Aplicaciones biomédicas de las nanoparticulas magneticas

Los nanomateriales han adquirido recientemente un gran interés debido a la gran con el diagnóstico como con la terapia de enfermedades muy variadas. Dentro de los nanomateriales utilizados en biomedicina, concretamente las nanopartículas magnéticas (NPMs) muestran un interés especial por las como agente de contraste en imagen de resonancia magnética (RM) y por tanto ser de gran utilidad en el diagnóstico de diferentes patologías. Otra de las aplicaciones potenciales de las NPMs en biomedicina se encuentra en el ámbito de la terapia, por ejemplo, la destrucción de tumores mediante hipertermia al aprovecharse la capacidad que poseen las partículas para producir calor en respuesta a la aplicación de campos magnéticos externos.

Biostimulation methods associated with early weaning and reproductive rhythms in primiparous rabbit does

El objetivo general de esta Tesis Doctoral ha sido tratar de mejorar los parámetros reproductivos de las conejas primíparas lactantes, empleando dos métodos de manejo (destete temprano y extensificación del ritmo reproductivo), que están directamente relacionados con su balance energético. Para ello, se diseñaron 2 experimentos en este tipo de hembras. En el primero, se estudió el efecto del destete a 25 días post-parto (dpp) sobre la actividad ovárica y el metabolismo energético de las conejas una semana más tarde (32 dpp). Un total de 34 primíparas lactantes con 8 gazapos fueron distribuidas en tres grupos: 10 conejas se sacrificaron a los 25 dpp (grupo L25), 13 fueron destetadas a los 25 dpp y sacrificadas a los 32 dpp (grupo NL32), y 11 conejas no se destetaron y fueron sacrificadas a los 32 dpp (grupo L32). No se observaron diferencias significativas entre grupos en el peso corporal, el peso del ovario, ni en las concentraciones séricas de ácidos grasos no esterificados y de proteínas totales. A pesar de que el grupo NL32 presentó un bajo consumo de alimento (122 ± 23,5 g / día, p <0,001), su contenido corporal estimado de lípidos (16,9 ± 1,09%, P <0,008), proteínas (19,7 ± 0,07%, P <0,0001), y energía (1147 ± 42,7 MJ / kg, p <0,006) fueron más elevados y las concentraciones séricas de glucosa (158 ± 24,5 mg/dl, p <0,04) más bajas que en los grupos L25 (11,9 ± 1,3%, 18,5 ± 0,08%, 942 ± 51,3 MJ/kg y 212 ± 27,9 mg/dl) y L32 (13,4 ± 1,03%, 18,5 ± 0,1%, 993 ± 40,4 MJ/kg y 259 ± 29,5 mg/dl), respectivamente. En el grupo L25 se observó un menor número medio de folículos ≥ 1 mm en la superficie ovárica en comparación con los grupos NL32 y L32 (12,7 ± 1,5 vs. 18,0 ± 1,45 y 17,6 ± 1,67, p <0,05). La población folicular ovárica en las secciones histológicas y la inmunolocalización de los receptores de prolactina fueron similares en todos los grupos. En el grupo L25, tanto la maduración nuclear de oocitos, medida en términos de tasas alcanzadas de Metafase II (67,0 vs. 79,7 y 78,3%, P <0.05) y la maduración citoplasmática, medida por el porcentaje de gránulos corticales (GC) total o parcialmente migrados en los oocitos, fueron significativamente menores que en los grupos NL32 y L32 (16,0 vs 38,3 y 60,0%, P <0.05). En conclusión, a pesar de que el destete precoz a 25 dpp pareció mejorar las reservas de energía de las conejas primíparas, este hecho no se reflejó claramente a nivel ovárico a los 32 dpp y fue similar independientemente del destete, por lo que éste último podría llevarse a cabo más tarde. En el segundo experimento, se compararon dos ritmos reproductivos. Se utilizaron un total de 48 conejas primíparas lactantes con 8 gazapos que se asignaron al azar en dos grupos experimentales: a) lactantes sacrificadas a comienzos del post-parto (11 dpp) de acuerdo a un ritmo semi-intensivo (n = 24), y b) lactantes sacrificadas al final del período post-parto (25 dpp) de acuerdo con un ritmo más extensivo (n = 24). En ellas, se estudió el peso vivo, la composición corporal estimada, parámetros metabólicos y endocrinos (estradiol y progesterona) y características ováricas como la población folicular y la tasa de atresia, así como la maduración nuclear y citoplásmica de los oocitos. En este estudio, el peso vivo, el contenido de energía corporal, los depósitos grasos y los ácidos grasos no esterificados disminuyeron a lo largo del post-parto con respecto al momento del parto (P <0,05). Las concentraciones séricas de proteínas y glucosa aumentaron en el mismo periodo post-parto (P <0,05). Se observaron similares niveles de estradiol y progesterona en ambos ritmos, así como una población folicular, tasas de maduración nuclear (tasa de oocitos en metafase II) y citoplasmática (porcentaje de oocitos con gránulos corticales migrados), similares en ambos momentos del post-parto. Sin embargo, el número de folículos preovulatorios en la superficie ovárica fue menor (P <0,05) y la tasa de atresia tendió a ser mayor con un porcentaje también menor de folículos sanos (P <0,1) en los ovarios de las hembras sometidas al ritmo extensivo. En conclusión, al final del post-parto (25 días), las conejas primíparas sin destetar muestran un deterioro de sus reservas corporales, de sus parámetros metabólicos séricos y de la calidad de sus oocitos; incluso se ha observado una ligera influencia negativa en el desarrollo de sus folículos ováricos. Por esta razón, se considera que en las conejas primíparas lactantes el manejo reproductivo extensivo (25 dpp) no presenta ninguna ventaja en comparación con el semi-intensivo (11 dpp). A la vista de los resultados de estos dos experimentos, podemos decir que ni el destete temprano, ni la extensificación del ritmo reproductivo han conseguido una mejora en los parámetros reproductivos de una hembra primípara. Por ello, son necesarios más estudios sobre el estado metabólico de la coneja primípara lactante para conseguir métodos o estrategias que lo mejoren y tengan consecuencias directas sobre la actividad reproductiva y sobre su éxito productivo. The general aim of this Thesis was to study two management methods (early weaning and extensive reproductive rhythm) linked to the energy balance of the primiparous rabbit does to improve their reproductive performance. In this sense, 2 experiments were conducted using this kind of females. In the first experiment, the effect of weaning at 25 days post-partum (dpp) on ovarian activity and energetic metabolism one week later (32 dpp) was studied. A total of 34 primiparous lactating rabbit does were used and distributed among three groups: 10 does euthanized at 25 dpp (group L25), 13 does weaned at 25 dpp and euthanized at 32 dpp (group NL32), and 11 non weaned does euthanized at 32 dpp (group L32). No significant differences were observed in live body weight, ovary weight, serum non esterified fatty acids (NEFA) and total protein concentration among groups. Although NL32 does had a low feed intake (122±23.5 g/Day; P < 0.001), their estimated lipids (16.9±1.09%, P < 0.008), protein (19.7±0.07%, P < 0.0001), and energy (1147±42.7 MJ/kg, P < 0.006) body contents were higher and their serum glucose concentrations (158±24.5 mg/dl, P < 0.04) were lower compared to L25 does (11.9±1.3%, 18.5±0.08%, 942±51.3 MJ/kg and 212±27.9 mg/dl) and L32 does (13.4±1.03%, 18.5±0.1%, 993±40.4 MJ/kg and 259±29.5 mg/dl, respectively). A lower number of follicles ≥1mm was observed compared to NL32 and L32 groups (12.7±1.5 vs. 18.0±1.45 and 17.6 ±1.67; P < 0.05) in the ovarian surface of L25 does. Follicular population in the histological ovarian sections and immunolocalization of prolactin receptor were similar in all groups. In group L25, both nuclear maturation of oocytes in terms of Metaphase II rate (67.0 vs. 79.7 and 78.3%; P < 0.05) and cytoplasmic maturation measured by percentage of cortical granules (CG), totally or partially migrated in oocytes were significantly lower than in groups NL32 and L32 (16.0 vs. 38.3 and 60.0%; P < 0.05). Consequently, a higher rate of oocytes with non-migrated CGs was found in group L25 than in groups NL32 and L32 (76.0 vs. 46.8 and 33.3%; P < 0.05). In conclusion, even though early weaning at 25 dpp seemed to improve body energy stored in primiparous does, this fact was not well reflected on the ovarian status at 32 dpp, which was similar regardless of weaning time. In the second experiment, two reproductive rhythms were compared. A total of 48 primiparous Californian x New Zealand White rabbit does suckling 8 kits were randomly allocated in two experimental groups: a) lactating does euthanized at early post-partum period (11 dpp) according to a semi-intensive rhythm (n = 24), and b) lactating does euthanized on later post-partum period (25 dpp) according to a more extensive rhythm (n = 24). Live weight, estimated body composition, serum metabolic and endocrine parameters (oestradiol and progesterone concentrations) and ovarian features like follicle population and atresia rate, and oocyte maturation were studied. Live weight, body energy content, lipid depots and serum non esterified fatty acids (NEFA) concentrations diminished from parturition time to post-partum period (P < 0.05). In addition, serum protein and glucose concentrations increased along postpartum time (P < 0.05). Similar oestradiol and progesterone levels were shown in rhythms as well as similar follicle population and nuclear and cytoplasmic maturation rates measured as metaphase II and cortical granule migration, respectively in both postpartum times. However, number of preovulatory follicles on the ovarian surface was lower (P < 0.05) and atresia rate tended to be higher with also lower percentage of healthy follicles (P < 0.1) in ovaries of females of extensive group. In conclusion, primiparous non-weaned rabbits does at late post-partum time (25 days), Did no show any improvement regarding body reserves, serum metabolic parameters and oocyte quality; even a slight negative influence has been observed in the development of their ovarian follicles. Thus this reproductive management does not present any advantage compared to earlier post-partum (11 days) reproductive rhythm. In summary, according to the obtained results from these two experiments, we can say that the application of early weaning and the extensive rhythms did not achieve an improvement in the reproductive performance of primiparous does. Thus, it is necessary to conduct more studies about the metabolic status of the primiparous lactating doe to achieve strategies in order to improve it and consequently, to improve the reproductive activity and their productive success.

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.

Sistema para integrar automáticamente datos públicos del NCBI en la plataforma de medicina personalizada p-medicine

En los últimos años ha habido un gran aumento de fuentes de datos biomédicos. La aparición de nuevas técnicas de extracción de datos genómicos y generación de bases de datos que contienen esta información ha creado la necesidad de guardarla para poder acceder a ella y trabajar con los datos que esta contiene. La información contenida en las investigaciones del campo biomédico se guarda en bases de datos. Esto se debe a que las bases de datos permiten almacenar y manejar datos de una manera simple y rápida. Dentro de las bases de datos existen una gran variedad de formatos, como pueden ser bases de datos en Excel, CSV o RDF entre otros. Actualmente, estas investigaciones se basan en el análisis de datos, para a partir de ellos, buscar correlaciones que permitan inferir, por ejemplo, tratamientos nuevos o terapias más efectivas para una determinada enfermedad o dolencia. El volumen de datos que se maneja en ellas es muy grande y dispar, lo que hace que sea necesario el desarrollo de métodos automáticos de integración y homogeneización de los datos heterogéneos. El proyecto europeo p-medicine (FP7-ICT-2009-270089) tiene como objetivo asistir a los investigadores médicos, en este caso de investigaciones relacionadas con el cáncer, proveyéndoles con nuevas herramientas para el manejo de datos y generación de nuevo conocimiento a partir del análisis de los datos gestionados. La ingestión de datos en la plataforma de p-medicine, y el procesamiento de los mismos con los métodos proporcionados, buscan generar nuevos modelos para la toma de decisiones clínicas. Dentro de este proyecto existen diversas herramientas para integración de datos heterogéneos, diseño y gestión de ensayos clínicos, simulación y visualización de tumores y análisis estadístico de datos. Precisamente en el ámbito de la integración de datos heterogéneos surge la necesidad de añadir información externa al sistema proveniente de bases de datos públicas, así como relacionarla con la ya existente mediante técnicas de integración semántica. Para resolver esta necesidad se ha creado una herramienta, llamada Term Searcher, que permite hacer este proceso de una manera semiautomática. En el trabajo aquí expuesto se describe el desarrollo y los algoritmos creados para su correcto funcionamiento. Esta herramienta ofrece nuevas funcionalidades que no existían dentro del proyecto para la adición de nuevos datos provenientes de fuentes públicas y su integración semántica con datos privados.---ABSTRACT---Over the last few years, there has been a huge growth of biomedical data sources. The emergence of new techniques of genomic data generation and data base generation that contain this information, has created the need of storing it in order to access and work with its data. The information employed in the biomedical research field is stored in databases. This is due to the capability of databases to allow storing and managing data in a quick and simple way. Within databases there is a variety of formats, such as Excel, CSV or RDF. Currently, these biomedical investigations are based on data analysis, which lead to the discovery of correlations that allow inferring, for example, new treatments or more effective therapies for a specific disease or ailment. The volume of data handled in them is very large and dissimilar, which leads to the need of developing new methods for automatically integrating and homogenizing the heterogeneous data. The p-medicine (FP7-ICT-2009-270089) European project aims to assist medical researchers, in this case related to cancer research, providing them with new tools for managing and creating new knowledge from the analysis of the managed data. The ingestion of data into the platform and its subsequent processing with the provided tools aims to enable the generation of new models to assist in clinical decision support processes. Inside this project, there exist different tools related to areas such as the integration of heterogeneous data, the design and management of clinical trials, simulation and visualization of tumors and statistical data analysis. Particularly in the field of heterogeneous data integration, there is a need to add external information from public databases, and relate it to the existing ones through semantic integration methods. To solve this need a tool has been created: the term Searcher. This tool aims to make this process in a semiautomatic way. This work describes the development of this tool and the algorithms employed in its operation. This new tool provides new functionalities that did not exist inside the p-medicine project for adding new data from public databases and semantically integrate them with private data.