Responsive polymer nanostructures and hydrogels with photo/acid sensitive linkages for biomedical applications

Abstract

Stimuli–sensitive or “smart” polymers have been at the focal point of many research groups, as exceptionally unique candidates for applications in rapidly burgeoning research fields, including biotechnology and nanomedicine, electronic devices, sensors and actuators and others. The present PhD thesis focuses on the synthesis of novel, stimuli–degradable polymers, polymer networks and polymer–drug conjugates and investigates their potential use as drug delivery devices. This thesis focuses on the investigation of thioketal and thioacetal bonds as a new family of photolabile linkages. The synthesis, characterization, and photodegradation mechanism of linear main–chain poly(thioketals) will be presented. The synthesized polymers were characterized by SEC and NMR and ATR–FTIR spectroscopic and tt was found that the photolysis process proceeded in a chain-length-dependent fashion. Next, a facile chemical platform for the synthesis of photodegradable and thermo–reversible, model hydrogels comprising poly(ethylene glycol) (PEG) as the elastic chains and a dithioacetal at the cross–links will be presented. Hydrogels were synthesized via an acid–catalyzed step–growth reaction of a difunctional PEG–thiol macromer with a wisely selected aromatic dialdehyde molecule. The introduction of the photosensitive dithioacetal bonds rendered the hydrogels photodegradable to obtain the initial comonomers as the main photoproducts, which endowed the material with thermo–reversible properties. The viscoelastic properties of the water-swollen gels, their photodegradation under UV exposure at λ = 254 nm, and the reversible formation of the hydrogel upon heating were investigated by dynamic shear rheology. Next, we are focused on the investigation of light–sensitive poly(acylhydrazones). A novel water soluble, light– and acid–cleavable, main–chain poly(acylhydrazone) copolymer was synthesized. Photodegradation studies revealed a backbone photolysis process attributed to the cleavage of the labile acylhydrazone bonds along the polymer chain. The water soluble poly(acylhydrazone) was conjugated with a hydrophobic anticancer drug, doxorubicin (DOX), affording an amphiphilic polymeric prodrug that formed spherical nanostructures in water. The synergistic effect of light–mediated degradation and acid–induced hydrolysis of the acylhydrazone bonds along the polymer chains and the release kinetics of DOX from the polymeric prodrug were investigated. Moreover, the synthesis and characterization of various photodegradable poly(acylhydrazones) with photo-sensitivity ranging from the UV to the visible regime will be presented. Finally, a hybrid (organic–inorganic) mRNA delivery system comprising polymer coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) is presented. The SPIONs were coated with modified natural polymers, namely oxidized dextran and quaternized chitosan, bearing aldehyde and cationic quaternary ammonium groups, respectively, on their surface. The binding and transfection efficiency of mRNA was examined using of a Green Fluorescent Protein–mRNA (GFP–mRNA) construct in preliminary in vitro studies.

Τα αποκρινόμενα σε ερεθίσματα πολυμερή ή γνωστά και ως «έξυπνα» πολυμερή, αποτελούν το επίκεντρο της έρευνας διαφόρων ερευνητικών ομάδων καθώς έχουν αποδειχθεί εξαιρετικοί υποψήφιοι για εφαρμογή σε ραγδαίως αναπτυσσόμενα ερευνητικά πεδία όπως η βιοτεχνολογία και νανοϊατρική, ηλεκτρονικές συσκευές, αισθητήρες και άλλα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή, εστιάζει στην ανάπτυξη καινοτόμων φώτο– ή/και όξινο–διασπώμενων γραμμικών πολυμερών κύριας αλυσίδας, διασταυρωμένων πολυμερών και συζευγμένα συστήματα πολυμερούς–φαρμάκου και διερευνά τη πιθανή τους χρήση ως μεταφορείς φαρμάκων. Αναλυτικότερα η παρούσα διατριβή εστιάζει στην διερεύνηση των χημικών ομάδων θειοκετάλης/θειοακετάλης ως φωτοδιασπώμενοι δεσμοί. Θα παρουσιαστεί η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και ο μηχανισμός φωτοδιάσπασης γραμμικών πολυθειοκεταλών κύριας αλυσίδας. Τα νεοσυντιθέμενα πολυμερή χαρακτηρίστηκαν ως προς το μοριακό τους βάρος, τη χημική τους δομή και ως προς την ευαισθησία τους παρουσία υπεριώδους ακτινοβολίας, με χρωματογραφία SEC και μαγνητική φασματοσκοπία πρωτονίου και διαπιστώθηκε ότι η φωτοδιάσπαση των πολυμερών βασίζεται στη φωτόλυση των θειοκεταλικών δεσμών της κύριας αλυσίδας. Στη συνέχεια θα παρουσιαστεί μια καινοτόμα μέθοδος για τη σύνθεση φωτοδιασπώμενων και θέρμο–αναστρέψιμων υδρογελών, αποτελούμενων από το πολυμερές πολυ(αιθυλενογλυκόλη) (PEG) και θειοακεταλικούς δεσμούς στα σημεία διασταύρωσης των αλυσίδων. Η εισαγωγή των φωτοευαίσθητων δεσμών διθειοακετάλης κατέστησε τις υδρογέλες φωτο–αποικοδομίσιμες, ενώ η δημιουργία των αρχικών συμμονομερών ως τα κύρια φωτοπροϊόντα, έδωσαν στο υλικό αναστρέψιμες ιδιότητες παρουσία θερμοκρασίας. Οι ιξωδοελαστικές ιδιότητες των υδρογελών, η φωτοδιάσπασή τους μετά από έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία (λ = 254 nm) και ο αναστρέψιμος σχηματισμός της υδρογέλης κατά τη θέρμανση, διερευνήθηκαν με δυναμική ρεολογία διάτμησης. Στη συνέχεια μελετήθηκε η φωτοευαισθησία των χημικών ομάδων ακυλοϋδραζόνης. Πιο συγκεκριμένα, θα παρουσιαστούν η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η φωτοαποικοδόμηση κύριας αλυσίδας ενός νέου, υδατοδιαλυτού, γραμμικού, συμπολυμερούς πολυ(ακυλοϋδραζόνης). Ακτινοβόληση του πολυμερούς οδήγησε στη φωτοδιάσπαση των δεσμών ακυλοϋδραζόνης κατά μήκος της πολυμερικής αλυσίδας. Έπειτα, ένα υδρόφοβο αντικαρκινικό φάρμακο, δοξορουβικίνη (DOX), δέθηκε στα άκρα του υδατοδιαλυτού πολυμερούς αποδίδοντας ένα αμφίφιλο σύστημα πολυμερούς–φαρμάκου. Τέλος, μελετήθηκε η συνδυαστική επίδραση του φωτός και η παρουσία όξινου περιβάλλοντος στη διάσπαση του πολυμερούς και την απελευθέρωση του φαρμάκου. Ακόμη, θα παρουσιαστεί η σύνθεση φωτοδιασπώμενων πολυ(ακυλοϋδραζονών) με φωτοευαισθησία που κυμαίνεται από το υπεριώδες έως το ορατό. Τέλος, θα παρουσιαστεί η ανάπτυξη δύο υβριδικών (οργανικό–ανόργανο) συστημάτων νανοφορέων ριβονουκλεικών οξέων (mRNA) που αποτελούνται από υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδα οξειδίου του σιδήρου (SPIONs) επικαλυμμένα με φυσικά πολυμερή, οξειδωμένη δεξτράνη και quaternized χιτοζάνη, αντίστοιχα. Η αποτελεσματικότητα πρόσδεσης, απελευθέρωσης και μετάφρασης του mRNA εξετάστηκε με τη διεξαγωγή in vitro μελετών χρησιμοποιώντας τη πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνης-mRNA (GFP–mRNA).