基于超支化聚磷酸酯非病毒基因载体的构建及应用研究

Currently, design and synthesis of a highly efficient and low cytotoxicity nonviral gene delivery vehicle is one of the key points for the construction of highly efficient and safe gene delivery systems as well as the development of clinical application of gene therapy. However, the previously reported gene delivery vectors always involved with cytotoxicity problems impeding the development of clinical application of gene therapy. In this project, we present a highly efficient and low cytotoxicity nonviral gene carrier material based on phosphonium-containing hyperbranched polymers. Various kinds of structure controllable, biocompatible and biodegradable cationic hyperbranched polyphosphates can be prepared by using self-condensing ring-opening polymerization. The relationship of structure of cationic hyperbranched polyphosphates and the complex ability with DNA can be illustrated via adjusting the topology structure and charge distribution of the polymers. Cationic hyperbranched polyphosphates and DNA can form stable complexes, while the loaded DNA can be rapidly released because of the fast degradation of carrier in cells. Cationic hyperbranched polyphosphates can be used to realize the low cytotoxicity and highly efficient gene delivery, which provides an opportunity for the development of clinical application of gene therapy.

目前，设计合成高效低毒的非病毒基因载体是构建高效安全基因输送体系以及推动基因治疗临床应用的关键科学问题之一。研究结果表明在实现高转染效率的同时通常面临着高毒性问题，这严重阻碍了基因治疗临床应用的进程。本项目拟在课题组原有工作基础上，设计合成一类含磷超支化聚合物的高效低毒非病毒基因载体。采用自缩合开环聚合，制备多种结构可控、生物相容、生物可降解的阳离子型超支化聚磷酸酯，突破传统基因载体材料在安全性方面的局限性。通过控制阳离子型超支化聚磷酸酯的分子结构，具体阐明拓扑结构和电荷分布与DNA复合能力之间的相互关系。以阳离子型超支化聚磷酸酯为非病毒基因载体，可同时实现载体在细胞外与DNA的有效结合以及细胞内因载体快速降解而迅速释放DNA，从而达到DNA的低毒输送和高效转染。新型阳离子型超支化聚磷酸酯载体材料的发展为基因治疗的临床应用提供了新契机。

癌症是严重危害人类健康的疾病之一。当今中国，癌症已经成为排在第一位的死亡原因，且癌症发生率正处于快速上升期，每年癌症发病人数约260万，其中死亡约180万。即使在西方发达国家，癌症也排在死亡原因的第二位。基因治疗是一种将外源性基因导入细胞高效表达从而达到治疗疾病目的的治疗方法，它为遗传疾病、癌症以及一些常见疾病的治疗提供了新途径，因此成为世界各国优先发展的重点研究领域，设计合成高效低毒的非病毒基因载体是构建高效安全基因输送体系以及推动基因治疗临床应用的关键科学问题之一。按照申请书原定计划，我们制备得到了具有不同拓扑结构的阳离子型超支化聚磷酸酯并对其结构进行了详细表征，包括含有叔胺侧基超支化聚磷酸酯、骨架含有叔胺基团超支化聚磷酸酯以及含有伯胺侧基超支化聚磷酸酯，然而结果显示它们并不能有效的压缩DNA。在此基础上，我们进一步设计合成了一系列具有不同分子量的末端为叔胺或伯胺的超支化聚磷酸酯，研究了不同末端氨基结构对复合DNA以及转染效率的影响，发现转染效率低于金标PEI。在接下来的工作中，我们结合癌症治疗的需求，以超支化聚磷酸酯为构筑单元，制备了多种具有氧化还原响应性的药物输送体系。同时，设计合成了一种基于双硒键交联的聚乙二醇化的聚磷酸酯纳米凝胶抗肿瘤体系。另外，发展了一种用于肿瘤联合治疗的两亲性自输送“孪生药”体系。除此之外，我们还初步探讨了两性非离子型超支化聚磷酸酯用于抗蛋白吸附的潜能，得到了多色聚合物模拟绿色荧光蛋白GFP，并综述了超支化聚磷酸酯的合成、功能化以及生物应用，同时综述了超分子水凝胶的合成、性能以及生物应用。. 在国家自然科学基金委青年项目的资助下，我们在Chem. Soc. Rev.、Macromolecules、Biomacromolecules、Polym. Chem.、RSC Adv.及Biomater. Sci.这些国内外学科主流刊物发表标注基金资助的SCI收录论文6篇。