Characterization of conjugated polyelectrolytes for nucleic acid sensing, gene delivery and imaging

Abstract

Bu tezde, konjuge polielektrolitlerin (CPE) bir sınıfı olan poli(3-alkilmetoksitiyofen) (PT)'nin katyonik türevi ve bu polielektrolitlerden `nanofaz ayırma` yöntemiyle elde edilen polimer noktaların (Pdot) optik ve kolloidal özellikleri karakterize edilmiştir. FeCl3 oksidatif polimerizasyonu ile sentezlenen PT zincirinin konformasyonunun anlaşılması için farklı fizikokimyasal özelliğe sahip çözücüler içinde çözülmüştür. Spektroskopik ve saçılma teknikleri, Flory-Huggins teorisine göre etilen glikolün PT için iyi bir çözücü olduğunu belirlemiştir. PT - etilen glikol arasındaki etkileşim parametresinin PT – su arasındakine göre daha küçük oluşu PT'den zengin etilen glikol ve PT'den fakir su fazı arasında hızlı bir nanofaz ayrımı ile sulu fazda termodinamik olarak elverişli ultra küçük Pdot oluşumunu yönlendirir. Pdot'ların bu özelliği ile ilgili olarak, kanserli hücrelerdeki translokasyonu, 2D hücre kültürü ve ortak kültür çalışmaları ile sağlıklı hücrelere kıyasla analiz edildi. Pdot'ların hepatosellüler karsinomda nükleer zarftan geçme kabiliyetine sahip olduğunu, sitoplazmada sağlıklı karaciğer hücrelerinin çekirdeği etrafında biriktiğini bildirmiştir. Ek olarak, invaziv ve invaziv olmayan meme kanseri türlerinin 2D ve 3D hücre kültürlerinde Pdot boyamanın davranışını anlamak için meme kanseri hücre dizilerinde Pdot'lar üzerinde çalışılmıştır. Bulgular, üçlü negatif meme kanseri hücrelerinin çekirdek zarındaki daha büyük deformasyonlara atfedilen istilacı kanserli hücrelere Pdot'ların daha fazla nüfuz ettiğini göstermektedir. Ayrıca, etilen glikol ortamında sergilenen gelişmiş fotofiziksel özellik, PT'nin, amplifikasyona dayalı olmayan bir protokolle tek nükleotid polimorfizminin belirlenmesi için bir floresan prob olarak kullanılmasına olanak sağlar. PT zincirinin değiştirilebilir konformasyonlarından kaynaklanan farklı dalga boylarındaki floresan emisyonu, konjuge polielektrolit tabanlı SNP saptama analizi için temel unsurdur. Probdan elde edilen optik verilerin temel bileşen analizi ile değerlendirilmesi, sağlıklı bireylerin hastalardan ayrıldığını genel olarak %96 doğrulukla kanıtlamaktadır.

In this thesis, cationic derivative of poly(3-alkylmethoxythiophene) (PT) which is a class of conjugated polyelectrolytes (CPE), and polymer dots (Pdot) prepared by `nanophase separation` method have been characterized in terms of optical and colloidal properties that they possess in the backbone conformations altered by solvation effect. PT which are synthesized via FeCl3 oxidative polymerization, were dissolved in a set of solvents for understanding of coil conformation of PT chain in different physicochemical environment. Spectroscopic and scattering techniques have ascertained that ethylene glycol is a good solvent for PT regarding Flory-Huggins theory. The smaller interaction parameter of PT with respect to ethylene glycol than water drives a thermodynamically driven ultra-small particle (Pdot) formation in aqueous phase by a rapid nanophase separation between PT-rich ethylene glycol and PT-poor water phase. Regarding this characteristic of Pdots, its translocation in cancerous cells was analyzed compared to healthy cells by 2D cell culture and co-culture studies. It has reported that Pdots have ability to penetrate through nuclear envelope in hepatocellular carcinoma whereas accumulate around nucleus of healthy liver cells in cytoplasm. Additionally, Pdots were studied in breast cancer cell lines to understand the behavior of Pdot staining in 2D and 3D cell cultures of invasive and non-invasive breast cancer types. The findings suggest more penetration of Pdots into the invasive cancerous cells attributed to the greater deformations on nucleus membrane of triple negative breast cancer cells. Furthermore, the enhanced photophysical property PT exhibit in ethylene glycol media allows PT to be utilized as a fluorescent probe for determination of single nucleotide polymorphism by a non-amplification-based protocol. Fluorescence emission at specific wavelengths resulted from very distinct conformations of PT chain is the key elements for the SNP detection assay. The evaluation of optical data obtained from the probe with principal component analysis proves the separation of healthy individuals from patients with an overall 96% accuracy.