以赖氨酸、糖等为砌块构建新型阳离子大分子及其应用研究
孙景景
中国科学院大学
摘要：本论文主要以赖氨酸、聚乳酸、半乳糖等天然产物为砌块，设计、合成了系列新型结构规整的阳离子功能大分子，研究了其作为基因输送载体的应用，进而探索载体大分子结构与组成对其基因输送性能及相关细胞输送机制的影响规律。与此同时，采用pH和还原响应性砌块，设计制备了具有双重环境响应性的壳交联大分子胶束，研究了其在水溶液中的环境响应性质及其作为智能药物输送载体的应用。具体研究内容主要包括以下五个部分: 一、含赖氨酸的甲基丙烯酸酯类阳离子大分子PHML的合成、表征以及RAFT聚合反应动力学研究 以天然赖氨酸为功能砌块，设计合成制备了含Boc-赖氨酸的甲基丙烯酸酯类单体HEMA-Boc-Lys，进一步采用RAFT聚合法，活性聚合制备得到系列分子量的PHML-Boc大分子，并考察了其RAFT聚合反应动力学。在此基础上，通过脱除Boc保护基，制备得到新型水溶性阳离子大分子PHML，并运用1H NMR、GPC和FT-IR等手段对其大分子结构进行了表征。研究结果表明制备所得的PHML系列大分子(6K、10K、15K、23K和30K)结构规整，且分子量易调控，为进一步深入研究PHML大分子结构与其功能的关系提供了基础。 二、新型阳离子功能大分子PHML作为基因载体的应用及相关细胞内输送机制的研究 以上述制备所得阳离子大分子PHML为非病毒基因载体，运用酸碱滴定、琼脂糖凝胶电泳、动态光散射(DLS)、透射电子显微镜(TEM)等分析表征手段，研究了PHML的溶液质子缓冲能力、pDNA结合力以及PHML/pDNA复合物的尺度、表面电势和形貌。分别采用CCK-8和乳酸脱氢酶(LDH)评价方法，研究了PHML载体的体外细胞毒性和细胞膜破坏力。进一步采用荧光素酶(luciferase)编码基因、绿色荧光蛋白(GFP)编码基因和p53基因为报告基因，研究了PHML载体/pDNA复合物在多种细胞系中的基因转染行为。并运用流式细胞术、细胞内吞途径选择性抑制和细胞内荧光共定位等方法研究了PHML/pDNA复合物的细胞内吞效率、内吞途径及胞内输送机制。研究结果表明，随着分子量的增加，PHML载体的pDNA结合力、基因转染效率以及相关pDNA复合物的细胞内吞效率趋于增强。与商业化线性聚赖氨酸PLL(15-30K)载体相比，PHML-30K载体呈现更低的细胞毒性、更佳的基因转染效率和更高的复合物细胞内吞效率。此外，通过调节PHML载体的分子量可调控其pDNA复合物的细胞内吞途径，PHML-30K/pDNA复合物主要通过陷穴小泡(caveolae)介导的内吞和微管途径迁移进入细胞，并且具有内涵体逃逸及释放的pDNA绕核分布现象。 三、生物可降解三嵌段共聚大分子PHML-b-PLLA-b-PHML的合成、自组装及其作为基因输送载体的应用研究 采用开环聚合(ROP)和原子转移自由基聚合(ATRP)方法合成制备了系列结构规整的生物可降解三嵌段共聚大分子PHMLn-b-PLLA22-b-PHMLn(n=17，24，30)，并进一步将其溶于水，制备了两亲嵌段大分子胶束PHML-b-PLLA-b-PHMLNP。运用琼脂糖凝胶电泳和脱氧核糖核酸酶(DNaseⅠ)酶解法研究了PHML-b-PLLA-b-PHML NP的pDNA结合力及其pDNA复合物的抗酶解稳定性。进一步运用DLS和原子力显微镜(AFM)研究了阳离子大分子胶束PHML-b-PLLA-b-PHML NP及其pDNA复合物的尺寸、表面电势及形貌。在此基础上，以PHML-b-PLLA-b-PHML NP为基因载体，研究了其H1299细胞毒性、基因转染及相关复合物的细胞内吞途径。研究结果表明，PHML-b-PLLA-b-PHMLNP具有较低的细胞毒性和较高的pDNA结合力，并能够有效地保护pDNA避免被核酸酶降解。在10％FBS的存在下，PHML-b-PLLA-b-PHML NP载体呈现接近于bPEI-25K对比参照的基因转染效率。此外，PHML30-b-PLLA22-b-PHML30NP载体负载pDNA通过脂筏途径内吞进入细胞，与病毒载体的细胞内吞途径具有相似性。 四、具有侧挂半乳糖和赖氨酸的新型阳离子大分子的制各及其作为基因输送载体的研究 采用RAFT聚合法合成制备了系列结构规整的具有侧挂天然赖氨酸和半乳糖的阳离子大分子PHML-b-PMAGal和P(HML-st-MAGal)。运用琼脂糖凝胶电泳、DLS、TEM等分析表征方法，研究了系列阳离子大分子的pDNA结合力及其pDNA复合物的尺寸、表面电势和形貌。以系列阳离子大分子为基因载体，运用MTT法和荧光素酶法研究了其细胞毒性和基因转染行为。结果表明，PHML-b-PMAGal和P(HML-st-MAGal)大分子载体的细胞毒性和基因转染效率与其大分子的共聚单元序列结构和半乳糖的含量密切相关。在系列所得大分子载体中，半乳糖含量为4.8％的P(HML40-st-MAGal4)载体在10％ FBS存在下，H1299细胞基因转染效率最优，且在多种细胞系中均呈现高于bPEI-25K载体参照的基因转染效率。 进一步以实验中呈现最优基因转染的P(HML40-st-MAGal4)载体为研究对象，采用流式细胞术、细胞内吞途径选择性抑制和荧光共定位方法，研究了载体/pDNA复合物在10％FBS下的细胞内吞效率、内吞途径及胞内输送机制。研究结果表明10％FBS的存在没有改变P(HML40-st-MAGal4)/pDNA复合物的细胞内吞途径，但改变了复合物经由不同内吞途径被细胞所摄取的比例，这可能是其在10％FBS下细胞内吞效率和基因转染效率增加的原因。此外，P(HML40-st-MAGal4)/p DNA复合物在10％FBS下仍具有较强的内涵体逃逸能力，且逃逸的pDNA能够快速迁移进入细胞核内。 五、双重环境响应性壳交联大分子胶束的制备及其作为药物输送载体的研究 采用RAFT聚合法合成制备了系列结构规整的两嵌段三组分共聚大分子PDPA-b-P(NMS-co-OEG)，并运用溶液自组装法制备了尺寸为30～90 nm的大分子胶束。在此基础上，进一步采用胱胺交联剂，制备了P DPA-b-P(NMS-co-OEG)壳交联大分子胶束，并运用DLS、TEM、1H NMR、荧光光谱法研究了壳交联大分子胶束的尺寸、形貌及环境响应性质。结果表明PDPA33-b-P(NMS22-co-OEG25)壳交联大分子胶束具有pH和还原双重环境响应性，在酸性条件下疏水内核发生溶胀，在10 mM GSH的存在下交联壳层发生反应解交联，当同时在酸性条件和10 mM GSH的存在下时，大分子胶束发生解离转变为单链。 进一步以喜树碱(CPT)为疏水药物模型，研究了PDPA33-b-P(NMS22-co-OEG25)未交联和壳交联大分子胶束对药物的负载能力及载药胶束的CPT体外释放行为，并考察了其作为药物载体的细胞毒性。结果表明，PDPA33-b-P(NM S22-co-OEG25)未交联及壳交联大分子胶束对H1299细胞无明显毒性。通过壳交联，大分子胶束的载药量和包封率显著增加，在pH=7.4下的CPT释放速度显著降低。此外，酸性或/和还原性环境均能够单独或协同促进PDPA33-b-P(NMS22-co-OEG25)壳交联载药大分子胶束的CPT释放。
关键词：阳离子 大分子 赖氨酸 聚乳酸 半乳糖 合成工艺 基因输送性能
授予学位：博士
学科专业：高分子化学与物理
导师姓名：曹阿民
学位年度：2014
语种：中文
分类号：TQ460.6(制药化学工业)
以赖氨酸、糖等为砌块构建新型阳离子大分子及其应用研究|孙景景|中国科学院大学
阳离子|大分子|赖氨酸|聚乳酸|半乳糖|合成工艺|基因输送性能
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第一章 前言
第一节 研究背景
第二节 本论文的工作设想
参考文献
第二章 含赖氨酸的甲基丙烯酸酯类阳离子大分子PHML的合成、结构表征以及RAFT聚合反应动力学研究
第一节 引言
第二节 含赖氨酸的甲基丙烯酸酯功能单体及RAFT链转移剂的合成与结构表征
第三节 含赖氨酸的甲基丙烯酸酯单体的RAFT聚合反应动力学研究
第四节 RAFT聚合制备含赖氨酸侧基的阳离子功能大分子及其结构表征
本章小结
实验部分
参考文献
第三章 新型阳离子功能大分子PHML作为基因载体的应用及细胞内输送机制的研究
第一节 引言
第二节 阳离子大分子PHML的质子缓冲性能和pDNA结合力研究
第三节 阳离子大分子PHML／pDNA复合物的表征研究
第四节 阳离子大分子PHML的HeLa细胞毒性及其介导的基因转染研究
第五节 PHML阳离子大分子载体在其它细胞系的基因转染研究
第六节 阳离子大分子PHML／pDNA复合物的细胞转运机制的研究
本章小结
实验部分
参考文献
第四章 生物可降解三嵌段共聚大分子PHML-b-PLLA-b-PHML的合成、自组装及其作为基因输送载体的研究
第一节 引言
第二节 PHML-b-PLLA-b-PHML三嵌段共聚大分子的合成与结构表征
第三节 两亲三嵌段共聚大分子PHML-b-PLLA-b-PHML自组装胶束的研究
第四节 PHML-b-PLLA-b-PHML NP／pDNA复合物的表征研究
第五节 PHML-b-PLLA-b-PHML大分子及PHML-b-PLLA-b-PHML NP／pDNA复合物的细胞毒性研究
第六节 PHML-b-PLLA-b-PHML NP／pDNA复合物的H1299细胞基因转染及内吞机制研究
本章小结
实验部分
参考文献
第五章 侧挂半乳糖和赖氨酸的新型阳离子大分子的制备及其作为基因输送载体的研究
第一节 引言
第二节 侧挂半乳糖和赖氨酸的阳离子大分子的合成与结构表征
第三节 侧挂半乳糖和赖氨酸的新型阳离子大分子／pDNA复合物的表征研究
第四节 侧挂半乳糖和赖氨酸的新型阳离子大分子作多基因输送载体的研究
第五节 含半乳糖阳离子大分子P(HML40-st-MAGal4)／pDNA复合物的细胞输运机制的研究
本章小结
实验部分
参考文献
第六章 双重响应性壳交联胶束的制备及其作为药物输送载体的应用研究
第一节 引言
第二节 PDPA-b-P(NMS-co-OEG)共聚大分子的合成与结构表征
第三节 PDPA-b-P(NMS-co-OEG)大分子自组装胶束及壳交联胶束的制备与表征
第四节 PDPA-b-P(NMS-co-OEG)大分子胶束及壳交联胶束的环境响应性研究
第五节 PDPA-b-P(NMS-co-OEG)溶液自组装大分子胶束及其壳交联胶束作为药物输送载体的研究
本章小结
实验部分
参考文献
全文总结与展望
全文总结
今后进一步工作的展望
附录
作者简介及在学期间发表的学术论文
以赖氨酸、糖等为砌块构建新型阳离子大分子及其应用研究|孙景景|中国科学院大学
阳离子|大分子|赖氨酸|聚乳酸|半乳糖|合成工艺|基因输送性能
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