一种阳离子聚氨基酸基因载体材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种阳离子聚氨基酸基因载体材料及其制备方法。本发明首次通过N-羧基-α-氨基酸酐开环聚合的方法制备了天冬氨酸苄酯与组氨酸的无规共聚物，并通过对天冬氨酸侧链进行胺解反应，合成了阳离子聚合物基因载体材料。凝胶渗透色谱结果显示，控制引发剂投料量，可有效控制聚合物的分子量；不同胺解比例下，聚合物溶解性不同，由疏水向亲水转变，通过体外基因转染实验可知，胺解比例从10%至95%的聚合物P(HIS-co-ASP(DET))均具有基因转染效率，通过改变材料与基因的质量比，筛选出具有最高转染效率的聚合物；聚合物P(HIS-co-ASP(DET))与均聚的天冬氨酸聚合物相比，细胞毒性有显著性降低，所得聚合物是一种低毒、高效且具有良好的生物相容性及生物可降解性的基因载体材料。
【专利说明】一种阳离子聚氨基酸基因载体材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及非病毒基因载体领域，具体地说，涉及一种阳离子聚氨基酸基因载体材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着以DNA重组技术为代表的现代分子生物学技术的发展，基因治疗已成为近20年来生物医学治疗技术研究的热点之一。基因治疗是指将特定的外源基因运载到病灶部位的细胞内，并使其有效地表达。作为一种从根本上治疗疾病的新型医疗方法，基因治疗面临的首要挑战是如何把治疗基因安全、高效地运到病变部位的靶细胞或组织中，并且稳定地表达，这在很大程度上取决于基因治疗所用的载体系统。目前，应用于基因治疗的载体主要分为病毒载体和非病毒载体。
[0003]病毒载体高度进化后具有一定的感染和寄生特性，在多数情况下有较高的转染效率，但也存在免疫原性高、毒性大、目的基因容量小、靶向特异性差、制备复杂及费用高等缺点，从而导致其在临床上的应用受到了限制，于是人们逐渐将目光转向了非病毒载体。阳离子聚合物是一类重要的非病毒载体，其具有安全、有效、无免疫原性等特点。目前，研究最为广泛和深入的阳离子聚合物为聚乙烯亚胺(PEI)。聚乙烯亚胺(PEI)分子中每三个相邻原子中就有一个可以质子化的氮原子，较高的电荷密度可以使其与基因有效的结合并增强了细胞的摄取，很大程度上提高了基因转染效率。但PEI作为基因载体材料在体内生物降解性较差，易导致红细胞的聚集而且能够和血浆的成分相互作用，细胞毒性也相对较大。因此，开发一种高效、低毒以及生物相容性较好的非病毒基因载体非常必要。
[0004]聚氨基酸是α-氨基酸之间由肽键相连的高分子，具有较好的生物相容性；除此之外，在生理环境下，聚氨基酸可自发形成稳定的二级结构，保证了其作为载体材料的稳定性，因而聚氨基酸在众多高分子材料中独树一帜。目前研究及应用较多的氨基酸类基因载体为聚赖氨酸。聚赖氨酸(PLL)由于其侧链的伯胺基团在生理环境(ρΗ=7.4)下便可质子化而带正电，因此可以有效的提高DNA的包载率，增加细胞的摄取效率，然而研究表明聚赖氨酸的质子缓冲能力欠缺，以其作为载体的复合微粒难以从内含体中逃逸，最终负载的基因被核酸酶降解，转染效率下降。
[0005] 在众多氨基酸中，天冬氨酸(Aspartate Acid)具有α-手性中心以及多种官能团，无论是自身均聚还是与其他氨基酸共聚，都保留着部分活性基团，因此具有结构可控、易于修饰的优点，可以制备成效率高、毒性低的高分子基因载体材料。同时，还可以通过在其母体引入不同链长、含不同亲疏水性基团的侧链，赋于材料不同的性质，如荷电性、亲水性、亲脂性等，最终使材料具有不同的生物降解性；组氨酸(Histidine)是一种侧基为咪唑基的人体常见非必需氨基酸，PKa约为6.0，聚合物中引入组氨酸可以提高其在细胞质内含体及溶酶体内pH(4.5^6.5)中的质子缓冲能力，有利于复合微粒从内含体逃逸，避免微粒在溶酶体中被降解，同时，生理环境下，组氨酸具有疏水特性，可以提高基因载体的细胞摄取，从而进一步提闻基因转染效率。[0006]因此，在上述相关基础上，设计开发一类全新的具有可控分子结构的氨基酸阳离子无规共聚物，其主链结构中同时包含生物相容性良好和基因携载能力高的阳离子天冬氨酸单体，以及能够有效促进载体内含体逃逸的疏水性组氨酸单体，并在此基础上将其进一步发展，制备成为一系列新型的高效、低毒的基因载体，目前还未见有相关研究报道。
【发明内容】
[0007]本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种低毒、高效的阳离子聚氨基酸基因载体材料及其制备方法。本发明的载体材料能够有效的结合基因并利用组氨酸在酸性环境下的强质子缓冲能力，帮助自身及基因有效逃离内含体，同时，聚天冬氨酸主链引入疏水的组氨酸单体后，有效的降低了电荷密度并提高细胞的摄取效率。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种阳离子聚氨基酸基因载体材料，其结构式如式(I )所述:
【权利要求】
1.一种阳离子聚氨基酸基因载体材料，其结构式如式(I )所述:
2.权利要求1所述阳离子聚氨基酸基因载体材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤:首先，分别制备天冬氨酸苄酯及组氨酸单体的N-羧基-α -氨基酸酐NCA，并以含有伯胺的物质作为引发剂引发两种氨基酸NCA进行开环聚合；再利用脱保护试剂脱去组氨酸上的保护基团；最后，利用胺解试剂二乙烯三胺进行天冬氨酸侧链的胺解修饰，从而得到二乙烯三胺修饰的氨基酸类阳离子共聚物。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)组氨酸NCA的合成:以四氢呋喃为溶剂，在氮气保护及室温条件下，组氨酸单体与亚硫酰氯反应得到黄色透明溶液后，迅速沉淀于倍8-20倍体积的无水乙醚中，得到淡黄色固体沉淀物，过滤后抽真空干燥，得到初级产物；将初级组氨酸NCA溶于硝基甲烷中，过滤取滤液沉淀于无水乙醚中，抽真空干燥，重复此提纯步骤3-5遍，得到纯净组氨酸NCA ； (2)天冬氨酸NCA的合成:以四氢呋喃为溶剂，在氮气保护及40-70°C条件下，天冬氨酸单体与三光气反应得到无色透明溶液后，迅速沉淀于8-20倍体积正己烷中，得到白色固体沉淀，过滤后抽真空干燥，得到天冬氨酸NCA初级产物；将初级天冬氨酸NCA溶于乙酸乙酯中，过滤取滤液冷却重结晶，重复此提纯步骤3-5遍，得到纯净天冬氨酸苄酯NCA ； (3)氨基酸NCA开环聚合:以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，氨基酸NCA在含有伯胺官能团的物质进行引发，在25-60°C、氮气保护条件下，至少反应72小时，产物于N，N-二甲基甲酰胺中透析后再于蒸馏水中透析并冻干，得到聚组氨酸-天冬氨酸共聚物P(HiS(DNP)-CO-BLA)； (4)聚合物中组氨酸单体咪唑基团脱保护:分别将聚合物P(HIS (DNP)-co-BLA)及脱保护试剂2-巯基乙醇溶于二甲基亚砜中，室温下，将巯基乙醇溶液缓慢加入聚合物溶液，反应1-3天，反应产物于二甲基亚砜中透析后再于水中透析并冻干，得到产物P(HIS-co-BLA)； (5)聚合物天冬氨酸苄酯胺解反应:取P(HIS-C0-BLA)溶解于N-甲基吡咯烷酮中并加入二乙烯三胺，室温下反应1-24小时，产物于蒸馏水中透析并冻干，得到最终产物P (HIS-co-ASP (DET))。
【文档编号】C12N15/87GK103755955SQ201410013791
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】刘杰, 蒋庆, 高迪, 陈可欣, 余柏青 申请人:中山大学