表面电荷翻转聚阳离子基因载体的血液相容性研究

Cationic polymer with tumor microenvironments triggered charge-conversional feature is a new strategy for gene delivery. This type of carrier, showing negatively charged form in pH neutral blood which demonstrates prolonged circulation time and transforming into a positively charged form in the slightly acidic tumor extracellular environment that displays enhanced gene transfection efficiency, is considered to be an efficient method to achieve both functionality and safety. In our project, glutathione-responsive hyperbranched poly(amidoamine)s is developed and further introduced with charge-conversional modification to obtain pH and reduction dual-responsivity at tumor microenvironment and intracellular matrix respectively. In view of gene carrier polymer would unavoidably contact blood, a comprehensive hemocompatibility study between carrier and blood components including erythrocyte, leukocyte, platelet and plasma protein using cellular and molecular biology techniques (expecially proteomics technology) is systematically designed, illuminating the effect of charge-conversional modification based molecular structure and physical and chemical property on the blood components and physiological function. These findings provide key information for the applications of charge-conversional carriers (such as drug/gene delivery and contrast agent) on human blood system, which will direct the design and synthesis of novel blood-contacting carrier for clinical application and construct an overall hemocompatibility evaluation system.

目前采用阳离子聚合物作为基因载体用于肿瘤治疗在生物医学领域备受关注，而限制其向临床转化的一大障碍是表面正电荷载体在递送过程中与带负电的血液成分相互作用而失效并带来副作用。由此而发展的表面电荷翻转载体是一种新兴的聚合物基因载体设计策略，该类载体在血液中带负电而延长循环，在肿瘤微环境诱导下电荷翻转为正电而增强基因转染活性，但其血液相容性尚未系统研究。本项目拟通过对可谷胱甘肽降解的超支化聚酰胺-胺的表面修饰来构建肿瘤组织内电荷翻转、细胞内降解的两级响应基因载体，然后采用细胞和分子生物学技术及蛋白质组学方法，深入全面地研究该类载体与血液成分（红细胞、血小板及各种血浆蛋白等）之间的相互作用，阐明电荷翻转结构与理化性能之间的关系及对血液成分和功能的影响。该研究将会为电荷翻转载体经静脉输送的应用（如药物/基因递送、造影剂等）提供重要的理论依据，从而指导新型的、具有临床应用安全性的聚合物载体的设计与合成。

随着纳米医学在肿瘤诊疗领域的蓬勃发展，聚阳离子载体在循环中表面带负电、到达肿瘤组织后恢复正电荷的电荷翻转技术受到药物载体领域的广泛认可并被大量采用。但电荷翻转能多大程度上改善阳离子聚合物载体的血液相容性目前还是空白，而且已有的一些血液相容性的宏观指标远不能反映外来载体聚合物对血液影响的机制。需要更全面、更深入反映血液在遇到外来载体材料时所发生的分子层面的变化，揭示载体材料与血液之间的相互作用机理和规律。本项目中我们开发了一种富含双硫键的超支化聚酰胺-胺，该聚合物表现出细胞内谷胱甘肽响应降解而具有优异的细胞相容性，表面强正电荷可被用于复合基因、蛋白进行递送。我们还发现该聚合物能打破细胞内的氧化还原稳态而增敏针对细胞的药物治疗。因此该聚合物能被进一步功能化修饰而转化为药物、基因、疫苗等的递送系统和诊疗一体化平台。我们以此阳离子聚合物为模型，从血液相容性角度研究采用电荷翻转修饰相比于传统的mPEG修饰是否具有优势？因此我们采用一系列的细胞、分子生物学和组学技术深入研究聚合物载体与血液之间的相互作用。结果显示，电荷翻转修饰能显著改善阳离子聚合物诱导的血管内皮细胞表达异常、血小板活化、凝血因子激活、纤维蛋白原聚合、异常凝血过程和促炎症因子表达。出乎意料的是，电荷翻转修饰通过破坏红细胞骨架强烈诱导红细胞形态变化并激活血液补体系统，甚至超过未修饰的聚阳离子。进一步的单核细胞转录组测序结果表明电荷翻转修饰能改善聚阳离子引起的炎症相关的信号传导途径（MAPK、NF-κB、TLR和JAK-STAT）激活介导的促炎细胞因子过表达，但不如mPEG化修饰。总体而言，电荷翻转修饰显示出比mPEG修饰更好的血液相容性，但在免疫相容性方面，电荷翻转修饰不如mPEG修饰，而且还存在着过快体内清除和肺蓄积的问题。该项目的实施为了解电荷翻载体对血液成分和功能的影响提供了新的见解，同时为其从实验室到临床的潜在应用提供了更全面的信息。