CN103554492B - 一种硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物如式（I）或式（II）所示。其制备方法为：在无水条件下，式（IV）或式（V）所示的聚乙烯亚胺与式（III）所示的化合物在有机溶剂中反应，得到如式（I）或式（II）所示硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物。所述硫脲结构的引入，使得所述聚乙烯亚胺共聚物，具有较低的电荷密度，从而降低了聚乙烯亚胺因高电荷密度所引起的细胞毒性，生物相容性好。同时，所述硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物作为基因载体使用时，能够与基因物质通过非电荷吸引的氢键相互作用，形成的纳米颗粒结构略微松弛，该纳米颗粒能够进入细胞后更有效地将基因物质释放至细胞质和细胞核内，提高转染效率。

Description

一种硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物及其方法

技术领域

本发明涉及高分子共聚物领域，特别涉及硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物及其制备方法。

背景技术

随着人类基因组计划的完成以及分子生物学的进步，人类从分子水平上治疗疾病逐渐成为可能。基因药物作为一种下一代药物的候选者，已经开始在肿瘤、组织工程及其他基因相关疾病的治疗中展现其前景。为了实现高效的基因治疗，需要使用高效低毒性的基因载体。目前应用较多的是病毒类基因载体（包括逆转录病毒、腺病毒、腺相关病毒、单纯疱疹病毒、痘苗病毒等），而病毒类载体在应用中存在很大的安全隐患，已造成了患者死亡及法国“气泡婴儿”事件等不良后果。与之相比，人工合成的阳离子聚合物型基因载体具有更高的安全性、无免疫源性、分子结构易于控制等优势，成为了该领域的一个热点。

在众多已经报道的聚阳离子载体中，聚乙烯亚胺（PEI）由于其分子结构中具有高的电荷密度而赋予了其强的DNA复合能力及独特的“质子海绵效应”，帮助其实现高效的基因传递而倍受关注[参见Boussif O,Zanta M.A,Behr J.P.et al.A Versatile Vectorfor Gene and Oligonucleotide Transfer into Cells in Culture and in Vivo–Polyethylenimine.PNAS,1995;92:7297-7301]。但是均聚物PEI的高电荷密度也制约了其进一步的临床应用，其高的电荷密度能导致极大的细胞毒性，同时导致其与基因物质通过静电吸引所形成的纳米颗粒过于紧密，在进入细胞以后不能有效地将基因物质传递至细胞质及细胞核中，限制了其达到更好的基因转染效率。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物及其制备方法，具有良好的生物相容性，其作为基因载体时具有较高的基因转染效率。

本发明提供了一种硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物，如式（I）或式（II）所示：

其中，R为直链或支链烷基、环烷基或芳香基；

i，j，k，m，n为聚合度，i/m+j/m+k/m=1,0＜i/m＜1，0＜j/m＜1，0≤k/m＜1；i/n+j/n=1,0＜i/n＜1，0＜j/n＜1；

所述硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的数均分子量为423～100000。

优选的，所述R为C1～C10的直链或支链烷基、C1～C10的环烷基或C1～C10的芳香基。

优选的，所述硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的数均分子量为2000～60000。

本发明提供了一种硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的制备方法，包括以下步骤：

在无水条件下，式（IV）或式（V）所示的聚乙烯亚胺与式（III）所示的化合物在有机溶剂中反应，得到如式（I）或式（II）所示硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物；

其中，R为直链或支链烷基、环烷基或芳香基；

i，j，k，m，n为聚合度，i/m+j/m+k/m=1,0＜i/m＜1，0＜j/m＜1，0≤k/m＜1；i/n+j/n=1,0＜i/n＜1，0＜j/n＜1；

a,b,c为聚合度，所述式（V）或式（IV）所示的聚乙烯亚胺的数均分子量为4000～100000。

优选的，所述式III或式IV所示的聚乙烯亚胺中的氨基与式II所示的化合物的摩尔比为100：（0.01～100）。

优选的，所述有机溶剂为二氯甲烷。

优选的，所述反应的时间为20～30小时。

本发明还提供了一种上述技术方案所述的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物或上述技术方案所述方法制备的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物作为基因载体的应用。

与现有技术相比，本发明的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物如式（I）或式（II）所示。所述硫脲结构的引入，使得所述聚乙烯亚胺共聚物，具有较低的电荷密度，从而降低了聚乙烯亚胺因高电荷密度所引起的细胞毒性，生物相容性好。同时，所述硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物作为基因载体使用时，能够与基因物质通过非电荷吸引的氢键相互作用，形成的纳米颗粒结构略微松弛，该纳米颗粒能够进入细胞后更有效地将基因物质释放至细胞质和细胞核内，提高转染效率。

附图说明

图1为本发明实施例6提供的甲基硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的核磁共振氢谱图；

图2为本发明实施例6提供的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的傅里叶变换红外光谱图；

图3本发明实施例6所提供的甲基硫脲改性的聚乙烯亚胺所介导的绿色荧光蛋白质粒表达的流式细胞仪测定图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物，如式（I）或式（II）所示：

其中，R为直链或支链烷基、环烷基或芳香基，优选为C1～C10的直链或支链烷基、C1～C10的环烷基或C1～C10的芳香基，更优选为甲基、正己基、环己基或苄基；

i，j，k，m，n为聚合度，i/m+j/m+k/m=1,0＜i/m＜1，0＜j/m＜1，0≤k/m＜1；i/n+j/n=1,0＜i/n＜1，0＜j/n＜1；

所述硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的数均分子量为423～100000，优选为2000～60000。

本发明还公开了一种硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的制备方法，包括以下步骤：

在无水条件下，式（V）或式（IV）所示的聚乙烯亚胺与式（III）所示的化合物在有机溶剂中反应，得到如式（I）或式（II）所示硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物；

其中，R为直链或支链烷基、环烷基或芳香基，优选为C1～C10的直链或支链烷基、C1～C10的环烷基或C1～C10的芳香基，更优选为甲基、正己基、环己基或苄基；

i，j，k，m，n为聚合度，i/m+j/m+k/m=1,0＜i/m＜1，0＜j/m＜1，0≤k/m＜1；i/n+j/n=1,0＜i/n＜1，0＜j/n＜1；

所述硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的数均分子量为423～100000，优选为2000～60000；

a,b,c为聚合度，所述式（V）或式（IV）所示的聚乙烯亚胺的数均分子量为4000～100000。

在本发明中，以聚乙烯亚胺及与式（III）所示的化合物为原料。其中式（IV）所示的为直链聚乙烯亚胺，式（V）所示的为支链聚乙烯亚胺；所述式（III）所示的化合物为异硫氰酸酯类的化合物。本发明对于上述原料的来源没有特殊限制，市售产品即可。

在无水条件下，式（IV）或式（V）所示的聚乙烯亚胺与式（III）所示的化合物在有机溶剂中反应，得到如式（I）或式（II）所示硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物。其中，式（IV）所示的聚乙烯亚胺与式（III）所示的化合物在有机溶剂中反应，得到如式（I）所示硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物；式（V）所示的聚乙烯亚胺与式（III）所示的化合物在有机溶剂中反应，得到如式（II）所示硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物。式（IV）或式（V）所示的聚乙烯亚胺中的氨基与式（III）所示的化合物的摩尔比优选为100：（0.01～100），更优选为100：（1～50）。所述式（III）所示的化合物优选与伯胺基发生反应，仲氨基次之。所述有机溶剂优选为二氯甲烷。本发明对于所述反应的温度没有特殊限制，室温即可。实施反应的时间优选为20～30小时，优选为22～24小时。所述反应结束后，优选经过纯化，本发明对于所述纯化的方法没有特殊限制，优选为去除溶剂后将产物用水重新溶解，透析并冷冻干燥。

本发明上述技术方案所述的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物或上述技术方案所述方法制备的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物可以作为基因载体应用。

本发明利用体内转染和体外转染的方法对所述硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物作为基因载体的转染效率进行检测，结果表明，转染率提高。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

以下各实施例中，所用原料均为从市场上购得或者按照常规及方法制得，各产物产率=实际得到的产物质量/理论得到的产物质量×100%。

实施例1～7

在无水条件下，分别称取1.0克不同分子量的支化或线性聚乙烯亚胺（PEI）于不同的干燥反应瓶中，分别加入30毫升二氯甲烷，搅拌至完全溶解;按照聚乙烯亚胺分子中的总氨基摩尔数的0.01%～100%称取异硫氰酸甲酯（如表1所示），分别溶解于20毫升二氯甲烷中，逐滴缓慢地将异硫氰酸甲酯的二氯甲烷溶液滴加到聚乙烯亚胺溶液中。25℃条件下反应24小时。反应完成后，旋转蒸发除去溶剂二氯甲烷。然后用水将产物重新溶解，用一次蒸馏水透析除去未反应的杂质，冷冻干燥得到甲基硫脲改性的聚乙烯亚胺纯品。

以氘代水为溶剂分别对上述甲基硫脲改性的聚乙烯亚胺进行核磁共振分析，结果参见图1，图1为本发明实施例6提供的甲基硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的核磁共振氢谱图，在图1中，化学位移2.91ppm的信号峰为甲基硫脲结构中甲基的信号峰，2.6～3.2ppm间的几处宽峰为聚乙烯亚胺的亚甲基的信号峰。

分别对上述甲基硫脲改性的聚乙烯亚胺进行傅里叶变换红外光谱分析，结果参见图2，图2为本发明实施例6提供的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的傅里叶变换红外光谱图，在图2中，波数为1354cm^-1出现的峰为硫羰基的伸缩振动吸收峰(ν_C=S)；波数为1539cm^-1出现的峰为N-C-N伸缩振动的吸收峰(ν_N-C-N)。

对所述甲基硫脲改性的聚乙烯亚胺进行核磁共振分析，并根据核磁共振谱图计算其数均分子量和平均硫脲摩尔改性比例，结果参见表1。

表1本发明实施例1～7所使用的聚乙烯亚胺类型、异硫氰酸甲酯的投料质量和提供的产物的数均分子量、甲基硫脲改性摩尔比例及产率

实施例8～14

在无水条件下，分别称取1.0克不同分子量的支化或线性聚乙烯亚胺于不同的干燥反应瓶中，分别加入30毫升二氯甲烷，搅拌至完全溶解;按照聚乙烯亚胺分子中的总氨基摩尔数的0.01%～100%称取异硫氰酸正己酯（如表2所示），分别溶解于20毫升二氯甲烷中，逐滴缓慢地将异硫氰酸正己酯的二氯甲烷溶液滴加到聚乙烯亚胺溶液中。25℃条件下反应24小时。反应完成后，旋转蒸发除去溶剂二氯甲烷。然后用水将产物重新溶解，用一次蒸馏水透析除去未反应的杂质，冷冻干燥得到正己基硫脲改性的聚乙烯亚胺纯品。

对所述正己基硫脲改性的聚乙烯亚胺进行核磁共振分析，并根据核磁共振谱图计算其数均分子量和平均硫脲摩尔改性比例，结果参见表2。

表2本发明实施例8～14所使用的聚乙烯亚胺类型、异硫氰酸正己酯的投料质量和提供的产物的数均分子量、正己基硫脲改性摩尔比例及产率

实施例15～21

在无水条件下，分别称取1.0克不同分子量的支化或线性聚乙烯亚胺于不同的干燥反应瓶中，分别加入30毫升二氯甲烷，搅拌至完全溶解;按照聚乙烯亚胺分子中的总氨基摩尔数的0.01%～100%称取异硫氰酸环己酯（如表2所示），分别溶解于20毫升二氯甲烷中，逐滴缓慢地将异硫氰酸环己酯的二氯甲烷溶液滴加到聚乙烯亚胺溶液中。25℃条件下反应24小时。反应完成后，旋转蒸发除去溶剂二氯甲烷。然后用水将产物重新溶解，用一次蒸馏水透析除去未反应的杂质，冷冻干燥得到环己基硫脲改性的聚乙烯亚胺纯品。

对所述环己基硫脲改性的聚乙烯亚胺进行核磁共振分析，并根据核磁共振谱图计算其数均分子量和平均硫脲摩尔改性比例，结果参见表3。

表3本发明实施例15～21所使用的聚乙烯亚胺类型、异硫氰酸环己酯的投料质量和提供的产物的数均分子量、正己基硫脲改性摩尔比例及产率

实施例22～28

在无水条件下，分别称取1.0克不同分子量的支化或线性聚乙烯亚胺于不同的干燥反应瓶中，分别加入30毫升二氯甲烷，搅拌至完全溶解;按照聚乙烯亚胺分子中的总氨基摩尔数的0.01%～100%称取异硫氰酸苄酯（如表2所示），分别溶解于20毫升二氯甲烷中，逐滴缓慢地将异硫氰酸苄酯的二氯甲烷溶液滴加到聚乙烯亚胺溶液中。25℃条件下反应24小时。反应完成后，旋转蒸发除去溶剂二氯甲烷。然后用水将产物重新溶解，用一次蒸馏水透析除去未反应的杂质，冷冻干燥得到苄基硫脲改性的聚乙烯亚胺纯品。

对所述苄基硫脲改性的聚乙烯亚胺进行核磁共振分析，并根据核磁共振谱图计算其数均分子量和平均硫脲摩尔改性比例，结果参见表4。

表4本发明实施例19～24所使用的聚乙烯亚胺类型、异硫氰酸苄酯的投料质量和提供的产物的数均分子量、苄基硫脲改性摩尔比例及产率

实施例29

(1)细胞的培养

细胞置于含体积分数为10%胎牛血清的培养液中，在37℃含体积分数为5%二氧化碳的孵箱中连续培养。

(2)体外转染

转染前24小时内，取对数生长期细胞，胰酶消化后用达尔伯克改良伊格尔（DMEM）培养基稀释，按每孔1×104细胞的密度接种于96孔培养板，置于37℃含体积分数为5%二氧化碳的孵箱中继续培养至汇合度达到80～90%。转染时，吸弃前一天加注的细胞培养板中的培养液，用磷酸盐缓冲液（PBS）洗涤两次后，基因组转染的复合物颗粒以及无血清或者含有体积分数为10%胎牛血清的DMEM培养基至终体积200μl，继续培养24小时。

上述基因组转染的复合物颗粒就是载体与基因的复合物，所述载体为实施例1～28中提供的硫脲改性得聚乙烯亚胺。复合时将载体与基因的水溶液加入水或者无血清培养基中，载体:DNA质量比为10：1。复合20分钟，然后加入到细胞培养板中。

(3)体外介导荧光素酶质粒转染效率的测定

取出培养板，吸去培养液，用PBS洗涤2次，加入细胞裂解液裂解，然后加入荧光素酶底物，用照度计测定转染效率。结果如表5所示

(4)体外介导绿色荧光蛋白质粒转染效率的测定

取出培养板，置于荧光显微镜下，用蓝色激发光激发绿色荧光蛋白，照相。将细胞收集，用胰酶消化以后用磷酸盐缓冲溶液（pH=7.4）清洗一遍后用磷酸盐缓冲液（pH=7.4）重悬浮，用流式细胞仪测定绿色荧光蛋白阳性细胞率。

图3为本发明实施例6所提供的甲基硫脲改性的聚乙烯亚胺所介导的绿色荧光蛋白质粒表达的流式细胞仪测定结果，在D区域内的细胞群体为绿色荧光蛋白阳性细胞，对于实施例1～28中提供的硫脲改性得聚乙烯亚胺介导绿色荧光蛋白质粒的转染效率的统计结果如表5。

实施例30：硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的细胞毒性测试

（1）HeLa细胞的培养

取HeLa细胞置于含体积分数为10%胎牛血清的培养液中，在37℃含体积分数为5%二氧化碳的孵箱中连续培养。

（2）毒性测试

实施例1～28所提供的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物对HeLa细胞的细胞毒性测试通过采用噻唑蓝（MTT）比色法评价。实验前24小时内，取对数生长期的HeLa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37℃含体积分数为5%二氧化碳的孵箱中继续培养至汇合度达到80～90%。将不同浓度的材料与细胞共同培养24小时后，每孔分别加入20μl含质量分数为0.5%MTT的PBS溶液。混合物在37℃继续作用4小时，加入200μl二甲基亚砜溶解MTT甲臢结晶10分钟。然后用酶标仪测试每孔的吸收，测试波长选用492nm。细胞存活率按下公式计算：

细胞存活率(%)=(A_sample/A_control)×100

A_sample是转染后的细胞样品孔的吸收，A_control是不与复合物溶液作用的细胞样品孔的吸收，每组实验重复三次，测试结果见表5。

表5硫脲改性的聚乙烯亚胺在体外介导绿色荧光蛋白基因表达的转染效率及在最佳转染条件下的细胞毒性

由表5结果可知，与商业转染试剂PEI25k在最佳转染比例下细胞存活率仅为60%相比，硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物在最佳转染比例条件下的细胞存活率均大于80%，细胞毒性得到了明显的改善。同时由硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物所介导的荧光素酶和绿色荧光蛋白表达的转染效率也较高，特别是对于分子量较大的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物，其最高的荧光素酶转染效率为商业转染试剂PEI25k的10倍以上。且硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物介导的绿色荧光蛋白表达率高达90%以上。

与商业转染试剂PEI1.8k和PEI423相比，硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物在最佳转染比例条件下的细胞存活率均大于80%，细胞毒性得到了明显的改善。同时由硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物所介导的荧光素酶和绿色荧光蛋白表达的转染效率也较高。

实施例31

在本发明提供的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物体外转染中作为小干扰RNA传递载体的应用中，其步骤和条件如下:

(1)用常规方法合成小干扰RNA；所述的小干扰RNA为沉默荧光素酶的Luc siRNA，其序列为5’-CUUACGCUGAGUACUUCGAdTdT-3’。对照物为Rev siRNA，其序列为5’-AGCUUCAUGAGUCGCAUUCdTdT-3’。

(2)细胞的培养

细胞置于含体积分数为10%胎牛血清的培养液中，在37℃含体积分数为5%二氧化碳的孵箱中连续培养。

(3)体外转染

转染前24小时内，取对数生长期细胞，胰酶消化后用达尔伯克改良伊格尔培养基稀释，按每孔1×10⁴细胞的密度接种于96孔培养板，置于37℃含体积分数为5%二氧化碳的孵箱中继续培养至汇合度达到80～90%。转染时，吸弃前一天加注的细胞培养板中的培养液，用磷酸盐缓冲液洗涤两次后，加入实施例1～28中提供的硫脲改性得聚乙烯亚胺/siRNA复合颗粒该处载体与siRNA的质量比例是15：1及含有体积分数为10%胎牛血清的达尔伯克改良伊格尔培养基至终体积200μl，继续培养24小时。

(4)体外转染效率的测定

取出培养板，吸去培养液，用磷酸盐缓冲液洗涤2次，加入细胞裂解液裂解，然后加入荧光素酶底物，用照度计测定转染效率。

表6硫脲改性的聚乙烯亚胺在体外介导小干扰RNA对荧光素酶的沉默效率

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的产品、方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物，如式(I)或式(II)所示：

其中，R为直链或支链烷基、环烷基或芳香基；

i，j，k，m，n为聚合度，i/m+j/m+k/m＝1,0＜i/m＜1，0＜j/m＜1，0≤k/m＜1；i/n+j/n＝1,0＜i/n＜1，0＜j/n＜1；

所述硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的数均分子量为423～100000。

2.根据权利要求1所述的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物，其特征在于，所述R为C₁～C₁₀的直链或支链烷基、C₁～C₁₀的环烷基或C₁～C₁₀的芳香基。

3.根据权利要求2所述的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物，其特征在于，所述硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的数均分子量为2000～60000。

4.一种硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物的制备方法，包括以下步骤：

在无水条件下，式(IV)或式(V)所示的聚乙烯亚胺与式(III)所示的化合物在有机溶剂中反应，得到如式(I)或式(II)所示硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物；

其中，R为直链或支链烷基、环烷基或芳香基；

i，j，k，m，n为聚合度，i/m+j/m+k/m＝1,0＜i/m＜1，0＜j/m＜1，0≤k/m＜1；i/n+j/n＝1,0＜i/n＜1，0＜j/n＜1；

a,b,c为聚合度，所述式(V)或式(IV)所示的聚乙烯亚胺的数均分子量为4000～100000。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述式(IV)或式(V)所示的聚乙烯亚胺中的氨基与式(III)所示的化合物的摩尔比为100：(0.01～100)。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为二氯甲烷。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述反应的时间为20～30小时。

8.一种权利要求1～2任一项所述的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物或权利要求4～7任一项所述方法制备的硫脲改性的聚乙烯亚胺共聚物作为基因载体的应用。