CN102961759B - 一种包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法 - Google Patents

一种包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法,包括:包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子的制备;包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体与质粒复合物的制备;复合物的靶向宫颈癌细胞转染及表达。本发明制备的载体用于基因转染具有转染条件温和,易于操作,转染效率高,特异性好等优点,在癌症治疗等方面具有很好的应用前景。

Description

一种包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法
技术领域
本发明属高分子纳米载体靶向基因转染领域,特别涉及一种包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法。
背景技术
目前,基因治疗作为应对各种遗传病和癌症的重要手段,正受到广泛关注。通常情况下,基因治疗载体可分为病毒载体和非病毒载体。病毒载体因具有较高的转染效率而比较常用,但是其本身存在免疫原性、高毒性及不能大规模生产等缺点。非病毒载体,尤其是聚酰胺胺树状大分子(PAMAM),由于其毒性相对较低、效率高、可以大规模生产等优点而后来居上,受到越来越多的关注。在特定部位的疾病治疗中,许多基因载体由于无法靶向到病灶部位,常常导致病人正常组织和器官受损,甚至威胁患者的生命。据报道,PAMAM树状大分子经修饰后不仅可以提高转染效率还可以提高其转染特异性。[SantosJL.,PanditaD,RodriguesJ,etal.,Receptor-mediatedgenedeliveryusingPAMAMdendrimersconjugatedwithpeptidesrecognizedbymesenchymalstemcells.MolPharmaceutics,2010,7,763-774.]。近年来,发展一种具有靶向功能的纳米载体,实现治疗基因的靶向运输,提高治疗的特异性,已成为必然的研究趋势。
某些癌细胞,如人口腔表皮样癌细胞(KB细胞)和人宫颈癌细胞(Hela细胞)的细胞膜表面具有高度表达的叶酸受体(folatereceptor),能够专一性识别叶酸并与之结合。聚酰胺胺(PAMAM)树状大分子是一种高度支化的大分子,它具有良好的单分散性和水溶性,在使用剂量下没有细胞毒性和免疫原性。PAMAM树状大分子表面有大量可控功能基团,可以通过化学反应连接或物理吸附一些靶向基团或药物分子等。叶酸(FA)是一种含有谷氨酸残基的小分子,能够修饰在纳米载体或高分子材料的表面以提高其对具有叶酸受体高表达的癌细胞的靶向能力。因此,将叶酸修饰在PAMAM树状大分子表面,有望制备一种具有叶酸靶向功能的基因载体,实现治疗基因的负载与靶向输送。
检索国内外相关文献和专利结果表明:以叶酸修饰的包裹纳米金颗粒的聚酰胺胺树状大分子为载体,用于靶向基因转染的方法,尚未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法,该方法具有转染条件温和,易于操作,转染效率高,特异性好等优点,在癌症的基因治疗等方面具有很好的发展前景。
本发明的包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法,包括:
(1)称取叶酸(FA),溶于二甲基亚砜(DMSO)中;称取1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)溶于DMSO中,将EDC溶液加到FA溶液中,搅拌反应4-5h;得到活化的FA溶液;FA与DMSO的配比为4.22mg:3mL、EDC与DMSO的配比为18.33mg:2ml;
称取第5代末端基团为氨基的聚酰胺胺树状大分子G5.NH2,溶于DMSO中,配制成浓度为10.0mg/mL的G5.NH2溶液;按照FA与G5.NH2摩尔比为5:1,将活化的FA溶液加入G5.NH2溶液中,室温下磁力搅拌,反应2-4d;
在上述溶液中加入HAuCl4水溶液,混合搅拌20-40min,然后加入NaBH4溶液还原金酸盐,反应2-4h;HAuCl4与G5.NH2摩尔比控制在25:1,HAuCl4溶液与NaBH4溶液的体积比为420:453;
反应结束后,将反应产物在蒸馏水中透析2-3天;然后进行冷冻干燥处理,得到包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子AuDENPs-FA反应产物;
(2)按照相应的N/P比,取AuDENPs-FA溶液用无菌水稀释,并用无菌水将相应质量的质粒稀释,然后混合均匀,37℃孵育30-60min,得到不同N/P比的AuDENPs-FA/pDNA复合物;
(3)Hela细胞于37℃、5%CO2培养24h,更换培养基,加入含AuDENPs-FA终浓度分别为0nM、50nM、100nM、500nM、1000nM、2000nM和3000nM的细胞培养液,37℃、5%CO2培养24h,加入MTT溶液,继续培养4h,去除培养基,加入DMSO,摇床振荡30min;测试吸光值,MTT与细胞数目的比例为100μg:10000个细胞,DMSO与细胞数目的比例为200μL:10000个细胞;
(4)将Hela细胞于37℃、5%CO2培养24h,更换无血清的DMEM培养基,加入AuDENPs-FA/pDNA复合物溶液,摇匀,37℃培养4h后更换含10%FBS的DMEM培养基,继续培养24-48h。
所述步骤(1)中的HAuCl4水溶液浓度为30mg/mL。
所述步骤(1)中的NaBH4溶液的浓度为10mg/mL,溶剂中H2O与CH3OH的体积比为2:1。
所述步骤(1)中的透析所用透析袋截留分子量为14000;用去离子水透析两天,每天3次,每次2L去离子水。
所述步骤(2)中的质粒为带有荧光素酶基因的质粒或带有增强的绿色荧光蛋白EGFP基因的质粒。
所述步骤(2)中的N/P比为树状大分子的伯氨基与pDNA骨架上磷酸基团摩尔比,数值范围为1:1-5。
所述步骤(3)中的MTT浓度为5.0mg/ml。
所述步骤(3)中的吸光值测试参数为:测试波长570nm,参比波长630nm。
所述步骤(4)中转染后表达时间为24-48h。
本发明以包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子为靶向基因转染载体,以宫颈癌细胞Hela细胞作为靶细胞,进行基因转染。本发明通过核磁共振(NMR)对修饰在树状大分子表面的叶酸数量进行了表征。凝胶阻滞实验、水动力学粒径以及表面电势对基因转染载体与pDNA形成复合物的能力进行表征。细胞毒性试验由MTT法验征。此外,用带有荧光素酶基因的质粒(Luc)和带绿色荧光蛋白基因的质粒(EGFP)对基因转染载体的靶向基因转染能力进行测定。和对照的未经叶酸修饰的包裹纳米金颗粒的聚酰胺胺树状大分子AuDENPs载体的转染效果相比,本发明制备的基因载体能够显著地提高对宫颈癌细胞的转染能力,因此本发明制备的具有叶酸靶向功能包裹纳米金的聚酰胺胺树状大分子能够作为基因载体用于癌细胞的靶向基因输送。
核磁共振(NMR)、透射电镜图(TEM)、凝胶阻滞实验、水动力学粒径与表面电势、细胞毒性试验、荧光素酶基因与绿色荧光蛋白基因转染实验结果分别如下:
(1)1HNMR测试结果
1HNMR图谱用于表征叶酸对树状大分子表面的修饰。参见说明书附图1:在化学位移分别为6.5、7.5和8.5ppm处有三个小的质子峰,它们是FA分子结构中特征基团的质子峰。根据积分面积可以求出每个AuDENP表面连接了4.6个FA分子。
(2)TEM结果
TEM图用于表征AuDENPs-FA的形貌和直径大小。参见说明书附图2:制备的AuDNEPs-FA形状接近球形,单分散性好,平均直径只有2.0nm。
(3)凝胶阻滞实验测试结果
凝胶阻滞实验结果表明,AuDENPs和AuDENPs-FA均具有很好的DNA复合能力。参见说明书附图3。结果表明:AuDENPs和AuDENPs-FA均可以在较低N/P(N/P=0.5)下与DNA很好复合,将DNA完全阻滞。
(4)水动力学粒径与表面电势测试结果
测试结果如说明书附图4所示。结果表明,AuDENPs/pDNA复合物和AuDENPs-FA/pDNA复合物的大小在合适转染的尺寸范围内。修饰了叶酸的AuDENPs-FA/pDNA复合物的粒径较AuDENPs/pDNA的粒径小,而他们的复合物电势则相差不大,都在适合转染的电势范围内。
(5)细胞毒性试验结果
测试结果如说明书附图5所示。MTT试验结果表明,修饰了叶酸的AuDENPs-FA比AuDENPs的毒性有所降低,尤其是在较高的浓度下,3000nM时,经AuDENPs处理过有低于50%的细胞存活,而经AuDENPs-FA处理过的细胞活力超过50%。这表明在合适的浓度范围内,材料毒性不影响细胞的生长,为转染提供有利条件。
(6)荧光素酶基因转染试验
以带有荧光素酶基因的质粒并以具有叶酸受体高表达的人宫颈癌细胞Hela细胞为模型细胞来检验两种材料AuDENPs与AuDENPs-FA对癌细胞的转染效果。参见说明书附图6。测试结果显示:两种材料的转染效率均与N/P有关,且在相同N/P下,AuDENPs-FA的转染效率明显高于AuDENPs的转染效率。在N/P=2.5时,AuDENPs-FA的转染效率最高。表明AuDENPs-FA对Hela细胞具有更好的靶向转染效果。
(7)增强的绿色荧光蛋白(EGFP)基因转染试验
以带有增强的绿色荧光蛋白基因的质粒并以具有叶酸受体高表达的人宫颈癌细胞Hela细胞为模型细胞来检验两种材料AuDENPs与AuDENPs-FA对癌细胞的转染效果。参见说明书附图7。对于Hela细胞,AuDENPs-FA可以更好地将EGFP质粒转染进入细胞,细胞具有较强的绿色荧光信号表达;而未修饰叶酸的材料AuDENPs对EGFP质粒转染的效率较低,细胞的绿色荧光信号相对较弱。这一结果证明:叶酸修饰的AuDENPs-FA对癌细胞具有特异性的靶向效果。
(8)自由叶酸阻断实验
以带有荧光素酶基因的质粒并以在添加叶酸的培养基生长的人宫颈癌细胞Hela细胞为模型来检测两种材料AuDENPs与AuDENPs-FA对叶酸受体被屏蔽后的癌细胞的转染效果。参见说明书附图8。对于在添加自由叶酸的培养基中培养24h的Hela细胞,AuDENPs与AuDENPs-FA的转染效率相似。这一结果证明:在癌细胞上的叶酸受体被屏蔽后,AuDENPs-FA不能体现对癌细胞的特异性靶向效果。
有益效果
(1)本发明制备的包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子对宫颈癌细胞具有靶向作用,可用于基因分子的靶向输送;
(2)本发明具有转染条件温和,易于操作,转染效率高、特异性好等优点,在癌症治疗等方面具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明制备的AuDENPs-FA的核磁共振氢谱图;
图2为本发明制备的AuDENPs-FA的透射电镜图(a)和粒径分布直方图(b);
图3为本发明制备的AuDENPs/pDNA复合物(a)和AuDENPs-FA/pDNA复合物(b)的凝胶阻滞实验电泳图谱;
图4为本发明制备的AuDENPs-FA与pDNA形成复合物的粒径(a)和电势(b)图;AuDENPs/pDNA复合物为对照组;
图5为AuDENPs与AuDENPs-FA两种材料对Hela细胞毒性比较图;
图6为AuDENPs与AuDENPs-FA两种材料在不同N/P下对Hela细胞的荧光素酶基因转染效率比较图;
图7为AuDENPs与AuDENPs-FA两种材料对Hela细胞的绿色荧光蛋白基因转染的明场照片(a)、荧光照片(b)及叠加照片(c);
图8为AuDENPs与AuDENPs-FA两种材料在不同N/P下对叶酸受体被屏蔽的Hela细胞的荧光素酶基因转染效率比较图。
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。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
称取叶酸(FA)4.22mg,溶于3mLDMSO。称取18.33mgEDC溶于2mlDMSO中,将EDC溶液加到FA溶液中,搅拌反应3h。称取第五代聚酰胺胺树状大分子(G5.NH2)40mg,溶于4mLDMSO中,配制成浓度为10.0mg/mL的溶液。按照FA/G5.NH2摩尔比为5/1,将(1)中活化好的叶酸溶液加入G5.NH2溶液中,室温下磁力搅拌,反应3d。在以上溶液中加入0.42mLHAuCl4水溶液(20mg/mL)混合搅拌半小时,然后加0.453mL的10mg/mL的NaBH4溶液(H2O:CH3OH(体积比)=2:1),反应2h。反应结束后,将反应产物转移至截留分子量为14000的透析袋中,在蒸馏水中透析两天(2L×6,一天3次)。然后进行冷冻干燥处理,得到AuDENPs-FA反应产物。NMR表征结果如附图说明书1所示,在化学位移分别为6.5、7.5和8.5ppm处有三个小的质子峰,它们是FA分子结构中特征基团的质子峰,根据积分面积求出每个AuDENP表面连接了4.6个FA分子。TEM结果如附图说明书2所示,AuDENPs-FA的形状接近球形并且单分散性较好,平均直径在2.0nm。
实施例2
根据实施例1的方法制备的AuDENPs-FA以及对比例1制备的AuDENPs与pDNA形成复合物,并进行凝胶阻滞实验。配制8孔含有溴化乙锭(0.1μg/mL)的琼脂糖凝胶(1.0%w/v),室温放置待琼脂糖凝胶凝固。以1μgpDNA为例,分别按照不同N/P(0.125,0.25,0.5,1,2,5)配制载体/pDNA复合物,并以裸pDNA为对照。然后将对应的载体/pDNA复合物分别加到琼脂糖凝胶的孔中,电压80V,时间30min。使用凝胶成像仪对DNA在凝胶中的迁移进行分析。结果如附图说明书3所示。结果表明,AuDENPs-FA和AuDENPs均可以在较低N/P(N/P=0.5)下与DNA很好复合,将DNA阻滞。
实施例3
根据实施例1的方法制备的AuDENPs-FA以及对比例1制备的AuDENPs与5μgDNA(N/P=1,2.5,5)复合后,分别用去离子水调节体积为1mL。采用马尔文激光粒度仪(Malvern,ΜK,633nm激光)对其粒径和表面电势进行了表征,结果如附图说明书4所示。结果表明,随着N/P的增加,所有复合物的尺寸均先减少而后稍有增大。相同N/P下,AuDENPs-FA/pDNA复合物尺寸较AuDENPs/pDNA复合物的尺寸相差不大。另外随着N/P的增加,AuDENPs-FA/pDNA复合物与AuDENPs/pDNA复合物的表面电势均有所增加。
实施例4
以具有叶酸受体高表达的人宫颈癌细胞Hela细胞为模型细胞来检验实施例1制备材料AuDENPs-FA与对比例1制备材料AuDENPs的细胞毒性。将模型细胞培养于含有10%FBS的DMEM培养液中,分别加入浓度为0nM、50nM、100nM、500nM、1000nM、2000nM和3000nM的含AuDENPs或AuDENPs-FA的细胞培养基与细胞共培养24h,随后加入20μLMTT(5.0mg/ml)溶液,继续培养4h。去除孔中的培养液,每孔加入200μLDMSO,摇床振荡30min,用多功能酶标仪测试吸光值,测试波长570nm,参比波长630nm。结果如附图说明书5所示。结果表明,随着材料浓度的增加,细胞存活率下降,但在高浓度下,经AuDENPs-FA处理的细胞存活率要高于AuDENPs处理的细胞存活率。
实施例5
以带有荧光素酶基因的质粒并以具有叶酸受体高表达的人宫颈癌细胞Hela细胞为模型细胞来检验实施例1制备材料AuDENPs-FA与对比例1制备材料AuDENPs作为载体对癌细胞的靶向基因转染效果。将模型细胞培养于不含FBS的培养液中,加入一定浓度的AuDENPs/pDNA与AuDENPs-FA/pDNA复合物与细胞共培养4h,随后更换含10%FBS的新鲜DMEM培养基,继续培养24h。将细胞裂解测定荧光素酶活性,结果见附图说明书6。测试结果显示:两种材料的转染效率均与N/P有关,且在相同N/P下,AuDENPs-FA的转染效率明显高于AuDENPs的转染效率。在N/P=2.5时,AuDENPs-FA的转染效率最高。表明AuDENPs-FA具有明显的靶向基因转染效果。
实施例6
以带有增强的绿色荧光蛋白(EGFP)基因的质粒并以具有叶酸受体高表达的人宫颈癌细胞Hela细胞为模型细胞来检验实施例1制备材料AuDENPs-FA与对比例1制备材料AuDENPs作为载体对癌细胞的靶向基因转染效果。将模型细胞培养于不含FBS的培养液中,加入一定浓度的AuDENPs/pDNA与AuDENPs-FA/pDNA复合物与细胞共培养4h,随后更换含10%FBS的新鲜DMEM培养基,继续培养24h。用激光共聚焦显微镜观察,结果见附图说明书7。对于Hela细胞,AuDENPs-FA可以更好地将EGFP质粒转染进入细胞,细胞具有较强的绿色荧光信号表达;而未修饰叶酸的材料AuDENPs对EGFP质粒转染的效率较低,细胞的绿色荧光信号较弱。这一结果证明:叶酸修饰的AuDENPs-FA对癌细胞具有特异性的靶向效果。
对比例1
称取第五代聚酰胺胺树状大分子(G5.NH2)40mg,溶于4mLDMSO中,配制成浓度为10.0mg/mL的溶液,加入0.42mLHAuCl4水溶液(20mg/mL)混合搅拌半小时,然后加0.453mL的10mg/mL的NaBH4溶液(H2O:CH3OH(体积比)=2:1),反应2h。反应结束后,将反应产物转移至截留分子量为14000的透析袋中,用去离子水透析两天,每天3次,每次2L去离子水。然后进行冷冻干燥处理,得到AuDENPs反应产物。实验制备的AuDENPs都呈球形,尺寸较小且分散性较好,AuDENPs的平均尺寸为1.9nm。
对比例2
带有荧光素酶基因的质粒并以具有叶酸受体被屏蔽的人宫颈癌细胞Hela细胞为模型细胞来检验实施例1制备材料AuDENPs-FA与对比例1制备材料AuDENPs作为载体对癌4胞的靶向基因转染效果。将模型细胞培养于含有自由叶酸(5μM)的培养基中24h,更换不含FBS和自由叶酸的培养液中,加入一定浓度的AuDENPs/DNA与AuDENPs-FA/DNA复合物与细胞共培养4小时,随后更换含10%FBS的新鲜DMEM培养基,继续培养24小时。将细胞裂解测定荧光素酶活性,结果见附图说明书8。测试结果显示:两种材料的转染效率相当,没有明显差别。这一结果证明:在癌细胞上的叶酸受体被屏蔽后,AuDENPs-FA不能体现对癌细胞的特异性靶向效果。

Claims (6)

1.一种包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法,包括:
(1)称取叶酸(FA),溶于二甲基亚砜(DMSO)中;称取1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)溶于DMSO中,将EDC溶液加到FA溶液中,搅拌反应4-5h;得到活化的FA溶液;FA与DMSO的配比为4.22mg:3mL,EDC与DMSO的配比为18.33mg:2ml;
称取第5代末端基团为氨基的聚酰胺胺树状大分子G5.NH2,溶于DMSO中,配制成浓度为10.0mg/mL的G5.NH2溶液;按照FA与G5.NH2摩尔比为5:1,将活化的FA溶液加入G5.NH2溶液中,室温下磁力搅拌,反应2-4d;
在上述溶液中加入HAuCl4水溶液,混合搅拌20-40min,然后加入NaBH4溶液还原金酸盐,反应2-4h;HAuCl4与G5.NH2摩尔比控制在25:1,HAuCl4溶液与NaBH4溶液的体积比为420:453;其中HAuCl4水溶液浓度为30mg/mL;NaBH4溶液的浓度为10mg/mL,溶剂中H2O与CH3OH的体积比为2:1;
反应结束后,将反应产物在蒸馏水中透析2-3天;然后进行冷冻干燥处理,得到包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子AuDENPs-FA反应产物;
(2)按照N/P比2.5,取AuDENPs-FA溶液用无菌水稀释,并用无菌水将相应质量的质粒稀释,然后混合均匀,37℃孵育30-60min,得到AuDENPs-FA/pDNA复合物;其中N/P比为树状大分子的伯氨基与pDNA骨架上磷酸基团摩尔比;
(3)Hela细胞于37℃、5%CO2培养24h,更换培养基,加入含AuDENPs-FA终浓度分别为0nM、50nM、100nM、500nM、1000nM、2000nM和3000nM的细胞培养液,37℃、5%CO2培养24h,加入MTT溶液,继续培养4h,去除培养基,加入DMSO,摇床振荡30min;测试吸光值,MTT与细胞数目的比例为100μg:10000个细胞,DMSO与细胞数目的比例为200μL:10000个细胞;
(4)将Hela细胞于37℃、5%CO2培养24h,更换无血清的DMEM培养基,加入AuDENPs-FA/pDNA复合物溶液,摇匀,37℃培养4h后更换含10%FBS的DMEM培养基,继续培养24-48h。
2.根据权利要求1所述的一种包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法,其特征在于:所述步骤(1)中的透析所用透析袋截留分子量为14000;用去离子水透析两天,每天3次,每次2L去离子水。
3.根据权利要求1所述的一种包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法,其特征在于:所述步骤(2)中的质粒为带有荧光素酶基因的质粒或带有增强的绿色荧光蛋白EGFP基因的质粒。
4.根据权利要求1所述的一种包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法,其特征在于:所述步骤(3)中的MTT浓度为5.0mg/ml。
5.根据权利要求1所述的一种包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法,其特征在于:所述步骤(3)中的吸光值测试参数为:测试波长570nm,参比波长630nm。
6.根据权利要求1所述的一种包裹纳米金颗粒的叶酸功能化聚酰胺胺树状大分子载体的靶向基因转染方法,其特征在于:所述步骤(4)中转染后表达时间为24-48h。
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