CN101270168B - 透明质酸接枝聚乙烯亚胺共聚物、制备方法及其作为基因载体的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阳离子接枝共聚物、制备方法及其应用，该共聚物由聚乙烯亚胺共价连接在透明质酸二糖单元中被氧化的2位和3位上共聚而成。制备方法为，将透明质酸溶于适当溶剂中，加入氧化剂在规定时间内搅拌反应，加入中止剂停止反应，再将反应溶液在适当透析液中透析，干燥即得氧化透明质酸；将聚乙烯亚胺与氧化透明质酸溶于适当溶剂中，搅拌反应一定时间，反应结束后，用还原剂处理溶液，将反应溶液在适当透析液中透析，干燥即得，其应用在基因载体领域。本发明还涉及共聚物和质粒DNA形成的复合物、制备方法及其应用。共聚物具有靶向性和亲水性，并具有更广泛的基因适应性，共聚物与质粒DNA形成的复合物具有很好靶向性和安全性及较高的转染效率。

Description

透明质酸接枝聚乙烯亚胺共聚物、制备方法及其作为基因载体的应用

技术领域

本发明涉及高分子聚合物基因载体和基因治疗领域，具体涉及透明质酸接枝聚乙烯亚胺共聚物、制备方法及其应用。本发明还涉及共聚物和DNA质粒形成的复合物、制备方法及其应用。

背景技术

基因治疗(gene therapy)是通过合适的载体将目的基因传递到患者特定组织细胞(靶细胞)内进行适当的表达，以纠正或改善该致病基因所产生的缺陷，达到治疗疾病的目的。近二十年来，基因治疗作为人类疾病治疗史上的一次革命，已成为国内外的研究热点。基因治疗的关键是基因传递的载体，它是将目的基因转运到患者体内靶细胞的工具，一般包括病毒载体和非病毒载体两大类。病毒载体转染效率高，但具有潜在的致癌性和自身免疫原性，还可能造成细胞病理改变，使其应用受到一定限制。非病毒载体作为病毒载体的重要补充，具有病毒载体无法比拟的优点，它细胞毒性低、外源基因整合概率低、无基因插入片段大小的限制、使用简单、制备方便、易于生产、便于保存和检验，因而受到人们的广泛关注。

非病毒载体主要分为阳离子聚合物和阳离子脂质体两大类。阳离子聚合物作为基因载体具有以下优点：(1)提供与DNA自组装的动力，有利于保护DNA免受降解；(2)压缩DNA成为比游离DNA体积小的复合物颗粒，有利于进入细胞；(3)使复合物颗粒之间产生静电排斥作用，稳定复合物；(4)与细胞膜产生静电吸引作用，促进复合物内吞。自1995年Boussif等报道了聚乙烯亚胺(PEI)可作为非病毒基因载体后，由于其具有制备方法简单、价格便宜、转染效率高和“质子海绵效应”等优点，成为阳离子聚合物作为基因载体研究最快的领域。

聚乙烯亚胺(polyethylenimines，PEI)的单体结构式为CH₂CH₂NH，PEI最早是用于污水处理工业上作为净化剂使用的，它以乙烯亚胺等作为单体合成树枝状或者直链的高聚物。常用于基因载体的PEI分子量为22KDa(直链型)和25KDa(支链型)。在PEI的聚合物的骨架中，每3个原子中便含1个可质子化的氮原子，有较强的压缩DNA的能力和细胞黏附能力，同时能保护DNA不被血液调理素等成分降解。PEI/DNA复合物被摄取进入细胞的内含体后，内含体不断酸化(pH值约为4.5-5.0)，PEI中的多数的氨基团可被质子化(25KDa的PEI表观pKa值为8.5)，这使得该复合物在内含体中有较大的质子缓冲能力发挥“质子海绵”作用，最终成功从内含体中逃逸，为提高治疗基因的转染效率提供了前提保障。

但是PEI与DNA所形成的复合物由于带有过剩的正电荷，与细胞表面的黏附没有特异性，而且大量的正电荷也可能给细胞带来急性及延迟的毒副作用。为了解决PEI等非病毒基因传输载体的靶向性以及安全性问题，很多人进行了大量的研究。譬如在PEI上连有针对特定细胞的靶向配体(如叶酸，转铁蛋白，半乳糖等等)，提高PEI/DNA复合物的靶向摄取能力，或者对PEI用一些亲水性物质进行修饰(如PEG)，降低PEI的正电荷分布，提高复合物的血浆稳定性和降低细胞毒性等等。

但是非常遗憾，尚没有一种高分子聚合物载体同时具有靶向性和亲水性，且细胞毒性较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术缺点，提供一种同时具有靶向性和亲水性的高分子聚合物及其制备方法。

本发明还提供上述聚合物的用途。

我们发现，广泛存在于机体多种组织的透明质酸(Hualueonix Acid，HA)(式I)是一种内源性物质，它是以葡糖醛酸-N-乙酰氨基葡糖为双糖单位组成的直链高分子多糖，平均分子量为5000～10⁷Da。HA分子中的每一双糖单位均含有一个羧基，在生理条件下均可解离成负离子并可与金属离子成盐(比如说透明质酸钠)，具有水溶性。根据HA分子量以及浓度的不同，HA分子在生理条件下的水溶液中形成一定的线团网状结构，可以附着在细胞等物体的周围。而且许多细胞表面(比如上皮细胞，巨噬细胞，单核吞噬细胞等)存在HA的特异性受体(比如CD44和RHAMM)，通过HA与细胞表面的HA受体发生特异性结合，实现HA与细胞的特异性粘附，并调节细胞的移动以及吞饮过程。鉴于HA同时具备亲水性和一定的靶向性，利用其修饰聚乙烯亚胺，可以解决减少细胞毒性和提高靶向性的关键难题。

本发明提供如下技术方案。

一种阳离子接枝共聚物，由聚乙烯亚胺共价连接在主链透明质酸二糖单元中被氧化的2位和3位上共聚而成。所述聚乙烯亚胺还包括其衍生物，透明质酸也包括其衍生物。

尽管聚乙烯亚胺和透明质酸的分子量不会影响共聚物的合成，但是共聚物作为基因载体的转染效率会受到聚乙烯亚胺分子量和透明质酸分子量的影响，为使该载体的效率最优，选用不同分子量的聚乙烯亚胺和不同分子量的透明质酸比较筛选。

优选的，聚乙烯亚胺与透明质酸摩尔比例为1∶20-2∶1，透明质酸的分子量范围为5000道尔顿～150万道尔顿，聚乙烯亚胺的分子量范围为600～70,000道尔顿。

更优选的，聚乙烯亚胺与透明质酸摩尔比例为1∶5-1∶1，透明质酸的分子量范围为6～150万道尔顿，聚乙烯亚胺的分子量范围为1800～25,000道尔顿。

共聚物的制备方法，包括下列步骤：

a.将透明质酸溶于适当溶剂中，加入一定摩尔比例的氧化剂，在规定时间内搅拌反应，将透明质酸的2位和3位的羟基氧化为醛基，加入中止剂停止反应。再将反应溶液在适当透析液中透析，干燥即得氧化透明质酸；

b.将聚乙烯亚胺与氧化透明质酸溶于适当溶剂中，搅拌反应一定时间。反应结束后，用还原剂处理溶液，将碳氮双键还原为单键。将反应溶液在适当透析液中透析，干燥即得最终产物透明质酸接枝聚乙烯亚胺共聚物。

氧化剂比例增加，透明质酸的氧化率增高，因此，可以通过改变氧化剂的加入量控制反应程度。

优选的，

a.所使用的氧化剂为高碘酸或高碘酸盐；透明质酸与氧化剂的摩尔比例范围为1∶0.1～1∶5；反应时间范围为3～72h；反应温度范围为-4℃～37℃；反应中止剂为能够清除剩余高碘酸或高碘酸盐的物质如乙二醇；透析液为水溶液或无机盐溶液；干燥采用冷冻干燥法；

b.聚乙烯亚胺与氧化透明质酸反应时间为3～72h；反应温度范围为-4℃～37℃；还原剂为硼氢化钠；透析液为水溶液或无机盐溶液；干燥采用冷冻干燥法。

更优选的，

a.所使用的氧化剂为高碘酸钾；透明质酸与氧化剂的摩尔比例范围为1∶0.2～1∶3；合适的反应时间为48h，不足48h反应不完全，48h反应基本完成，不需延长时间；反应温度为反应温度为室温(15-30℃)，反应在低温条件下进行的较为缓慢，温度过高容易产生副反应。

所述制备方法路线图如下：

本发明还提供所述共聚物作为基因载体的应用。

可选用的基因包括各种含报告基因、抗癌基因、细胞因子基因的能在真核细胞中重组表达的质粒DNA。

本发明通过凝胶阻滞实验验证载体对质粒DNA的包裹效果，并通过DNA酶解实验考察载体与质粒DNA复合物抗核酸酶降解的能力，进而进一步验证复合物在转染条件下的稳定性，详见实施例2。

本发明还提供所述共聚物与含有报告基因、治疗基因能够在真核细胞中重组表达的质粒DNA形成的复合物。

优选的，所述的共聚物与质粒DNA形成的复合物，其特征在于，复合物粒径小于2μm。

所述的共聚物与质粒DNA形成的复合物的制备方法为：将共聚物和质粒DNA分别用适当溶剂溶解成一定浓度的溶液，按共聚物载体与质粒DNA的一定质量比例取两种溶液混合，静置一段时间后，载体和质粒DNA通过静电自组装形成复合物溶液。

共聚物载体与质粒DNA的的质量比例会影响所制得的复合物粒径、细胞毒性及转染效果。

优选的，所述共聚物与质粒DNA形成的复合物的制备方法，溶解共聚物和质粒DNA的溶媒为磷酸盐缓冲液、HEBS(4-羟乙基哌嗪乙磺酸)缓冲液、氯化钠溶液或葡萄糖溶液；共聚物和质粒DNA溶液的浓度范围为：0.1～10mg/ml；载体与质粒DNA的质量比例范围为：0.05～60；载体和质粒DNA组装成为复合物所需的静置时间范围为0.5～2h。

更优选的，所述共聚物与质粒DNA形成的复合物的制备方法，溶解共聚物和质粒DNA的溶媒为磷酸盐缓冲液；共聚物和质粒DNA溶液的浓度范围为：0.1～1mg/ml；载体与质粒DNA的质量比例范围为：0.05～15；载体和质粒DNA组装成为复合物所需的静置时间范围为0.5～1h。

本发明提供的共聚物与质粒DNA形成的复合物在转染细胞中的应用。

本发明用合成的共聚物载体进行体外转染实验，验证基因载体的转染效果。转染方法：转染前一天，将对数生长期的HepG2细胞接种于24孔板，使得次日细胞融合率达80％-90％。转染前4h，将细胞用无血清无双抗的培养基孵育。将配置好的共聚物与DNA的复合物均匀加入各孔中，于37℃、5％CO₂条件下培养4-6h，后更换有血清无双抗的培养基，继续培养24h或48h，对细胞进行荧光检测，观察GFP的表达情况。具体步骤见实施例5。

本发明提供的共聚物与质粒DNA形成的复合物在制备治疗相应疾病药品中的应用，该复合物的给药途径包括：注射、口服和粘膜给药。

本发明测试了载体的细胞毒性。聚乙烯亚胺载体同其他基因载体相比，最明显的优势是转染效率较高，但同时的缺陷是细胞毒性较高。为考察经过修饰的聚乙烯亚胺的基因载体的细胞毒性，采用MTT实验测试MTT法的具体操作：将处于对数生长期的HepG2细胞用0.02％EDTA消化，制成细胞悬液，分别以1×10⁵/ml细胞浓度加入96孔酶标板内，每孔100μl，设五复孔，置37℃5％CO₂孵箱内培养24h左右，再分别加入终浓度为5、25、50、75和100μg/ml的载体100μl/孔，分别孵育24h或48h后，每孔加入5mg/ml MTT溶液20μl，继续培养4h，弃去全部上清，加入DMSO 100μl/孔，微型振荡器上振动5min，使结晶完全溶解，于酶联仪570nm波长处测定吸光度值(A)，A值越高活细胞数也越多，根据A可计算药物对细胞的活力抑制率。具体步骤见实施例6。

本发明的优点：

(1)本发明的共聚物同时具有靶向性和亲水性；

(2)本发明提供的共聚物与质粒DNA形成的复合物的非病毒基因传输系统能够降低普通的PEI/DNA传输系统的细胞毒性，能大大提高基因传输系统的安全性；

(3)本发明提供的共聚物与质粒DNA形成的复合物有较高的转染效率，能将外源性的治疗基因更加有效地导入高表达有HA受体的肿瘤细胞系和肿瘤组织(比如说肺癌和肝癌)，能够抑制恶性肿瘤生长的作用，同时在非肿瘤细胞中没有显著的影响，使得该新型基因传输系统更加具有肿瘤靶向性和肿瘤治疗的有效性；

(4)本发明提供的共聚物具有广泛的基因适应性，有效荷载的外源DNA大小范围可以从几十bp到几千kb，克服了病毒载体荷载外源基因量较小的缺点，可用于制备多基因的联合转移以治疗肿瘤的新型基因传输载体，同时也可作为平台技术用于制备治疗其他疾病的基因传输系统。

附图说明

图1为透明质酸-聚乙烯亚胺接枝共聚物(a)和透明质酸(b)的¹H-NMR图谱；

图2为凝胶阻滞实验电泳图片，从左至右共八条泳道，第一泳道为质粒DNA对照，第二到第八泳带分别对应载体与DNA的质量比分别为：0.13、0.27、0.4、0.53、0.66、1和1.33；

图3为核酸酶降解实验电泳图片；从左至右共八条泳道：第一泳道至第七泳道分别对应载体/DNA的质量比为：0.17、0.22、0.33、0.66、1.33、2.0和2.66；第八泳道为经酶解后的裸DNA；

图4为质量比为0.66的HA-g-PEI/DNA复合物的粒径结果示意图。

图5为样品体外转染实验结果示意图；

图6为细胞毒性实验结果示意图。

具体实施方式

应充分说明的是，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。例如本发明所描述的聚乙烯亚胺也可以是聚乙烯亚胺的衍生物，其分子量也不应局限于所采用的分子量。而作为靶向分子的透明质酸，分子量范围也不局限于实施例中采用的范围，应具备更广阔的选择尺度范围，甚至可以是在剪裁成所需片段长度的透明质酸后再进一步作化学修饰得到的透明质酸衍生物，所有这些都不应成为对权利要求的限制。

实施例1阳离子接枝共聚物的合成

0.05g透明质酸(分子量6万)(MW＝60,000)水溶液中，加入50ml 0.7％的高碘酸钾溶液，溶液混合之前，用N₂除气。溶液混合后，在室温下反应48h，同时测定高碘酸钾在30min、1h、2h和48h的紫外吸收。添加乙二醇(10％v/v)停止反应，再将反应溶液在NaCl(0.2M，pH 4.5)中透析(上海绿鸟，MWCO＝3500)；接着在去离子水中透析(pH＝4.5)(上海绿鸟，MWCO＝12,000-14,,000)。将混合液采用常规冷冻干燥法干燥即得氧化透明质酸(O-HA)。将PEI(日本触媒，MW＝1800)与中间体氧化透明质酸分别溶于水中，使PEI与O-HA的摩尔比例为1∶1，将两溶液混合后，反应48h。反应结束后，用10ml浓度为8mg/ml的硼氢化钠溶液处理溶液。将反应溶NaCl中透析(MWCO＝12,000-14,000)，接着在去离子水中透析(MWCO＝12,000-14,,000)，透析结束后，将共聚物低压冻干，即为最终产物透明质酸接枝聚乙烯亚胺共聚物(HA-g-PEI)。

通过核磁共振的方法对合成的共聚物进行结构确证。透明质酸的¹H-NMR图谱(附图1中b所示)中，δ2.0归属为[NAc-CH₃]，δ3.3-3.9归属为H-2，3，4，5，6，δ4.4-4.6归属为1-H。与透明质酸相比较，HA-g-PEI共聚物的H¹-NMR图谱(附图1中a所示)中，在δ2.3-3.4出现PEI的亚甲基峰[-CH₂-CH₂-]，根据PEI[-CH₂-CH₂-]的积分面积与透明质酸积分面积的比值可计算出PEI的接枝比率为21.9％。结果表明，聚乙烯亚胺通过氮氢键连接在透明质酸的2-H位置，生成了HA-g-PEI接枝共聚物。

实施例2HA-g-PEI/(质粒DNA)的构建及电泳阻滞实验

以实施例1所制备的分子量6万的HA和分子量为1800的PEI接枝共聚物为例，说明该实验的具体步骤，并考察共聚物包裹DNA的效果。将共聚物HA-g-PEI溶于PBS(pH＝7.4)中，配制成0.1mg/ml的溶液；质粒DNA溶于PBS(pH＝7.4)中，配制成0.1mg/ml的溶液。按载体与质粒DNA质量比例0.13、0.27、0.4、0.53、0.66、1和1.33在涡旋混合仪上混1min，室温静置0.5h，载体和质粒DNA通过静电自组装成复合物溶液，其中所含DNA均为2μg。分别取15μl复合物溶液进行琼脂糖凝胶电泳观察DNA阻滞情况。电泳条件：0.7％琼脂糖(含GoldViewer^TM)，0.5×TBE缓冲液，电压80V，电泳时间90min，结果如附图2所示。

图2中第一泳道为质粒DNA对照，第二到第八泳带分别对应载体与DNA的质量比为：0.13、0.27、0.4、0.53、0.66、1和1.33。由于载体中带正电荷的氨基通过静电作用同DNA中带负电的磷酸基团结合，从而将DNA包裹在复合物内部，使其条带消失。根据结果，当质量比为0.66时条带消失，说明载体与DNA完全结合。

实施例3核酸酶降解实验

为进一步验证经过包裹的DNA抗核酸酶降解的能力，仍以分子量6万的HA和分子量为1800的PEI接枝共聚物为例，说明该实验具体步骤。制备质量比分别为0.17、0.22、0.33、0.66、1.33、2.0和2.66的HA-g-PEI和DNA(3μg)的复合物，然后在反应缓冲液中(pH 7.4，50mM Tris-HCl，10mM NaCl，10mM CaCl₂，6mM MgCl₂)包括1unit/μg的DNase I，37℃下孵育1h。孵育后，每个样品中加入10μl的EDTA(0.1M)，溶液在80℃下加热10min，将DNaseI灭活。加入30μl的肝素(10mg/ml)，涡旋15min将DNA从复合物中分离出来，然后进行电泳实验，其结果如附图3所示。

附图3中第一泳道至第七泳道分别对应载体/DNA的质量比分别为0.17、0.22、0.33、0.66、1.33、2.0和2.66。第八泳道为经酶解后的裸DNA。根据结果可以看出，载体包裹的质粒DNA经DNase I处理后，当质量比大于2时，能够保护DNA不被核酸酶降解。而没有载体保护的裸DNA(第八泳道)则被完全降解了。说明所制得的载体能够有效地将DNA保护起来，使DNA不会在转染过程中被降解。

实施例4动态光散射(DLS)测定HA-g-PEI/(质粒DNA)复合物粒径大小

将实例2中制备得到的质量比为0.66的复合物，取50μl用PBS稀释到1000μl，用粒径和电位测定仪(Marvern，Nano ZS90)进行测定，结果见附图4。根据实验结果，质量比为0.66时，HA-g-PEI/DNA复合物的粒径在170nm左右呈均一分布。

实施例5细胞转染实验

转染前一天，将对数生长期的HepG2细胞接种于24孔板，使得次日细胞融合率达80％-90％。转染前4h，将细胞用无血清无双抗的培养基孵育。将配置好的质量比为10的HA-g-PEI/DNA复合物加入孔中，于37℃、5％CO₂条件下培养4-6h，后更换有血清无双抗的培养基，继续培养24h，对细胞进行荧光检测，观察GFP的表达情况，结果见附图5。

根据实验结果，图5中能观察到一定强度和数量的绿色荧光蛋白的表达，说明质量比为10的HA-g-PEI/DNA复合物具有较理想的转染效果。

实施例6细胞毒性实验

将处于对数生长期的HepG2细胞用0.02％EDTA消化，制成细胞悬液，分别以1×10⁵/ml细胞浓度加入96孔酶标板内，每孔100μl，设五复孔，置37℃5％CO₂孵箱内培养24h左右，再分别加入终浓度为5、25、50、75和100μg/ml的透明质酸接枝聚乙烯亚胺共聚物和PEI(对照)，分别孵育24h后，每孔加入5mg/ml MTT溶液20μl，继续培养4h，弃去全部上清，加入DMSO 100μl/孔，微型振荡器上振动5min，使结晶完全溶解，于酶联仪570nm波长处测定吸光度值(A)，A值越高活细胞数也越多。根据A可计算药物对细胞的活力抑制率，结果如附图6所示。

根据实验结果，在不同浓度下，HA-g-PEI对细胞的抑制率均低于PEI对照组，说明该共聚物降低了聚乙烯亚胺的细胞毒性。

实施例7HA-g-PEI/DNA复合物基因传输系统荷瘤小鼠体内转基因试验

将HepG2细胞株接种于裸鼠皮下，建立肿瘤模型，瘤块长至直径约0.4cm时，小鼠尾静脉内注射携带pIRES2-EGFP-p53质粒的HA-g-PEI/DNA复合物进行基因治疗，每周二次共两周，同时观察肿瘤形态变化。与NS(生理盐水)组、质粒pIRES2-EGFP-p53组、PEI/pIRES2-EGFP-p53组比较，HA-g-PEI/pIRES2-EGFP-p53组肿瘤生长明显受抑，接种后四周，与NS组比较，HA-g-PEI/pIRES2-EGFP-p53组肿瘤抑制率达41％。

Claims (9)

1.一种阳离子接枝共聚物，其特征在于，由聚乙烯亚胺共价连接在主链透明质酸二糖单元中被氧化的2位和3位上共聚而成；聚乙烯亚胺与透明质酸摩尔比例为1∶20-2∶1，透明质酸的分子量范围为5000道尔顿～150万道尔顿，聚乙烯亚胺的分子量范围为600道尔顿～70,000道尔顿。

2.根据权利要求1所述的共聚物的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

a.将透明质酸溶于适当溶剂中，加入高碘酸或高碘酸盐作为氧化剂，透明质酸与氧化剂的摩尔比例范围为1∶0.1～1∶5，反应温度为-4℃～37℃，搅拌反应3～72h后，加入能够清除剩余高碘酸或高碘酸盐的物质为中止剂停止反应，再将反应溶液置于水溶液或无机盐溶液中透析，冷冻干燥即得氧化透明质酸；

b.将聚乙烯亚胺与氧化透明质酸溶于适当溶剂中，反应温度为-4℃～37℃，搅拌反应3～72h，反应结束后，以硼氢化钠为还原剂处理反应溶液，将碳氮双键还原成单键，再将反应溶液置于水溶液或无机盐溶液中透析，冷冻干燥即得最终产物透明质酸接枝聚乙烯亚胺共聚物。

3.根据权利要求2所述的共聚物制备方法，其中能够清除剩余高碘酸或高碘酸盐的物质的中止剂为乙二醇。

4.根据权利要求1所述的共聚物作为基因载体的应用。

5.根据权利要求1所述的共聚物与含报告基因、抗癌基因、细胞因子基因的能在真核细胞中重组表达的质粒DNA形成的复合物。

6.根据权利要求5所述的共聚物与质粒DNA形成的复合物，其特征在于，复合物粒径小于2μm。

7.根据权利要求5所述的共聚物与质粒DNA形成的复合物的制备方法：

将共聚物和质粒DNA分别溶解在磷酸盐缓冲液或4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液或氯化钠溶液或葡萄糖溶液中，浓度为0.1～10mg/ml，取两种溶液混合，共聚物与质粒DNA的质量比为0.05～60，静置0.5～2h后，共聚物和质粒DNA通过静电自组装形成复合物溶液。

8.根据权利要求5所述的共聚物与质粒DNA形成的复合物在体外转染细胞中的应用，用途在于可成功体外转染人体或动物来源的内皮细胞、上皮细胞或多种肿瘤细胞。

9.根据权利要求5所述的共聚物与质粒DNA形成的复合物在制备治疗相应疾病药品中的应用，该复合物的给药途径包括：注射、口服和粘膜给药，应用于肿瘤疾病的基因治疗。

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