靶向可视可调控的多功能高效非病毒基因载体的设计合成及性能研究

Gene therapy has attracted significant interests as a promising approach in the treatment of genetic disorders and serious acquired diseases. Non-viral gene vectors have received much attention when compared to the undesirable complications of viral gene vectors. However, the present non-viral vectors are still far away to meet the needs of clinical applications. In this project, tetraphenyl ethene, BODIPY, and aromatic amides used as the cores are combined with different targeting, fluorescent, and positive charged moieties through dynamic covalent bonds, a series of multi-functional organic molecules with targeting-imaging-responsive properties will be designed and synthesized. Different spectra and techniques will be applied to study the interactions between these multifunctional molecules and plasmid DNA and their transfection efficiency in vivo and in vitro. The work will promote the deep understanding of the transfection mechanism and the factors to affect their performance. The project is aimed to develop these molecules to be virus-like gene vectors with high efficiency but with bio-safety, and to be potential for clinical applications.

基因治疗已经成为解决遗传疾病和严重后天获得性疾病的重要手段，受到各个国家的高度重视。对于基因治疗关键环节的基因载体，为了克服病毒载体的局限性，非病毒载体已成为人们关注的重点和热点。尽管各种各样的非病毒基因载体被设计合成，但其性能还远远不能满足临床研究和基因治疗的迫切需求。本项目计划以四苯乙烯、BODIPY和芳酰胺为核心骨架通过不同的动态共价键将靶向基团，荧光基团和正电单元有机结合起来，设计合成一系列具有靶向-显像-响应等多功能一体化的有机分子。利用各种表征和研究手段对这些多功能分子与质粒DNA的相互作用和基因转染进行细胞外、细胞内和小鼠体内实验，获得各种功能基团和响应基团对转染效率的影响，得到转染效率接近病毒的安全靶向非病毒基因载体。通过对多功能分子构效关系和基因转染影响因素的综合分析，获得转染机理的深刻认识，为新型非病毒基因载体进入临床研究和基因药物开发奠定良好基础。

本项目计划通过分子设计合成一系列具有靶向-显像-响应多功能的有机分子作为非病毒基因载体，研究结构和基因转染性能研究及其各种影响因素，获得接近病毒载体转染效率的新型非病毒基因载体。我们以聚集诱导荧光（四苯乙烯、三苯胺等）、近红外单光子（苯并噻唑，DPP等）、双光子荧光结构单元（二苯基吡嗪等），靶向单元和大环多胺[12]aneN3为功能单元，通过多步高效的化学反应设计合成了6个系列的多功能有机分子；通过单光子、双光子荧光光谱测试、凝胶电泳实验、各种电镜等手段研究了了它们对核酸的凝聚及其释放性能；通过细胞实验研究了它们的生物相容性、细胞显像和定性定量的基因转染性能；研究了在斑马鱼、小鼠中的转染性能以及对癌细胞、癌组织的基因治疗和协同治疗。我们发现引入绿色荧光蛋白发色团、二苯基吡嗪、苊并[1，2-b]喹喔啉 (ANQ)等基团可以得到生物相容性优异、转染性能达Lipo2000的10-30.8倍的多功能分子，有可能实验转染试剂的商业化；实现了癌细胞的基因治疗和通过小鼠实验实现了对癌组织的基因与光动力学协同治疗，为癌症的综合治疗提供了借鉴；通过共聚焦显微镜对基因转染过程及其影响因素得到了深入认识，对细胞跨膜、溶酶体逃逸、基因释放和核酸进入细胞核得到了清晰的观察和了解；也发现了靶向基团引入和功能单元空间排布对基因转染具有明显的影响，合适的空间排布会极大提升基因转染效率。 这些工作发展进入临床研究的多功能、模块化非病毒基因载体，为诊疗一体化的基因药物开发奠定坚实基础。