Αστεροειδή πολυμερή και εφαρμογές τους στη μεταφορά DNA: πρότυπα αστεροειδή πλέγματα πολυμερών: διδακτορική διατριβή

Abstract

Στη Διδακτορική αυτή Διατριβή έγινε η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός κατιοντικών αστεροειδών πολυμερών και η αξιολόγηση τους στη μεταφορά γενετικού υλικού στα κύτταρα (επιμόλυνση). Επίσης, έγινε η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός τεσσάρων οικογενειών αστεροειδών πολυμερικών πλεγμάτων, καθώς και πλεγμάτων ενός μακρομονομερούς. Τα μονομερή που χρησιμοποιήθηκαν είναι: o μεθακρυλικός (2-διμεθυλαμινο)αιθυλεστέρας (DMAEMA), ο μεθακρυλικός εστέρας της εξααιθυλενογλυκόλης (HEGMA), o μεθακρυλικός τετραϋδροπυρανυλεστέρας (THPMA), το μεθακρυλικό οξύ (MAA), ο μεθακρυλικός μεθυλεστέρας (MMA), ο μεθακρυλικός ­κ-βουτυλεστέρας (BuMA), o μεθακρυλικός (2-αιθυλαμινο)αιθυλεστέρας (DEAEMA), ο μεθακρυλικός βενζυλεστέρας (BzMA) και το ισοβουτυλένιο (IB). Οι δύο οικογένειες των αστεροειδών συμπολυμερών αποτελούνταν από τέσσερα αστεροειδή συμπολυμερή διαφόρων αρχιτεκτονικών (δύο αδρομερικά, ετεροβραχιονικό και τυχαίο) του DMAEMA - HEGMA και DMAEMA - MΑA. Οι τέσσερις οικογένειες αστεροειδών πλεγμάτων αποτελούνταν από τους συνδυασμούς μονομερών : (1) MMA - BuMA, (2) DEAEMA - HEGMA, (3) DMAEMA - ΜΑΑ, και (4) DMAEMA - BzMA. Όλες οι πιο πάνω οικογένειες πολυμερών παρασκευάστηκαν με χρήση του «ζωντανού» πολυμερισμού μεταφοράς ομάδας (GTP). Χρησιμοποιώντας το ζωντανό καρβοκατιοντικό πολυμερισμό (QLCCP) παρασκευάστηκε ένα ολιγομερές του ΙΒ το οποίο μετατράπηκε σε μεθακρυλικό μακρομονομερές που με τη σειρά του πολυμερίστηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο GTP για να παρασκευαστούν πλέγματα. Όλα τα αστεροειδή πολυμερή και τα πρόδρομα μόριά τους, καθώς και τα πρόδρομα μόρια των πλεγμάτων χαρακτηρίστηκαν ως προς τα μοριακά τους βάρη (ΜΒ) με χρωματογραφία μοριακού αποκλεισμού (GPC). Τα αστεροειδή πολυμερή χαρακτηρίστηκαν επίσης με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), νεφελομετρία, δυναμική και στατική σκέδαση φωτός. Στη συνέχεια, τρεις οικογένειες αστεροειδών πολυμερών αξιολογήθηκαν ως επιμολυντές κυττάρων HeLa με πλασμιδιακό DNA σε σύγκριση με τον εμπορικά διαθέσιμο δενδριμερικό μεταφορέα SuperFect. Ένα αστεροειδές ομοπολυμερές DMAEMA και ένα αστεροειδές συμπολυμερές DMAEMA - HEGMA παρουσίασαν εξίσου ικανοποιητικά αποτελέσματα με το δαπανηρότερο εμπορικό μεταφορέα SuperFect. Τα αστεροειδή πολυμερικά πλέγματα χαρακτηρίστηκαν ως προς το βαθμό διόγκωσης (ΒΔ) σε διάφορους διαλύτες. Οι ΒΔ των αστεροειδών πολυμερικών πλεγμάτων ΜΜΑ-BuMA αυξάνονταν με αύξηση της περιεκτικότητας του διαλύτη σε THF, ενώ για τις τρεις οικογένειες αστεροειδών πολυμερικών πλεγμάτων που περιείχαν ιονιζόμενο/α μονομερές/η οι ΒΔ αυξάνονταν στα pH όπου ένα από τα δύο μονομερή ήταν ιονισμένο, συγκεκριμένα σε χαμηλά pH για τα αστεροειδή πολυμερικά πλέγματα DEAEMA - HEGMA και DMAEMA - BzMA και σε χαμηλά και υψηλά pH για τα αστεροειδή αμφολυτικά πολυμερικά πλέγματα DMAEMA - MAA.

In this PhD Thesis cationic star polymers were synthesized, characterized and evaluated as vehicles that transfer genes into the cells (transfection). Moreover, four series of cross-linked star polymer networks, and one series of networks on a macromonomer, were also synthesized and characterized. The monomers used for all the syntheses were 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA), hexa(ethylene glycol) methacrylate (HEGMA), tetrahydropyranyl methacrylate (THPMA), methacrylic acid (MAA), methyl methacrylate (MMA), n-butyl methacrylate (BuMA), 2-(diethylamino)ethyl methacrylate, (DEAEMA), benzyl methacrylate (BzMA) and isobutylene (IB). Four star copolymers of different architectures (block, heteroarm and statistical) were prepared for each of the two series of star copolymers based on DMAEMA - HEGMA and DMAEMA - MΑA monomer combinations, respectively. The four series of networks were based on monomers: (1) MMA - BuMA, (2) DEAEMA - HEGMA, (3) DMAEMA - ΜΑΑ, and (4) DMAEMA - BzMA. All the above-mentioned series of polymers were prepared using group transfer polymerization (GTP). Using quasi-living carbocationic polymerization (QLCCP) one oligomer of IB was prepared which was modified to a methacrylate macromonomer and polymerized using GTP to synthesize networks. All star polymers and their precursors as well as the precursors to the networks were characterized in terms of their molecular weight (MW) using gel permeation chromatography (GPC).Τhe star polymers were also characterized by nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, turbidimetry, dynamic and static light scattering. Next, the three series of star polymers were evaluated as vehicles for the delivery of plasmid DNA to HeLa cells and compared with a dendritic commercially available reagent called SuperFect. One star homopolymer and one DMAEMA - HEGMA star copolymer presented the same satisfactory results in transfection as SuperFect. The degrees of swelling (DSs) of the polymer networks were measured in different solvents. The DSs of ΜΜΑ - BuMA networks increased by increasing the THF content of the solvent, while the aqueous DSs of the other three series of networks increased at the pH where one of the two monomers was ionized. In particular, the highest DSs of the DEAEMA - HEGMA and the DMAEMA - BzMA networks were at low pH, while for the networks DMAEMA - MAA the highest DSs were displayed both at low and high pH.