一种脂环化合物修饰的高分子材料及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高分子化学、有机合成以及生物材料技术领域，具体涉及一种脂环化 合物修饰的高分子材料及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 基因转染是指将外源基因导入细胞，从而获得新的遗传性状的过程。基因转染载 体是基因转染技术的核心，理想的基因转染载体应具备如下特点：高转染效率，低细胞毒 性，生物安全性好，价格低廉等。当前使用的基因转染载体主要包括病毒类载体和非病毒类 载体。主要的应用研究仍采用转染效率高的病毒类载体，但病毒类载体存在携带基因能力 有限以及安全性隐患等问题。因此，很多非病毒基因载体成为新的研究热点，包括阳离子蛋 白质，多肽，脂质体，纳米金属颗粒等。
[0003] 高分子基因载体的转染效率与多个因素相关，包括核酸结合能力、血清稳定性，细 胞摄入效率、细胞内运输和核酸释放能力等。
[0004]聚酰胺-胺树形高分子（polyamidoamine，PAMAM)是TomaliaD.A?于 1985 年首 次报道的具有几何分支的椭圆形结构的树形大分子，其高效低毒安全的特点已经在基因转 染中被广泛研究和应用，得到了人们的广泛关注。聚乙烯亚胺阳离子聚合物于1995年首次 作为基因载体应用，由于高密度的胺结构存在，使其能与核酸紧密结合形成纳米颗粒，利于 细胞内吞，现已广泛作为基因转染载体。近年来，将高分子表面氨基进行化学修饰成为主要 的修饰方式之一，例如在表面氨基上共价连接环糊精、氨基酸、PEG等修饰基团，可以获得相 对较好的基因转染效果；另一类修饰方式是在高分子表面氨基上修饰生物素、糖基、多肽片 段或蛋白质等基团，可以使高分子作为载体时具有靶向转染效果。上述修饰方式可以优化 增强高分子的基因转染效果同时提高其细胞相容性。
[0005]由于脂质体的疏水相互作用与细胞膜内部的疏水结构，使得脂环化合物修饰的高 分子具有相当好的膜融合能力。以聚酰胺-胺树形高分子或支化聚乙烯亚胺阳离子聚合物 为基础，表面氨基修饰链烷烃的基因载体，由于脂质体的疏水相互作用，细胞摄入能力得到 提高，进而其基因转染效率得到提高，且随着烷基链的长度的增加（十二烷基链最佳），细 胞转染效率会相应地提高。同时，脂质体的疏水相互作用能稳定阳离子脂质体和核酸形成 的复合物。然而，这种链烷烃与阳离子高分子形成的共价化合物虽然具有较高的基因转染 效率，但是其仍然具有一定的不可忽视的细胞毒性。
【发明内容】
[0006] 本发明克服现有技术普遍存在的链烷烃修饰的高分子材料作为基因转染载体的 缺陷，创新地提出了一种脂环化合物修饰的高分子材料，利用一系列的阳离子高分子作为 骨架，由脂环化合物修饰，共价连接到高分子表面，形成含有脂环化合物功能基团的阳离子 高分子聚合物。同样作为脂质体，脂环化合物利用其疏水相互作用在提高细胞摄入能力、增 加基因转染效率的同时，表现出优于链烷烃修饰的高分子材料的生物相容性，弥补链烷烃 修饰的高分子作为基因转染载体的不足。本发明的脂环化合物修饰的高分子材料可作为易 于合成、高转染效率，转染效果稳定、高效、安全、价格低廉，同时细胞毒性小，生物相容性高 的基因转染载体进行应用。
[0007] 本发明提供一种高分子材料，S卩脂环化合物修饰的高分子材料，其包括高分子骨 架和脂环化合物功能基团；所述高分子骨架为阳离子高分子骨架；所述脂环化合物功能基 团与所述高分子骨架表面共价连接，即所述高分子的伯胺基团与脂环化合物通过化学反应 共价相连。
[0008] 其中，所述高分子材料的结构如式（1)所示：
[0009] R-(Y_S)X 式（1)
[0010] 式（1)中，Y为NHCONH，NHCSNH，NHCH0HCH2,NHCH2CH0H，NH或NHC0 基团；
[0011] S为所述脂环化合物功能基团；
[0012] R为所述阳离子高分子骨架；
[0013]x为 1-1024 的整数。
[0014] 其中，所述S为如式（2)所示的环戊烷、如式（3)所示的环己烷、如式（4)所示的 环庚烷、如式（5)所示的环辛烷、如式（6)所示的环壬烷、如式（7)所示的金刚烷、如式（8) 所示的环十一烷或如式（9)所示的环十二烷：
[0015]
[0016] 其中，所述S作为脂环化合物，优选地，为环戊烷（式2)、环庚烷（式4)、金刚烷 (式7)或环十二烷（式9)。
[0017] 其中，所述R为聚酰胺-胺树形高分子、聚丙烯亚胺树形高分子、聚赖氨酸树形高 分子、支化聚乙烯亚胺阳离子聚合物或线性聚乙烯亚胺阳离子聚合物，即，所述R为如式 (10)所示的聚酰胺-胺树形高分子、式（11)所示的聚丙烯亚胺树形高分子、式（12)所示的 聚赖氨酸树形高分子、如式（13)所示的支化聚乙烯亚胺阳离子聚合物或如式（14)所示的 线性聚乙烯亚胺阳离子聚合物；
[0018]
[0019] 其中，在式（10)、式（11)及式（12)中，M为高分子材料的核心，包括氨、乙二胺、丁 二胺、己二胺、辛二胺、葵二胺和1，12-十二烷二胺；n为1-10的整数；m为2-4的整数。
[0020] 在式（13)中，n为支化单元重复数量，所述支化聚乙烯亚胺阳离子聚合物的分子 量为 600-100000 ;
[0021] 在式（14)中，n代表乙烯亚胺的重复数量，所述线性聚乙烯亚胺阳离子聚合物的 分子量为600-100000。
[0022] 优选地，所述R为聚酰胺-胺树形高分子或支化聚乙烯亚胺阳离子聚合物。
[0023] 本发明还提出了一种如式（1)所示的脂环化合物修饰的高分子材料的制备方法， 将所述脂环化合物和所述高分子溶解于水或有机溶剂，充分搅拌反应后，除去未反应的脂 环化合物以及相关溶剂，即得到所述的基于高分子和脂环化合物的高分子材料。
[0024] 由本发明的制备方法得到的高分子材料的结构如式（1)所示：
[0025] R-(Y-S)X 式（1)，
[0026] 式（1)中，
[0027]Y为NHCONH，NHCSNH，NHCH0HCH2,NHCH2CH0H，NH或NHC0基团；
[0028] S为脂环化合物功能基团；
[0029] R为阳离子高分子骨架；
[0030] x为 1-1024 的整数。
[0031] 本发明的制备方法将脂环化合物共价连接到高分子骨架的表面上，即高分子的伯 胺基团与脂环化合物通过化学反应相连，从而制备得到如式（1)所示的可以作为基因转染 材料的脂环化合物修饰的高分子材料。
[0032] 本发明的制备方法中，所述高分子骨架R为聚酰胺-胺树形高分子、聚丙烯亚胺树 形高分子、聚赖氨酸树形高分子、支化聚乙烯亚胺阳离子聚合物或线性聚乙烯亚胺阳离子 聚合物。其中，
[0033] 其中，所述R为阳离子高分子，优选地，为聚酰胺-胺树形高分子（式10)或支化 聚乙烯亚胺阳离子聚合物（式13)。
[0034] 其中，所述高分子表面为伯胺基团。
[0035] 本发明制备方法中，所述脂环化合物功能基团S为环戊烷、环庚烷、环辛烷、环壬 烷、金刚烷、环癸烷或环十二烷。优选地，为环戊烷、环庚烷、金刚烷或环十二烷作为与高分 子反应的主要单体。
[0036] 本发明制备方法中，将所述脂环化合物S和所述高分子R溶解于水或有机溶剂，充 分搅拌反应，然后分离提纯，得到所述高分子材料。所述有机溶剂为甲醇，乙醇，二甲亚砜， N，N-二甲基甲酰胺，或四氢呋喃等。
[0037] 本发明还提出了如式（1)所示的基于脂环化合物修饰的高分子材料作为生物大 分子的输送载体的应用。例如，如式（1)所示的基于脂环化合物修饰的高分子材料作为 基因转染材料在体外作为核酸分子的输送载体。其中，所述核酸包括DNA、siRNA、shRNA、 microRNA或修饰的核酸。
[0038] 本发明还提出了一种新的复合物，其包括如式（1)所示的基因转染材料即基于脂 环化合物修饰的高分子材料和生物大分子。所述生物大分子优选为核酸，由如式（1)所示 的基因转染载体即基于脂环化合物修饰的高分子材料携带所述核酸。所述核酸包括DNA、 siRNA、shRNA、microRNA或修饰的核酸。例如，在室温下，将所述基因转染载体和荧光素酶 siRNA形成复合物，在该复合物中，由所述基因转染载体携带核酸。
[0039] 基于稳定表达荧光素酶的Hela细胞即Hela-luci细胞系，以荧光素酶基因作为 报告基因，以焚光素（luciferin)为底物来检测萤火虫焚光素酶（fireflyluciferase) 的活性这一报告系统，利用本发明如式（1)所示的高分子材料输送荧光素酶的干扰 RNA(siRNA)，通过比较荧光素酶的活性，来评估高分子材料基因转染的效果。本发明如式 (1)所示的高分子