[en] Current cancer treatments beyond surgery include chemotherapies that have limited success. They typically demonstrate low effectiveness and serious toxicity profiles leading to a reduced quality of life due to their non-specific targeting of cancerous cells. Delivery of anticancer therapeutics using nanocarriers (nanomedicine) offers the promise of increasing the selective delivery of these drugs to specific target sites, improving their efficacy, and lowering their side effect profiles. Nanomaterials used for this purpose possess specific and unique physicochemical properties that have a crucial impact on their biological behavior. Importantly, these properties vary greatly in comparison to small-molecular drug entities. This means that they require extra and more complex characterization, particularly at the nanoscale and at a single-particle level. However, there is currently a lack of suitable state-of-the-art techniques that are optimized to assess physicochemical properties and biological fates of nanomaterials, which is one of the main causes for their poor translation to the clinic. In this Thesis, we propose the development, optimization, and application of advanced imaging techniques such as super-resolution microscopy (SRM), transmission electron microscopy (TEM) and correlative light and electron microscopy (CLEM) to characterize nanocarriers in vitro and to study their biological behavior in cells. Using these studies, we aim to delve deeper into our understanding of nanocarriers. Chapter 1 demonstrates the application of DNA-PAINT and qPAINT in quantifying surface ligand functionalization and heterogeneity in nanomaterials. First, various PLGA-PEG NP formulations were manually prepared and functionalized with oligonucleotides as model ligands. Using these techniques, the number of accessible ligands was quantified and compared between each formulation. DNA-PAINT also permitted the study of heterogeneity in ligand functionalization by applying information at a single particle and molecule level. The consequent results prompted the redesign and reformulation of the PLGA-PEG NPs by modifying the surface PEG architecture, as to expose more surface functional ligands. Chapter 2 follows the development of a CLEM technique to study the interplay between different physicochemical properties in PLGA-PEG NPs in vitro, namely ligand functionalization and size. To do this, the ligand quantification ability of DNA-PAINT was correlated with the excellent morphological ability of TEM on the same field-of-view (FOV) and the information was extracted at a single particle level. Sub-populations with different ligand functionalization were identified, that could lead to different and unpredictable biological behaviors. It was also demonstrated that as opposed to our correlative protocol, characterization by a one-method-at-a-time approach could limit the information obtained. Chapter 3 introduces the rational selection and optimization of a dSTORM-TEM correlative protocol for the intracellular trafficking of PLGA-PEG NPs. The optimized protocol allowed us to directly visualize fluorescently labelled NPs by dSTORM, in the complex intracellular milieu offered by TEM. As such, the distribution of NPs in different endo-lysosomal compartments at different time points was quantified, getting a better understanding of their trafficking route. Finally, the change in NP distribution upon incubation with the lysomotropic agent chloroquine was studied, demonstrating quantitatively that it promotes endosomal escape. Chapter 4 follows on from the previous Chapter, through the application of the dSTORM-TEM protocol to study the intracellular behavior of pBAE polyplexes. Using two color dSTORM both carrier (pBAE polymer) and cargo (pDNA) molecules were tracked and quantified and using TEM they were localized in different locations in the cellular milieu. Using this information, the endosomal escape properties of two different polyplexes were compared, demonstrating the power of correlative imaging in the rational design and selection of nanomedicines. Lastly, the CLEM images offered useful information regarding the cellular uptake mechanisms for the two formulations.

[es] Los tratamientos actuales contra el cáncer más allá de la cirugía incluyen quimioterapias que tienen un éxito limitado. La quimioterapia es inespecífica al cáncer, y por lo tanto puede causar efectos secundarios graves que conducen a una calidad de vida reducida. La administración de terapia contra el cáncer mediante nanotransportadores promete aumentar la selectividad de estos medicamentos. Los nanomateriales poseen propiedades fisicoquímicas específicas y únicas que tienen un impacto crucial en su comportamiento, y por eso las propiedades y las dianas biológicas de estos nanotransportadores deben estudiarse. Sin embargo, las herramientas utilizadas para caracterizar estas entidades siguen siendo similares a las que se utilizan para los fármacos de bajo peso molecular. Los nanomateriales tienen propiedades fisicoquímicas que varían mucho en comparación con los fármacos clásicos. Esto significa que requieren una caracterización adicional y más compleja. Actualmente, existe una falta de técnicas adecuadas que estén optimizadas para evaluar las propiedades fisicoquímicas y las dianas biológicas de los nanomateriales, que es una de las principales causas de su mala translación en la clínica. En esta tesis, proponemos el desarrollo y la aplicación de técnicas de imagen avanzadas como la microscopía de super-resolución (SRM), la microscopía electrónica de transmisión (TEM) y la microscopía correlativa óptica y electrónica (CLEM) para caracterizar y mejorar nuestra comprensión de los nanotransportadores. El Capítulo 1 demuestra la aplicación de DNA-PAINT y qPAINT en la cuantificación de la funcionalización de los ligandos de superficie y la heterogeneidad en las propiedades de los nanomateriales. Así, formulamos varias formulaciones de nanopartículas (NPs) PLGA-PEG funcionalizadas con oligonucleótidos como ligandos modelo y cuantificamos y comparamos el número de ligandos accesibles en cada formulación. Usando información obtenida partícula a partícula y molécula a molécula, DNA-PAINT permitió el estudio de la heterogeneidad en la funcionalización de los ligandos. Los resultados nos llevaron a rediseñar y reformular nuestras PLGA-PEG NPs modificando la arquitectura del PEG en superficie, para exponer más ligandos funcionales en superficie. El Capítulo 2 sigue el desarrollo de una técnica CLEM para estudiar la interacción entre diferentes propiedades fisicoquímicas en PLGA-PEG NPs, como el número de ligandos y el tamaño de la NP. Para hacer esto, correlacionamos la capacidad de cuantificación de ligandos de DNA-PAINT, con la excelente resolución de TEM para visualizar la morfología de las NPs. Eso se hizo en el mismo campo de visión y extrajimos así la información partícula a partícula. Identificamos subpoblaciones de NPS con diferentes números de ligandos, que conferirán diferentes comportamientos biológicos. Demostramos que, a diferencia de nuestro protocolo correlativo, la caracterización los dos métodos por separado puede limitar la información. El Capítulo 3 presenta la selección racional y la optimización de un protocolo dSTORM-TEM CLEM para el tráfico intracelular de PLGA-PEG NPs. El protocolo optimizado nos permitió visualizar directamente las NPs fluorescentes en dSTORM, y posicionarlas con gran resolución en la ultraestructura celular que ofrece TEM. Con esta información, cuantificamos la distribución de NPs en diferentes compartimentos endo-lisosomales en diferentes tiempos. Finalmente, cuantificamos el cambio en la distribución intracelular de las NP tras la incubación con el agente lisomotrópico cloroquina, lo que demuestra que promueve el escape de los endosomas. El Capítulo 4 incluye la aplicación del protocolo dSTORM-TEM optimizado para estudiar el comportamiento intracelular de los complejos poliméricos de pBAE. Usando dSTORM con dos colores, pudimos localizar y cuantificar las moléculas transportadoras (polímeros de pBAE) y su cargo (pDNA). Usando TEM localizamos los complejos con precisión dentro del medio intracelular. Con esta información, comparamos la capacidad de escapar de los endosomas entre dos complejos poliméricos diferentes. Por último, pudimos sugerir una diferencia en los mecanismos de internalización celular entre las dos formulaciones.