CN101433725A - 一种新型磁靶向基因传递系统及其制备 - Google Patents
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Abstract
一种新型磁靶向基因传递系统及其制备，该磁靶向基因传递系统是磁性铁氧化物与树状聚酰胺双纳米材料，以整代树状聚酰胺为球壳状外部骨架，内部为磁性铁氧化物，其中整代树状聚酰胺的质量分数5％～15％，通过化学偶联的方法实现两者的复合，树状聚酰胺的刚性骨架有效阻止了磁性纳米粒子的聚集，进而提高了载体复合物体内循环的稳定性；另外，聚酰胺分子仅表面氨基与DNA发生静电相互作用，其分子内部仲氨基团可以中和内含体的酸性，从而促进内含体的塌陷，使DNA从内含体中释放出来，进而提高DNA在体内细胞中的表达。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型磁靶向基因传递系统——磁性铁氧化物与树状聚酰胺特别双纳米材料及其制备。
背景技术
基因治疗是一项强有力的新技术，是医学领域的一场新革命。基因治疗基本上涉及三步：基因导入(administration)、转移或传递(delivery)和表达(expression)。载体作为治疗性遗传物质的携带者或运输工具，是基因治疗取得成功的关键一步。磁靶向基因传递系统以其靶向性好、基因表达高效且对人体安全有效的优势正逐渐成为载体研究的热点。
目前应用的磁靶向基因传递系统主要是磁性粒子与线状聚L-赖氨酸、聚乙烯亚胺及阳离子脂质体形成的复合物。受限于纳米粒子因较大的表面积/体积比而引起的聚集现象，目前的磁靶向基因传递载体往往容易被网状内皮系统的巨噬细胞所清除，因而传递目的基因至靶细胞的效果并不理想。另外，基因传递至靶细胞后，能否迅速从内含体中释放出来，避免内含体中酶的降解也是目前磁靶向基因传递系统发展的瓶颈。因此有效解决纳米粒子的聚集问题，促进基因从内含体中的释放，是磁靶向基因传递系统亟待解决的主要问题。
树状聚酰胺大分子是是近几年来人工合成的一种新型纳米级高分子，具有高度枝化性、单分散性、球形表面及分子内部大量的空腔，这使其具有许多不同于线性高分子的性质和特点。这类新型树状大分子以其规整精细的结构已在在生物医药领域显示出令人激动的应用前景。
发明内容
本发明提供了一种新型磁靶向基因传递系统——以树状聚酰胺为壳、磁性铁氧化物为核的纳米复合物，解决了因纳米粒子的聚集而妨碍磁靶向基因传递的状况，并促进DNA从内含体中的释放。
本发明还提供了一种新型磁靶向基因传递系统制备方法，通过化学偶联的方法实现整代树状聚酰胺与磁性铁氧化物的复合。
本发明提供了一种新型磁靶向基因传递系统，所述的磁靶向基因传递系统是磁性铁氧化物与树状聚酰胺双纳米材料，以整代树状聚酰胺为球壳状外部骨架，内部为磁性铁氧化物，其中整代树状聚酰胺的质量分数5％～15％。
本发明提供的磁靶向基因传递系统，所述的磁性铁氧化物为磁性氧化铁纳米粒子，整代树状聚酰胺为第三代、第四代、第五代树状聚酰胺大分子中的任意一种。
本发明提供的磁靶向基因传递系统的制备，通过化学偶联的方法实现整代树状聚酰胺与磁性铁氧化物的复合，具体步骤为——
首先采用化学共沉淀法合成铁氧化物磁性纳米粒子，并用硅烷偶联剂对其进行表面改性，其次将双端羧基酰化剂与改性后制得的铁氧化物-二氧化硅核壳氨基纳米微球通过酰化缩合反应制备端羧基磁性纳米微球，最后将端羧基磁性纳米微球与整代树状聚酰胺再次通过酰化缩合反应制备磁性铁氧化物-树状聚酰胺核壳纳米复合物。
本发明提供的磁靶向基因传递系统的制备，所述的硅烷偶联剂为氨基丙基三乙氧基硅烷、氨基丙基三甲氧基硅烷、2-氨基乙基氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
本发明提供的磁靶向基因传递系统的制备，所述的双端羧基酰化剂为二元酸及其衍生物。
本发明提供的磁靶向基因传递系统的制备，双端羧基酰化剂为二元酸时，采用碳二亚胺类型、磷正离子类型和脲正离子类型缩合剂中的一种或多种为缩合剂。
本发明提供的磁靶向基因传递系统的制备，所述的酰化缩合反应中的缩合剂为N，N′-二环己基碳二亚胺，N，N′-二异丙基碳二亚胺，1-羟基苯并三唑，苯并三氮唑-N，N，N′，N′-四甲基脲六氟磷酸酯中的一种或多种。
本发明提供的磁靶向基因传递系统的制备，双端羧基酰化剂为二元酸酯时，采用强碱作为催化剂。
本发明提供的磁靶向基因传递系统的制备，所述的强碱为醇钠、正丁基锂、四氢铝锂、氢化钠和钠中的一种。
本发明提供的磁靶向基因传递系统的制备，采用N，N′-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、四氢呋喃、吡啶中的一种作为酰化缩合反应中的无水溶剂。
本发明提供的磁靶向基因传递系统，树状聚酰胺的刚性骨架有效阻止了磁性纳米粒子的聚集，进而提高了载体复合物体内循环的稳定性；另外，聚酰胺分子仅表面氨基与DNA发生静电相互作用，其分子内部仲氨基团可以中和内含体的酸性，从而促进内含体的塌陷，使DNA从内含体中释放出来，进而提高DNA在体内细胞中的表达。
附图说明
图1铁氧化物-二氧化硅氨基复合物的红外光谱
图2铁氧化物/树状聚酰胺G5.0的热重分析图
图3铁氧化物/树状聚酰胺G5.0的红外光谱
图4树状聚酰胺G5.0的13C-NMR
图5铁氧化物/树状聚酰胺G5.0与DNA复合物的凝胶电泳图
具体实施方式
首先将可溶性铁盐溶液，按一定比例混合，氮气保护及强碱性条件下制备铁氧化物纳米粒子。而后将铁氧化物重新分散在柠檬酸钠溶液中，制成水基磁流体。
其次用硅烷偶联剂对磁流体进行二次表面改性——第一次改性是在一定比例的醇-水混合溶剂中水解正硅酸四乙酯制备铁氧化物-二氧化硅核壳纳米粒子，第二次改性是在无水甲苯溶剂中，水解氨基硅烷偶联剂制备表面覆盖氨基的铁氧化物-二氧化硅核壳纳米微球。
然后将铁氧化物-二氧化硅核壳氨基微球和二元酸类酰化剂在无水溶剂中，制备端羧基磁性微球。当酰化剂为二元酸时，以碳二亚胺类型、磷正离子类型或脲正离子类型中的一种或多种作为缩合剂；当酰化剂为二元酸酯时，以强碱作为催化剂；当酰化剂为酰氯类时，则不需催化剂或缩合剂。
再将端羧基磁性纳米微球与整代树状聚酰胺按一定质量比混合，在无水溶剂中，根据酰化剂的不同种类选择缩合剂或催化剂，制备磁性铁氧化物/树状聚酰胺纳米复合物。
最后将磁性铁氧化物与整代树状聚酰胺纳米复合物按不同比例与DNA混合，共同培养。
实施例1
1.将0.5M的Fe2+和Fe3+溶液，按摩尔比1：2混合，总体积30ml。在75℃，氮气保护下，滴加到NH3-NH4Cl缓冲溶液(pH＝10，总体积15ml)中，同时补加浓氨水10ml，磁力搅拌90min后结束反应。产物经磁分离、蒸馏水洗涤后，重新分散在1.0M柠檬酸钠溶液中，60℃下机械搅拌12h。产物经磁分离洗涤后，制成30mg/ml水基磁流体。
2.用硅烷偶联剂对磁流体进行二次表面改性。将2ml磁流体分散在体积比4：1的醇-水混合液中，再加入5ml氨水和0.01ml正硅酸四乙酯，30℃机械搅拌12h。产物经磁分离，无水乙醇、丙酮和无水甲苯洗涤后，重新分散在15ml无水甲苯中，同时加入0.2ml氨基丙基三乙氧基硅烷，室温搅拌24h，结束反应。产物经磁分离无水甲苯和丙酮洗涤后，制成表面覆盖氨基的磁性微球，其表面氨基的含量按所加入的氨基丙基三乙氧基硅烷计，并对制得的磁性微球分别进行红外光谱分析和热重分析测试。
其红外光谱如图1所示，1625cm-1和1619cm-1对应聚硅氧烷的吸收峰，1558cm-1出现的吸收峰对应-NH2 +的弯曲振动。1077cm-1的吸收峰对应于Si—O键的吸收。590cm-1是铁氧化物的特征吸收峰。这表明，铁氧化物-二氧化硅微粒表面被氨基偶联剂所修饰。
热重分析测试见图2-I，在180～700℃区间，由于有机物分解，样品失重5.24％。
3.将铁氧化物-二氧化硅氨基微球、二元酸——聚乙二醇二酸及缩合剂——1-羟基苯并三唑，苯并三氮唑-N，N，N′，N′-四甲基脲六氟磷酸酯(按铁氧化物-二氧化硅氨基微球表面氨基与二元酸及缩合剂的摩尔比1：1：1)混合，溶于30mlN，N′-二甲基甲酰胺(DMF)中，机械搅拌条件下反应24小时。用磁铁吸出产物，并分别用N，N′-二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇洗三次，干燥称重。
测样品热重分析曲线，图2-II所示，在180～700℃区间，样品失重10.50％，对比I和II，可以确定聚乙二醇二酸的质量含量为5.26％。
对样品进行红外光谱分析，如图3中曲线Fe3O4@SiO2-PEG所示，在1645cm-11540cm-1是羧酸根离子的伸缩振动峰，说明铁氧化物-二氧化硅氨基微球成功接枝了聚乙二醇二酸。
4.将端羧基磁性纳米微球与第五代树状聚酰胺(PAMAM G5.0)及缩合剂—1-羟基苯并三唑，苯并三氮唑-N，N，N′，N′-四甲基脲六氟磷酸酯(按端羧基磁性纳米微球末端羧基与树状聚酰胺及缩合剂的摩尔比1：1：1)混合，溶于30ml N，N′-二甲基甲酰胺溶液(DMF)中，机械搅拌条件下反应36小时。其中第五代树状聚酰胺(PAMAM G5.0)的结构表征如图4所示，树状聚酰胺的13C-NMR谱中标示了11种不同化学环境的C，证明实验所用聚酰胺大分子具有第五代的结构。产物经磁分离，N，N′-二甲基甲酰胺(DMF)、无水乙醇洗涤后，制成铁氧化物-树状聚酰胺纳米复合物。
对样品进行红外光谱分析，如图3中曲线Fe3O4@SiO2-PEG-PAMAM所示——1637cm-1是-CONH的伸缩振动峰，1561cm-1是伯胺-NH的弯曲振动峰，说明接枝聚乙二醇的磁性微球成功偶联了树状聚酰胺大分子。。
测样品热重分析曲线，图2所示，III为磁性铁氧化物-树状聚酰胺纳米复合物的热重分析曲线，在180～700℃区间，失重19.04％。对比II和III，可以确定磁性铁氧化物/树状聚酰胺纳米复合物中，树状聚酰胺的质量含量为8.54％。
将产物制成100ug/ml(以第五代树状聚酰胺计)的水溶液。
5.将100ug/ml磁性铁氧化物/树状聚酰胺纳米复合物溶液，按N/P比1：1、2.5：1、5：1、10：1、15：1、20：1与DNA混合，共培养30min后做琼脂糖凝胶电泳，用Sysgene成像系统拍照。结果见图5，可知在N/P比为5时，磁性铁氧化物-树状聚酰胺纳米复合物与DNA的结合达到饱和。说明合成的磁性铁氧化物/树状聚酰胺纳米复合物能有效携带DNA分子，可以作为DNA的载体。
实施例2
1.将0.5M的Fe2+和Fe3+溶液，按摩尔比1：1混合，总体积30ml。在55℃，氮气保护下，滴加到NH3-NH4Cl缓冲溶液(pH＝9，总体积15ml)中，同时补加浓氨水10ml，磁力搅拌60min后结束反应。产物经磁分离、蒸馏水洗涤后，重新分散在1.0M柠檬酸钠溶液中，60℃下机械搅拌12h。产物经磁分离洗涤后，制成30mg/ml水基磁流体。
2.用硅烷偶联剂对磁流体进行二次表面改性。将2ml磁流体分散在体积比4：1的醇-水混合液中，再加入5ml氨水和0.01ml正硅酸四乙酯，30℃机械搅拌10h。产物经磁分离、无水乙醇、丙酮和无水甲苯洗涤后，重新分散在15ml无水甲苯中，同时加入0.2ml氨基丙基三乙氧基硅烷，室温搅拌20h，结束反应。产物经磁分离无水甲苯和丙酮洗涤后，制成表面覆盖氨基的磁性微球其表面氨基的含量按所加入的氨基丙基三乙氧基硅烷计。
3.将铁氧化物-二氧化硅氨基微球、二元酸衍生物——聚乙二醇二酯及碱性催化剂——乙醇钠(按铁氧化物-二氧化硅氨基微球表面氨基与二元酸衍生物及催化剂的摩尔比1：1：1)混合，溶于30mlN，N′-二甲基甲酰胺(DMF)与二氯甲烷混合液中，机械搅拌条件下反应16小时。用磁铁吸出产物，并分别用N，N′-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、乙醇洗三次，干燥称重。测样品热重分析曲线，确定二元酸衍生物——聚乙二醇二酯的含量
4.将末端酯化磁性纳米微球与第五代树状聚酰胺(PAMAM G5.0)及碱性催化剂——乙醇钠(按端羧基磁性纳米微球与树状聚酰胺及催化剂的摩尔比1：1：1)混合，溶于30ml N，N′-二甲基甲酰胺(DMF)与二氯甲烷混合液中，机械搅拌条件下反应36小时。产物经磁分离，N，N′-二甲基甲酰胺(DMF)、二氯甲烷、无水乙醇洗涤后，干燥称重。测样品热重分析曲线，同实施例1的方法，确定树状聚酰胺含量为8.72％。制成100ug/ml(以第五代树状聚酰胺计)的水溶液。
5.将100ug/ml磁性铁氧化物/树状聚酰胺纳米复合物溶液，按N/P比1：1～20：1与DNA混合，共培养30min后做琼脂糖凝胶电泳，用Sysgene成像系统拍照。
实施例3
1.将0.5M的Fe2+和Fe3+溶液，按摩尔比1：1混合，总体积30ml。在60℃，氮气保护下，滴加到NH3-NH4Cl缓冲溶液(pH＝11，总体积15ml)中，同时补加浓氨水10ml，磁力搅拌60min后结束反应。产物经磁分离、蒸馏水洗涤后，重新分散在1.0M柠檬酸钠溶液中，60℃下机械搅拌12h。产物经磁分离洗涤后，制成30mg/ml水基磁流体。
2.用硅烷偶联剂对磁流体进行二次表面改性。将2ml磁流体分散在体积比4：1的醇-水混合液中，再加入5ml氨水和0.01ml正硅酸四乙酯，30℃机械搅拌12h。产物经磁分离、无水乙醇、丙酮和无水甲苯洗涤后，重新分散在15ml无水甲苯中，同时加入0.2ml氨基丙基三乙氧基硅烷，室温搅拌24h，结束反应。产物经磁分离无水甲苯和丙酮洗涤后，制成表面覆盖氨基的磁性微球其表面氨基的含量按所加入的氨基丙基三乙氧基硅烷计。
3.将铁氧化物-二氧化硅氨基微球、二元酸衍生物——聚乙二醇二酰氯(按铁氧化物-二氧化硅氨基微球表面氨基与二元酸衍生物的摩尔比1：1)混合，溶于30ml吡啶中，机械搅拌条件下反应20小时。用磁铁吸出产物，并分别用氯仿、乙醇洗三次，干燥称重。测样品热重分析曲线，确定二元酸衍生物——聚乙二醇二酰氯的含量
4.将末端酰氯化磁性纳米微球与第五代树状聚酰胺(PAMAM G5.0)(按端羧基磁性纳米微球与树状聚酰胺的摩尔比1：1)混合，溶于30ml吡啶中，机械搅拌条件下反应24小时。产物经磁分离，氯仿、无水乙醇洗涤后，干燥称重。测样品热重分析曲线，同实施例1的方法，确定树状聚酰胺含量为9.00％。。制成100ug/ml(以第五代树状聚酰胺计)的水溶液。
5.将100ug/ml磁性铁氧化物/树状聚酰胺纳米复合物溶液，按N/P比1：1～20：1与DNA混合，共培养30min后做琼脂糖凝胶电泳，用Sysgene成像系统拍照。
实施例4
1.将0.5M的Fe2+和Fe3+溶液，按摩尔比1：1.5混合，总体积30ml。在75℃，氮气保护下，滴加到NH3-NH4Cl缓冲溶液(pH＝10，总体积15ml)中，同时补加浓氨水10ml，磁力搅拌90min后结束反应。产物经磁分离、蒸馏水洗涤后，重新分散在1.0M柠檬酸钠溶液中，60℃下机械搅拌12h。产物经磁分离洗涤后，制成30mg/ml水基磁流体。
2.用硅烷偶联剂对磁流体进行二次表面改性。将2ml磁流体分散在体积比4：1的醇-水混合液中，再加入5ml氨水和0.01ml正硅酸四乙酯，30℃机械搅拌12h。产物经磁分离、无水乙醇、丙酮和无水甲苯洗涤后，重新分散在15ml无水甲苯中，同时加入0.2ml氨基丙基三甲氧基硅烷，室温搅拌16h，结束反应。产物经磁分离无水甲苯和丙酮洗涤后，制成表面覆盖氨基的磁性微球其表面氨基的含量按所加入的氨基丙基三甲氧基硅烷计。
3.将铁氧化物-二氧化硅氨基微球、二元酸——已二酸及N，N′-二异丙基碳二亚胺(按铁氧化物-二氧化硅氨基微球表面氨基与二元酸及缩合剂的摩尔比1：1：1)混合，溶于30ml二氯甲烷中，机械搅拌条件下反应24小时。用磁铁吸出产物，并分别用二氯甲烷、乙醇洗三次，干燥称重。测样品热重分析曲线，确定二元酸——已二酸的含量。
4.将端羧基磁性纳米微球与第四代树状聚酰胺(PAMAM G4.0)及缩合剂——N，N′-二异丙基碳二亚胺(按端羧基磁性纳米微球与树状聚酰胺及缩合剂的摩尔比1：1：1)混合，溶于30ml二氯甲烷中，机械搅拌条件下反应36小时。产物经磁分离，二氯甲烷、无水乙醇洗涤后，干燥称重。测样品热重分析曲线，同实施例1的方法，确定树状聚酰胺含量为7.54％。制成100ug/ml(以第五代树状聚酰胺计)的水溶液。
5.将100ug/ml磁性铁氧化物/树状聚酰胺纳米复合物溶液，按N/P比1：1～20：1与DNA混合，共培养30min后做琼脂糖凝胶电泳，用Sysgene成像系统拍照。
实施例5
1.取30ml0.5M的Fe3+溶液，在55℃，氮气保护下，滴加到NH3-NH4Cl缓冲溶液(pH＝9，总体积15ml)中，同时补加浓氨水10ml，磁力搅拌60min后结束反应。产物经磁分离、蒸馏水洗涤后，重新分散在1.0M柠檬酸钠溶液中，60℃下机械搅拌12h。产物经磁分离洗涤后，制成30mg/ml水基磁流体。
2.用硅烷偶联剂对磁流体进行二次表面改性。将2ml磁流体分散在体积比4：1的醇-水混合液中，再加入5ml氨水和0.01ml正硅酸四乙酯，30℃机械搅拌10h。产物经磁分离、无水乙醇、丙酮和无水甲苯洗涤后，重新分散在15ml无水甲苯中，同时加入0.2ml2-氨基乙基氨丙基三乙氧基硅烷，室温搅拌20h，结束反应。产物经磁分离无水甲苯和丙酮洗涤后，制成表面覆盖氨基的磁性微球其表面氨基的含量按所加入的2-氨基乙基氨丙基三乙氧基硅烷计。
3.将铁氧化物-二氧化硅氨基微球、二元酸——聚乙二醇二酸及1-羟基苯并三唑，苯并三氮唑-N，N，N′，N′-四甲基脲六氟磷酸酯(按铁氧化物-二氧化硅氨基微球表面氨基与二元酸及缩合剂的摩尔比1：1：1)混合，溶于30mlN，N′-二甲基甲酰胺(DMF)与二氯甲烷混合液中，机械搅拌条件下反应16小时。用磁铁吸出产物，并分别用N，N′-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、乙醇洗三次，干燥称重。测样品热重分析曲线，确定二元酸——聚乙二醇二酸的含量
4.将端羧基磁性纳米微球与第三代树状聚酰胺(PAMAM G3.0)及缩合剂——N，N′-二环已基碳二亚胺(按端羧基磁性纳米微球与树状聚酰胺及缩合剂的摩尔比1：1：1)混合，溶于30ml N，N′-二甲基甲酰胺(DMF)与二氯甲烷混合液中，机械搅拌条件下反应36小时。产物经磁分离，N，N′-二甲基甲酰胺(DMF)、二氯甲烷、无水乙醇洗涤后，干燥称重。测样品热重分析曲线，同实施例1的方法，确定树状聚酰胺含量为14.21％。制成100ug/ml(以第三代树状聚酰胺计)的水溶液。
5.将100ug/ml磁性铁氧化物/树状聚酰胺纳米复合物溶液，按N/P比1：1～20：1与DNA混合，共培养30min后做琼脂糖凝胶电泳，用Sysgene成像系统拍照。
Claims (9)
1、一种新型磁靶向基因传递系统，其特征在于：所述的磁靶向基因传递系统是磁性铁氧化物与树状聚酰胺双纳米材料，以整代树状聚酰胺为球壳状外部骨架，内部为磁性铁氧化物，其中整代树状聚酰胺的质量分数5％～15％。
2、按照权利要求1所述的磁靶向基因传递系统，其特征在于：所述的磁性铁氧化物为磁性氧化铁纳米粒子，整代树状聚酰胺为第三代、第四代、第五代树状聚酰胺中的任意一种。
3、一种权利要求1所述的磁靶向基因传递系统的制备，其特征在于：通过化学偶联的方法实现整代树状聚酰胺与磁性铁氧化物的复合，具体步骤为——
首先采用化学共沉淀法合成铁氧化物磁性纳米粒子，并用硅烷偶联剂对其进行表面改性，其次将双端羧基酰化剂与改性后制得的铁氧化物-二氧化硅核壳氨基纳米微球通过酰化缩合反应制备端羧基磁性纳米微球，最后将端羧基磁性纳米微球与整代树状聚酰胺再次通过酰化缩合反应制备磁性铁氧化物-树状聚酰胺核壳纳米复合物。
4、按照权利要求3所述的磁靶向基因传递系统的制备，其特征在于：所述的硅烷偶联剂为氨基丙基三乙氧基硅烷、氨基丙基三甲氧基硅烷、2-氨基乙基氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
5、按照权利要求3或4所述的磁靶向基因传递系统的制备，其特征在于：所述的双端羧基酰化剂为二元酸及其衍生物。
6、按照权利要求5所述的磁靶向基因传递系统的制备，其特征在于：双端羧基酰化剂为二元酸时，采用碳二亚胺类型、磷正离子类型和脲正离子类型缩合剂中的一种或多种为缩合剂。
7、按照权利要求6所述的磁靶向基因传递系统的制备，其特征在于：所述的酰化缩合反应中的缩合剂为N，N′-二环己基碳二亚胺，N，N′-二异丙基碳二亚胺，1-羟基苯并三唑，苯并三氮唑-N，N，N′，N′-四甲基脲六氟磷酸酯中的一种或多种。
8、按照权利要求5所述的磁靶向基因传递系统的制备，其特征在于：双端羧基酰化剂为二元酸酯时，采用强碱作为催化剂。
9、按照权利要求5所述的磁靶向基因传递系统的制备，其特征在于：所述的强碱为醇钠、正丁基锂、四氢铝锂、氢化钠和钠中的一种。
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