新型还原敏感性星形阳离子共聚物的设计、合成及其作为非病毒基因载 体在体外和体内转染效果的研究

Gene therapy is a promising approach for the treatment of various human diseases, and successful nucleic acid delivery largely relies on the development of safe and efficient delivery vectors. But clinical translation of gene transfer technologies has been hindered by the lack of safe, efficient, and cost-effective gene delivery vectors. The goal of current project is to develop a novel family of reduction-responsive, star-shaped polycations for efficient non-viral gene transfer. We will investigate the effect of structure and composition of star-shaped polycation on its characteristics as gene vectors in detail. A neuron targeting peptide, Tet1 will be further conjugated to the surface of the optimized.formulation by click chemistry for in vivo gene delivery to the central nervous system (CNS) for potential treatment of neurodegenerative diseases. In this project, we will （1） provide one solution to the in vivo stability versus high transfection efficiency dilemma for polycations by reversibly hydrophobization of polycation using reduction-sensitive disulfide bridge, and（2）generate well-defined polycation with branched structure, controlled composition and narrowly distributed molecular weight by controlled living polymerizations using.small dendron-shaped alcohol as core template, simulating branched polyethylenimine (bPEI, 25 kDa) and poly(amidoamine) (PAMAM) dendrimer. The successful completion of this project is believed to demonstrate the relationship between the structure of star-shaped polycation and its effectiveness for gene transduction, as well as to develop a novel type of polycation with dendron structure for safe and efficient gene transfection in vitro and in vivo.

基因治疗技术主要依赖于发展安全高效的基因载体。而安全有效和低成本的基因载体的缺乏，极大地限制了基因转染技术在临床上的转化和应用。本项目旨在合成一类新型的还原敏感性星型阳离子共聚物用作非病毒基因载体，系统研究该星形共聚物的组成和结构与其作为基因载体性能之间的构效关系，并进一步把对神经细胞具有靶向性的多肽配体Tet1键合到具有最优化体外性能的星形阳离子聚合物的表面，将材料应用于老鼠体内对脑部的基因治疗上。拟解决的关键问题包括（1）将疏水化组分通过还原敏感性二硫键以可逆的方式引入到阳离子聚合物的结构中解决基因载体在体内的稳定性和高的转染效率这一难题；（2）以小分子支化醇为内核模板，通过活性可控聚合，模拟支化聚乙烯亚胺和树枝形阳离子的支化结构，实现载体结构、组成和功能的精确可控性，最终获得高效低毒的体外和体内基因转染。为发展一类新型安全有效的基因载体奠定技术基础。

星形聚合物兼具有线性聚合物合成的便捷性和超支化聚合物形成稳定单分子胶束的优点，因此是一类易于制备的理想的载体材料。本项目以星形聚合物的精准可控合成及其作为载体材料的构效关系为主要研究目标，（1）系统研究了支化度对均臂和杂臂星形两亲性共聚物自组装行为、药物负载能力和体外细胞毒性的影响；（2）基于点击和酯化两种方法制备了两种具有还原敏感性的四臂两亲性共聚物，比较了二硫键的引入方式对载体体外抗癌效果的影响；（3）通过环糊精和二茂铁的主客体识别，便捷地构筑了具有不同支化度的超分子两亲性星状聚合物，能实现肿瘤微环境中过氧化物自由基调控的药物释放。研究发现（1）基于非pH敏感性寡聚聚乙二醇单甲基醚甲基丙烯酸酯单体的星状两亲性聚合物具有pH调控的药物释放行为，可用于肿瘤微环境敏感的可控药物释放；（2）因点击反应引入的可质子化三氮唑官能团的存在，点击的方式引入二硫键比通过酯化偶联能使星状聚合物载体具有更好的体外细胞毒性；（3）具有最优化性能的对肿瘤微环境敏感的星形聚合物载体材料应同时从载体的稳定性和治疗效果的平衡来考量；（4）疏水链段具有高支化度的杂臂星形聚合物表现出最佳的药物负载能力和针对癌细胞更强的体外细胞毒性。以上研究结果为星状聚合物的设计、合成及其作为药物载体应用于化疗提供了新思路和理论指导。除以上项目主要研究内容和结果外，我们围绕智能聚合物载体材料的便捷精准合成与功能化，从材料的合成方法，聚合物的拓扑结构以及材料构效关系三个方面开展了一系列原创性的研究工作。