树枝状阳离子共轭聚合物的合成及其成像与基因转染应用研究

The object of this proposal is to develop multifunctional dendritic cationic conjugated polymers which can achieve cell imaging, gene transfection, and traking function. These materials consist of different conjugated main chains and dendritic side chain structures, which facilitates nucleic acid binding, encapsulation and efficient cellular uptake. Cationc dendritic conjugated polymers can effectively protect pDNA against nuclease degradation, which is necessary for gene carriers. The self-luminous characteristic of the conjugated polymers allows for real-time tracking the location of gene delivery and transfection. The transfection efficiency of plasmid DNA with the designed materials will be measured and the correlation between the polymer structures and the efficiency of transfection will be revealed to guide on optimizing the structures of dendritic cationic conjugated polymers. Due to the high delivery efficiency, low cytotoxicity, dendritic cationic conjugated polymer materials as siRNA vector will be investigated to regulate the drug resistance of siRNA against multiple drug-resistant cells. These works will further expand the application of conjugated polymers in the biomedical field.

本项目旨在发展一类集成像、基因转染与示踪功能于一体的新型多功能树枝状阳离子共轭聚合物。设计、合成具有不同主链以及树枝状侧链结构的水溶性荧光共轭聚合物，阳离子枝状结构可增强基因与细胞之间结合，并有效穿透细胞膜，同时枝状结构亦可有效保护基因不被核酶水解，共轭聚合物自身荧光特性可实现其对基因转染过程的示踪功能，同时实现对细胞的成像研究。对比研究不同结构的枝状阳离子共轭聚合物作为质粒DNA的转染试剂对不同肿瘤细胞系的基因转染效率，揭示树枝状阳离子共轭聚合物结构与转染效率之间的相关性，优化枝状阳离子共轭聚合物结构，以期获得具有高效、安全、低细胞毒性、荧光示踪功能的多功能基因转染试剂。探索制备得到的高效、低细胞毒性的枝状阳离子共轭聚合物转染siRNA，研究siRNA抑制特定基因表达进而阻断其功能，实现对多重抗药性细胞的药物阻抗性的调节，拓展共轭聚合物在生物医药领域的应用。

按照申请书所提出的研究任务，立足化学与生物学学科交叉前沿，围绕树枝状阳离子聚合物体系的设计以及基因转染和细胞成像开展了系统深入的研究。本项目按计划进行，圆满完成了任务。通过生物物理化学方法与技术为成像、基因转染与示踪功能提供新型多功能树枝状阳离子共轭聚合物材料。具体设计合成了四种经典结构的共轭聚合物分别为聚芴主链的PFP，聚苯撑乙炔主链的PPE，聚苯撑乙烯主链的PPV，以及主链有氟硼荧结构的聚芴PBF，其中PBF具有较高的转染效率。可能是由于PBF主链中氟硼荧结构的引入提高了转染效率。PBF在各种细胞株内均能表现出最高的转染效率。此外，PBF还实现了siRNA的递送，由于PBF的荧光特性还可实时监测siRNA的递送过程。为设计高转染效率、低细胞毒性的转染试剂提供指导意义。设计合成了主链两端修饰五氟苯酚活性酯的水溶性共轭寡聚物OPV-pfp。利用OPV-pfp优异的光学性质及其反应活性，以及细胞内组分的结构和组成的不同，通过监测OPV-pfp的荧光，实现了对细胞内部组分的区分成像。该研究工作从生物功能性材料的新思路出发，通过合成反应性共轭聚合物，为研究生物细胞功能及调控，实现原位监测细胞内反应，分子水平上研究疾病致病机制，构建细胞内生物分子聚集体材料等相关领域的研究，提供了一类理想的可视化探针材料。开发了一种新的、非传统的策略，首次构建了可逆抗生素超分子组装体系，通过组装与解组装过程，抗菌治疗时“开启”抗生素活性，治疗后“关闭”其抗菌活性，可极大避免细菌对活性抗生素分子产生耐药性。该体系利用需要时触发生物组装体发挥其特定功能作用的策略，为疾病精准治疗提供了新方法与新模式，并为克服细菌耐药性和降低药物毒副作用难题提出了新思路。利用超分子荧光生物探针实现病毒与致病微生物间便捷有效的区分。该方法高效便捷，且高度集成，有望应用于设计并搭建快速鉴别病毒与致病微生物的小型仪器设备，在卫生防疫、食品安全、环境监测等方面都具有十分重要的应用价值。