Motion of Enzyme-Powered Nanomotors in Complex Media

Abstract

[eng] In recent years, the field of NMs has experienced rapid growth in biomedical applications, largely due to their ability to navigate complex physiological environments. However, unlocking their full clinical potential requires a deeper understanding of NMs modulate with and interact with biological interfaces. This doctoral thesis aims to address this need by focusing on the design, synthesis, and evaluation of enzyme-powered NMs capable of propelling in viscous biological environments. To this end, this PhD thesis investigates a variety of NPs platforms, ranging from inorganic and polymer-based nanocarriers, functionalized with enzymes to produce enzyme-powered NMs. These NMs are evaluated across clinically relevant scenarios, including navigation in biological barriers, tissue regeneration or drug delivery. The first part of the thesis focuses on the development of inorganic-based NMs, such as those based on MSNPs, demonstrating a dual-enzyme NMs strategy to enhance diffusion through highly viscous SF. For that, two distinct NM actuating in “troops” were developed, capable of reducing SF viscosity and self-propel more effectively. The synergistic interaction between these NM systems significantly improved the transport of macromolecules across SF-mimicking environments, offering a potential strategy for intra-articular drug delivery in joint diseases. Building on these findings, the second part of this thesis continues within the same biomedical application framework but introduces key advancements in NM design. In this part, a new generation of nanogel-based NMs (NGs-NMs) composed of synthetic polymers are introduced to substitute the inorganic core of NMs. These NGs are soft and flexible, and enable motion in viscoelastic fluids while preserving the bulk rheological properties of SF. Their structural flexibility and tunable responsiveness to environmental changes (e.g., temperature, pH, or redox conditions) are achieved through controlled polymer crosslinking, enabling dynamic modulation of size and density allowing for improved interaction with ECMs. After surface functionalization with urease, NGs-NMs achieved efficient propulsion in viscous media at low urea concentrations. Importantly, they exhibited rapid cellular uptake and were further evaluated as active transport carriers for growth factors, as IGF-1, preserving the bioactivity of the conjugated IGF-1 and demonstrated pro-regenerative effects in chondrogenic cell model. The third part of this thesis further explores the application of NG-NMs for antimicrobial therapy, extending their use to other biomedical applications that require navigation across mucosal barriers for effective drug delivery. In this case, hyaluronic acid (HA), a naturally occurring mucoadhesive biopolymer, was employed as the core material to construct enzyme-powered nanomotors (HA-NMs) functionalized with urease. These HA-NMs were designed to actively cross mucin environments and deliver therapeutic agents, such as antibiotics. Their performance was assessed in mucosal models, highlighting their potential to overcome barriers associated, for instance, with antimicrobial resistance and enable targeted treatment at mucosal interfaces. Their performance was evaluated in vitro using mucosal models, including transwell assays, which confirmed their ability to penetrate mucin barriers and significantly reduced bacterial proliferation. When loaded with antibiotics, HA-NMs exhibited enhanced antibacterial activity against Escherichia coli compared to both free antibiotic and reference MSNPs-NMs from the first part of the thesis. The results presented in this thesis highlight the transformative potential of enzyme-powered NMs as highly versatile platforms for targeted therapeutic delivery. Their ability to actively navigate complex and viscous biological environments and enhance therapeutic efficacy represents an important breakthrough in the field of nanomedicine. These findings open the door for a new generation of self-propelled nanotherapeutics, bringing us closer to their clinical translation and opening new avenues for precision treatment in challenging pathological contexts.

[cat] En els últims anys, el camp dels nanomotors (NMs) ha experimentat un ràpid creixement en aplicacions biomèdiques, principalment a causa de la seva capacitat per a desplaçar-se per entorns fisiològics complexos. No obstant això, per a desbloquejar tot el seu potencial clínic, és necessari comprendre en major profunditat com els NMs es modulen i interactuen amb les interfícies biològiques. Aquesta tesi doctoral aborda aquesta necessitat centrant-se en el disseny, la síntesi i l'avaluació de NMs propulsats per enzims, capaços de navegar en mitjans biològics viscosos. Per a això, s'exploren diverses plataformes de nanopartícules (NPs), tant inorgàniques com polimèriques, funcionalitzades amb enzims per a generar NMs enzimàtics. Aquests NMs s'avaluen en contextos clínicament rellevants, com la navegació en barreres biològiques, la regeneració tissular o l'alliberament dirigit de fàrmacs. La primera part de la tesi se centra en el desenvolupament de NMs de base inorgànica, com els basats en nanopartícules mesoporoses de silici (MSNPs), demostrant una estratègia avantatjosa per a millorar la difusió a través del fluid sinovial (SF), altament viscós. Per a això, es van desenvolupar dos tipus de NMs actuant en “tropes” diferenciades, capaces de reduir la viscositat del SF i autopropulsar-se de manera més eficient. La interacció sinèrgica entre tots dos sistemes va permetre millorar significativament el transport de macromolècules en entorns que simulen el SF, la qual cosa ofereix una estratègia prometedora per a l'administració intraarticular de fàrmacs en malalties articulars. Sobre la base d'aquests resultats, la segona part de la tesi manté l'enfocament en aplicacions biomèdiques similars, però introdueix avanços clau en el disseny de NMs. En aquesta secció es presenta una nova generació de NMs basats en nanogels (NGs-NMs) formats per polímers sintètics, destinats a substituir el nucli inorgànic dels NMs. Aquests NGs són estructures suaus i flexibles que permeten el moviment en fluids viscoelàstics sense alterar les propietats reològiques del SF. La seva flexibilitat estructural i resposta modulable enfront d'estímuls ambientals (com a temperatura, pH o condicions redox) s'aconsegueix mitjançant el control de l'entrecreuament polimèric, la qual cosa permet modificar dinàmicament la seva grandària i densitat per a millorar la interacció amb matrius extracelul·lars. Després de la funcionalització amb ureasa en la superfície, els NGs-NMs van mostrar propulsió eficient en mitjans viscosos a baixes concentracions d'urea. A més, van exhibir una ràpida internalització cel·lular i van ser avaluats com a vehicles actius per a factors de creixement, com IGF-1, conservant el seu bioactivitat i demostrant efectes pro-regeneratius en un model cel·lular condrogénic. La tercera part d'aquesta tesi aprofundeix en l'aplicació de NG-NMs en teràpies antimicrobianes, estenent el seu ús a altres aplicacions biomèdiques que requereixen travessar barreres mucoses per a aconseguir un alliberament efectiu de fàrmacs. En aquest cas, es va emprar àcid hialurònic (HA), un biopolímer mucoadhesiu d'origen natural, com a material base per a construir NMs impulsats per ureasa (HA-NMs). Aquests HA-NMs van ser dissenyats per a creuar activament entorns mucosos i alliberar agents terapèutics, com a antibiòtics. La seva actuació es va avaluar mitjançant models in vitro de barreres mucoses, inclosos assajos tipus transwell, que van confirmar la seva capacitat per a travessar barreres de mucina i reduir significativament la proliferació bacteriana. A més, els HA-NMs van mostrar una activitat antibacteriana superior enfront d'Escherichia coli quan van ser carregats amb antibiòtics, en comparació amb l'antibiòtic lliure i els NMs de referència basats en MSNPs de la primera part de la tesi. Els resultats presentats en aquesta tesi subratllen el potencial transformador dels NMs enzimàtics com a plataformes versàtils per a l'administració terapèutica dirigida. La seva capacitat per a navegar activament per entorns biològics complexos i viscosos, millorant l'eficàcia terapèutica, representa un avanç important en el camp de la nanomedicina. Aquestes troballes obren la porta a una nova generació de nanoteràpies autopropulsades, acostant-nos a la seva aplicació clínica real i oferint noves oportunitats per a tractaments de precisió en contextos patològics altament desafiadors

[spa] En los últimos años, el campo de los nanomotores (NMs) ha experimentado un rápido crecimiento en aplicaciones biomédicas, principalmente debido a su capacidad para desplazarse por entornos fisiológicos complejos. Sin embargo, para desbloquear todo su potencial clínico, es necesario comprender en mayor profundidad cómo los NMs se modulan e interactúan con las interfaces biológicas. Esta tesis doctoral aborda esta necesidad centrándose en el diseño, la síntesis y la evaluación de NMs propulsados por enzimas, capaces de navegar en medios biológicos viscosos. Para ello, se exploran diversas plataformas de nanopartículas (NPs), tanto inorgánicas como poliméricas, funcionalizadas con enzimas para generar NMs enzimáticos. Estos NMs se evalúan en contextos clínicamente relevantes, como la navegación en barreras biológicas, la regeneración tisular o la liberación dirigida de fármacos. La primera parte de la tesis se centra en el desarrollo de NMs de base inorgánica, como los basados en nanopartículas mesoporosas de sílice (MSNPs), demostrando una estrategia ventajosa para mejorar la difusión a través del fluido sinovial (SF), altamente viscoso. Para ello, se desarrollaron dos tipos de NMs actuando en “tropas” diferenciadas, capaces de reducir la viscosidad del SF y autopropulsarse de manera más eficiente. La interacción sinérgica entre ambos sistemas permitió mejorar significativamente el transporte de macromoléculas en entornos que simulan el SF, lo que ofrece una estrategia prometedora para la administración intraarticular de fármacos en enfermedades articulares. Sobre la base de estos resultados, la segunda parte de la tesis mantiene el enfoque en aplicaciones biomédicas similares, pero introduce avances clave en el diseño de NMs. En esta sección se presenta una nueva generación de NMs basados en nanogeles (NGs-NMs) formados por polímeros sintéticos, destinados a sustituir el núcleo inorgánico de los NMs. Estos NGs son estructuras suaves y flexibles que permiten el movimiento en fluidos viscoelásticos sin alterar las propiedades reológicas del SF. Su flexibilidad estructural y respuesta modulable frente a estímulos ambientales (como temperatura, pH o condiciones redox) se logra mediante el control del entrecruzamiento polimérico, lo que permite modificar dinámicamente su tamaño y densidad para mejorar la interacción con matrices

extracelulares. Tras la funcionalización con ureasa en la superficie, los NGs-NMs mostraron propulsión eficiente en medios viscosos a bajas concentraciones de urea. Además, exhibieron una rápida internalización celular y fueron evaluados como vehículos activos para factores de crecimiento, como IGF-1, conservando su bioactividad y demostrando efectos pro-regenerativos en un modelo celular condrogénico. La tercera parte de esta tesis profundiza en la aplicación de NG-NMs en terapias antimicrobianas, extendiendo su uso a otras aplicaciones biomédicas que requieren atravesar barreras mucosas para lograr una liberación efectiva de fármacos. En este caso, se empleó ácido hialurónico (HA), un biopolímero mucoadhesivo de origen natural, como material base para construir NMs impulsados por ureasa (HA-NMs). Estos HA-NMs fueron diseñados para cruzar activamente entornos mucosos y liberar agentes terapéuticos, como antibióticos. Su actuación se evaluó mediante modelos in vitro de barreras mucosas, incluidos ensayos tipo transwell, que confirmaron su capacidad para atravesar barreras de mucina y reducir significativamente la proliferación bacteriana. Además, los HA-NMs mostraron una actividad antibacteriana superior frente a Escherichia coli cuando fueron cargados con antibióticos, en comparación con el antibiótico libre y los NMs de referencia basados en MSNPs de la primera parte de la tesis. Los resultados presentados en esta tesis subrayan el potencial transformador de los NMs enzimáticos como plataformas versátiles para la administración terapéutica dirigida. Su capacidad para navegar activamente por entornos biológicos complejos y viscosos, mejorando la eficacia terapéutica, representa un avance importante en el campo de la nanomedicina. Estos hallazgos abren la puerta a una nueva generación de nanoterapias autopropulsadas, acercándonos a su aplicación clínica real y ofreciendo nuevas oportunidades para tratamientos de precisión en contextos patológicos altamente desafiantes.