KR100667171B1 - PAMAM Derivatives for Delivery of Materials into Cells and Method for Transferring Desired Materials into Cells using The Derivatives - Google Patents

PAMAM Derivatives for Delivery of Materials into Cells and Method for Transferring Desired Materials into Cells using The Derivatives Download PDF

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KR100667171B1
KR100667171B1 KR1020050038931A KR20050038931A KR100667171B1 KR 100667171 B1 KR100667171 B1 KR 100667171B1 KR 1020050038931 A KR1020050038931 A KR 1020050038931A KR 20050038931 A KR20050038931 A KR 20050038931A KR 100667171 B1 KR100667171 B1 KR 100667171B1
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Abstract

본 발명은 PAMAM 덴드리머의 표면 1차 아민의 전부 또는 일부가 아르기닌, 라이신, 및 구아니딘의 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 그라프트되어진 세포내 물질전달용 PAMAM 유도체를 제공한다. 본 발명에 따른 PAMAM 유도체는 세포내로 요구되는 물질의 수송을 효율적으로 수행하며, 특히 세포내 발현과 관련된 다양한 유전물질을 전달하는 벡터로서 기능할 수 있다.The present invention provides a PAMAM derivative for intracellular material transfer in which all or part of the surface primary amine of the PAMAM dendrimer is grafted with at least one material selected from the group of arginine, lysine, and guanidine. The PAMAM derivatives according to the present invention efficiently carry out the transport of required substances into cells, and in particular, can function as a vector for delivering various genetic materials related to intracellular expression.

PAMAM, 덴드리머, 벡터 PAMAM, dendrimer, vector

Description

세포내 물질전달용 PAMAM 유도체 및 이를 이용한 세포내 원하는 물질의 전달방법{PAMAM Derivatives for Delivery of Materials into Cells and Method for Transferring Desired Materials into Cells using The Derivatives}PAMAM Derivatives for Delivery of Materials into Cells and Method for Transferring Desired Materials into Cells using The Derivatives}

도 1은 PAMAM, PAMAM-Arg, PAMAM-Lys에 대한 1H NMR 스펙트라(300MHz, D2O) 1 H NMR Spectra (300 MHz, D 2 O) for PAMAM, PAMAM-Arg, PAMAM-Lys

도 2는 본 발명에 따른 폴리플렉스(폴리머/DNA 복합체)에 대하여 아가로스 겔 전기영동을 전하비를 달리하여 수행한 결과[A: PAMAM-Arg, B: PAMAM-Lys]Figure 2 is a result of performing agarose gel electrophoresis of the polyplex (polymer / DNA complex) according to the present invention by changing the charge ratio [A: PAMAM-Arg, B: PAMAM-Lys]

도 3A는 다양한 전하비에서의 피코그린시약을 사용하여 폴리머의 DNA 복합체 형성능 검정결과[●: PEI, ▲: PAMAM, ■: PAMAM-Arg, ▼: PAMAM-Lys, △ : PAMAM-OH]FIG. 3A shows DNA complex formation assay results of polymers using picogreen reagents at various charge ratios [●: PEI, ▲: PAMAM, ■: PAMAM-Arg, ▼: PAMAM-Lys, Δ: PAMAM-OH]

도 3B는 다양한 전하비에서의 폴리머/DNA 복합체의 제타포텐셜 측정결과[▲: PAMAM, ■: PAMAM-Arg, ▼: PAMAM-Lys]3B shows zeta potential measurement results of polymer / DNA complexes at various charge ratios (▲: PAMAM, ■: PAMAM-Arg, ▼: PAMAM-Lys).

도 4(a)(b)는 본 발명에 따른 PAMAM 유도체(PAMAM-Arg, PAMAM-Lys)를 이용하여 293세포주 및 HepG2 세포주에 대하여 세포독성을 실험한 결과[(a): 293 세포, (b): HepG2 세포, ●: PEI, ▲: PAMAM, ■: PAMAM-Arg, ▼: PAMAM-Lys]Figure 4 (a) (b) is a cytotoxicity test for 293 cell line and HepG2 cell line using the PAMAM derivatives (PAMAM-Arg, PAMAM-Lys) according to the present invention [(a): 293 cells, (b ): HepG2 cells, ●: PEI, ▲: PAMAM, ■: PAMAM-Arg, ▼: PAMAM-Lys]

도 4c는 본 발명에 따른 PAMAM 유도체(PAMAM-Gu)를 이용하여 HepG2 세포주에 대하여 세포독성을 실험한 결과 Figure 4c is a result of the cytotoxicity test for HepG2 cell line using the PAMAM derivative (PAMAM-Gu) according to the present invention

도 5는 본 발명에 따른 PAMAM 유도체를 이용한 293세포주 및 HepG2 세포주에 대한 트랜스펙션 효율 측정결과[▲: PAMAM, ■: PAMAM-Arg, ▼: PAMAM-Lys]5 is a transfection efficiency measurement result for 293 cell line and HepG2 cell line using the PAMAM derivative according to the present invention [▲: PAMAM, ■: PAMAM-Arg, ▼: PAMAM-Lys]

도 6은 본 발명에 따른 PAMAM 유도체를 이용한 Neuro 2A 세포주에 대한 트랜스펙션 효율 측정결과6 is a transfection efficiency measurement results for Neuro 2A cell line using the PAMAM derivative according to the present invention

도 7은 본 발명에 따른 PAMAM 유도체를 이용한 1차 래트 대동맥관 평활근 세포에 대한 트랜스펙션 효율 측정결과7 is a transfection efficiency measurement results for primary rat aortic vascular smooth muscle cells using PAMAM derivatives according to the present invention

도 8은 본 발명에 따른 PAMAM 유도체를 이용한 C2C12 세포주에 대한 트랜스펙션 효율 측정결과8 is a transfection efficiency measurement results for the C2C12 cell line using the PAMAM derivative according to the present invention

도 9는 본 발명에 따른 PAMAM 유도체를 이용한 HepG2 세포에서의 유전자 전달 효율의 비교실험 결과9 is a comparative test result of gene transfer efficiency in HepG2 cells using PAMAM derivatives according to the present invention

도 10은 본 발명에 따른 PAMAM 유도체 유전자 전달 동물 실험사진Figure 10 is a PAMAM derivative gene transfer animal experimental photograph according to the present invention

도 11은 형광현미경으로 본 발명에 따른 PAMAM 유도체들의 세포내 침투능력의 차이를 관찰한 결과 11 is a result of observing the difference of intracellular penetration capacity of PAMAM derivatives according to the present invention by fluorescence microscope

본 발명은 세포내로 원하는 물질을 전달할 수 있는 벡터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PAMAM 덴드리머를 기본으로 하여 세포독성을 가지지 않으면서 트랜 스펙션 효율을 개선시킨 세포내 물질전달용 PAMAM 유도체에 관한 것이다.The present invention relates to a vector capable of delivering a desired substance into a cell. More particularly, the present invention relates to a PAMAM derivative for intracellular substance delivery that has improved transfection efficiency without cytotoxicity based on PAMAM dendrimer.

효과적이며, 믿을 수 있고 안전한 유전자(RNA, DNA) 전달 기술에 대한 요구는 유전자 치료법의 발달과 함께 계속하여 증가하고 있다. 지난 수십년 동안 인간의 유전자 치료를 목적으로 세포내로 치료관련 유전자를 전달하는 효율적인 방법을 찾기 위한 많은 연구와 개발이 이루어졌다. 지금까지 보고된 수많은 임상시도가 효과적인 트랜스덕션과 고수준의 유전자 발현을 제공하는 바이러스성 벡터시스템(레트로바이러스, 아데노바이러스)과 관련되어 있다. 하지만, 내재독성, 숙주면역반응과 삽입되는 유전자로 인한 발암유전자의 활성화 가능성과 같은 단기 및 장기 위험성 등의 중요하게 다루어져야 할 몇몇 안정성의 문제가 여전히 존재한다. 이러한 이유에서 바이러스 벡터의 대안에 대한 요구 즉, 비바이러스 벡터 시스템이 증가하고 있고, 유전자 전달과 임상적인 유전자 치료에 보다 안전하고 바람직한 방법으로 간주되는 다양한 기법이 나타났다. 비바이러스성 벡터 시스템은 대개 플라스미드 DNA 단독으로 사용하거나, 양이온성 리포솜과 다양이온성 폴리머와 같은 다양한 종류의 DNA 복합체를 이용한다. 현재 사용되는 합성 비바이러스 시스템과 관련된 비효율성 및 세포독성은 생체내 사용에서 반드시 고려되어져야 한다. 결과적으로 매우 극소수의 비바이러스성 벡터만이 임상실험에 도달하고 있다.The need for effective, reliable and safe gene (RNA, DNA) delivery technologies continues to grow with the development of gene therapy. In the past decades, a lot of research and development has been conducted to find an efficient way to deliver therapeutic genes into cells for the purpose of gene therapy in humans. Numerous clinical trials reported to date have been associated with viral vector systems (retroviruses, adenoviruses) that provide effective transduction and high levels of gene expression. However, there are still some stability issues that need to be addressed, such as short-term and long-term risks such as endogenous toxicity, host immune response and the possibility of activation of oncogenes due to the inserted gene. For this reason, there is a growing demand for alternatives to viral vectors, namely non-viral vector systems, and various techniques have emerged that are considered safer and more desirable for gene delivery and clinical gene therapy. Non-viral vector systems usually use plasmid DNA alone or various types of DNA complexes such as cationic liposomes and polyionic polymers. Inefficiencies and cytotoxicity associated with currently used synthetic nonviral systems must be considered in vivo use. As a result, only very few nonviral vectors have reached clinical trials.

비바이러스성 벡터 시스템 중에 많은 합성 및 천연 양이온성 폴리머가 도입되어 유전자 치료에의 적용가능성에 대하여 시험되어졌다. 몇몇 폴리머들은 시험 초기에 가능성을 보이긴 하였지만, 세포내에서의 낮은 트랜스펙션 효율과 내재된 세포독성과 같은 기대하지 않은 특성으로 인해 세포내 유전자 전달과정에서 그 사 용이 제한되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 다양이온성 덴드리머는 구조가 잘 정의되고, 생의학적인 응용의 측면에서 표면 기능성을 용이하게 제어할 수 있기 때문에 여전히 많은 과학자들의 관심을 끌고 있다. 현재까지 폴리아미도아민(이하, PAMAM) 덴드리머와 폴리에틸렌이민(이하, PEI) 덴드리머가 이들의 이용가능성에 대하여 시험되어졌고, PEI에 대하여는 세포내에서 약간의 기대되는 결과를 보이면서 시험관내에서 상대적으로 높은 트랜스펙션 효율을 나타내었다.Many synthetic and natural cationic polymers have been introduced in nonviral vector systems and have been tested for applicability in gene therapy. Although some polymers have shown promise early in the test, their use in intracellular gene transfer has been limited by unexpected properties such as low transfection efficiency and inherent cytotoxicity in cells. Nevertheless, polyionic dendrimers still attract the attention of many scientists because of their well-defined structures and their ability to easily control surface functionality in terms of biomedical applications. To date, polyamidoamine (PAMAM) dendrimers and polyethyleneimine (PEI) dendrimers have been tested for their availability, and for PEI, relatively high in vitro with some expected results in the cells. Transfection efficiency was shown.

위에서 언급한 바와 같이 바이러스성 벡터와 비교하여 비바이러스성 유전자 전달 시스템이 가지는 주요한 문제 중 하나는 이들의 낮은 효율이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 세포특이적 리간드 및 TAT 유래 펩타이드 또는 올리고 아르기닌 유도체와 같은 올리고펩타이드를 연결하거나, 또는 컨쥬게이팅하는 방법이 시도되어졌다. 최근 단백질 트랜스덕션 부위(PTD) 또는 막 전달신호(MTS)라고 알려진 몇몇 염기성 펩타이드가 확인되고, 특성이 밝혀졌으며, 약물, 단백질, 올리고뉴클레오티드 및 플라스미드 DNA 전달을 위한 다양한 치료방법에 도입되어졌다. 흥미롭게도, 이러한 서열은 대개 양이온으로 전하를 띤 아미노산 잔기 예를 들어 아르기닌, 라이신을 함유하는 것으로 알려지고 있다. 실제 기작은 명확하지 않고, 세포막으로의 진입이 내포경로(endocytic pathway) 또는 비내포경로 또는 직접적인 막투과에 의하는지에 대한 논쟁이 있지만, 많은 그룹에 의해 세포내로의 전달이 증가되는 현상이 보고되고 있다. 전달을 위한 대부분의 실험은 핵산을 신호펩타이드에 공유적으로 결합하는 것에 의해 수행되었고, 몇몇 실험은 정전기적 인력에 의한 단순한 복합체 형성에 의해 수행되었으나, 아직까지 그 어떠한 수단도 만족할 만한 효 율 및 안전성을 제공하지는 못하고 있다.As mentioned above, one of the major problems with nonviral gene delivery systems compared to viral vectors is their low efficiency. In order to solve this problem, a method of linking or conjugating a cell specific ligand and an oligopeptide such as a TAT-derived peptide or an oligo arginine derivative has been attempted. Recently, some basic peptides, known as protein transduction sites (PTDs) or membrane transfer signals (MTSs), have been identified, characterized and introduced into a variety of therapeutic methods for drug, protein, oligonucleotide and plasmid DNA delivery. Interestingly, such sequences are known to contain amino acid residues usually charged with cations such as arginine, lysine. The actual mechanism is not clear and there is debate as to whether entry into the cell membrane is by endocrine pathway or non-endocytic pathway or direct membrane permeation, but a large number of groups have reported increased intracellular delivery. have. Most experiments for delivery have been carried out by covalently binding nucleic acids to signal peptides, and some experiments have been carried out by the formation of simple complexes by electrostatic attraction, but so far no satisfactory efficiency and safety It does not provide.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술이 지니는 문제를 해결하기 위해 제시된 것으로, 본 발명의 목적은 세포내로 요구되는 물질의 수송을 효율적으로 수행하며, 특히 세포내 발현과 관련된 다양한 유전물질들을 전달하는 벡터로서 원하는 유전자의 발현에 크게 기여할 수 있는 신규한 PAMAM 유도체를 제공함에 있다.The present invention has been proposed to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to efficiently carry out the transport of the required material into cells, and in particular, to transfer various genetic materials related to intracellular expression. To provide a novel PAMAM derivative that can greatly contribute to the expression of the desired gene.

또한 본 발명은 상기 PAMAM 유도체를 이용하여 유전자 등을 포함한 원하는 물질을 세포내로 전달하는 방법을 제공함에 있다.In another aspect, the present invention provides a method for delivering a desired substance including a gene into the cell using the PAMAM derivative.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 PAMAM 덴드리머의 표면 1차 아민의 전부 또는 일부가 아르기닌, 라이신, 및 구아니딘의 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 그라프트되어진 세포내 물질전달용 PAMAM 유도체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a PAMAM derivative for intracellular substance transfer in which all or part of the surface primary amine of the PAMAM dendrimer is grafted with at least one substance selected from the group of arginine, lysine, and guanidine. do.

본 발명은 상기 세포내 전달물질이 저분자물질, 펩타이드, 단백질, 올리고뉴클레오티드, 및 플라스미드의 군에서 선택되는 1종의 물질인 유전자 전달용 PAMAM 유도체를 제공한다.The present invention provides a PAMAM derivative for gene delivery, wherein the intracellular delivery material is one of a substance selected from the group consisting of small molecules, peptides, proteins, oligonucleotides, and plasmids.

본 발명은 상기 PAMAM 덴드리머의 표면 1차 아민의 전부 또는 일부가 바람직하게는 아르기닌 단독으로 그라프트되어진 유전자 전달용 PAMAM 유도체를 제공한다.The present invention provides a gene transfer PAMAM derivative in which all or part of the surface primary amine of the PAMAM dendrimer is preferably grafted with arginine alone.

본 발명은 상기 PAMAM 덴드리머의 표면 1차 아민의 전부 또는 일부가 바람직하게는 라이신으로 그라프트되어진 유전자 전달용 PAMAM 유도체를 제공한다.The present invention provides a gene transfer PAMAM derivative in which all or part of the surface primary amine of the PAMAM dendrimer is preferably grafted with lysine.

본 발명은 상기 PAMAM 덴드리머의 표면 1차 아민의 전부 또는 일부가 바람직하게는 구아니딘으로 그라프트되어진 유전자 전달용 PAMAM 유도체를 제공한다.The present invention provides a gene transfer PAMAM derivative in which all or part of the surface primary amine of the PAMAM dendrimer is preferably grafted with guanidine.

본 발명은 상기 PAMAM 덴드리머가 세대 10 이하, 바람직하게는 세대 3∼세대 6인 것을 특징으로 하는 유전자 전달용 PAMAM 유도체를 제공한다.The present invention provides a gene delivery PAMAM derivative, characterized in that the PAMAM dendrimer is generation 10 or less, preferably generation 3 to generation 6.

본 발명은 상기 각 PAMAM 덴드리머가 세포내 투과성에 큰 차이를 가지는 특성을 이용하여 세포내 선택적인 물질 전달을 수행하는 것이 가능한 PAMAM 유도체를 제공한다.The present invention provides a PAMAM derivative capable of performing intracellular selective mass transfer by using the properties of each of the PAMAM dendrimers having a large difference in intracellular permeability.

또한, 본 발명은 PAMAM 덴드리머의 표면 1차 아민의 전부 또는 일부가 아르기닌, 라이신, 및 구아니딘의 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 그라프트되어진 세포내 물질전단용 PAMAM 유도체와 세포내로 전달하고자 하는 물질을 결합시켜 세포내로 물질을 전달하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention is a substance intended to be delivered to the cell and PAMAM derivatives for intracellular material shearing in which all or part of the surface primary amine of the PAMAM dendrimer is grafted with at least one substance selected from the group of arginine, lysine, and guanidine. It provides a method for delivering a substance into cells by binding.

이하, 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the content of the present invention in more detail as follows.

본 발명은 세포내 요구되는 물질을 효율적으로 전달하기 위한 신규한 고분자 벡터를 제공하며, 특히 PAMAM 덴드리머를 기본으로 하면서 표면에 존재하는 1차 아민기를 다른 양이온성 화합물로 치환하여 유전자 등의 전달효율을 높인 PAMAM 유도체를 제공한다.The present invention provides a novel polymer vector for efficiently delivering the required substances in the cell, and in particular, based on the PAMAM dendrimer, the primary amine group on the surface is replaced with other cationic compounds to improve the transfer efficiency of genes and the like. It provides an elevated PAMAM derivative.

본 발명에 의하면 기존 PAMAM의 표면에 존재하는 1차 아민기 위치에 그라프 트되어질 양이온성 화합물로 라이신, 아르기닌 또는 구아니딘이 있으며, 이들은 단독물질로서 그라프트되어져도 좋으며, 2 성분 이상의 물질이 경쟁적으로 그라프트되어져도 좋으나, 바람직하게는 단독으로 사용한 형태가 좋다.According to the present invention, cationic compounds to be grafted at the position of the primary amine group present on the surface of the existing PAMAM include lysine, arginine or guanidine, which may be grafted as a single substance, and two or more components are competitively grafted. Although it may be open, the form used independently is good.

이들 양이온성 화합물은 PAMAM의 표면에 존재하는 전체 1차 아민기의 전체에 걸쳐 그라프트되어져도 좋으며, 그중 일부 예를 들어, 50∼90% 정도 그라프트 되어져도 좋다.These cationic compounds may be grafted over the entire primary amine groups present on the surface of PAMAM, and some of them may be grafted, for example, about 50 to 90%.

본 발명에 사용되어질 수 있는 PAMAM은 특별히 한정되지는 않으며, 예를 들어 세대(G) 10 이하, 바람직하게는 G3∼G6이다.The PAMAM which can be used in the present invention is not particularly limited, for example, generation (G) 10 or less, preferably G3 to G6.

본 발명에 따른 PAMAM 유도체는 다음과 같은 과정에 의해 제조되어질 수 있다. 보호된 양이온성 화합물을 PAMAM에 아미노산 커플링 반응시킨 다음, 반응에 사용된 보호기를 제거하고 유기용매에 침전시켜 수세한 후 얻어진 결과물을 물에 녹여 순수에 투석시키는 과정을 통해 획득할 수 있다. 획득물은 동결건조과정을 통해 분말화되어진다. 위 반응에서 양이온성 화합물로 아르기닌이 사용되는 경우에는 4당량의 HOBt, HBTU, Fmoc-Arg(pbf)-OH와 7.3 당량의 DIPEA을 실온에서 4시간 동안 무수 DMF 용액에 혼합하여 수행되어질 수 있다. 이 경우 보호기로 사용된 Fmoc기와 pbf를 제거하는 2단계의 공정이 요구되어진다. 양이온성 화합물이 라이신 또는 구아니딘이 사용되는 경우에도 전체적인 공정은 위 아르기닌의 예에서와 동일하지만, 구체적인 보호기를 달리할 수 있다 (예를 들면, 위 pbf 보호기는 라이신의 경우 Boc 일 수 있다. 이 경우 탈보호제는 아르기닌에서 사용된 것과는 다른 것이 사용될 수 있다. 예를 들어 TFA 단독사용). 이와 같이 제조과정에서 요구되는 양이온성 화합물의 보호기는 다른 것이 일반적이지만, 조건에 따라서는 동일한 것을 사용할 수도 있으며, 이 경우 단일 공정에 의해 2이상의 양이온성 화합물을 PAMAM의 말단에 그라프트시킬 수도 있다.PAMAM derivatives according to the present invention can be prepared by the following process. The protected cationic compound may be obtained through an amino acid coupling reaction to PAMAM, followed by removal of the protecting group used in the reaction, precipitation in an organic solvent, and washing with water. The obtained product is powdered through lyophilization. When arginine is used as the cationic compound in the above reaction, 4 equivalents of HOBt, HBTU, Fmoc-Arg (pbf) -OH and 7.3 equivalents of DIPEA can be carried out by mixing in anhydrous DMF solution for 4 hours at room temperature. In this case, a two-step process is required to remove the Fmoc and pbf used as protecting groups. Even when cationic compounds are used with lysine or guanidine, the overall process is the same as in the example of arginine, but the specific protecting group may be different (for example, the pbf protecting group may be Boc for lysine. Deprotectors may be used other than those used for arginine, eg TFA alone). As described above, the protecting group of the cationic compound required in the manufacturing process is different, but the same may be used depending on the conditions. In this case, two or more cationic compounds may be grafted to the terminal of the PAMAM by a single process.

상기 과정을 통해 제조되어지는 PAMAM 유도체는 세포내로 소정의 물질을 전달시키는 벡터의 용도로서 적용되어질 수 있다. 본 발명에 따른 PAMAM 유도체는 수용액에서 양성 전하를 띠게되어, 수용액에서 음성 전하를 띠는 물질들과 정전기적 인력에 의한 복합체(폴리플렉스, polyplex)의 형성이 가능하다. 이러한 성질은 본 발명의 PAMAM 유도체가 세포내 전달용 벡터로서 사용되어질 수 있음을 암시한다. 예를 들어 유전자 치료를 위해서는 세포내부(세포핵)에서 DNA가 가진 유전자정보를 이용하여 치료용 단백질로 발현시켜야 하지만(세포형질전환, transfection), DNA 단독으로는 세포 내부로 침투되기 어렵기 때문에, DNA 자체로는 세포형질전환이 어렵다. 그 이유는 세포막이 전체적으로 음성전하를 띠기 때문에, 전기적 반발력으로 음성 전하를 띤 DNA가 세포 내부로 들어가기 어렵기 때문이다. 이에 따라 본 발명에 따른 PAMAM 유도체는 음전하를 띠는 DNA를 포함한 올리고뉴클레오티드와 폴리플렉스를 형성하여 전체적으로 중성 또는 양이온성을 띠게 하여 세포 내부로의 침투를 용이하게 한다.The PAMAM derivative prepared by the above process may be applied as a use of a vector for delivering a predetermined substance into a cell. The PAMAM derivative according to the present invention has a positive charge in an aqueous solution, and thus it is possible to form a complex (polyplex, polyplex) by negatively charged materials and electrostatic attraction in the aqueous solution. This property suggests that the PAMAM derivatives of the present invention can be used as vectors for intracellular delivery. For example, for gene therapy, DNA must be expressed inside the cell (cell nucleus) as a therapeutic protein (cell transformation, transfection), but DNA alone is difficult to penetrate into the cell. Cell transformation is difficult on its own. The reason is that since the cell membrane is generally negatively charged, it is difficult for DNA with negative charge to enter the cell due to electrical repulsion. Accordingly, the PAMAM derivative according to the present invention forms a polyplex with oligonucleotides including negatively charged DNA, which is neutral or cationic as a whole, thereby facilitating penetration into cells.

상기 올리고뉴클레오티드로는 단일사슬 또는 이중사슬의 DNA 또는 RNA 및 플라스미드를 포함한다. 상기 올리고뉴클레오티드로는 DNA 또는 임의의 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는 플라스미드, RNA일 수 있으며 RNA는 mRNA, tRNA, rRNA 뿐만 아니라 임의의 세포의 타겟 DNA, RNA 서열과 상보적인 엔티센스 RNA 및 리보 자임(Rybozyme)을 포함한다. 상기 단백질을 코딩하는 유전자로는 질병의 치료 또는 진단과 관련된 폴리펩타이드를 코딩하는 유전자를 포함한다. 상기 유전자에 의해 코딩되는 폴리펩타이드에는 각종 호르몬, 조직접합성 항원, 세포부착단백질, 사이토카인, 각종 항체, 세포 수용체, 세포내 또는 세포외 효소 및 이들의 절편 등을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 올리고뉴클레오티드로는 유전자발현조절인자, 예를 들면 전사프로모터, 인헨서, 사일렌서, 오퍼레이터, 터미네이터, 어테뉴에이터 및 기타 발현조절인자 등을 포함하는 것이 바람직하다.The oligonucleotides include single or double chain DNA or RNA and plasmids. The oligonucleotides may be DNA or plasmids comprising RNAs encoding genes of any protein, RNA and RNAs are mRNAs, tRNAs, rRNAs as well as antisense RNAs and ribozymes complementary to the target DNA, RNA sequence of any cell. (Rybozyme). Genes encoding the protein include genes encoding polypeptides associated with the treatment or diagnosis of a disease. The polypeptide encoded by the gene preferably includes various hormones, tissue-adhesive antigens, cell adhesion proteins, cytokines, various antibodies, cellular receptors, intracellular or extracellular enzymes and fragments thereof. In addition, the oligonucleotides preferably include gene expression regulators, for example, transcriptional promoters, enhancers, silencers, operators, terminators, attenuators, and other expression regulators.

상기 올리고뉴클레오티드 이외에 본 발명에 따른 PAMAM 유도체를 이용하여 세포내로 전달되어질 수 있는 물질로는, 예를 들어, 저분자화합물, 펩타이드, 단백질의 군에서 선택되는 1종의 물질일 수 있다. 저분자 화합물의 예를 들면, 5-플루오로우라실, 이부프로펜, 파크리탁셀, 커큐민, 클로람페니콜, 악티노마이신, 독소루비신 등이 있다. 펩타이드는 p53 펩타이드, p16 펩타이드, p21 펩타이드, Smac 펩타이드, VHL 종양억제펩타이드, 메를린, MAK19 등이 있다. 단백질의 예를 들면, α-인터페론, β-인터페론, 에리스로포이에틴, 인슐린, 인터루킨-2, 인간성장인자(HGF), 신경성장인(NGF), 혈관내피성장인자(VEGF) 등이 있다. In addition to the oligonucleotide, the substance that can be delivered into the cell using the PAMAM derivative according to the present invention may be, for example, one substance selected from the group of low molecular weight compounds, peptides, and proteins. Examples of low molecular weight compounds include 5-fluorouracil, ibuprofen, paclitaxel, curcumin, chloramphenicol, actinomycin, doxorubicin, and the like. Peptides include p53 peptide, p16 peptide, p21 peptide, Smac peptide, VHL tumor suppressor peptide, Merlin, MAK19 and the like. Examples of proteins include α-interferon, β-interferon, erythropoietin, insulin, interleukin-2, human growth factor (HGF), nerve growth factor (NGF), vascular endothelial growth factor (VEGF), and the like.

본 발명에 따른 PAMAM 유도체로 유전자 이외의 상기 저분자, 펩타이드나 단백질 등의 생기능성 혹은 약물 분자를 전달하는 방식은 다음과 같다.The PAMAM derivative according to the present invention is a method of delivering a biofunctional or drug molecule such as the low molecule, peptide or protein other than the gene as follows.

1) 호스트-게스트 방식1) Host-Guest

상기 방식은 본 발명에 따른 PAMAM 유도체 내부(host)에 생성되는 공간에 저분자 물질(guest)을 끼워 들어가게 해서 세포 내로 전달하는 모든 방식을 포함하는 것으로, 예를 들어 수용액상에 잘 녹지 않는 약물 분자와 수용성인 PAMAM 유도체가 서로 용해되는 유기 용매상에서 혼합된 후 유기용매를 증발시킨 뒤 남은 침전물을 수용액상에 용해시키는 방법으로 복합체를 만드는 방식이 있다. 또다른 방법으로 물에 섞이는 유기용매에 둘을 용해시킨 후 수용액상에 분산시키는 방법으로 복합체를 만들 수도 있을 것이다. 이러한 방법을 통하면 수용액상에서 극도로 용해도가 낮은 약물 분자를 높은 용해도로 수용액상에 용해시킬 수 있어 생화학 또는 의약학적인 응용이 가능해진다. 끼워 들어가는 약물분자의 크기는 PAMAM 유도체의 내부공간에 따라 제한되며 그 약물의 특성에 따라 농도, 용매로 쓰이는 유기용매의 종류나 수용액의 pH, 조성 등은 변화될 수 있다.The above method includes all methods of inserting a low molecular weight (guest) into the space generated inside the PAMAM derivative host according to the present invention and transferring the same into cells, for example, drug molecules that are difficult to dissolve in an aqueous solution. Water-soluble PAMAM derivatives are mixed in an organic solvent which is dissolved in each other, and then a complex is formed by dissolving the remaining precipitate in an aqueous solution after evaporating the organic solvent. Alternatively, the complex may be prepared by dissolving both in an organic solvent mixed with water and then dispersing it in an aqueous solution. Through this method, drug molecules with extremely low solubility in aqueous solution can be dissolved in aqueous solution with high solubility, thereby enabling biochemical or medicinal applications. The size of the drug molecule to be inserted is limited by the internal space of the PAMAM derivative, and the concentration, the type of organic solvent used as the solvent, the pH of the aqueous solution, and the composition may be changed depending on the properties of the drug.

2) 화학 결합 방식2) chemical bonding method

본 방식은 본 발명에 따른 PAMAM 유도체의 표면에 생기능성 분자 등을 화학적으로 결합하여 일종의 프로드러그(prodrug) 형태로 세포 내로 전달하는 방식이다. 상기 방식은 크게 다음의 두 가지로 나뉠 수 있다.This method is a method of chemically binding a biofunctional molecule or the like to the surface of the PAMAM derivative according to the present invention is delivered to the cell in the form of a kind of prodrug (prodrug). The method can be largely divided into the following two types.

① 생체 내에서 안정한 결합① stable binding in vivo

상기 결합방식은 본 발명에 따른 PAMAM 유도체와 생체 내에서 안정한 아마이드 결합이나 -C-N- 결합 등을 통하여 생기능성 분자를 생접합하는 모든 방식을 포함한다. 우선 PAMAM 유도체의 표면은 pKa 값이 다른 일차 아민과 구아니딘 작용기가 노출되어 있으므로 일차 아민만을 이용해 결합시키기 위한 완충액 조건이 필요하다. 예를 들어 PAMAM 유도체의 일차 아민의 친핵성 반응을 이용해 결합시키기 위해서는, 전달 물질의 결합 부위 작용기가 -COOH 작용기나, 각종 할로겐 분자 등과 같은 이탈기(leaving group)로 활성화된 작용기로 화학적 처리를 통해 변형되어야 하며 PAMAM 유도체와 전달 물질간의 직접적인 반응이나 커플링제를 이용한 반응을 통해 결합시킨다.The binding method includes all the methods of bioconjugating a biofunctional molecule through a PAMAM derivative according to the present invention and a stable amide bond or -C-N- bond in vivo. First, since the surface of the PAMAM derivative is exposed to primary amines and guanidine functional groups having different pKa values, buffer conditions for binding using only primary amines are necessary. For example, in order to bind the nucleophilic reaction of the primary amine of the PAMAM derivative, the binding site functional group of the transfer material is chemically treated with a functional group activated by a leaving group such as -COOH functional group or various halogen molecules. It must be modified and bound via a direct reaction between the PAMAM derivative and the delivery material or through a coupling agent.

② 생분해성 결합② biodegradable bonds

본 방식은 상기 ①번 방식과 유사하나 결합을 생체내 안정한 결합이 아닌 생분해성 결합으로 대체하는 모든 방식을 포함한다. 이 방식에는 예를 들어 가수분해를 통해 분해되는 에스테르 결합, 엔도좀 환경의 낮은 pH에서 분해되는 오르토-에스테르, 아세탈, 하이드라존 결합, 세포내 환원 전위에서 분해되는 다이설파이드 결합 등을 이용할 수 있다.The present method is similar to the above ① method, but includes all the methods of replacing the bonds with biodegradable bonds rather than in vivo stable bonds. In this manner, for example, ester bonds degraded through hydrolysis, ortho-esters degraded at low pH in an endosome environment, acetal, hydrazone bonds, disulfide bonds degraded at intracellular reduction potential, and the like can be used. .

이하 본 발명의 내용을 실시예를 통해 구체적으로 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 설명을 위한 예시에 불과하며 이들이 본 발명의 권리범위를 제한하는 어떠한 의미로도 사용되어서는 아니된다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in detail through examples. However, the following examples are merely illustrative for the purpose of describing the present invention and they should not be used in any sense to limit the scope of the present invention.

<실시예><Example>

(1) 실험과정(1) Experimental process

1)재료1) material

PAMAM G4(스타버스트), 3-[4,5-디메틸티아졸-2-일]-2,5-디페닐테트라졸리움브로마이드(MTT), 피페리딘, N,N-디메틸포름아마이드(DMF), N,N-디이소프로필에틸아민(DIPEA), 및 BSA는 시그마-알드리치 코리아로부터 구입하였다. N-하이드록시벤 조트리아졸(HOBt)와 2-(1H-벤조트리아졸-1-일)-1,1,3,3-테트라메틸유로니움(HBTU)는 아나스펙(산호세, CA)으로부터 구입하였고, Fmoc-L-Arg(pbf)-OH는 노바바이오켐(산디에고, CA)으로부터 구입하였다. 루시퍼라제 검정용 키트는 프로메가(메디슨, WI)로부터 구입하였다. 피코그린 시약은 몰레큘라 프로브스로부터 구입하였다. 우태혈청(FBS), 우아혈청(FCS), 100 ×항생-항진균제와 둘베코의 수정된 이글배지(DMEM)는 GIBCO(게티스버그, MD)로부터 구입하였다. DMEM/F-12는 캠브렉스(워커스빌, MD)로부터 구입하였다. 콜라게나제 타입Ⅱ, 엘레스타제, 대두 트립신 저해제는 워싱톤(레이크우드, NJ)으로부터 구입하였다.PAMAM G4 (Starburst), 3- [4,5-dimethylthiazol-2-yl] -2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT), piperidine, N, N-dimethylformamide (DMF) , N, N-diisopropylethylamine (DIPEA), and BSA were purchased from Sigma-Aldrich Korea. N-hydroxybenzotriazole (HOBt) and 2- (1H-benzotriazol-1-yl) -1,1,3,3-tetramethyluronium (HBTU) from Anaspec (San Jose, Calif.) Was purchased and Fmoc-L-Arg (pbf) -OH was purchased from Nova Biochem (San Diego, Calif.). Luciferase assay kit was purchased from Promega (Madison, WI). Picogreen reagent was purchased from Molecular Probes. Fetal bovine serum (FBS), grace serum (FCS), 100 × antibiotic-antifungal and Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) were purchased from GIBCO (Gettysburg, MD). DMEM / F-12 was purchased from Cambrex (Walkersville, MD). Collagenase type II, eletasses, soybean trypsin inhibitors were purchased from Washington (Lakewood, NJ).

2)PAMAM-Arg와 PAMAM-Lys의 합성2) Synthesis of PAMAM-Arg and PAMAM-Lys

PAMAM과의 아미노산 커플링은 4당량의 HOBt, HBTU, Fmoc-Arg(pbf)-OH와 7.3 당량의 DIPEA을 실온에서 4시간 동안 무수 DMF 용액에 혼합하여 수행하였다. 결과물은 에틸에테르에 침전시켰고, 과잉의 에테르로 세척하였다. Fmoc-Arg(pbf)가 결합된 덴드리머의 Fmoc 기는 DMF(v/v)에 30% 피페리딘을 가하여 제거하였다. 1시간의 탈보호화 과정 후에 혼합물은 에틸에테르에 침전시켰고, 과잉의 에테르로 세척하였다. 아르기닌의 pbf 기를 탈보호화(실온에서 6시간 처리)하기 위하여 부피분율로 95:2.5:2.5의 트리플루오로아세트산 : 트리이소프로필실란 : H2O를 사용하였다. 최종산물은 에틸에테르에서 침전시켰고, 과잉의 에테르로 세척하였다. 생성물은 물에 용해시켜 4℃에서 밤새도록 순수에 대하여 투석을 실시하였다. 그런 다음, 생성 물을 동결건조한 후 백색 분말로 회수하였다.Amino acid coupling with PAMAM was performed by mixing 4 equivalents of HOBt, HBTU, Fmoc-Arg (pbf) -OH and 7.3 equivalents of DIPEA in anhydrous DMF solution for 4 hours at room temperature. The resultant was precipitated in ethyl ether and washed with excess ether. Fmoc groups of dendrimers bound to Fmoc-Arg (pbf) were removed by adding 30% piperidine to DMF (v / v). After 1 hour of deprotection the mixture was precipitated in ethyl ether and washed with excess ether. In order to deprotect the pbf group of arginine (treatment at room temperature for 6 hours), trifluoroacetic acid: triisopropylsilane: H 2 O in a volume fraction of 95: 2.5: 2.5 was used. The final product was precipitated in ethyl ether and washed with excess ether. The product was dissolved in water and dialyzed against pure water overnight at 4 ° C. The product was then lyophilized and recovered as a white powder.

PAMAM-라이신의 전체 공정도 위 기재된 과정과 동일하게 수행하였다. 다만, Fmoc-Lys(Boc)-OH을 사용하였고, BOC기를 제거하기 위하여 90%TFA를 사용하였다 (실온에서 1시간). 생성물의 수율은 대개 99%를 넘었고, 고분자의 1H NMR 스펙트라(300MHz, D2O)를 도 1에 나타내었다.The entire process of PAMAM-lysine was also performed in the same manner as described above. However, Fmoc-Lys (Boc) -OH was used, and 90% TFA was used to remove the BOC group (1 hour at room temperature). The yield of the product was usually over 99% and the 1 H NMR spectra (300 MHz, D 2 O) of the polymer is shown in FIG.

3)PAMAM-Gu의 합성3) Synthesis of PAMAM-Gu

PAMAM 덴드리머에 아르기닌을 바로 생접합하는 대신에 아르기닌에 구아니딘 작용기가 있는 것에 착안하여, PAMAM 덴드리머의 표면에 있는 일차아민을 구아니딘 작용기로 직접 변환시켰다. PAMAM 덴드리머 일차아민의 5배 몰비에 해당하는 양의 탄산칼륨과 1H-파이라졸-1-카르복사미딘을 물에 녹인 뒤, 물에 녹은 PAMAM 덴드리머 용액과 혼합하여 실온에서 20시간 동안 반응시켰다. 그 후, MWCO 1000인 투석막에 2일동안 투석한 뒤 동결건조하여 정제하였다. Instead of bioconjugating arginine directly to the PAMAM dendrimer, the primary amine on the surface of the PAMAM dendrimer was converted directly to the guanidine functional group, focusing on the fact that arginine had a guanidine functional group. Potassium carbonate and 1H-pyrazole-1-carboxamidine in an amount corresponding to a 5-fold molar ratio of PAMAM dendrimer primary amine were dissolved in water, mixed with PAMAM dendrimer solution dissolved in water, and reacted at room temperature for 20 hours. Thereafter, the dialysis membrane of MWCO 1000 was dialyzed for 2 days and then purified by lyophilization.

300MHz 1H NMR로 확인한 결과 PAMAM 덴드리머 표면 일차아민의 55∼61% 정도가 구아니딘 작용기로 변환된 것으로 확인되었다.As a result of 300 MHz 1 H NMR, 55-61% of the PAMAM dendrimer surface primary amine was found to be converted to a guanidine functional group.

4)플라스미드 준비4) Plasmid Preparation

리포터 유전자로 개똥벌레 루시퍼라제 유전자를 사용하여 유전자 트렌스펙션의 결과를 관찰하였다. SV40 대형 T항원에서 유래된 21아미노산으로 구성되는 세포 핵 지향신호를 가지는 포티너스 피랄리스 루시퍼라제 발현 플라스미드(pCN-Luci)를 pCN에 서브클론시켜 구축하였다. pCN 벡터는 CMV 프로모터 만을 가진 벡터보다 더욱 잘 발현되는 것으로 알려져 있다. 플라스미드 DNA를 E.Coli TOP10 수용세포에 전이시켰고, 제조사의 지시에 따라 Qiagen(바렌시아, CA. USA)로부터 플라스미드 정제 메가 키트를 이용하여 고도로 정제된 플라스미드를 분리하였다. 플라스미드를 이소프로판올에 침전시켰고, 70%에탄올로 세척하였으며, 증류수에 재현탁하였다. DNA는 -20℃에서 사용전까지 보관하였다.The results of gene transfection were observed using the firefly luciferase gene as the reporter gene. A fortineus pyralis luciferase expression plasmid (pCN-Luci) having a cell nuclear direct signal composed of 21 amino acids derived from SV40 large T antigen was constructed by subcloning into pCN. pCN vectors are known to be better expressed than vectors with only CMV promoter. Plasmid DNA was transferred to E.Coli TOP10 recipient cells and highly purified plasmids were isolated from Qiagen (Valencia, CA. USA) using the Plasmid Purification Mega Kit according to the manufacturer's instructions. The plasmid was precipitated in isopropanol, washed with 70% ethanol and resuspended in distilled water. DNA was stored at -20 ° C until use.

5)아가로스겔 전기영동 실험5) Agarose gel electrophoresis experiment

HEPES 버퍼(25mM, pH 7.4, 10mM MgCl2)에서 실온에서 30분간 폴리머와 pCN-루시퍼라제(pCN-Luci) 플라스미드 사이의 전하비(Charge ratio)를 달리하여 배양하여 복합체를 형성하였다. 각 샘플은 0.7% 아가로스겔상에서 전기영동하여 분석하였고, 37℃에서 EtBr(0.5㎍/㎖)을 함유한 버퍼에서 1시간동안 배양하여 염색하였다.Complexes were formed by varying the charge ratio between the polymer and the pCN-Luciferase (pCN-Luci) plasmid for 30 minutes at room temperature in HEPES buffer (25 mM, pH 7.4, 10 mM MgCl 2 ). Each sample was analyzed by electrophoresis on 0.7% agarose gel and stained by incubating for 1 hour in a buffer containing EtBr (0.5 μg / ml) at 37 ° C.

6)폴리플렉스 형성을 위한 피코그린 에세이6) PicoGreen Essay for Polyplex Formation

200㎕의 HEPES-버퍼 식염수(HBS, 25mM HEPES, 150mM NaCl, pH 7.4)에서 전하비를 0.5∼30의 범위로 달리하면서 플라스미드 DNA(1.0㎍)와 덴드리머의 폴리플렉스를 제조하고, 혼합물을 실온에서 30분간 배양하였다. 그런 다음, TE 버퍼(10mM 트리스, 1mM EDTA, pH7.5)에 희석된 200㎕의 피코그린 시약을 첨가하고, 2분간 더 배양하였다. 스펙트로플루오로미터(JASCO FP-750)로 형광강도를 측정하기 전에 폴리플렉스를 희석하여 총 2㎖의 TE 버퍼가 되도록 하였다. 여기(λex)와 방출(λem) 파장은 각각 480nm과 520nm이었다.Polyplexes of plasmid DNA (1.0 μg) and dendrimer were prepared in 200 μl of HEPES-buffered saline (HBS, 25 mM HEPES, 150 mM NaCl, pH 7.4) with varying charge ratios in the range of 0.5 to 30, and the mixture at room temperature. Incubate for 30 minutes. Then, 200 μl of picogreen reagent diluted in TE buffer (10 mM Tris, 1 mM EDTA, pH7.5) was added and incubated for 2 more minutes. Before measuring the fluorescence intensity with a spectrofluorometer (JASCO FP-750) the polyplexes were diluted to a total of 2 ml of TE buffer. The excitation (λ ex ) and emission (λ em ) wavelengths were 480 nm and 520 nm, respectively.

7)제타포텐셜과 입자크기 측정7) Zeta Potential and Particle Size Measurement

제타포텐셜 값과 폴리플렉스의 크기를 PCS 1.61 소프트웨어를 사용하는 Malvern Zetasizer 3000HAs 시스템 (Malvern Instruments, Worcestershire, UK)을 이용하여 측정하였다. 제타포텐셜 실험을 위해 HBS(10mM HEPES, 1mM NaCl, pH 7.4)내에, 그리고 크기 측정을 위해 물에 각각 최종 농도 5㎍/㎖ 플라스미드 DNA로 폴리플렉스를 형성하였다.Zeta potential values and polyplex sizes were measured using a Malvern Zetasizer 3000HAs system (Malvern Instruments, Worcestershire, UK) using PCS 1.61 software. Polyplexes were formed in HBS (10 mM HEPES, 1 mM NaCl, pH 7.4) for zetapotent experiments and with a final concentration of 5 μg / ml plasmid DNA in water, respectively, for size determination.

8)세포 배양8) Cell culture

인간 태아 신장 293세포와 뉴로 2A(쥐 신경아세포종) 세포를 10% FBS를 함유한 DMEM에 배양하였다. 인간 간 암종 HepG2 세포를 10%FBS를 함유한 MEM에 배양하였다. 1차 래트 대동맥관 평활근 세포를 10% FBS를 함유한 DMEM/F12에 배양하였다. 세포들은 5% CO2/95%공기를 함유한 습한환경에서 37℃로 플라스틱 조직배양접시(Falcon)상에서 유지하였다. 모든 배지는 1 ×항생-항진균제를 함유하였다.Human fetal kidney 293 cells and neuro 2A (murine neuroblastoma) cells were cultured in DMEM containing 10% FBS. Human liver carcinoma HepG2 cells were cultured in MEM containing 10% FBS. Primary rat aortic vascular smooth muscle cells were cultured in DMEM / F12 containing 10% FBS. Cells were maintained on a plastic tissue dish (Falcon) at 37 ° C. in a humid environment containing 5% CO 2 /95% air. All media contained 1 × antibiotic-antifungal agent.

9)1차 래트 대동맥관 평활근 세포 준비9) Primary Rat Aortic Tube Smooth Muscle Cell Preparation

1차 배양에서 래트 대동맥관 평활근으로부터 세포를 분리하였다. 요약하면, DMEM/F12에 준비된 1㎎/㎖ 콜라게나제 타입Ⅱ, 0.25㎎/㎖ 엘라스타제, 1㎎/㎖ 대두 트립신 저해제 및 2㎎/㎖ BSA를 함유하는 효소혼합물을 37℃에서 예열하고, 6주령 SD 래트로부터 얻은 대동맥과 함께 배양하고 작은 조각을 절단하였다(Charles River, Japan). 37℃에서 교반하면서 30∼45분간 효소처리시켰다. 결과 얻어진 세포 현탁액을 4℃에서 5분간 1000rpm으로 원심분리하고, 얻어진 세포 펠렛은 10%FCS, 100㎎/㎖ 페니실린 및 0.1㎎/㎖ 스트렙토마이신을 함유하는 DMEM/F12로 수세하였다. 그런 다음 세포들을 10% FBS와 1ㅧ항생-항진균제를 함유하는 DMEM/F12 배지에 유지시켰다.Cells were isolated from rat aortic vascular smooth muscle in primary culture. In summary, the enzyme mixture containing 1 mg / ml collagenase type II, 0.25 mg / ml elastase, 1 mg / ml soybean trypsin inhibitor and 2 mg / ml BSA prepared in DMEM / F12 was preheated at 37 ° C. , And incubated with the aorta obtained from 6-week-old SD rats and cut small pieces (Charles River, Japan). Enzyme treatment was carried out for 30 to 45 minutes with stirring at 37 ℃. The resulting cell suspension was centrifuged at 1000 rpm for 5 minutes at 4 ° C., and the resulting cell pellet was washed with DMEM / F12 containing 10% FCS, 100 mg / ml penicillin and 0.1 mg / ml streptomycin. Cells were then maintained in DMEM / F12 medium containing 10% FBS and 1 ′ antibiotic-antifungal agents.

10)시험관내 세포독성 실험10) In vitro Cytotoxicity Test

세포독성 검정을 위하여 비색 MTT분석을 수행하였다. 요약하면, 293과 HepG2 세포들은 96웰 플레이트에 1 ×104세포/웰의 농도로 분주하고, 폴리머와 함께 배양하기 전에 1일 동안 100㎕ 배지에 배양하였다. 세포를 PEI 25kDa, PAMAM G4, PAMAM-Arg와 PAMAM-Lys으로 2일간 처리한 후 26㎕ MTT 스톡용액(2㎎/㎖)을 각 웰에 가하고, 4시간 더 배양하였다. 배지를 제거하고, 150㎕ DMSO를 가한 후 마이크로플레이트 리더를 이용하여 570nm에서 흡광도를 측정하였다.Colorimetric MTT assay was performed for cytotoxicity assay. In summary, 293 and HepG2 cells were dispensed in 96 well plates at a concentration of 1 × 10 4 cells / well and incubated in 100 μl medium for 1 day before incubation with polymer. Cells were treated with PEI 25kDa, PAMAM G4, PAMAM-Arg and PAMAM-Lys for 2 days, and then 26 μl MTT stock solution (2 mg / ml) was added to each well and incubated for 4 hours. The medium was removed, 150 μl DMSO was added and the absorbance was measured at 570 nm using a microplate reader.

11)트랜스펙션 실험과 에세이11) Transfection Experiments and Essays

293(5 ×104 셀(cell)/웰(well)), HepG2(5 ×104 셀/웰)과 뉴로2A(1 ×105 셀/웰)세포를 24웰 플레이트(well plate)에 분주하고, 트랜스펙션을 시키기 전에 1일간 10% FBS를 함유한 600㎕의 배지에 배양하였다. 1차 래트 혈관평활근 세포에 대하여 4 ×104 셀/웰을 분주하고, 트랜스펙션하기 전에 2일간 배양하였다. 150㎕의 FBS 무함유 배지에 다양한 전하비 하에 플라스미드 DNA와 덴드리머의 폴리플렉스를 제조하였고, 혼합물을 실온에서 30분간 배양하였다. FBS가 없는 조건을 위해 배지를 트랜스펙션 이전에 600㎕의 FBS 무함유 배지로 치환하였다. 폴리플렉스를 4시간 처리한 후에 배지를 10% FBS를 함유하는 600㎕ 배지로 치환하였다. 세포들은 에세이를 수행하기 전에 2일간 더 배양하였다. 배양배지를 제거한 후에 세포를 DPBS로 세척하였고, 150㎕ 리포터 분해용 버퍼(Promega)를 사용하여 실온에서 30분간 분해하였다. LB9507 루미노미터(Berthold, 독일)를 이용하여 루시퍼라제 활성을 측정하였다. 단백질 함량은 Micro BCA 에세이 시약키트(Pierce, Rockford, IL)를 이용하여 측정하였다.Dispense 293 (5 × 10 4 cells / well), HepG2 (5 × 10 4 cells / well), and Neuro2A (1 × 10 5 cells / well) cells into a 24-well plate And incubated in 600 μl of medium containing 10% FBS for 1 day before transfection. Primary rat vascular smooth muscle cells were dispensed with 4 × 10 4 cells / well and incubated for 2 days prior to transfection. Polyplexes of plasmid DNA and dendrimers were prepared in 150 μl of FBS free medium under various charge ratios, and the mixture was incubated at room temperature for 30 minutes. For conditions without FBS, the medium was replaced with 600 μl of FBS free medium before transfection. After 4 hours of polyplex treatment, the medium was replaced with 600 μl medium containing 10% FBS. Cells were incubated for two more days before the assay. After removing the culture medium, the cells were washed with DPBS and digested for 30 minutes at room temperature using 150 μl reporter digestion buffer (Promega). Luciferase activity was measured using an LB9507 luminometer (Berthold, Germany). Protein content was measured using a Micro BCA assay reagent kit (Pierce, Rockford, IL).

12)PAMAM 유도체의 유전자 전달 동물 실험12) Gene transfer animal experiment of PAMAM derivative

LacZ 유전자를 함유하는 플라스미드/PAMAM-R 유도체의 복합체를 정상적인 래트의 뇌에 주사한 뒤, X-Gal 염색을 통하여 동물 생체내에서의 유전자 전달을 조사하였다.Complexes of plasmid / PAMAM-R derivatives containing the LacZ gene were injected into the brains of normal rats and then examined for gene transfer in vivo via X-Gal staining.

13)PAMAM-Arg과 PAMAM-Lys의 세포내 침투능력 차이13) Intracellular Penetration Ability of PAMAM-Arg and PAMAM-Lys

약 30000개의 HeLa 세포주를 1.8 mL의 DMEM 배지에 배양한 뒤 FITC로 표지한 PAMAM-Arg과 PAMAM-Lys 20㎍을 혼합하고, 48시간 뒤에 형광현미경으로 양 PAMAM 유도체들의 세포내 침투능력의 차이를 관찰하였다. After incubating approximately 30000 HeLa cell lines in 1.8 mL of DMEM medium, 20 μl of PAMAM-Arg and PAMAM-Lys labeled with FITC were mixed, and after 48 hours, the difference in intracellular infiltration capacity of both PAMAM derivatives was observed by fluorescence microscopy. It was.

(2) 실험결과(2) Experiment result

1)PAMAM-Arg과 PAMAM-Lys의 합성 및 특성1) Synthesis and Characterization of PAMAM-Arg and PAMAM-Lys

아르기닌이 풍부한 펩타이드는 유효한 유전자 전달 벡터로서 제공되어질 수 있다. 또한 올리고아르기닌(n=6-9)은 막전달 신호라는 것이 밝혀졌고, 많은 키메릭 펩타이드 들이 지난 수년 동안 개발되어 왔다. 최근에, 아르기닌 덴드리머가 Kasai등에 의해 보고되어졌다. 이에 의하면 폴리L-라이신 덴드리머의 골격의 각 1차 아미노기에 8 또는 16개의 아르기닌 잔기를 도입하고, 폴리L-라이신 덴드리머 자체와 암세포의 혈관형성억제능을 비교하였다. 최근에는 오쿠다 등은 높은 트랜스펙션 효율은 수지상 폴리머-L-라이신의 말단 라이신들을 아르기닌으로 대체 함으로써 얻을 수 있다고 보고하였다. 본 발명은 저렴한 가격으로 상업적으로 구매가능하며, 분자량이 적당히 작고 엔도솜 버퍼링 효과에 기여하는 것으로 알려진 3차 아민을 적당하게 함유하는 PAMAM 덴드리머(세대 4)의 수지상 표면에 아르기닌 잔기를 그라프팅함으로써, 강력한 트랜스펙션제로의 가능성을 조사하였다. 세포 통과 펩타이드의 주요 유니트인 아르기닌 잔기의 도입이 유전자 전달 효율에 미치는 영향을 파악하 기 위해 아르기닌은 PAMAM 덴드리머의 표면 1차 아민에 컨쥬게이팅시켜 PAMAM의 각 말단부에 위치시켰다. 덴드리머의 고안과 합성의 목적은 DNA와 복합체를 형성한 후에 공간적으로 배향된 여분의 아르기닌 잔기가 세포에 의한 흡수를 촉진시키는데 기여하고 그 결과 트랜스펙션 효율을 증가시키는 것에 있다.Arginine-rich peptides can be provided as effective gene transfer vectors. It has also been found that oligoarginine (n = 6-9) is a membrane transport signal, and many chimeric peptides have been developed over the years. Recently, arginine dendrimers have been reported by Kasai et al. According to this, 8 or 16 arginine residues were introduce | transduced into each primary amino group of the backbone of a polyL-lysine dendrimer, and the polyl-lysine dendrimer itself and the angiogenesis inhibitory ability of cancer cells were compared. Recently, Okuda et al. Reported that high transfection efficiency can be obtained by replacing the terminal lysines of dendritic polymer-L-lysine with arginine. The present invention is available by grafting arginine residues on dendritic surfaces of PAMAM dendrimers (generation 4), which are commercially available at low prices, moderately small in molecular weight and suitably containing tertiary amines known to contribute to the endosomal buffering effect, The possibility of a strong transfection agent was investigated. Arginine was conjugated to the surface primary amine of PAMAM dendrimer and placed at each end of PAMAM to determine the effect of the introduction of arginine residues, a major unit of cell-penetrating peptides, on gene transfer efficiency. The purpose of designing and synthesizing dendrimers is that the spatially oriented extra arginine residues after complexing with DNA contribute to promoting uptake by the cell and consequently to increase transfection efficiency.

도 1에 나타낸 바와 같이 폴리머의 1H NMR 스펙트라는 다음과 같다.As shown in FIG. 1, the 1 H NMR spectra of the polymer are as follows.

1H NMR (300 MHz,D2O) PAMAM: δ2.44(-NCH2CH 2 CO-of PAMAM 유닛, 248H), 2.63 (-CONHCH2CH 2 N- of PAMAM 유닛, 120H과 -NCH 2 CH 2 N- of PAMAM 유닛, 4H), 2.72(-CONHCH2CH 2 NH2- of PAMAM 유닛, 128H), 2.83(-NCH 2 CH2CO- of PAMAM 유닛, 248H), 3.25(-CONHCH 2 CH2N- of PAMAM 유닛, 248H). PAMAM-Arg: δ1.68(-HCCH2CH 2 CH2NH- of 아르기닌, 116H), 1.93(-HCCH 2 CH2CH2NH- of 아르기닌, 116H), 2.63(-NCH2CH 2 CO- of PAMAM 유닛, 248H), 2.83(-CONHCH2CH 2 N- of PAMAM 유닛 및 -NCH 2 CH 2 N- of PAMAM 유닛), 2.96(-CONHCH2CH 2 NH2- of PAMAM 유닛), 3.13(-NCH 2 CH2CO -of PAMAM 유닛), 3.25(-HCCH2CH2CH 2 NH- of 아르기닌), 3.46(-CONHCH 2 CH2N- of PAMAM 유닛 및 -CONHCH2CH 2 NHCO- of PAMAM 유닛), 4.01(-HCCH2CH2CH2NH- of 아르기닌, 58H). PAMAM-Lys: δ1.45(-CHCH2CH 2 CH2CH2NH2- of 라이신, 120H), 1.73(-CHCH2CH 2 CH2NH2- of 라이신, 120H), 1.89(-CHCH 2 CH2CH2NH2- of 라이신, 120H), 2.53(-NCH2CH 2 CO- of PAMAM 유닛, 248H), 2.81(-CONHCH2CH 2 N- of PAMAM 유닛, 및 -NCH 2 CH 2 N- of PAMAM 유닛), 3.02(-CONHCH2CH 2 NH2 of PAMAM 유닛, -NCH 2 CH2CO- of PAMAM 유닛 및 -CHCH2CH2CH2 H 2 NH2- of 라이신), 3.39(-CONHCH 2 CH2N- of PAMAM 유닛 및 -CONHCH2CH 2 NHCO- of PAMAM 유닛), 3.92(-CHCH2CH2CH2CH2NH2- of 라이신, 60H). 1 H NMR (300 MHz, D2O) PAMAM: δ2.44 (-NCH 2 C H 2 CO-of PAMAM Unit, 248H), 2.63 (-CONHCH 2 C H 2 N- of PAMAM Unit, 120H and -NC H 2 C H 2 N- of PAMAM unit, 4H), 2.72 (-CONHCH 2 C H 2 NH 2 -of PAMAM unit, 128H), 2.83 (-NC H 2 CH 2 CO- of PAMAM unit, 248H), 3.25 (- CONHC H 2 CH 2 N- of PAMAM unit, 248H). PAMAM-Arg: δ 1.68 (-HCCH 2 C H 2 CH 2 NH- of arginine, 116H), 1.93 (-HCC H 2 CH 2 CH 2 NH- of arginine, 116H), 2.63 (-NCH 2 C H 2 CO- of PAMAM unit, 248H), 2.83 (-CONHCH 2 C H 2 N- of PAMAM unit and -NC H 2 C H 2 N- of PAMAM unit), 2.96 (-CONHCH 2 C H 2 NH2- of PAMAM unit ), 3.13 (-NC H 2 CH 2 CO-of PAMAM unit), 3.25 (-HCCH 2 CH 2 C H 2 NH- of arginine), 3.46 (-CONHC H 2 CH 2 N- of PAMAM unit and -CONHCH 2 C H 2 NHCO- of PAMAM unit), 4.01 ( -H CCH 2 CH 2 CH 2 NH- of arginine, 58H). PAMAM-Lys: δ 1.45 (-CHCH 2 C H 2 CH 2 CH 2 NH 2 -of lysine, 120H), 1.73 (-CHCH 2 C H 2 CH 2 NH 2 -of lysine, 120H), 1.89 (-CHC H 2 CH2CH2NH2- of lysine, 120H), 2.53 (-NCH2C H 2 CO- of PAMAM unit, 248H), 2.81 (-CONHCH 2 C H 2 N- of PAMAM unit, and -NC H 2 C H 2 N- of PAMAM unit), 3.02 (-CONHCH 2 C H 2 NH 2 of PAMAM unit, -NC H 2 CH 2 CO- of PAMAM unit and -CHCH 2 CH 2 CH 2 H 2 NH 2 -of lysine), 3.39 (-CONHC) H 2 N- CH 2 of PAMAM unit and -CONHCH 2 C H 2 NHCO- of PAMAM unit), 3.92 (-C H CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 NH 2 - of lysine, 60H).

첨가된 아르기닌과 라이신 잔기의 수는 1H NMR 데이터로부터 계산되어졌다. 근사적으로 58개의 아르기닌 분자가 64개의 표면 1차 아민을 함유한 1개의 PAMAM 덴드리머에 결합되어졌고, 이 수는 PAMAM-Lys의 제조에서도 또한 잘 부합한다(PAMAM 당 60 라이신). 폴리머의 MW와 전하밀도의 증가에 대한 가능한 역할을 규명하기 위하여 PAMAM-Lys을 제조하여 대조시약과 비교하였다.The number of arginine and lysine residues added was calculated from 1 H NMR data. Approximately 58 arginine molecules were bound to one PAMAM dendrimer containing 64 surface primary amines, which also matches well in the preparation of PAMAM-Lys (60 lysine per PAMAM). PAMAM-Lys was prepared and compared with the control reagent to determine the possible role for the increase of polymer MW and charge density.

2)아가로스 겔 전기영동 및 피코그린 시약 에세이에 의한 복합체 형성의 분석2) Analysis of Complex Formation by Agarose Gel Electrophoresis and PicoGreen Reagent Assays

덴드리머/DNA 복합체의 형성을 평가하기 위하여, 폴리플렉스에 대하여 아가로스 겔 전기영동을 전하비(도 2)를 달리하여 수행하였다. 플라스미드 DNA는 PAMAM-Arg 또는 PAMAM-Lys과 전하비 2에서 완전하게 지체되고 있는 것으로 나타났다. 또한, 복합체 형성의 보다 정확한 분석을 위하여 다양한 전하비에서 폴리플렉스 형성을 평가하기 위하여 피코그린 시약이 사용되어졌다. 폴리머/DNA 복합체 형 성을 분석하기 위해 통상적으로 사용되는 방법은 EtBr 배제 에세이이다. 하지만, 상기 방법은 약간의 문제를 가지고 있는데, 이는 사용된 EtBr의 농도에 크게 의존한다는 것과, 민감도가 낮아 양성대조구와 비교하여 형광이 10에서 15배 정도 개선되는 것이다. 본 발명에서는 DNA와의 복합체 형성정도를 정량화하기 위한 방법으로 보다 민감한 프로브로서 피코그린시약을 사용하는 새로운 방법을 제공한다. 이러한 방법은 매우 재생산적이면서 복합체 형성의 관찰에 있어 매우 민감한 것으로 밝혀졌다. 적절한 양의 피코그린 시약을 함유하는 버퍼를 첨가하기 전에 폴리머를 실온에서 30분간 배양하여 플라스미드 DNA와 자기조립시켰다. 복합체를 형성하지 않은 플라스미드 DNA는 피코그린시약에 노출되고, 결과적으로 얻어지는 형광은 복합체 미형성 정도에 따라 증가한다. 도 3a에 나타낸 바와 같이 덴드리머와 사전 복합체 형성으로부터 야기된 형광의 저해는 전하비가 증가할수록 증가하여 전하비 4인 부근에서 평평한 거의 제로에 이르렀다. 이는 플라스미드 DNA가 입자로 효율적으로 응집되어 DNA가 첨가된 피코그린 시약과 반응할 수 없었기 때문이다. 흥미롭게도, 순수한 PAMAM은 적어도 전하비 4를 요하는 다른 폴리머보다 낮은 전하비 2에서 완전하게 복합체를 형성하는 것이 관찰되었다. 이러한 결과는 순수한 PAMAM이 완전한 복합체를 형성함에는 보다 효과적이며, PAMAM-Arg와 PAMAM-Lys은 전하비 4에서 PEI 및 PAMAM과 다름없이 응축된 복합체를 효과적으로 형성할 수 있음을 말한다. 순수한 PAMAM의 표면은 각각 전하비의 계산과정에 포함된 라이신 또는 아르기닌의 알파 아민과 PEI의 2차 또는 3차 아민과 비교하면 pKa값이 높은 것을 빼고는 1차 아민으로 덮혀진 것으로 생각되어진다. 대조실험으로서 DNA와 다이온성 복합체를 형성하 지 못하는 PAMAM-OH 폴리머 또한 시험되어졌으며, 상대 형광능은 시험된 모든 중량비에서 100% 부근을 유지하고 있는 것으로 관찰되어졌다. To assess the formation of dendrimer / DNA complexes, agarose gel electrophoresis on polyplexes was performed at different charge ratios (FIG. 2). Plasmid DNA was shown to be completely retarded at PAMAM-Arg or PAMAM-Lys and charge ratio 2. In addition, picogreen reagents have been used to evaluate polyplex formation at various charge ratios for more accurate analysis of complex formation. A commonly used method for analyzing polymer / DNA complex morphology is the EtBr exclusion assay. However, the method has some problems, which are highly dependent on the concentration of EtBr used and the sensitivity is lowered by 10 to 15 times compared to the positive control. The present invention provides a new method using phycogreen reagent as a more sensitive probe as a method for quantifying the degree of complex formation with DNA. This method has been found to be very reproducible and very sensitive to the observation of complex formation. The polymer was self-assembled with plasmid DNA by incubating for 30 minutes at room temperature before adding a buffer containing the appropriate amount of picogreen reagent. Plasmid DNA that does not form a complex is exposed to picogreen reagents, and the resulting fluorescence increases with the degree of complex formation. As shown in FIG. 3A, the inhibition of fluorescence resulting from dendrimer and precomplex formation increased with increasing charge ratio and reached flat zero near charge ratio 4. This is because the plasmid DNA was efficiently aggregated into particles and could not react with the phycogreen reagent to which the DNA was added. Interestingly, pure PAMAM was observed to form a complex completely at a lower charge ratio 2 than at least another polymer requiring a charge ratio of 4. These results indicate that pure PAMAM is more effective in forming complete complexes, and that PAMAM-Arg and PAMAM-Lys can effectively form condensed complexes as PEI and PAMAM at charge ratio 4. The surface of pure PAMAM is considered to be covered with primary amines, except for the higher pKa values compared to the alpha amines of lysine or arginine and secondary or tertiary amines of PEI, respectively, which are included in the calculation of the charge ratio. As a control, a PAMAM-OH polymer that did not form a diionic complex with DNA was also tested and the relative fluorescence was observed to remain around 100% at all weight ratios tested.

3)플라스미드 DNA를 구비한 폴리플렉스의 제타포텐셜과 크기 측정3) Zeta Potential and Size Measurement of Polyplexes with Plasmid DNA

상기 아가로오스 젤 지연과 피코그린 에세이 결과로부터 개질된 덴드리머, PAMAM-Arg와 PAMAM-Lys은 콤팩트한 폴리플렉스를 형성할 수 있다는 것으로 추정되어졌다. 복합체의 표면 전하를 측정하여 도 3B에 나타내었다. 도 3a에서의 전하비를 기초한 피코그린 에세이 커브에서 얻어진 이전 특성과 일치하게, 개질되지 않은 PAMAM은 DNA와 개질된 PAMAM-Arg와 PAMAM-Lys을 포함하는 다른 복합체와 비교할 때 전하비 2에서 20mV이었으며, 상기 두 개질된 PAMAM은 동일한 전하비에서 10mV 미만을 보이는 것으로 확인되었다. 또한, 모든 폴리플렉스에 대하여 측정한 제타포텐셜값은 전하비 4 또는 그 이상의 값에서 20∼25mV 부근인 균등한 값을 나타내었다.From the agarose gel delay and picogreen assay results, it was estimated that the modified dendrimers, PAMAM-Arg and PAMAM-Lys, can form compact polyplexes. The surface charge of the composite was measured and shown in FIG. 3B. Consistent with the previous properties obtained from the picogreen assay curve based on the charge ratio in FIG. 3A, the unmodified PAMAM was 20 mV at a charge ratio of 2 compared to other complexes including DNA and modified PAMAM-Arg and PAMAM-Lys. The two modified PAMAMs were found to show less than 10 mV at the same charge ratio. In addition, the zeta potential values measured for all the polyplexes showed an equivalent value of around 20 to 25 mV at a charge ratio of 4 or more.

나노미터 수준에서의 복합체의 형성은 일반적으로 폴리플렉스 매개 유전자 전달과정에서 중요한 인자중 하나로서 여겨지고 있다. 폴리플렉스의 평균입자크기는 다이나믹 레이저 광 스캐터링에 의해 조사되었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 최적화된 트랜스펙션 조건에서 폴리머는 효과적으로 DNA를 185∼250nm 크기를 가지는 나노미터 크기의 입자로 응축시키는 것을 확인할 수 있다. 흥미롭게도 PAMAM과 DNA로 구성되는 폴리플렉스의 평균크기는 245nm이었다. 이는 200nm 부근의 크기를 가지는 PAMAM-Arg/DNA, PAMAM-Lys/DNA 및 PEI/DNA의 그것과 비교하여 약간 큰 것이었다. 이전의 피코그린 시약 에세이에 기초하여 표 1의 결과를 참조하면, 개질된 덴 드리머당 전하밀도는 순수 PAMAM과 비교할 때, PAMAM-Arg과 PAMAM-Lys에 대하여 각각 16%와 25% 증가되었음을 보여주며, 이는 개질된 폴리머 또한 플라스미드 DNA의 인산음이온을 완전하게 보상할 수 있고, 순수 PAMAM 또는 PEI와 같이 성숙한 폴리플렉스를 형성할 수 있음을 의미한다. 따라서, 완전한 복합체의 형성을 위해 충분한 것으로 판단된 전하비 6에서는 PAMAM-Arg와 PAMAM-Lys은 다수의 과잉의 표면 아르기닌 또는 라이신 잔기를 노출한 복합체를 형성할 수 있었다. 또한, 크기 증가로 인한 가시적인 침전은 150㎍/㎖의 DNA가 PAMAM-Arg와 순수 또는 5% 글루코스 용액에서 복합되어진 경우에도 검출되지 않았다.The formation of complexes at the nanometer level is generally considered to be one of the important factors in polyplex mediated gene delivery. The average particle size of the polyplexes was investigated by dynamic laser light scattering. As shown in Table 1, it can be seen that the polymer effectively condenses DNA into nanometer-sized particles having a size of 185-250 nm under optimized transfection conditions. Interestingly, the average size of the polyplex consisting of PAMAM and DNA was 245 nm. This was slightly larger compared to that of PAMAM-Arg / DNA, PAMAM-Lys / DNA and PEI / DNA with sizes around 200 nm. Referring to the results in Table 1 based on the previous picogreen reagent assay, the charge densities per modified dendrimer showed 16% and 25% increase for PAMAM-Arg and PAMAM-Lys, respectively, when compared to pure PAMAM. This means that the modified polymer can also completely compensate for the phosphate anions of the plasmid DNA and form mature polyplexes such as pure PAMAM or PEI. Thus, at charge ratio 6 determined to be sufficient for formation of the complete complex, PAMAM-Arg and PAMAM-Lys were able to form complexes that exposed a large number of excess surface arginine or lysine residues. In addition, no visible precipitation due to size increase was detected even when 150 μg / ml DNA was combined with PAMAM-Arg in pure or 5% glucose solution.

<표 1>TABLE 1

PEIPEI PAMAMPAMAM PAMAM-ArgPAMAM-Arg PAMAM-LysPAMAM-Lys MW(Da)MW (Da) 25000a 25000 a 14215a 14215 a 23321b 23321 b 21895b 21895 b (+) 개수/폴리머(+) Count / Polymer 581581 6464 122122 124124 (+) 개수/1㎍(+) Number / 1 µg 1.3990×1016 1.3990 × 10 16 2.7104×1015 2.7104 × 10 15 3.1493×1015 3.1493 × 10 15 3.4094×1015 3.4094 × 10 15 평균크기(nm)Average size (nm) 208.5±1.5208.5 ± 1.5 246.4±1.5246.4 ± 1.5 200.2±2.6200.2 ± 2.6 185.1±0.5185.1 ± 0.5

a제조사에 의해 제공된 분자량 a molecular weight provided by the manufacturer

b각 폴리머의 1HNMR 분석에 의해 결정된 분자량 b Molecular weight determined by 1 HNMR analysis of each polymer

c다이나믹 빛 스캐터링 실험에 의해 측정된 평균크기 및 평균 ±표준편차는 n=3으로 주어졌다. 목합체의 전하비(N/P)는 PEI가 7.8이고, PAMAM, PAMAM-Arg와 PAMAM-Lys는 6.0이었다. c Mean size and mean ± standard deviation measured by dynamic light scattering experiments were given as n = 3. The charge ratio (N / P) of the mock-up was 7.8 for PEI, 6.0 for PAMAM, PAMAM-Arg and PAMAM-Lys.

4)세포독성4) Cytotoxicity

양이온성 폴리머의 독성은 세포막과 폴리머의 상호작용 및/또는 세포의 흡수효율의 함수인 것으로 보고되었다. 도 4(a)(b)에 도시된 바와 같이 293과 HepG2 세포에 대하여 시약의 세포독성을 비교하였다. 각 세포는 혈청존재하에 폴리머의 함량을 증가시키면서 48시간 동안 배양하였다. 결과로부터 PEI는 양 세포에 모두 독성이 높았고, PAMAM은 훨씬 독성이 작았다. PAMAM-Arg와 PAMAM-Lys은 모두 약간 순수 PAMAM에 비하여 증가된 독성을 나타냈다. 이는 증가된 전하밀도와 각 개질 폴리머의 분자량에 기인한 것으로 판단된다. 하지만, PAMAM-Arg와 PAMAM-Lys의 독성은 PEI와 비교해서 모두 훨씬 낮았다.Toxicity of cationic polymers has been reported to be a function of cell membrane and polymer interaction and / or cell uptake efficiency. As shown in Fig. 4 (a) (b) was compared the cytotoxicity of the reagent against 293 and HepG2 cells. Each cell was incubated for 48 hours with increasing polymer content in the presence of serum. From the results, PEI was highly toxic to both cells, and PAMAM was much less toxic. PAMAM-Arg and PAMAM-Lys both showed slightly increased toxicity compared to pure PAMAM. This is believed to be due to the increased charge density and the molecular weight of each modified polymer. However, the toxicity of PAMAM-Arg and PAMAM-Lys were both much lower than those of PEI.

도 4c는 HepG2 세포에 대한 PAMAM-GU의 세포독성 실험결과로서 4시간 배양 후의 세포독성 결과를 나타낸다. 이에 의하면, 위 PAMAM-Arg와 PAMAM-Lys의 경우에서와 마찬가지로 유전자 전달체인 PEI가 매우 독성이 높은데 반하여 PAMAM 유도체는 PAMAM 자체와 비슷하게 세포독성이 현저히 낮은 것을 확인할 수 있었다4C shows cytotoxicity results after 4 hours of culture as a cytotoxicity test result of PAMAM-GU on HepG2 cells. According to this, as in the case of the above PAMAM-Arg and PAMAM-Lys, PEI, a gene carrier, is very toxic, whereas PAMAM derivatives were significantly lower in cytotoxicity similar to PAMAM itself.

5)세포주에 대한 트랜스펙션 효율5) Transfection Efficiency for Cell Lines

먼저 PAMAM-Arg 및 PAMAM-Lys의 트랜스펙션 효율을 측정하였다. 실험을 위하여 먼저 293세포를 선택하였는데, 그 이유는 상기 세포가 일반적으로 비바이러스성 트랜스펙션 시약에 민감하기 때문에서이다. 도 5A에 도시된 바와 같이 PAMAM, PAMAM-Arg 및 PAMAM-Lys의 트랜스펙션 효율은 혈청이 존재하거나 또는 존재하지 않거나 PEI와 실질적으로 동일한 수준의 효율을 나타내었다. 종래 그라프트된 아르기닌이 유전자 전달능력에 기여하는지의 여부는 직접적으로 관찰된 적은 없었다. 이 러한 특성을 규명하기 위하여, 다음단계를 위하여 HepG2세포를 선택하였다. 이는 순수 PAMAM(G4)의 트랜스펙션 효율이 대개 PEI보다 10배 적기 때문에서이다. 도 5B에 각 폴리머에 대하여 최적조건하에 혈청의 존재 또는 부존하에서의 HepG2 세포에 대한 실험결과를 나타내었다. 이에 의하면, 본 발명에 따른 PAMAM-Arg가 순수 PAMAM 보다는 이점을 가지며, PEI에 필적하는 것으로 나타났다. 또한 PAMAM-Lys의 결과로부터 PAMAM에 염기성 아미노산을 그라프트시키는 것에 의해 증가된 분자량 및 전하가 트랜스펙션능력을 증가시킨다는 것을 확인할 수 있다. 하지만 순수한 PAMAM에 비하여 트랜스펙션의 효율을 그리 큰 것은 아니었다. 이를 규명하기 위하여, 전하비를 달리하여 PAMAM-Arg, PAMAM-Lys 및 PAMAM에 대하여 트랜스펙션을 다시 수행하였다. 전하비는 1-12에 걸쳐 수행되었으며, 도 5D에 의하면 PAMAM-Arg가 PAMAM-Lys 및 순수 PAMAM에 비하여 현저히 개선되어짐을 확인할 수 있었다. 또한 신경세포에서의 유전자 전달응용을 위해, Neuro 2A 세포가 추가적으로 시험되어졌다. 각 복합체의 트랜스펙션 효율과 세포독성을 비교하기 위하여 두 개의 다른 농도를 가지는 DNA(0.2와 1.0㎍/웰)가 적용되었고 결과는 더욱 분명하게 나타났다. 도 6A에 나타난 바와 같이 PAMAM-Arg는 다른 시약보다 현저히 높은 발현수준을 나타냈다. PAMAM-Arg의 트랜스펙션 효율은 리포펙타민 혹은 순수 PAMAM 보다는 2차수 크기이상, PEI와 비교해서는 1차수크기 이상을 나타내었다. 세포독성 실험은 폴리플렉스들에 대하여 수행되어졌고, 그 결과를 도 6B에 나타내었다. 사용된 DNA의 농도에서 리포펙타민/DNA에서 강한 세포독성이 관찰되었다 (0.2와 1.0㎍ DNA/웰에 대하여 각각 67%, 53%의 생존율). 반면에 다른 폴리머/DNA 복합체들은 두가지 농도 에서 모두 무시할 수준의 독성을 나타내었다. 이상의 결과로부터, 본 발명에 따른 PAMAM 유도체는 세포독성이 없으면서 HepG2와 Neuro 2A세포의 예에서와 같이 트랜스펙션 효율이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.First, transfection efficiency of PAMAM-Arg and PAMAM-Lys was measured. For the experiment, 293 cells were first selected because the cells are generally sensitive to nonviral transfection reagents. As shown in FIG. 5A, the transfection efficiencies of PAMAM, PAMAM-Arg and PAMAM-Lys exhibited levels of efficiency with or without serum or substantially equivalent to PEI. Whether conventionally grafted arginine contributes to gene delivery capacity has not been directly observed. To characterize this, HepG2 cells were selected for the next step. This is because the transfection efficiency of pure PAMAM (G4) is usually 10 times less than PEI. 5B shows experimental results of HepG2 cells in the presence or absence of serum under optimum conditions for each polymer. According to this, PAMAM-Arg according to the present invention has advantages over pure PAMAM, and has been shown to be comparable to PEI. It can also be seen from the results of PAMAM-Lys that the increased molecular weight and charge increased the transfection ability by grafting basic amino acids to PAMAM. However, the efficiency of transfection was not as great as that of pure PAMAM. To elucidate this, transfection was performed again for PAMAM-Arg, PAMAM-Lys and PAMAM with different charge ratios. Charge ratio was carried out over 1-12, according to Figure 5D it can be seen that PAMAM-Arg is significantly improved compared to PAMAM-Lys and pure PAMAM. In addition, Neuro 2A cells were additionally tested for gene transfer applications in neurons. Two different concentrations of DNA (0.2 and 1.0 μg / well) were used to compare the transfection efficiency and cytotoxicity of each complex, and the results were more apparent. As shown in FIG. 6A, PAMAM-Arg showed significantly higher expression levels than other reagents. The transfection efficiency of PAMAM-Arg was more than 2 orders of magnitude larger than lipofectamine or pure PAMAM, and more than 1 orders of magnitude compared to PEI. Cytotoxicity experiments were performed on polyplexes and the results are shown in FIG. 6B. Strong cytotoxicity was observed in lipofectamine / DNA at the concentration of DNA used (67% and 53% survival for 0.2 and 1.0 μg DNA / well, respectively). On the other hand, other polymer / DNA complexes showed negligible toxicity at both concentrations. From the above results, it can be confirmed that the PAMAM derivative according to the present invention is excellent in transfection efficiency as in the examples of HepG2 and Neuro 2A cells without cytotoxicity.

다음으로 PAMAM-Gu에 대하여 트랜스펙션 효율을 측정하는 실험을 수행하였다. 이를 위해 C2C12 세포와 HepG2 세포에서의 유전자 전달 효율을 배양배지내 혈청의 존재 유뮤에 따라 각각 조사하였다. Next, an experiment to measure transfection efficiency with respect to PAMAM-Gu was performed. To this end, gene transfer efficiencies in C2C12 cells and HepG2 cells were examined according to the presence or absence of serum in culture medium.

도 8은 C2C12 세포에서의 유전자 전달 효율 비교실험 결과이고, 도 9는 HepG2 세포에서의 유전자 전달 효율의 비교실험 결과로서, 각 비율은 DNA와 폴리머와의 질량비를 나타낸다. 도표에서 확인할 수 있듯이 구아니딘 작용기로 그라프트된 PAMAM 유도체는 기존의 PAMAM에 비해 유전자 전달 효율이 10∼100 배 이상 증진된 것을 확인할 수 있다. FIG. 8 is a comparison result of gene transfer efficiency in C2C12 cells, and FIG. 9 is a result of comparison experiment of gene delivery efficiency in HepG2 cells, and each ratio represents a mass ratio of DNA and polymer. As can be seen from the diagram, the PAMAM derivatives grafted with guanidine functional groups can be confirmed that the gene transfer efficiency is improved by 10 to 100 times or more compared with the conventional PAMAM.

6)1차 래트 혈관 평활근 세포에 대한 트랜스펙션 효율6) Transfection Efficiency for Primary Rat Vascular Smooth Muscle Cells

앞의 실험결과로부터 1차 래트 혈관 평활근 세포에 대하여 추가적인 트랜스펙션 실험을 수행하였다. 도 7A에 나타난 바와 같이 PAMAM-Arg는 순수 PAMAM 및 PAMAM-Lys에 비하여 트랜스펙션 효율이 현저하게 개선된 것으로 나타났으며, 그 효율은 PEI의 그것과 필적할 만한 것이었다. 벡터를 이용한 루시퍼라제 발현의 DNA 투여 의존성에 대하여 실험하였고 그 결과는 도 7B에 나타내었다. 혈청의 부재하에서는 도입된 DNA의 함량에 따라 발현은 증가하였다. 하지만, 혈청의 존재하에서는 DNA 투여량의 증가에도 불구하고, 발현수준은 낮은 수준에 머물렀다. 이 결과로부 터, 상기 세포에서의 PAMAM-Arg가 매개된 트랜스펙션은 혈청의 존재하에서는 방해되는 것으로 확인되었다.From the previous experiment, additional transfection experiments were performed on primary rat vascular smooth muscle cells. As shown in FIG. 7A, PAMAM-Arg was shown to significantly improve transfection efficiency compared to pure PAMAM and PAMAM-Lys, and the efficiency was comparable to that of PEI. DNA administration dependence of luciferase expression with the vector was tested and the results are shown in FIG. 7B. In the absence of serum, expression increased with the amount of DNA introduced. However, in the presence of serum, the expression level remained low despite the increase in DNA dose. From these results, it was confirmed that PAMAM-Arg mediated transfection in the cells was disturbed in the presence of serum.

7)PAMAM 유도체의 유전자 전달 동물 실험결과7) Result of gene transfer animal experiment of PAMAM derivative

도 10에 나타낸 것과 같이 주사한 방향을 따라 그 주변 지역에 X-Gal 염색이 일어났고 결과적으로 매우 어렵다고 알려진 뇌의 생체조직에 외부 유전자를 전달하여 발현시킬 수 있음을 보여주었다. As shown in FIG. 10, X-Gal staining occurred in the surrounding area along the injection direction, and as a result, it was shown that external genes could be delivered and expressed in biological tissues of the brain, which are known to be very difficult.

8)PAMAM-Arg과 PAMAM-Lys의 세포내 침투능력 차이8) Intracellular Penetration Ability of PAMAM-Arg and PAMAM-Lys

형광현미경으로 양 PAMAM 유도체들의 세포내 침투능력의 차이를 관찰한 결과는 도 11과 같다. 위의 사진은 일반 광학 사진이고 아래 사진은 형광 현미경 사진이다. PAMAM-Lys의 경우, 세포막과 세포질 부분에 고분자가 집중되어 형광이 세포 주위에 나타나는 것을 볼 수 있는 반면, PAMAM-Arg은 세포핵 내부로 침투하여 형광을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이 같은 실험결과를 통해 PAMAM-Lys과 PAMAM-Arg은 표면의 그라프트된 아미노산기의 차이로 인해 세포내 투과성에 큰 차이를 나타낸다는 것을 확인할 수 있었으며 이를 이용하여 세포내 선택적인 물질 전달이 가능할 것으로 기대한다.The results of observing the difference in intracellular penetration ability of both PAMAM derivatives by fluorescence microscope are shown in FIG. 11. The photo above is a general optical photo and the photo below is a fluorescence micrograph. In the case of PAMAM-Lys, it can be seen that the polymer is concentrated in the cell membrane and the cytoplasmic part, and fluorescence appears around the cell, whereas PAMAM-Arg penetrates into the cell nucleus and shows fluorescence. The experimental results showed that PAMAM-Lys and PAMAM-Arg showed a large difference in intracellular permeability due to the difference in the surface grafted amino acid groups. Expect.

따라서, PAMAM-Arg은 세포핵으로 전달되어질 물질, 예를 들어 전사, 번역 등의 과정을 거쳐 원하는 단백질의 발현을 가능하게 하는 치료용 DNA와 같은 외부 유전자, 세포들의 성장과 분화에 관여하는 각종 성장인자들과 이들의 수용체들, 목적 유전자의 발현을 조절할 각종 전사인자들과 이들의 저해제들에 적합하며, 항암제와 같이 주로 DNA에 작용하는 약물들 또한 세포핵 내부로 전달되어야 하므로 이들 약물의 전달에도 사용되어질 수 있다.Therefore, PAMAM-Arg is a growth factor that is involved in the growth and differentiation of cells and foreign genes, such as therapeutic DNA, which enable the expression of desired proteins through processes such as transcription and translation. And its receptors, various transcription factors to control the expression of the target genes and their inhibitors, and drugs that act primarily on DNA, such as anticancer agents, also need to be delivered into the cell nucleus, so they are also used for delivery of these drugs. Can be.

한편 PAMAM-Lys은 세포질로 전달되어질 물질, 예를 들어 siRNA와 같이 세포질 내에 존재하는 목적 mRNA를 억제하는 물질이나 세포질에 존재하는 각종 효소나 세포 소기관들에 작용하는 많은 약물들의 전달에 적합함을 알 수 있다. On the other hand, PAMAM-Lys is suitable for delivery of substances to be delivered to the cytoplasm, for example, substances that inhibit the target mRNA present in the cytoplasm, such as siRNA, and many drugs that act on various enzymes or organelles in the cytoplasm. Can be.

본 발명에 의하면 세포내로 요구되는 물질의 수송을 효율적으로 수행하며, 세포독성이 없고, 특히 세포내 발현과 관련된 다양한 유전물질을 전달하는 벡터로서 기능하여 원하는 유전자의 발현에 크게 기여할 수 있다.According to the present invention, it is possible to efficiently carry out the transport of the required material into the cell, has no cytotoxicity, and in particular, functions as a vector for delivering various genetic materials related to intracellular expression, thereby greatly contributing to the expression of a desired gene.

Claims (11)

세대 3∼세대 5인 PAMAM 덴드리머의 표면 1차 아민의 전부 또는 일부가 아르기닌, 라이신, 및 구아니딘의 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 그라프트되어진 세포내 물질전달용 PAMAM 유도체.A PAMAM derivative for intracellular material transfer in which all or part of the surface primary amines of the PAMAM dendrimers of generations 3 to 5 are grafted with at least one substance selected from the group of arginine, lysine, and guanidine. 제 1항에 있어서, 세포내로 저분자물질, 펩타이드, 단백질, 올리고뉴클레오티드, 및 플라스미드의 군에서 선택되는 1종의 물질을 전달하기 위한 벡터로서 사용되어지는 세포내 물질전달용 PAMAM 유도체.The intracellular substance delivery PAMAM derivative according to claim 1, which is used as a vector for delivering a substance selected from the group of low molecular substances, peptides, proteins, oligonucleotides, and plasmids. 제 1항에 있어서, PAMAM 덴드리머의 표면 1차 아민의 전부 또는 일부가 아르기닌 단독으로 그라프트되어진 세포내 물질전달용 PAMAM 유도체.The PAMAM derivative for intracellular material transfer according to claim 1, wherein all or part of the surface primary amine of the PAMAM dendrimer is grafted with arginine alone. 제 1항에 있어서, PAMAM 덴드리머의 표면 1차 아민의 전부 또는 일부가 라이신으로 그라프트되어진 세포내 물질전달용 PAMAM 유도체.The PAMAM derivative according to claim 1, wherein all or part of the surface primary amine of the PAMAM dendrimer is grafted with lysine. 제 1항에 있어서, PAMAM 덴드리머의 표면 1차 아민의 전부 또는 일부가 구아니딘으로 그라프트되어진 세포내 물질전달용 PAMAM 유도체.The PAMAM derivative for intracellular material transfer according to claim 1, wherein all or part of the surface primary amine of the PAMAM dendrimer is grafted with guanidine. 삭제delete 삭제delete 제 3항에 있어서, 전달물질은 세포핵 내부로 침투되어질 물질임을 특징으로 하는 세포내 물질전달용 PAMAM 유도체.4. The PAMAM derivative for intracellular material delivery according to claim 3, wherein the delivery material is a material to be penetrated into the cell nucleus. 제 4항에 있어서, 전달물질은 세포막 또는 세포질 내부로 침투되어질 물질임을 특징으로 하는 세포내 물질전달용 PAMAM 유도체.5. The PAMAM derivative for intracellular material delivery according to claim 4, wherein the delivery material is a material to be penetrated into the cell membrane or cytoplasm. 세대 3∼세대 6인 PAMAM 덴드리머의 표면 1차 아민의 전부 또는 일부가 아르기닌, 라이신, 및 구아니딘의 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 그라프트되어진 세포내 물질전단용 PAMAM 유도체와 세포내로 전달하고자 하는 물질을 결합시켜 세포내로 물질을 전달하는 방법.All or part of the surface primary amines of the PAMAM dendrimers from generation 3 to generation 6 are intended to be delivered intracellularly with PAMAM derivatives for intracellular mass shearing, which have been grafted with at least one substance selected from the group of arginine, lysine, and guanidine. A method of binding a substance and delivering the substance into a cell. 제 10항에 있어서, 세포내로 전달하고자 하는 물질은 저분자화합물, 펩타이드, 단백질, 올리고뉴클레오티드, 및 플라스미드의 군에서 선택되는 1종의 물질임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 10, wherein the substance to be delivered into the cell is one substance selected from the group of low molecular weight compounds, peptides, proteins, oligonucleotides, and plasmids.
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