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作為基因輸送載體的殼聚糖衍生物研究進(jìn)展

2011-12-08 14:00
藥學(xué)實踐雜志 2011年1期
關(guān)鍵詞:接枝陽離子衍生物

李 晏

(解放軍第411醫(yī)院,上海 200081)

作為基因輸送載體的殼聚糖衍生物研究進(jìn)展

李 晏

(解放軍第411醫(yī)院,上海 200081)

殼聚糖作為基因載體,目前存在的主要問題是還不能達(dá)到足夠高的表達(dá)效率。其中主要原因是殼聚糖在pH 7.4的生理環(huán)境下溶解度較差,殼聚糖與DNA形成的復(fù)合物在生理環(huán)境下的穩(wěn)定性較差,缺乏細(xì)胞靶向性。本文綜述了作為基因輸送載體的殼聚糖衍生物研究進(jìn)展,為進(jìn)一步研究和開發(fā)殼聚糖衍生物提供依據(jù)和參考。

基因載體;殼聚糖;衍生物

基因輸送載體大體上分為病毒和非病毒兩類。以病毒作為基因輸送載體是指將病毒基因中編碼中致病因素部分去除掉,以目標(biāo)基因替代之。由于控制病毒進(jìn)入靶細(xì)胞,在細(xì)胞內(nèi)的運輸以及編碼病毒進(jìn)入細(xì)胞核部分的基因還在病毒載體上,所以病毒載體的突出優(yōu)點就是有較高的靶基因表達(dá)效率。但同時也保留了一些病毒的缺點:如具有較強(qiáng)的免疫反應(yīng)、可以隨機(jī)地插入靶細(xì)胞的基因組可能會激活原癌基因從而引發(fā)腫瘤發(fā)生,并且大量制備過程非常復(fù)雜,這些都成為病毒載體應(yīng)用于臨床的限制因素。非病毒載體主要有以下幾種:脂質(zhì)體、陽離子多聚物、重組蛋白和無機(jī)的納米粒子。脂質(zhì)體也是目前研究較多的一種非病毒的載體,包括陽性、中性及陰性脂質(zhì)體。陽離子多聚物包括天然的陽離子多聚物如殼聚糖、膠原和人工合成的陽離子多聚物如聚乙烯亞胺、聚丙烯亞胺樹突狀物及多聚賴氨酸等。殼聚糖作為一種天然存在的陽離子多聚物,具有較好的生物相容性和生物降解性,可以與DNA通過快速混合形成納米顆粒,從而具有作為基因輸送載體的重大潛力。本文將主要對作為基因載體的天然陽離子多聚物殼聚糖及其衍生物研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 殼聚糖作為基因載體的優(yōu)勢和不足

殼聚糖不溶于水和一般的有機(jī)溶劑,但能溶于大部分有機(jī)酸的水溶液而形成一種玻璃狀的膠狀物。由于殼聚糖在pH<6的酸性溶液中氨基可以質(zhì)子化帶正電荷,增強(qiáng)了殼聚糖的溶解性能,這種性質(zhì)使質(zhì)子化帶正電荷的殼聚糖在水相中與帶有負(fù)電荷的DNA通過快速混合形成納米級的復(fù)合物。殼聚糖與DNA形成的復(fù)合物可以使DNA凝聚,并且可以保護(hù)DNA免受核酸酶的降解。同時殼聚糖還有較好的生物相容性和生物可降解性?;谝陨咸匦?,殼聚糖作為基因輸送載體的研究引起了人們廣泛的興趣。而殼聚糖作為基因載體現(xiàn)在的主要問題是還不能達(dá)到足夠高的表達(dá)效率。其中主要原因在于殼聚糖在pH 7.4的生理環(huán)境下的溶解度較差,殼聚糖與DNA形成的復(fù)合物在生理環(huán)境下的穩(wěn)定性較差,缺乏細(xì)胞靶向性。因此,近年來為克服這些局限性,殼聚糖的衍生物研究成為一個非病毒載體的研究熱點。

2 作為基因載體的殼聚糖衍生物的研究進(jìn)展

2.1提高殼聚糖與DNA復(fù)合物穩(wěn)定性的殼聚糖衍生物 雖然陽離子復(fù)合物的正電性在細(xì)胞轉(zhuǎn)染研究中是有利的,但是在動物全身給藥實驗,陽離子復(fù)合物的陽離子與血液中的陰離子成分如血清白蛋白、調(diào)理素等結(jié)合后產(chǎn)生聚集,從而被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)、吞噬細(xì)胞迅速清除,使得陽離子復(fù)合物體內(nèi)半衰期縮短。

為減少陽離子復(fù)合物與血漿蛋白的非特異結(jié)合,一些研究采用親水性的機(jī)團(tuán)如PEG等修飾陽離子聚合物[1],聚乙烯亞胺采用PEG修飾后能夠增加復(fù)合物的穩(wěn)定性,從而增加了復(fù)合物粒子靜脈注射后的體循環(huán)時間,其主要原因可能是因為高度靈活的PEG鏈能夠干擾陽離子復(fù)合物與血漿成分的非特異結(jié)合[2]。另外復(fù)合物表面的PEG鏈的存在還能夠減少復(fù)合物粒子的聚集,從而提高其穩(wěn)定性。有研究表明PEG接枝的PEI共聚物(PEI-g-PEG)中PEG的取代度和PEG的分子量影響共聚物的理化性質(zhì),分子量為20 kDa的PEG較分子量為0.5 kDa的PEG接枝的聚合物能形成更小的復(fù)合物粒子[3,4]。

殼聚糖的PEG修飾對于殼聚糖/DNA復(fù)合物在不同細(xì)胞中轉(zhuǎn)染效率的研究近年來相繼有文獻(xiàn)報道,其基本結(jié)論是殼聚糖經(jīng)過PEG修飾后可以顯著提高含血清細(xì)胞培養(yǎng)研究的轉(zhuǎn)染效率。PEG接枝的殼聚糖共聚物(MW=5 kDa,接枝率9.6%)能夠顯著降低血清和膽汁存在是復(fù)合物聚集情況。體內(nèi)實驗研究表明,與殼聚糖相比,PEG接枝的殼聚糖共聚物在膽管注射1 d以及門靜脈置管3 d的大鼠肝中有更好的基因表達(dá)[4],這主要是由于殼聚糖經(jīng)過PEG化后減少了調(diào)理作用,延長了復(fù)合物血循環(huán)時間。進(jìn)一步的研究PEG接枝的殼聚糖不僅能夠減少大鼠Kupffer細(xì)胞的清除作用,并能夠增加到達(dá)肝臟和腫瘤部位的轉(zhuǎn)染物質(zhì)的量[5]。

2.2增加殼聚糖與DNA復(fù)合物靶向性的殼聚糖衍生物 由于聚合物缺乏細(xì)胞靶向性,殼聚糖納米粒的細(xì)胞攝取作用主要是通過非特異性的細(xì)胞內(nèi)吞實現(xiàn),這就受到納米粒表面特性的影響。為改善對于細(xì)胞攝取效率和靶細(xì)胞的特異性,殼聚糖常與細(xì)胞特異性的配體結(jié)合,通過這些配體可以識別和結(jié)合靶細(xì)胞上膜結(jié)合蛋白。當(dāng)納米粒達(dá)到靶細(xì)胞,陽離子粒子與陰離子細(xì)胞膜結(jié)合,ATP驅(qū)動的細(xì)胞攝取納米粒。而特異性配體(受體)修飾的殼聚糖載體與DNA/SiRNA復(fù)合物的細(xì)胞攝取能夠通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)行。已有研究的與殼聚糖結(jié)合的受體包括轉(zhuǎn)鐵蛋白[6]、葉酸、甘露糖[7]、半乳糖[8]。其中葉酸被細(xì)胞攝取的機(jī)制有利于葉酸結(jié)合的殼聚糖載體更具靶向性,從而改善其轉(zhuǎn)染效率。葉酸修飾的納米粒具有較低的毒性、較好的DNA縮合作用、正電性和118 nm左右的粒子大小,這些特征使得葉酸結(jié)合的殼聚糖載體有望成為較好的非病毒載體[9]。Park等[8]研究了半乳糖修飾的殼聚糖/DNA復(fù)合物,由于復(fù)合物上半乳糖的靶向性,該系統(tǒng)在表達(dá)肝細(xì)胞表面去唾液酸糖蛋白受體表現(xiàn)出了較強(qiáng)的轉(zhuǎn)染效果。甘露糖修飾的殼聚糖Gal-PEG-CHI-g-PEI載體在體外(HepG2和Hela細(xì)胞)和體內(nèi)(靜脈注射)基因治療中均提高了轉(zhuǎn)染效率和肝細(xì)胞選擇性[10]。

影響配體結(jié)合殼聚糖載體靶向性的因素主要有:配體的取代度、生物交聯(lián)的化學(xué)方法、配體和聚合物的空間大小以及配體和受體的結(jié)合強(qiáng)度等。配體對于靶細(xì)胞的選擇性也受到復(fù)合物表面電荷的影響。復(fù)合物表面正電性過強(qiáng)會促進(jìn)吸附依賴型的細(xì)胞攝取,造成細(xì)胞選擇性的下降[11]。復(fù)合物表面電荷可通過結(jié)合具有柔性骨架的親水性高分子如PEG解決。在靶向配體和陽離子聚合物之間接入PEG,還能夠增加配體出現(xiàn)在復(fù)合物表面的機(jī)會。

2.3提高殼聚糖與DNA復(fù)合物內(nèi)含體逃逸功能的殼聚糖衍生物 影響殼聚糖DNA復(fù)合物轉(zhuǎn)染效率的因素除了較差的穩(wěn)定性和非選擇性之外,該復(fù)合物較難從內(nèi)含體中釋放進(jìn)入胞漿中也是一個重要因素。為克服內(nèi)含體屏障,許多研究策略得到了應(yīng)用。一些外源性物質(zhì)摻入復(fù)合物中,如擒酶體藥氯喹[12],融合肽[13],以及pH敏感的中性脂質(zhì)材料。然而氯喹的細(xì)胞毒性、免疫原性以及副作用限制了其在基因治療中的作用[14]。融合肽在生理環(huán)境下呈現(xiàn)兩親性的α-螺旋結(jié)構(gòu),這有助于穿透內(nèi)含體膜[13]。pH敏感的中性脂質(zhì)如二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)能夠作用于內(nèi)含體膜,從而促進(jìn)復(fù)合物和膜的融合加速DNA的內(nèi)含體逃逸。

Kiang等[15]研究表明殼聚糖/DNA復(fù)合物中添加聚丙烯酸(PPAA)后明顯增加了轉(zhuǎn)染效率,聚丙烯酸是一種pH高度敏感的高分子,在pH低于6.0時具有較高的膜破壞能力,從而促進(jìn)復(fù)合物的內(nèi)含體逃逸。咪唑丙烯酸偶聯(lián)殼聚糖在293T細(xì)胞也表現(xiàn)出較強(qiáng)的轉(zhuǎn)染效率,并且隨著咪唑丙烯酸的增加轉(zhuǎn)染效果增強(qiáng),這是由于咪唑丙烯酸中的咪唑環(huán)具有較強(qiáng)的質(zhì)子海綿效應(yīng),呈現(xiàn)出內(nèi)含體逃逸作用。聚乙烯亞胺(PEI)接枝的殼聚糖同樣由于其內(nèi)含體逃逸作用增強(qiáng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的轉(zhuǎn)染效率[16]。但是,偶聯(lián)內(nèi)含體逃逸功能成分的作用一定程度上會受到殼聚糖自身質(zhì)子化程度的影響。

2.4殼聚糖自身的結(jié)構(gòu)修飾 殼聚糖/DNA復(fù)合物對于pH的敏感性影響了復(fù)合物的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)染效率。為改善殼聚糖在生理環(huán)境下的水溶性和提高轉(zhuǎn)染效率,近年來殼聚糖自身的結(jié)構(gòu)修飾取得了較大的發(fā)展。

2.4.1親水性殼聚糖衍生物 為了解決殼聚糖溶解度問題,研制一系列的親水性殼聚糖衍生物,如殼聚糖季銨鹽[17]、PEG化的殼聚糖、PEG化的三甲基殼聚糖[18]以及低分子量的水溶性殼聚糖。近期研究精氨酸偶聯(lián)的殼聚糖通過精氨酸上的NH2-顯著改善了水溶性,在HEK 293細(xì)胞和COS-7細(xì)胞提高了轉(zhuǎn)染效率。Satoh等[19]研究了6-氨基-6-脫氧-殼聚糖,該衍生物在中性pH環(huán)境下溶解,在COS-1細(xì)胞中有較好的轉(zhuǎn)染效果。葡聚糖和PVP[20]修飾的殼聚糖也改善了生理環(huán)境pH條件下殼聚糖的溶解度。

有關(guān)的體內(nèi)基因轉(zhuǎn)染研究證實載pDNA的季銨化的殼聚糖(60%的三甲基殼聚糖)復(fù)合物通過胃腸道黏膜給藥,能有效表達(dá)綠色熒光蛋白。Wong等[21]合成了PEI-g-殼聚糖,通過次乙亞胺形成陽離子水溶性殼聚糖,體內(nèi)外研究表明PEI 25K接枝的聚合物具有較低的毒性和較高的轉(zhuǎn)染效率。進(jìn)一步降低PEI的分子量(600 Da和12 KDa)能夠減小細(xì)胞毒性,對于293T細(xì)胞和Hela細(xì)胞的轉(zhuǎn)染沒有明顯影響。

2.4.2疏水性殼聚糖衍生物 疏水性基團(tuán)偶聯(lián)到非病毒載體上能夠增強(qiáng)復(fù)合物與細(xì)胞的相互作用從而增加轉(zhuǎn)染效率,如吸附在細(xì)胞表面、增強(qiáng)細(xì)胞攝取等[22]。殼聚糖與DNA的靜電吸附作用較強(qiáng),一定程度上限制了基因物質(zhì)從載體上的解吸附作用,繼而影響在細(xì)胞核中的表達(dá)。疏水性基團(tuán)偶聯(lián)殼聚糖能夠有助于DNA從載體上的解吸附作用,實現(xiàn)較好的轉(zhuǎn)染效率。這方面的研究包括:脫氧膽酸殼聚糖[23],N-烷基化殼聚糖[24],5β-膽烷酸對羧甲基殼聚糖進(jìn)行疏水改性,硬脂酸殼聚糖[25]等。各復(fù)合物的轉(zhuǎn)染效率高度依賴于取代度。

Lee等[23]合成了脫氧膽酸殼聚糖(DAC),與DNA形成復(fù)合物后能提高COS-1細(xì)胞的轉(zhuǎn)染效率;但是在有血清的COS-1細(xì)胞中轉(zhuǎn)染效率明顯下降。與之不同,脫氧膽酸偶聯(lián)的殼寡糖(DACO)納米粒表現(xiàn)出了非常高的轉(zhuǎn)染效率,由于DACO的兩親性特征,即使在血清的存在下,其在HEK293細(xì)胞有較好的轉(zhuǎn)染效果。Liu等[24]制備了N-烷基化殼聚糖,由于烷基側(cè)鏈的存在,在C2C12細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率有所增加,但是當(dāng)烷基側(cè)鏈多余8個碳時轉(zhuǎn)染效率下降。Yoo等制備了5 β-膽烷酸羧甲基殼聚糖(CGC),研究表明隨著CGC用量的增加,DNA的包裹率增加,而復(fù)合物納米粒粒徑減小,相應(yīng)的在有血清條件下的COS-1細(xì)胞體外轉(zhuǎn)染效率提高。Hu等[25]研究了硬脂酸殼寡糖,在A549細(xì)胞中的轉(zhuǎn)染研究表明,該復(fù)合物可以持續(xù)增加轉(zhuǎn)染效果達(dá)72 h,而商品化試劑LipofectamineTM 2 000由于其細(xì)胞毒性,作用僅能持續(xù)24 h。為進(jìn)一步改善殼聚糖衍生物的轉(zhuǎn)染效率,開展了大量的次級衍生物研究。如半乳糖基殼聚糖接枝葡聚糖、三甲基殼聚糖接枝聚(N-異丙基丙烯酰胺)共聚物等[26]。

3 殼聚糖衍生物作為基因載體的前景展望

雖然為實現(xiàn)較好的轉(zhuǎn)染效果,殼聚糖衍生化研究不斷深入,但是距離可供臨床應(yīng)用的非病毒載體的要求還有不足。殼聚糖衍生物的研究主要有以下3個方面特點:①殼聚糖作為一種陽離子高分子,能夠有效縮合DNA/siRNA,實現(xiàn)較為理想的細(xì)胞核遞送。②接枝親水性基團(tuán)如PEG,增加了水溶性和生物體內(nèi)穩(wěn)定性。③為增強(qiáng)對于靶細(xì)胞的選擇性,接枝特異性配體的殼聚糖研究方興未艾。相信隨著研究的深入,結(jié)合復(fù)合物形成的制劑因素和殼聚糖載體的結(jié)構(gòu)改造,以殼聚糖為骨架的非病毒基因載體將取得長足進(jìn)步。

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2010-09-20

[修回日期] 2010-10-21

Researchprogressofchitosanderivativesasgenedeliveryvector

LI Yan

(Department of Pharmacy, 411th Hospital of PLA, Shanghai 200081,China)

Despite the advantages of chitosan as a non-viral gene delivery vector, the application of this system is significantly limited by its poor solubility (the amino groups on chitosan are only partially protonated at physiological pH 7.4), poor stability of the polyplex at physiological pH, low cell specificity and therefore low transfection efficiency. Chitosan structure modification or additive incorporation is an effective way to improve the stability of the polyplex in biological fluids, enhance targeted cell delivery and facilitate endo-lysosomal release of the complex. In this paper, chitosan derivatives as gene delivery vector were reviewed to facilitate the process of chitosan vector development for clinical application.

gene delivery vector;chitosan;derivative;review

李 晏(1969-),女,藥學(xué)碩士,副主任藥師.

R94

A

1006-0111(2011)01-0008-04

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