任先越，楊立群，梁玄，劉珍珍，鄧宇斌

1 中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心實驗室，廣東 廣州 5100802 中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)教研室，廣東 廣州 5100803 中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院高分子研究所 聚合物復(fù)合材料及功能材料教育部重點實驗室 新型聚合物材料設(shè)計合成與應(yīng)用廣東省高校重點實驗室，廣東 廣州 510275

陽離子聚合物在非病毒基因轉(zhuǎn)染中的研究進展

任先越1,2，楊立群3，梁玄3，劉珍珍3，鄧宇斌1,2

1 中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心實驗室，廣東 廣州 510080
2 中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)教研室，廣東 廣州 510080
3 中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院高分子研究所 聚合物復(fù)合材料及功能材料教育部重點實驗室 新型聚合物材料設(shè)計合成與應(yīng)用廣東省高校重點實驗室，廣東 廣州 510275

任先越, 楊立群, 梁玄, 等. 陽離子聚合物在非病毒基因轉(zhuǎn)染中的研究進展. 生物工程學(xué)報, 2013, 29(5): 568?577.

Ren XY, Yang LQ, Liang X, et al. Advances in cationic polymers used as nonviral vectors for gene delivery. Chin J Biotech,2013, 29(5): 568?577.

基因治療為治療先天性遺傳疾病和嚴(yán)重后天獲得性疾病提供了一條新途徑。目前，基因載體分為兩類：病毒載體和非病毒載體。病毒載體轉(zhuǎn)染效率高，但由于某些病毒載體存在免疫原性、致癌性、宿主 DNA插入整合等缺點，從而限制了它們的應(yīng)用。非病毒載體具有價格低、制備簡單、安全有效、無免疫原性等優(yōu)點，成為基因載體研究的熱點。陽離子多聚物是非病毒載體的典型代表。文中綜述近年來陽離子多聚物作為基因載體的研究現(xiàn)狀和進展，重點介紹了陽離子多聚物基因載體的分類和與DNA的相互作用和傳遞機制。

基因治療，非病毒載體，陽離子聚合物

基因治療是一種將外源基因?qū)肽康募?xì)胞并有效表達從而達到治療目的的方法，為治療先天性遺傳疾病和嚴(yán)重后天獲得性疾病提供了一條新途徑。DNA的有效轉(zhuǎn)染需借助于物理方法或基因載體。物理方法包括水動力傳送法、超聲、電穿孔、磁轉(zhuǎn)法、基因槍、光動力療法等，局部轉(zhuǎn)染比全身轉(zhuǎn)染效果好，因為局部轉(zhuǎn)染避免了循環(huán)系統(tǒng)的清除，并且在靶部位具有更高的濃度，因此低劑量的基因轉(zhuǎn)染可以用物理方法[1]。但物理方法需要使用專門的設(shè)備，不能進行全身性使用，并且會對組織和細(xì)胞產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害[2]，采用基因載體有望克服物理方法的缺陷?；蜉d體包括病毒載體和非病毒載體，過去的幾十年中，病毒載體的研究得到了很大的發(fā)展，除了轉(zhuǎn)染效率高，病毒載體還具有運載單個DNA分子的能力，能將單個DNA分子整合到自己的DNA中，而非病毒載體只能將多個DNA分子連接到載體的各個分支鏈上從而形成納米粒，近年來“多孔納米容器”的發(fā)展有望解決非病毒載體的這個缺點[3]。但是病毒載體由于其免疫原性、有限的DNA承載能力、與宿主DNA插入整合、致癌性和價格高等缺點，限制了其在臨床的應(yīng)用，非病毒載體具有價格低、制備簡單、便于大規(guī)模生產(chǎn)、無免疫原性等優(yōu)點[4]，但其轉(zhuǎn)染效率低，特別是體內(nèi)轉(zhuǎn)染效率低、靶向性差、有一定的毒性等缺點需要改善。陽離子聚合物是非病毒載體的一種，具有較強的DNA結(jié)合及保護能力，便于進行靶向性及生物適用性改性，成為基因載體研究中的一個重要研究對象。近年來文獻中報道了很多陽離子聚合物基因載體如聚乙烯亞胺PEI、多聚賴氨酸PLL、聚酰胺-胺樹枝狀大分子等類型。本課題組基于聚酸胺一胺 (PAMAM) 的樹枝化的結(jié)構(gòu)特點，利用點擊化學(xué)反應(yīng)將含炔基的PAMAM基元偶聯(lián)到殼聚糖主鏈上，擬合成一種安全、高效的樹枝狀陽離子聚合物基因載體，其以殼聚糖為主鏈、PAMAM基元為側(cè)鏈，可以改善殼聚糖的水溶性，增加正電性，以達到提高轉(zhuǎn)染效率的目的[5]。然而，雖然文獻報道了很多含不同功能基團的陽離子聚合物，但是很難把不同種類的陽離子聚合物的功能基團的具體結(jié)構(gòu)與功能效應(yīng)之間的關(guān)系聯(lián)系起來。

了解陽離子聚合物載體的轉(zhuǎn)染機制對于設(shè)計合成高效低毒的陽離子聚合物載體至關(guān)重要。目前對于陽離子載體的作用機制還不完全清楚，有學(xué)者提出以下假說：帶正電的陽離子聚合物與帶負(fù)電的DNA通過靜電吸附作用，將體積較大的DNA壓縮和包裹成體積較小表面帶正電荷的聚合物/DNA復(fù)合物納米小球。當(dāng)帶正電的復(fù)合物與膜電位為負(fù)電的細(xì)胞接觸時，通過細(xì)胞膜內(nèi)吞作用進入細(xì)胞內(nèi)形成內(nèi)涵體，在內(nèi)涵體中被酸化，與溶酶體融合，在這個過程中DNA很容易被溶酶體酶降解，為了保證DNA能有效地運輸?shù)郊?xì)胞核，陽離子載體必須通過某種跨膜機制安全地逃離內(nèi)涵體，攜帶DNA到核附近或者進入細(xì)胞核，表達成相應(yīng)的蛋白質(zhì)。

1 陽離子聚合物/DNA復(fù)合物的形成、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性

1.1 陽離子聚合物的結(jié)構(gòu)

陽離子聚合物包括天然的DNA結(jié)合蛋白、PEI、PLL、陽離子樹枝狀分子、2-二甲基 (氨基乙基) 甲基丙烯酸酯 (pDMAEM)、聚賴氨酸、聚酰胺基胺、聚氨基酯、聚脒、帶有陽離子側(cè)基的聚烯烴、碳水化合物為基礎(chǔ)的聚合物，如殼聚糖等。其中，PEI、PLL和殼聚糖是被研究最多的陽離子聚合物。陽離子聚合物/DNA復(fù)合物的轉(zhuǎn)染效率低和缺乏特異性，這些可以通過改變陽離子多聚物的結(jié)構(gòu)而得到改善，Sun等通過對PEI、PLL和 PMAPA進行進一步的改善使轉(zhuǎn)染效率得到一定程度的提高[6]。本課題組利用多糖生物相容性好、易降解、無毒等優(yōu)點，將以具有超支化結(jié)構(gòu)的天然多糖——支鏈淀粉為原料，合成一系列帶胺基基團的超支化陽離子支鏈淀粉衍生物，超支化陽離子支鏈淀粉衍生物對 293T和A549細(xì)胞系有較低的細(xì)胞毒性及較高的基因轉(zhuǎn)染性能，并且轉(zhuǎn)染效率與陽離子支鏈淀粉衍生物中偶聯(lián)的多胺基團種類、濃度、陽離子載體中氨基/DNA磷酸基的比例 (N/P比值) 及細(xì)胞種類有關(guān)[7]。

陽離子聚合物缺少疏水結(jié)構(gòu)，因此不能直接與細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)接觸融合或者破壞膜的穩(wěn)定性。實際上，第一代陽離子載體如多聚賴氨酸、多聚精氨酸在內(nèi)涵體逃逸和基因轉(zhuǎn)染中的效率很低。第二代陽離子聚合物能通過質(zhì)子海綿效應(yīng)有效地逃離內(nèi)涵體，如PEI、PAMAM。

1975年，研究者發(fā)現(xiàn)了多聚賴氨酸對DNA有強大的復(fù)合能力，并將該載體用于體內(nèi)外基因轉(zhuǎn)染。PLL是用于基因轉(zhuǎn)移的第一種陽離子聚合物，它的生物可降解性是在體內(nèi)應(yīng)用的優(yōu)點，然而，PLL形成的復(fù)合物迅速與血漿蛋白結(jié)合并從循環(huán)系統(tǒng)中清除。單純的聚賴氨酸的轉(zhuǎn)染效率很低[8]，這是因為聚賴氨酸與 DNA的復(fù)合物通過內(nèi)吞作用進入細(xì)胞后，被限制在內(nèi)涵體的酸性環(huán)境中[9]，聚賴氨酸及其所攜帶的 DNA可被其中的水解酶降解破壞。可見，增強復(fù)合物的內(nèi)涵體破壞能力將增強其轉(zhuǎn)染效率。為了改善復(fù)合物從內(nèi)涵體的逃逸能力，可以在形成復(fù)合物時添加氯喹[10]、膜破壞性肽[11]及聚丙基丙烯酸[12]等。其中氯喹雖然可以明顯提高轉(zhuǎn)染效率，但是具有較大的細(xì)胞毒性。膜破壞性肽及聚丙基丙烯酸能隨著pH的變化而發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變，在較低pH值條件下可以插入細(xì)胞內(nèi)膜，導(dǎo)致膜上成孔，使膜內(nèi)包含物逸出。將載體接枝 PEG可以減少陽離子聚合物/DNA復(fù)合物的聚集，從而減少被內(nèi)皮網(wǎng)狀系統(tǒng)的清除，從而提高它在循環(huán)系統(tǒng)中的半衰期[13]。為了增強轉(zhuǎn)染效率，可將靶向配體接到聚合物鏈上。比如在PLL上接PEG和靶向配體[14]?；蛘咄ㄟ^在 PLL骨架上引入氨基酸殘基使其形態(tài)類似于具有質(zhì)子海綿效的PEI，研究顯示L精氨酸修飾的PLL轉(zhuǎn)染效率顯著提高[15]。

1.2 陽離子聚合物/DNA復(fù)合物的形成

DNA分子通常以帶負(fù)電的疏松狀態(tài)存在，體積較大，與細(xì)胞表面之間存在排斥作用，難以進入細(xì)胞；另外，血液及細(xì)胞內(nèi)存在大量的水解酶尤其是核酸酶，能將裸DNA分子破壞，因此單獨使用DNA轉(zhuǎn)染時，效率較低[16]。復(fù)合物的形成通常是通過動力學(xué)控制的，即陰離子和陽離子在離子力的作用下快速形成的，整個過程幾乎是不可逆的，這個過程在轉(zhuǎn)染效率與轉(zhuǎn)染穩(wěn)定性方面都具有重要作用。復(fù)合物的形成過程中，組成成分的添加順序 (包括將聚合物溶液添加到DNA溶液中的順序) 影響復(fù)合物的大小和對細(xì)胞的轉(zhuǎn)染效率。這種效應(yīng)可能是由于DNA和聚陽離子濃度不同造成的。

PEI在近年來的陽離子聚合物中具有重要的地位。PEI通過靜電吸附作用將 DNA和 RNA壓縮成穩(wěn)定的顆粒。由PEI/DNA形成的復(fù)合物中，DNA的體積急劇減小。增加PEI的量使N/P從2增加到20，可以觀察到復(fù)合物顆粒的粒徑從＞1 000 nm減小到100～200 nm，同時聚合物的分散性也減小[17]。

聚合物的絡(luò)合作用和凝結(jié)作用與許多聚合物的特性有關(guān)，比如：分子量、數(shù)量、電荷密度、多聚物與DNA的比例等。實際上，低電荷密度和小分子量可以削弱陽離子聚合物對DNA的壓縮能力。因此支化度低的PEI相對于支化度高的需要更高的N/P比來完成DNA的壓縮[18]。溶液的成分也是復(fù)合物形成的一個重要的影響因素。在生理鹽水中形成的 PEI/DNA復(fù)合物粒徑大小呈現(xiàn)出對溶液離子強度的依賴性。隨著鹽水濃度的增加，復(fù)合物粒徑也增大，說明PEI與 DNA的結(jié)合減弱。用線性分子量為22 kDa PEI，在5%的葡萄糖溶液中復(fù)合的復(fù)合物 (30～60 nm)比在生理鹽水中復(fù)合的復(fù)合物(＞1 000 nm) 粒徑小得多。用支化的分子量為25 kDa PEI在離子溶液中復(fù)合的復(fù)合物粒徑＜100 nm[19]。

增大復(fù)合物中陽離子聚合物的正電位與核苷酸磷酸二酯的負(fù)電位的比例到＞1可以加強對DNA的壓縮和增加復(fù)合物表面電荷。在電荷比為1時，DNA通常已經(jīng)完全結(jié)合，在許多情況下已經(jīng)被壓縮了。然而在電中性附近時，復(fù)合物經(jīng)常聚集導(dǎo)致溶解度很低。在高電荷時，陽離子聚合物部分結(jié)構(gòu)處于游離狀態(tài)，沒有結(jié)合DNA[20]。

1.3 陽離子聚合物/DNA復(fù)合物的結(jié)構(gòu)

陽離子多聚物的支化程度影響復(fù)合物的特性。超支化PEI具有更多的伯胺和仲胺基團，比樹枝狀大分子具有更低的毒性和更高的基因轉(zhuǎn)染效率[21]。

N的類型在基因轉(zhuǎn)染中的作用不同，如咪唑環(huán)上和三級胺的N對于形成DNA復(fù)合物貢獻很小，但它們在內(nèi)涵體的破壞過程中有重要貢獻。主體陽離子聚合物的 N類型不但影響內(nèi)涵體釋放DNA，還可以影響陽離子聚合物對DNA的結(jié)合能力，因此改變陽離子聚合物的N類型，也可以實現(xiàn)對基因轉(zhuǎn)染效率的提高和增加生物安全性。用具有永久電荷的四級胺代替低級胺有利于增強陽離子聚合物的陽離子特性和水溶性?？刂凭酆衔锏?N類型應(yīng)根據(jù)待改性陽離子聚合物的實際情況，因為不同的N在基因轉(zhuǎn)染中有不同的作用，盲目地將一種胺轉(zhuǎn)化為另一種胺反而可能降低轉(zhuǎn)染效率。

1.4 陽離子聚合物/DNA復(fù)合物的電位和穩(wěn)定性

陽離子聚合物表面的正電荷對于形成復(fù)合物充分溶解所需的復(fù)合物周圍的親水性陽離子圈非常重要[22]。盡管PEI和DNA均有很好的水溶性，PEI和 DNA形成的復(fù)合物在電中性時形成不溶于水的復(fù)合物。儲存復(fù)合物一定時間可能會影響復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，最終影響基因轉(zhuǎn)染效率。例如，將高度支化的PEI制成的復(fù)合物儲存3周能將轉(zhuǎn)染效率提高8倍[23]，這可能是由于更強的靜電相互作用，進而形成壓縮更緊密的復(fù)合物。鹽溶液的濃度越高，DNA與陽離子多聚物之間的結(jié)合親和力下降[24]，可能是由于在高濃度鹽溶液中產(chǎn)生的電荷屏蔽效應(yīng)造成的。

復(fù)合物的粒徑大小也是基因轉(zhuǎn)染效率的一個重要影響因素。復(fù)合物的粒徑大小是由復(fù)合物的絡(luò)合作用 (即與 DNA的親和力) 和結(jié)構(gòu)控制的。結(jié)合松散的載體/DNA復(fù)合物具有較大的粒徑。通常陽離子聚合物的主鏈越長或者支化度越高，DNA壓縮越緊密，這樣可以使復(fù)合物更有效地抵抗細(xì)胞外環(huán)境的降解，以及更好地通過靜電吸附作用與帶負(fù)電的細(xì)胞膜表面接觸從而內(nèi)吞進入細(xì)胞。DNA壓縮通過溴化乙錠熒光猝滅來檢測顯示，高分子量PEI (25 kDa) 在低N/P時比低分子量的PEI (5.4 kDa) 更有效[25]。

在體外轉(zhuǎn)染細(xì)胞時，復(fù)合物的粒徑大小對生物相容性和內(nèi)涵體逃逸等起著關(guān)鍵的作用[26]。由于陽離子聚合物/DNA復(fù)合物被看成是獨立的單個壓縮物，所以認(rèn)為那些大顆粒的物質(zhì)是由這些小單位聚集而成的。帶正電荷的復(fù)合物顯示出與孵育時間相關(guān)聚集傾向。復(fù)合物聚集的影響因素包括表面電位和溶液介質(zhì)的離子強度。聚集的傾向，可能是由于屏蔽組件的存在，它們的存在會降低PEI復(fù)合物單體之間的相互作用，也會降低復(fù)合物和循環(huán)系統(tǒng)的血液成分之間的相互作用。這些屏蔽組件能抑制大的聚合物被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)快速的清除[27]。通常，在低的N/P (2～5) 之間時形成的復(fù)合物由于疏水作用和范德華力的作用而產(chǎn)生聚集現(xiàn)象[28]。相反，在高N/P時形成的復(fù)合物由于復(fù)合物表面高正電位形成的靜電排斥力而減少而發(fā)生聚集，這種效應(yīng)可能導(dǎo)致復(fù)合物在生理鹽水溶液中保持穩(wěn)定。多余的PEI會與這些壓縮后的復(fù)合物顆粒結(jié)合，使在0.9% NaCl溶液中的zeta電位高至+25 mV[29]。有報告認(rèn)為粒徑較大的復(fù)合物適合在體外轉(zhuǎn)染中使用[30]，他們認(rèn)為這些復(fù)合物由于沉降作用能更多地與細(xì)胞接觸并被細(xì)胞攝取，而在體內(nèi)轉(zhuǎn)染實驗時粒徑較大則不適合。

2 陽離子聚合物/DNA復(fù)合物結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

陽離子多聚物可被合成為不同的長度、不同的幾何形狀 (線性或者分枝狀)、不同的取代物或者是添加一些功能基團。這就開啟了大量的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系之間關(guān)系的研究[31]。文中通過討論陽離子聚合物/DNA復(fù)合物的結(jié)構(gòu)在各個轉(zhuǎn)染步驟中的作用來研究陽離子聚合物/DNA復(fù)合物結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。

2.1 細(xì)胞結(jié)合與攝取

表面電荷的陽離子對與細(xì)胞結(jié)合和細(xì)胞內(nèi)吞都至關(guān)重要[32]，細(xì)胞表面帶負(fù)電荷的蛋白多糖參與復(fù)合物進入細(xì)胞的過程。表面帶正電的復(fù)合物 (N/P在5左右) 經(jīng)常被用于轉(zhuǎn)染。通過去除多余的 PEI來純化復(fù)合物的過程減小了細(xì)胞毒性，然而，這也導(dǎo)致轉(zhuǎn)染效率降低。這可能是由于游離的PEI促進內(nèi)涵體逃逸，這個假設(shè)通過再添加游離的PEI可以恢復(fù)轉(zhuǎn)染效率得到支持[33]。

復(fù)合物轉(zhuǎn)染效率與細(xì)胞和陽離子聚合物的類型有關(guān)。von Gersdorff等報道在 COS-7細(xì)胞(非洲綠猴腎) 和 HUH-7細(xì)胞 (肝癌細(xì)胞) 中，依賴網(wǎng)格蛋白途徑是線性PEI轉(zhuǎn)染的主要途徑。然而，在 Hela細(xì)胞中依賴脂質(zhì)途徑和依賴網(wǎng)格蛋白途徑均參與轉(zhuǎn)染過程，以前者更顯著[34]。Rejman等報道在A549和Hela細(xì)胞中，PEI復(fù)合物通過這兩種途徑進入細(xì)胞，但是通過網(wǎng)格蛋白途徑進入細(xì)胞的復(fù)合物在溶酶體中降解，而通過小穴進入細(xì)胞的復(fù)合物最終成功轉(zhuǎn)染[35]。與von Gersdorff等的結(jié)果相比，van der Aa等研究在COS-7細(xì)胞中，阻斷小穴介導(dǎo)的轉(zhuǎn)染，當(dāng)網(wǎng)格蛋白途徑和小穴途徑介導(dǎo)的內(nèi)吞增加時，PEI和pDMAEMA復(fù)合物介導(dǎo)的轉(zhuǎn)染幾乎全部被抑制[36]。用流體相的內(nèi)吞作用的特異性阻斷劑顯示小穴介導(dǎo)的通路顯示小穴途徑也參與了PEI-25/DNA復(fù)合物轉(zhuǎn)染CHO-K1和HeLa細(xì)胞過程中[37]。

2.2 內(nèi)涵體逃逸

PEI是一種在廢水處理和造紙業(yè)中很常用的一種陽離子多聚物。Pollard等[38]提出質(zhì)子海綿效應(yīng)假說來解釋PEI介導(dǎo)的高轉(zhuǎn)染效率。假設(shè)在生理pH條件下，只有1～6個氮原子質(zhì)子化，在pH較低時，比如在內(nèi)涵體中，質(zhì)子化的氮原子數(shù)量增加，形成一個電位梯度，導(dǎo)致氯離子內(nèi)流進內(nèi)涵體，增加的氯離子濃度形成的電位梯度導(dǎo)致水內(nèi)流，最終導(dǎo)致內(nèi)涵體腫脹破裂。PEI和PAMAM在內(nèi)涵體中能夠存在一段時間，因此促使了溶酶體的滲透導(dǎo)致腫脹破裂。近年來質(zhì)子海綿效應(yīng)假說已經(jīng)被廣泛接受。有研究者用活細(xì)胞共聚焦顯微鏡為質(zhì)子海綿效應(yīng)假說提供了證據(jù)[39]。減速酸化，增加了氯離子的聚集，內(nèi)含PEI的內(nèi)涵體體積增加了140%[40]。另外，去除季銨化的加成質(zhì)子胺基導(dǎo)致轉(zhuǎn)染效率降低20倍左右[41]。然而，僅僅質(zhì)子海綿效應(yīng)假說不足以完全說明PEI或者PAMAM作為基因載體促進內(nèi)涵體逃逸中的顯著效果。近年來，Benjaminsen等研究表明，PEI不會按照以前的設(shè)想誘導(dǎo)溶酶體pH的變化，通過量化溶酶體中PEI的濃度發(fā)現(xiàn)質(zhì)子海綿效應(yīng)不一定是復(fù)合物內(nèi)涵體逃逸的主要機制[42]。

陽離子聚合物在內(nèi)涵體環(huán)境中的功能以及和內(nèi)涵體膜之間的相互作用的分子機制需要進一步深入的研究。復(fù)合物結(jié)構(gòu)在復(fù)合物與內(nèi)涵體膜之間的相互作用中的功能也有待繼續(xù)研究說明。

2.3 陽離子聚合物/DNA復(fù)合物的解聚

內(nèi)涵體逃逸后，復(fù)合物需要定位到細(xì)胞核并且解聚。陽離子聚合物對DNA較高的親和力導(dǎo)致與DNA的解離困難可能也是限制基因轉(zhuǎn)染的原因。低分子量 PLL形成的復(fù)合物比較容易解離，它的轉(zhuǎn)染效率比高分子量 PLL (解離困難)高。PEI形成的復(fù)合物的解離動力非常緩慢。通過對 PEI/DNA復(fù)合物進行雙熒光標(biāo)記后熒光顯微鏡觀察其在細(xì)胞內(nèi)的定位，發(fā)現(xiàn)與B16F10細(xì)胞共培養(yǎng)4 h后，細(xì)胞內(nèi)的復(fù)合物沒有解離[43]。用雙熒光標(biāo)記的 PEI/DNA復(fù)合物轉(zhuǎn)染胰腺癌細(xì)胞18 h后發(fā)現(xiàn)僅有少量完整的復(fù)合物顆粒，更多的是游離的PEI，這可能是復(fù)合物解聚的結(jié)果[44]。目前設(shè)計了很多種方法來證明復(fù)合物在細(xì)胞內(nèi)解聚。比如已經(jīng)合成了一種可還原的 PLL復(fù)合物，在細(xì)胞內(nèi)環(huán)境中可以降解，有利于釋放DNA，它可以提高基因表達180倍[45]。

2.4 核運輸

通過復(fù)合物將質(zhì)粒轉(zhuǎn)染進入細(xì)胞核早在1988年P(guān)ollard等就開始研究。他們發(fā)現(xiàn)通過微量注射 PEI/DNA復(fù)合物到細(xì)胞漿比單獨注射DNA或者DOTAP/DNA脂質(zhì)體的轉(zhuǎn)染效率高。這個結(jié)果被認(rèn)為主要是因為 PEI直接幫助 DNA進入細(xì)胞核。然而也不能排除PEI通過其他間接途徑幫助 DNA進入細(xì)胞核，包括更好地保護DNA和提高細(xì)胞質(zhì)流動性。

有研究者認(rèn)為核膜是最主要的DNA進入細(xì)胞核的障礙，核孔復(fù)合物調(diào)節(jié)核運輸時核膜的變化，核孔復(fù)合物的直徑大約9 nm，離子和中小分子可以自由穿過，比如：40～60 kDa的蛋白質(zhì)、小于300 bp的核酸等，大分子物質(zhì)不能自由穿過核膜[46]。對于休眠細(xì)胞，大分子蛋白通過運輸?shù)鞍鬃R別具體序列的核定位信號肽進入細(xì)胞核，蛋白-核定為信號肽/運輸?shù)鞍讖?fù)合物通過核孔復(fù)合物進入細(xì)胞核[47]。對于正在復(fù)制的細(xì)胞，DNA進入細(xì)胞核的機制是細(xì)胞分裂時核膜解散和重組過程中出現(xiàn)短暫的不完整，DNA被動進入細(xì)胞核。然而，轉(zhuǎn)染效率高低對細(xì)胞周期的狀態(tài)的要求在不同的轉(zhuǎn)染系統(tǒng)系統(tǒng)中不同。例如，線性PEI形成的復(fù)合物和電穿孔的轉(zhuǎn)染效率對細(xì)胞周期不敏感，而支化的PEI與脂質(zhì)體形成的復(fù)合物的轉(zhuǎn)染效率依賴于細(xì)胞周期[48]。

3 總結(jié)

本文旨在探討陽離子聚合物的結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系，為用于基因轉(zhuǎn)染的陽離子聚合物的設(shè)計和合成提供依據(jù)。對陽離子聚合物的理化性質(zhì)、陽離子多聚物/DNA的結(jié)構(gòu)、細(xì)胞內(nèi)吞、內(nèi)涵體逃逸、核運輸?shù)鹊牧私庥兄诨蜉d體的設(shè)計。實際上，轉(zhuǎn)染效率的高低與載體的轉(zhuǎn)染途徑是體內(nèi)或者體外、細(xì)胞類型、給藥途徑等都有關(guān)。非病毒載體用于基因轉(zhuǎn)染時雖然沒有病毒載體免疫原性、插入突變等弊端，但不同的陽離子聚合物對細(xì)胞的轉(zhuǎn)染效率高低不同，并且都具有一定的細(xì)胞毒性。近年來，世界各地的研究者都在不斷研究非病毒方法，特別是化學(xué)合成的載體，盡管有很多陽離子聚合物的轉(zhuǎn)染效率很高，但是目前報道的非病毒載體的轉(zhuǎn)染效率仍比病毒載體的轉(zhuǎn)染效率低。未來的基因載體的設(shè)計主要是提高轉(zhuǎn)染效率、治療靶向性、降低生物毒性等，這些改善將依賴于我們更好地理解和克服非病毒載體的限制步驟。將非病毒和病毒載體聯(lián)系起﹑ ﹑來，可能對獲得更有效的 持久的 無毒基因傳遞系統(tǒng)有所幫助。

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November 19, 2012; Accepted: March 4, 2013

Yubin Deng. Tel: +86-20-87755766-8630; E-mail: dengyub@mail. sysu.edu.cn

廣東省科技計劃項目 (Nos. 2009B020313001, 201213091100457) 資助。

Advances in cationic polymers used as nonviral vectors for gene delivery

Xianyue Ren1,2, Liqun Yang3, Xuan Liang3, Zhenzhen Liu3, and Yubin Deng1,2

1Laboratory of Research Center for Translational Medicine,the First Affiliated Hospital,Sun Yat-sen University,Guangzhou510080,Guangdong,China
2Department of Pathophysiology,Zhongshan School of Medicine,Sun Yat-sen University,Guangzhou510080,Guangdong,China
3Key Laboratory of Designed Synthesis and Application of Polymer Material,Key Laboratory for Polymeric Composite and Functional Materials of Ministry of Education,Institute of Polymer Science,School of Chemistry and Chemical Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou510275,Guangdong,China

Gene therapy has been considered as a promising method for treatment of many diseases, such as acquired and genetic diseases. At present, there are two major vehicles for gene delivery including viral vectors and nonviral vectors.Viral vectors appear as high gene transfection efficiency, but some deficiencies such as inflammatory responses,recombination and mutagenesis have limited their use. On account of low pathogenicity, safety and cost-effectiveness,nonviral vectors have been attracted much attention. Cationic polymers are one of the nonviral vectors which have been widely studied. This review focuses on the structure of the cationic polymers and the interaction mechanism between the vector and DNA. We try to provide a framework for the future design and synthesis of nonviral vectors with high transfection efficiency and low toxicity for gene therapy.

gene therapy, nonviral vectors, cationic polymer

Supported by: Science and Technology Planning Project of Guangdong Province, China (Nos. 2009B020313001, 201213091100457).

(本文責(zé)編 郝麗芳)