多肽修饰聚乙烯亚胺基因载体的研究

Gene therapy is a method for the treatment of disease to delivery gene to a specific tissue cells (target cells) by carriers and the gene will take appropriate expression. Polyethylene imine is a kind of extensive research compound and should be potential as non-virus gene carrier. Due to its cytotoxicity, instability under the condition of serum and poor transfection efficiency it have not been developed for further application. In our previous research work, we have synthesized a series of polymers which structures are very similar to polyethylene imine. These compounds have improved their transfection efficiency and serum stability, reduced the cytotoxicity in a certain extent. Based on the function diversity, biocompatibility, stability and targeting property of polypeptide, this project employs amino acids, oligopeptides and peptides to modify polyethylene imine. We will carry out the systematic and in-depth research in improving DNA protection ability, cell transfection efficiency, the stability and reducing the cytotoxicity of gene carrier in the body. And we will explore the structure-activity relationship of these modified polyethylene imines as non-virus carriers, the delivery process and mechanism will also be discussed. All above-mentioned research will provide us new prospect and theoretical basis for the design of non-virus gene carriers with safety, high efficiency, low toxicity and targeting property.

基因治疗是通过载体将目的基因传递到特定的组织细胞（靶细胞）内进行适当表达以治疗疾病的一种方法，聚乙烯亚胺是一种研究广泛的具有潜能的非病毒基因载体，但是其细胞毒性较大，在血清条件下不稳定，转染效率不够高以及靶向性差等限制了其应用。我们在前期的研究工作中合成了系列聚乙烯亚胺类似结构的聚合物，在一定程度上提高了转染效率和血清稳定性，降低了细胞毒性。基于多肽的功能多样性、生物相容性、稳定性和靶向性，本项目拟用氨基酸、寡肽和多肽修饰聚乙烯亚胺，围绕改善DNA结合保护能力、提高细胞转染效率，增强基因载体在体内传递时的稳定性和降低载体的细胞毒性等核心问题开展系统而深入地研究。将对其作为非病毒型载体的结构活性关系、运载过程和机理等一系列问题进行探讨，为设计安全、高效、低毒、靶向的非病毒基因载体提供新的前景和理论基础。

本项目在研究计划的基础上，围绕研究目标，进行了多个方面的研究，得到了系列原创性成果。主要完成了以下几个方面的工作：一、氨基酸和肽修饰PEI的合成及性质探究工作。设计合成了多个系列的各种羧酸、氨基酸及功能肽修饰的小分子PEI。旨在改变聚合物上的氨基/羟基或疏水基团的密度，进而对其电荷密度和亲疏水性进行调控，并赋予其刺激响应性。对修饰PEI的构效关系进行了较为深入的研究，得到了转染效率远高于PEI 25 kDa、生物相容性更佳的非病毒基因载体。二、开发了构建克服“PEG dilemma”的聚合物基因载体新策略，并以此为基础开发了多种新型载体。通过环氧开环聚合法合成的阳离子聚合物具有高转染效率和良好的生物相容性，可以作为一种有效克服PEG dilemma的方法。在此基础上，通过环氧开环聚合反应，可将具有各种功能结构的二环氧桥连化合物与不同结构的多胺进行聚合，得到多个系列的基因载体，并系统阐明其构效关系。同时，对相关脂质体和脂质体聚合物也进行了系统研究，包括连接基团结构对脂质体性质的影响；哑铃（Bola）型脂质基因载体；环氧开环合成的脂质体聚合物；以及Lipidoid型脂质分子库等方面。三、基于细胞内活性小分子的荧光探针及应用研究。在细胞中重要气体信号分子和活性小分子的检测以及成像方面开展了系列的研究工作。设计了首例线粒体靶向的pH荧光探针，并合成了水溶性好、线粒体靶向的SO2衍生物比率探针，能够实现纯水相溶剂中对SO2的选择性检测。此外，还设计得到了近红外区发射的单胺氧化酶荧光探针，能够实现对单胺氧化酶A和B的区分。在本项目资助下，发表研究论文39篇，出版专著1本。