聚酰胺-胺与聚乙烯亚胺共聚物及其叶酸修饰的基因传递系统的构建及性能评估

摘要

人类目前很多疾病用传统的治疗方法，手段和技术很难治愈或者难达到较好的治疗效果。随着人类基因工程计划的完成，分子生物学及其技术的发展，人们可以从基因水平去认识疾病，发现致病基因，实现基因治疗的可能。基因治疗就是将外源性治疗基因通过载体传送到病变的组织或细胞，沉默非正常的基因表达，替换或者修复有缺陷的基因，从而达到治疗疾病的目的。由于单纯的裸基因在传递的过程中容易被体内的一些生物酶降解而失去治疗作用，因此基因需要载体的传送。研究表明，载体的类型往往决定基因的传递效率，从而决定着治疗的效果。因此，发展有效的基因载体是发展基因治疗的必由之路。此外，病毒载体还有制造成本高，制备复杂，基因协载量低等问题。基于这些问题，很多研究将目标转向了非病毒基因载体的研究。非病毒载体可以克服病毒载体的安全性问题，但是其传递效率低于病毒载体，往往很难达到满意的治疗效果。因此，发展高效的，高安全性的非病毒载体用于基因治疗非常必要。其中，阳离子聚合物聚酰胺-胺(polyamidoamine，PAMAM)和聚乙烯亚胺(polyethylenimine，PEI)是两类研究比较多的非病毒基因载体。一般地，高代数的PAMAM和大分子量的PEI都具有高的转染效率，但是伴随着很大的细胞毒性;相反，低代数的PAMAM和小分子量的PEI具有很低的细胞毒性，但伴随着很低的转染效率，而且这两类载体的抗血清能力非常的差，用于临床试验具有很大的挑战。
　　另一方面，载体要用于体内基因治疗必须具有一定的稳定性和靶向能力。聚乙二醇化(PEGylation)常常被用来提高载体的稳定性，降低载体与体内阴离子型物质的非特异性结合，延长体内循环时间。另外，PEG还常用作配体和载体的连接剂，既可以保持PEG的优点，同时还可以增加配体-受体结合的能力。虽然这样的策略在一定程度上提高了系统的胶束稳定性和细胞特异性，但是PEG的修饰同样存在一些问题，主要是:降低载体的细胞摄取和溶酶体中逃逸的能力。因此，本研究的重要之二是:构建PEG-配体修饰的PAMAM-PEI靶向基因传递系统，然后尝试通过优化PEG末端配体密度去克服PEG作用降低的细胞摄取和进一步提高载体的转染活力和细胞特异性。
　　根据上面的叙述，我们将论文分成2个部分，第一部分是合成PAMAM-PEI共聚物，对其转染活力和细胞毒性进行评估，初步考察它们的基因传递机制。第二部分工作是根据第一部分的结果去构建一种转染活力更高、毒性更低的PAMAM-PEI的共聚物，然后以此共聚物为基础构建叶酸靶向的基因传递系统。
　　在研究的第一部分，我们将生物兼容性好的PAMAM G1.5和G2.5与毒性低的分支状PEI1800 Da通过酰胺化反应合成一种以PAMAM为核，PEI为外层的PAMAM-PEI(PAPE)共聚物。通过红外，核磁，GPC对其结构进行了表征。然后考察了PAPE对DNA的压缩能力，复合物的抗核酸酶降解能力，并对PAPE/DNA复合物的粒经，电位，形态进行了测定。对复合物在不同细胞系上的转染效率，毒性进行了评估。最后对其在HEK293T细胞上的转染机制进行了初步研究。具体的内容如下:
　　(1)以PAMAM G1.5或G2.5为核心，与过量的分支状PEI1800通过酰胺化反应合成PAMAM为核，PEI为外层的PAMAM-PEI共聚物。以PAMAMG1.5和G2.5为核的共聚物分别被命名为PAPE-1和PAPE-2.用红外(FT-IR)，核磁(1H NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)对其结构进行表征。结果显示，在PAPEs的红外和核磁图谱上没有PAMAM G1.5和G2.5上的甲酯(-COCH3)特征峰，这是由于PAMAM和PEI发生了酰胺化反应生成了酰胺键导致其消失，且甲酯基全部参与了反应。
　　(2)PAPEs/pDNA复合物生物理化性质的研究。利用凝胶电泳对PAPEs的基因压缩能力进行了评估，发现，PAPE-1和PAPE-2在N/P=2时可以完全阻滞DNA的迁移，能力和PEI25K相当，但稍弱于PAMAM G5.利用核酸酶降解实验来考察PAPE对DNA的保护能力，发现PAPEs在N/P=2时开始呈现出保护能力且随着N/P的升高而增强。
　　(3)对PAPEs/DNA复合物在不同细胞系上的转染活力分别在有无血清的条件下进行了评估。HEK293T的转染结果表明，PAPEs的转染活力是随着N/P的升高先提高再降低的，在无血清的条件下最优比是N/P=25，有血清条件下的最优转染比是N/P=90.在N/P=25时，PAPEs的转染活力显著高于PEI25K，PAMAM G5，PEI1800的最优转染效率，但是弱于商业化转染试剂Lipofectamine2000(P＜0.05)。
　　(4)利用细胞途径抑制剂来研究PAPEs/DNA进入细胞的机制，利用共聚焦显微镜(CLSM)来观察复合物进入细胞后其在胞内的分布位置，利用溶酶体突破试剂-氯喹来验证复合物是否通过溶酶体，利用aphidicolin对细胞的分裂进行抑制研究细胞分裂对转染效率的影响。结果表明，PAPEs/DNA复合物进入细胞主要是caveolae-mediated pathway(CvME)途径。CLSM观察到大部分复合物没有与溶酶体重叠共定位在一起而且接近细胞核的边缘，这说明大部分复合物不经过溶酶体;为了进一步证实这个现象，细胞转染前用氯喹预处理以促进载体逃离溶酶体从而提高转染效率，但是复合物的转染效率不能提高，这说明复合物具有足够的缓冲能力突破溶酶体或者复合物不经过溶酶体。
　　在本文的第二部分，鉴于第一部分的结果PAPE高效的基因传递效率，这很可能归功于它的结构优势，虽然研究也发现它们的细胞毒性虽然较PEI25K低，但是它的安全浓度范围相对较窄，浓度在30μg/mL就可以使HeLa细胞丧失～30％的细胞活力，因此我们首先研究了其结构和转染效率、毒性间的关系，期望发现转染效率更高和毒性更低的PAMAM-PEI共聚物。由于阳离子聚合物的毒性是和分子量是成正比的，所以我们采用支化的小分子PEI423去替代PEI1800与PAMAM G2.5反应合成一种具有薄PEI外层的新型的PAMAM-PEI杂交体(PME)，然后对其毒性和转染活力进行了评估。结果表明，PME在所测细胞系上均表现出比PAPE-2更高的转染效率(P＜0.05）同时也具有抗血清的能力，但同时它的细胞毒性显著低于PAPE-2(P＜0.05)。然后，为了进一步提高PME的细胞特异性，我们用PEG，FA1-PEG和FA2-PEG对其进行化学修饰，合成了具有相同PEG取代度但不同叶酸密度的PME作为靶向基因载体，同时考察叶酸密度对提高PME的转染活力和细胞特异性的影响。利用1H NMR和UV对其结构进行了表征。它们对基因的压缩能力，复合物的粒径电位进行了测量，考察了它们的细胞毒性和溶血性，利用流式细胞仪对其转染效率和细胞摄取进行了测定，对其细胞摄取的机制用抑制剂进行了评估，最后比较了它们在HEK293T多细胞球体上的摄取。具体的研究内容如下:
　　(1)PAMAM G2.5与过量的PEI423通过酰胺化反应合成PAMAM G2.5-PEI423(PME).用FT-IR,1H NMR和GPC对其结构进行了表征，结果表明，PME被成功合成。然后对其在多种细胞上的转染活力进行了测定，与PAPE-2相比，PME的转染活力更高(P＜0.05)。它们对细胞的毒性大小进行析因分析后发现载体的类型对细胞活力有显著影响(F=485.861，P=.000)，在每个浓度进一步单独比较，发现PME的细胞活力显著高于PAPE-2(P＜0.05)。
　　(2)利用琼脂糖凝胶电泳对共聚物的基因压缩能力进行了评估，结果表明PEGylation没有显著影响PME的基因压缩能力，所有的共聚物在N/P=2时可以完全阻滞DNA的迁移。利用马尔文粒径仪对复合物的粒径和电位进行了测量。
　　(3)共聚物转染活力的评估。对叶酸受体阳性细胞HEK293T和HeLa细胞转染规律是:PME经PEG化后转染效率显著降低（P＜0.05），当PEG的末端连上1价FA分子后，转染效率显著提高(P＜0.05），当PEG的末端连接上2价的FA分子之后，转染效率再次提高(P＜0.05）。
　　(4)细胞摄取机制的研究。利用游离叶酸和细胞摄取通道抑制剂研究PME-(PEG3.4k-FA2)1.72，PME-(PEG3.4k-FA1)1.66，PME-(PEG3.5k)1.69复合物的细胞摄取机制。叶酸受体阳性细胞经游离叶酸预处理后，细胞表面的叶酸受体将被饱和。
　　通过本研究主要得出:1）PAPE具有很高的转染活力和相对低的细胞毒性，复合物进入细胞主要通过小窝蛋白调控的内吞作用，此途径可以减少复合物进入溶酶体的量避免被降解，细胞分裂时的核运输，基因表达的规律近似符合玻尔兹曼模型函数;2）利用小分子PEI423替代PEI1800与PAMAM G2.5反应可以获得转染效率更高，毒性更低的PAMAM-PEI共聚物(PME);3) PEG末端的二价叶酸修饰比一价叶酸修饰可以更有效地提高PME的细胞特异性和克服PEG引起的细胞摄取降低，进而提高它的转染活力。同时也发现PME-(PEG3.4k-FA2)1.72对叶酸受体阳性细胞具有比PEI25K更强的转染活力，具有潜在临床应用价值。

目录

摘要

第一章 前言

1．1 基因治疗

1．2 基因载体

1．2．1 病毒型基因载体

1．2．2 非病毒型基因载体

1．3 基于聚酰胺-胺(PAMAM)的基因传递载体

1．3．1 PAMAM的合成方法

1．3．2 PAMAM的化学修饰

1．4 基于聚乙烯亚胺(PEI)的基因传递载体

1．4．1 PEI的化学修饰

1．5 基因载体PEG修饰后的常见问题及策略

1．6 阳离子聚合物介导基因的传递机制

1．6．1 细胞摄取机制

1．6．2 内涵体／溶酶体逃逸机制

1．6．3 入核的机制

1．7 本研究目的、意义和内容

第二章 PAMAM-PEI(PAPE)聚合物的合成与表征

2．1 试剂和仪器

2．2 PAMAM的合成

2．2．1 PAMAM G-0．5的合成

2．2．2 PAMAM G0的合成

2．2．3 PAMAM G1．5和G2．5的合成

2．3 PAMAM-PEI(PAPE)的合成

2．3．1 PAPE的红外光谱分析

2．3．2 PAPE的1HNMR分析

2．3．3 PAPE的GPC分析

2．4 结果与讨论

2．4．1 PAMAM的合成

2．4．2 PAPE的合成

2．4．3 PAPE的红外表征

2．4．4 PAPE的1HNMR分析

2．4．5 PAPE的GPC分析

2．4．6 PAPE的结构分析

2．5 本章小结

第三章 PAPE／pDNA复合物的制备及物理性能

3．1 试剂和仪器

3．2 LB培养基的配制

3．3 质粒的转化

3．4 pEGFP-C1的大提

3．5 PAPE／pDNA复合物的制备

3．6 PAPE对pDNA的压缩能力和保护能力分析

3．7 PAPE／pDNA复合物的粒径，电位和形态的测定

3．8 统计学分析

3．9 结果与讨论

3．9．1 质粒的转化和提取

3．9．2 凝胶电泳分析PAPEs的基因压缩能力

3．9．3 PAPE／pDNA的抗核酸酶降解分析

3．9．4 PAPE／pDNA的粒径、电位和形态测定

3．10 本章小结

第四章 PAPE的基因转染活力及毒性评估

4．1 试剂，细胞和仪器

4．2 试验方法

4．2．1 细胞培养

4．2．2 体外转染

4．2．3 细胞毒性评估

4．3 统计学分析

4．4 结果与讨论

4．4．1 聚合物PAPE的体外转染

4．4．2 PAPE及其基因复合物的毒性评估

4．5 本章小结

第五章 PAPE／pDNA复合物的转染机理初探

5．1 试剂和仪器

5．2 试验方法

5．2．1 荧光素标记的DNA制备

5．2．2 PAPE／pDNA复合物的摄取途径

5．2．3 PAPE／pDNA复合物经CvME摄取的基因表达动力学

5．2．4 PAPE／pDNA复合物的胞内运输

5．2．5 氯喹和aphidicolin对转染的影响

5．3 统计学处理

5．4 结果与讨论

5．4．1 质粒DNA的荧光素标记

5．4．2 PAPE／pDNA复合物的摄取途径

5．4．3 PAPE／pDNA的基因表达动力学

5．4．4 PAPE／pDNA复合物的胞内过程

5．4．5 氯喹与aphidicolin对PAPE／pDNA复合物转染效率的影响

5．5 本章小结

第六章 PME的合成、表征及生物学性能评价

6．1 试剂、仪器及细胞

6．2 试验方法

6．2．1 PAMAM G2．5-PEI 423共聚物(PME)的合成

6．2．2 PME的结构分析

6．2．3 细胞培养

6．2．4 转染

6．2．5 细胞毒性评估

6．3 统计学分析

6．4 结果与讨论

6．4．1 PME的合成与表征

6．4．2 聚合物PME转染HEK 293T细胞

6．4．3 聚合物PME／pDNA在最优比转染多种细胞系

6．4．4 聚合物PME的细胞毒性

6．5 本章小结

第七章 PME-PEG-FA共聚物的合成、表征及其生物相容性评估

7．1 试剂和仪器

7．2 试验方法

7．2．1 COOH-PEG3．4k-FA1和COOH-PEG3．4k-FA2的合成

7．2．2 PME-PEG3．4k-FA1，PME-PEG3．5k，PME-PEG3．4k-FA2的合成

7．2．3 聚合物的表征

7．2．4 细胞毒性

7．2．5 溶血分析

7．3 计学分析

7．4 结果与讨论

7．4．1 COOH-PEG3．4k-FA1和COOH-PEG3．4k-FA2的合成及表征

7．4．2 PME-PEG3．4k-FA2，PME-PEG3．4k-FA1，PME-PEG的合成及表征

7．4．3 聚合物及其基因复合物的细胞毒性和复合物的溶血分析

7．5 本章小结

第八章 聚合物／pDNA复合物的物理性能及体外转染研究

8．1 试剂和仪器

8．2 试验方法

8．2．1 琼脂糖凝胶阻滞实验

8．2．2 PME-(PEG3．4k-FA2)1．72／pDNA复合物的粒径和电位测量

8．2．3 体外转染

8．3 统计学分析

8．4 结果与讨论

8．4．1 压缩能力分析

8．4．2 粒径、电位测定

8．4．3 聚合物的体外转染

8．5 本章小结

第九章 PME-(PEG3．4k-FA2)1．72／pDNA复合物的细胞摄取

9．1 试剂和仪器

9．2 2D细胞摄取

9．3 3D多细胞球体的摄取

9．4 统计学分析

9．5 结果与讨论

9．5．1 2D细胞摄取分析

9．5．2 3D细胞摄取分析

9．6 本章小结

第十章 PME-(PEG3．4k-FA2)1．72／pDNA复合物的细胞摄取机制

10．1 试剂和仪器

10．2 叶酸竞争性试验和摄取途径

10．3 统计学分析

10．4 结果与讨论

10．4．1 载体的细胞特异性和摄取途径分析

10．5 本章小结

参考文献

全文总结与创新点

中英文缩写词表

致谢

攻读博士期间论文成果

声明

统计学审稿证明