CN101338318A - 一种聚阳离子转基因载体及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
一种新型的纳米聚阳离子转基因载体,是环糊精-聚乙烯亚胺-叶酸三元组装式结构的纳米聚阳离子载体,以环糊精为骨架材料,将其活化后与小分子的聚乙烯亚胺(PEI)聚合,将修饰的叶酸偶联于环糊精-聚乙烯亚胺上,制成具有肿瘤靶向性的纳米聚阳离子载体。该载体材料合成方法简单高效,回收率高,经过多种肿瘤细胞株的筛选及小鼠体内实验,表明该材料具有毒性低、转染效率高等的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚阳离子转基因载体,具体涉及一种聚阳离子载体及合成方法。
背景技术
基因药物治疗是近三十年来兴起的新型治疗方式,它是将外源表基因导入目的细胞并有效表达,从而达到治疗疾病的目的。在基因药物释放体系中,对载体的研究始终是研究的热点问题。携带正常基因或治疗基因的载体主要有病毒载体和非病毒载体。对于病毒载体介导体系,在体内有很高的基因转染效率,但其存在着细胞毒性大、DNA的携带能力小、制备时间长和价格昂贵等问题的存在。出于对治疗安全性的考虑,特别是1999年,美国基因治疗临床实验因使用腺病毒载体导致“Jesse Gelsinger”死亡事件,病毒载体在临床上的应用受到很大的局限,研究者在病毒类载体的临床使用上更为谨慎。对于非病毒性转基因载体,其具有免疫原性低,安全性能高,易于人工合成等特点,在基因药物的研究中日益受到重视。
在基因药物治疗中,作为治疗作用的DNA片段,必须定位于细胞核才能发挥作用,因而,克服细胞膜屏障、溶酶体屏障和核孔运转屏障是载体/DNA微粒进入细胞核进行细胞转染必须克服的三道屏障。因此,本发明始终围绕着如何克服这些屏障。
在众多的非病毒性载体材料中,聚阳离子材料是一类典型的非病毒性转基因载体,如:聚赖氨酸(polylysin),聚乙烯亚胺(polyethylenimine,PEI),壳聚糖(chitosan),树枝状聚合物(dendrimer)以及其他聚阳离子衍生物。而PEI的作用尤为突出,其在体外和体内实验中均表现出很高的基因转染效率。PEI结构中的-NH2具有很强的DNA结合作用,而-NH-和=N-被质子化后,具有很强的缓冲作用,能保护DNA在细胞溶酶体中不被核酸酶降解,促进DNA从内含体中逃逸。PEI的高基因转染效率与其分子量、表面电荷及缓冲能力有十分密切的关系。高分子量的PEI(大于25KDa)转染效率很高,但毒性也大,不能被生物降解以及在体内滞留时间较长;低分子量的PEI毒性低,分子量低于2KDa的PEI几乎没有基因转染效率,因此不能单独作为基因药物的载体。
环糊精(简称CyD)是一类由D-吡喃型葡萄糖分子以α-1,4-糖苷键连接,互为椅式构象的环状化合物。按形成环糊精的葡萄糖残基数分别为6、7、8,相应地称为α,β,γ环糊精。它们具有“内疏水,外亲水”的特殊分子结构,这种结构使环糊精内腔与弱极性有机化合物结合而生成主客体化合物,是一种常用的药物辅料,由于其结构的特殊性,其表面的羟基具有亲水特性,且这些羟基可增加细胞膜的附着性,提高对膜屏障的通透性,且环糊精与阳离子结合可以用作于基因转染和低聚核苷酸的释放。β-环糊精与阳离子偶合而成的材料与DNA形成纳米微粒在细胞表面黏附性强,生物体内稳定性好,易于纳米微粒对细胞膜的穿透。
用叶酸作为配体接入高分子载体已有报道,Conry Sun报道了叶酸和聚乙二醇偶合载体(Conroy Sun,Raymond,Miqin Zhang,Journal of Biomaterials Research Part A.2006:550-557)。Younsoo Bae报道了叶酸与聚乙二醇-(天冬酰胺-腙-阿霉素)多元聚和物(Younsoo Bae,Woo-Dong Jang,Nobuhiro Nishiyama etal.Molecular Biosystems.2005(1):242-250)。Sun HwaKim报道了叶酸与聚乙二醇-聚赖氨酸共聚物(Sun Hwa Kim,Ji Hoon Jeong Cheol O Joe,TanGwan Park.Journal of Controlled Release.2005;103:625-634)。Shao-Qiong Liu报道了叶酸偶联多元共聚物P(NIPAAm-co-DMAAm-co-UA)用于抗肿瘤药物(Shao-Qiong Liu,NikkenWiradharma,Shu-Jun Gao,Yen Wah Tong and Yi-Yan Yang。Biomaterials.2006;28(7):1423-1433.。You-Kyoung Kim等报道了叶酸联结于PEG-桿狀病毒(You-Kyoung Kim,JaeYoung Choi,Mi-Kyong Yoo,Hu-Lin Jiang,Rohidas Arote,Yeon Ho Je,Myung-Haing Cho andChong-Su Cho.Journal of Biotechnology.2007;131(3):353-361。但众多文献未涉及本专利的环糊精-聚乙烯亚胺-叶酸三元组装式纳米聚阳离子载体材料。
发明内容
本发明目的是提供一种聚阳离子非病毒性转基因载体及合成方法,使得载体材料的肿瘤靶向性的作用更加明显,提高在肿瘤细胞上的转染效率。
本发明提供的聚阳离子转基因载体,是环糊精-聚乙烯亚胺-叶酸三元组装式纳米聚阳离子载体,结构式如下:
式中:n为环糊精-聚乙烯亚胺单元结构的个数,m1为聚乙烯亚胺中伯氨基单元的数量,m2为聚乙烯亚胺中仲氨基单元的数量。其中n的值与环糊精-聚乙烯亚胺-叶酸的分子量有关,m1,m2的值与聚乙烯亚胺的分子量有关。
本发明提供的聚阳离子转基因载体的合成方法,是以环糊精为交联骨架,连接低分子量的聚乙烯亚胺(PEI),制成线型的载体材料,将在肿瘤细胞上具有受体的小分子药物叶酸偶合于上述载体材料,构建成纳米聚阳离子载体。为使小分子药物叶酸等能偶合于载体上,必须让带阳离子的PEI有一个裸露的空间,使叶酸能与其充分的接触,载体材料有一个舒展的线性结构是一种理想的模型。
本发明提供的聚阳离子转基因载体的合成方法,反应式如下:
步骤1
步骤2
步骤3
反应式中,(1)是环糊精结构式,(2)是活化的环糊精结构式,(3)是聚乙烯亚胺结构式,(4)是环糊精连接了聚乙烯亚胺的结构式,(5)是叶酸的结构式,(6)是最终产物环糊精-聚乙烯亚胺-叶酸的结构式;结构式中:n为环糊精-聚乙烯亚胺单元结构的个数,m1为聚乙烯亚胺中伯氨基单元的数量,m2为聚乙烯亚胺中仲氨基单元的数量。其中n的值与环糊精-聚乙烯亚胺-叶酸的分子量有关,m1,m2的值与聚乙烯亚胺的分子量有关。
本发明提供的聚阳离子转基因载体的合成方法,包括如下步骤:
●环糊精的活化:将环糊精溶解于重量体积比20-50倍量的二甲基亚砜中,加人活化羟基的连接剂,用量为环糊精重量比5-20倍量,将连接剂溶解于重量体积比1-5倍量的二甲基亚砜中,在氮气保护下于暗处将连接剂加入环糊精溶液中,加入催化剂三乙胺,搅拌反应120-240分钟。反应完毕后,在冷冻的乙醚中析出白色沉淀物,过滤,得到经过活化环糊精,溶于二甲基亚砜中保存。
●聚乙烯亚胺的偶联:取经过活化环糊精,加人小分子量聚乙烯亚胺,用量为经过活化环糊精重量比3-15倍量,将聚乙烯亚胺溶解于重量体积比2-5倍量的二甲基亚砜中,在氮气保护下于暗处,将聚乙烯亚胺溶液滴加在环糊精溶液中,在90-120分钟加完,加入催化剂三乙胺,滴加完毕后在室温下继续反应90-120分钟。反应完毕后的溶液在透析袋中48小时,然后冰冻干燥48小时,得到白色粉末状物质,即环糊精-聚乙烯亚胺载体材料。
●叶酸的接入:取环糊精-聚乙烯亚胺载体材料,溶解于重量体积比10-25倍量的二甲基亚砜中,将叶酸溶解于重量体积比20-50倍量的二甲基亚砜中,在氮气保护下于暗处逐滴加入上述环糊精-聚乙烯亚胺载体材料的溶液中,加入环糊精-聚乙烯亚胺与叶酸的重量比为1-5倍量,在90-120分钟加完,加入催化剂三乙胺,滴加完毕后在室温下继续反应10小时。反应完毕后的溶液在透析袋中48小时,然后冰冻干燥48小时。得到淡黄色粉末状物质,即环糊精-聚乙烯亚胺-叶酸三元组装式的纳米聚阳离子非病毒性转基因载体。
本发明所述的环糊精包括α、β、γ环糊精中的任何一种,最佳为β-环糊精。
本发明所述的能活化羟基的连接剂为:N,N’-羰基二咪唑、苯并三唑碳酸酯、氯甲酸酯、羰基咪唑、N,N’-二琥珀酰亚胺基硫酸酯、N-羟基琥珀酰亚胺氯甲酸酯中的任一种。最佳为N,N’-羰基二咪唑。
本发明所述催化剂三乙胺的用量是:环糊精、聚乙烯亚胺或叶酸与三乙胺的重量体积比为10-50倍量。
本发明所述小分子量聚乙烯亚胺的分子量为600、1200、2000的聚乙烯亚胺中任一种。
本发明所述透析袋的分子量在3500-15000范围内。
本发明的技术效果:
本发明以环糊精为交联骨架,连接低分子量的聚乙烯亚胺(PEI),将在肿瘤细胞上具有受体的小分子药物叶酸偶合于上述载体材料,构建成环糊精-聚乙烯亚胺-叶酸的结构纳米聚阳离子载体。由于环糊精具有“内疏水,外亲水”的特殊分子结构,生物体内稳定性好,易于纳米微粒对细胞膜的穿透;选择具有3种不同的氨基形式的聚乙烯亚胺(PEI),形成了不同的缓冲体系,氨基的存在基本作用是结合DNA,扩展的功能是在携带DNA进入细胞时不同的氨基组合成不同的缓冲对,能保护DNA免遭细胞质中的溶酶体降解。
本发明以环糊精(CyD)为骨架的系列材料,将其活化后与低分子的聚乙烯亚胺(PEI)聚合,在整个系统组装技术平台结构中,经过表面修饰后将低分子量的PEI连接起来,制成分子量高、电荷密度大及缓冲能力强的基因载体,再在载体上偶联小分子靶向药物叶酸。此结构中β-环糊精中的羟基可以增强载体和细胞膜的黏附作用,其柔软的结构可以偕同PEI顺利穿透细胞膜屏障。进入细胞膜后,由于连接的PEI仍保持着原来的基本结构,具有足够的表面电荷和缓冲能力,使得载体/DNA结合物在穿越细胞膜屏障并进入溶酶体后,能有效抵抗溶酶体内酶的降解作用,延长载体在细胞内的作用时间,并有效地保证DNA穿过核膜进入核内进行表达转染。连接叶酸后,使得载体材料的肿瘤靶向性的作用更加明显,在肿瘤细胞上的转染效率提高。本发明环糊精用连接剂处理后,连接小分子的聚乙烯亚胺。环糊精具有一定的生物学活性,所用的连接剂具有特殊的结构,能修饰环糊精上的羟基,活化后连接的小分子聚乙烯亚胺保留原先的结构和功能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行祥细的描述,但不限于实施例公开的内容。
实施例1:
1)环糊精的活化:取α-环糊精中1.9克,加入10毫升二甲基亚砜使其溶解,活化羟基的连接剂N,N’-二琥珀酰亚胺基硫酸酯10克溶解于20毫升二甲基亚砜中,在氮气保护下于暗处将连接剂加入环糊精溶液中,加入200微升的催化剂三乙胺,搅拌反应120-240分钟。反应完毕后,在冷冻的乙醚中析出,得到白色沉淀物,过滤,溶于二甲基亚砜中保存。
2)聚乙烯亚胺的偶联:取2.5克经过活化的环糊精,将9克分子量为600的聚乙烯亚胺溶解于20毫升的二甲基亚砜中,在氮气保护下于避光逐滴加入上述环糊精溶液中,滴加速度缓慢,在90-120分钟加完,加入300微升的催化剂三乙胺,滴加完毕后在室温下继续反应90-120分钟。反应完毕后的溶液在透析袋中48小时,然后冰冻干燥48小时。得到白色粉末状物质。
3)叶酸的接入:取120毫克的环糊精-聚乙烯亚胺载体材料溶解于5毫升二甲基亚砜中,将50毫克的叶酸溶解于3毫升二甲基亚砜中,在氮气保护下于避光逐滴加入上述环糊精-聚乙烯亚胺载体材料的溶液中,滴加速度缓慢,在90-120分钟加完,加入300微升的催化剂三乙胺,滴加完毕后在室温下继续反应10小时。反应完毕后的溶液在透析袋中48小时,然后冰冻干燥48小时。得到淡黄色粉末状物质。
实施例2:
1)环糊精的活化:β-环糊精2.1克,加入15毫升二甲基亚砜使其溶解,活化羟基的连接剂N,N’-羰基二咪唑15克溶解于2毫升二甲基亚砜中,在氮气保护下于暗处将连接剂加入环糊精溶液中,加入300微升的催化剂三乙胺,搅拌反应120-240分钟。反应完毕后,在冷冻的乙醚中析出,得到白色沉淀物,过滤,溶于二甲基亚砜中保存。
2)聚乙烯亚胺的偶联:取2.5克经过活化的环糊精,将12克分子量1200的聚乙烯亚胺溶解于20毫升的二甲基亚砜中,在氮气保护下于避光逐滴加入上述环糊精溶液中,滴加速度缓慢,在90-120分钟加完,加入300微升的催化剂三乙胺,滴加完毕后在室温下继续反应90-120分钟。反应完毕后的溶液在透析袋中48小时,然后冰冻干燥48小时。得到白色粉末状物质。
3)叶酸的接入:取120毫克的环糊精-聚乙烯亚胺载体材料溶解于二甲基亚砜中,将30毫克的叶酸溶解于3毫升二甲基亚砜中,在氮气保护下于避光逐滴加入上述环糊精-聚乙烯亚胺载体材料的溶液中,滴加速度缓慢,在90-120分钟加完,加入250微升的催化剂三乙胺,滴加完毕后在室温下继续反应10小时。反应完毕后的溶液在透析袋中48小时,然后冰冻干燥48小时。得到淡黄色粉末状物质。
实施例3:
1)环糊精的活化:γ-环糊精中2.5克,加入20毫升二甲基亚砜使其溶解,活化羟基的连接剂苯并三唑碳酸酯20克溶解于20毫升倍量二甲基亚砜中,在氮气保护下于暗处将连接剂加入环糊精溶液中,加入150微升的催化剂三乙胺,搅拌反应120-240分钟。反应完毕后,在冷冻的乙醚中析出,得到白色沉淀物,过滤,溶于二甲基亚砜中保存。
2)聚乙烯亚胺的偶联:取2.5克经过活化的环糊精,将15克分子量2000的聚乙烯亚胺溶解于30毫升二甲基亚砜中,在氮气保护下于避光逐滴加入上述环糊精溶液中,滴加速度缓慢,在90-120分钟加完,加入200微升的催化剂三乙胺,滴加完毕后在室温下继续反应90-120分钟。反应完毕后的溶液在透析袋中48小时,然后冰冻干燥48小时。得到白色粉末状物质。
3)叶酸的接入:取120毫克的环糊精-聚乙烯亚胺载体材料溶解于二甲基亚砜中,将100毫克的叶酸溶解于5毫升二甲基亚砜中,在氮气保护下于避光逐滴加入上述环糊精-聚乙烯亚胺载体材料的溶液中,滴加速度缓慢,在90-120分钟加完,加入300微升的催化剂三乙胺,滴加完毕后在室温下继续反应10小时。反应完毕后的溶液在透析袋中48小时,然后冰冻干燥48小时。得到淡黄色粉末状物质。
上述实施例获得的产物-聚阳离子非病毒性转基因载体,用于多种肿瘤细胞株的筛选及小鼠体内实验,表明该材料肿瘤靶向性的作用更加明显,在肿瘤细胞上的转染效率提高,毒性低。
Claims (8)
2、权利要求1所述的聚阳离子转基因载体的合成方法,其特征是以环糊精为交联骨架,连接小分子量的聚乙烯亚胺,将叶酸偶合于环糊精-聚乙烯亚胺载体材料上,构建成纳米聚阳离子载体结构,反应式如下:
步骤1
步骤2
步骤3
反应式中,(1)是环糊精结构式,(2)是活化的环糊精结构式,(3)是聚乙烯亚胺结构式,(4)是环糊精连接了聚乙烯亚胺的结构式,(5)是叶酸的结构式,(6)是最终产物环糊精-聚乙烯亚胺-叶酸的结构式;结构式中:n为环糊精-聚乙烯亚胺单元结构的个数,m1为聚乙烯亚胺中伯氨基单元的数量,m2为聚乙烯亚胺中仲氨基单元的数量,其中n的值与环糊精-聚乙烯亚胺-叶酸的分子量有关,m1,m2的值与聚乙烯亚胺的分子量有关。
3、根据权利要2所述的聚阳离子转基因载体的合成方法,其特征是所述反应步骤如下:
●环糊精的活化:将环糊精溶解于重量体积比20-50倍量的二甲基亚砜中,加人活化羟基的连接剂,用量为环糊精重量比5-20倍量,将连接剂溶解于重量体积比1-5倍量的二甲基亚砜中,在氮气保护下于暗处将连接剂加入环糊精溶液中,加入催化剂三乙胺,搅拌反应120-240分钟,反应完毕后,在冷冻的乙醚中析出白色沉淀物,过滤,得到经过活化环糊精,溶于二甲基亚砜中保存;
●聚乙烯亚胺的偶联:取经过活化环糊精,加人小分子量聚乙烯亚胺,用量为经过活化环糊精重量比3-15倍量,将聚乙烯亚胺溶解于重量体积比2-5倍量的二甲基亚砜中,在氮气保护下于暗处,将聚乙烯亚胺溶液滴加在环糊精溶液中,在90-120分钟加完,加入催化剂三乙胺,滴加完毕后在室温下继续反应90-120分钟,反应完毕后的溶液在透析袋中48小时,然后冰冻干燥48小时,得到白色粉末状物质,即环糊精-聚乙烯亚胺载体材料;
●叶酸的接入:取环糊精-聚乙烯亚胺载体材料,溶解于重量体积比10-25倍量的二甲基亚砜中,将叶酸溶解于重量体积比20-50倍量的二甲基亚砜中,在氮气保护下于暗处逐滴加入上述环糊精-聚乙烯亚胺载体材料的溶液中,加入环糊精-聚乙烯亚胺与叶酸的重量比为1-5倍量,在90-120分钟加完,加入催化剂三乙胺,滴加完毕后在室温下继续反应10小时,反应完毕后的溶液在透析袋中48小时,然后冰冻干燥48小时,得到淡黄色粉末状物质,即环糊精-聚乙烯亚胺-叶酸三元组装式的纳米聚阳离子非病毒性转基因载体。
4、根据权利要求1或2或3所述的聚阳离子转基因载体的合成方法,其特征是:环糊精包括a、β、γ环糊精中的任何一种。
5、根据权利要求3所述的聚阳离子转基因载体的合成方法,其特征是:活化羟基的连接剂为:N,N’-羰基二咪唑、苯并三唑碳酸酯、氯甲酸酯、羰基咪唑、N,N’-二琥珀酰亚胺基硫酸酯、N-羟基琥珀酰亚胺氯甲酸酯中任一种。
6、根据权利要求3所述的聚阳离子转基因载体的合成方法,其特征是:小分子量聚乙烯亚胺分子量为:600、1200、2000的聚乙烯亚胺中任一种。
7、根据权利要求3所述的聚阳离子转基因载体的合成方法,其特征是:透析袋的分子量在3500-15000范围内。
8、根据权利要求3所述的聚阳离子转基因载体的合成方法,其特征是:催化剂三乙胺的用量是:环糊精、聚乙烯亚胺或叶酸与叶酸三乙胺的重量体积比为10-50倍量。
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