Characterization of Conjugated Polyelectrolytes for Nucleic Acid Sensing, Gene Delivery and Imaging

Abstract

In this thesis, cationic derivatives of poly(3-alkylmethoxythiophene) (PT) which are a class of conjugated polyelectrolytes (CPE), have been synthesized. PT has been polymerized via FeCl3 oxidative polymerization, were treated in a set of solvents to elaborate coil conformation of polymer 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 PTrich ethylene glycol and PT-poor water phase. All CPEs have been then employed to prepare single polymer chain polymer dots (Pdot) by “nanophase separation” method. As a next step, Pdots have been characterized in terms of optical and colloidal properties that they possess in the backbone conformations altered by solvation effect. Regarding their colloidal characteristic, translocation of Pdot into 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 cell culture of invasive and non-invasive breast cancer types. The findings suggest that Pdots are prone to penetrate into the invasive cancerous cells attributed to the greater deformations on nucleus membrane of triple negative breast cancer cells. In a next application, the enhanced photophysical property of PT exhibited 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.

Bu tezde, konjuge polielektrolitlerin (CPE) bir sınıfı olan poli(3-alkilmetoksitiyofen) (PT)'nin katyonik türevleri sentezlenmiştir. FeCl3 oksidatif polimerizasyonu sonucu elde edilen PT’nin zincir konformasyonunun anlaşılması için farklı fizikokimyasal özelliğe sahip çözücüler içinde incelenmiştir. 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. Tüm CPE'ler daha sonra "nanofaz ayırma" yöntemiyle tek polimer zincirli polimer noktaları (Pdot) hazırlamak için kullanılmıştır. Bir sonraki adım olarak, Pdot'lar, solvasyon etkisiyle değiştirilen omurga konformasyonlarında sahip oldukları optik ve kolloidal özellikler açısından karakterize edilmiştir. 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 hücre kültüründe 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.