基于聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)构建高性能基因载体

摘要

人类社会的不断发展提高了人们的物质生活水平，然而，人们养成了越来越多的不良的生活习惯，也严重破坏了地球的环境，直接或间接地导致了癌症、心血管疾病、遗传性疾病和神经性疾病等重大疾病的快速蔓延。这些疾病往往难以治愈，严重威胁着人类的健康和生命。基因疗法作为一种在靶细胞中引入治疗性基因的方法，很有希望从根本上治好这些棘手的病症。基因疗法的关键是设计和制备安全高效的基因传递系统——包括病毒类载体和非病毒类载体。由于病毒类载体的安全性问题一直以来难以克服，故而越来越多的研究重点被集中在非病毒类载体上，而其中的阳离子聚合物在近几十年中得到了快速的发展。本论文针对阳离子载体在传递基因过程中遇到的障碍，提出了系列基于聚甲基丙烯酸缩水甘油酯的基因载体，并用体外和/或体内的表征验证了它们的性能，为基因疗法的发展提供了重要，有利的信息。
　　星状阳离子聚合物基因载体因为具有较好的柔性而受到关注。β-环糊精(β-CD)的良好的可化学修饰性和极好的生物相容性，为制备星状聚阳离子提供了有利的条件。考虑到哌嗪(PP)、N-氨乙基哌嗪(AEPP)和N-(3-氨丙基)-2-吡咯烷酮(APP)可能引入的生物学功能，我们以β-CD为核，基于聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)，通过结合原子转移自由基聚合（ATRP）和开环反应，提出了CD-PGPP、CD-PGAEPP和CD-PGAPP载体。这三种星状聚胺类基因载体具有丰富的胺基和无毒的羟基，它们都能有效地压缩质粒DNA(pDNA)，并显示出比阳性参照物聚乙烯亚胺(PEI，～25 kDa)低得多的毒性。在大多数N/P比下，CD-PGAPP表现出比CD-PGPP和CD-PGAEPP更高的转染效率，尤其是在HepG2细胞中。更重要的是，CD-PGPP、CD-PGAEPP和CD-PGAPP载体都几乎不会造成溶血现象，表明这三种星状聚胺类载体有希望应用于体内。
　　转基因的传递是一个复杂而充满各种障碍的过程。上述三种聚胺类载体虽然能够保护核酸，也可能具有良好的血液相容性，但总体上，它们的功能有限，有待通过改性而进一步提高性能。将传递特异性赋予载体，可以增加转基因的生物利用度。这里，我们用乙醇胺(EA)替代PP、AEPP和APP，使星状PGMA功能化，生成低毒高柔性的s-PGEA，最后进一步引入亲和糖蛋白的苯硼酸(PBA)，得到了s-PGEA-B。经验证，与不含PBA基团的s-PGEA相比，相应的s-PGEA-B显示出更强的络合pDNA的能力，形成的复合物的尺寸更小。s-PGEA-B/pDNA复合物的细胞内化率和转染效率也更高，尤其在HepG2细胞中，因为PBA基团能特异性结合HepG2细胞表面的碳水化合物sLex。此外，s-PGEA-B在转染过程中同时发射荧光，这有利于对基因载体进行定位。本研究为多功能的基因传递系统的设计和肝癌的治疗提供了新思路。
　　接近“理想化”的基因载体应同时克服多个传递期间的障碍，所以我们需要从多方面着手，研究提升载体性能的方法。上一个方案从提高生物利用率的角度进行研究，这里我们想从转基因的逃逸角度来设计载体。系列可降解的梳状阳离子聚合物SS-PGEADMs被提出，它由乙醇胺/胱胺功能化的PGMA（SS-PGEA-NH2）主链和含二硫键桥接的PDMAEMA侧链构成，具有丰富的仲胺、羟基和适量的二硫键，其中二硫键的数量和PDMAEMA侧链的长度都是可控的。经证实，在模拟细胞内的还原性条件下，SS-PGEADMs的分子量明显下降。而且在肝素（一种阴离子多糖）和二巯基苏糖醇(DTT)的同时作用下，SS-PGEADM/pDNA复合物能有效地释放pDNA，释放量显著大于不能降解的SS-PGEA-NH2/pDNA复合物的。值得一提的是，链长较短的PDMAEMA侧链的引入明显提高了转染效率，而不会过分地增大细胞毒性，这归功于对还原刺激响应的可断裂二硫键。这种具有多种功能基团的结构明确的梳状载体为制备先进的的基因/药物载体提供了一个灵活实用的方法。
　　基于核酸的基因疗法是一个治愈棘手的疾病的富有前景的选择。对于非病毒类基因载体，低分子量的聚合物类载体一般表现出不理想的转染性能，但是它们比较容易从体内被排出。上一个方案通过同时引入短链的聚阳离子和二硫键来构建大分子量的载体，这给了我们启发。因此，基于乙二胺功能化的低分子量线性PGMA（简称为PGED），一个灵活可行的方法在这里被提出来——设计新型的可还原的含温和的交联基团的阳离子纳米凝胶（简称为PGED-NGs），其中，α-硫辛酸(LA)——一种天然的存在于人体中的抗氧化剂——很容易地被引入到PGED中参与交联。PGED-NGs能够有效地络合pDNA和短链干扰RNA(siRNA)。与线性低分子量的PGED相比，PGED-NGs表现出高得多的pDNA的转染效率。PGED-NGs还能够有效地转运MALAT1 siRNA（siR-M）进入肝癌细胞，并显著地抑制癌细胞的增殖和迁移。目前的研究工作表明，含LA交联基团的可还原阳离子纳米凝胶可能发展为应用于基因治疗的有力竞争者。
　　上述的研究为未来的基因传递系统的设计与发展提供了有价值的参考和思路。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．2 基于DNA的疗法

1．2．1 质粒

1．2．2 寡核苷酸

1．2．3 siRNAs

1．3 基因传递系统

1．3．1 病毒类基因传递系统

1．3．2 非病毒类基因传递系统

1．4 课题的目的及意义

第二章 系列新型的高性能星状聚阳离子基因载体

2．1．1 前言

2．1．2 实验部分

2．1．3 结果与讨论

2．1．4 小结

2．2 基于PGMA的具有侧悬苯硼酸基团的高效多功能的星状聚阳离子基因载体的研究

2．2．1 前言

2．2．2 实验部分

2．2．3 结果与讨论

2．2．4 小结

第三章 基于PGMA的还原刺激响应性基因载体

3．1 关于含二硫键、叔胺和羟基的促进基因传递的可生物还原的梳状缀合物的研究

3．1．1 前言

3．1．2 实验部分

3．1．3 结果与讨论

3．1．4 小结

3．2 基于低分子量PGMA的可还原性纳米凝胶核酸载体的相关研究

3．2．1 前言

3．2．2 实验部分

3．2．3 结果与讨论

3．2．4 小结

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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