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.

La geometría fractal en los sistemas agroambientales

La formación matemática que se imparte en los diferentes títulos de la ETSI Agrónomos presenta características comunes a otras ingenierías pero también algunos rasgos específicos. Como en otras ingenierías, esta formación está vinculada en parte a la utilización de modelos físicos altamente matematizados. Además, el ingeniero agrónomo debe dar respuesta a desafíos que ponen en juego otras disciplinas, como las ciencias biológicas o las ciencias de la naturaleza. Estas ciencias muchas veces requieren de nuevas teorías matemáticas para alcanzar sus objetivos, lo que representa nuevos retos para las matemáticas tanto en el campo de la docencia como en el de la investigación. A modo de ejemplo, vamos a centrarnos aquí en el uso de una teoría matemática con importantes aplicaciones a los sistemas agroambientales. Esta teoría matemática es la geometría fractal, nacida a principios del siglo pasado.

Métodos acotados de aplicación de reglas de evolución para la implementación de Sistemas P de Transición

La característica fundamental de la Computación Natural se basa en el empleo de conceptos, principios y mecanismos del funcionamiento de la Naturaleza. La Computación Natural -y dentro de ésta, la Computación de Membranas- surge como una posible alternativa a la computación clásica y como resultado de la búsqueda de nuevos modelos de computación que puedan superar las limitaciones presentes en los modelos convencionales. En concreto, la Computación de Membranas se originó como un intento de formular un nuevo modelo computacional inspirado en la estructura y el funcionamiento de las células biológicas: los sistemas basados en este modelo constan de una estructura de membranas que actúan a la vez como separadores y como canales de comunicación, y dentro de esa estructura se alojan multiconjuntos de objetos que evolucionan de acuerdo a unas determinadas reglas de evolución. Al conjunto de dispositivos contemplados por la Computación de Membranas se les denomina genéricamente como Sistemas P. Hasta el momento los Sistemas P sólo han sido estudiados a nivel teórico y no han sido plenamente implementados ni en medios electrónicos, ni en medios bioquímicos, sólo han sido simulados o parcialmente implementados. Por tanto, la implantación de estos sistemas es un reto de investigación abierto. Esta tesis aborda uno de los problemas que debe ser resuelto para conseguir la implantación de los Sistemas P sobre plataformas hardware. El problema concreto se centra en el modelo de los Sistemas P de Transición y surge de la necesidad de disponer de algoritmos de aplicación de reglas que, independientemente de la plataforma hardware sobre la que se implementen, cumplan los requisitos de ser no deterministas, masivamente paralelos y además su tiempo de ejecución esté estáticamente acotado. Como resultado se ha obtenido un conjunto de algoritmos (tanto para plataformas secuenciales, como para plataformas paralelas) que se adecúan a las diferentes configuraciones de los Sistemas P. ABSTRACT The main feature of Natural Computing is the use of concepts, principles and mechanisms inspired by Nature. Natural Computing and within it, Membrane Computing emerges as an potential alternative to conventional computing and as from the search for new models of computation that may overcome the existing limitations in conventional models. Specifically, Membrane Computing was created to formulate a new computational paradigm inspired by the structure and functioning of biological cells: it consists of a membrane structure, which acts as separators as well as communication channels, and within this structure are stored multisets of objects that evolve according to certain evolution rules. The set of computing devices addressed by Membrane Computing are generically known P systems. Up to now, no P systems have been fully implemented yet in electronic or biochemical means. They only have been studied in theory, simulated or partially implemented. Therefore, the implementation of these systems is an open research challenge. This thesis addresses one of the problems to be solved in order to deploy P systems on hardware platforms. This specific problem is focused on the Transition P System model and emerges from the need of providing application rules algorithms that independently on the hardware platform on which they are implemented, meets the requirements of being nondeterministic, massively parallel and runtime-bounded. As a result, this thesis has developed a set of algorithms for both platforms, sequential and parallel, adapted to all possible configurations of P systems.

Estrategias, sistemas y tecnologías para el uso de luz natural y su aplicación en la rehabilitación de edificios históricos

La presente tesis investiga sobre la manera en que la arquitectura se ha construido para utilizar la luz natural, con el fin de aplicar estos conocimientos a la rehabilitación de edificios históricos. Para ello es necesario conocer aspectos técnicos en el uso de la luz, partiendo por comprender cuáles son los fenómenos físicos que debiéramos conocer los arquitectos para poder utilizarla adecuadamente. Es necesario también saber cómo es el comportamiento de los materiales frente a la luz y cómo utilizar¬los en el contexto rehabilitación. Dentro de los aspectos técnicos, se establece cuáles son las estrate¬gias, los sistemas y las tecnologías necesarias para la utilización de la luz en arquitectura, y se organiza esta información con el fin de hacerla clara, accesible y útil. Sin embargo, la luz no puede ser empleada en forma adecuada si no se conocen los requerimientos y las necesidades que el ser humano tiene respecto de ella, para habitar en forma confortable y salu¬dable. Es por eso que se establecen a su vez los requerimientos humanos respecto de la luz desde el punto de vista de sus características biológicas, su percepción y sus necesidades ergonómicas. Como la tesis se enmarca dentro de la problemática de la rehabilitación de edificios históricos, es necesario conocer cuál es la relación entre los procesos histórico-culturales y la técnica para utilizar la luz en la historia de la arquitectura. Se busca establecer la correlación entre historia y técnica, con el fin de responder en forma adecuada a los valores patrimoniales de un edificio histórico al alterar un aspecto tan importante como su iluminación natural. Con este conjunto de conocimientos técnicos, humanos e históricos establecidos en la primera parte de la tesis, se propone un protocolo de diseño para un proyecto de rehabilitación en cinco casos de estudio. Esta herramienta analiza el comportamiento actual de la luz para una determinada función, detecta los problemas lumínicos, establece criterios para la elección de soluciones y analiza el compor¬tamiento de estas soluciones. Finalmente compara los resultados lumínicos de las condiciones actua¬les y la solución propuesta. Por último, la investigación genera criterios que pueden ser aplicables a la normativa chilena de plani¬ficación territorial respecto del uso de la luz en contextos urbanos patrimoniales. ABSTRACT This thesis addresses how the architecture has been built to use natural light, in order to apply this knowledge to the historic buildings rehabilitation. This requires knowing technical aspects in the use of light, starting to understand what physical phenomena we, the architects, should know to use it properly. It is also necessary to know how materials behave in regards to light and how to use it in the rehabilitation context. Among the technical aspects, we should define strategies, systems and techno¬logies necessary for the use of light in architecture, and organize this information in order to make it clear, available and useful. However, light cannot be used properly if are not known requirements and needs that human beings have towards it, to live in comfortable and healthy way. That is why light human requirements are determined to know how light influences their cycles, perception and comfort. As the thesis is in frame of rehabilitation of historic building problem, it is necessary to know how is the relationship between historic-cultural processes and technology of light use, in the architecture history. It seeks to establish the correlation between History and technology, in order to give an ade¬quately answer to the heritage values of a historic building by altering an important aspect like its natural lighting. With this set of technical, human and historical knowledge, established in the first part of the thesis, a protocol is proposed for a rehabilitation project design in five study cases. This tool analyzes current behavior of light for a specifically function, detects lighting problems, establishes criteria for the selec¬tion of solutions and analyzes solution behaviors. Additionally, it compares results of current lighting conditions and the proposed solution. Finally this research generates criteria that may be applicable to Chilean territorial planning legislation, regarding use of light in patrimonial urban contexts.