Molecular Imaging in Endoscopy

During the last decade, researchers have made great progress in the development of new image processing technologies for gastrointestinal endoscopy. However, diagnosis using conventional endoscopy with white light optical imaging is essentially limited, and ultimately, we still rely on the histopathological diagnosis from biopsy specimens. Molecular imaging represents the most novel imaging methods in medicine, and the future of endoscopic diagnosis is likely to be impacted by a combination of biomarkers and technology. Endoscopic molecular imaging can be defined as the visualization of molecular characteristics with endoscopy. These innovations will allow us not only to locate a tumor or dysplastic lesion but also to visualize its molecular characteristics and the activity of specific molecules and biological processes that affect tumor behavior and/or its response to therapy. In the near future, these promising technologies will play a central role in endoluminal oncology

Lipidomics: A Tool for Studies of Atherosclerosis

Lipids, abundant constituents of both the vascular plaque and lipoproteins, play a pivotal role in atherosclerosis. Mass spectrometry-based analysis of lipids, called lipidomics, presents a number of opportunities not only for understanding the cellular processes in health and disease but also in enabling personalized medicine. Lipidomics in its most advanced form is able to quantify hundreds of different molecular lipid species with various structural and functional roles. Unraveling this complexity will improve our understanding of diseases such as atherosclerosis at a level of detail not attainable with classical analytical methods. Improved patient selection, biomarkers for gauging treatment efficacy and safety, and translational models will be facilitated by the lipidomic deliverables. Importantly, lipid-based biomarkers and targets should lead the way as we progress toward more specialized therapeutics

Stratifying non-small cell lung cancer patients using an inverse of the treatment decision rules: validation using electronic health records with application to an administrative database

To validate a stratification method using an inverse of treatment decision rules that can classify non-small cell lung cancer (NSCLC) patients in real-world treatment records. (1) To validate the index classifier against the TNM 7th edition, we analyzed electronic health records of NSCLC patients diagnosed from 2011 to 2015 in a tertiary referral hospital in Seoul, Korea. Predictive accuracy, stage-specific sensitivity, specificity, positive predictive value, negative predictive value, F1 score, and c-statistic were measured. (2) To apply the index classifier in an administrative database, we analyzed NSCLC patients in Korean National Health Insurance Database, 2002–2013. Differential survival rates among the classes were examined with the log-rank test, and class-specific survival rates were compared with the reference survival rates. (1) In the validation study (N = 1375), the overall accuracy was 93.8% (95% CI: 92.5–95.0%). Stage-specific c-statistic was the highest for stage I (0.97, 95% CI: 0.96–0.98) and the lowest for stage III (0.82, 95% CI: 0.77–0.87). (2) In the application study (N = 71,593), the index classifier showed a tendency for differentiating survival probabilities among classes. Compared to the reference TNM survival rates, the index classification under-estimated the survival probability for stages IA, IIIB, and IV, and over-estimated it for stages IIA and IIB. The inverse of the treatment decision rules has a potential to supplement a routinely collected database with information encoded in the treatment decision rules to classify NSCLC patients. It requires further validation and replication in multiple clinical settings

Gene Patents, Drug Prices, and Scientific Research: Unexpected Effects of Recently Proposed Patent Eligibility Legislation

Recently, Congress has considered legislation to amend § 101, a section of the Patent Act that the Supreme Court has held to prohibit patenting of laws of nature, natural phenomena, and abstract ideas. This draft legislation would expand the realm of patent-eligible subject matter, overturning the Court’s precedents along the way. The draft legislation, and movement to change this doctrine of patent law, made substantial headway with a subcommittee of the Senate holding numerous roundtables and hearings on the subject. This article considers some less-discussed consequences of that draft leg- islative proposal. The legislation likely opens the door to patenting of subject matter such as human genes and scientific discoveries, given its broad lan- guage and abrogation of precedent. Allowing such patents would have conse- quential effects such as potentially raising drug prices, decreasing quality of health care, deterring scientific research, slowing the development of innova- tive technologies, and conflicting with scientific and ethical norms. Considerations such as these ought to be top-of-mind for legislators intending to change the law of patentable subject matter eligibility

Biocompatibility of synthetic nanomaterials and their applications in gene delivery

Nanomedicine is the use of nanoscale or nanostructured materials in medicine that due to their structure have unique medical effects. Prominent applications of nanomedicine are the use of nanomaterials for the delivery of drugs and nucleic acids (to correct gene defects). Nanomaterials offer several attractive features as delivery vehicles: First, their size in the nano-regime endows them with more desirable pharmacokinetic and biodistribution profiles in vivo. Second, they are amenable to diverse chemical engineering that enables loading of a wide range of substances. Third, they can protect therapeutic agents from premature degradation or from inducing undesired side effects. In this thesis, two types of synthetic nanomaterials, namely silica and polythiophene, were investigated for their biocompatibility and applications in gene delivery. In Paper I, human red blood cell hemolysis and premyelocytic leukemia HL-60 cell cytotoxicity induced by silica nanoparticles with distinct physicochemical properties were studied, suggesting that silica nanoparticles potentially induce membrane permeability through a universal mechanism of action. Moreover, plasma protected against silica nanoparticle-induced membrane damage primarily by shielding the surface of silica particles. In Paper II, the cytotoxicity and oxidative stress induced by amorphous silica nanoparticles were compared to nanoparticles with similar size but different chemical compositions. Overexpression of the liver phase II enzyme microsomal glutathione transferase 1 (MGST1) in human breast carcinoma MCF-7 cells reversed the cytotoxicity and oxidative stress induced by some silica nanoparticles but did not protect against the cytotoxic effects induced by zinc oxide nanoparticles. In Paper III, amino-functionalized silica nanoparticles were used to deliver plasmid DNA (pDNA) into human breast carcinoma MCF-7 cells, with the nonporous particles delivering pDNA at higher efficiency than their mesoporous counterparts (with 2.4 nm pore diameter). In Paper IV, polythiophene nanoparticles were used as vectors to deliver small interference RNA (siRNA) into human osteosarcoma U2-OS cells and human cervical carcinoma HeLa cells. The cationic polythiophenes were considerably more efficient delivery vectors than their zwitteronic counterparts. In conclusion, studies to improve the understanding of the biocompatibility and delivery efficiency of nanomaterials, are crucial to assist the rationale design of nanomaterials for delivery applications

Synthesis of core-shell magnetic nanoparticles for biomedical applications

La nanotecnología ha permitido el desarrollo y la mejora de aplicaciones en campos muy variados como la medicina, la industria, la biología, la química, la catálisis, etc. Por ejemplo, en medicina, nanopartículas de diversas composiciones están siendo empleadas en aplicaciones biomédicas tanto para diagnóstico como con fines terapéuticos en el tratamiento de algunas enfermedades (Pankhurst 2003). Los materiales magnéticos ofrecen amplias posibilidades de uso. Nanopartículas superparamagnéticas adecuadamente modificadas superficialmente son comúnmente utilizadas en biomedicina como detectores en biosensores, como portadores de diversas sustancias capaces de ser dirigidos magnéticamente para liberación controlada de fármacos, como materiales capaces de liberar calor bajo la aplicación de un campo magnético alterno en hipertermia e incluso pueden utilizarse como agentes de contraste para visualizar mejor tejidos orgánicos en resonancia magnética de imagen, entre otras (Gupta 2005). Estas aplicaciones requieren que las nanopartículas utilizadas cumplan una serie de requisitos para su óptima utilización, como por ejemplo, que sean uniformes morfológicamente, que la distribución de tamaños sea lo más ajustada posible, que el tamaño sea lo suficientemente pequeño para que sean superparamagnéticas y que tengan una buena cristalinidad. Todo esto hace que las propiedades magnéticas de las nanopartículas sean más uniformes y por lo tanto sea más fácil de controlar y ajustar su comportamiento frente a factores externos. Además, hay otros factores que hay que tener en cuenta a la hora de utilizar estas nanopartículas en aplicaciones biomédicas. Estos hacen referencia al sistema biomédico en sí y no únicamente a la nanopartícula magnética. Por ejemplo, se hace interesante que el tamaño y la superficie de la partícula del sistema sean adecuados para poder atravesar las barreras celulares, así como conseguir poblaciones de partículas mononucleares que permitirán una mayor predicción del comportamiento del sistema. Para que un sistema biomédico pueda ser empleado éste ha de ser biocompatible, por lo que se hace necesario escoger recubrimientos con este requisito, y si además estos pueden ser fácilmente funcionalizados, se aporta una ventaja extra muy atractiva ya que puede producir beneficios complementarios para su aplicación. Hay varios tipos de recubrimientos que pueden aportar esta serie de ventajas a un sistema biomédico. Estos recubrimientos pueden ser orgánicos o inorgánicos, hidrofílicos o hidrofóbicos, o mixtos. Según la aplicación a la que esté destinado el sistema es necesario tomar unas u otras decisiones tanto en la elección del recubrimiento como en su diseño. La estabilidad de las nanopartículas en agua a pH neutro y salinidad fisiológica se puede conseguir con recubrimientos orgánicos hidrofílicos como por ejemplo dextrano (Pardoe 2001), polivinil alcohol (Kayal 2010) o polietilenglicol (Zhang 2002). Este último además de ser biocompatible, aumenta el tiempo de residencia en sangre, es soluble en disolventes polares y apolares y es capaz de atravesar la membrana celular. Los recubrimientos inorgánicos hidrofílicos presentan unas características que pueden ser muy útiles según la aplicación a la que se destine el sistema, no experimentan cambios de porosidad o de tamaño con cambios de pH, fuerza iónica o temperatura y no son vulnerables al ataque microbiológico. La sílice es uno de los recubrimientos inorgánicos más utilizados debido a que en su superficie se encuentran los grupos silanoles, éstos son capaces de actuar como anclaje para distintos tipos de ligandos facilitando la funcionalización del sistema (Lu 2002). También son interesantes los recubrimientos hidrofílicos híbridos, éstos consisten en una cadena hidrocarbonada con un grupo siloxano capaz de interaccionar con la superficie de la nanopartícula de óxido de hierro, uno de los más utilizados es el aminopropil trietoxisilano (Jung 1995). Es de la máxima importancia desarrollar métodos capaces de transferir las nanopartículas obtenidas por vías orgánicas, con muy buenas propiedades dado que se puede llevar a cabo un mejor control de tamaños y dispersión de los mismos, a medios acuosos para su uso en biomedicina. Salgueriño-Maceira y col. describen un método en el que utilizan hidróxido de tetrametilamonio para transferir nanopartículas recubiertas con ácido oleico estables en hexano a agua (Salgueriño-Maceira 2004). Otro ejemplo interesante es el procedimiento utilizado por Xu y col. que se basa en un intercambio de ligando de un tiol derivatizado a un grupo nitroacético capaz de anclar proteínas a la nanopartículas (Xu 2004). En esta tesis se han desarrollado tres líneas de investigación relacionadas entre sí utilizando como material de partida nanopartículas magnéticas de óxido de hierro sintetizadas como componentes de varios sistemas diseñados para distintas aplicaciones biomédicas. La principal línea de trabajo consiste en la obtención de ferrofluidos core-shell de alta calidad en medio acuoso. Para ello se ha desarrollado un método para la transferencia de nanopartículas de óxido de hierro, obtenidas en medio orgánico, a medio acuoso, con la ayuda de distintos alcoxisilanos. También se ha realizado el diseño y desarrollo de dos sistemas biomédicos, uno para ser utilizado en un biosensor y otro susceptible de ser empleado en aplicaciones como liberación controlada de fármacos, separación o purificación. El diseño de un sistema biomédico se realiza teniendo en cuenta las funciones para las que se plantea su uso. Los requisitos de cada componente dependen de la aplicación biomédica para la cual el biosistema ha sido diseñado, de ahí que en esta tesis se planteen estos tres objetivos particulares con sus diferentes estrategias: 1 Ferrofluidos para aplicaciones biomédicas. Obtención de ferrofluidos de tamaño controlado, alta cristalinidad y baja dispersión de tamaño en medio acuoso para aplicaciones biomédicas como MRI o hipertermia en lo que se denomina teranóstico. Se ha estudiado cómo trasferir nanopartículas de óxido de hierro sintetizadas en medio orgánico a medio acuoso con el objetivo de que éstas sean estables en fluidos biológicos. La estrategia a seguir se basa en la utilización de alcoxisilanos con diferentes longitudes de cadena y con distintos grupos funcionales capaces de interactuar con el hierro de la nanopartícula. De esta manera se han obtenido suspensiones de nanopartículas magnéticas en medio acuoso. 2 Esferas superparamagnéticas para un biosensor. Diseño y desarrollo de un biosistema que consiste en nanopartículas de óxido de hierro obtenidas en medio acuoso y recubiertas de sílice para su uso en un biosensor. Las nanoesferas de sílice se han funcionalizado con un ácido carboxílico y posteriormente se han vectorizado con una proteína. Este sistema se utilizará en un biosensor cuyo funcionamiento se basa en el cambio en la impedancia producida en un condensador en cuya superficie se han adherido las nanoesferas mediante una unión tipo sándwich solamente cuando se halla presente el analito que nos interesa detectar. 3 Nanopartículas magnéticas encapsuladas en un polímero. Por último se ha estudiado un sistema multi-respuesta formado por nanopartículas de óxido de hierro obtenidas en medio orgánico y encapsuladas en un polímero, la polivinilpiridina. Este sistema es susceptible de ser utilizado en liberación controlada de fármacos, entre otras aplicaciones. Para proporcionarle mayor biocompatibilidad al sistema, también se ha utilizado un copolímero, polivinilpiridina-polietilenglicol, para encapsular las nanopartículas. El polietilenglicol es un polímero de probada biocompatibilidad y por lo tanto ampliamente utilizado en este tipo de aplicaciones. La caracterización de estos sistemas y partículas se ha realizado mediante el uso de las siguientes técnicas de caracterización: microscopia electrónica de transmisión, microscopia electrónica de barrido, difracción de rayos X, análisis elemental, análisis termogravimétrico, dispersión dinámica de luz, infrarrojos y medidas magnéticas, entre otras