Tesis doctorales

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3D Culture o Multiple Myeloma Cell Line Using Microgel Environments
(Universitat Politècnica de València, 2021-06-03) Marin Paya, Juan Carlos; Gómez Ribelles, José Luís; Sempere Talens, Amparo; Dpto. de Termodinámica Aplicada; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Instituto de Salud Carlos III; Generalitat Valenciana; Ministerio de Economía y Competitividad
[ES] El mieloma múltiple es una neoplasia hematológica caracterizada por una expansión descontrolada de células plasmáticas monoclonales (mPCs) en medula ósea que producen, en la mayoría de los casos, un componente monoclonal secretado en el suero y/o en orina. En la actualidad, se sigue considerando una enfermedad incurable con la constante aparición de recaídas en los pacientes. Una de las causas que condicionan esta situación, radica en la generación de resistencia frente a fármacos por parte de las mPCs. Este mecanismo de resistencia a fármacos (DR) se ha visto que no solo depende de factores intracelulares, sino que la propia interacción de las mPCs con el microambiente medular juega un papel fundamental para su supervivencia, crecimiento y desarrollo de DR. Entre los componentes del microambiente tumoral, destaca la adhesión de las mPCs a componentes de la matriz extracelular (ECM) que se ha visto relacionada con la generación de DR. Por este motivo el desarrollo de esta tesis doctoral consistió en la elaboración y validación de una plataforma de cultivo 3D basado en la síntesis de un microgel. Este sistema estará constituido por microesferas funcionalizadas con componentes de la ECM como son la fibronectina (FN), colágeno tipo I (COL), heparina (Hep), heparan sulfato (HS) y ácido hialurónico (HA), generando un entorno 3D biomimético con la capacidad de poder analizar la respuesta celular desencadenada por la interacción de las mPCs con los componentes de la ECM, así como la DR generada por la adhesión de las mPCs a estas biomoléculas. El primer estudio consistió en la realización y puesta a punto de varios protocolos para la síntesis de distintos microgeles; un primer sistema se produjo mediante la polimerización por vía radical en bloque de co-polímeros de poliacrilato de etilo (EA) y polimetacrilato de etilo (EMA) o bien por EA, EMA y ácido acrílico (AAc). Mediante una emulsión del tipo aceite en agua se consiguió producir con estos copolímeros, microesferas de un tamaño próximo al de las mPCs. Un segundo sistema se basó en microesferas de alginato. Estas microesferas se obtuvieron en un dispositivo de microfluidica produciéndose la gelificación externa de las micro-gotas con la incorporación de iones de calcio consiguiendo microesferas de un tamaño medio de 177 µm. Debido a la gran variedad de microesferas sintetizadas con diferentes grupos químicos en sus superficies, se consiguió establecer protocolos de funcionalización similares a los establecidos en la literatura, teniendo en cuenta la estabilidad de la biomolécula a lo largo del tiempo del cultivo celular. Este enfoque, permitió la funcionalización con una gran variedad de biomoléculas disponiendo así de microgeles funcionalizados con FN, COL, Hep, HS y HA. Una vez desarrollados los microgeles, en un segundo estudio se procedió a evaluar la respuesta celular en un entorno 3D basado en microgel, valorando la interacción con los componentes de la ECM. Entre los resultados observados se pudo determinar como el tamaño de las microesferas afecta al crecimiento celular incluso en ausencia de cualquier funcionalización. Con los microgeles constituidos por microesferas de un tamaño próximo al de las mPCs se obtuvo un mayor crecimiento celular que con los microgeles formados por partículas de mayor tamaño, y en ambos el crecimiento fue superior al del cultivo en suspensión. Se plantea la hipótesis de que la presencia de las microesferas favorece en gran medida que se produzca un mayor contacto célula-célula que se ve incrementado cuanto mayor es la superficie específica del microgel. Entre los componentes de la ECM estudiados, mientras que el COL no genera ninguna respuesta celular diferente al control (microgel no funcionalizado), el HA favorece la proliferación celular. La adhesión de las mPCs a la FN condiciona el bloqueo de las células en la fase G0-G1 del ciclo celular. Esta adhesión está mediada
A network science approach of the macroscopic organization of the brain: analysis of structural and functional brain networks in health and disease
(Universitat Politècnica de València, 2018-09-10) Díaz Parra, Antonio; Canals Gamoneda, Santiago; Moratal Pérez, David; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
El cerebro está constituido por numerosos elementos que se encuentran interconectados de forma masiva y organizados en módulos que forman redes jerárquicas. Ciertas patologías cerebrales, como la enfermedad de Alzheimer y el trastorno por consumo de alcohol, se consideran el resultado de efectos en cascada que alteran la conectividad cerebral. La presente tesis tiene como objetivo principal la aplicación de las técnicas de análisis de la ciencia de redes para el estudio de las redes estructurales y funcionales en el cerebro, tanto en un estado control como en un estado patológico. Así, en el primer estudio de la presente tesis se examina la relación entre la conectividad estructural y funcional en la corteza cerebral de la rata. Se lleva a cabo un análisis comparativo entre las conexiones estructurales en la corteza cerebral de la rata y los valores de correlación calculados sobre las mismas regiones. La información acerca de la conectividad estructural se ha obtenido a partir de estudios previos, mientras que la conectividad funcional se ha calculado a partir de imágenes de resonancia magnética funcional. Determinadas propiedades topológicas, y extraídas de la conectividad estructural, se relacionan con la organización modular de las redes funcionales en estado de reposo. Los resultados obtenidos en este primer estudio demuestran que la conectividad estructural y funcional cortical están altamente relacionadas entre sí. Estudios recientes sugieren que el origen de la enfermedad de Alzheimer reside en un mecanismo en el cual depósitos de ovillos neurofibrilares y placas de beta-amiloide se acumulan en ciertas regiones cerebrales, y tienen la capacidad de diseminarse por el cerebro actuando como priones. En el segundo estudio de la presente tesis se investiga si las redes estructurales que se generan con la técnica de resonancia magnética ponderada en difusión podrían ser de utilidad para el diagnóstico de la pre-demencia causada por la enfermedad de Alzheimer. Mediante el uso de imágenes procedentes de la base de datos ADNI, se aplican técnicas de aprendizaje máquina con el fin de identificar medidas de centralidad que se encuentran alteradas en la demencia. En la segunda parte del estudio, se utilizan imágenes procedentes de la base de datos NKI para construir un modelo matemático que simule el proceso de envejecimiento normal, así como otro modelo que simule el proceso de desarrollo de la enfermedad. Con este modelado matemático, se pretende estimar la etapa más temprana que está asociada con la demencia. Los resultados obtenidos de las simulaciones sugieren que en etapas tempranas de la enfermedad de Alzheimer se producen alteraciones estructurales relacionados con la demencia. La cuantificación de la relación estadística entre las señales BOLD de diferentes regiones puede informar sobre el estado funcional cerebral característico de enfermedades neurológicas y psiquiátricas. En el tercer estudio de la presente tesis se estudian las alteraciones en la conectividad funcional que tienen lugar en ratas dependientes del consumo de alcohol cuando se encuentran en estado de reposo. Para ello, se ha aplicado el método NBS. El análisis de este modelo de rata revela diferencias estadísticamente significativas en una subred de regiones cerebrales que están implicadas en comportamientos adictivos. Por lo tanto, estas estructuras cerebrales podrían ser el foco de posibles dianas terapéuticas. La tesis aporta tres innovadoras contribuciones para entender la conectividad cerebral bajo la perspectiva de la ciencia de redes, tanto en un estado control como en un estado patológico. Los resultados destacan que los modelos basados en las redes cerebrales permiten esclarecer la relación entre la estructura y la función en el cerebro. Y quizás más importante, esta perspectiva de red tiene aplicaciones que se podrían trasladar a la práctica clínica.
Acrylate-silica polymer nanocomposites obtained by sol-gel reactions. Structure, properties and scaffold preparation
(Universitat Politècnica de València, 2008-12-15T12:39:36Z) Rodríguez Hernández, José Carlos; Monleón Pradas, Manuel; Dpto. de Termodinámica Aplicada; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
El manuscrito versa sobre el desarrollo y caracterización de materiales híbridos basados en poliacrilato de hidroxietilo (a partir de ahora PHEA) reforzado por la inclusión de una fase amorfa de sílice. Ambas fases fueron sintetizadas simultáneamente: la fase orgánica se obtiene a través de una reacción de polimerización radicalaria inducida por la pequeña adición de un iniciador térmico (peróxido de benzoilo); además, la sílice (SiO2) fue polimerizada a través de una reacción sol-gel catalizada en medio ácido del alcóxido de silicio tetraetoxisilano (en adelante TEOS). Las condiciones del proceso sol-gel donde el retículo de dióxido de silicio se forma condicionan la estructura final de la sílice: grado de condensación, especies intermedias lineales frente a ramificadas, tamaños promedio, Algunos de los parámetros fundamentales que controlan la topología de la sílice en materiales compuestos derivados de reacciones sol-gel incluyen a la naturaleza del catalizador usado para aumentar la reactividad del alcóxido (así como su cantidad, pH), el agua disponible para hidrolizar al precursor de la sílice (referido a la cantidad estequiométrica necesaria para hidrolizar completamente a una molécula de TEOS) y la relación entre los porcentajes de las fases orgánica e inorgánica en el material híbrido final. El primer parámetro (el catalizador) y el segundo (el agua) se fijaron para de este modo sintetizar materiales con tamaños de sílice alrededor de las decenas de nanómetros (materiales nanocompuestos); el último de ellos, el ratio relativo entre las fases orgánica e inorgánica, se cambió sistemáticamente. Para caracterizar algunas propiedades físicas y químicas de los materiales nanocompuestos se utilizaron varias técnicas, entre las que se incluyen: microscopías, espectroscopía infrarroja, calorimetría, análisis dinámico mecánico, termogravimetría, hinchado en disolventes.
An experimental model to mimic the mechanical behavior of a scaffold in a cartilage defect
(Universitat Politècnica de València, 2015-07-29) Vikingsson, Line Karina Alva; Gallego Ferrer, Gloria; Gómez Ribelles, José Luís; Dpto. de Termodinámica Aplicada; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
[EN] Abstract The main purpose of this thesis is the design and characterization of an experimental articular cartilage model. The in vitro model is composed of a macro and micro- porous Polycaprolactone scaffold with a Poly(Vinyl Alcohol) filling. The scaffold/hydrogel construct has been subjected to repeating number of freezing and thawing cycles in order to crosslink the hydrogel inside the scaffold's pores. The Poly(Vinyl Alcohol) resembles the growing cartilaginous tissue inside the scaffolds pores, as it gets denser and stiffer for each cycle of freezing and thawing. The in vitro model allows studying a variety of characteristics of the scaffold and hydrogel, revealing interesting features. The importance of water flow on the mechanical properties is studied, so as the influence of micro-porosity. It can be seen that the mechanical properties of the porous scaffolds are influenced in distinct ways by the hydrogel density and micro-porosity of the scaffold. The permeability of the scaffolds is studied and is seen independent of crosslinking density of the hydrogel inside the porous scaffolds. The experimental cartilage model has also been applied on a macro porous acrylic scaffold. The results show that the water has different effect on the mechanical properties, for macro, or macro and micro-porous scaffolds. The in vitro cartilage model has elastic modulus, aggregate modulus and permeability values in the same order as human articular cartilage. The model is useful to predict the mechanical behavior of porous scaffolds in vivo. A scaffold implant device for animal studies has been designed based on a previous patent of the research group, and implanted in two different in vivo trials in sheep. The results show that the fixation and anchoring to the subchondral bone improve the tissue repair and diminish alterations in the subchondral bone. ¿
Analytical fusion of multimodal magnetic resonance imaging to identify pathological states in genetically selected Marchigian Sardinian alcohol-preferring (msP) rats
(Universitat Politècnica de València, 2017-11-06) Cosa Liñán, Alejandro; Canals Gamoneda, Santiago; Moratal Pérez, David; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
[EN] Alcohol abuse is one of the most alarming issues for the health authorities. It is estimated that at least 23 million of European citizens are affected by alcoholism causing a cost around 270 million euros. Excessive alcohol consumption is related with physical harm and, although it damages the most of body organs, liver, pancreas, and brain are more severally affected. Not only physical harm is associated to alcohol-related disorders, but also other psychiatric disorders such as depression are often comorbiding. As well, alcohol is present in many of violent behaviors and traffic injures. Altogether reflects the high complexity of alcohol-related disorders suggesting the involvement of multiple brain systems. With the emergence of non-invasive diagnosis techniques such as neuroimaging or EEG, many neurobiological factors have been evidenced to be fundamental in the acquisition and maintenance of addictive behaviors, relapsing risk, and validity of available treatment alternatives. Alterations in brain structure and function reflected in non-invasive imaging studies have been repeatedly investigated. However, the extent to which imaging measures may precisely characterize and differentiate pathological stages of the disease often accompanied by other pathologies is not clear. The use of animal models has elucidated the role of neurobiological mechanisms paralleling alcohol misuses. Thus, combining animal research with non-invasive neuroimaging studies is a key tool in the advance of the disorder understanding. As the volume of data from very diverse nature available in clinical and research settings increases, an integration of data sets and methodologies is required to explore multidimensional aspects of psychiatric disorders. Complementing conventional mass-variate statistics, interests in predictive power of statistical machine learning to neuroimaging data is currently growing among scientific community. This doctoral thesis has covered most of the aspects mentioned above. Starting from a well-established animal model in alcohol research, Marchigian Sardinian rats, we have performed multimodal neuroimaging studies at several stages of alcohol-experimental design including the etiological mechanisms modulating high alcohol consumption (in comparison to Wistar control rats), alcohol consumption, and treatment with the opioid antagonist Naltrexone, a well-established drug in clinics but with heterogeneous response. Multimodal magnetic resonance imaging acquisition included Diffusion Tensor Imaging, structural imaging, and the calculation of magnetic-derived relaxometry maps. We have designed an analytical framework based on widely used algorithms in neuroimaging field, Random Forest and Support Vector Machine, combined in a wrapping fashion. Designed approach was applied on the same dataset with two different aims: exploring the validity of the approach to discriminate experimental stages running at subject-level and establishing predictive models at voxel-level to identify key anatomical regions modified during the experiment course. As expected, combination of multiple magnetic resonance imaging modalities resulted in an enhanced predictive power (between 3 and 16%) with heterogeneous modality contribution. Surprisingly, we have identified some inborn alterations correlating high alcohol preference and thalamic neuroadaptations related to Naltrexone efficacy. As well, reproducible contribution of DTI and relaxometry -related biomarkers has been repeatedly identified guiding further studies in alcohol research. In summary, along this research we demonstrate the feasibility of incorporating multimodal neuroimaging, machine learning algorithms, and animal research in the advance of the understanding alcohol-related disorders.
Applications of Deep Leaning on Cardiac MRI: Design Approaches for a Computer Aided Diagnosis
(Universitat Politècnica de València, 2023-04-27) Pérez Pelegrí, Manuel; López Lereu, María Pilar; Monmeneu Menadas, José Vicente; Moratal Pérez, David; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
[ES] Las enfermedades cardiovasculares son una de las causas más predominantes de muerte y comorbilidad en los países desarrollados, por ello se han realizado grandes inversiones en las últimas décadas para producir herramientas de diagnóstico y aplicaciones de tratamiento de enfermedades cardíacas de alta calidad. Una de las mejores herramientas de diagnóstico para caracterizar el corazón ha sido la imagen por resonancia magnética (IRM) gracias a sus capacidades de alta resolución tanto en la dimensión espacial como temporal, lo que permite generar imágenes dinámicas del corazón para un diagnóstico preciso. Las dimensiones del ventrículo izquierdo y la fracción de eyección derivada de ellos son los predictores más potentes de morbilidad y mortalidad cardiaca y su cuantificación tiene connotaciones importantes para el manejo y tratamiento de los pacientes. De esta forma, la IRM cardiaca es la técnica de imagen más exacta para la valoración del ventrículo izquierdo. Para obtener un diagnóstico preciso y rápido, se necesita un cálculo fiable de biomarcadores basados en imágenes a través de software de procesamiento de imágenes. Hoy en día la mayoría de las herramientas empleadas se basan en sistemas semiautomáticos de Diagnóstico Asistido por Computador (CAD) que requieren que el experto clínico interactúe con él, consumiendo un tiempo valioso de los profesionales cuyo objetivo debería ser únicamente interpretar los resultados. Un cambio de paradigma está comenzando a entrar en el sector médico donde los sistemas CAD completamente automáticos no requieren ningún tipo de interacción con el usuario. Estos sistemas están diseñados para calcular los biomarcadores necesarios para un diagnóstico correcto sin afectar el flujo de trabajo natural del médico y pueden iniciar sus cálculos en el momento en que se guarda una imagen en el sistema de archivo informático del hospital. Los sistemas CAD automáticos, aunque se consideran uno de los grandes avances en el mundo de la radiología, son extremadamente difíciles de desarrollar y dependen de tecnologías basadas en inteligencia artificial (IA) para alcanzar estándares médicos. En este contexto, el aprendizaje profundo (DL) ha surgido en la última década como la tecnología más exitosa para abordar este problema. Más específicamente, las redes neuronales convolucionales (CNN) han sido una de las técnicas más exitosas y estudiadas para el análisis de imágenes, incluidas las imágenes médicas. En este trabajo describimos las principales aplicaciones de CNN para sistemas CAD completamente automáticos para ayudar en la rutina de diagnóstico clínico mediante resonancia magnética cardíaca. El trabajo cubre los puntos principales a tener en cuenta para desarrollar tales sistemas y presenta diferentes resultados de alto impacto dentro del uso de CNN para resonancia magnética cardíaca, separados en tres proyectos diferentes que cubren su aplicación en la rutina clínica de diagnóstico, cubriendo los problemas de la segmentación, estimación automática de biomarcadores con explicabilidad y la detección de eventos. El trabajo completo presentado describe enfoques novedosos y de alto impacto para aplicar CNN al análisis de resonancia magnética cardíaca. El trabajo proporciona varios hallazgos clave, permitiendo varias formas de integración de esta reciente y creciente tecnología en sistemas CAD completamente automáticos que pueden producir resultados altamente precisos, rápidos y confiables. Los resultados descritos mejorarán e impactarán positivamente el flujo de trabajo de los expertos clínicos en un futuro próximo.
Biodegradable hydrogels based on water-soluble chitosan for cell transplant
(Universitat Politècnica de València, 2016-11-02) Gámiz González, Mª Amparo; Gómez Ribelles, José Luís; Vidaurre Garayo, Ana Jesús; Dpto. de Termodinámica Aplicada; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
[EN] The aim of tissue engineering is to develop functional biological substitutes to replace or restore damaged tissues by preparing three-dimensional scaffolds able to accommodate cells plus signaling factors to promote the regeneration of damaged tissue. There is a special interest in developing scaffolds that while providing a favourable environment for cells also possess a degradation rate that can be adapted to the tissue's rate of regeneration. Scaffolds should be porous and possess a pore morphology adapted to the application for which they are designed. They must also be able to hold large quantities of water (hydrogels) while presenting suitable cell/biomaterial interaction. The aim of this thesis is to create chitosan-based three-dimensional porous structures with tunable degradation rates with particular interest in fast degradation rate. Hydrogels of block-copolymer networks were prepared to crosslink the chitosan (CHT) or carboxymethyl chitosan (CmCHT) with either a hydrophobic polymer of low molecular weight, such as poly(ε-caprolactone), (PCL) or a hydrophilic polymer such as poly(ethylene glycol), (PEG). The hypothesis was that the degradation of the cross-linker polymer leaves behind large water-soluble polymer chains (protonated chitosan or carboxymethyl chitosan). However, in spite of chitosan's favourable properties, the polymer has relatively slow biodegradation times in enzymatic media that contain lysozyme and even slower in hydrolytic conditions. Chitosan's physical and chemical properties largely depend on its deacetylation degree (DD). In order to analyze these properties, chitosan was synthesized with various DD ranging from 85% to 45%. Water absorption was seen to rise rapidly as deacetylation was reduced. This would appear to contradict the fact that chitin water absorption (low DD) is much lower than that of chitosan. In order to understand this behaviour, it was analyzed the dependence of the degree of network swelling on the parameters determined by the Flory Rhener theory, the elastic properties of the network and the density of the cross-linking according to the sample's water content. The thermal stability of chitosan according to its DD was analysed by thermogravimetry. Different methods were applied to obtain the activation energy. Electrospinning was chosen as the porous membrane preparation technique as it provides thin membranes that can be handled with fiber sizes in the order of microns. The influence of the electrospinning and cross-linking processes on the thermal stability of chitosan was analyzed. Chitosan and carboxymethyl chitosan hydrogels covalently cross-linked with short chains of poly(ε-caprolactone), (PCL) and poly(ethylene glycol) (PEG) were synthesized. The formation of networks was confirmed by solubility tests with appropriate solvents for each polymer. Hydrogels that absorbed large quantities of water were obtained, with values that ranged between 90 and 5000%. The calorimetric tests together with the Studies on the kinetics of hydrolytic and enzymatic biodegradation showed three different systems: CmCHT-PEG system that can be classified as stable hydrogel, CHT-PCL system as semidegradable hydrogel and degradable hydrogels with degradation kinetics in the order of days for the CmCHT-PCL system. Finally, biological studies were carried out on porous CmCHT-PCL hydrogels. Mesenchymal stem cells (MSCs) from pig adipose tissue were then cultivated and the results showed that these networks can be used in the organism in tissue engineering applications with degradation times of around a week.
Biohybrids for Neural Tracts Regeneration
(Universitat Politècnica de València, 2022-03-11) Rodríguez Doblado, Laura; Martínez Ramos, Cristina; Monleón Pradas, Manuel; Dpto. de Termodinámica Aplicada; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Agencia Estatal de Investigación; Ministerio de Economía y Competitividad; Ministerio de Educación, Cultura y Deporte
[ES] Las lesiones del sistema nervioso que implican la interrupción de haces axonales son devastadoras para el individuo. La regeneración autónoma de los tractos axonales dañados o degenerados es poco frecuente, ya que intervienen una gran cantidad de factores que limitan esta recuperación. Hoy en día, la medicina convencional no cuenta con tratamientos efectivos y exitosos para estas lesiones, y el tratamiento de los síntomas suele ser la mejor solución. Para revertirlo y lograr la reconexión funcional de las neuronas, la ingeniería de tejidos actualmente opta por el uso de soportes tridimensionales biocompatibles, células y moléculas bioactivas. Específicamente, una de las estrategias propuestas han sido los conductos nerviosos guiados, no solo para lesiones de nervios periféricos sino también para tractos del sistema nervioso central. En esta Tesis Doctoral, se propone la combinación de un conducto tubular hueco de ácido hialurónico (HA) relleno con fibras de ácido poli-L-lactida (PLA) en su lumen, y con células de Schwann (SC) pre-cultivadas como células de soporte de la extension axonal para superar los obstáculos que limitan la regeneración de axones in vivo. Se ha demostrado que el conducto de HA y las fibras de PLA mantienen la proliferación de las SC, las cuales forman una estructura cilíndica denominada 'vaina de SC' en la pared interna del lumen del conducto y a su vez crecen de forma direccional en las fibras de PLA. El conjunto unidireccional paralelo formado por las fibras PLA y las SC recapitula las características direccionales de los tractos axonales en el sistema nervioso. Al sembrar un explante de ganglio de la raíz dorsal (DRG) en uno de los extremos del conducto, se ha conseguido el crecimiento de los axones del DRG y se ha estudiado las características de las SC, los axones crecidos y su asociación, comprobando que el biohíbrido es capaz de soportar el crecimiento axonal. Además, se propone un concepto multimodular para superar las limitaciones típicas de la regeneración axonal a larga distancia, con la combinación de haces de fibras de PLA en el lumen de varios conductos o módulos de HA individuales más cortos que se posicionan uno detrás del otro, diseñando conductos nerviosos guiados con la longitud deseada, junto con SC pre-cultivadas. El conducto multimodular demostró ser eficaz para promover el crecimiento dirigido de axones. Además, se ha desarrollado un constructo compuesto por la estructura formada por las fibras de PLA y las SC, denominado 'cordón neural', tras eliminar el conducto de HA, lo que abre la puerta a la generación de una estructura neural in vitro para su trasplante.
Biomimetic injectable hydrogels of gelatin and hyaluronic acid for hepatic cell culture
(Universitat Politècnica de València, 2024-09-02) Rodríguez Fernández, Julio; Gallego Ferrer, Gloria; Salmerón Sánchez, Manuel; Tolosa Pardo, Laia; Dpto. de Termodinámica Aplicada; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
[ES] La ingeniería tisular hepática ofrece una herramienta propicia de cribado toxicológico y modelización de enfermedades, que también podría proporcionar una terapia alternativa al trasplante de hígado para tratar enfermedades hepáticas en fase terminal. Se han propuesto varios modelos celulares para estudiar la fisiología hepática y el desarrollo de enfermedades. Los sistemas in vitro clásicos se basan en cultivos en monocapa de hepatocitos humanos primarios o líneas celulares de hepatoma, aunque en los últimos años se ha fomentado el uso de sistemas más complejos que también tienen en cuenta la organización tridimensional. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es desarrollar un sistema hepático tridimensional que recapitule la organización tridimensional del hígado utilizando hidrogeles y constructos porosos basados en la matriz extracelular hepática, y su aplicación para el estudio y tratamiento de enfermedades hepáticas. Para ello, primero optimizamos la composición utilizando hidrogeles de gelatina y ácido hialurónico, buscando las propiedades mecánicas más parecidas a las del hígado humano. Para determinar la idoneidad de los hidrogeles desarrollados para el cultivo de células hepáticas, se utilizó la reticulación in situ de células HepG2, una línea celular de hepatoma ampliamente utilizada en Hepatología, y se analizó tanto la viabilidad como la funcionalidad de las células. La caracterización mecánica de los hidrogeles y la evaluación de la funcionalidad de las células HepG2, nos llevaron a seleccionar la composición 20-80 gelatina-ácido hialurónico como la óptima para el cultivo de células hepáticas. En segundo lugar, se prepararon constructos porosos de gelatina-ácido hialurónico con porosidad interconectada y se utilizaron para el cultivo de hepatocitos humanos primarios y la evaluación de las funciones hepáticas clave. Los hepatocitos humanos primarios cultivados en constructos porosos de gelatina-ácido hialurónico mostraron una mayor secreción de albúmina y urea, y una mayor capacidad metabólica (niveles de actividad citocromo P450 y UDP-glucuronosiltransferasa) en comparación con los cultivos en monocapa estándar. El trasplante del constructo poroso con hepatocitos humanos produjo una mejora de la función hepática (niveles de transaminasas, necrosis) y mejoró el daño en un modelo de ratón de insuficiencia hepática inducida por acetaminofeno. Además, el estudio in vivo también proporcionó una comprensión mecanicista de la lesión hepática inducida por acetaminofeno y el impacto del trasplante mediante el análisis de la producción de citoquinas y la inducción de estrés oxidativo para encontrar biomarcadores adecuados de la eficacia de la terapia celular. Finalmente, en la última parte de esta tesis doctoral hemos explorado el uso de la bioimpresión como método para aumentar el rendimiento de los sistemas de ensayo que mejor imitan el entorno y la complejidad del tejido hepático. Para transformar los hidrogeles desarrollados en biotintas, se aumentó el peso molecular del ácido hialurónico. A continuación, se estudió la idoneidad de biotintas híbridas de gelatina y ácido hialurónico mediante la determinación de la viscosidad, la uniformidad y el factor de poros. La bioimpresión de células HepG2 demostró la idoneidad de las biotintas seleccionadas para el cultivo de células hepáticas y la mejora de su producción, lo que sugiere la conveniencia de automatizar y escalar la fabricación de hidrogeles.
CARACTERIZACIÓN CUANTITATIVA DE LA PATOLOGÍA DISCAL Y LUMBAR DEGENERATIVA MEDIANTE ANÁLISIS DE IMAGEN POR RESONANCIA MAGNÉTICA Y DETECCIÓN Y SEGMENTACIÓN DE LA COLUMNA VERTEBRAL EN PACIENTES ONCOLÓGICOS A PARTIR DEL ANÁLISIS DE IMAGEN EN TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA
(Universitat Politècnica de València, 2016-09-01) Ruiz España, Silvia; Arana Fernandez de Moya, Estanislao; Moratal Pérez, David; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
[EN] Over the last 20 years health system has been revolutionized by imaging technology so diagnostic imaging has become the mainstay of the management of patients. Nowadays, degeneration of the intervertebral discs, herniation and spinal stenosis are very common entities that affect millions of people and cause back pain. The development of computer-aided diagnosis (CAD) methods for classifying and quantifying these pathologies has increased in the past decade as a way to assist radiologists in the diagnosis task. So, the main objective of the first part of this Doctoral Thesis is the development of a CAD software for the classification and quantification of spine disease by means of Magnetic Resonance image analysis. To this end, two different groups of patients have been used, one as training group (14 patients) and the other as testing group (53 patients). To classify disc degeneration according to the gold standard, Pfirrmann classification, a method mainly based on the measurement of disc signal intensity and structure has been developed. The method developed to detect disc herniations has been focused on disc segmentation and its approximation by an ellipse, in this way it is possible to extract disc shape features for detecting contour abnormalities. The method developed to detect spinal stenosis, based on signal intensity, has been developed to extract the spinal canal and, by applying different techniques, to detect spinal stenosis at every intervertebral disc level and quantify the severity of the pathology. The results have shown a segmentation inaccuracy below 1%. Regarding reproducibility, it has been obtained an almost perfect agreement (measured by the k and ICC statistics) for all the analysed pathologies. The results have shown that the developed methods can assist radiologists to perform their decision-making tasks, providing support for enhanced reproducibility of MRI reports and achieving greater objectivity. However, not only the intervertebral discs are susceptible to suffer several pathologies. The vertebral bodies are also subject to a wide variety of diseases because of different circumstances. So, prior to any diagnosis task, an accurate detection and segmentation of the vertebral bodies are the first crucial steps. Therefore, the main objective of the second part of this Doctoral Thesis is the development of an automatic method for the detection and segmentation of the spine in Computed Tomography imaging. Performing an automatic and robust segmentation is a very challenging task due to the difficulty discriminating between the ribs and the vertebral bodies. To overcome this problem, two different segmentation methods have been combined: the first method uses a Level-Set method to perform an initial segmentation; the second method uses a probabilistic atlas to refine the initial segmentation with a special focus on ribs suppression. So a 3D volume indicating the probability of each voxel of belonging to the spine has been developed, by means of a set of images, corresponding to 14 patients (training group), manually segmented by an expert. The generated probability map has been deformed and adapted to each testing case. To evaluate the segmentation results and the improvement obtained after applying the atlas to the initial segmentation, the Dice similarity coefficient (DSC) and the Hausdorff distance (HD) have been used. The results have shown up an average of 11 mm of improvement in segmentation accuracy in terms of HD, obtaining an overall final average of 14,98 ± 1,32 mm. A refinement of 1,3 % has been obtained in terms of DSC, with a global value of 91,75 ± 1,20 %. The study has demonstrated that the atlas is able to detect and appropriately eliminate the ribs while improving the segmentation accuracy.
Caracterización del infarto de miocardio por RM.Cuantificación de parámetros morfológicos y funcionales
(Universitat Politècnica de València, 2013-06-17T12:38:16Z) Chaustre Mendoza, Luis Fabián; Bodí Peris, Vicente; Monleon Salvadó, Daniel; Moratal Pérez, David; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
Esta Tesis Doctoral comprende la caracterización del infarto de miocardio evaluado mediante el uso de la resonancia magnética. Se centra en la cuantificación de los principales índices que se pueden medir a partir de las imágenes de las distintas secuencias obtenidas mediante la resonancia magnética cardiaca. El uso de esta técnica se considera en la actualidad como el método de referencia ya que permite explorar la anatomía del corazón de forma no invasiva y valorarlo de forma cualitativa, semicuantitativa y cuantitativa. El infarto de miocardio es una de las enfermedades que más mortalidad producen en el mundo. El objetivo general de esta tesis fue evaluar cuantitativamente mediante la realización de un análisis precoz tras un infarto de miocardio cuáles de los índices nos permiten predecir una fracción de eyección preservada a los seis meses del infarto agudo de miocardio con elevación del segmento ST. Los pacientes incluidos en este trabajo fueron evaluados previamente por un cardiólogo y se le realizó el protocolo de estudio de cardiopatía isquémica, cumpliendo con la Declaración Helsinki. Todos los pacientes se evaluaron de igual manera mediante un estudio de resonancia magnética cardiaca. En el sexto mes se repitió la resonancia magnética cardiaca siguiendo el mismo protocolo que en la exploración inicial. La cuantificación de las imágenes de resonancia magnética cardiaca se realizó en una estación de trabajo, utilizando el software específico QMASS MR 6.1.5. Se evaluaron los parámetros derivados de cada secuencia mediante definición manual de los bordes endocárdicos en todos los cortes. La localización de los segmentos se llevó a cabo aplicando el modelo de 17 segmentos. En conclusión el análisis cuantitativo de los diferentes índices nos permite saber con claridad cuáles de estos índices son útiles para predecir la función sistólica tardía después de un infarto de miocardio.
Characterizing functional and structural brain alterations driven by chronic alcohol drinking: a resting-state fMRI connectivity and voxel-based morphometry analysis
(Universitat Politècnica de València, 2018-11-22) Pérez Ramírez, María Úrsula; Canals Gamoneda, Santiago; Moratal Pérez, David; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
El balance del cerebro se altera a nivel estructural y funcional por el consumo de alcohol y puede causar trastornos por consumo de alcohol (TCA). El objetivo de esta Tesis Doctoral fue investigar los efectos del consumo crónico y excesivo de alcohol en el cerebro desde una perspectiva funcional y estructural, mediante análisis de imágenes multimodales de resonancia magnética (RM). Realizamos tres estudios con objetivos específicos: i) Para entender cómo las neuroadaptaciones desencadenadas por el consumo de alcohol se ven reflejadas en la conectividad cerebral funcional entre redes cerebrales, así como en la actividad cerebral, realizamos estudios en ratas msP en condiciones de control y tras un mes con acceso a alcohol. Para cada sujeto se obtuvieron las señales específicas de sus redes cerebrales tras aplicar análisis probabilístico de componentes independientes y regresión espacial a las imágenes funcionales de RM en estado de reposo (RMf-er). Después, estimamos la conectividad cerebral en estado de reposo mediante correlación parcial regularizada. Para una lectura de la actividad neuronal realizamos un experimento con imágenes de RM realzadas con manganeso. En la condición de alcohol encontramos hipoconectividades entre la red visual y las redes estriatal y sensorial; todas con incrementos en actividad. Por el contrario, hubo hiperconectividades entre tres pares de redes cerebrales: 1) red prefrontal cingulada media y red estriatal, 2) red sensorial y red parietal de asociación y 3) red motora-retroesplenial y red sensorial, siendo la red parietal de asociación la única red sin incremento de actividad. Estos resultados indican que las redes cerebrales ya se alteran desde una fase temprana de consumo continuo y prolongado de alcohol, disminuyendo el control ejecutivo y la flexibilidad comportamental. ii) Para comparar el volumen de materia gris (MG) cortical entre 34 controles sanos y 35 pacientes con dependencia al alcohol, desintoxicados y en abstinencia de 1 a 5 semanas, realizamos un análisis de morfometría basado en vóxel. Las principales estructuras cuyo volumen de MG disminuyó en los sujetos en abstinencia fueron el giro precentral (GPreC), el giro postcentral (GPostC), la corteza motora suplementaria (CMS), el giro frontal medio (GFM), el precúneo (PCUN) y el lóbulo parietal superior (LPS). Disminuciones de MG en el volumen de esas áreas pueden dar lugar a cambios en el control de los movimientos (GPreC y CMS), en el procesamiento de información táctil y propioceptiva (GPostC), personalidad, previsión (GFM), reconocimiento sensorial, entendimiento del lenguaje, orientación (PCUN) y reconocimiento de objetos a través de su forma (LPS). iii) Caracterizar estados cerebrales dinámicos en señales de RMf mediante una metodología basada en un modelo oculto de Markov (HMM en inglés)-Gaussiano en un paradigma con diseño de bloques, junto con distintas señales temporales de múltiples redes: componentes independientes y modos funcionales probabilísticos (PFMs en inglés) en 14 sujetos sanos. Cuatro condiciones experimentales formaron el paradigma de bloques: reposo, visual, motora y visual-motora. Mediante la aplicación de HMM-Gaussiano a los PFMs pudimos caracterizar cuatro estados cerebrales a partir de la actividad media de cada PFM. Los cuatro mapas espaciales obtenidos fueron llamados HMM-reposo, HMM-visual, HMM-motor y HMM-RND (red neuronal por defecto). HMM-RND apareció una vez el estado de tarea se había estabilizado. En un futuro cercano se espera obtener estados cerebrales en nuestros datos de RMf-er en ratas, para comparar dinámicamente el comportamiento de las redes cerebrales como un biomarcador de TCA. En conclusión, las técnicas de neuroimagen aplicadas en imagen de RM multimodal para estimar la conectividad cerebral en estado de reposo, la actividad cerebral y el volumen de materia gris han permitido avanzar en el entendimiento de los mecanismos homeostático
Conductos de ácido hialurónico para el crecimiento axonal guiado
(Universitat Politècnica de València, 2015-12-14) Vilariño Feltrer, Guillermo; Martínez Ramos, Cristina; Monleón Pradas, Manuel; Vallés Lluch, Ana; Dpto. de Termodinámica Aplicada; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
[EN] Since a considerable number of factors limit or prevent the autonomous regeneration of injured or degenerated tracts in the nervous system, its effective restoration is a rare phenomenon. Therefore, conventional medicine has only succeeded in therapies aimed at treating the symptoms and effects of the damage. In order to revert them and to restore the functionality of a neuronal network, tissue engineering is currently researching about the synergic use of cells, bioactive molecules and three-dimensional biocompatible supports. More precisely, the regeneration of nervous system damaged structures is being studied through strategies like the so-called neural conduits. In this thesis, a channeled porous scaffold based on hyaluronic acid, a hydrophilic natural polymer, has been designed, developed and characterized, both physicochemically and biologically. By chemically crosslinking this polymer through divinyl sulfone and next lyophilizing it, a degradable and millimeter-size conduit has been obtained, soft but stable in physiological medium. The conduit wall has a singular three-layer distribution, able to avoid glial cells migration through it, but entirely permeable to nutrients and proteins. Furthermore, if Schwann cells are cultured for 10 days within the conduit's lumen, they create a cell tube-like structure with several hundreds of microns in diameter, thin but dense, similar to those of nerve fascicles. The ability of the conduits, the Schwann cells macrosheath and a bundle of 30 um poly-L-lactic acid fibers to guide the growth of neurons in dorsal root ganglia explants has been evaluated as well. Only the biohybrid system, composed by the conduit, the stretched fibers within and the cells macrosheath, is a beneficial enough context to permit neurons grow at a similar rate to other promising strategies in tissue engineering of the nervous system.
Desarrollo de andamiajes con porosidad estratificada basados en poliésteres como soportes en co-cultivo celular indirecto.
(Universitat Politècnica de València, 2022-12-23) Herrero Herrero, María; Gómez Tejedor, José Antonio; Rodríguez Hernández, José Carlos; Vallés Lluch, Ana; Dpto. de Física Aplicada; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Dpto. de Termodinámica Aplicada; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Geodésica, Cartográfica y Topográfica; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
[ES] El desarrollo de la sociedad ha estado siempre ligado a los avances científicos y tecnológicos. Sin embargo, algunos de estos avances han supuesto la aparición de nuevos problemas, sobre todo de tipo ético, dando lugar a nuevos movimientos asociativos contrarios a ellos. Un ejemplo de ello es el uso de la experimentación animal, fundamentalmente en el campo de la medicina, y más concretamente en el ensayo de fármacos y dispositivos implantables en contacto con medios biológicos. En este sentido, desde el ámbito de los biomateriales y la ingeniería tisular se trabaja para buscar alternativas a la experimentación animal. Una de estas alternativas es el desarrollo de modelos in vitro a partir de soportes poliméricos para el crecimiento celular in vitro. Estas estructuras, además, podrían emplearse no sólo en ensayos de fármacos o investigación in vitro para reducir el uso de animales en experimentación, sino también para regeneración tisular, simulando desde tejidos simples en los que se tienen un único tipo celular, a tejidos más complejos a partir del co-cultivo celular. Así pues, en esta tesis se ha desarrollado un sistema tridimensional con estructura porosa estratificada que permite tanto el co-cultivo celular indirecto, como la realización de ensayos de liberación de fármacos. Para ello, se ha obtenido soportes porosos (scaffolds) por medio de la técnica de solvent-casting particle-leaching empleando como porógeno sal, cuyo tamaño de poro permite albergar células en su interior, sobre los que se han dispuesto, formando una estructura tipo sándwich, membranas electrohiladas. Estas membranas forman una estructura de fibras entrecruzadas, dejando entre ellas espacios de tamaño muy inferior al tamaño celular, de modo que permiten el paso de nutrientes y moléculas a través de ellas, pero actúan de barrera para las células impidiendo su migración a otras zonas del sistema tridimensional. Este tipo de estructuras permiten simular, por ejemplo, la arquitectura tubular renal, con la zona porosa intersticial central y las dos capas epitelial y endotelial externas, que estarían en contacto con la orina y la sangre, respectivamente. Para obtener estas estructuras, se ha optado por emplear polímeros de la familia de los poliésteres, en particular ácido poliláctico y poli(¿-caprolactona), así como su mezcla y copolímeros con ácido poliglicólico. Estas combinaciones permiten ajustar la hidrofilicidad, y por tanto la biodegradabilidad, la cinética de liberación de fármacos y el comportamiento biológico, según interese. Además, el uso de la técnica de electrospinning para el desarrollo de las membranas, permite obtener diferentes diámetros de fibra a partir de la modificación de los principales parámetros del electrohilado, permitiendo también regular las propiedades de estos materiales. Finalmente, para estudiar la liberación de fármacos desde el sistema anterior, las membranas electrohiladas se han cargado con curcumina mediante dos métodos diferentes: a través del método de electrohilado en disolución y con electrospinning coaxial, para obtener así diferentes perfiles de liberación.
DESARROLLO DE UNA PRÓTESIS REGENERATIVA DE TENDÓN
(Universitat Politècnica de València, 2013-07-01T10:54:14Z) Araque Monrós, María Carmen; Monleón Pradas, Manuel; Más Estellés, Jorge; Dpto. de Física Aplicada; Dpto. de Termodinámica Aplicada; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Informática
Los tendones juegan un papel clave en la mecánica articular. Estos tejidos poseen una actividad celular escasa y poca capacidad de regenerarse; debido a ello cuando sufren una lesión grave, se requiere el uso de prótesis sintéticas. Debido a los numerosos problemas que presentan las prótesis actuales, se presenta un nuevo concepto de prótesis tendinosa diseñada siguiendo las estrategias de la Ingeniería Tisular del tendón. El concepto que presentamos es el de una prótesis apta para tendón, que tras su implante, se degrada mientras induce la autoregeneración del tejido natural. Para conseguirlo, la prótesis se cultiva, previamente o durante el implante, con células capaces de inducir la regeneración del tejido natural. Para acelerar esta regeneración se puede hacer uso de factores estimulantes, tales como factores de crecimiento y biorreactores. La prótesis consta de un trenzado hueco de ácido poli-L-láctico (PLA), que reproduce el comportamiento mecánico del tendón o ligamento natural. El hueco del trenzado va relleno de una combinación de micropartículas de PLA y ácido hialurónico (HA), que sirven de soporte (scaffold) a las células precursoras de los tenocitos. Este combinado es introducido mediante una jeringuilla en el interior del trenzado. La parte exterior del trenzado lleva un recubrimiento de HA que evita las adherencias de la prótesis con los tejidos circundantes, permitiendo, sin embargo, el suministro de nutrientes a las células del interior de la trenza. Objetivos Se pretende verificar que el nuevo concepto de prótesis es apto para tal aplicación. Para ello una vez diseñado el prototipo se ha realizado una caracterización física, química y mecánica, para cerciorarnos que las propiedades de los materiales que la forman se asemejan a las propiedades del tejido a reemplazar. Además se ha realizado una caracterización biológica para observar el comportamiento de diferentes fuentes celulares, al mismo tiempo que se han usado factores estimulantes (factores de crecimiento y biorreactor) para estudiar la respuesta celular a estos estímulos y observar si se produce diferenciación celular, incremento en la producción de matriz extracelular y alineamiento celular, entre otros. Elementos de la metodología a destacar Se ha utilizado numerosas técnicas para la fabricación y caracterización de los materiales, incluyendo el diseño y la fabricación de un biorreactor. Resultados logrados. Tras el estudio de caracterización física, química y mecánica de los materiales se ha demostrado que poseen características idóneas para ser utilizados en la fabricación de una futura prótesis tendinosa. Con respecto a los ensayos biológicos se ha podido comprobar que las células cultivadas muestran un buen comportamiento proliferando y adhiriéndose al material. Además, los resultados indican que el uso de los factores estimulantes promueve la diferenciación tenocítica, demostrando que las células mesenquimales provenientes de médula ósea son una fuente celular apropiada para utilizarlas en la regeneración tendinosa.
Developing preclinical devices for neuroscience research in the fields of animal tracking, fMRI acquisition, and 3D histology cutting
(Universitat Politècnica de València, 2019-03-27) Quiñones Colomer, Darío Rubén; Canals Gamoneda, Santiago; Moratal Pérez, David; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Ministerio de Economía y Competitividad; European Commission
[ES] La neurociencia es un campo que abarca muchas especialidades. El objetivo de esta tesis es subsanar algunas carencias tecnológicas que existen en los métodos actuales de experimentación animal en neurociencia. En esta tesis, se presentan seis proyectos, que tendrán como objetivo mejorar el "Principio de las tres R", el cual fue enunciado por los biólogos ingleses W. M. S. Russell y R. L. Burch, durante la experimentación animal. El comportamiento es uno de los aspectos más importantes de la vida animal. Depende de los vínculos entre los animales, sus sistemas nerviosos y sus entornos. Para estudiar el comportamiento de los animales de laboratorio, se necesitan varias herramientas, pero una herramienta de seguimiento es esencial para llevar a cabo un estudio de comportamiento exhaustivo. Varias herramientas de seguimiento visual están actualmente disponibles. Sin embargo, todas tienen algunos inconvenientes. Por ejemplo, en una situación en la que un animal está dentro de una madriguera o cerca de otros animales, las cámaras de rastreo (tracking) no siempre pueden detectar la ubicación precisa o el movimiento del animal. Por esta razón, los entornos enriquecidos para intentar recrear el hábitat natural de los animales en experimentación no pueden utilizarse, ya que los datos recopilados son insuficientes/inexactos. Con la finalidad de mejorar los experimentos de tracking RFID Assisted Tracking Tile (RATT) es presentado en esta tesis. RATT es un sistema de seguimiento basado en tecnología de identificación pasiva de radiofrecuencia (RFID) y está compuesto por baldosas electrónicas con las que se puede construir una gran superficie, sobre la cual los animales pueden moverse libremente. Esto permite la identificación más precisa de los animales, así como el seguimiento de sus movimientos. Este sistema, que también se puede combinar con un sistema de seguimiento con cámaras, allana el camino para estudios completos de comportamiento en entornos enriquecidos. Dada la capacidad de rastrear animales y, por lo tanto, realizar experimentos de comportamiento exhaustivos, es posible observar cómo se comportan los sujetos desde un punto de vista externo. Sin embargo, si queremos comprender lo que sucede en el cerebro de estos sujetos, es necesario aplicar otras técnicas de análisis, por ejemplo, el estudio de señales dependientes del nivel de oxígeno en la sangre (BOLD, por sus siglas en inglés). Las señales BOLD se basan en las respuestas vasculares a la activación neuronal y se utilizan ampliamente en estudios de investigación clínicos y preclínicos. En entornos preclínicos, los animales suelen ser anestesiados. Sin embargo, los anestésicos causan cambios en la fisiología de los animales, p. Ej. hipotermia, y esto tiene el potencial de alterar las señales funcionales de MRI (fMRI). Para evitar la hipotermia en roedores anestesiados, se presenta TherMouseDuino. Este es un sistema de control automático de temperatura de código abierto, que reduce las fluctuaciones de la temperatura, lo que proporciona condiciones sólidas para realizar experimentos de resonancia magnética funcional. En los cursos de biología y neurociencia, la anatomía del cerebro se enseña generalmente utilizando imágenes de resonancia magnética (IRM) o secciones histológicas de diferentes planos. Estos muestran las áreas macroscópicas más importantes en el cerebro de un animal. Sin embargo, este método no es dinámico ni intuitivo. En esta tesis se presenta un cerebro de rata impreso en 3D con fines educativos. La manipulación manual de la estructura, facilitada por la ampliación de sus dimensiones, junto con la capacidad de desmontar el "cerebro" en algunas de sus partes principales, facilita la comprensión de la organización 3D del sistema nervioso. Este es un método alternativo y mejorado para enseñar a los estudiantes en general y a los biólogos, en particular, la anatomía del cerebro de rata.
Development of a 3D in Vitro Disease Model for Multiple Myeloma
(Universitat Politècnica de València, 2022-09-06) Clara Trujillo, Sandra; Gallego Ferrer, Gloria; Gómez Ribelles, José Luís; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Dpto. de Termodinámica Aplicada; Dpto. de Química; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial; Instituto Interuniversitario de Investigación de Reconocimiento Molecular y Desarrollo Tecnológico; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica y del Medio Natural; Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades; Agencia Estatal de Investigación
[ES] La ingeniería tisular ha evolucionado hacia el modelado de la fisiología humana in vitro. El microambiente de la médula ósea (BM) es también hogar de procesos malignos. El mieloma múltiple (MM) es una neoplasia hematológica caracterizada por proliferación y acumulación en la BM de células plasmáticas monoclonales. Los tratamientos han mejorado, sin embargo, sigue siendo incurable. Moléculas de la matriz extracelular como fibronectina (FN) o ácido hialurónico (HA) tienen un papel reconocido en la resistencia a fármacos (DR). La inadecuación de los modelos preclínicos bidimensionales es una de las bases del problema de DR. Se han intentado diferentes enfoques in vitro, sin embargo, se basan en hidrogeles y andamios celulares diseñados para células adherentes, mientras que las células de MM presentan crecimiento en suspensión. El objetivo principal de esta Tesis es desarrollar, optimizar y validar una plataforma de cultivo 3D, denominada microgel, basada en microesferas en un medio líquido y que coexisten con células de MM creciendo dinámicamente en suspensión. Se desarrollaron y caracterizaron diferentes microesferas con diferentes funcionalizaciones. Optimizamos un protocolo de polimerización en suspensión para la obtención de microesferas a base de acrilatos con dos composiciones diferentes (presencia (10%) o ausencia (0%) de ácido acrílico (AA)) i dos distribuciones de tamaño diferentes (< 60 y > 70 ¿m). La FN se adsorbió en la superficie de la microesfera, mientras que el HA, colágeno I y diferentes secuencias peptídicas se injertaron covalentemente. Se modificaron las microesferas comerciales Cytodex 1 para adaptar sus características a la plataforma. Se utilizaron técnicas capa por capa (LbL) para introducir HA y sulfato de condroitina (CS) en su superficie. Por tanto, se ha generado un amplio repertorio de microesferas para desarrollar microgeles. Se optimizaron y validaron las condiciones de cultivo para la plataforma de microgel. Las condiciones óptimas se establecieron como 150 rpm de velocidad de agitación utilizando un agitador orbital y microesferas de < 60 ¿m. Los microgeles con diferentes composiciones y funcionalizaciones permitieron una buena proliferación de las líneas RPMI8226, U226 y MM1.S. Todos los sistemas respetaron el patrón de crecimiento en suspensión, factor que ha demostrado ser clave para su buen desempeño en cultivo 3D. En estudios iniciales de DR, la línea celular RPMI8226 cultivada en microgeles que contenían AA mostró una resistencia significativamente mayor a la dexametasona que sus cultivos en suspensión. Y las líneas RPMI8226, U226 y MM1.S cultivadas en microgeles que contenían AA mostraron una resistencia significativamente mayor a bortezomib que sus cultivos en suspensión. Por lo tanto, la presencia de AA en la matriz polimérica mostró un efecto positivo en la generación de DR in vitro y requerirá más estudios. Se ha validado la reducción de escala del sistema para trabajar con volúmenes más pequeños de microesferas y números reducidos de células, lo que es de gran relevancia para su traslación clínica. Finalmente, se han realizado cultivos preliminares con la línea celular RPMI8226 en los microgeles basados en Cytodex 1. Las microesferas de Cytodex 1 sin modificación tuvieron un efecto negativo sobre la viabilidad de las células de MM. La modificación mediante LbL con los pares quitosano/CS y quitosano/HA aumentó la viabilidad y proliferación. Sin embargo, estos sistemas no respetaron el carácter no adherente de las células MM. Hemos desarrollado y validado un novedoso sistema de cultivo basado en un medio 3D semisólido definido por microesferas y células de MM especialmente diseñado para células en suspensión. Este sistema constituye una herramienta versátil que debe explorarse más a fondo para el cultivo 3D de neoplasias hematológicas y para estudios de resistencia a fármacos in vitro.
Development of Advanced Closed-Loop Brain Electrophysiology Systems for Freely Behaving Rodents
(Universitat Politècnica de València, 2022-01-17) Cuevas López, Aarón; Canals Gamoneda, Santiago; Moratal Pérez, David; Dpto. de Ingeniería Electrónica; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
[ES] La electrofisiología extracelular es una técnica ampliamente usada en investigación neurocientífica, la cual estudia el funcionamiento del cerebro mediante la medición de campos eléctricos generados por la actividad neuronal. Esto se realiza a través de electrodos implantados en el cerebro y conectados a dispositivos electrónicos para amplificación y digitalización de las señales. De los muchos modelos animales usados en experimentación, las ratas y los ratones se encuentran entre las especies más comúnmente utilizadas. Actualmente, la experimentación electrofisiológica busca condiciones cada vez más complejas, limitadas por la tecnología de los dispositivos de adquisición. Dos aspectos son de particular interés: Realimentación de lazo cerrado y comportamiento en condiciones naturales. En esta tesis se presentan desarrollos con el objetivo de mejorar diferentes facetas de estos dos problemas. La realimentación en lazo cerrado se refiere a todas las técnicas en las que los estímulos son producidos en respuesta a un evento generado por el animal. La latencia debe ajustarse a las escalas temporales bajo estudio. Los sistemas modernos de adquisición presentan latencias en el orden de los 10ms. Sin embargo, para responder a eventos rápidos, como pueden ser los potenciales de acción, se requieren latencias por debajo de 1ms. Además, los algoritmos para detectar los eventos o generar los estímulos pueden ser complejos, integrando varias entradas de datos en tiempo real. Integrar el desarrollo de dichos algoritmos en las herramientas de adquisición forma parte del diseño experimental. Para estudiar comportamientos naturales, los animales deben ser capaces de moverse libremente en entornos emulando condiciones naturales. Experimentos de este tipo se ven dificultados por la naturaleza cableada de los sistemas de adquisición. Otras restricciones físicas, como el peso de los implantes o limitaciones en el consumo de energía, pueden también afectar a la duración de los experimentos, limitándola. La experimentación puede verse enriquecida cuando los datos electrofisiológicos se ven complementados con múltiples fuentes distintas. Por ejemplo, seguimiento de los animales o miscroscopía. Herramientas capaces de integrar datos independientemente de su origen abren la puerta a nuevas posibilidades. Los avances tecnológicos presentados abordan estas limitaciones. Se han diseñado dispositivos con latencias de lazo cerrado inferiores a 200us que permiten combinar cientos de canales electrofisiológicos con otras fuentes de datos, como vídeo o seguimiento. El software de control para estos dispositivos se ha diseñado manteniendo la flexibilidad como objetivo. Se han desarrollado interfaces y estándares de naturaleza abierta para incentivar el desarrollo de herramientas compatibles entre ellas. Para resolver los problemas de cableado se siguieron dos métodos distintos. Uno fue el desarrollo de headstages ligeros combinados con cables coaxiales ultra finos y conmutadores activos, gracias al seguimiento de animales. Este desarrollo permite reducir el esfuerzo impuesto a los animales, permitiendo espacios amplios y experimentos de larga duración, al tiempo que permite el uso de headstages con características avanzadas. Paralelamente se desarrolló un tipo diferente de headstage, con tecnología inalámbrica. Se creó un algoritmo de compresión digital especializado capaz de reducir el ancho de banda a menos del 65% de su tamaño original, ahorrando energía. Esta reducción permite baterías más ligeras y mayores tiempos de operación. El algoritmo fue diseñado para ser capaz de ser implementado en una gran variedad de dispositivos. Los desarrollos presentados abren la puerta a nuevas posibilidades experimentales para la neurociencia, combinando adquisición elextrofisiológica con estudios conductuales en condiciones naturales y estímulos complejos en tiempo real.
DEVELOPMENT OF CONTROLLED DRUG DELIVERY SYSTEMS OF POLYMERIC NANOMEDICINES ASSOCIATED TO SCAFFOLDS FOR TISSUE REGENERATION
(Universitat Politècnica de València, 2016-05-02) Rodríguez Escalona, Gabriela de Jesús; Monleón Pradas, Manuel; Vicent Docón, María Jesús; Dpto. de Termodinámica Aplicada; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
[EN] Nowadays, one of the biggest concerns that permanently keep the attention of main important sectors of human society is health. Modern medical science is compromised with not only providing good adequate treatments but also effective specific solutions for each type of disease or human pathology. In this direction, innovative approaches like tissue engineering or regenerative medicine, controlled drug delivery systems and nanomedicines emerge to bring alternatives to situations hard to solve with conventional treatment and strategies, including the replacement of damaged or diseases tissues and/or organs. Specifically, this research is mainly aimed to design a combined system for controlled, stable and localized release of therapeutic agents that are able to exert their effect selectively on the area that warrants treatment. This construct will have enough versatility to be adapted to almost any kind of treatment, from cancer to tissue regeneration, always that the key requirement of the treatment was the need to provide the treatment of localized, stable and controlled manner. With the purposes of making easier the understanding as well as the design of the system, I was decided, for the proof of concept, to use drugs and materials with known activity applied on tissue regeneration and for the treatment of chronic wounds. The system in question consists of three main elements: 1) The first element is the polymer conjugates of therapeutic agents, which contribute to increasing the selectivity of the therapeutic action of the drug, as well as improved stability, bioavailability and biocompatibility thereof. If the drug is hydrophobic, conjugation contributes to increase its solubility in water, and in the case of proteins used as therapeutic agents, the combination helps reduce the body's immune response, increasing the chance of successful of the treatment. 2) The second element are the biodegradable polymeric microparticles, which in this case act like encapsulation agents for polymeric conjugate , thus allowing to have a second control point in the release kinetics of the therapeutic agents . Simultaneously, the microparticles also play a role in modifying the texture of the final construct, ascribing mechanical and physicochemical properties that help to improve some biological properties of the final material, such as the affinity, adhesion and cell proliferation. 3) The third element consists of a nanoporous membrane made of a biodegradable polymer by electrospinning, which constitute the unifier element of the whole system. This membrane provides manageability to the construct and is itself the last point of control in the release kinetics of the therapeutic agent or agents. Besides, it must be biocompatible and stable at ambient conditions, since this probably is going to be exposed to the environment while protecting the wound, in the case of this kind of application. These three elements, which themselves are complex systems separately, are systematically combined to achieve a synergistic relationship between them so that each one power the qualities of the other two. The resulting construct was characterized and it demonstrated to have characteristic properties that can be used as a control parameter during manufacture of this new material. Also, preliminary biological studies developed "in vitro" indicated that the proposed system may be a good candidate for deeper studies as alternative treatment for chronic wounds and other pathologies that require localized administration for long periods of time.
Development of Novel Biomimetic Electroactive Environments with Bioactive Molecules for Musculoskeletal Regeneration
(Universitat Politècnica de València, 2023-07-20) Aparicio Collado, José Luís; Molina Mateo, José; Sabater I Serra, Roser; Dpto. de Física Aplicada; Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño; Dpto. de Ingeniería Eléctrica; Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Informática; Agencia Estatal de Investigación; European Regional Development Fund; Ministerio de Ciencia e Innovación
[ES] El sistema musculoesquelético tiene una capacidad de regeneración limitada. Las pérdidas importantes de tejido no se pueden regenerar, lo que provoca necrosis y deterioro funcional. Los tratamientos tradicionales basados en implantes o trasplantes no han demostrado ser del todo exitosos, con múltiples efectos secundarios como inmunogenicidad o rechazos. Por ello, es muy importante desarrollar nuevas alternativas para tratar la degeneración muscular. La ingeniería tisular combina biomateriales, células y agentes bioactivos para desarrollar constructos biológicos biocompatibles donde las células encuentran un entorno que imita sus condiciones in vivo para crecer, proliferar y diferenciarse en tejido muscular y restaurar su funcionalidad. Los biomateriales conductores son de particular interés en tejidos electro-sensibles como es el caso del sistema musculoesquelético. Se ha demostrado que los polímeros conductores (polipirrol, polianilina, etc.), los materiales de carbono (grafeno, óxido de grafeno reducido, etc.) y los nanomateriales metálicos mejoran la diferenciación muscular, incluso sin estimulación eléctrica externa. Además, diferentes moléculas bioactivas como factores de crecimiento (FGF-2, IGF-1, etc.) o iones inorgánicos "terapéuticos" (zinc, magnesio, etc.) son alternativas para potenciar la diferenciación celular en diferentes tejidos. Por lo tanto, la combinación de biomateriales conductores y moléculas bioactivas para mejorar la regeneración muscular representa una gran oportunidad en la ingeniería de tejidos musculares. El objetivo de este proyecto de tesis es desarrollar y caracterizar nuevos biomateriales electroactivos con diferentes composiciones, estructuras y propiedades y evaluar su potencial para tratar la regeneración musculoesquelética, así como la combinación de estos biomateriales electroactivos con iones inorgánicos buscando descubrir nuevas sinergias biomateriales conductores-iones terapéuticos en términos de diferenciación muscular. ¿

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