CN102911252B

CN102911252B - 含肽类树状分子的阳离子脂质、转基因载体及其制备方法和应用

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Publication number: CN102911252B
Application number: CN201210411758.5A
Authority: CN
Inventors: 顾忠伟; 聂宇; 徐翔晖; 程刚; 姜倩; 岳冬; 罗奎
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: CN102911252A

Abstract

本发明公开了一种含肽类树状分子的阳离子脂质、转基因载体及其制备方法和应用。本发明所述转基因载体具有非常低的细胞毒性，能有效阻滞包裹pEGFP-N1质粒或pGL3质粒，包裹能力较强，且本发明所述转基因载体与pEGFP-N1质粒或pGL3质粒的复合物平均粒径在80～200nm之间，Zeta电位在5~50mV之间，非常适合于基因转染。用本发明所述转基因载体与pEGFP-N1质粒或pGL3质粒形成的复合物转染HepG2,MCF7,B16F10细胞，都表现出较好的转染能力，在优化转染条件下转染能力超过商品化PEI25K,在有血清条件下转染优势更为突出。

Description

含肽类树状分子的阳离子脂质、转基因载体及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一类阳离子脂质、含阳离子脂质的转基因载体及其制备方法和应用。

背景技术

随着生物化学与分子生物学的不断发展，人们对核酸（DNA, RNA）功能的认识不断加深，同时也对各种疾病的分子机理有了进一步的认识。在已知的人类疾病中有数千种疾病是与基因相关的，其中包括与单基因相关的先天性遗传疾病和多基因相关的后天性疾病。大部分后天性疾病是各种内外因素作用于人体的遗传物质使其功能发生紊乱而造成的。导致疾病的原因主要是基因缺陷和基因缺失，把适当的外源基因引入人体细胞内，以弥补缺陷或缺失的基因，表达出相应的蛋白质，从根本上消除产生疾病症状的内在因素，由此产生了一种新的治疗方法---基因治疗。

基因治疗是将目的基因导入患者体内，使之表达目的基因产物，从而使疾病得到治疗，为现代医学和分子生物学相结合而诞生的新技术。基因治疗作为疾病治疗的新手段，它已有一些成功的应用，并且科学突破将继续推动基因治疗向主流医疗发展。基因治疗成功的关键是要把治疗基因准确、高效地导入细胞内，而由于裸基因容易被细胞内的核酸酶降解、传输过程中又易被网状内皮系统吞噬而清除。此外，使用裸基因进行转染，由于分子过大，很难于被细胞吸收。因此发展安全有效的基因载体是基因治疗成功的前提条件。

基因载体包括病毒载体和非病毒载体两类。尽管病毒载体的转染效率高，但是存在免疫原性、致癌性、宿主DNA插入整合等弊端，从而限制了它们的应用。非病毒载体（如阳离子脂质体）无免疫原性，便于大规模生产，但转染效率低于病毒载体。然而由于非病毒载体所具有的优点使其成为一种非常具有开发潜力的转基因载体。因此开发低毒，简单，稳定，转染效率高的非病毒载体具有重要意义。

现在研究的非病毒载体中，阳离子脂质体作为基因转染载体的特点是载体与目的基因以静电作用相结合, 可携带的外源基因容量较大, 不含抗原成分, 细胞毒性低, 可被机体降解, 可进行多次反复转染, 因此是一种有临床应用潜力的基因转染载体。传统的阳离子脂质结构中，都是以线型多胺（直链型或支链型）作为阳离子部分，我们认为以肽类树状分子代替线型多胺作为阳离子部分，将会增强阳离子脂质体与DNA的结合能力，也会因为肽类树状分子更优良的生物相容性而降低毒性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种细胞毒性低、基因转染效率高的转基因载体，制备转基因载体的阳离子脂质及其合成方法，以促进基因治疗的发展。

本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的：

一种含肽类树状分子的阳离子脂质，其结构式（Ⅰ）如下：

式（Ⅰ）

其中，R₁为饱和/不饱和烃基、氨基酸基团；R₂为氨基酸基团、饱和/不饱和烃基或；X、Y、Z为NH、O或S。o、p、q分别独立为0或1；

当R₁为饱和/不饱和烃基时，R₂为氨基酸基团；R₁为氨基酸基团时，R₂为饱和/不饱和烃基或。

本发明中的氨基酸基团是指氨基酸中氨基脱除H或羧基脱除OH后残余的基团，包括但不限于赖氨酸、精氨酸或组氨酸基团。

本发明中的烃基是指含碳、氢两种原子的官能团，可以看作是相应的烃失去一个氢原子（H）后剩下的自由基。优选为烷基、烯基，芳香基、更优选为C₁₀-C₂₀的烷基、C₁₀-C₂₀的烯基、含有芳香基的氨基酸衍生物。

作为优选，本发明中R₁为α-氨基酸基团，R₂为C₁₀-C₂₀的烷基、C₁₀-C₂₀的烯基，α-氨基酸基团或；X、Y、Z为NH、O。

进一步的，本发明中R₁为赖氨酸、精氨酸和组氨酸基团；R₂为9-十八烯基或。

本发明的另一目的是提供一种上述肽类树状分子的阳离子脂质的制备方法,其中式（Ⅰ）中X、Y、Z为NH，o、q为1，p为0的式3按照下面的反应路线合成：

其中，式1包括叔丁酯（Boc）保护的二代肽类树状分子，其中R₁优选为双Boc保护的赖氨酸、或2,2,4,6,7-五甲基二氢苯并呋喃-5-磺酰（Pbf）保护、Boc保护的精氨酸；或Boc保护的组氨酸，合成方法根据文献”Cooperative Hierarchical Self-Assembly of Peptide Dendrimers and Linear Polypeptides into Nanoarchitectures Mimicking Viral Capsids, AngewandteChemie International Edition, 2012, 51 ,13, 3130–313"” Arginine functionalized peptide dendrimers as potential gene delivery vehicles,Biomaterials, 2012 33(19):4917-27”和” A Novel Poly(l-glutamic acid) Dendrimer Based Drug Delivery System with Both pH-Sensitive and Targeting Functions, Mol. Pharmaceutics, 2010, 7 (4), pp 953–962”；化合物2为已知化合物，根据文献”Anionic amino acid-derived cationic lipid for siRNA delivery，Journal of Controlled Release, 2009, 140, 268–276”合成，是N’,N”-二脂肪烷烃谷氨酰胺，其中R₂为氨基酸基团、饱和/不饱和烃基或；

原料包括式1（二代氨基保护的肽类树状分子）、式2（谷氨酸脂肪烷烃酰胺）、缩合剂、碱、催化剂和溶剂，式1：式2：缩合剂：催化剂：碱（摩尔比） =1:1：1～4:1～4：4～10，所述比例为摩尔比，溶剂为卤代烃，溶剂的量以式1、式2、缩合剂、催化剂、碱完全溶解为限；

按比例称取式1、式2、缩合剂、催化剂和碱，在0^oC，氮气保护条件下，加入溶剂，反应0.5～1小时；然后室温反应24小时，反应结束后，所得溶液依次用碳酸氢钠溶液、硫酸氢钠溶液和氯化钠水溶液洗涤，无水硫酸镁干燥12小时，减压浓缩，以乙酸乙酯：石油醚洗脱剂，柱层析分离得到式3。

式（Ⅰ）中X、Y、Z为NH，o、p为1，q为0，R₂为的式5按照下面的反应路线合成：

其中化合物4根据文献“Pyridylhydrazone-based PEGylation for pH-reversible lipopolyplex shielding，Biomaterials, 2011, 32, 858-869”合成。

原料包括式1（二代氨基保护的肽类树状分子）、化合物4（N₁-胆固醇酰胺-1，2-乙二胺）、缩合剂、碱、催化剂和溶剂，式1：化合物4：缩合剂：催化剂：碱（摩尔比）=1:1：1～4:1～4：4～10，所述比例为摩尔比，溶剂为卤代烃，溶剂的量以式1、化合物4、缩合剂、催化剂、碱完全溶解为限；

按比例称取式1、化合物4、缩合剂、催化剂和碱，在0^oC，氮气保护条件下，加入溶剂，反应0.5～1小时；然后室温反应24小时，反应结束后，所得溶液依次用碳酸氢钠溶液、硫酸氢钠溶液和氯化钠水溶液洗涤，无水硫酸镁干燥12小时，减压浓缩，以乙酸乙酯：石油醚洗脱剂，柱层析分离得到化合物5。

本发明的另一目的是提供一种包含上述含肽类树状分子的阳离子脂质的转基因载体，所述转基因载体包含上述含肽类树状分子的阳离子脂质、胆固醇和高纯灭菌水形成的溶液，所述溶液中，含肽类树状分子的阳离子脂质摩尔浓度为1mmol/L～10mmol/L, 含肽类树状分子的阳离子脂质与胆固醇的摩尔比为1～10:1。

本发明具有以下有益效果：

MTT法测试表明，本发明所述转基因载体具有非常低的细胞毒性。电泳实验表，本发明所述转基因载体与pEGFP-N1质粒或pGL3质粒的复合物，当转基因载体中的阳离子脂质与pEGFP-N1质粒的质量比大于3:1时，就能有效阻滞包裹pEGFP-N1质粒或pGL3质粒，包裹能力较强，且本发明所述转基因载体与pEGFP-N1质粒或pGL3质粒的复合物平均粒径在80～200nm之间， Zeta电位在5~50mV之间，非常适合于基因转染。用本发明所述转基因载体与pEGFP-N1质粒或pGL3质粒形成的复合物转染HepG2, MCF7, B16F10细胞，都表现出较好的转染能力，在优化转染条件下转染能力超过商品化PEI25K, 在有血清条件下转染优势更为突出。

附图说明：

图1为包含实施例1化合物的转基因载体与pEGFP-N1质粒以摩尔比为20:1和40:1形成的复合物在HepG2 细胞中的转染图片（有血清和无血清条件下）。

图2为实施例1的质谱图。

图3为包含实施例1化合物的转基因载体与pEGFP-N1质粒形成复合物的透射电镜照片和扫描电镜。

图4为包含实施例1化合物的转基因载体与pEGFP-N1质粒形成复合物的电泳阻滞图片。

图5为包含实施例1化合物的转基因载体与pEGFP-N1质粒形成复合物的细胞毒性。

具体实施方式：

实施例1

原料包括化合物1（二代氨基Pbf/Boc保护的肽类树状分子, R1=精氨酸）1mmol, 1.20 g、化合物2（谷氨酸脂肪烷烃酰胺）1mmol, 0.66g、缩合剂（如：1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐EDC，2mmol, 0.38g，催化剂1-羟基苯并三唑 (HOBt, 2mmol, 0.26g）、碱（N，N-二异丙基乙胺DIPEA，4mmol, 0.5g），溶剂为无水二氯甲烷，化合物1：化合物2：缩合剂：催化剂：碱（摩尔比） =1: 1: 2: 2: 4，所述比例为摩尔比，溶剂的量以化合物1、化合物2、缩合剂、催化剂、碱完全溶解为限；

按比例称取化合物1、化合物2、缩合剂、1-羟基苯并三唑（HOBt）和碱，在0^oC，氮气保护条件下，加入二氯甲烷溶剂，反应0.5小时；然后室温反应24小时，反应结束后，所得溶液依次用碳酸氢钠溶液、硫酸氢钠溶液和氯化钠水溶液洗涤，无水硫酸镁干燥12小时，减压浓缩，以乙酸乙酯：石油醚= 1:1（体积比）做洗脱剂，柱层析分离得到化合物30.97g，收率89%。产物核磁（¹H-NMR）及质谱（MS）表征如下。

核磁谱图分析：¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 7.27 (s, 1H), 6.40 (s, 2H), 5.47 – 5.28 (m, 3H), 3.73 (q, J = 7.0 Hz, 2H), 3.73 (q, J = 7.0 Hz, 2H), 3.73 (q, J = 7.0 Hz, 2H), 4.82 – 2.90 (m, 9H), 2.96 (s, 2H), 3.04 – 2.67 (m, 2H), 2.59 (s, 3H), 2.51 (s, 3H), 2.10 (s, 5H), 2.10 (s, 4H), 2.15 – 1.94 (m, 9H), 1.87 (s, 1H), 1.81 (s, 1H), 1.69 (s, 1H), 1.69 (s, 1H), 1.69 – 1.55 (m, 3H), 1.69 – 1.52 (m, 4H), 1.69 – 1.16 (m, 63H), 0.88 (t, J = 6.5 Hz, 3H).

质谱分析：分子式：C₅₉H₁₁₅N₁₃O₅，Exact Mass: 1085.91，Molecular Weight:1086.63,

m/z: 1085.91(100%),1086.92(65.3%),1087.92(22.1%),1088.92(5.8%),1086.91(4.8%),1087.91(3.2%).

元素分析：C，65.21; H，10.67；N，16.76；O，7.36

IR: 1650cm^-1处出现了酰胺键（-NH-CO-）中羰基伸缩振动峰，1630 cm^-1附近出现了油胺上不饱和双键（-C=C-）的伸缩振动峰。

实施例2

原料包括化合物1（二代氨基Pbf/ Boc保护的肽类树状分子, R1=精氨酸）1mmol, 1.20 g、化合物4（N1-胆固醇酰胺-1，2-乙二胺）1mmol, 0.47 g、缩合剂（如：1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐EDC·HCl，2mmol, 0.38g，催化剂1-羟基苯并三唑 (HOBt, 2mmol, 0.26g）、碱（N，N-二异丙基乙胺DIPEA，4mmol, 0.5g），溶剂为无水二氯甲烷，化合物1：化合物4：缩合剂：催化剂：碱 =1: 1: 2: 2: 4，所述比例为摩尔比，溶剂的量以化合物1、化合物4、缩合剂、催化剂、碱完全溶解为限；

按比例称取化合物1、化合物4、缩合剂、催化剂（1-羟基苯并三唑，HOBt）和碱，在0^oC，氮气保护条件下，加入二氯甲烷溶剂，反应0.5小时；然后室温反应24小时，反应结束后，所得溶液依次用碳酸氢钠溶液、硫酸氢钠溶液和氯化钠水溶液洗涤，无水硫酸镁干燥12小时，减压浓缩，以乙酸乙酯：石油醚= 1:1（体积比）做洗脱剂，柱层析分离得到化合物5，0.85g，收率89%。产物核磁（1H-NMR）表征如下。

核磁谱图中出现了N₁-胆固醇酰胺-1，2-乙二胺部分和二代氨基Pbf/ Boc保护的肽类树状分子（R1=精氨酸）的特征峰：δ= 0.66 (s, 3H ), 0.85 (d, J= 6.6 Hz, 6H), 0.90 (d, J= 6.4 Hz, 3H), 1.00 (s, 3H ),4.48 (m, 1H), 5.17 (bs,1H), 5.36 (d, 1H, J = 4.8 Hz);δ 7.27 (s, 2H), 6.39 (s, 4H),

IR: 1650cm-1处出现了酰胺键（-NH-CO-）中羰基伸缩振动峰，1630 cm-1附近出现了油胺上不饱和双键（-C=C-）的伸缩振动峰。

实施例3. 含实例1中阳离子脂质的转基因载体的制备

原料包括实施例1制备的含肽类树状分子的阳离子脂质、胆固醇和无水氯仿，阳离子脂质0.01 mmol, 胆固醇0.01 mmol, 无水氯仿 0.5mL。在室温（25℃）、常压下将所述阳离子脂质、胆固醇和无水氯仿加入茄形瓶中，当阳离子脂质、胆固醇完全溶解后，用旋转蒸发仪（转速为100 r/min）蒸出氯仿得到干燥脂质膜，再经真空干燥过夜，去除残留的氯仿。向此干燥的脂质膜加入高纯灭菌水配成4 mmol/L 的溶液，搅拌1h, 探头超声1h，最后用liposoFast ^TM脂质体挤出器制备得到含阳离子脂质的转基因载体，放置于4℃冰箱内保存备用。

制备得到的转基因载体，对其进行下述几方面的检测：

（1）利用激光粒度仪、透射电镜（TEM）和扫描电镜(SEM)检测观察载体的大小、粒径分布情况，图3显示结果，得到的载体粒径约在100nm左右，大小均一，分散性良好。

（2）用凝胶电泳阻滞实验观察不同量的阳离子脂质基因载体与PEI/DNA静电结合能力，图4结果显示，当转基因载体中的阳离子脂质与pEGFP-N1质粒的质量比大于3:1时，就能有效阻滞包裹pEGFP-N1质粒或pGL3质粒，包裹能力较强。

（3）体外转染效率的测定

B16细胞的培养：取小鼠黑色素瘤细胞B16细胞，在含有10%（质量/体积百分数）的胎牛血清的培养液中，在含5%（体积百分数）CO₂，温度为37℃的孵箱中培养24小时；

转染前24小时内，取对数生长期B16细胞，胰酶消化后用DMEM稀释，按每孔4×10⁵细胞的密度接种于6孔培养板，置于含5%（体积百分数）的CO₂，温度为37℃的孵箱中继续培养至80-90%融合，转染时，吸弃前一天加注的细胞培养板中的培养液，用PBS洗涤两次后，基因组转染的复合物颗粒以及无血清或者在含有10%（质量/体积百分数）的小牛血清的DMEM培养基至终体积2mL，继续培养48小时；

体外转染效率的测定：取出培养板，用倒置荧光显微镜照相，如图1所示。

有益结果：用本发明所述转基因载体与pEGFP-N1质粒形成的复合物表现出较好的转染能力，在优化转染条件下转染能力超过商品化PEI25K, 在有血清条件下转染优势更为突出。

（4）细胞存活率检测

转染前24小时内，取对数生长期B16细胞，胰酶消化后用DMEM稀释，按每孔1×10⁴细胞的密度接种于96孔培养板，置于含5%（体积百分数）的CO₂，温度为37℃的孵箱中继续培养至80-90%融合，转染时，吸弃前一天加注的细胞培养板中的培养液，用PBS洗涤两次后，基因组转染的复合物颗粒在含有10%（质量/体积百分数）的小牛血清的DMEM培养基至终体积0.1 ml，继续培养24小时；

加入10 μl 的5毫克/毫升MTT溶液（3-（4，5-二甲基噻唑-2）-2，5-二苯基四氮唑溴盐）在37℃继续作用4小时，加入150 μ1 DMSO（二甲基亚砜）。然后用酶标仪（Bio-Rad）测试每孔的吸收，测试波长选用492 nm。细胞存活率按下公式计算：

[细胞存活率（%）=（Asample/Acontrol）× 100

Asample是转染后的细胞样品孔的吸收，Acontrol是不与转染复合物作用的细胞对照孔的吸收，每组实验重复六次。结果如图5所示。

有益结果：转染浓度条件下，本发明的转基因载体小鼠黑色素瘤B16细胞、人肝癌细胞HepG2、人乳腺癌细胞MCF-7转染4小时的细胞存活率大于80%，可见本发明的转染系统具有较低的细胞毒性。

Claims

1.一种含肽类树状分子的阳离子脂质，其结构式为：

或

其中R₁为赖氨酸、精氨酸基团，R₂为C10-C20的烷基或C10-C20的烯基。

2.如权利要求1所述的阳离子脂质，其结构为：

或

3.一种制备权利要求1所述的阳离子脂质的方法，其合成路线如下：

其中R1与R2如权利要求1所定义；

其具体步骤如下：

按比例称取式1、式2、缩合剂、催化剂和有机碱，在0oC，氮气保护条件下，加入溶剂反应；然后在室温下反应，反应结束后，所得溶液洗涤，干燥，减压浓缩，以柱层析分离得到式3；

或者合成路线如下：

其中R1如权利要求1所定义；

其具体步骤如下：

按比例称取式1、化合物4、缩合剂、催化剂和有机碱，在0oC，氮气保护条件下，加入溶剂反应；然后在室温反应，反应结束后，所得溶液洗涤，干燥，减压浓缩，以柱层析分离得到化合物5。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述缩合剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)；所述催化剂为1-羟基苯并三唑(HBOt)；有机碱为N，N-二异丙基乙胺(DIPEA)；所述溶剂为卤代烃类溶剂；式1：式2：缩合剂：催化剂：有机碱的摩尔比为1:1：1～4:1～4：4～10；式1：化合物4：缩合剂：催化剂：有机碱的摩尔比为1:1：1～4:1～4：4～10；所述洗涤为依次用碳酸氢钠溶液、硫酸氢钠溶液和氯化钠水溶液洗涤；所述柱层析采用的洗脱剂为乙酸乙酯：石油醚体积比为1:1的混合溶剂。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述卤代烃类溶剂为无水二氯甲烷。

6.一种转基因载体，由权利要求1或2所述的阳离子脂质、胆固醇和高纯灭菌水组成；所述阳离子脂质摩尔浓度为1mmol/L～10mmol/L，阳离子脂质与胆固醇的摩尔比为1～10:1。

7.一种权利要求6所述的转基因载体的制备方法，包括如下步骤：在室温、常压下将所述阳离子脂质、胆固醇和无水氯仿加入茄形瓶中，当阳离子脂质、胆固醇完全溶解后，蒸出氯仿得到干燥脂质膜，再经真空干燥过夜，去除残留的氯仿；向此干燥的脂质膜加入高纯灭菌水配成所需浓度的溶液，搅拌，探头超声，最后用脂质体挤出器制备得到含阳离子脂质的转基因载体。

8.权利要求1或2所述阳离子脂质在制备转基因载体中的应用。