Design and synthesis of biofunctional magnetic/fluorescent glyco-nanoparticles and quantum dots and their application as specific molecular imaging probes

Abstract

[EN]Nanotechnology presents very promising characteristics for its application in the biomedicine area. By now the most advanced application of nanoparticles in medicine is the use of iron oxide nanoparticles embedded in biocompatible polymers as magnetic resonance imaging (MRI) contrast agents. Nowadays MRI application relies either on inherent tissue contrast differences or on the unspecific accumulation of contrast agents in certain tissues. This status can be extended to other imaging techniques. These limitations do not enables the application of imaging techniques to many diagnostic problems such as the imaging of small or diffuse populations of tumour cells, or require the administration of large amounts of the contrast agents to achieve a clear diagnostic. Considering this, there is a clear need for the development of new probes able to target specifically cells, organs or tissues for high resolution imaging. In this thesis, we have first prepared nanomaterials with suitable properties to be used as imaging probes; on one hand magnetic nanoparticles based on water soluble goldcoated glyco-nanoferrites to be used as MRI T2 contrast agents, and on the other, CdTebased quantum dots with fluorescent emissions in the visible to the near infrared spectra to be used in optical molecular imaging. The biofunctionalization of these nanoprobes with different biomolecules has been explored. Magnetic glyconanoparticles and quantum dots (QDs) coupled to protein G and IgG antibodies have been prepared to get specific targeted imaging probes (immuno-nanoparticles) for MRI and optical imaging. Functionalised magnetic glyconanoparticles with single chain DNA molecules have also been produced as potential specific probes for genetic material sensing. Both kinds of immuno-nanoparticles have been applied in vitro for the specific labelling of a cell population within a simple mixture, or of sub-cellular structures (cytoskeleton). The application of immuno-magnetic glyconanoparticles (immuno-MGNPs) has been taken further with specific ex vivo labelling experiments in whole human blood. Finally, the immuno-MGNPs have been applied in in vivo studies to label and track endogenous neural stem cells to answer a fundamental question in neurobiology: Do neural stem cells migrate towards damaged brain areas? In conclusion, we have been able to design, prepare, and apply, specific biofunctional nanoprobes as targeted contrast agents for in vivo imaging techniques, especially for MRI.

[ES]La nanotecnología en general presenta características muy prometedoras para su aplicación en el área de biomedicina. Hasta el momento, la aplicación más avanzada en este área es el uso de nanopartículas de oxido de hierro encapsuladas en polímeros biocompatibles como agentes de contraste en resonancia magnética de imagen (MRI). Actualmente la aplicación de MRI confía, bien en diferencias inherentes de contraste entre tejidos, o bien en una acumulación inespecífica del agente de contraste en ciertos tejidos. Esta misma situación es compartida por otras técnicas de imagen. Estas limitaciones no permiten la aplicación de técnicas de imagen a muchos problemas diagnósticos, como por ejemplo la visualización de poblaciones pequeñas o difusas de células tumorales, o requiere de la administración de grandes cantidades del agente de contraste para la obtención de un diagnóstico claro. Considerando esto, hay una necesidad clara de desarrollo de nuevas sondas capaces de hacer un marcaje específico de células, tejidos u órganos para su uso en técnicas de imagen de alta resolución. En esta tesis, hemos preparado primero nanomateriales con propiedades adecuadas para su utilización como sondas de imagen; por una parte nanopartículas magnéticas basadas en glico-nanoferritas recubiertas con oro solubles en agua para ser usadas como agentes de contraste T2 en MRI, y por otra parte quantum dots derivados de CdTe con emisión de fluorescencia en la zona del visible al infrarrojo cercano para ser usados en imagen óptica molecular. También hemos explorado la biofuncionalización de estas nanosondas con diferentes biomoléculas. Gliconanopartículas magnéticas (MGNPs) y quantum dots (QDs) unidos a proteína G y anticuerpos IgG han sido preparadas para obtener sondas de imagen especificas (immuno-nanopartículas) para MRI e imagen óptica. MGNPs funcionalizadas con moléculas de DNA de una cadena también han sido preparadas como sondas para la potencial detección de material genético. Ambas clases de immuno-nanopartículas han sido aplicadas in vitro al marcaje específico de una población celular dentro de una mezcla simple de células, o al marcaje de estructuras sub-celulares (citoesqueleto). La aplicación de immunogliconanopartículas magnéticas (immuno-MGNPs) se ha llevado más lejos con experimentos de marcaje específico ex vivo en sangre humana. Finalmente, las immuno- MGNPs han sido aplicadas en estudios in vivo para marcar y hacer un seguimiento de células madre neuronales endógenas para contestar una pregunta fundamental en neurobiología: Migran las células madre neuronales hacia lugares en los que se produce un daño cerebral? En conclusión, hemos sido capaces de diseñar, preparar y aplicar nanosondas biofuncionales específicas como agentes de contraste dirigidos para su uso en técnicas de imagen in vivo, especialmente MRI.