蛋白质基生物相容性基因载体的构建及其应用

The development of a low-cost, biocompatible vector that delivers siRNA safely and efficiently to target sites with high efficiency transfection is significant in RNA interfering gene therapy. However, the wildly studied cationic polymer gene vectors presented by polyethyleneimine could not meet the requirements of low cytotoxicity and biodegradability, which greatly limits their clinical applications. This project aims at develop a new protein/siRNA co-aggregation strategy to fabricate a novel protein-based biocompatible gene vector, and explore its application in treatment of chronic wounds such as diabetic ulcer. In this project, we first elucidate the amyloid-like co-aggregation mechanism of lysozyme and siRNA according to the study of co-aggregation process at the molecular level; then study the factors that affect this co-aggregation process. After that, the research will move on the study of the relationship between structure and property of the lysozyme/siRNA gene transfection complex. Additionally, this complex can be functionalized by PEG or cell targeted ligand utilizing the abundant reactive functional groups in the amino acid residues of lysozyme. On the basis of the above-mentioned studies, the research is finally expected to solve the key problems related to the application of traditional cationic polymer siRNA vectors, and provide a new strategy for the development of low-cost, high-performance gene vectors.

发展一种低成本、生物相容性优异的载体将siRNA安全有效地递送至目标部位并实现高效转染，是RNA干扰基因治疗技术成功的关键。然而，目前以聚乙烯亚胺为代表的阳离子聚合物载体存在较高的细胞毒性及不可降解性，极大地限制了其临床应用。本项目旨在通过发展蛋白质与siRNA的崭新共聚集体系，实现新型蛋白质基生物相容性基因载体的构建，并探索其在慢性伤口（如糖尿病溃疡）基因治疗方面的应用。首先从分子水平上研究溶菌酶与siRNA的类淀粉样共聚集微观进程，揭示其共聚集机制。然后在此基础上分析溶菌酶与siRNA类淀粉样共聚集过程影响因素，实现对溶菌酶/siRNA基因转染复合物结构与性能的精准调控，并借助溶菌酶氨基酸残基中丰富的活性官能团对复合物表面进行功能改性。最终解决制约传统阳离子聚合物siRNA载体应用中的难题，为低成本、高性能基因载体的构建提供新的思路。

与纤维素、甲壳素等天然高分子相比，蛋白质特点在于水溶性好，加工条件更加温和、简单和高效，具有优异的生物相容性，降解产物为氨基酸无毒，分子结构中含有具备质子缓冲效应的活性胺以及多种活性官能团，是一类理想的基因载体材料。受自然界中一种结构稳定亦可被蛋白酶降解的蛋白质淀粉样聚集体的启发。本项目利用还原剂打断蛋白质分子中二硫键使其发生快速类淀粉样聚集的方法，发展了蛋白质与基因的崭新共聚集体系，探究了溶菌酶与基因在还原剂作用下的共聚集机制及影响因素，初步实现了蛋白质基生物相容性基因载体的构建，相关的动物体内实验以及慢性伤口愈合治疗实验正在进行当中。将该方法进一步拓展到蛋白质基有机/无机功能复合材料的制备上。利用三(2-羧乙基)膦可同时打断二硫键诱导溶菌酶发生类淀粉样聚集和高效还原氧化石墨烯的特性，采用溶剂挥发成膜的方法，在不同基材表面制备了蛋白质/还原氧化石墨烯复合薄膜。该复合薄膜能稳定地粘附在基材表面。将复合膜粘附在聚合物上形成的双层驱动器具有优异的光、热驱动性能，可在激光照射下实现超远距离控制（~100米）。将粘土引入牛血清白蛋白类淀粉样转变体系，制备了具有仿珍珠层结构的蛋白质/粘土透明柔性复合薄膜。该复合薄膜具有优异的力学性能，良好的基材粘附性、化学稳定性和阻燃性，在阻燃涂层和智能降温窗方面具有潜在应用。在解析了蛋白质与基因、无机纳米材料非共价偶联物类淀粉样聚集过程的基础上，通过“grafting to”的方法将β-环糊精分子与溶菌酶分子进行化学偶联。研究了偶联物在还原剂作用下的类淀粉样聚集过程。得到的产物不仅具有较高的比表面积，而且表面暴露环糊精官能团和大量氨基酸残基，可以通过静电作用和络合作用提供与铀离子相互作用的活性结合位点，是一种具有优异细胞相容性和生物降解性的高效铀离子提取吸附剂。本项目的开展为低成本蛋白质基功能材料的制备提供了新的思路和策略。