CN112851934B - 一种含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)及其制备方法和应用 - Google Patents

一种含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物医用材料领域，公开一种含N‑氧化三级胺基团的聚(β‑氨基酯)及其制备方法和应用，该聚(β‑氨基酯)具有如下结构式，分子量为1000～20000Da。其制备方法包括步骤(1)将N,N‑二烷基胺中氨基保护得到单体A；(2)将单体A氧化获得N‑氧化三级胺结构，再对氨基脱保护得到单体B；(3)将丙烯酰氯与3‑二甲氨基‑1,2‑丙二醇或3‑二乙氨基‑1,2‑丙二醇反应得到单体C；(4)将单体B和单体C聚合得到该聚(β‑氨基酯)；本发明成功设计含有N‑氧化三级胺基团的聚(β‑氨基酯)中，使其在体内运输过程中减少与蛋白的非特异性吸附，具有血液屏蔽性，增加体内循环时间，从而进一步提高基因的转染效率。
Figure DDA0002869789090000011

Description

一种含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及生物医用材料领域，具体涉及一种含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)及其制备方法和应用。
背景技术
阳离子聚合物与DNA或RNA之间的相互作用对于促进DNA或RNA的保护，纳米颗粒形成，细胞摄取和随后的DNA或RNA释放至关重要。DNA或RNA上的阴离子磷酸基团与阳离子聚合物上带正电荷的胺基结合，从而导致DNA或RNA的缩合和保护。由于暴露在血清下的基因的降解半衰期仅为数分钟(Journal of Controlled Release 1998,53,183)，并且两者形成的复合物在体内运输的过程中极易与血液中的蛋白发生作用致使基因载体无法和基因形成稳定的复合物。所以，对于阳离子聚合物的结构设计需要在与基因的结合的同时增加稳定性，并减少阳离子聚合物自身的细胞毒性。
聚乙二醇(PEG)可以用作抵抗非特异性蛋白质吸附的生物材料。尽管PEG在一定的分子量范围内是亲水的，但包含疏水性C-C主链和疏水性-O(CH3)端基使得PEG呈现两亲性。PEG的疏水性的副作用会在体内被放大，特别是当它与高度免疫原性的蛋白缀合时，会产生PEG特异性抗体(Angewandte Chemie International Edition.2018,57,13873–13876)。而两性离子材料，其包含相等数量的带相反电荷的离子的聚合物，已经成为一种新的用于防污目的的亲水性生物材料，它们可以通过静电诱导的水合作用牢固地锁住水分子。N-氧化三级胺基团结构是一种新型的两性离子结构，由季胺结构和氧负离子直接相连，具有优异的抗蛋白吸附性能(Science Advance.2019；5:eaaw9562)。
发明内容
本发明为了合成高效低毒且具有血液屏蔽性的基因转染载体，提供一种新型的聚(β-氨基酯)，将N-氧化三级胺基团引入到聚β氨基酯中，使得载体在体内运输过程中具有血液屏蔽性，增加体内循环时间，从而进一步提高基因的转染效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)，具有如下结构式：
Figure GDA0003534708690000021
其中，x＝2～6，R1和R2分别选自甲基或乙基，所述聚(β-氨基酯)分子量为1000～20000Da。
本发明还提供所述的含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)的制备方法，包括如下步骤：
(1)将N,N-二烷基胺中氨基进行保护，得到单体A；
(2)将单体A进行氧化，获得N-氧化三级胺结构，再对氨基进行脱保护，得到单体B；
(3)将丙烯酰氯与3-二甲氨基-1,2-丙二醇或3-二乙氨基-1,2-丙二醇反应，得到单体C；
(4)将单体B和单体C进行迈克尔加成聚合反应，得到所述含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)；
所述N,N-二烷基胺的结构式如下：
Figure GDA0003534708690000022
其中x＝2-6。
步骤(1)中制备的单体A结构式如下：
Figure GDA0003534708690000031
步骤(2)中单体A结构中的N被氧化后，再氨基脱保护得到的单体B的结构式如下：
Figure GDA0003534708690000032
步骤(3)中丙烯酰氯与3-二甲氨基-1,2-丙二醇或3-二乙氨基-1,2-丙二醇反应后得到的单体C的结构式如下：
Figure GDA0003534708690000033
步骤(4)中单体B和单体C进行迈克尔加成聚合反应，反应式如下：
Figure GDA0003534708690000034
其中，x，R1，R2均如上所定义。
本发明采用N-氧化三级胺基团这类两性离子用于聚β-氨基酯结构中，降低聚β-氨基酯的正电荷密度，增加载体的血液屏蔽性，增加体内循环时间，获得转染效率高且细胞毒性小的基因转染载体，使得其在非病毒基因载体方面具有潜在的临床应用价值。
优选地，所述N,N-二烷基胺为N,N-二甲基乙二胺、N,N-二乙基乙二胺；
步骤(1)中，氨基保护剂包括二碳酸二叔丁酯；氨基保护剂与N,N-二烷基胺的摩尔比为1.1～1.4:1；反应溶剂包括四氢呋喃、乙腈、二氯甲烷、氯仿中至少一种；反应温度为5～30℃，反应时间为6～24h。
优选地，氨基保护剂与N,N-二烷基胺的摩尔比为1.2:1，反应时间为12h。
步骤(2)中，单体A的氧化剂包括包括过氧化氢和/或间氯过氧苯甲酸，氧化剂与单体A的摩尔比为1～1.2:1；氧化反应的温度为5～30℃，时间为1～4h，溶剂包括水和/或N,N-二甲基甲酰胺；
氨基脱保护采用的脱保护剂包括三氟乙酸，脱保护剂与单体A摩尔比为1～5:1，脱保护过程反应温度为5～30℃，时间1～4h，溶剂包括二氯甲烷和/或四氢呋喃。
步骤(3)中，丙烯酰氯与3-二甲氨基-1,2-丙二醇或3-二乙氨基-1,2-丙二醇的摩尔比1～1.5:1，丙烯酰氯在-5～5℃条件下滴加，滴加结束后反应在5～30℃反应6～24h；；反应介质包括四氢呋喃、乙酸乙酯、二氯甲烷、氯仿中至少一种，缚酸剂为三乙胺、二甲氨基吡啶、咪唑其中的一种，优选地，溶剂为二氯甲烷，缚酸剂为三乙胺。
步骤(4)中，迈克尔加成聚合反应的温度为60～90℃；反应时间为6～24h，单体B与单体C的摩尔比为1～1.2:1。
本发明还提供一种包括所述的含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)和DNA或siRNA的复合物。
本发明还提供所述的复合物的制备方法，包括步骤：将所述含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)与DNA或siRNA溶解到10mM，pH值为7.4HEPES缓冲溶液中，涡旋5～30s，静置5～30min，即得复合物。
具体地，将DNA或siRNA溶解在10mmol/L，pH＝7.4HEPES缓冲溶液中，配制成100nmml/L溶液，将所述含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)溶解在二甲基亚砜中配制成100mg/mL母液，并加入到10mM，pH值为7.4HEPES缓冲溶液中稀释成1mg/mL浓度使用。根据不同的N/P比例将聚合物溶液与DNA或siRNA溶液进行等体积混合，涡旋5～30s，静置5～30min，即得复合物。
所述含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)与DNA或siRNA的N/P比值为1～40:1。
本发明还提供所述的复合物在制备基因治疗的药物或基因沉默试剂盒中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明成功设计含有N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)中，使其在体内运输过程中减少与蛋白的非特异性吸附，具有血液屏蔽性，增加体内循环时间，从而进一步提高基因的转染效率。
附图说明
图1为实施例1～4中制备的N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)PBAE-NO1～4的核磁谱图。
图2为实施例1～4中制备得到的N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)PBAE-NO1～4与商业化转染试剂Lipofectamine 2000细胞毒性的对比结果。
图3为实施例1中制备得到的N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)PBAE-NO1与DNA形成复合物的粒径。
图4为实施例1中制备得到的N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)PBAE-NO1与DNA形成的复合物的电势。
图5为实施例1～4中制备得到的N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)PBAE-NO1～4和商业化转染试剂Lipofectamine 2000与siGFP形成的复合物转染和HeLa-GFP细胞的转染结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。
实施例中化学品均来自市售商品化化学试剂，siRNA源自生物试剂公司定制，siGFP序列为：5’-CAA GCU GAC CCU GAA GUU CTT-3’；5’-GAA CUU CAG GGU CAG CUU GTT-3’。DNA为实验室自制，菌种为大肠杆菌DH5α，采用质粒提取试剂盒进行质粒提取，采用十二烷基苯磺酸钠和柱层析进行纯化，通过Nanodrop进行DNA浓度检测。
实施例1
(1)将1.05eq二碳酸二叔丁酯(2.6g,11.9mmol)加入到5mL二氯甲烷中，在冰浴条件下滴加入N,N-二甲基乙二胺(1.24mL,11.3mmol)的二氯甲烷(20mL)溶液中，反应12h后，用50mL水和饱和50mL食盐水对有机相进行洗涤，分液，然后采用无水硫酸镁除去有机相中残留的水，旋蒸，干燥，得到单体A1。
(2)然后将2g单体A1在2mL含30％的过氧化氢水溶液中搅拌，反应4h后加入1g亚硫酸钠，除去未反应的过氧化氢，生成N-氧化的三级胺结构。然后将化合物加入到4mL二氯甲烷和1mL三氟乙酸混合溶液中进行叔丁氧羰基脱保护，反应4h后旋蒸除去溶剂，合成出单体B1。
(3)将2g(14.8mmol)3-二甲氨基-1,2-丙二醇、三乙胺(35.52mmol,5mL)溶解在20mL二氯甲烷中，丙烯酰氯(35.52mmol,2.88mL)溶解在10mL二氯甲烷中后在冰浴条件下滴加，室温搅拌，反应结束后除去三乙胺盐，用100mL水洗涤有机相，旋蒸除去溶剂，合成单体C1。
(4)将单体B1(5mmol,0.52g)和C1(5.5mmol,1.25g)进行迈克尔加成聚合，B1和C1单体摩尔比为1:1.1，在90℃下反应24h，反应结束后用乙醚沉淀，提纯后得到产物PNAE-NO1。
实施例2
按照实施例1的制备工艺，将步骤(1)中N,N-二甲基乙二胺别替换为N,N-二乙基乙二胺，合成单体A2。相应地，步骤(2)中的单体为B2，采用B2和C1进行迈克尔加成聚合，其余步骤不变，得到N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)PBAE-NO2。
实施例3
按照实施例1的制备工艺，将步骤(3)中3-二甲氨基-1,2-丙二醇替换为3-二乙氨基-1,2-丙二醇，合成单体C2，采用B1和C2进行迈克尔加成聚合，其余步骤不变，得到N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)PBAE-NO3。
实施例4
按照实施例1的制备工艺，采用B2和C2进行迈克尔加成聚合，其余步骤不变，得到N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)PBAE-NO4。
对比例1
以商业化转染试剂Lipofectamine 2000作为对比例。
核磁表征
将实施例1～4制备的聚合物PBAE-NO1～4进行核磁氢谱表征，结果如图1所示，氘代试剂为DMSO-d6，主结构3.9-4.1(s,COOCH2),3.4(s,CHO),2.6-2.8(s,COOCH2CH2N),2.5-2.6(s,N(CH2CH3)2),2.2-2.4(1H,CH2CH),1.7-2.1(m,CH2CH),0.8-1.1(s,N(CH2CH3)2)。
细胞毒性实验
将PBAE-NO1～4通过四唑盐(MTT)比色法测定其细胞毒性，商业化产品Lipofectamine 2000作为阳性对照。Hela细胞培养在含10％FBS的DMEM培养液(含100U/mL青霉素和100μg/mL链霉素)中，并放置于37℃，5％CO2的孵箱中。取对数生长期的细胞，以每孔5×103个细胞接种于96孔板，每孔体积为180μL。将培养板移入孵箱中孵育过夜。每孔加入不同剂量的PBAE或对照组20μL，培养48h。每孔加入20μL(5mg/mL)MTT溶液，孵育4小时。小心吸弃孔内培养上清液，每孔加入100μL二甲亚砜，室温温育30分钟。振荡后通过酶标仪测定各孔在562nm和620nm的光吸收值，计算各个组别的细胞毒性。
结果如图2结果表明，PBAE-NO1～4在使用上限浓度10μg/mL浓度以下均比商业化试剂的细胞毒性小，且细胞活性在80％以上，说明PBAE-NO1～4的细胞毒性较小。
实施例5
DNA或siRNA与PBAE-NO复合物的制备
将实施例1制备的N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)PBAE-NO1溶解于二甲基亚砜中配制成100mg/mL的母液，将DNA或siRNA溶于HEPES缓冲溶液(pH＝7.4,10mM)中，按照不同N/P比例制备聚合物溶液，并其与DNA或siRNA溶液(100nmol/L)等体积混合，立即涡旋振荡10s后室温静置30min，通过粒径分析仪Zetasizer进行粒径和电位测试。
粒径测试结果如图3所示，粒径分析结果表明，随着PBAE-NO1/DNA的N/P增加，复合的粒径越小；电位测试如图4所示，显示复合物的电势在N/P＝5以后呈现正电势。
实施例6凝胶阻滞实验
制备含溴化乙锭终浓度为0.5mg/mL的1％琼脂糖凝胶，置于电泳槽中并倒入电泳缓冲液直至没过上样孔。取上述制备好的不同N/P的PBAE-NO1/DNA纳米复合物20μL，加入4μL 6×上样溶液，混合均匀后加入至点样孔，设置电泳电压100V，电流80mA，电泳时间为30min，采用纯质粒DNA为对照组。电泳结束后取出凝胶，置于紫外凝胶成像仪进行成像并拍摄。在N/P＝20以后凝胶上的条带清晰度减弱，说明PBAE-NO1/DNA在该条件下包载DNA能力较好，所以应用例采用复合物N/P＝20的比例。
应用例1
复合物体外细胞转染—绿色荧光蛋白基因转染
将HeLa-GFP细胞分别培养于24孔扳中，细胞密度为8×104个/孔，毎孔1mL培养基，并将细胞置于孵箱中培养24h。将每孔中培养基替换为无血清培养基，并加入制备好PBAE-NO1～4/siRNA的复合物(siRNA为siGFP)溶液，培养4h。然后弃去培养基，替换为含血清的培养基继续培养至48h。弃去培养基，用胰酶将细胞消化收集到离心管中，PBS溶液清洗两次，最后将细胞悬浮于0.5mL PBS溶液中，采用流式细胞仪检测。绿色荧光蛋白的激发波长为488nm。实验中，阳性对照为Lipofectamine 2000/siGFP复合物，Control组对照为不经任何处理的细胞，默认相对GFP的荧光强度值为100％。结果如图5所示，可见PBAE-NO1～4与商业化试剂相比，PBAE-NO1～3的转染能力略优于Lipofectamine 2000，具有潜在的应用前景。

Claims (10)

1.一种含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)，其特征在于，具有如下结构式：
Figure FDA0003534708680000011
其中，x＝2～6，R1和R2分别选自甲基或乙基，所述聚(β-氨基酯)分子量为1000～20000Da。
2.根据权利要求1所述的含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将N,N-二烷基胺中氨基进行保护，得到单体A；
(2)将单体A进行氧化，获得N-氧化三级胺结构，再对氨基进行脱保护，得到单体B；
(3)将丙烯酰氯与3-二甲氨基-1,2-丙二醇或3-二乙氨基-1,2-丙二醇在缚酸剂的作用下反应，得到单体C；
(4)将单体B和单体C进行迈克尔加成聚合反应，得到所述含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)；
所述N,N-二烷基胺的结构式如下：
Figure FDA0003534708680000012
其中x＝2～6，R1选自甲基或乙基。
3.根据权利要求2所述的含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，氨基保护剂包括二碳酸二叔丁酯；氨基保护剂与N,N-二烷基胺的摩尔比为1.1～1.4:1；反应溶剂包括四氢呋喃、乙腈、二氯甲烷、氯仿中至少一种；反应温度为5～30℃，反应时间为6～24h。
4.根据权利要求2所述的含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，单体A的氧化剂包括过氧化氢和/或间氯过氧苯甲酸，氧化剂与单体A的摩尔比为1～1.2:1；氧化反应的温度为5～30℃，时间为1～4h，溶剂包括水和/或N,N-二甲基甲酰胺；
氨基脱保护采用的脱保护剂包括三氟乙酸，脱保护剂与单体A摩尔比为1～5:1，脱保护过程反应温度为5～30℃，时间1～4h，溶剂包括二氯甲烷和/或四氢呋喃。
5.根据权利要求2所述的含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，丙烯酰氯与3-二甲氨基-1,2-丙二醇或3-二乙氨基-1,2-丙二醇的摩尔比1～1.5:1，丙烯酰氯在-5～5℃条件下滴加，滴加结束后反应在5～30℃反应6～24h；反应介质包括四氢呋喃、乙酸乙酯、二氯甲烷、氯仿中至少一种。
6.根据权利要求2所述的含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，迈克尔加成聚合反应温度为60～90℃；反应时间为6～24h，单体B与单体C的摩尔比为1～1.2:1。
7.一种包括权利要求1所述的含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)和DNA或siRNA的复合物。
8.根据权利要求7所述的复合物的制备方法，其特征在于，包括步骤：将所述含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)与DNA或siRNA溶解到10mM，pH值为7.4HEPES缓冲溶液中，涡旋5～30s，静置5～30min，即得复合物。
9.根据权利要求8所述的复合物的制备方法，其特征在于，所述含N-氧化三级胺基团的聚(β-氨基酯)与DNA或siRNA的N/P比值为1～40:1。
10.根据权利要求7所述的复合物在制备基因治疗的药物或基因沉默试剂盒中的应用。
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