[en] Stroke remains a leading cause of death and disability worldwide. Hence there is an urgent need to develop therapeutic strategies beyond acute recanalisation. However, this therapeutic development is hampered by a highly complex pathophysiology, added to the challenge of brain drug delivery. In this regard, endothelial progenitor cells (EPCs)-secretome represents a promising cell-free therapy for post-stroke neurovascular repair. Furthermore, mechanical thrombectomy for recanalisation has opened the window to brain drug delivery, which could be further improved by nanomedicine. This doctoral thesis aimed to enhance brain targeting and neurovascular repair in the context of cerebral ischaemia, through the endovascular delivery and magnetic retention of EPCs-secretome encapsulated in biocompatible and biodegradable polymeric nanocarriers. The proposed nanocarriers have been functionalised with superparamagnetic iron-oxide nanoparticles (SPIONs) and fluorescent tags for magnetic retention and magnetic resonance/fluorescent molecular imaging (MRI/FMI), respectively. An exhaustive study of their biodistribution by MRI/FMI has shown a great advantage of the intraarterial route combined with magnetic retention through focused magnet devices, to safely enhance brain targeting in a mouse model of cerebral ischaemia. And, importantly, it has been demonstrated that the nanocarriers remain in the target ischaemic brain up to one week, easing the sought-after sustained release of cargo therapeutic factors. Furthermore, the EPCs-secretome has been successfully encapsulated into the polymeric nanocarriers, as seen through both total and specific EPCs-secretome cargo proteins, and the pro-angiogenic therapeutic effects were preserved after the encapsulation-release process, as demonstrated in endothelial cell culture in vitro models. The present study demonstrates the advantage of the therapeutic application of EPCs-secretome through this selective nanotargeted approach against the equivalent free treatment at similar doses. The results presented herein suggest that hyperacute endovascular delivery of free EPCs-secretome, at the tested dose, might exacerbate the acute post-ischaemic brain damage along with an increased neuro-inflammatory response, while ubiquitously enhancing brain angiogenesis. In contrast, the nanotargeted treatment could selectively enhance brain angiogenesis in the target peri-infarct brain, in the absence of the aforementioned detrimental effects. As preliminary steps towards the translation of the proposed therapeutic approach to the clinical setting, large animals with gyrencephalic brains and an ex vivo humanised vascular model were also used. The present study demonstrates the safety and feasibility of endovascular delivery for brain nanotargeting in pigs, and the efficacy of endovascular delivery and magnetic retention in an ex vivo model adapted to the human vascular anatomy and biodynamics. In summary, this doctoral thesis places the use of polymeric magnetised nanocarriers through endovascular delivery as a promising approach to enhance specific brain targeting of multiple therapeutic agents, such as EPCs-secretome, which could be implemented in the context of mechanical thrombectomies in the clinical scenario.

[es] El ictus isquémico sigue siendo a día de hoy una de las principales causas de mortalidad y discapacidad a nivel mundial. Por ello, es esencial desarrollar estrategias terapéuticas más allá de la recanalización aguda. Sin embargo, la búsqueda de nuevas terapias se ve dificultada por la gran complejidad de los procesos fisiopatológicos derivados del ictus, y por el reto que supone la llegada de factores terapéuticos al cerebro. En este sentido, el uso de factores secretados por células progenitoras endoteliales (secretoma de EPCs) representa una estrategia prometedora para promover la reparación neurovascular, la cual evitaría los riesgos asociados a las terapias celulares. Por otro lado, la trombectomía mecánica para la recanalización aguda tras el ictus ha abierto una nueva posibilidad para administrar fármacos directamente al cerebro, y este abordaje podría mejorar significativamente gracias a la nanomedicina. El objetivo de la presente tesis doctoral consiste en aumentar la llegada de fármacos al cerebro con tal de promover la reparación neurovascular tras el ictus isquémico, mediante la administración intraarterial y la retención magnética del secretoma de EPCs en nanocápsulas poliméricas biocompatibles y biodegradables. Las nanocápsulas diseñadas para este estudio han sido modificadas con la incorporación de nanopartículas de hierro superparamagnéticas (SPIONs) y marcajes fluorescentes para su retención magnética y monitorización mediante el uso de las técnicas de imagen por resonancia magnética y por fluorescencia molecular, respectivamente. El estudio exhaustivo de la biodistribución de dichas nanocápsulas, mediante las técnicas mencionadas ha demostrado, en un modelo de ictus isquémico en ratones, que la ruta intraarterial en combinación con el direccionamiento magnético presenta una gran ventaja para aumentar de forma segura la llegada al cerebro. Además, se ha observado la acumulación de nanocápsulas en la región cerebral infartada hasta una semana tras la administración, lo que favorecería la liberación sostenida de los factores terapéuticos encapsulados. Por otro lado, este trabajo ha demostrado, mediante el estudio tanto del contenido proteico total como de factores específicos, la posibilidad de encapsular este secretoma y preservar su función pro-angiogénica una vez liberado, tal y como se ha demostrado en modelos in vitro de células endoteliales. Este estudio demuestra la ventaja terapéutica de la implementación de este abordaje nano-dirigido para la administración del secretoma de EPCs frente a la terapia libre. Los resultados que se muestran aquí sugieren que la administración endovascular hiperaguda del secretoma de EPCs, a la dosis testada, podría exacerbar el daño cerebral post-isquémico, junto a una respuesta neuro-inflamatoria incrementada y, por otro lado, promovería la formación de nuevos vasos sanguíneos de forma ubicua. Por lo contrario, el tratamiento equivalente nano-dirigido permitiría la angiogénesis selectiva en el tejido subyacente al infarto en ausencia de los efectos nocivos observados con el tratamiento libre. Como paso previo hacia la traslación del abordaje terapéutico propuesto, se han utilizado cerdos como modelos de animales grandes con cerebros girencéfalos (cercanos al humano), así como un modelo ex vivo del árbol vascular humano. Por un lado, se ha podido comprobar la seguridad de la administración endovascular y su eficacia para el nano-direccionamiento al cerebro en cerdos. Finalmente, el direccionamiento magnético de nanocápsulas administradas por vía intraarterial ha sido demostrado para el uso en humanos, en un modelo que simula la anatomía y la biodinámica humanas. En conjunto, los resultados obtenidos en esta tesis doctoral posicionan el uso de nanocápsulas magnéticas por vía intraarterial como una estrategia prometedora para incrementar la llegada de fármacos de forma específica al cerebro, como por ejemplo el secretoma de EPCs. Dicha estrategia se podría implementar en el contexto clínico actual con el uso de la trombectomía mecánica.