CN1313873A - 作为可溶性,生物可降解基因送递载体的聚－l－赖氨酸的聚酯类似物 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了作为适合于将基因送递到细胞中的聚[α－(4－氨丁基)－L－乙醇酸](PAGA)。还公开了制造和使用PAGA的方法。

Description

作为可溶性、生物可降解基因送递载体的聚-L-赖氨酸的聚酯类似物
                   发明的背景
本发明涉及基因治疗和药物送递。更具体地说，本发明涉及送递基因治疗应用的核酸或其它非可溶性生物活性分子如蛋白质、肽或小分子非可溶性药物的组合物及其使用和制造方法。
生物可降解聚合物作为药物送递系统在不断受到人们的注意(R.Langer,New Methods of Drug delivery,249 Science 1527-1533(1990)；B.Jeong等人，Biodegradable Block Copolymers asInjectable Drug-delivery Systems,388 Nature 860-862(1997))。因为现在一般都认为基因是用于治疗许多类型疾病的药剂，并且如许多临床试验所证实的，基因治疗也正在被广泛使用(如参见M.A.Kay等人，Gene Therapy,94 Proc.Nat’l Acad.Sci.USA1744-12746(1997)；C.Bordignon等人，Gene Therapy inPeripheral BLood Lymphocytes and Bone Marrow for ADA-immunodeficient Patients,270 Science 470-475(1995))，因此迫切需要一种安全而有效的基因载体。由于基因能够利用宿主细胞所提供的生物合成机制产生生物活性蛋白质，所以它们是治疗各种疾病的很有吸引力的用于治疗的侯选药物。基因转移的主要技术障碍是缺乏理想的基因送递系统。有许多已建立的将基因转入细胞内的方法，其中包括磷酸钙沉淀、电穿孔、颗粒轰击、脂质体送递、病毒载体送递及受体介导的基因送递(A.V.Kavanov,Self-assemblingComplexes for Gene delivery,P.L.Felgner&L.W.Seymour,.T.Wiley&Sons(1998);P.L.Chang,Somatic Gene Therapy,CRC Press(1995))。
已研究了使用逆转录病毒或腺病毒载体的转染方法。特别是已成功地使用逆转录病毒将外源基因导入活跃分裂细胞的基因组中，从而得到稳定的转化体(D.G.Miller等人，Gene Transfer byRetrovirus Vectors Occurs Only in Cells that are ActivelyReplicating at the Time of Infection.10 Mol.Cell Biol.4239-4242(1990))。在将基因插入“辅助”细胞系以弥补有缺陷的载体的情况下，病毒载体系统常常产生一种转导感染剂。另外，已知宿主对腺病毒的免疫反应，将它们作为转移促进剂的应用只限于一次投用。针对这种限制，已利用流感病毒血凝素的融合肽作为内体溶解剂以代替腺病毒，但只取得了有限的成功(S.Gottschalk等人，A NovelDNA-Peptide Complex for Efficient Gene Transfer andExpression in Mammalian Cells,3 Gene Ther.448-457(1996))。然而，尽管它们在体外的转染效率很高，但在体内将基因插入宿主细胞基因组中则依赖于病毒感染途径。利用病毒感染途径进行人体基因治疗引出了关于内源性病毒重组、致癌作用及炎性或免疫反应的严重问题(G.Ross等人，Gene Therapy in the United States:AFive-Year Status Report.7 Hum.Gene Ther.,1781-1790(1996))。由于这些问题，使得病毒载体在人类基因治疗方面的应用受到极大限制。
与病毒基因载体相比，使用基于非病毒的基因治疗有几方面的优点，其中包括相对安全与生产成本较低。正在广泛寻求非病毒基因送递系统如阳离子脂质体或合成的基因载体如聚-L-赖氨酸(PLL)作代用品，并为绕开病毒载体中所遇到的某些问题而进行了深入研究(K.A.Mislick等人，Transfection of Folate-polylysine DNAComplexes:Evidence for Lysosomal Delivery,6 BioconjugateChem.512-515(1995)；J.O.Rdler等人，Structure ofDNA-cationic Liposome Complexes:DNA Intercalation inMultilamellar Membranes in Distinct Interhelical PackingRegimes,275 Science 810-814(1997)；J.Cheng等人，Effectof Size and Serum Proteins on Transfection Efficiency of Poly((2-dimethylamino) ethyl methacrylate)-plasmidnanoparticles,13 Pharm.Res.1038-1042(1996))。有几种聚合物材料目前正在研究用作基因载体，其中最受欢迎的是聚-L-赖氨酸(PLL)，但很少是生物可降解的。已使用生物可降解聚合物如聚乳酸/乙醇酸(带负电荷)和聚丙交酯/乙交酯(中性)作为非可溶性颗粒形式的基因载体(Amarueyama等人，Nanoparticle DNA Carrier With PLLGrafted Polysallanide Copolymer and Polylaetic Acid,8Bioconjugate,735-739(1997))。一般说来，已知聚阳离子聚合物是有毒性的，并且PLL骨架在生理条件下几乎不被降解。其继续留在细胞和组织中，引起不良的高度毒性(A.Segouras&R.Dunlan,Methods for Evaluation of Biocompatibility of SyntheticPolymers,1J.Mater.Sci.in Medicine,61-68(1990))。
从上述情况可以看出，提供可溶性和生物可降解的基因载体意味着该聚合物基因载体在送递基因后可在体内分解或降解成无毒性的成分，即提供非病毒的，安全而有效的基因载体将是本领域的重大进展。
                     发明的概要
本发明的目的是提供向细胞内送递核酸的组合物和方法。
本发明的另一个目的是提供生物可降解的基因载体组合物、其使用和制造方法。
本发明的再一个目的是提供有效的和无毒性的基因送递组合物和方法。
本发明的再一个目的是提供用于向靶细胞内送递外源性核酸的无毒性、可溶性、生物可降解的非病毒组合物及其使用方法。
提供新的包含带正电荷胺基团之生物可降解酯键主链的聚合物，即聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸](PAGA)，能够实现这些和其它目的。
用作基因送递载体的组合物包括与有效量的包含待送递基因的核酸相混合的有效量的PAGA。
制造聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸]的方法包括以下步骤：
(a)用胺封闭剂保护L-赖氨酸的ε-氨基基因，以得到被封闭的L-赖氨酸；
(b)使被封闭的L-赖氨酸的α氨基脱去氨基，以得到被封闭的(6-氨基-2(S)-羟基己酸)；
(c)使被封闭的(6-氨基-2(S)-羟基己酸)聚合，以得到被封闭的聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸]；和
(d)除去胺封闭基因，使被封闭的聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸]去保护，以得到聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸]。
向选择的细胞内送递选择的核酸的方法包括以下步骤：
(a)将有效量的选择的核酸与有效量的聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸]混合，以得到复合物；
(b)在适于维持细胞存活性的条件下使选择的细胞与复合物接触。
也可用按照共同待批美国专利申请TNW Docket No.T6624.NP(其列为本文参考文献)中所述的相似方法共价连接到导向部分上的聚乙二醇(PEG)接枝作为PLL类似物的本发明的生物可降解基因载体PAGA。
                附图的简要说明
图1显示制造聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸](PAGA)的解说性合成方案；(ⅰ)H2SO4,NaNO2,CH3CN(54％)；(ⅱ)于150℃,10-4mmHg条件下聚合(96％)；(ⅲ)HCOOH,Pd-C,DMF(65％)。示出聚-L-赖氨酸(PLL)的结构，以便比较。
图2显示在水溶液中用MALDI-TOF MS进行的PAGA降解研究；(A)PAGA在3天内的降解和(B)在6个月后的降解。单体峰以外的峰来自基质、缓冲液和盐。谱线为128次激光发射的总合并且是7点Savitzky-Golay修正平滑的。
图3A-E显示PAGA/DNA复合物的选择的正对负电荷比的琼脂糖凝胶带移动试验；“质粒”指示对照DNA；3B-D显示37℃分别温育4、8和24小时后，选择的PAGA/DNA复合物正对负电荷比的琼脂糖凝胶带移动试验；3E显示37℃分别温育4、8、24小时和4天后，PLL/DNA复合物的选择的正对负电荷比的对照琼脂糖凝胶带移动试验。
图4A-H分别显示(A)质粒DNA(pSV-β-gal)；(B),(C):PAGA/DNA复合物；(D)温育4小时后的PAGA/DNA复合物；(E),(F)：温育8小时后的PAGA/DNA复合物；(G),(H):37℃温育24小时后的PAGA/DNA复合物的原子力显微镜检(AFM)影象。
图5A-D显示用PAGA/pSV-β-gal复合物转染293细胞。5A显示5-溴-4-氯-3-吲哚基-β-D-吡喃半乳糖苷(X-gal)着染的作为对照的用pSV-β-gal转染的细胞。5B和5C显示分别用pLL/pSV-β-gal复合物和PAGA/pSV-β-gal复合物转染。5D显示PAGA/pSV-β-gal或PLL/DNA复合物对293细胞的转染。使用对硝基苯基-β-D-吡喃半乳糖苷(ONPG)作为底物，根据β-半乳糖苷酶活性的表达测定了转染效率。对每种聚合物的转染方案进行优化并于氯奎(100mM)存在下进行。PLL/DNA的转染效率定作100％。数据以5次实验的平均值表示。
图6显示PAGA对细胞的毒性试验的结果，使用的是3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基-溴化四唑(MTT)测定法。在不加聚合物和分别加入浓度为30、100、200及300mg/ml的PAGA和PLL(分子量7kDa和19kDa)的情况下温育24小时后测定了细胞存活率。将未经聚合物处理的293细胞的存活率定为100％。
                   发明的详细描述
在公开并描述本发明的生物可降解基因载体组合物及其制造和使用方法之前，应明确本发明并不只限于本文所公开的特定化合物构型、方法步骤及材料，因这些都可能略有改变。另外，本文所使用的术语只是用于描述特定实施方案，而不是用于限制本发明的范围，因为本发明的范围只是由待批权利要求及其等同物来限定的。
必须提到的是，本说明书中和待批权利要求中使用的单数形式冠词“a”、“an”和“the”，除特别指明者外，还包括复数形式的语词所指的对象。
本文描述了具有酯主链的PLL类似物，即，聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸](PAGA)。与PLL不同的是，在生理条件下PAGA可迅速降解。该聚合物具有将DNA缩合成紧凑形式的相似能力，并且其转染效率甚至大于PLL。因此，PAGA构成一种无毒性的生物可降解基因载体。
本文所说的“PLL”是指聚(L-赖氨酸)、其衍生物及其混合物。PLL优选具有约为200至50,000道尔顿的分子量，且更优选具有500至30,000道尔赖的分子量。
“PAGA”是指具有酯主链的聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸]。PAGA是一种具有强的缩合核酸并将其有效地转染到细胞内能力的无毒性、水溶性、阳离子型生物可降解聚合物。根据本发明，PAGA的分子量优选在大约4000至100,000道尔顿范围内。
本文所说的“聚(烷氧基)二醇”是指可接枝到PGA或PLL上的聚醚型二醇聚合物。该聚合物的每个单体部分都含有至多约5个碳原子的碳链。优选的聚(烷氧基)二醇选自聚乙二醇(PEG)均聚物、聚丙二醇均聚物、α取代的聚(烷氧基)二醇(如甲氧基聚乙二醇或其它适用的α取代的衍生物，如含有C1-C4烷基的衍生物)、聚(烷氧基)二醇共聚物和嵌段共聚物，及其活化的衍生物。本发明中使用的聚(烷氧基)二醇优选具有大约200至50,000，更优选是大约200至20,000的分子量。特别优选的聚(烷氧基)二醇是聚乙二醇(PEG)。因为PEG比较便宜，其已被美国食品与药物管理局批准用于人体，并且能避免引发抗体反应，所以是优选的。
本文所说的“有效量”是指没有毒性，但足以提供选择的局部或全身作用，而且在合理的益处/危险比例下能实现任何医疗性能的核酸量。
本文所提到的“投用”及相似术语是指，按照本发明向待治疗病人体内送递由待送递核酸与基因载体组合物相混合所形成的复合物，以致使该复合物能够经全身循环达到复合物可与靶细胞接触的身体部位。因此，优选经全身给药向病人投用该组合物，一般包括皮下、肌肉内、静脉内或腹腔内投用。可将可注射的割剂制成常规形式，如液体溶液或悬液，或者制成适于注射前在液体中制成溶液或悬液，或制成乳液的固体形式。适当的赋形剂包括水、盐水、右旋糖、甘油、乙醇等，并且必要时也可加入小量的润湿剂或乳化剂、缓冲剂等辅助物质。
本发明涉及无毒性的和生物可降解的，并能够与核酸形成稳定的可溶性复合物的新的PLL类似物PAGA，及其制备方法。PAGA可以与PEG，以及可被细胞膜受体识别的导向(靶向)部分(TM)共价结合。PAGA能够与核酸形成复合物，当解离后复合物释放核酸以转染几种类型的细胞，导向部分(TM)使得转染对含有TM受体的细胞具有选择性。本发明还提供了体外或体内的特异性细胞转染方法。有效地向定向细胞送递核酸之后，PAGA可在生理条件下被降解成无毒性的小单位。因此，与PLL相比，本发明的PAGA大大推进了定向基因送递。
按照其最通用的定义，本发明涉及新的PLL类似物PAGA，以及至少一种带负电荷的核酸与带正电荷的生物可降解PAGA之间的复合物，其中核酸与PAGA聚合物之间的缔合实质是静电性决定的。生物可降解PAGA聚合物优选进一步与PEG聚合物结合，其本身还与导向部分结合。加入PEG可阻止由PEG-PLL和核酸形成的复合物(或纳米颗粒)的沉淀和聚集，从而增加了复合物的可溶性。PEG与PLL连接也可融合细胞膜并防止核酸受到蛋白酶降解，从而提高了转染效率。此外，因为PEG可以作为连接PLL枝聚体和导向部分(TM)的接头，所以其可提高复合物的导向效率。导向部分本身也可直接结合到PAGA上。PEG和/或TM与PAGA结合的方法与用于接枝PLL的方法相似，并可参见共同待批美国专利申请TNW Docket No.T6624.NP(其列为本文参考文献)。
本发明涉及合成含有可降解酯键和带负电荷主链的新的PLL类似物，即聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸](PAGA)。该聚合物能够结合核酸并形成可用作基因载体的致密复合物。向待转染的细胞释放核酸后，聚合物被迅速水解性降解成无毒性的小单位。此外，PAGA/DNA复合物比PLL/DNA复合物表现有较高的转染效率。如PLL/DNA复合物一样，PAGA/DNA复合物也没有毒性。因此，新设计的PAGA可以代替PLL基因载体和以前使用的其它带正电的聚合物，以提高转染效率而且无毒性。
图1显示带有酯主链的PLL类似物PAGA的合成流程。按照本领域已知的方法，用胺封闭基团如苄氧羰基(Cbz)保护L-赖氨酸的ε氨基。然后在α氨基上使所得到的被保护氨基酸脱去氨基，以在该位置产生羟基。经本领域已知的普通方法熔融缩合聚合使这些单体聚合，其中不使用重金属催化剂，以减少由此引起毒性的可能性。另外，因为聚合反应中的反应物只是单体，所以不产生对活细胞可能有害的产物。然后除去胺封闭基团以使聚合物去保护，从而得到PAGA。
本发明的PAGA带有总的正电荷，借以与核酸形成稳定的复合物。所形成的复合物是大小为1μm至150-250nm的球形，这一大小正好适于经过胞吞作用被细胞摄入(Choi等人，PEG grafted poly-L-Lysines as polymeric gene carrier,54 J.Control.Rel.39-48(1998))。PAGA在生理条件下很容易生物降解，但当其与核酸形成复合物时则降解速度较慢且更为理想。PAGA/DNA的转染效率约为PLL/DNA的两倍。另外，与目前使用的PLL一样，PAGA也是无毒性的。PAGA作为基因载体的新的特征是，PAGA的快速降解可在核内释放游离DNA，从而可使DNA的表达和转染更为有效，并且可从细胞区室中迅速除去来自PAGA的降解片段，然后在体内排泄或代谢。因此，与PLL相比，PAGA是安全、有效并显著改良的基因载体。
本发明的PAGA可任选地用于与可逆结合待送递之生物活性剂的其它药用寡聚物和/或聚合物形成嵌段共聚物。这样的寡聚物和/或聚合物优选的是聚阳离子。优选的聚阳离子是聚-L-赖氨酸(PLL)。本发明PAGA的其它潜在的嵌段共聚物包括聚精氨酸、聚鸟氨酸、组蛋白、抗生物素蛋白、鱼精蛋白及其混合聚合物。也可利用生物可降解的中性疏水聚合物如聚α-羟基酸与PAGA形成嵌段共聚物。这些有代表性的聚α-羟基酸聚合物均衍生于或选自聚交酯和聚(丙交酯-共-乙交酯)。
导向部分(TM)可以直接结合到本发明的PAGA上，或者结合到PEG上，然后PEG再结合到PAGA上。TM可以是任何可被细胞膜受体识别的信号成员。例如，三触角乳糖胺的脱唾液酸寡糖苷、四触角乳糖胺的脱唾液酸寡糖苷、路易斯X、唾液酸路易斯X、硫酸化路易斯X、寡甘露糖苷、磷酸化寡甘露糖苷、乳糖胺的硫酸化寡糖、乳糖、半乳糖、甘露糖、果糖、葡萄糖、核糖、阿拉伯糖、木糖或鼠李糖、乳糖酸、叶酸及生物素等被膜凝集素识别的简单或复杂的寡糖苷。TM也可以是肽，包括抗炎肽，或其被血管细胞识别的某些片段，如小肠血管舒张多肽(IPV)；各种整联蛋白的肽配体；趋化因子如甲酰肽和拮抗剂；肽类激素；或天然代谢物如生物素、四氢叶酸、叶酸或肉碱。TM最好选自乳糖、半乳糖、甘露糖、果糖、葡萄糖、核糖、阿拉伯糖、木糖或鼠李糖、肽、趋化因子、激素、天然代谢物、生物素、四氢叶酸、叶酸、乳糖酸、脱唾液酸寡糖苷、寡甘露糖苷、磷酸化寡甘露糖苷、乳糖胺的硫酸化寡糖、运铁蛋白和脱唾液酸糖蛋白。
核酸，即DNA和/或RNA的送递可用于实现多肽的表达，或通过使用“反义”核酸，特别是反义RNA抑制多肽的表达。本文所说的“多肽”是指任何长度的肽并包括蛋白质在内。除特别指出者外，对本文所使用的术语“多肽”的大小没有任何特殊限制。可被表达的典型多肽选自催产素、血管升压素、促肾上腺皮质激素、表皮生长因子、促乳素、黄体生成素释放激素、生长激素、生长激素释放因子、胰岛素样生长因子、胰岛素、红细胞生成素、肥胖蛋白如leptin，促生长素、胰高血糖素、胰高血糖素样胰岛素趋化因子、甲状旁腺激素、干扰素、胃泌素、白介素-2和其它白介素以及淋巴因子、四肽胃泌素、五肽胃泌素、尿胃泌素、胰泌素、降钙素、脑啡肽、内啡肽、血管紧张肽、肾素、缓激肽、杆菌肽、polymixins、粘菌素、短杆菌酪肽、短杆菌肽，及其合成的类似物、修饰物及其药理活性片段、单克隆抗体及疫苗。多肽并不只限上述的这一组例子，对可被表达的肽或蛋白质的唯一限制是功能性的。DNA和/或RNA的送递可用于基因治疗、疫苗接种及应在体内投用核酸或多肽的任何治疗情况(如参见美国专利No.5,580,859，在此列为本文参考文献)。
当核酸是DNA时，其可以是本身不能复制的DNA序列，但将其插入到进一步包括复制基因的质粒中则可以复制。DNA也可含有转录启动子，如可在人体内发挥功能的CMV 1EP启动子。DNA也可以编码转录DNA所需的聚合酶。在哺乳动物体内表达克隆基因的许多表达载体都是本领域已知的，并且许多这样的表达载体都可从市场上购得，例如pEUK-Cl(可购自Clontech,Palo Alto,Calif)。可利用本领域已知的重组DNA技术(例如J.Sambrook等人，Molecular Cloning:A Laboratory Manual(2d ed.,1989)，在此列为本文参考文献)，将感兴趣的基因插入到这样的表达载体中。
本发明的无毒性生物可降解PAGA可与能够有效地转染哺乳动物细胞的核酸形成稳定的并且可溶的复合物。核酸可选自下列条目：a)基因标志，如荧光素酶基因、β-半乳糖苷酶基因、氯霉素乙酰转移酶基因、赋予抗生素如潮霉素或新霉素抗性的基因；b)用于治疗目的的基因，如编码在高胆固醇血症(肝)病例中缺乏的低密度脂蛋白受体、凝血因子、肿瘤基因抑制剂、主要组织相容性蛋白抗癌基因、有义和反义RNA及核酶的基因；以及c)以用作疫苗的基因，如编码病毒抗原的基因。
本发明的体外或体内转染方法包括在下述条件下将核酸与无毒性生物可降解PAGA的复合物导入含有待转染细胞的培养基中：培养基中的复合物进入细胞的胞浆，将上述复合物的核酸释放到细胞的胞质溶胶中，核酸在被转染细胞中转录并表达。
该方法可用于治疗与特异性多肽的缺陷或缺乏或突变有关的疾病。根据本发明的另一个方面，该方法提供免疫人或动物个体的方法，包括向个体体内送递DNA和/或RNA，其中DNA和/或RNA编码可引发抗免疫原之免疫反应的免疫原性翻译产物。该方法可用于引发体液免疫反应、细胞免疫反应，或两种混合的免疫反应。
本发明还涉及使用核酸与本发明的聚合物基因载体所形成的复合物转染可选自下列一组中的细胞：造血系细胞、肝细胞、骨骼肌细胞、皮肤细胞如成纤维细胞、角质细胞、树突细胞、或黑色素细胞；血管壁细胞如内皮细胞或平滑肌细胞；呼吸道的表皮细胞；中枢神经系统的细胞；癌细胞；免疫系统的细胞如淋巴细胞、巨噬细胞、NK细胞等。
本发明的再一个方面涉及使用PAGA作为药物送递载体的方法。无毒性、生物可降解的并带有正电荷的PAGA可与带负电荷的分子如蛋白质、肽及其它生物活性分子形成复合物。PAGA也可用于制造含药物的不溶性颗粒，如纳米颗粒或微球。
作为方法的举例，可以合成任选地接枝有PEG聚合物的PAGA，以形成本发明的基因载体。本发明的无毒性、生物可降解PAGA可以与核酸如DNA或RNA自发地形成缩合的复合物。如果PAGA接枝到PEG上，可增加复合物的溶解度及转染效率。该静电复合物是靠带正电荷的聚合物(如PAGA)和带负电荷的核酸之间的亲和性形成的。也可任选地将导向部分(TM)结合到PAGA或PEG上，以定向将基因送递到靶细胞内。
下列实施例用于举例说明合成PAGA的方法，生物可降解基因载体的组合物及使用本发明的组合物的方法。
                      实施例1PAGA的合成
将L-赖氨酸的α氨基转化成羟基，以制得新的单体L-羟基赖氨酸(图1)。借助熔融缩合使该单体聚合。因为唯一的反应物是单体，所以聚合中不会产生有害的副产物。
按照本领域已知的方法，用胺封闭剂如苄氧羰基(Cbz)保护L-赖氨酸的ε氨基。然后使被保护的氨基酸在α氨基处脱氨基，得到该位置为羟基的产物。以熔融缩合聚合法使这些单体聚合，因没有使用重金属催化剂，从而减少了由之产生毒性的可能性。另外，由于聚合反应中的反应物只是单体，所以不产生可能对活细胞有害的加合物。然后除去胺封闭基因使聚合物去保护，得到PAGA。PAGA和PLL只是在主链键上有所不同。PAGA中是酯键，而PLL中是酰胺键。
使用基质辅助的激光解吸/离子化飞行时间质谱法(MALDI-TOF MS)确定降解的带正电荷PAGA的分子量。
                     实施例2PAGA的降解
用基质辅助的激光解吸/离子化飞行时间质谱法(MALDI-TOF MS)研究了PAGA的分子量分布(MWD)和降解动力学(图2A-B和表1)。将按照实施例1方法制备的PAGA以1纳摩尔(5mg/ml)的浓度溶解在25mM HEPES(pH7.3)中，并于37℃温育。基质是在水/3％TFA/乙腈(4∶1∶6,v/v/v)中按10mg/ml的浓度制备的α-氰基-4-羟基肉桂酸(αCHCA)溶液。以选定的时间间隔，将1μl等分的PAGA溶液加到微量离心管内的9μl基质溶液中。将1μl等分的该混合物加到MALDI样品板上并真空干燥。在Voyager Biospectrometry Workstation(Perceptive Biosystems)中使用有3-ns脉冲的337nm N2激光幅射。以阳离子方式使激光脉冲产生的离子加速到29kV能量。所有光谱均以同样的激光力得到。
与完整的PAGA相比，在缓冲液(pH7.3)中温育5小时后PAGA的分子量降低至小于30％(图2A)。2小时后，PAGA的降解速度变得很慢。PAGA的快速降解似乎主要是由于ε氨基通过水解酯键而自身降解所致。6个月后聚合物逐渐接近完全降解，并且最终降解产物是单体L-羟基赖氨酸(图2B)。大约2/3的原聚合物在5小时内降解，并在6个月后逐渐达到几乎完全降解(表1)。Mp代表降解聚合物的分子量，根据MALDI光谱中的最高峰强度确定最可能的峰值分子量。最终降解产物为单体L-羟基赖氨酸(图2B)。还在同样条件下或在假细胞外环境中对PLL进行了降解研究。甚至在3个月后，PLL仍很难降解。
                                            表1．由MALDI-TOF MS测得的PAGA降解数据
    时间     Ma p     时间     Mp
    0分30分60分180分  3207±13.11600±11.01331±11.41117±4.9  300分钟3天1个月6个月  1048±9.3991±11.2969±4.2147.18b
PAGA在pH7.3缓冲液中37℃温育。a根据MALDI光谱中最高峰值强度确定的最可能的峰值分子量。b单体的分子量。数据为三次不同实验的平均值±标准误。
                      实施例3PAGA与DNA形成复合物的能力
用琼脂糖凝胶带移动试验确定PAGA的DNA缩聚能力(图3A-E)。将按照实施例1的方法制备的PAGA与质粒DNA(pSV-CAT；Promega,Madison,Wisconsin)按各种不同的正电荷(PAGA)对负电荷(DNA)比例混合在一起，然后经琼脂糖凝胶电泳分级分离之。当正电荷对负电荷的比例约达到1∶1时，DNA磷酸二酯主链的负电荷与PAGA的正电荷开始产生强复合物。
因为PAGA在溶液中降解很快，因此有必要证实PAGA/DNA复合物具有发生转染所需的足够稳定性。将复合物于37℃温育一定时间后，检测从复合物上解离的DNA以研究PAGA/DNA复合物的稳定性。图3B-D显示于37℃分别温育4,8和24小时后，有特定正对负电荷比例的PAGA/DNA复合物的琼脂糖凝胶电泳带移动试验结果，其中DNA/PAGA复合物在1天的过程中缓慢降解，直到完全降解。复合物比单独PAGA有较高的稳定性可能是由于PAGA的氨基与DNA的磷酸基缔合所致。另外，部分降解的PAGA保持其与DNA形成复合物的能力。在相似条件下，4天里对照组PLL/DNA复合物一直是稳定的。
                    实施例4PAGA/DNA复合物的大小和结构
使用原子力显微镜检法(AFM)估测PAGA/DNA复合物的大小和结构。将2μl溶于HEPES-Mg缓冲液(25mM HEPES,10mM MgCl2)中的DNA(pSV-CAT,5μg/ml)，和按照实施例3的方法制备的PAGA/DNA复合物(50μg/ml)分别涂敷在新切割的云母基片上。以相似处理的PLL/DNA作为对照。使溶液吸附2分钟，然后用1ml蒸馏水洗并在N2气流中迅速干燥。为了得到PAGA/DNA复合物和降解的复合物影象，将pSV-β-gal质粒溶液(5μg/ml水溶液)与等体积PAGA水溶液混合制成复合物。37℃温育复合物溶液，以使复合物发生降解。在适当时间间隔得到AFM影象。使用配有E扫描器的NanoscopeⅢa(DigitalInstruments,Santa Barbara,CA)进行AFM。所有的AFM成象均为常规的外界敲击方式。所有可能形式的质粒DNA，包括超螺旋、带切口的环状及线性质粒DNA均可在AFM影象中看到(图4A)。测知裸质粒DNA的大小约为1μm。PAGA和DNA之间自组装复合物的形成可在图3B和C中电荷比例(+/-)为5∶1时看到。复合物的形状大多为球形，但很不均匀。复合物于37℃温育4小时后，可见降解开始(图4D)。可以看到从致密核心伸出的DNA链，且致密核心的形状成为均匀的并且呈球状。致密核心被认为是缩聚状态。温育8小时后，从复合物中释放出更多的DNA(图4E,F)。24小时温育影象的两个表观特征是，大多数DNA从复合物中释出，并且复合物的密度明显降低(图H)。这些结果表明，几乎全部DNA已从复合物中释出。复合物的降解速度比单独PAGA慢可能是由于聚合物中的ε氨基被DNA磷酸酯封闭所致。因为细胞的最大转染只需几个小时，所以可利用PAGA/DNA复合物作为细胞摄入所需的稳定的复合物系统。
PAGA/DNA复合物的大小分布为大约150nm至250nm，表明PAGA与用其它基因载体系统所观察到的一样将DNA缩聚成紧凑形状(参见D.D.Dunlap等人，Nanoscopic Structure of DNA Condensed forGene Delivery,25 Nucleic Acids Res.,3095-3101(1997)；M.A.Wolfert等人，Characterization of Vectors for Gene TherapyFormed by Self-assembly of DNA with Synthetic Blook Co-polymers,7 Hum.Gene.Ther.,2123-2133(1996))。与PLL/DNA复合物的形状相似，该复合物也是球形和扁圆形的。
                      实施例5PAGA/DNA复合物的转染效率
使用293T细胞系估测PAGA/DNA复合物的转染效率。以前该细胞系被用于估测聚(乙二醇)-PLL嵌段共聚物的转染能力(D.D.Dunlap等人，Nanoscopic Structure of DNA Condensed for Gene Delivery,25 Nucleic Acids Res.,3095-3101(1997))。转染前24小时，以6×104细胞/孔的密度将293T细胞接种在24孔平板中。恰好在与DNA混合前，将按实施例1所述方法制备的PAGA载体溶于水中，以尽可能减少其在水溶液中的迅速降解。将pSV-β-gal(10μg/ml；Promega)和PAGA在无FBS细胞培养基中混合并于室温下温育20分钟，以制备质粒PAGA/pSV-β-gal复合物。分别以10％(v/v)和100μM的终浓度加入FBS和氯奎。用转染混合物替换24孔平板中的培养基，然后37℃温育4小时。温育后，再用新鲜培养基替换转染混合物。将细胞37℃继续温育28小时。使用β-半乳糖苷酶测定系统(Promega,Madison,Wisconsin)或原位X-gal染色法测定被转染细胞中的β-半乳糖苷酶活性(参见Promega Technical Bulletin No.097,β-galactosidase Enzyme Assay System With Reporter Lysis Buffer(1996))。
在PAGA/pSV-β-gal复合物重量比为1∶20时观察到明显的转染能力(图5A)；PAGA/DNA复合物的转染效率约为对照PLL/DNA复合物的两倍。图5B-C显示如体外染色所判定的，用PAGA/pSV-β-gal复合物转染的细胞表达β-半乳糖苷酶。如原位染色所示，被转染的表达β-半乳糖苷酶的细胞被染成兰色。细胞本身没有内源性β-半乳糖苷酶活性。
还于体外评估了PAGA/DNA复合物的转染效率(图5D)。在PAGA∶DNA重量比为10∶1时，PAGA显示对293细胞有最佳转染效率。在最佳条件下，PAGA/DNA复合物对293细胞的转染效率差不多是PLL/DNA复合物的两倍。PAGA相对于PLL提高了转染效率似乎是由于PAGA的无毒性性质。
                     实施例6PAGA对细胞的毒性
使用3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基-溴化四唑(MTT)测定法测定了PAGA对细胞的毒性(参见Mosman,T.,Rapidcolorimetric assay for cellular growth and survival:application to proliferation and cytotoxicity assays,65 J.Immunol.Methods,55-63(1983))。不加聚合物，或分别加入浓度为30、100、200和300 mg/ml的PAGA和PLL(分子量7kDa和19kDa)温育24小时后测定细胞存活性。将未经聚合物处理的细胞的存活率定为100％。293T细胞与100μg/ml PAGA一起温育24小时后，细胞群体中的细胞数没有降低，细胞形态也没有改变。相反，细胞与PLL一起温育则可见细胞存活率较低(25％)，细胞成颗粒状，而且在同样浓度下细胞群体减少(图6)。当PAGA浓度高达300μg/ml时，对细胞仍没有毒性。不存在DNA时使用某些聚合物未见有明显较大的毒性(M.A.Wolfert等人，Hume.Gene Ther.7∶2121(1996))。在这方面，没有DNA复合时PAGA无毒性是显而易见的。据我们所知，不存在这样的基因载体，即没有DNA复合时不表现出细胞毒性。
因此，本发明的PAGA不存在这样的基因载体，即具有下列特征：ⅰ)它是生物可降解的，即在生理条件下可快速降解，但当与DNA形成复合物时降解速度减慢；ⅱ)最终降解产物为天然产物，即L-羟基赖氨酸；ⅲ)其缩聚DNA使之呈总体球形；ⅳ)PAGA本身是无毒性的；和ⅴ)PAGA/DNA复合物的转染效率约为PLL/DNA复合物的两倍。PAGA的快速降解将向核内释放游离DNA，从而可使DNA的表达和转染更为有效。
由PAGA降解的片段或单体L-羟基赖氨酸可很容易地被代谢成受赖氨酰氧化酶催化的羧酸，并从细胞区室中迅速除去，然后在体内排泄或代谢。几篇研究论文表明了赖氨酰氧化酶存在于人体中(37 Appl.Microbiol.Biotochnol.,599-603(1992))。因此，利用PAGA作为可经连接模块功能(如受体介导的胞吞作用的配体，即核内体破裂功能，或核定位信号)而修饰的基因载体构架，很可能实现安全的基因治疗。
这些实施例只是用于举例说明本发明，本领域技术人员会意识到或能够确信，使用一般的常规实验可对本文所述的本发明的具体实施方案作出许多等同改动。这些等同改动将包括在下列权利要求范围内。

Claims (48)

1．聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸](PAGA)。
2．权利要求1的聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸](PAGA)，其中PAGA的分子量约为4,000至100,000道尔顿。
3．嵌段共聚物，包括与选自下列一组中的聚合物共聚的权利要求2的PAGA：聚-L-赖氨酸(PLL)、聚精氨酸、聚鸟氨酸、组氨蛋白、抗生物素蛋白、鱼精蛋白、聚交酯和聚(丙交酯-共-乙交酯)及其混合物。
4．根据权利要求3的嵌段聚合物，其中聚合物选自聚-L-赖氨酸(PLL)、聚精氨酸、鱼精蛋白及其混合的聚合物。
5．根据权利要求4的嵌段聚合物，其中聚合物选自聚-L-赖氨酸(PLL)、聚精氨酸、聚鸟氨酸、组蛋白、抗生物素蛋白、鱼精蛋白及其混合物。
6．用作基因送递载体的组合物，包括与有效量的核酸混合的，有效量的根据权利要求1-5中任一项的聚合物。
7．权利要求6的组合物，其中所说的PAGA含有至少两个表面胺基团。
8．权利要求6的组合物，其中所说的PAGA是与两亲聚合物共价结合的。
9．权利要求8的组合物，其中所说的两亲聚合物是聚烷氧基乙二醇。
10．权利要求11的组合物，其中所说的聚烷氧基二醇选自聚乙二醇均聚物(PEG)、甲氧基聚乙二醇均聚物(mPEG)、聚丙二醇均聚物、α-取代的聚(烷氧基)二醇、聚(烷氧基)二醇共聚物和嵌段共聚物，及其活化的衍生物。
12．权利要求11的组合物，其中所说的聚烷氧基二醇的分子量约为200至50,000。
13．权利要求12的组合物，其中所说的聚烷氧基二醇的分子量约为200至20,000。
14．权利要求10的组合物，其中所说的两亲聚合物是聚乙二醇(PEG)。
15．权利要求6的组合物，其进一步包括被细胞膜受体识别的导向部分(TM)。
16．权利要求11的组合物，其中导向部分(TM)选自乳糖、半乳糖、甘露糖、果糖、葡萄糖、核糖、阿拉伯糖、木糖、鼠李糖、肽、趋化因子、激素、天然代谢物、生物素、四氢叶酸、叶酸、乳糖酸、脱唾液酸寡糖苷、寡甘露糖苷、磷酸化寡甘露糖苷、乳糖胺的硫酸化寡糖、运铁蛋白和脱唾液酸糖蛋白。
17．权利要求6的组合物，其中核酸包括编码待送递之基因的DNA或RNA序列。
18．权利要求6的组合物，其中核酸包括编码选自下列一组中的遗传标志的DNA序列：荧光素酶基因、β半乳糖苷酶基因、潮霉素抗性、新霉素抗性和氯霉素乙酰转移酶。
19．权利要求6的组合物，其中核酸包括编码选自下列一组之蛋白质的DNA序列：低密度脂蛋白受体、凝血因子、肿瘤基因抑制剂、主要组织相容性蛋白、抗癌基因、p16、p53、胸苷激酶、IL2、IL4和TNFa。
20．权利要求6的组合物，其中核酸包括编码病毒抗原的DNA序列。
21．权利要求6的组合物，其中核酸编码选自有义RNA、反义RNA和核酶的RNA。
22．权利要求6的组合物，其中核酸编码凝集素、甘露糖受体、唾液酸粘附素，或逆转录病毒反式激活因子(TAT)。
23．生产聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸]的方法，其包括以下步骤：
(a)用胺封闭剂保护L-赖氨酸的ε-氨基基因，以得到被封闭的L-赖氨酸；
(b)使被封闭的L-赖氨酸的α氨基脱去氨基，以得到被封闭的(6-氨基-2(S)-羟基己酸)；
(c)使被封闭的(6-氨基-2(S)-羟基己酸)聚合，以得到被封闭的聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸]；和
(d)除去胺封闭基因，使被封闭的聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸]去保护，以得到聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸]。
24．根据权利要求18的方法制备的组合物。
25．向选择的细胞内送递选择的核酸的方法，其包括以下步骤：
(a)将有效量的选择的核酸与有效量的根据权利要求1-5任一项的聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸](PAGA)或PAGA共聚物混合，以得到复合物；
(b)在适于维持细胞存活性的条件下使选择的细胞与复合物接触。
26．转化细胞的方法，其包括在权利要求6的组合物进入所说的细胞，并且释放所说的组合物的核酸的条件下使所说的细胞与所说的组合物接触。
27．权利要求26的方法，其中所说的PAGA包含至少两个表面氨基团。
28．权利要求21的方法，其中所说的PAGA共价结合到两亲性聚合物上。
29．权利要求28的方法，其中所说的两亲性聚合物是聚烷氧基二醇。
30．权利要求29的方法，其中所说的聚烷氧基二醇选自聚乙二醇均聚物(PEG)、甲氧基聚乙二醇均聚物(mPEG)、聚丙二醇均聚物、α-取代的聚(烷氧基)二醇、聚(烷氧基)二醇共聚物和嵌段共聚物，及其活化的衍生物。
31．权利要求30的方法，其中所说的聚烷氧基二醇的分子量为大约200至50,000。
32．权利要求31的方法，其中所说的聚烷氧基二醇的分子量约为200至20,000。
33．权利要求32的方法，其中两亲线性聚合物是聚乙二醇(PEG)。
34．转染携带有识别导向部分(TM)受体的细胞的方法，其包括在权利要求10的组合物进入所说的细胞并释放所说组合物的核酸的条件下，使所说的细胞与含有所说组合物的组合物接触。
35．根据权利要求34的方法，其中所说的导向部分(TM)是选自下列一组中的成员：乳糖、半乳糖、甘露糖、果糖、葡萄糖、核糖、阿拉伯糖、木糖或鼠李糖、肽、趋化因子、激素、天然代谢物、生物素、四氢叶酸、叶酸、乳糖酸、脱唾液酸寡糖苷、寡甘露糖苷、磷酸化寡甘露糖苷、乳糖胺的硫酸化寡糖、运铁蛋白和脱唾液酸糖蛋白。
36．根据权利要求35的方法，其中所说的TM选自乳糖、半乳糖、甘露糖、果糖、葡萄糖、核糖、阿拉伯糖、木糖或鼠李糖。
37．根据权利要求35的方法，其中所说的TM是选自于下列一组的成员：肽、趋化因子、激素、天然代谢物、生物素、四氢叶酸、叶酸及乳糖酸。
38．根据权利要求35的方法，其中所说的TM是选自下列一组中的成员：脱唾液酸寡糖苷、寡甘露糖苷、磷酸化寡甘露糖苷、乳糖胺的硫酸化寡糖、运铁蛋白和脱唾液酸糖蛋白。
39．根据权利要求35的方法，其中TM是含有选自乳糖和半乳糖的糖的半乳糖。
40．根据权利要求34的方法，其中核酸包括编码基因的DNA或RNA序列。
41．根据权利要求34的方法，其中核酸包括编码选自下列一组中的遗传标志的DNA序列：荧光素酶基因、β半乳糖苷酶基因、潮霉素抗性、新霉素抗性和氯霉素乙酰转移酶。
42．根据权利要求34的方法，其中核酸包括编码选自下列一组之蛋白质的DNA序列：低密度脂蛋白受体、凝血因子、肿瘤基因抑制剂、主要组织相容性蛋白、抗癌基因、p16、p53、胸苷激酶、IL2、IL4和TNFa。
43．根据权利要求34的方法，其中核酸包括编码病毒抗原的DNA序列。
44．根据权利要求34的方法，其中核酸编码选自有义RNA、反义RNA和核酶的RNA。
45．根据权利要求34的方法，其中核酸编码凝集素、甘露糖受体、唾液酸粘附素，或逆转录病毒反式激活因子(TAT)。
46．包括与有效量的带负电荷分子复合的有效量聚[α-(4-氨丁基)-L-乙醇酸](PAGA)或权利要求3-5中任一项的共聚物的药物送递组合物。
47．根据权利要求46的药物送递组合物，其为不溶性颗粒。
48．根据权利要求47的药物送递组合物，其中不溶性颗粒是纳米颗粒或微球。
49．根据权利要求46的药物送递组合物，其中带负电荷的分子是肽、蛋白质或非可溶性药物分子。
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