| Date: |
2020 |
| Abstract: |
Durant les darreres dècades, les nanopartícules (NP) s'han utilitzat en diversos camps, especialment en aplicacions mèdiques com ara medicaments, agents d'imatge i d'alliberament de fàrmacs. No obstant això, també es van plantejar preocupacions sobre les possibles reaccions adverses sobre la salut humana. Així, s'han invertit esforços d'investigació a nivell global en la ciència dels materials i la biologia per determinar els mecanismes de la toxicitat de diferents NPs. En aquest treball de tesi, hem dedicat grans esforços a aplicar el (Caenorhabditis elegans) C. elegans com un organisme model robust i simple per a avaluacions de toxicitat de NPs. L'objectiu general d'aquesta tesi ha estat la interacció de l'alimentació dels cucs amb les NPs. En específic, les interaccions nano-bio entre nanopartícules d'òxid de ferro superparamagnètiques (SPION) o AuNPs de 10 nm en C. Elegans alimentats o no, així demostrar que aquest petit animal es pot utilitzar per estudiar els efectes alimentaris. En primer lloc, hem estudiat els efectes de la disponibilitat de menjar sobre les toxicitats induïdes per l'exposició de SPIONs després de 24 h (exposició aguda) o 72 h (exposició perllongada). Hem trobat que el menjar proporcionava certa protecció als C. elegans determinada per la supervivència i la reproducció. Els cucs en la condició d'exposició aguda van tenir una eficiència de captació de SPIONS més alta facilitada pel menjar en comparació amb la condició sense menjar. La utilització de la microspectroscòpia infraroig en el sincrotró (SR-μFTIR), ens va permetre demostrar que l'exposició llarga (24 h versus 4 h) i les altes concentracions d'SPIONs (500 µg/mL versus 100 µg/mL) indueixen un estrès oxidatiu més sever determinat per l'augment dels nivells d'oxidació dels lípids. En segon lloc, vam investigar les conseqüències de la ingesta de menjar sobre els cucs després de 24 h d'exposició a AuNPs de 10 nm. El paper protector del menjar es va identificar en la reducció dels efectes tòxics, com la supervivència i la reproducció. Utilitzant SR-μFTIR, vam trobar que les AuNPs de mida petita (10 nm versus 150 nm) o la exposició perllongada (24 h versus 4 h) provocaven un augment del nivell d'oxidació dels lípids que es relacionava amb les respostes a l'estrès oxidatiu. D'altra banda, vam avaluar preliminarment la possibilitat de realitzar la teràpia fototèrmica en cucs que contenien AuNPs de 150 nm. Hem trobat danys degut a la fotoablació a les zones d'irradiació làser dels cucs, cosa que suggereix que és possible utilitzar els cucs, però cal optimitzar els diversos paràmetres experimentals. Al final de la tesi, també presentem col·laboracions on vam realitzar experiments amb diferents nanomaterials com luteïna i MOFs (metal·lo-organic framework) i els vam avaluar en els C. elegans. Vam estudiar les propietats antioxidants de la luteïna en C. elegans models de malaltia associades al síndrome de Leigh i vam demostrar la possibilitat d'aplicar la microscòpia d'infraroig (SR-μFTIR) en aquests estudis. Així, també vam realitzar l'avaluació preliminar de la toxicitat de MOFs, MIL-127 i CS-MIL-127 recoberts de quitosà (CS). A més, hem investigat els efectes del recobriment de quitosà (CS) sobre la captació i eficiència d'excreció en els C. elegans . En resum, la disponibilitat d'aliments podria disminuir els efectes adversos, parcialment associats a l'estrès oxidatiu, induïts per SPION o AuNPs a C. elegans. També suggerim que els C. elegans tenen un gran potencial d'utilitzar-se com a model d'administració oral per diversos materials. A més, combinat amb altres tècniques avançades, podríem tenir una comprensió més general del mecanisme de toxicitat i ampliar la gamma d'aplicacions de tècniques de ciència de materials per a la investigació biològica. |
| Abstract: |
Durante las últimas décadas, las nanopartículas (NPs) se han utilizado ampliamente en distintos campos, especialmente en aplicaciones médicas como fármacos, agentes de formación de imágenes y como liberadores de fármacos. Sin embargo, también han planteado dudas respecto a las posibles reacciones adversas sobre la salud humana. Así, se han realizado grandes esfuerzos de investigación en el campo de las ciencias biológicas para elucidar los mecanismos de toxicidad de distintas NPs. En este trabajo de Tesis, hemos dedicado esfuerzos a aplicar el (Caenorhabditis elegans) C. elegans como un organismo modelo robusto y simple para las evaluaciones de toxicidad de NPs. El objetivo general de esta tesis ha sido estudiar la interacción de la comida de estos gusanos con las NPs. En particular, el estudio de las interacciones nano-bio entre nanopartículas de óxido de hierro superparamagnéticas (SPIONs) o AuNPs de 10 nm en C. elegans alimentados o no; así demostrar que este pequeño animal puede utilizarse para estudiar efectos alimentarios. En primer lugar, estudiamos los efectos de la disponibilidad de alimento sobre las toxicidades inducidas por la exposición de SPIONs tras 24 h - exposición aguda - o 72 h - exposición prolongada. Descubrimos que la comida brinda cierta protección a los C. elegans, la cual se determinó midiendo la supervivencia y la reproducción. Los gusanos en la exposición aguda tuvieron una mayor eficiencia de absorción de SPIONs facilitada por la comida en comparación con la condición sin alimento. La utilización de la microespectroscopía infrarroja de Sincrotrón (SR-μFTIR) nos permitió demostrar que la exposición prolongada (24 h versus 4 h) y altas concentraciones de SPIONs (500 µg/mL versus 100 µg/mL) inducen un estrés oxidativo más severo debido a el aumento de la oxidación de lípidos. En segundo lugar, investigamos las consecuencias de la ingesta de comida sobre los gusanos después de 24 h de exposición a AuNP de 10 nm. Se identificó el papel protector de los alimentos en la reducción de efectos tóxicos. Usando SR-μFTIR, encontramos que las AuNPs de pequeño tamaño (10 nm frente a 150 nm) o la exposición prolongada (24 h frente a 4 h) causaron un mayor nivel de oxidación de lípidos que se relacionó con las respuestas contra el estrés oxidativo. Por otro lado, evaluamos preliminarmente la posibilidad de realizar la terapia fototérmica en gusanos que contenian AuNP de 150 nm. Encontramos daños por fotoablación en los puntos de irradiación láser sobre los gusanos, sugiriendo que se podría usar este gusano para evaluar NPs, pero para ello es necesario optimizar la configuración experimental. En la parte final, presentamos algunas colaboraciones donde realizamos experimentos con diferentes nanomateriales como luteína y metal-organic frameworks (MOFs), evaluados empleando C. elegans. Estudiamos las propiedades antioxidantes de la luteína en C. elegans modificados para ser modelos de enfermedades asociadas con el síndrome de Leigh y demostramos la posibilidad de aplicar microscopia de infrarrojo (SR-μFTIR) en estos estudios. Por otro lado, realizamos la evaluación preliminar de toxicidad de MOF, MIL-127 y CS-MIL-127 recubierto de quitosano (CS). Además, investigamos los efectos del recubrimiento de CS en la absorción y excreción por los C. elegans. En resumen, hemos encontrado que la disponibilidad de comida puede disminuir los efectos adversos, parcialmente asociados con el estrés oxidativo, inducidos por SPIONs o AuNPs en C. elegans. Nuestros resultados también sugieren que los C. elegans tienen un gran potencial como modelo de administración oral ya que pueden emplearse para probar diferentes materiales. Además, en combinación con otras técnicas avanzadas, nos pueden ayudar a comprender de forma más general los mecanismos de toxicidad y ampliar el rango de aplicación de las técnicas de ciencia de materiales para la investigación biológica. |
| Abstract: |
During the last decades, nanoparticles (NPs) have been widely used in various fields, especially in medical applications such as drugs, imaging agents, and drug-delivery carriers. However, they also raised public concerns regarding the potential adverse influences on human health. Collective efforts from worldwide researchers in materials and biological science have been invested in investigating the toxicity mechanisms of different NPs. In this thesis, we dedicated major efforts to apply (Caenorhabditis elegans) C. elegans as a robust and simple model organism for toxicity assessments of assorted NPs. The general objective of this thesis was to study effects of food availability on nano-bio interactions between superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) or 10 nm AuNPs and C. elegans, and prove that this small animal can be used to study alimentary effects. Firstly, we studied the effects of food availability on toxicities induced by exposure to SPIONs after 24 h (acute exposure) or 72 h (prolonged exposure). We found that food provided some protection to C. elegans determined by measuring multiple toxicity endpoints such as survival and reproduction. Worms in the acute exposure condition had a higher uptake efficiency of SPIONS facilitated by food compared with the condition without the addition of food. The utilization of synchrotron Fourier transform infrared microspectroscopy (SR-μFTIR), allowed us to demonstrate that long-exposure (24 h versus 4 h) and high concentrations of SPIONs (500 µg/mL versus 100 µg/mL) induce more severe oxidative stress determined by increased levels of lipid oxidation. Secondly, we investigated food's influences on worms after 24 h exposure to 10 nm AuNPs. The protective role of food was identified in reducing toxic effects, such as survival and reproduction. Using SR-μFTIR, we found that small-sized AuNPs (10 nm versus 150 nm) or long-exposure (24 h versus 4 h) caused an increased level of lipid oxidation which was related to responses against oxidative stress. On the other hand, we preliminarily evaluated the possibility of performing the photothermal therapy in worms containing 150 nm AuNPs. We found photoablated damages on the laser irradiation spots of worms, suggesting that multiple experimental settings needed to be optimized. At the end of the thesis, also we presented some collaborations where we performed some experiments with different nanomaterials such as lutein and (metal-organic frameworks) MOFs and evaluated them on C. elegans. We studied antioxidative properties of lutein in C. elegans disease models associated with Leigh Syndrome and demonstrated the possibility to apply synchrotron Fourier transform infrared microspectroscopy (SR-μFTIR) on this topic. On the other hand, we performed the preliminary toxicity assessment of MOFs, MIL-127 and chitosan (CS) coated MIL-127 (CS-MIL-127). Additionally, we investigated about effects of the chitosan (CS) coating on C. elegans' uptake and excretion efficiencies of MIL-127 and CS-MIL-127. We reported the potential of applying C. elegans as an oral administration model of studying metal-organic frameworks' (MOFs') in vivo toxicities. In summary, food availability could decrease adverse effects, partially associated with oxidative stress, induce by SPIONs or AuNPs on C. elegans. It also suggested that C. elegans has a great potential of being employed as an oral administration model of testing various materials. Furthermore, combined with other advanced techniques, we could have a more general understanding of the toxicity mechanism and broaden the application range of material science techniques for biological research. |
| Rights: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, i la comunicació pública de l'obra, sempre que no sigui amb finalitats comercials, i sempre que es reconegui l'autoria de l'obra original. No es permet la creació d'obres derivades.  |
| Language: |
Anglès |
| Series: |
Programa de Doctorat en Ciència de Materials |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Subject: |
Nanoparticules ;
Nanoparticulas ;
Nanoparticles ;
C. Elegans ;
Alimentació ;
Alimentación ;
Food ;
Ciències Experimentals |
guest ::
