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.

Panorámica global de la computación óptica. Una visión parcial

En el presente artículo se ofrece una visión panorámica de la situación actual de la Computación Óptica, dándose unas breves ideas de algunos de los temas fundamentales que abarca. Se pone especial énfasis en el aspecto de continuidad con tecnologías ya sobradamente conocidas desde hace varias décadas y se intenta pronosticar cuál será su posible futuro en los próximos años.

Modulación electro-óptica basada en dispositivos biestables con alimentación controlada

En este trabajo se muestra un nuevo método para modular radiación laser. Se basa en las propiedades electro-ópticas de los dispositivos ópticos biestables híbridos. Las ventajas son la posibilidad de mejorar los tiempos de respuesta y rebajar simultáneamente, el voltaje umbral.

Biestabilidad óptica: una panorámica

Entre las aportaciones más significativas que ha hecho la Electrónica Cuántica en los últimos años, dentro del campo de los dispositivos con uso potencial en diferentes terrenos, se encuentra, sin duda, el de la Biestabilidad Optica. Desde su planteamiento teórico por Szóke, en 1969, hasta la primera aparición de un elemento que ofreciese en el laboratorio propiedades experimentales concordantes con dicha teoría, pasaron exactamente seis años. Desde 1969, Szóke no ha vuelto a publicar ningún artículo en este campo, pero los investigadores que desde 1975 comenzaron a trabajar en él, lo han hecho hasta nuestros días con una ley prácticamente exponencial. Si se analizan con un cierto detalle, por otra parte, las tendencias previas de los diferentes grupos puede verse que, la mayor parte de ellos, provienen de ramas de la Electrónica Cuántica dedicados al estudio de fenómenos no-lineales de interacción radiación-materia. Pero hay también un número muy apreciable de otros grupos que habían estado trabajando en problemas de transiciones de fase en sistemas fuera del equilibrio, en física de materiales, tanto semiconductores como no semiconductores en física matemática y recientemente, en comunicaciones ópticas y en tecnología de ordenadores.

Aplicaciones de la biestabilidad óptica

The main application of hybrid Optical Bistable devices to optical Communication and Optical Computing are reported. The employed nonlinear has been liquid crystal that modelizes very well the general behaviour of OBD's.

Biestabilidad óptica: un nuevo camino para el láser

En este artículo se analiza un nuevo tipo de dispositivo óptico que, basándose en conceptos análogos a los ya empleados en la tecnología del láser, ofrece un amplio campo de posibilidades de aplicación. Su objetivo es puramente de revisión del estado actual del tema, ofreciéndose los avances más significativos conseguidos hasta la fecha.

Detección óptica de harinosidad en manzana mediante una nueva técnica láser.

Mealiness, a textural disorder that produces quality loss, combines softness and absence of juiciness. The only one (destructive) test to measure it, combines information from a mechanical test on fruit probes to classify the samples according to instrumental mealiness. Time-domain laser reflectance spectroscopy (TDRS) is able to assess simultaneously and independently the absorption of the light inside the irradiated body (µa coefficient) and the scattering of the photons across the tissues (µS, transport scattering coeff.) measured at each wavelength. Using VIS&NIR lasers as light sources, TDRS was applied to Golden Delicious and Cox apples (n=90), conforming batches of untreated samples and storage-treated (20°C&95%RH) to induce mealiness development. The collected database was clustered into different groups according to their instrumental mealiness. Optical variables were used to build discriminant functions, achieving classification scores 75-89% of correctly identified mealy apples.

Biestabilidad óptica híbrida en estructuras homeotrópicas de cristal líquido

En el presente artículo se presentan algunos de los resultados que pueden obtenerse en el campo de la biestabilidad óptica híbrida, mediante el empleo de cristales líquidos del tipo nemático cuando adoptan una estructura homeotrópica planar. Los resultados obtenidos son análogos a los conseguidos con otros materiales ofreciendo la innegable ventaja de su menor costo y su mayor rendimiento energético.

Influencia de la inclusión de diferentes fuentes y niveles de fibra bajo condiciones sanitarias diferentes sobre los rendimientos productivos en lechones recién destetados.

En general la inclusión de fibra en piensos de lechones se asocia con una reducción del consumo y de los rendimientos productivos (Wellock et al., 2008; Montagne et al., 2012). Sin embargo, diversos autores indican que la inclusión de cantidades moderadas de ciertas fuentes de fibra en el pienso podría mejorar los rendimientos productivos en lechones recién destetados (Mateos et al., 2006; Hermes et al., 2009). De hecho, Bach Knudsen et al. (2008) y Wellock et al. (2008) observaron que la inclusión de fibra en el pienso disminuyó la incidencia de diarreas (ID). Pluske et al. (1998) encontraron una relación positiva entre la ID y la inclusión de fibra soluble en el pienso. Sin embargo es frecuente incluir niveles de hasta el 4-5% de pulpa de remolacha en piensos comerciales para reducir el ID. La fibra soluble de la dieta podría actuar como un substrato fermentativo reduciendo el pH y alterando el perfil microbiano. Por otro lado, la fibra insoluble podría estimular el funcionamiento del tracto gastrointestinal y mejorar la sanidad de los lechones, reduciendo la actividad de bacterias perjudiciales. La respuesta a la inclusión de fibra en piensos para lechones puede estar condicionada por factores tales como el tipo y el nivel de fibra así como las condiciones higio-sanitarias de los lechones. En particular, la limpieza y desinfección de la nave son consideradas factores claves para limitar la incidencia de diarreas post-destete (Madec et al., 1998). El objetivo del presente trabajo fue evaluar el crecimiento y la incidencia de diarreas en lechones criados bajo condiciones higio-sanitarias adecuadas (naves limpias y desinfectadas) o inadecuadas (naves sucias) alimentados con dietas que diferían en el tipo y nivel de fibra utilizado.

Efecto de la fuente y el nivel de fibra en pienso de pollitas durante la fase de recría sobre la productividad en puesta.

La fibra dietética es un componente importante de las dietas de las aves. La inclusión en el pienso de ciertos tipos de fibra en cantidad adecuada mejora la adaptación del tracto gastrointestinal (TGI) a los actuales sistemas de producción y de alimentación, reduciendo los trastornos digestivos y mejorando la productividad global (Jiménez-Moreno et al., 2009; Mateos et al., 2002). La fibra dietética puede aumentar el tiempo de retención de la digesta en la parte proximal del TGI y tiene un marcado efecto sobre la anatomía y el desarrollo y funcionamiento del mismo (Mateos et al., 2012), con aumento del tamaño de la molleja (Hetland et al., 2005) y de la longitud de diversos órganos digestivos (Van der Klis y Van Voorst, 1993; Iji et al., 2001). Es una práctica común en la industria suministrar piensos fibrosos durante la última fase de recría a fin de mejorar la capacidad de ingesta de las pollitas y mejorar la productividad de las aves en el inicio de puesta. Sin embargo, la información existente sobre el beneficio de esta práctica es muy limitada. La hipótesis de este estudio fue que cambios en el desarrollo del TGI durante la fase de recría debido a la inclusión de diversas fuentes de fibra en el pienso podrían mejorar los parámetros productivos durante la puesta, especialmente durante el inicio de la misma.

Influencia del cereal y el nivel de inclusión de fibra en el pienso sobre la productividad en pollitas de 0 a 17 semanas de edad.

La fibra ha sido considerada como un diluyente del pienso en monogástricos con efectos negativos sobre consumo y la digestibilidad de los nutrientes (Jansen and Carré, 1985). Sin embargo, estudios recientes (Mateos et al., 2012) han mostrado que la inclusión de cantidades moderadas de fibra en el pienso podría mejorar tanto la digestibilidad de los nutrientes como el crecimiento de las aves. La inclusión de fibra en piensos para broilers podría incrementar el tiempo de retención de la digesta en la parte superior del tracto digestivo, estimulando el funcionamiento de la molleja (Hetland et al. 2005) y la producción de HCl en el proventrículo (Duke, 1986). Un descenso del pH de la molleja favorece la producción de pepsina e incrementa la solubilidad de las sales minerales (Jiménez-Moreno et al. 2009). Por lo tanto, la inclusión de cantidades adecuadas de fibra podría beneficiar el desarrollo del tracto gastrointestinal (Mateos et al., 2012). Sin embargo, la información disponible sobre los efectos beneficiosos de la fibra dietética en pollitas es escasa (Frikha et al., 2009). De hecho, los autores no han encontrado ningún estudio publicado sobre los efectos de la inclusión de fibra sobre el crecimiento de pollitas de 0 a 17 sem de edad. La influencia de fuentes de fibra tales como la cascarilla de avena, pulpa de remolacha (PRE) o cascarilla de soja sobre el desarrollo del tracto gastrointestinal ha sido bien estudiada en broilers (González-Alvarado el al., 2010). Sin embargo, la información disponible sobre el uso de paja de cereales (PCE) en dietas para avicultura es muy limitada; aun siendo una fuente de fibra abundante. La hipótesis del presente ensayo fue que la inclusión de cantidades moderadas de fibra en piensos de pollitas podría mejorar el rendimiento productivo con una mejora de la utilización de los nutrientes. El objetivo del presente trabajo fue estudiar el efecto de la inclusión de diversas fuentes de fibra a diferentes niveles en el pienso de pollitas sobre los rendimientos productivos de 0 a 17 sem de edad.

Influencia e la inclusión de fibra en el pienso sobre los rendimientos produtivos de pollitas rubias de 1 a 35 días de edad.

La fibra dietética representa la fracción indigestible de los ingredientes del pienso por lo que diluye el contenido en nutrientes del mismo (Rougière y Carré, 2010). Además, un aumento en el nivel de fibra del pienso puede reducir el consumo voluntario (Sklan et al., 2003), alterar el perfil de la flora gastrointestinal y aumentar la incidencia de procesos entéricos (Janssen and Carré, 1985). Sin embargo, estudios recientes muestran que la inclusión de ciertas fuentes de fibras a niveles adecuados podrían mejorar los rendimientos productivos y reducir la incidencia de problemas digestivos en aves (Mateos, 2012). En broilers, la inclusión de fibra adicional en el pienso mejoró la fisiología digestiva, aumentando el tamaño de la molleja, reduciendo el pH de la digesta de este órgano (Sacranie et al., 2012) y mejorando de los rendimientos productivos (González-Alvarado et al., 2010). Fuentes de fibra insoluble tales como la cascarilla de avena (CAV), la cascarilla de girasol (CGI) y la paja de cereales (PCE) podrían mejorar la fisiología del tracto gastrointestinal (TGI) y la digestibilidad de ciertos nutrientes cuando se incluyen en el pienso en cantidades moderadas (Hetland et al., 2003). Por otro lado, fuentes de fibra soluble, tal como la pulpa de remolacha (PRE), incrementan la viscosidad intestinal, lo que podría reducir el consumo de pienso (Jiménez-Moreno et al., 2010). Los autores no han encontrado estudio alguno sobre los efectos de la inclusión de fibra adicional en el pienso sobre los rendimientos productivos de pollitas comerciales. El objetivo del presente trabajo fue estudiar el efecto de incluir diversas fuentes de fibra a diferentes niveles en el pienso sobre los rendimientos productivos de pollitas de 1 a 35 d de edad.

Detección de la estabilidad del color y mezclas de pimentón molido utilizando reflexión óptica y análisis de imagen.

En la actualidad hay una gran diferencia en la calidad de pimentón molido procesado en "La Vera" por el método tradicional (secado con humo), y el procesado en otras regiones con métodos más rápidos y baratos (secado forzoso con estufa). Esto hace necesario disponer de un sistema capaz de establecer, por un lado, la estabilidad de carotenoides (responsables de la coloración), y por otro lado detectar diferente» grados de mezcla de pimentones de distintas calidades. Para determinar la estabilidad de color, en este estudio se ha empleado un proceso de envejecimiento acelerado mediante luz UV; se fabricó una cámara que degrada rápidamente el color de las muestras según su estabilidad de color. Como procedimiento de medida de dicho envejecimiento se ha testado la reflexión óptica y el análisis de imagen El primer procedimiento es por medio de reflexión óptica coa un espectrofotómetro modelo Minolta C-508Í, el segundo procedimiento es por medio de análisis de imagen Se realizaron muestras en cuatro fechas distintas para comprobar la repetibilidad del procedimiento, y con 35 muestras por fecha, que pertenecen a siete grupos de diferentes grados de mezcla de pimentón de La Vera y otro de peor calidad (1:0, 6:1.3:1. 1:1. 1:3. 1 6,0:1). Para la reflexión óptica se utilizó el espectro visible, entre 400 y 700 nm de longitud de onda, con una resolución de 20 nm. Para el análisis de imagen se obtuvo el histograma de imágenes en blanco y negro de las muestras. Del espectro y del histograma de cada una de las muestras se obtuvieron variables con las que se realizaron análisis estadísticos que permiten predecir la calidad de las muestras con un ajuste (r1) de 0.989 en el caso de reflexión óptica y 0.941 para el análisis de imagen.

Ensayo para calcular tensiones y deformaciones en la estructura del techo de un silo metálico de 18,34 m de diámetro

Los silos metálicos requieren la disposición de una estructura en su parte superior para permitir la fijación de las chapas que forman la cubierta del silo y así soportar las cargas para las que ha sido diseñada. Esta estructura está formada por un sistema reticular de vigas radiales y circunferenciales que desempeñan diversas funciones. Los modelos de cálculo que se emplean asumen la existencia de ciertos supuestos de comportamiento que luego deben verificarse en la práctica. Por esta razón, se diseñó un experimento para obtener las tensiones y desplazamientos verticales producidos en distintos elementos de la estructura del techo de un silo de 18,34 m de diámetro, con objeto de validar los resultados proporcionados por modelos de cálculo numérico. La instrumentación de un silo de estas dimensiones resulta bastante compleja, y requiere tener en cuenta numerosos factores como la selección representativa de los puntos de carga aplicados sobre el techo, la comprobación de las cargas transmitidas o la instalación de los dispositivos adecuados para poder registrar las mediciones necesarias. En los distintos ensayos realizados llegaron a aplicarse simultáneamente cargas sobre la estructura hasta en 54 puntos, mediante el uso de cintas tensoras (eslingas). La comprobación de la carga aplicada se realizó con el uso de 8 dinamómetros. Por otro lado, los desplazamientos verticales sufridos por la estructura, sometida a carga, se comprobaron en 3 puntos alineados con el uso de flexímetros ASM tipo A-WS10-100-R1K-L10, y las tensiones se infirieron a partir de las deformaciones registradas mediante el uso de 8 galgas extensométricas en 4 vigas opuestas de la estructura. Las lecturas procedentes de las galgas extensométricas y de los flexímetros fueron registrados mediante el uso de dataloggers. Los resultados obtenidos con los ensayos fueron comparados con los obtenidos con un programa de cálculo de estructuras mediante el cual se realizó un modelo tridimensional de la estructura. Se observó una buena concordancia en los resultados, siempre que se cumplieran las hipótesis de partida del modelo. El ensayo permitió detectar la presencia de ciertas anomalías en el funcionamiento de algunos elementos del silo, que fueron corroboradas con los modelos de cálculo.