核酸载体修饰的硅纳米线阵列促进基因转染的研究

Gene therapy is the main direction to solve many diseases difficult to cure. The key challenges in gene therapy is to identify a delivery vehicle (vector) that can effectively and safely carry a gene into the target cells, and most importantly, directly transport into the nucleus of the host cell. In the present project, in order to improve transfection efficiency and reduce cytotoxicity, we purposed the use of polymer-modified silicon nanowire arrays as an effectively delivery system, based on the penetration performance of the silicon nanowires on the nucleus and the regulation of polymeric substance on nucleic acid binding/release. A series of polymers, such as polyethylene imine (PEI), chitosan derivatives and polymethyl methacrylate dimethylaminoethyl methacrylate (PDMAEMA), are grafted by covalently-linking and surface initiated atom transfer radical polymerization technique (SI-ATRP) in silicon nanowire arrays with different morphologies, resulted in a series of polymer-modified silicon nanowire arrays. The effect of surface properties on nucleic acid binding/releasing, how to control gene recombination and its release process in the nucleus will be studied in this project. In order to investigate the reason why polymer-modified silicon nanowire arrays could affect gene transfection efficiency, the binding and activity of protein on the material surface, the cell growth and transfection efficiency will also be studied. This study will provide not only theoretical and experimental basis for the further use of polymer-modified nanomaterials surface as specific biomedical materials, but also the necessary foundation for the design and preparation of new biological intelligence material.

基因治疗是解决许多难治疗疾病的主要方向。选择生物相容性好的基因载体、高效负载和释放核酸物质及直接将其运输到细胞核内是开展基因治疗的关键。本项目提出利用高分子修饰的硅纳米线阵列，借助硅纳米线对细胞核的穿透性能及高分子物质对核酸结合与释放的调控，来提高基因转染效率且降低细胞毒性。本项目采用共价连接和表面引发原子转移自由基聚合技术（SI-ATRP），在不同形貌的硅纳米线阵列表面修饰聚乙烯亚胺、壳聚糖衍生物和聚甲基丙烯酸二甲氨乙酯等物质，构建一系列核酸载体分子修饰的硅纳米线阵列；研究材料表面对核酸的结合和释放，基因复合的控制及其在细胞内的释放过程；研究材料上蛋白质的结合与活性以及细胞的生长和转染效率，探讨高分子修饰的硅纳米线阵列影响基因转染效率的原因。该项目的研究可为进一步利用高分子修饰的纳米材料表面制备特异性的生物医用材料提供理论基础和实验依据，为新型生物智能材料的设计与制备提供必要的研究基础。

基因疗法是解决当前许多难治疗疾病的主要策略。选择生物相容性好的基因载体、高效负载和释放核酸物质及直接将其运输到细胞核内是开展基因治疗的关键。本项目通过合成阳离子型聚合物，利用高分子修饰的技术改变纳米材料表面性质，提高其对细胞膜与细胞核的穿透性能以及高分子物质对核酸结合与释放的调控能力，从而促进外源基因有效传递到目的细胞的关键细胞器中，达到对目的细胞基因结构及基因表达的特异性调控作用，同时对正常细胞具有较好的生物相容性，提高其在生物医学应用中的潜力。因此，本项目采用共价连接和表面引发原子转移自由基聚合技术（SI-ATRP），在硅纳米线阵列和金纳米粒子等不同种类的纳米材料表面修饰上配体化的聚乙烯亚胺、聚甲基丙烯酸二甲氨乙酯（pDMAEMA）和氨基化聚甲基丙烯酸甘油单酯（PGEA）等高分子物质，构建了一系列核酸载体分子修饰的纳米材料。材料表面性质由于聚合物的修饰作用发生明显改变。本项目深入研究了纳米材料表面对核酸的结合和释放及其在细胞内的释放过程，发现经过聚合物修饰的纳米材料能负载较多的核酸物质，并且有助于DNA在细胞核内，RNA在细胞质内的释放。我们进一步探讨了高分子修饰的纳米材料对细胞的生长和基因转染效率的影响，结果显示，经过修饰的纳米材料可以很好地维持细胞的生长，并且有效地利用外源基因载体，达到了促进细胞基因转染的目的。我们通过控制材料的结构和表面性质对细胞基因转染的影响，揭示了这些纳米材料促进基因转染效率的规律。该项目共发表SCI收录期刊研究论文13篇，其中10篇论文的影响因子大于7；申请国家发明专利一项；撰写外文图书一个章节；培养博士和硕士研究生18名。它为进一步利用高分子修饰的纳米材料表面制备特异性的生物医用材料提供理论基础和实验依据，为新型生物智能材料的设计与制备提供必要的研究基础，为生物纳米医用材料的发展培养了后备力量。