Research lines in Hyperthermia at the Bioinstrumentation Laboratory of the Centre for Biomedical Technology

The Bioinstrumentation Laboratory belongs to the Centre for Biomedical Technology (CTB) of the Technical University of Madrid and its main objective is to provide the scientific community with devices and techniques for the characterization of micro and nanostructures and consequently finding their best biomedical applications. Hyperthermia (greek word for “overheating”) is defined as the phenomenon that occurs when a body is exposed to an energy generating source that can produce a rise in temperature (42-45ºC) for a given time [1]. Specifically, the aim of the hyperthermia methods used in The Bioinstrumentation Laboratory is the development of thermal therapies, some of these using different kinds of nanoparticles, to kill cancer cells and reduce the damage on healthy tissues. The optical hyperthermia is based on noble metal nanoparticles and laser irradiation. This kind of nanoparticles has an immense potential associated to the development of therapies for cancer on account of their Surface Plasmon Resonance (SPR) enhanced light scattering and absorption. In a short period of time, the absorbed light is converted into localized heat, so we can take advantage of these characteristics to heat up tumor cells in order to obtain the cellular death [2]. In this case, the laboratory has an optical hyperthermia device based on a continuous wave laser used to kill glioblastoma cell lines (1321N1) in the presence of gold nanorods (Figure 1a). The wavelength of the laser light is 808 nm because the penetration of the light in the tissue is deeper in the Near Infrared Region. The first optical hyperthermia results show that the laser irradiation produces cellular death in the experimental samples of glioblastoma cell lines using gold nanorods but is not able to decrease the cellular viability of cancer cells in samples without the suitable nanorods (Figure 1b) [3]. The generation of magnetic hyperthermia is performed through changes of the magnetic induction in magnetic nanoparticles (MNPs) that are embedded in viscous medium. The Figure 2 shows a schematic design of the AC induction hyperthermia device in magnetic fluids. The equipment has been manufactured at The Bioinstrumentation Laboratory. The first block implies two steps: the signal selection with frequency manipulation option from 9 KHz to 2MHz, and a linear output up to 1500W. The second block is where magnetic field is generated ( 5mm, 10 turns). Finally, the third block is a software control where the user can establish initial parameters, and also shows the temperature response of MNPs due to the magnetic field applied [4-8]. The Bioinstrumentation Laboratory in collaboration with the Mexican company MRI-DT have recently implemented a new research line on Nuclear Magnetic Resonance Hyperthermia, which is sustained on the patent US 7,423,429B2 owned by this company. This investigation is based on the use of clinical MRI equipment not only for diagnosis but for therapy [9]. This idea consists of two main facts: Magnetic Resonance Imaging can cause focal heating [10], and the differentiation in resonant frequency between healthy and cancer cells [11]. To produce only heating in cancer cells when the whole body is irradiated, it is necessary to determine the specific resonant frequency of the target, using the information contained in the spectra of the area of interest. Then, special RF pulse sequence is applied to produce fast excitation and relaxation mechanism that generates temperature increase of the tumor, causing cellular death or metabolism malfunction that stops cellular division

Contribución al estudio de sistemas de hipertermia óptica y su aplicación en muestras biológicas

Las nanopartículas de metales nobles (especialmente las de oro) tienen un gran potencial asociado al desarrollo de sistemas de terapia contra el cáncer debido principalmente a sus propiedades ópticas, ya que cuando son irradiadas con un haz de luz sintonizado en longitud de onda con su máximo de Resonancia de Plasmón Superficial, absorben de manera muy eficiente dicha luz y la disipan rápidamente al medio en forma de calor localizado. Esta característica por tanto, puede ser aprovechada para conseguir elevar la temperatura de células tumorales hasta sobrepasar umbrales a partir de los cuales se produciría la muerte celular. Partiendo de estos principios, esta tesis se centra en el desarrollo y la caracterización de una serie de prototipos de hipertermia óptica basados en la irradiación de nanopartículas de oro con un haz de luz adecuado, así como en la aplicación in vitro de la terapia sobre células cancerígenas. Además, el trabajo se orienta a identificar y comprender los procesos mecánicos y térmicos asociados a este tipo de hipertermia, y a desarrollar modelos que los describan, estudiando y planteando nuevas formas de irradiación, para, en última instancia, poder optimizar los procesos descritos y hacerlos más efectivos. Los resultados obtenidos indican que, el uso de nanopartículas de oro, y más concretamente de nanorods de oro, para llevar a cabo terapias de hipertermia óptica, permite desarrollar terapias muy efectivas para inducir muerte en células cancerígenas, especialmente en tumores superficiales, o como complemento quirúrgico en tumores internos. Sin embargo, los efectos de la toxicidad de las nanopartículas de oro, aún deben ser detalladamente estudiados, ya que este tipo de terapias sólo será viable si se consigue una completa biocompatibilidad. Por otro lado, el estudio exhaustivo de los procesos térmicos que tienen lugar durante la irradiación de las nanopartículas ha dado lugar a una serie de modelos que permiten determinar la efectividad fototérmica de las nanopartículas y además, visualizar la evolución de la temperatura tanto a escala nanométrica como a escala macrométrica, en función de los parámetros ópticos y térmicos del sistema. El planteamiento de nuevas formas de irradiación y el desarrollo de dispositivos orientados a estudiar los fenómenos mecánicos que tienen lugar durante la irradiación pulsada de baja frecuencia y baja potencia de nanopartículas de oro, ha dado lugar a la detección de ondas de presión asociadas a procesos de expansión termoelástica, abriendo la puerta al desarrollo de terapias de hipertermia que combinen la muerte celular producida por calentamiento con la muerte derivada de los fenómenos mecánicos descritos.VII Noble metal nanoparticles (especially gold ones), have a huge potential in the development of therapy systems against cancer mainly due to their optical properties, so that, when these particles are irradiated with a light that is syntonized in wavelength with their maximum of Surface Plasmon Resonance, they effectively absorb and dissipate the light to the surrounding medium as localized heat. We can take advantage of this characteristic for rising the temperature of cancer cells above the threshold at which cellular death would occur. From these principles, this thesis is oriented to the development and characterization of a series of optical hyperthermia prototypes based on the irradiation of gold nanoparticles using the suitable light, and on the in vitro application of this therapy over cancer cells, to understand the mechanical and thermal processes associated with this kind of hyperthermia, developing descriptive models, and to study and to approach new ways of irradiation in order to, ultimately, optimize the described processes and make them more effective. The obtained results show that, the use of gold nanoparticles, and more specifically, of gold nanorods, to carry out optical hyperthermia therapies, allows the development of very effective therapies in order to induce death in VIII cancer cells, especially in superficial tumors, or like surgical complement in more internal tumors. However, the toxicity effects of the gold nanoparticles still need to be studied more detail, because this kind of therapies will be feasible only if a complete biocompatibility is achieved. On the other hand, the exhaustive study of the thermal processes that take place during the irradiation of the nanoparticles resulted in a series of models that allow the determination of the photothermal efficiency of the nanoparticles and also the visualization of the temperature evolution, both at nanoscale and at macroscale, as a function of the optical and thermal parameters of the system. The proposal of new ways of irradiation and the development of devices oriented to study the mechanical effects that take place during the low frequency and low power pulsing irradiation of gold nanoparticles has led to the detection of pressure waves associated to thermoelastic expansion processes, opening the door to the development of hyperthermia therapies that combine the cellular death due to the heating with the death derived from the described mechanical phenomena.

Chaperonas moleculares y tolerancia a estrés abiótico en especies arbóreas

Las temperaturas extremas, la sequía y otros estreses abióticos limitan la producción forestal de forma significativa, causando grandes pérdidas económicas en el sector. Los árboles, al ser organismos sésiles, han desarrollado una serie de estrategias para percibir dichos factores, activando respuestas defensivas apropiadas. Entre ellas ocupa un lugar preeminente la síntesis de proteínas con actividad chaperona molecular. Las chaperonas moleculares interaccionan con proteínas desnaturalizadas total o parcialmente, promoviendo su correcto plegamiento y ensamblaje. Las chaperonas moleculares que se sintetizan de forma predominante en plantas, pero no en otros eucariotas, pertenecen a la familia sHSP (small heat-shock proteins). Se trata de una familia inusualmente compleja y heterogénea, cuyos miembros son de pequeño tamaño (16-42 kD) y poseen un dominio “alfa-cristalina” muy conservado. Estas proteínas están implicadas en protección frente a estrés abiótico mediante la estabilización de proteínas y membranas, si bien su mecanismo de acción se conoce de forma incompleta. A pesar del evidente potencial aplicado de las proteínas sHSP, son muy escasos los estudios realizados hasta el momento con un enfoque netamente biotecnológico. Por otra parte, casi todos ellos se han llevado a cabo en especies herbáceas de interés agronómico o en especies modelo, como Arabidopsis thaliana. De ahí que las sHSP de arbóreas hayan sido mucho menos caracterizadas estructural y funcionalmente, y ello a pesar del interés económico y ecológico de los árboles y de su prolongada exposición vital a múltiples factores estresantes. La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio de sHSP de varias especies arbóreas de interés económico. El escrutinio exhaustivo de genotecas de cDNA de órganos vegetativos nos ha permitido identificar y caracterizar los componentes mayoritarios de tallo en dos especies productoras de madera noble: nogal y cerezo. También hemos caracterizado la familia completa en chopo, a partir de su secuencia genómica completa. Mediante expresión heteróloga en bacterias, hemos analizado el efecto protector de estas proteínas in vivo frente a distintos tipos de estrés abiótico, relevantes para el sector productivo. Los resultados demuestran que las proteínas sHSP-CI: (i) aumentan la viabilidad celular de E.coli frente a casi todos estos factores, aplicados de forma individual o combinada; (ii) ejercen un rol estabilizador de las membranas celulares frente a condiciones adversas; (iii) sirven para mejorar la producción de otras proteínas recombinantes de interés comercial. El efecto protector de las proteínas sHSP-CI también ha sido analizado in planta, mediante la expresión ectópica de CsHSP17.5-CI en chopos. En condiciones normales de crecimiento no se han observado diferencias fenotípicas entre las líneas transgénicas y los controles, lo que demuestra que se pueden sobre-expresar estas proteínas sin efectos pleiotrópicos deletéreos. En condiciones de estrés térmico, por el contrario, los chopos transgénicos mostraron menos daños y un mejor crecimiento neto. En línea con lo anterior, las actividades biológicas de varias enzimas resultaron más protegidas frente a la inactivación por calor, corroborando la actividad chaperona propuesta para la familia sHSP y su conexión con la tolerancia al estrés abiótico. En lo que respecta a la multiplicación y propagación de chopo in vitro, una forma de cultivo que comporta estrés para las plantas, todas las líneas transgénicas se comportaron mejor que los controles en términos de producción de biomasa (callos) y regeneración de brotes, incluso en ausencia de estrés térmico. También se comportaron mejor durante su cultivo ex vitro. Estos resultados tienen gran potencial aplicado, dada la recalcitrancia de muchas especies vegetales de interés económico a la micropropagación y a la manipulación in vitro en general. Los resultados derivados de esta Tesis, aparte de aportar datos nuevos sobre el efecto protector de las proteínas sHSP citosólicas mayoritarias (clase CI), demuestran por vez primera que la termotolerancia de los árboles puede ser manipulada racionalmente, incrementando los niveles de sHSP mediante técnicas de ingeniería genética. Su interés aplicado es evidente, especialmente en un escenario de calentamiento global. ABSTRACT Abiotic stress produces considerable economic losses in the forest sector, with extreme temperature and drought being amongst the most relevant factors. As sessile organisms, plants have acquired molecular strategies to detect and recognize stressful factors and activate appropriate responses. A wealth of evidence has correlated such responses with the massive induction of proteins belonging to the molecular chaperone family. Molecular chaperones are proteins which interact with incorrectly folded proteins to help them refold to their native state. In contrast to other eukaryotes, the most prominent stress-induced molecular chaperones of plants belong to the sHSP (small Heat Shock Protein) family. sHSPs are a widespread and diverse class of molecular chaperones that range in size from 16 to 42k Da, and whose members have a highly conserved “alpha-crystallin” domain. sHSP proteins play an important role in abiotic stress tolerance, membrane stabilization and developmental processes. Yet, their mechanism of action remains largely unknown. Despite the applied potential of these proteins, only a few studies have addressed so far the biotechnological implications of this protein family. Most studies have focused on herbaceous species of agronomic interest or on model species such as Arabidopsis thaliana. Hence, sHSP are poorly characterized in long-lived woody species, despite their economic and ecological relevance. This Thesis studies sHSPs from several woody species of economic interest. The most prominent components, namely cytosolic class I sHSPs, have been identified and characterized, either by cDNA library screening (walnut, cherry) or by searching the complete genomic sequence (poplar). Through heterologous bacterial expression, we analyzed the in vivo protective effects of selected components against abiotic stress. Our results demonstrate that sHSP-CI proteins: (i) protect E. coli cells against different stressful conditions, alone or combined; (ii) stabilize cell membranes; (iii) improve the production of other recombinant proteins with commercial interest. The effects of CsHSP17.5-CI overexpression have also been studied in hybrid poplar. Interestingly, the accumulation of this protein does not have any appreciable phenotypic effects under normal growth conditions. However, the transgenic poplar lines showed enhanced net growth and reduced injury under heat-stress conditions compared to vector controls. Biochemical analysis of leaf extracts revealed that important enzyme activities were more protected in such lines against heat-induced inactivation than in control lines, lending further support to the chaperone mode of action proposed for the sHSP family. All transgenic lines showed improved in vitro and ex vitro performance (calli biomass, bud induction, shoot regeneration) compared to controls, even in the absence of thermal stress. Besides providing new insights on the protective role of HSP-CI proteins, our results bolster the notion that heat stress tolerance can be readily manipulated in trees through genetic engineering. The applied value of these results is evident, especially under a global warming scenario.

Arquitectura judicial en Aragón en la última centuria

La arquitectura judicial puede considerarse como la manifestación construida de uno de los aspectos fundamentales que definen una cultura, periodo histórico, o ámbito geográfico, que es la administración de justicia en cada sociedad. La Ley y el Derecho requieren unos ámbitos espaciales singulares en los que desarrollar los procesos que culminan con el acto judicial, el contraste de versiones e investigaciones que tienen como objetivo la búsqueda de la verdad por encima de todo. La arquitectura se configura como el escenario en el que tiene lugar el juicio, y ha de contribuir en este noble cometido. El conocimiento de la arquitectura judicial requiere -en primera instancia- un análisis arquitectónico, pero además esta visión se puede y se tiene que enriquecer con los enfoques que la propia práctica jurídica ha de aportar, y que en gran medida condicionan su creación y proyecto, en todo lo relativo a funcionalidad y simbología. Sin olvidar que nuestra formación es fundamentalmente arquitectónica, cabe plantear que el área de conocimiento a la que va dirigida esta investigación también se abre en diversas vías, que parten de la confluencia de aspectos legales, arquitectónicos, urbanos, y simbológicos. Además, todos estos aspectos son planteados en relación con las particularidades de una región concreta, Aragón, donde la ley ha tenido sus propias manifestaciones y códigos, donde la arquitectura y la ciudad se han contextualizado en un lugar concreto, y donde la simbología ha tenido su manera particular de transmitirse. Respecto a los objetivos que esta tesis plantea, podemos plantear en un primer estadio el análisis del carácter de la arquitectura judicial, como concepto y expresión amplia que manifiesta la función del edificio y su traducción en una simbología propia, y que queda vinculado, por lo tanto, a la funcionalidad de los procedimientos que en él tienen lugar y a la solemnidad alegórica de la Justicia. Para llevar a cabo este estudio se pretende establecer una metodología de estudio propia, que surge de considerar como valores formativos del tipo de arquitectura judicial a la tríada de valores urbanos, funcionales, y simbólicos. En primer lugar se evaluará la repercusión urbana de la arquitectura judicial, conforme a su consideración de equipamiento publico representativo de una sociedad. Se analizará, por lo tanto, si se dan posiciones urbanas concretas o arbitrarias, y si éstas se pueden tratar como una constante histórica. En segundo lugar, la especificidad y delicadeza de los usos que alberga llevan consigo planteamientos funcionales absolutamente complejos y específicos. Se considera que merece la pena analizarlos para evaluar si son propios de este tipo de arquitectura, así como su posible origen e implicación en la construcción del espacio judicial. En tercer lugar, se analizarán los edificios judiciales desde su consideración de soporte de una gran cantidad de materializaciones de simbológicas, no sólo desde un punto de vista iconográfico, sino además vinculadas a los procesos y ordenamientos judiciales, que se traducen en la construcción de espacios con una fuerte carga simbólica y escenográfica. En un segundo estadio se analiza la validez de la aplicación de dichos valores en el estudio de una serie de casos concretos de la arquitectura judicial en el territorio de Aragón en el siglo XX. Se buscará con ello la posibilidad de establecer variantes geográficas y temporales al tipo propias de esta comunidad, con unas particularidades forales que pueden dar lugar a ellas, así como posibles líneas evolutivas, o por el contrario, la imposibilidad de establecer pautas y relaciones a partir del análisis de los casos concretos y su valoración global. ABSTRACT Judicial architecture can be seen as the built manifestation of one of the key aspects that define a culture, a historical period, or a geographic scope, which is the administration of justice in every society. Law requires specific spaces to develop its own proceedings, that culminate with the judicial act. It is the contrast of versions and investigations that have an objective, the search for the truth. Architecture is configured as the stage in which the trial takes place, and has to contribute to this noble task. The knowledge of the judicial architecture requires -in the first instance - an architectural analysis, but in addition this vision can be enriched by some questions from the legal practice. They determine project decissions, specially functional and symbologycal aspects. Our main visión of the theme is architectural, but this research is also opened in many ways, that com from the confluence of legal, architectural, urban, and simbologic aspects In addition, all these questios are considered in relation to the peculiarities of a specific region, Aragon, where the law has its own manifestations and codes, where the architecture and the city have been contextualized in a particular way, and where the symbology has its particular way to be transmitted. About the objectives that this thesis purposes, we can suggest in a first stage the analysis of the character of the judicial architecture, as a concept that expresses the function of a building, and its translation into a particular symbology, allegorical to the solemnity of the Justice. To carry out the investigation proccess is neccesary to define a new methodology. It comes form considering the formative values of the judicial architecture, developed on the triad of urban, functional, and symbolic, values. Firstly, we analyse the urban aspects of judicial architecture, according to its consideration as a main public equipment of a society. Therefore we can search for specific or arbitrary urban locations of the courts, and if they can be considered as historic constants. Secondly, we analyse the specificity an complexity of the judicial uses, their possible origin, and involvement in the construction of judicial space. Thirdly, we analyse the court as scenographic stage, that support lots of symbolic elements and aspects linked to legal system. The second stage applies the values methodology on judicial architecture in Aragon in the twentieth century, with the possibility of establishing geographical and temporal variants os the court type in this community, or on the contrary, the inability to establish patterns and relationships from the analysis of specific cases and their overall rating.