一种基于硫内酯化学构筑的多功能非病毒基因输送载体聚合物

摘要

本发明涉及如下式表示的用于基因输送的聚合物及其制备方法和应用。

说明书

技术领域

本发明属于用于基因输送的高分子领域。更具体地，本发明涉及一种用于基因输送的聚合物及其制备方法和应用。

背景技术

基因治疗在治疗各种难治疾病方面展现出越来越显著的优势。然而，安全且高效地将核酸输送到靶标位置在整个基因治疗的应用上依旧是很大的挑战。鉴于病毒输送载体的安全问题，非病毒基因输送载体在近些年得到了长足发展。其中，聚合物基因输送载体因具有能够快速制备、易修饰以及化学结构多样性等优势，相比其它而言则更加受到青睐。为了实现高效的基因转染效果，输送载体必须经历细胞内外多重障碍，主要包括：(1)保持在血液中稳定性；(2)细胞内吞；(3)内涵体逃逸；(4)细胞质运输；(5)复合物解离及基因转录等。这些复杂的生物障碍势必要求聚合物输送载体拥有多种功能来克服，才能最终实现高效的基因输送效果。

为了克服基因输送过程中的重重阻碍，各种各样的将功能基团整合一体并优化聚合物结构的策略相继被提出来。例如，将不同的阳离子功能基团(如：伯胺，仲胺，叔胺等)引入到聚合物侧链，从而提高聚合物的DNA络合能力和细胞内吞作用等^[1]。此外，不同疏水结构的引入也会影响基因复合物的性质，包括提高复合物的稳定性，与细胞膜的作用，甚至内涵体逃逸性能。例如，氟化作用被证明可以显著提高基因复合物的细胞内化和细胞内的内涵体逃逸能力^[2]。总之，不同结构的胺和疏水基团能在整个基因输送过程中产生重要影响。

由于可以大量筛选各种各样结构的疏水基团和氨基类型，组合化学方法在获得结构多样性的基因输送载体聚合物库方面得到重大发展。Langer和Anderson等^[3]利用组合化学合成法得到可降解的化学结构各异的聚β-氨酯，开创了利用高通量合成筛选法制备聚合物基因输送载体的先河。最近，王文新等^[4]又在此基础上报道合成了超支化聚β-氨酯库。此外，其它研究组也报道了通过共聚含不同功能基元的单体或者在聚合物侧链用不同功能基元后修饰等策略制备多功能聚合物库^[5-6]。这些进展表明高通量合成筛选法将大大促进设计并筛选更加安全有效的聚合物基因输送载体的研究进程。然而，为了精确控制聚合物分子量(MW)以及疏水基团和氨基的类型和比例以及筛选更高效和低毒性的聚合物基因载体，我们仍然需要提出更多通用和简便的方法。

发明内容

本发明旨在提出一种简便的模块化的合成方法，将不同功能的结构单元高效地整合一体，从而达到对聚合物实现多功能化修饰的目的。通过此方法，我们得到一系列结构各异的多功能化聚合物，并通过细胞水平上的实验评价，筛选出最佳的基因输送聚合物载体。

因此，在本发明的一个方面，提供了一种用于基因输送的多功能化聚合物，其由下式表示：

其中，n为10至1000(例如，10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950和1000)、优选40-300(例如，40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、150、200、250和300)的整数；

R₁为胺基团，优选-(CH₂-CH₂-NH)_m-CH₂CH₂NH₂或(其中*为R₁与其他基团的连接位点)，其中m为0至20的整数(例如，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20)，优选m为0，1，2或3；

R₂为疏水基团，优选选自C₁-C₁₈直链或支链饱和烷基(例如，甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、C₁₁烷基、C₁₂烷基、C₁₃烷基、C₁₄烷基、C₁₅烷基、C₁₆烷基、C₁₇烷基和C₁₈烷基，包括正烷基和及其同分异构体)，更优选卤代(例如全卤代，包括(全)氟代、(全)氯代、(全)溴代和(全)碘代)C₁-C₁₈直链或支链饱和烷基，最优选氟化(例如全氟化)C₁-C₁₈直链或支链饱和烷基(例如，选自正丁基、正辛基或全氟丙基)。

在所述聚合物的一个优选实施方案中，m为奇数，以致于R₁含有偶数目个氨基乙烯重复单位，优选m为3。

在所述聚合物的另一个优选实施方案中，R₂为疏水修饰，优选为正辛基，更优选为全氟丙基。

在所述聚合物的另一个优选实施方案中，

R₁选自和/或R₂选自正丁基、正辛基或全氟丙基。

在所述聚合物的另一个优选实施方案中，中R₁为并且R₂为全氟丙基。

在本发明的另一方面，提供了一种制备本发明所述的聚合物的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)将式(I)的化合物与式(II)的化合物进行开环反应；

R1-NH2

(I)

和

(b)将步骤(a)的反应产物与式(III)的聚丙烯酰氧乙基甲基丙烯酸酯(PAOEMA)进行迈克尔加成反应，得到式(IV)的聚合物，

其中R₁、R₂、m和n如权利要求1至5任一项中所定义。

在本发明的上述方法的一个优选实施方案中，所述方法为基于硫代内酯化学一锅法。

在本发明的上述方法的另一个优选实施方案中，式(II)的化合物是通过D,L-同型半胱氨酸硫内酯盐(无机盐，如盐酸盐、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐等)与HOOC-R₂之间的酰胺化反应来合成。

在本发明的上述方法的另一个优选实施方案中，PAOEMA是根据以下合成路线合成的

在本发明的另一方面，提供了本发明所述的聚合物在输送基因中的应用，其中所述基因为DNA或RNA。DNA或RNA与本发明的聚阳离子聚合物可以形成复合物(络合物)。

细胞实验表明，本发明的聚合物具有非常高的转染效率，并且具有低细胞毒性，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1.基于硫代内酯化学的一锅法合成路线合成多功能聚合物，其中R₁可以选自基团A、B、C、D或E，并且R₂可以选自基团1(正丁基)、基团2(正辛基)或基团3(全氟丙基)(*表示这些基团与化合物的其余部分的连接位点)；

图2.化合物1(即其中R₂为正丁基的式(II)的化合物，*表示R₂与化合物的其余部分的连接位点)的¹H-NMR谱图表征；

图3.化合物2(即其中R₂为正辛基的式(II)的化合物，*表示R₂与化合物的其余部分的连接位点)的¹H-NMR谱图表征；

图4.化合物3(即其中R₂为全氟丙基的式(II)的化合物，*表示R₂与化合物的其余部分的连接位点)的¹H-NMR谱图表征；

图5.聚丙烯酰氧乙基甲基丙烯酸酯(PAOEMA)的合成路线；

图6.聚丙烯酰氧乙基甲基丙烯酸酯(PAOEMA)的¹H-NMR谱图表征；

图7.聚丙烯酰氧乙基甲基丙烯酸酯(PAOEMA)的GPC(凝胶渗透色谱)表征；

图8.代表性聚合物P2B(即其中R₁为基团B、R₂为基团2的式(IV)的聚合物)的¹H>

图9.代表性聚合物P3D(即其中R₁为基团D、R₂为基团3的式(IV)的聚合物)的凝胶电泳实验结果图(结论：证明该聚合物在重量比高于20/1时可以很好地与pDNA进行络合)；

图10.各种聚合物与pDNA按重量比30:1络合后形成复合物的粒径(A)与ζ电势(B)结果。其中，bPEI与pDNA按N/P＝10络合的复合物为对照组(结论：说明所得的复合物粒径大概为120纳米,且ζ电势约为14毫伏,较低于对照组，适用于细胞实验)；

图11.各种聚合物与Luc-pDNA按重量比30:1络合后形成复合物的在HeLa细胞中的转染结果(A)和相应聚合物在不同浓度下(1μg/mL，5μg/mL，10μg/mL，20μg/mL，50μg/mL)的细胞毒性结果(B)。其中，bPEI与Luc-pDNA按N/P＝10络合的复合物为对照组；

图12.聚合物P2D(即其中R₁为基团D、R₂为基团2的式(IV)的聚合物),P3D和P3C(即其中R₁为基团C、R₂为基团3的式(IV)的聚合物)与GFP-pDNA按重量比30:1络合后形成复合物的在HeLa细胞中的转染结果(A)和HeLa细胞中GFP阳性细胞比例定量结果(B)。其中，bPEI与GFP-pDNA按N/P＝10络合的复合物为对照组。标尺代表100微米。**p＜0.01；

图13.聚合物P2D,P3D和P3C与Cy5-pDNA按重量比30:1络合后形成复合物的在HeLa细胞中的流式细胞术结果。其中，bPEI与Cy5-pDNA按N/P＝10络合的复合物为对照组；

图14.聚合物P2D,P3D和P3C与Cy5-pDNA按重量比30:1络合后形成复合物的在HeLa细胞中分布的共聚焦荧光显微图像(A)和各复合物所负载的Cy5-pDNA(红色)与晚期内涵体/溶酶体(绿色)的共定位结果。标尺代表10微米。*p＜0.05，**p＜0.01。

具体实施方式

下述实施例意欲进一步举例说明本发明。它们不意欲将本发明的主题限制于此。

实施例1化合物1、2和3的合成方法

通过D,L-同型半胱氨酸硫内酯盐酸盐分别和正戊酸，正壬酸，全氟丁酸之间的酰胺化反应合成了接有不同种类疏水部分的硫内酯化合物(分别记为：1,2,3)。以合成化合物1为例，首先将含D,L-高半胱氨酸硫酸内酯盐酸盐(6.12g，40mmol)，三乙胺(7mL，50mmol)的100mL二氯甲烷(DCM)在室温下搅拌，随后加入正壬酸(7.0g，45mmol)，二环己基碳二亚胺(DCC)(9.2g，45mmol)和二甲氨基吡啶(DMAP)(550mg，4.5mmol)，继续将反应混合物在室温下搅拌24小时。接下来，将反应物减压抽滤除去不溶性残余物，再用乙酸乙酯洗涤并多次过滤。待减压蒸发溶剂后，得到的粗产物用柱层析法纯化，洗脱剂为石油醚/乙酸乙酯＝3:1(v/v)，最终获得的产物为白色粉末状固体(9.2g，产率：85.2％)。其它硫内酯化合物(2,3)根据类似的方法合成。所有产物都使用¹H-NMR进行表征，谱图结果分别参见图2,图3,图4。

实施例2聚丙烯酰氧乙基甲基丙烯酸酯(PAOEMA)的合成方法

如图5所示，PAOEMA由丙烯酰氯对聚(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)(PHEMA)后修饰合成得到。首先，我们通过可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合合成了PHEMA。具体地说，首先将单体2-羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)(5.06g，40mmol)，链转移剂(4-氰基-4-[(苯乙基硫烷基硫羰基)硫烷基]戊酸)(155mg，0.45mmol)和引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)(6.5mg，0.04mmol)溶于无水乙醇(5mL)后转移到封管中。待将反应混合物进行三次冷冻-解冻循环除去空气后，真空下封上封管，将封管浸没在预热至75℃的油浴中，聚合反应在磁力搅拌下进行。12小时后，反应混合物在过量乙醚中沉淀并离心，弃去上清液，将产物再次用乙醇溶解，继续沉淀离心，总共重复三次。然后将得到的聚合物在室温下真空干燥24小时，得淡黄色粉末固体聚(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)(PHEMA)(4.6g,产率:90％,M_n,GPC＝11,200g/mol,M_w/M_n＝1.12)。为除去聚合物末端三硫酯端基，将所得到的产物继续与过量的AIBN反应。简单来说，把聚合物PHEMA(4.4g,0.4mmol)和AIBN(660mg,4mmol)溶于二甲基甲酰胺(DMF)后转入封管中，按上述类似步骤处理封管后，将封管在80℃的油浴反应8小时。随后在过量乙醚中沉淀离心三次，最终得到白色粉末状固体产物(4.2g,产率:95％,M_n,GPC＝10,800g/mol,M_w/M_n＝1.12)。为了获得聚丙烯酰氧乙基甲基丙烯酸酯(PAOEMA)，将丙烯酰氯(5.76g，64mmol)，三乙胺(4.04g，40mmol)和二甲氨基吡啶(DMAP)(390mg，3.2mmol)在4℃下加入到含PHEMA(4.2g,0.4mmol)的二甲基乙酰胺(20mL)溶液中，反应混合物在室温下搅拌24小时。然后，减压抽滤除去不溶性固体，滤液经浓缩并在过量乙醚中沉淀离心3次后获得聚合物。最后，真空干燥后得到淡黄色固体产物(3.4g,产率:64％,M_n,GPC＝15,200g/mol,M_w/M_n＝1.18)(该产物对应图6中通式化合物中的n为84)，核磁和GPC表征结果分别见图6,图7。

实施例3系列聚合物的多功能化修饰方法

多功能化的聚合物主要通过用含不同数目乙烯亚胺重复单元的胺对含疏水官能团的硫代内酯进行开环反应，氨解后原位生成的巯基与PAOEMA进行迈克尔加成反应。以P2B的合成为例，首先将含2当量(相对于PAOEMA中的双键，下同)化合物2(431mg,1.68mmol)的DMF溶液滴加到含20当量二乙烯三胺(1.73g,16.8mmol)的DMF溶液中。在室温下搅拌反应10分钟后，在N₂气氛下向体系缓慢加入含PAOEMA(150mg,0.01mmol)的DMF溶液。继续反应15分钟后，将反应液在乙醚中沉淀离心三次，最终得到淡黄色聚合物产物P2B(200mg,产率:44％)。通过¹H-NMR表征结果(图8)算得PAOEMA中烯丙基双键的转化率高于95％。

实施例4聚合物/pDNA复合物的制备

为得到聚合物/pDNA复合物，我们首先将这些聚合物溶于DMSO/乙酸钠缓冲液(10mM，pH＝5.2)(1/10，v/v)混合液中配制成50mg/mL的储备溶液。然后，根据所需的聚合物/pDNA重量比(w/w)，再用相应体积乙酸钠缓冲液(10mM,pH＝5.2)进一步稀释，最终得到所需浓度的聚合物溶液。最后，将聚合物溶液(20μL)快速加入到50μg/mL的pDNA溶液(40μL)中，涡旋10秒，并在37℃下孵育10分钟后再进行后续实验。

实施例5琼脂糖凝胶电泳实验

将新制备的复合物溶液与4μL的DNA上样缓冲液混合，然后将该混合液加到含有0.1％(v/v)Gel-Red的1％琼脂糖凝胶上，每个孔加入20μL混合液。再将琼脂糖凝胶浸泡在TAE缓冲液中并在100V的电压下跑胶45分钟。随后在紫外光波长为254nm下，我们使用EC3成像系统(UVP Inc.)观测并拍摄记录pDNA的条带分布情况。

实施例6各复合物的细胞转染效果实验

为了证明所合成聚合物的基因输送能力，我们研究了各聚合物与报告基因(GFP-pDNA或Luc-pDNA)^[7]络合形成的复合物在HeLa细胞中的基因转染效能。首先将HeLa细胞在含有10％FBS，1％青霉素/链霉素(P/S)的完全的DMEM中进行培养，并在含有5％CO₂的潮湿气氛中于37℃条件下温育。对于Luc-pDNA报告基因转染研究，我们先将HeLa细胞按5×10³个细胞/孔的密度接种到96孔培养板上并培养24小时。随后，用新鲜的等体积的培养基替换培养基，然后将相应的络合后复合物溶液加入每个孔中(0.5μg的Luc-pDNA/孔)。培养24小时后，移走培养液，并用PBS清洗后加入新的培养基继续培养。24小时后，去除培养基，加入细胞裂解液并在室温下放置30分钟。随后使用酶标仪测量转染效率。转染结果以每毫克细胞蛋白的相对光单位(RLU)表达。GFP-pDNA的基因转染方法与上述相似。转染过程结束后，在室温下用奥林巴斯倒置显微镜(IX-71)观察记录GFP的表达结果。

实施例7各聚合物的细胞毒性实验

将HeLa细胞以5×10³个细胞/孔的密度接种在96孔板中，并在100μL完全DMEM中于37℃下培养24小时。随后，用新鲜的等体积的培养基代替原培养基，然后将不同浓度的聚合物溶液加入每个孔中，维持细胞在一系列聚合物浓度(1μg/mL，5μg/mL，10μg/mL，20μg/mL，50μg/mL)条件下继续培养48小时。然后，在每孔中加入20μL的噻唑蓝(MTT)试剂(5mg/mL)并在37℃和5％CO₂下继续培养4小时。吸走孔中液体并加入150μL的DMSO以溶解由活细胞形成的甲瓒晶体。最后，用酶标仪读取490nm处的吸光度。将聚合物处理组的细胞吸光度值除以对照组的细胞吸光度值，即可算出细胞存活率(％)。

实施例8各复合物的细胞内分布实验

本实验利用Cy5荧光标记的质粒DNA(Cy5-pDNA)^[7]作为模型质粒进行细胞内研究。首先将HeLa细胞以2×10⁴个细胞/孔的密度接种到玻璃底培养皿上，然后在37℃下培养24小时。随后，用新鲜的等体积的培养基代替旧培养基，将相应的络合后复合物溶液加入每个孔中(2μg的Cy5-pDNA/孔)。培养8小时后，吸走培养液，并用PBS洗涤细胞3次。接着用浓度为200nM的LysoTracker>

本发明首次结合硫代内酯化学和巯基-烯迈克尔加成反应来引入不同功能的结构基元，以此获得一系列具有多重功能的聚合物基因输送载体。具体地说，我们首先在硫代内酯中引入不同的疏水集团，并利用含有不同乙烯亚胺数目的胺进行开环反应，反应产生的巯基与随后加入的聚丙烯酰氧乙基甲基丙烯酸酯(PAOEMA)发生迈克尔加成反应(图1)，最终得到一系列含不同结构单元的聚合物。随后，通过细胞内吞和细胞内分布等实验表明，经四乙烯五胺和全氟丙基修饰的聚合物(P3D)能够有效提高复合物的内吞能力并且也明显增强了其内涵体逃逸能力，从而实现了较其它聚合物和通用转染试剂bPEI(支化聚乙烯亚胺)(M_w＝25kDa)(Sigma-Aldrich)更优异的基因转染效果。综合以上结果，我们运用硫内酯开环再结合迈克尔加成反应这一简单高效的合成方法将不同功能性的基团整合一体得到一系列具有多功能生物作用的聚合物材料体系，再通过细胞水平实验评价筛选出高效低毒的最佳聚合物基因输送载体。

为了研究合成聚合物的基因转染效率，我们把聚合物与编码荧光素酶的质粒DNA(Luc-pDNA)按30：1的重量比络合形成的复合物在HeLa细胞进行细胞层次基因转染实验。同时，实验中用分子量为25kDa的支化聚乙烯亚胺(bPEI)与Luc-pDNA以N/P比为10形成的复合物作为对照组。如图11A所示，所有合成聚合物都体现出了非常高的转染效率。值得注意的是，由化合物1和2制备的聚合物，转染效率接近或略低于bPEI。特别是，由一些胺和化合物3制备的聚合物(如P3B，P3D和P3E)显示出比bPEI更高的基因转染效率。此结果表明，在侧链中修饰有全氟丙基的氟化聚合物显示出比侧链中含有丁基或辛基的聚合物更高的转染效率。此外，我们的实验结果显示出独特的聚合物侧链中奇-偶数目的氨基乙烯重复单元对转染效率的影响。具体地说，P1B，P1D，P2B，P2D，P3B，P3D复合物显示出比相应的P1A，P1C，P2A，P2C，P3A，P3C复合物更高的基因转染效率。在乙二胺(EDA，A)，二乙烯三胺(DET，B)，三乙烯四胺(TET，C)，四乙烯五胺(TEP，D)改性的聚(β-苄基-L-天冬氨酸酯)(PBLA)的基因转染效能中也观察到这种现象。值得注意的是，在这些聚合物中，P3D显示出最高的基因转染效率，甚至比PEI高两倍。此外，与bPEI相比，合成的聚合物显示出更好的生物相容性(图11B)。这些多官能化修饰的聚合物即使在高浓度(50μg/mL)下也显示出超过80％的细胞活性。但是对于bPEI来说，随着浓度的增加，细胞存活率急剧下降。这可能是由于合成聚合物主链和侧链之间的酯键能够确保聚合物在细胞内有效地降解，从而显着降低了聚合物的细胞毒性。

接下来，为了阐明P3D复合物的高转染效率的原因，我们选择了三种代表性聚合物(P2D，P3C和P3D)来研究其结构与转染能力之间的关系。首先，我们研究这三种聚合物和bPEI与可编码绿色荧光蛋白(GFP)的pDNA(GFP-pDNA)络合所形成的复合物在HeLa细胞中GFP转染效率情况(图12A)。从图中可以看到，P3D的转染效率明显高于bPEI。而P2D显示了与bPEI相当的GFP表达水平。我们进一步将GFP阳性细胞比例定量化以作为转染细胞多少的指标(图12B)。其中，P3D复合物表现出最高的GFP阳性细胞比例，比bPEI高近两倍。鉴于细胞摄取和内涵体逃逸效率过程对基因转染起着关键作用，我们接下来通过流式细胞术检测络合有Cy5染料标记的pDNA(Cy5-pDNA)的四个复合物的细胞摄取效率情况。如图13所示，与bPEI相比，P3C和P3D均显著增加了HeLa细胞中Cy5-pDNA的荧光。相比之下，P2D显示出与bPEI相似量的细胞内Cy5-pDNA。上述结果表明，聚合物氟化修饰有助于细胞的有效摄取。

为了评估复合物的内涵体逃逸能力，我们通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)研究了四种络合有Cy5-pDNA复合物在细胞内分布情况(图14)。在CLSM图像中，黄色像素表示Cy5标记的pDNA(红色)与晚期内涵体/溶酶体(绿色)的共定位。如图14A所示，P3C和P3D复合物比其他复合物更有效地分布在整个细胞质区域。这些结果与流式细胞术分析一致。然而，合并的图像显示大部分P3C复合物被滞留在溶酶体中，表明P3C具有较低缓冲能力，因而阻止其从内涵体中逸出。相反，P2D和P3D复合物显示在细胞质中较高的红色荧光强度，表明大多数复合物能从内涵体中逃逸出来。同时，我们用Image J软件计算了共定位比例(重叠的绿色和红色像素)以评估相应的内涵体逃逸能力。图14B结果显示，P2D和P3D复合物的共定位比例分别为0.37和0.32，显著低于P3C的0.76和PEI的0.46，表明前者具备更优于P3C和bPEI的内涵体逃逸能力。之所以P3D拥有更高的内涵体逃逸能力归因于其非常高的质子缓冲能力以及由于其在内涵体pH下的特殊质子化状态而选择性地干扰膜的完整性的能力。总而言之，我们证明偶数目个氨基乙烯重复单位有助于聚合物/pDNA复合物进入细胞后从内涵体的有效逃逸。

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虽然为了清楚的理解，已经借助于附图和实施例在一些细节上描述了上述发明，但是说明书和实施例不应当被视为限制本发明的范围。本文中引用的所有专利和科学文献的公开内容通过引用完整地清楚并入。