proteínas han sufrido progresivamente una transición relevante de tecnologías libres de etiquetas más sensibles a los basados ​​en la etiqueta , que son de gran utilidad para estudiar la interactome y funciones de grandes cantidades de proteínas en la demanda . En general , los sistemas basados ​​en la etiqueta se centran principalmente en el uso de etiquetas específicas para moléculas diana como tintes fluorescentes convencionales y radioisótopos , entre otros . Más recientemente , se han propuesto otras sustancias , incluyendo puntos cuánticos (puntos cuánticos inorgánicos ), las nanopartículas de oro (PN ), Raman de nanotubos de carbono marcado tinte o NPs de sílice. Por otro lado , las técnicas de detección de etiqueta libre incluyen resonancia de plasmón superficial ( SPR ) , nanotubos de carbono , en voladizo , etc El acoplamiento con éxito de la nanotecnología con la proteómica en los últimos años ha conducido al desarrollo de nanoproteomics , que proporcionan una plataforma analítica robusta para tiempo real y la detección sensible de proteínas de bajo - abundande . Un número de nanotechniques han utilizado últimamente para diversas aplicaciones tales como el descubrimiento de biomarcadores , la detección de proteínas libre de marca , el estudio de las interacciones de proteínas y la impresión de microarrays de proteínas . Entre todos los nanomateriales , puntos cuánticos , nanopartículas de oro y nanotubos de carbono han demostrado potencial para superar los retos de la sensibilidad que enfrenta la proteómica convencionales para la detección de biomarcadores. Sin embargo , todavía son necesarios muchos esfuerzos para explorar la toxicidad y biocompatibilidad de nanotechniques para garantizar su seguridad para aplicaciones biológicas .
[EN] `When nature finishes producing its own species, man begins using natural things in harmony with this very nature to create an infinity of species` Jean-Marie Lehn used these words from Leonardo da Vinci to offer his views on the future prospects of supramolecular chemistry . Supramolecular chemistry investigates the principles of nature to produce extraordinary complexes and functional molecular bonds, potentially useful as sensors, catalysts, transportation and other applications in medicine and engineering . Starting with the discovery of the double helix structure of DNA, Biology has grown from being a purely descriptive and phenomenological discipline to a molecular science. All these revolutionary developments have led to merge Biotechnology and Materials Science, giving the undoubted advantage of using biological components to generate new design materials and, conversely, applying these advanced materials and new physicochemical techniques to solve biological problems. In order to exploit and use all concepts involved in natural systems at the nanoscale, development of Nanoscience and Nanochemistry is crucial. Nanoscience is the science that deals with the analysis and manipulation of materials at atomic or molecular level, where features or physical or chemical properties differ significantly from those presented on a larger scale. In this sense, a nanomaterial is defined as a material consisting of a substance or structure having at least one dimension less than 100 nm. These structures have novel properties and a different behavior from the one exhibited by the bulk material of the same composition. Inorganic Nanoparticles are particularly attractive as building blocks for the construction of large superstructures and can be easily prepared from various materials. They have interesting optical, electronic and catalytic properties, which strongly depend on the particle size. During the last twenty years there has been a growing interest in manufacturing inorganic hybrid materials between nanoparticles and biomolecules. As nanoparticles and biomolecules are in a similar scale length, it seems logical that the combination of biomolecules with nanomaterials could lead to some interesting imitation tools of biomolecules, demonstrating the mechanisms of biological processes . At present, it is easy to control and modify the properties of the nanostructures to achieve their integration with biological systems, for example controlling their size or modifying their surface layer to increase their aqueous solubility or biocompatibility. Nanotechnology is defined then as the understanding and control of matter at the nanoscale, at dimensions between approximately 1 and 100 nanometers, where unique phenomena enable novel applications. It is not just a new field of science and engineering, but a new way of looking at and studying. The first practical applications of Nanotechnology were to advances in Communications, Engineering, Physics, Chemistry, Biology, Robotics and Medicine. Nanotechnology in Medicine has been used, and is being used, for the delivery of drugs and developing treatments for a variety of diseases and disorders. The increase in the production of nanomaterials is correlated with subsequent advances in these disciplines. Nanoparticles are used, or being evaluated for use, in many fields, being one of them the field of Proteomics. Nanotechnology in Proteomics has emerged as a promising technological platform for the challenging tasks of studying complex proteomes. Moreover, nanoparticles are a new generation of sensors playing an important role in biomarker discovery. Biomarkers based on interactions with DNA form an important group in the study of, and advances in, the field of cancer and other diseases, and also in the development of treatments with different drugs. Among them, those with fluorescence characteristics are very promising, such that methods aimed at developing them and perfecting them are currently of extraordinary interest. One important field for the use of biomarkers in studies addressing anti-cancer compounds has been opened by the advent of new fluorophores called Quantum dots (QDs). QDs are semiconductor nanocrystals with a size of between 1 and 10 nanometers that are formed by elements of groups II-VI or III-V of the periodic table and that are able to surpass the limits of organic dyes. Their main advantages in this field are as follows: the QD emission spectrum can be modified over a broad range by changing the size and composition of the core, which makes them highly amenable to biological detection. Their broad excitation and narrow emission spectra help to prevent spectral overlapping, thus increasing the possibility of distinguishing multiple fluorophores simultaneously. They also facilitate the use of a single excitation wavelength for QDs of different colours. These properties afford them an advantage over organic dyes, which have narrow excitation and broad emission spectra. The most important aspect to be considered, however, is their capacity for bioconjugation, allowing them to bind to proteins and other biomolecules containing primary amines and carboxylic acid as functional groups, as well as many other substances.There is a broad field of enquiry with many perspectives for the future in the study of QDs for biological applications. Although important advances have been made in certain aspects, there are many weak points as regards the procedures used for the synthesis of these nanoparticles, and their behaviour in different media must also receive more concerted attention. The QDs most widely used as biomarkers, such as CdS, are in most cases synthesized in organic phase, using high-boiling point solvents. The synthesis procedures in aqueous medium are an attractive alternative to the synthesis of QDs in organic medium and are now an active area of interest. Aqueous synthesis shows good reproducibility, low toxicity, low cost and, in particular, the products prepared in aqueous medium have excellent water solubility, stability and biological compatibility. The need to shed more light on the study of their structure and chemical behaviour is crucial if we are to optimize the bioconjugation processes involved, being one of the objectives of this work. Gold nanoparticles (AuNPs) have recently emerged as an attractive candidate for delivery of small drug molecules or large biomolecules (proteins, DNA or RNA) into their targets . Their chemical and physical properties have been exploited for transporting and unloading pharmaceuticals and in photothermal therapeutic contexts. The gold core is inert, non-toxic and biocompatible. They can be easily synthesized in a monodisperse way and core sizes ranging from 1 nm to 150 nm. They have strong and tunable optical absorption. They are easy to modify to endow them with different functionalities, generally through thiol linkages, binding a wide range of organic molecules. Additionally, AuNPs have unique optical properties, such as the characteristic excitation bands in the visible region, owing to the surface plasmon resonance. This property allows the use of AuNPs in many medical, biological and pharmaceutical applications. Currently, AuNPs are attractive candidates for the delivery of a useful load to a particular target site. These useful loads range from being small drug molecules to large biomolecules, such as proteins, DNA and RNA. The efficient release of these therapeutic agents at the appropriate site is a prerequisite for effective therapy and is the basis of directed therapies, mainly in the most advanced fields of medicine. This thesis is divided into three parts. The aim of chapter one is to develop a new process for the preparation of Quantum dots in aqueous medium, in the presence of mercaptoacetic acid (MAA) as a capping reagent, under normal pressure and room temperature. The influence of several experimental variables, including temperature, pH, the Cd/S ratio and the Cd/MAA ratio, on the optical properties of the QDs obtained was studied systematically. The experimental results indicate that these variables play an important role in determining the size and state of the surface of the nanoparticles, and hence their luminescent properties and temporal stability. Aspects like nanocrystal nucleation and growth during the synthesis are important to achieve the best conditions for the synthesis of high quality nanoparticles. A deep study of the physical properties of the nanoparticles and their behavior in solution under different conditions will facilitate their use as biomarkers and in other applications of analytical interest. Chapter two explores the potencial cytotoxic activity of Bile-acid cisplatin derivatives like bisursodeoxycholate(ethylenediamine)platinum(II), PtU2, when conjugated with gold nanoparticles. These derivatives have potential cytotoxic activity and reduced toxicity, owing to their lower lability and their amphipathic character, making them a suitable alternative for CDDP, as anti-tumoral drugs. We analyzed the intracellular delivery ability of these compounds after conjugation with 20-nm gold nanoparticles (PtU2-AuNPs) in the MG63 (osteosarcoma) cell line, a model for one of the most untreatable and painful malignant tumors whose standard treatment requires radical surgery and neoadjuvant therapy. Chapter three is a review about the state of the art of nanoparticles in Proteomics. Protein microarrays are a platform for parallel and simultaneous analysis of protein-protein interactions and protein profiling. Together with the advances in microarray technologies, increasingly sensitive and reliable detection methodologies are being currently developed. Such protein detection systems have progressively undergone a relevant transition from label-based to more sensitive label-free technologies, which are extremely useful to study the interactome and functions of large amounts of proteins on demand. Overall, label-based systems are mainly focused on the use of specific tags for target molecules as conventional fluorescent dyes and radioisotopes, among others. More recently, other substances are being proposed, including inorganic quantum dots (QDs), gold nanoparticles (NPs), Raman dye-labeled carbon nanotubes or silica NPs. On the other hand, label-free detection techniques include surface plasmon resonance (SPR), carbon nanotubes, cantilever, etc. The successful coupling of nanotechnology with proteomics over the last few years has led to the development of nanoproteomics, which provide a robust analytical platform for real-time and sensitive detection of low-abundande proteins. A number of nanotechniques have been lately used for diverse applications such as biomarker discovery, label-free protein detection, study of protein interactions and printing of protein microarrays. Among all nanomaterials, Quantum dots, gold nanoparticles and carbon nanotubes have demonstrated potential to overcome the challenges of sensitivity faced by conventional proteomics for biomarker detection. However, many efforts are still required to explore the toxicity and biocompatibility of nanotechniques to ensure their safety for biological applications.
URI : http://hdl.handle.net/10366/123068
Aparece en las colecciones: DQANB. Tesis del Departamento de Química Analítica, Nutrición y Bromatología
TD. Ciencias experimentales

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