CN102504250A

CN102504250A - 氨酯键小分子量pei交联衍生物、制备方法、用途及其复合物

Info

Publication number: CN102504250A
Application number: CN201110327129XA
Authority: CN
Inventors: 王玉强; 苏靖; 金拓; 陆平; 盛净
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: CN102504250B

Abstract

本发明公开了一种氨酯键小分子量聚乙烯亚胺（PEI）交联衍生物、制备方法、用途及复合物。所述衍生物结构式为：

，其中，x为1～20，y为1～20。所述氨酯键小分子量PEI交联衍生物的制备方法包括如下步骤：将小分子量PEI与乙二醇二氯甲酸酯按摩尔比为3:2的比例加入三乙胺-氯仿体系中；搅拌、摇动或震荡反应体系，使之发生缩合反应，即得所述小分子量PEI交联衍生物。与现有技术相比，本发明制备的含有氨酯键结构的可降解小分子量PEI交联衍生物具有高的转染活性和较小的细胞毒性，在不同的细胞中均具有较好的生物活性，是高效、低毒的基因物质载体，用于输送基因物质。

Description

氨酯键小分子量PEI交联衍生物、制备方法、用途及其复合物

技术领域

本发明涉及PEI衍生物、制备方法、用途及复合物，具体涉及一种氨酯键小分子量PEI交联衍生物、制备方法、用途及其复合物。

背景技术

基因治疗，是将外源性基因物质（DNA或RNA）导入细胞，促成或者抑制特定蛋白的表达，或者取代、修复有问题的基因，从而达到疾病治疗的目的。基因治疗在其发展过程中遇到了一系列技术瓶颈，其中最重要的瓶颈之一是基因物质安全有效的体内输送。

目前常用的基因输送载体可以分为重组病毒载体及人工合成载体(即非病毒载体）。病毒载体虽然显示了高的转染效率，但由于病毒的变异会引起潜在的致病危险，并且病毒表面成分会引起人体免疫反应，同时病毒的制备和纯化困难且携载基因容量小。因此非病毒基因载体被认为是更理想的基因物质输送载体。

传统的生物可降解高分子材料（如PGA、PLA、PLGA）不具有基因内吞逃逸功能，所以转染率不高，改性天然高分子如壳聚糖，其结构在设计改造上具有局限性，而以聚乙烯亚胺（PEI）为代表的能够帮助基因物质内吞逃逸的聚阳离子则因高分子量而引起细胞毒性过大。

PEI是目前研究最为广泛的聚阳离子非病毒载体，分支状分子量为25 kDa的PEI（PEI 25kDa）转染效率最高，但是PEI 25kDa同时因其烷基骨架无法降解而导致细胞累计毒性较大。多数的国内外研究集中在可降解的PEI 交联衍生物。

最早俄亥俄州立大学的Robert J.Lee在结合化学杂志上（Bioconjugate Chemistry2001；12:989-9.发表‘Efficient gene transfer using reversibly cross-linked low molecular weight polyethylenimine’的文章，文中用交联剂二硫代双(琥珀酰亚胺基丙酸酯)(DSP)、双硫二丙二亚氨甲基醚（DTBP）分别与小分子量PEI(PEI 800Da)交联得到两个含有二硫键PEI衍生物。在中国仓鼠卵巢(CHO )细胞中具有与市售高分子量PEI(25KDa)相当的转染活性，二硫键的引入希望该衍生物可以被体内的还原试剂谷胱甘肽还原，从而二硫键断开，降解成为没有细胞毒性的小分子量PEI，但是文献中没有给出具体的细胞毒性数据。

麻省理工学院的M. Klibanov在药学研究杂志上（Pharm.Res.2005;22:373-80.）发表‘Cross-linked small polyethylenimines: while still nontoxic, deliver DNA efficiently to mammalian cells in vitro and in vivo’的文章，文中合成了酯键连接的PEI衍生物，发现其在体内和体外的转染活性都优于bPEI 25 KDa。但是这一类酯键交联的PEI衍生物所含有的伯胺和仲胺易与酯键发生重排反应，致使聚阳离子的结构不稳定。

犹他大学的Sung Wan Kim在缓控释杂志（Journal of Controlled Release 2005，103：209–219）发表《Polyethylenimine with acid-labile linkages as a biodegradable gene carrier》的文章，生成亚胺键连接的可降解PEI，其特点是,中性pH值可稳定存在，在酸性条件下（pH=4.5）亚胺键断开，生成无细胞毒性的小分量PEI，降低了细胞毒性，但是其结构不稳定（亚胺键的引入），其转染活性也不高（与PEI 25kDa对照）。

本课题组徐松琳在控制释放杂志（Journal of controlled release，2008,130，64-68）发表了“Novel poly(ethylene imine)biscarbamate conjugate as an efficient and nontoxic gene delivery system”的文章，该文章中所合成的氨酯类衍生物PEIC在与报道基因复合比例为40/1这一高质量比时达到最大转染活性（与商业化聚乙烯亚胺 25 kDa对照），质量比为40/1时会增加载体的载量从而会带来更大的毒性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种氨酯键小分子量PEI交联衍生物、制备方法、用途及其复合物。本发明制备的含有氨酯键结构的可降解小分子量PEI交联衍生物具有高的转染活性和较小的细胞毒性，在不同的细胞中均具有较好的生物活性，是高效、低毒的基因物质载体，用于输送基因物质。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明涉及一种氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物，其结构式为：

Figure 201110327129X100002DEST_PATH_IMAGE001

，

其中，x为1～20，y为1～20。

优选的，所述氨酯键小分子量PEI交联衍生物的基本构建单元为小分子量PEI，所述小分子量PEI的分子量为800Da。

第二方面，本发明还涉及一种制备上述的氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物的方法，包括以下步骤：

(a)将小分子量PEI与丁二酰氯按摩尔比为3:2的比例加入三乙胺-氯仿体系中；

(b)搅拌、摇动或震荡反应体系，使之发生缩合反应，即得所述小分子量PEI交联衍生物。

优选的，所述小分子量PEI的分子量为800Da。

优选的，还包括分离纯化的步骤：将所述小分子量PEI交联衍生物用超纯水溶解后，置于活化后的透析袋中透析；透析结束后，用微孔滤膜过滤，冻干。

优选的，所述透析袋的截留分子量为3500Da。

优选的，所述透析的时间为12～48小时。

优选的，所述微孔滤膜的孔径为0.22～0.45

m。

第三方面，本发明还涉及一种上述的氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物在制备用于输送基因物质载体中的用途。

第四方面，本发明还涉及一种复合物，该复合物是采用包括如下步骤的方法制备而得：将上述氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物溶液加入到质粒溶液中，混合，室温下孵育，即得。

优选的，所述质粒为DNA质粒。

优选的，所述孵育的时间为30～120min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明制备的含有氨酯键结构的可降解小分子量PEI交联衍生物结构简单、易于合成；（2）本发明制备的含有氨酯键结构的可降解小分子量PEI交联衍生物具有高的转染活性和较小的细胞毒性，与现有的PEIC相比，在COS-7细胞中在质量比为10-20时达到最佳转染活性，低的质量比会带来更为低的毒性。（3）本发明制备的含有氨酯键结构的可降解小分子量PEI交联衍生物在不同的细胞株中均表现出较高的转染活性（与PEI25KDa和lipofectamine2000相比）,同时比PEIC有更低的细胞毒性（图10）。

附图说明

图1为氨酯键小分子量PEI交联衍生物的制备方法的合成路线示意图；

图2为实施例2中高分子PEI-Et与质粒质量比不同时合成的复合物的粒径图；

图3为实施例2中高分子PEI-Et与质粒质量比不同时合成的复合物的电势图；

图4为实施例2中高分子PEI-Et与DNA质粒质量比为5时合成的复合物的原子力显微镜图；

图5为实施例2中高分子PEI-Et与质粒质量比不同时合成的复合物的COS-7细胞转染活性示意图；

图6为实施例2中高分子PEI-Et与质粒质量比不同时合成的复合物的BRL-3A细胞转染活性示意图；

图7为实施例2中高分子PEI-Et与质粒质量比不同时合成的复合物的Hela细胞转染活性示意图；

图8为实施例2中高分子PEI-Et与质粒在最佳质量比时合成的复合物转染Hela细胞的绿色荧光图片；

图9为实施例2中PEI-Et与质粒在最佳质量比时合成的复合物在Hela细胞中的转染效率。

图10为实施例2中不同浓度的PEI-Et与PEIC以及PEI 25kDa的COS-7细胞毒性比较示意图；

图11为实施例2中不同浓度的PEI-Et与PEI 25kDa的BRL-3A细胞毒性比较示意图；

图12为实施例2中不同浓度的PEI-Et与PEI 25kDa的Hela细胞毒性比较示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，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。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，例如萨姆布鲁克等分子克隆：实验手册第三版（科学出版社，2002）中所述的条件，或者按照各制造商所建议的条件。

实施例1、氨酯键小分子量PEI交联衍生物（PEI-Et）的制备

图1为氨酯键小分子量PEI交联衍生物的制备方法的合成路线示意图，如图1所示，包括如下步骤：

(a)将小分子量PEI（PEI 800Da）与乙二醇二氯甲酸酯按摩尔比为3:2的比例加入三乙胺-氯仿体系中；氯仿和三乙胺分别加入氢化钙后在高纯氮保护下加热回流2小时，收集新鲜馏分备用。用氯仿分别溶解PEI 800Da和乙二醇二氯甲酸酯，在无水无氧条件下将二者分别配成3mL和18.7ml的溶液；

(b)冰浴条件下，取PEI 800Da的氯仿溶液，加入2.5倍过量的三乙胺，将乙二醇二氯甲酸酯的氯仿溶液在无水无氧条件下逐滴加入到反应体系中，搅拌反应24小时；反应停止后首先用旋转蒸发仪在减压和降温的条件下把其中的大部分氯仿除去，然后再把得到的粗产物至于真空干燥箱内干燥过夜；

(c)分离纯化，产品用少量超纯水溶解后置于截留分子量为1000Da活化后的透析袋中透析48小时（可以是12～48小时中的任意值），透析结束后，产品用0.22

m（可以是0.22～0.45

m中的任意值）的微孔滤膜过滤，然后分别转移到预先准备好的西林瓶中，产品在-20℃冰箱预冻过夜后用冷冻干燥机冻干，24h后停止冻干，得到产品高分子PEI-Et。

测定高分子PEI-Et分子量

测定方法为凝胶渗透色谱（GPC）法，聚乙二醇（PEG）标准品以及实施例制备的PEI-Et为样品，分别用纯水溶解得到10mg/ml的溶液，摇匀静置，用0.45

m 的微孔滤膜过滤，取续滤液，进样20

l，记录色谱图。

将PEG标准品的重均分子量的对数值lgMw与相应的保留时间（tR）进行线性回归, 得回归方程。Et样品通过该回归方程的公式计算分子量和分布：

Figure 201110327129X100002DEST_PATH_IMAGE003

上式中Mn、Mw分别为数均分子量和重均分子量；D指分布系数；RIi为供试品在保留时间i时的峰高；Mi为供试品在保留时间i时的分子量。

计算得：PEI-Et的分子量Mn=1220，Mw=2895。

实施例2、PEI-Et与质粒合成的复合物（Polyplex）的制备

称取定量的高分子（PEI-Et）聚合物，加超纯水配置成2mg/mL的溶液，然后用0.22μm的无菌滤头过滤，质粒的浓度稀释成1mg/mL；

配置不同质量比的复合物溶液，保持质粒溶液的浓度不变，然后按照不同的高分子（PEI-Et）与质粒的质量比稀释高分子溶液的浓度，保持稀释后的高分子溶液和质粒溶液的体积相等，最后将高分子溶液快速加入到质粒溶液中混合，室温下孵育30～120min，这样就得到一系列质量比的复合物，可用作进一步的物化性质测定。

与质粒合成的复合物（Polyplex）粒径测定

复合物粒径的测定的样品量为1.6mL，EGFP（绿色荧光蛋白）质粒和高分子溶液的体积各为800

L，质粒的浓度均为20

g/mL，依据质量比对高分子溶液（原始浓度为2mg/mL）进行稀释，所需测定复合物中高分子（PEI-Et）与EGFP质粒的质量比分别为0.5，1，3，5，10，20，30。

混合时，将高分子溶液加入质粒溶液中，吹打均匀，室温孵育30min。检测采用Brookhaven Instruments公司的粒径仪，每个样品测定3次，取平均值作图；如图2所示，经检测，Polyplex可形成纳米颗粒用于基因输送。

与质粒合成的复合物（Polyplex）Zeta电位测定

复合物ζ点位的测定的样品量为1.6mL，EGFP质粒和高分子溶液的体积各为800L，质粒的浓度均为20

混合时，将高分子溶液加入质粒溶液中，吹打均匀，室温孵育120min，然后检测。检测采用Brookhaven Instruments公司的粒径仪，每个样品测定3次，取平均值作图；如图3所示，实验证明，Polyplex的Zeta电势为正，可包裹带负电荷的DNA。

与质粒合成的复合物（Polyplex）的原子力显微镜表征

依据测量粒径的结果，选取质量比为20：1的复合物，通过原子力显微镜（Atomic Force Microscope）来观察该复合物的形态。

首先Et与EGFP质粒配制成复合物溶液，然后用移液枪将约5～10

L的复合物溶液小心翼翼的滴加在新鲜获得的云母片上。云母片置于室温和干燥的环境中晾干。待进行原子力显微镜的测试时，检测在轻敲模式（Tapping Mode）下进行，在500nm比例下捕捉复合物颗粒的图片，如图4所示，Polyplex可形成纳米颗粒。

与质粒合成的复合物（Polyplex）的细胞转染实验

1、荧光素酶质粒转染

在48孔细胞培养板中，加入0.5mL的细胞悬液（COS-7,BRL-3A或者Hela），密度是5.0～10×10⁴/mL，培养过夜。48孔板转染时，每孔加入质粒的量是500ng，体积25

L，将聚合物配置成2mg/mL的溶液，并用0.22

m的滤膜无菌过滤，按照设置的待测样品与质粒的质量比，稀释成所需的比例，聚合物溶液的总体积为25L，然后把聚合物溶液加入到质粒的溶液当中去，快速混匀，孵育30min。这样加入每孔的复合物的体积为50

L，为总体积（500

L）的十分之一，符合规定。每个质量比做三个复孔。阳性对照组PEI 25kDa（25kDa）和Lipofectamine 2000(L)，以其最佳质量比分别为2和1时的结果各做三个对照孔，在孵育的这段时间里，从培养箱中拿出细胞，除去有血清的培养基，再用200

L的PBS溶液洗一遍，培养基换成250

L的无血清的培养基，然后将孵育好的复合物按顺序加入到细胞中去。

4小时后，除去无血清的培养基，每孔加入含10%胎牛血清的完全培养基，再培养48小时，检测其在COS-7,BRL-3A和Hela细胞中的转染结果，分别如图5、6、7所示，结果显示， PEI-Et在不同细胞中均具有担载基因物质的能力，在三种细胞株中基因转染效率均超过了阳性对照PEI 25kDa（P<0.01）,在Hela细胞中转染活性超过lipofectamine2000(P<0.01),在COS-7,BRL-3A细胞中转染活性可与lipofectamine2000相媲美（P>0.05）.

2、绿色荧光蛋白质粒转染

依据luciferase转染的结果，选择质量比20时对Hela细胞进行绿色荧光蛋白质粒的转染，进一步验证和PEI 25kDa相比聚合物包裹质粒转染的能力，倒置荧光显微镜检测COS-7细胞的表达情况如图8所示，聚合物的绿色荧光蛋白表达超过阳性对照组PEI25 kDa。然后用流式细胞仪检测表达GFP的细胞的阳性率（图9），结果显示PEI-Et的转染效率( 33.7%±0.75%)比PEI 25kDa(27.2% ±0.9%)的高（p<0.05）。

的细胞毒性实验

接种细胞（COS-7,BRL-3A,Hela），将细胞消化，稀释成密度为5～10×10⁴/mL的细胞悬液，96孔板中每孔加入100

L，培养过夜。

将2mg/mL的高分子DMEM溶液稀释成不同的浓度梯度，终体积为100

L，阳性对照组PEI25KDa也稀释为与待测样品组一致的浓度梯度。

取出细胞后，移除有血清的培养基，用100

L的PBS（磷酸盐）缓冲液洗一遍，直接把配制好的高分子DMEM溶液加到各个细胞孔中，阴性对照组中加入100

L无血清无酚红DMEM。4小时之后，除去培养液和高分子溶液，每孔加入100

L的无血清无酚红培养基，避光条件下再加入25L的MTT溶液（3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴盐溶液溶液，该溶液用PBS缓冲液配制成5mg/mL），置于细胞培养箱中培养6小时。

显微镜下观察活细胞的结晶情况，如果还没有完全结晶，可适当延长放置时间。如果完全结晶，小心翼翼的倒出96孔板中的液体，然后在每孔中各加入150

L的DMSO(二甲亚砜)，轻微摇晃96孔板使甲臢晶体充分溶解。由于加入DMSO后溶液颜色会随时间变化，因此最好酶标仪的检测在20min内进行，检测波长为570nm，通过样品组的在此波长的吸收值和空白对照组做比值，从而得到细胞的成活率。不同浓度的PEI-Et与PEI 25kDa的COS-7、BRL-3A和Hela细胞的毒性比较图分别如图10、11、12所示，细胞活力测试表明：PEI-Et的细胞毒性远小于阳性对照PEI25kDa；由图10还可知，PEI-Et比PEIC有更低的细胞毒性。

综上所述，本发明制备的含有氨酯键结构的可降解小分子量PEI交联衍生物结构简单、易于合成；衍生物具有高的转染活性和较小的细胞毒性；本发明制备的含有氨酯键结构的可降解小分子量PEI交联衍生物PEI-Et具有较好的生物活性。

Claims

1.一种氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物，其特征在于，其结构式为：

，

其中，x为1～20，y为1～20。

2.根据权利要求1所述的氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物，其特征在于，所述氨酯键小分子量PEI交联衍生物的基本构建单元为小分子量PEI，所述小分子量PEI的分子量为800Da。

3.一种制备权利要求1所述的氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)将小分子量PEI与乙二醇二氯甲酸酯按摩尔比为3:2的比例加入三乙胺-氯仿体系中；

4.根据权利要求3所述的氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物的制备方法，其特征在于，所述小分子量PEI的分子量为800Da。

5.根据权利要求3或4所述的氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物的制备方法，其特征在于，还包括分离纯化的步骤：将所述小分子量PEI交联衍生物用超纯水溶解后，置于活化后的透析袋中透析；透析结束后，用微孔滤膜过滤，冻干。

6.如权利要求5所述的氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物的制备方法，其特征是，所述透析袋的截留分子量为1000Da。

7.如权利要求5所述的氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物的制备方法，其特征是，所述透析的时间为12～48小时。

8.如权利要求5所述的氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物的制备方法，其特征是，所述微孔滤膜的孔径为0.22～0.45

m。

9.一种权利要求1所述的氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物在制备用于输送基因物质载体中的用途。

10.一种复合物，其特征在于，该复合物是采用包括如下步骤的方法制备而得：将权利要求1所述氨酯键交联小分子量PEI交联衍生物溶液加入到质粒溶液中，混合，室温下孵育，即得。

11.如权利要求10所述的复合物，其特征在于，所述质粒为DNA质粒。

12.如权利要求10所述的复合物，其特征在于，所述孵育的时间为30～120分钟。