[en] The current transfer of knowledge from a research laboratory scale to pharmaceutical products and human therapies is limited, among other reasons, due to the perception of cells as black boxes, where there are inputs and outputs but little attention is devoted to the inner cell processes governing the overall results. This doctoral thesis proposes a method to study the cellular mechanisms involved in cell uptake and transfection that often remain unnoticed. That is, through the development of a new class of multicomponent nanoparticles derived from a well-performing polymeric type gene delivery system, it is here projected an inspection from inside the cells that will allow not only a better understanding of cell experiment results, but also setting the basis for an innovative and improved cell therapy platform. First, the intracellular mechanisms of autophagy and exosomes production will be studied using OM-pBAE polyplexes in combination with metallic nanoparticles. The role of both the polymeric and the metallic component of the system will be investigated in these two cell mechanisms that are induced upon cell transfection. Also, the intracellular location assessment of the complexes will be monitored. Then, the interactions of these gene delivery systems with the proteins present in any given biological medium will be analyzed, since they have a great impact in cellular internalization. And finally, with the knowledge on both the cellular mechanisms behind cell transfection and the effect of protein corona on the cell uptake profiles of different nanoparticles, it will be proposed the application of our gene delivery systems to a more challenging purpose: the modification of mesenchymal stem cells for further use as cell therapy strategies. In conclusion, in this thesis, multicomponent nanoparticles have been employed to perform a thorough study of the cellular mechanisms induced upon cell transfection. Gene delivery systems composed of polyplexes made of OM-pBAEs and pDNA and a metallic component being either gold nanoparticles or SPIONs have been used to unbox cells and analyze the intra and intercellular processes that dictate the fate of internalized vectors – namely autophagy and exosomes production –, study their interaction with proteins and demonstrate that this phenomenon is key for their cellular uptake, and finally apply the knowledge of their properties and abilities to genetically modify reluctant to transfection cells that are used for cell therapy strategies.

[es] La actual transferencia de conocimientos desde la escala de laboratorio de investigación a los productos farmacéuticos y las terapias humanas es limitada, entre otras razones, debido a la percepción de las células como cajas negras, en las que hay entradas y salidas pero se presta poca atención a los procesos celulares internos que rigen los resultados generales. Esta tesis doctoral propone un método para estudiar los mecanismos celulares que intervienen en la internalización de NPs y la transfección de células, que a menudo pasan desapercibidos. Es decir, mediante el desarrollo de una nueva clase de nanopartículas multicomponentes derivadas de un sistema polimérico de gene delivery de buen rendimiento, se proyecta aquí una inspección desde el interior de las células que permitirá no sólo comprender mejor los resultados de los experimentos celulares, sino también sentar las bases de una plataforma de terapia celular innovadora y mejorada. En primer lugar, se estudiarán los mecanismos intracelulares de autofagia y producción exosomas utilizando poliplejos OM-pBAE en combinación con nanopartículas metálicas. Se investigará el papel del componente polimérico y metálico del sistema en estos dos mecanismos celulares que se inducen con la transfección celular. También se supervisará la evaluación de la ubicación intracelular de los complejos. A continuación, se analizarán las interacciones de estos sistemas de gene delivery con las proteínas presentes en el medio biológico, ya que tienen un gran impacto en la internalización celular. Y, por último, con el conocimiento tanto de los mecanismos celulares que subyacen a la transfección celular como del efecto de la corona proteínica en los perfiles de internalización celular de las diferentes nanopartículas, se propondrá la aplicación de nuestros sistemas de gene delivery a un propósito más desafiante: la modificación de las células madre mesenquimales para su posterior uso como estrategias de terapia celular. En conclusión, en esta tesis se han empleado nanopartículas multicomponentes para realizar un estudio exhaustivo de los mecanismos celulares inducidos en la transfección celular. Se han utilizado sistemas de entrega de genes compuestos de poliplejos hechos de OM-pBAE y pDNA y un componente metálico que son nanopartículas de oro o SPIONs para abrir las células y analizar los procesos intra e intercelulares que dictan el destino de los vectores internalizados - la autofagia y la producción de exosomas -, estudiar su interacción con las proteínas y demostrar que este fenómeno es clave para su absorción celular y, por último, aplicar el conocimiento de sus propiedades y capacidades para modificar genéticamente las células reacias a la transfección que se utilizan para las estrategias de terapia celular.