基于环状多胺的多功能碳量子点核酸运载体系的研究

Carbon quantum dots (CDs), as a new class of fluorescent carbon nanomaterials, was found in early this century. CDs possess the properties of high stability, good conductivity, low toxicity, environmental friendliness, simple synthetic routes as well as comparable optical properties to quantum dots. Thus they have become attractive study objects in chemical and biological fields. The application of CDs as non-viral gene delivery vectors is still in the initial stage: the starting materials for the preparation of CD are limited, and their transfection efficiencies are not high enough, the multifunctionality of CD-type gene vector needs to be further explored. In this project, novel CDs are prepared from marcocyclic polyamine (MPA) derived polymers. Besides the optical properties, the marcocyclic polyamines afford the product CDs with cationic properties, which may help to condense and package DNA for gene delivery. More importantly, since MPA and their derivatives can well coordinate to special metal ions like Fe3+ and Gd3+, the CDs prepared from metal-coordinated MPA polymers may have magnetic targeting or magnetic resonance imaging capability. Furthermore, the CDs prepared from MPA polymers and other functional polymers such as polythiophene or hyaluronic acid will be afforded the abilities of photodynamics therapy or cell targeting delivery. The multifunctionality of CD materials can effectively assist the gene delivery process, leading to better transfection efficiency and disease diagnosis. These studies will also help to elucidate the gene transfection mechanism of this new class of nanomaterials, and to develop several CDs with high transfection efficiency and biocompatibility as promising candidates for further in vivo applications.

碳量子点作为近年发现的新型荧光纳米材料，具有毒性低、生物相容性好、环境友好、便于修饰、造价便宜等优点，加上其特殊的光学性质，使其在化学和生物领域成为引人注目的研究对象。由于其发展时间还较短，在基因载体应用方面还存在制备原料单一，转染效率不够高的局限，其多功能性亦亟待开发。因此，本项目结合碳量子点的特性，从环状多胺聚合物出发，通过引入特殊基团，制备多功能碳量子点基因载体，并系统考察其多功能性和构效关系。环状多胺除了其阳离子性质可以压缩包裹DNA进而实现基因运载之外，其特殊的大环结构可以和金属离子如Fe3+和Ga3+等配位，使制备的碳量子点具有磁靶向性或磁共振成像能力；通过引入聚噻吩，使材料具备光动力治疗性能；通过引入靶向试剂如透明质酸，可望赋予材料靶向性。以上多功能性可为基因转染提供有效辅助，这类新材料的开发亦将为疾病的诊断、治疗以及转染过程的监控和转染机理研究提供有价值的信息和手段。

本项目在研究计划的基础上，围绕研究目标，进行了多层次、系统性的研究，得到了系列原创性成果。针对多功能碳量子点核酸运载体系，设计合成了基于透明质酸和PEI的靶向性碳点基因递送材料，具有优异的血清耐受性，并实现了CD44受体靶向的能力。在此基础上，对基于PEI的碳点进行了疏水性修饰，率先对疏水修饰的两亲性碳量子点的制备和功能进行了研究。发现这类碳点不仅可用于运载基因，还可以实现siRNA和蛋白的有效递送。我们对疏水基团的种类和取代度也进行了构效关系研究，发现油醇以特定取代度修饰的碳量子点具有最佳的基因转染效率。除了经典阳离子聚合物PEI，我们也采用自制聚合物作为前体制备碳点，发现碳点具有比相应聚合物更低的细胞毒性和更高的基因转染效率，显示出将聚合物制备为碳点是改善基因递送材料性质的较好策略。此外，我们还将一些特殊元素掺杂到碳点中，赋予碳点多功能性。比如制备了Gd掺杂的具有荧光/核磁双模成像功能的基因载体，实现了小鼠体内的高效肿瘤MR成像；掺杂氟原子的碳点也具有比相应未掺氟碳点具有更高的基因转染效率。除了碳点类载体材料，我们也对其它一些具有荧光性质的基因载体材料进行了探索。如设计合成了基于AIE和基于萘磺酰胺的两亲性阳离子脂质，并研究了它们在特定细胞环境下的响应和基因运载能力。另外，对环氧开环聚合这一聚合物构建策略进行了深入研究，开发了一类可以较为有效地克服“PEG dilemma”的聚合物材料。并受此启发，开展了各类相关非病毒基因载体的设计合成和性质研究工作，包括各类基于环氧开环合成的阳离子聚合物和各种不同类型的阳离子脂质体。这些研究对基因载体的构效关系做出了实质性贡献，得到的结果对载体结构的理性设计提供了指导和参考。在本项目资助下，发表研究论文21篇，出版学术专著1部，培养了博士生和硕士生各3名。