荀苗苗, 袁長(zhǎng)春*, 傅凱, 張海燕, 馬文兵, 王志強(qiáng), 李志春
(1.中北大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院, 太原 030051; 2.中北大學(xué)德州產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 德州 253034)
對(duì)于構(gòu)成人類健康威脅的癌癥,傳統(tǒng)的治療手段都有一定的缺陷[1-4]。基因治療為一種新型手段,將基因傳輸?shù)教囟?xì)胞,通過促進(jìn)或抑制目的蛋白表達(dá)而治療人類疾病[5-7]。在基因治療中,基因載體是其能否進(jìn)入臨床應(yīng)用的關(guān)鍵[8]。
基因載體分為病毒載體和非病毒載體,病毒載體存在著免疫原性和病毒重組等危險(xiǎn),而且基因組容量有限。與之相比,非病毒載體雖然轉(zhuǎn)染效率有限,但其無傳染性、化學(xué)結(jié)構(gòu)可調(diào)控以及可大量制備等優(yōu)點(diǎn),使其越來越受到研究者們的關(guān)注[9-10]。陽離子聚合物是近年來非病毒基因載體領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),且聚乙烯亞胺(polyethylenimine,PEI)已成為研究多、發(fā)展快、非常有潛力的陽離子聚合物之一[11]。PEI分子量為600 Da~1 600 kDa,低分子量PEI細(xì)胞毒性較低,但其轉(zhuǎn)染效率也低;高分子量PEI轉(zhuǎn)染效率高,但其細(xì)胞毒性也較高,從而影響了PEI作為基因載體的性能[12],這就需要對(duì)它們進(jìn)行不同修飾。
理想的基因載體需要使復(fù)合物到達(dá)目標(biāo)位的同時(shí)又能迅速降解,使其有效釋放基因而高效表達(dá)。因此,降解型聚合物是目前基因載體研究的熱點(diǎn)之一[13]。例如,Ghodke等[14]采用由聚乙二醇(PEG)和癸二酸(SA)組成的生物可降解線性脂肪族聚酯及β-環(huán)糊精(β-CD)制備的聚輪烷(PRTx+)作為陽離子聚合載體,其具有生物安全性,且與商業(yè)轉(zhuǎn)染劑Lipofectamine 3000相當(dāng)。Lin等[15]研究了利用生物可降解的帶電荷聚酯載體BCPVs傳遞siRNA。能顯著抑制腫瘤生長(zhǎng),增強(qiáng)細(xì)胞凋亡作用,且未觀察到BCPV的顯著體內(nèi)毒性。
疏水性修飾可以提高復(fù)合物與膜的融合作用,從而增加細(xì)胞內(nèi)吞,進(jìn)而提高轉(zhuǎn)染效率。另外,疏水修飾還可以增加載體包裹DNA的能力。因此,疏水性修飾聚合物也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。Chiper等[16]將疏水性水楊酰胺修飾PEI 1.8 kDa,得到的PEI-水楊酰胺能夠有效地包裹DNA和RNA,同時(shí)能使核酸進(jìn)入細(xì)胞后有效進(jìn)行釋放,結(jié)果表明,PEI-水楊酰胺可以作為很好的核酸載體。Zhang等[17]通過α-氨基酸N-羧酸酐(NCA)開環(huán)聚合,合成了不同長(zhǎng)度的疏水聚(L-亮氨酸)鏈的兩親性多肽,這些材料與PEI 25 kDa相比具有良好的轉(zhuǎn)染效率,但其細(xì)胞毒性不顯著。
Xun等18]研究了一系列基于低分子量PEI的生物可降解脂質(zhì)體聚合物。為了達(dá)到與文獻(xiàn)[18]同樣或更好的效果,又為了避免文獻(xiàn)[18]中疏水橋連和生物可降解酯鍵橋連比例的篩選,以及它們最終聚合物中兩種橋連(疏水和酯鍵)比例的計(jì)算?,F(xiàn)使疏水基團(tuán)與酯鍵處于同一聚酯中,通過采用Michael加成反應(yīng)將低分子量PEI 600 Da接枝于此疏水性可降解聚酯上形成梳狀低聚物用于基因載體。在文中,通過凝膠電泳實(shí)驗(yàn)來研究這些低聚物對(duì)DNA的包裹能力,并通過綠色熒光蛋白實(shí)驗(yàn)來測(cè)定部分低聚物/DNA復(fù)合物在不同細(xì)胞中的轉(zhuǎn)染效率。通過本研究,在分子量相近的情況下,探索出不同疏水鏈的鏈長(zhǎng)度對(duì)基因轉(zhuǎn)染效率的影響。
如圖1所示,將反丁烯二酸與疏水橋聯(lián)化合物1按物質(zhì)的量之比為1∶1混合于無水DMF(N,N-二甲基甲酰胺)溶液中,以TBAS(癸二酸雙(四正丁基)胺)[19]為催化劑,在100 ℃下通過環(huán)氧開環(huán)反應(yīng)72 h生成疏水聚酯2。而對(duì)于目標(biāo)聚合物的合成,則是在45 ℃條件下,疏水聚酯2與PEI 600 Da以物質(zhì)的量之比為1∶1在無水二氯甲烷中回流72 h得到聚合物3。粗產(chǎn)物以甲醇為良溶劑,無水乙醚為不良溶劑沉淀3次來確保聚合物的分散度。采用凝膠滲透色譜(GPC)對(duì)聚合物3進(jìn)行了分子量的測(cè)定,結(jié)果如表1所示,可以清楚地看到,這些聚合物的分子量都不高,只能稱為低聚物,這可能是由于疏水鏈的空間位阻太大引起的。作者準(zhǔn)備在后續(xù)研究中先選定三種不同鏈長(zhǎng)的低聚物,研究其與DNA復(fù)合物在細(xì)胞中的轉(zhuǎn)染情況。
表1 聚合物3的分子量
圖1 脂質(zhì)體聚合物3的合成路線Fig.1 Synthetic route of liposome polymer 3
作為陽離子基因載體,首先必須能與DNA靜電相互作用形成納米復(fù)合物。為了研究所合成的脂質(zhì)體低聚物與DNA的靜電相互作用,首先采用凝膠阻滯實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究,結(jié)果如圖2所示,相比于對(duì)照組PEI 600 Da/DNA復(fù)合物[圖2(a)]在二者質(zhì)量比大于3.2時(shí)才能完全抑制質(zhì)粒DNA的遷移來說,脂質(zhì)體低聚物3[圖2(b)~圖2(j)]在質(zhì)量比大于1.6時(shí)就能夠完全包裹質(zhì)粒DNA,說明所合成的脂質(zhì)體低聚物能更好地包裹DNA,從而更加有利于復(fù)合物與細(xì)胞膜的靜電相互作用而被細(xì)胞內(nèi)吞。
為了能直觀地觀察表達(dá)了的pEGFP-Nl報(bào)告基因的細(xì)胞,采用熒光顯微鏡觀察了低聚物(L6-PEI,L12-PEI,L-oleoyl-PEI)/DNA復(fù)合物在HEK 293和7402細(xì)胞中的綠色熒光蛋白表達(dá),其中“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的PEI 25 kDa(質(zhì)量比為1.4,氮磷比為10)作為平行對(duì)照。結(jié)果如圖3所示,無論是在HEK 293細(xì)胞還是7402細(xì)胞,(L6-PEI和L12-PEI)/DNA復(fù)合物都觀察不到轉(zhuǎn)染的細(xì)胞,L-oleoyl-PEI/DNA復(fù)合物在HEK 293細(xì)胞中,只有質(zhì)量比為6.4[圖3(b)]時(shí)有少量轉(zhuǎn)染的細(xì)胞,但轉(zhuǎn)染細(xì)胞的密度遠(yuǎn)少于標(biāo)準(zhǔn)PEI 25 kDa。L-oleoyl-PEI/DNA復(fù)合物在7402細(xì)胞中有轉(zhuǎn)染,且在質(zhì)量比為6.4[圖3(e)]時(shí)轉(zhuǎn)染的細(xì)胞密度與PEI 25 kDa相當(dāng),然而本實(shí)驗(yàn)使用材料為低聚物且含有可降解酯鍵,會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)PEI 25 kDa細(xì)胞毒性低。因此,推測(cè)此類油酸修飾后的脂質(zhì)體低聚物有可能作為非病毒基因載體。
圖3 L-oleoyl-PEI/DNA復(fù)合物在HEK 293和7402細(xì)胞中的無血清綠色熒光蛋白表達(dá)Fig.3 Fluorescence microscope images of pEGFP-transfected for L-oleoyl-PEI/DNA complex in HEK 293 and 7402 cells in the absence of 10% serum
實(shí)驗(yàn)所用試劑及來源見表2。
表2 所用試劑的名稱及來源
核磁:Bruker AV 400 MHz核磁共振波譜儀(1H:400 MHz,0.5% TMS為內(nèi)標(biāo));溶劑殘余峰校準(zhǔn)化學(xué)位移:CDCl3:1H NMR=7.26;氫譜分析縮略詞:s表示單峰;d表示雙峰;t表示三重峰;m表示多重峰;耦合常數(shù)(J)單位為赫茲(Hz);瓊脂糖凝膠水平電泳儀:美國(guó)Bio-Rad公司生產(chǎn);全自動(dòng)凝膠成像分析儀:美國(guó)Bio-Rad公司生產(chǎn);恒溫CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱,超凈工作臺(tái):美國(guó)Thermo公司生產(chǎn);恒溫?fù)u床:上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司生產(chǎn);倒置熒光顯微鏡:Nikon Eclipse TE 2000E型儀器。
反丁烯二酸(2.0 mmol)與疏水環(huán)氧橋連化合物[18](2.0 mmol)混合于無水二甲基甲酰胺(DMF)溶液中,加(0.012 mmol)TBAS[19]作為催化劑,在100 ℃下通過環(huán)氧開環(huán)反應(yīng)72 h生成疏水聚酯2的粗產(chǎn)物,用氯仿做良溶劑,甲醇做不良溶劑沉淀3次,干燥后得到目標(biāo)聚酯。
2a(產(chǎn)率23.93%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6.94~6.71 (m, 2H, — O2CCHCHCO2), 4.34~4.11 (m, 2H), 4.02 (s, 1H), 3.87~3.78 (m, 1H), 3.69~3.46 (m, 15H), 3.32 (m, 1H), 2.42~2.22(m, 2H, R—H), 1.67~1.53(m, 2H, R—H),1.36~1.23 (m, 4H, R—H), 0.90~0.87 (m, 3H, R—H)。
2b(產(chǎn)率19.26%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6.99~6.66 (m, 2H, —O2CCHCHCO2—), 4.31~4.13 (m, 2H), 4.02 (s, 1H), 3.81 (s, 1H), 3.70~3.45 (m, 15H), 3.35~3.24 (m, 1H), 2.37~2.25 (m, 2H, R—H), 1.65~1.49 (m, 2H, R—H), 1.36~1.17 (m, 8H, R—H), 0.92~0.85 (m, 3H, R—H)。
2c(產(chǎn)率23.14%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6.96~6.59 (m, 2H, —O2CCHCHCO2—), 4.37~4.10 (m, 2H), 4.02 (s, 1H), 3.81 (s, 1H), 3.67~3.40 (m, 15H), 3.36~3.23 (m, 1H), 2.37~2.24 (m, 2H, R—H), 1.58 (s, 2H, R—H),1.33~1.20 (m, 12H, R—H), 0.88~0.85 (m, 3H, R—H)。
2d(產(chǎn)率23.20%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6.95~6.62 (m, 2H, —O2CCHCHCO2—), 4.39~4.12 (m,2H), 4.03 (s, 1H), 3.87~3.78 (m, 1H), 3.68~3.42 (m, 15H), 3.35~3.25 (m, 1H), 2.38~2.25 (m, 2H, R—H), 1.59 (s, 2H, R—H), 1.35~1.18 (m, 16H, R—H), 0.88~0.85 (m, 3H, R—H)。
2e(產(chǎn)率22.97%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6.96~6.69 (m, 2H, —O2CCHCHCO2—), 4.32~4.15 (m, 2H), 4.04 (s, 1H), 3.81 (s, 1H), 3.70~3.43 (m, 15H), 3.36~3.26 (m, 1H), 2.37~2.25 (m, 2H, R—H), 1.58(s, 2H, R—H), 1.32~1.20 (m, 20H, R—H), 0.88~0.85 (m, 3H, R—H)。
2f(產(chǎn)率23.27%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6.97~6.62 (m, 2H, —O2CCHCHCO2—), 4.42~4.13 (m, 2H), 4.04 (s, 1H), 3.89~3.76 (m, 1H), 3.77~3.44 (m, 15H), 3.37~3.27 (m, 1H), 2.32 (s, 2H, R—H), 1.59 (s, 2H, R—H), 1.32~1.22 (m, 24H, R—H), 0.89~0.86 (m, 3H, R—H)。
2g(產(chǎn)率23.42%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6.98~6.70 (m, 2H, —O2CCHCHCO2—), 4.33~4.17 (m, 2H), 4.04 (s, 1H), 3.88~3.80 (m, 1H), 3.69~3.45 (m, 15H), 3.39~3.31 (m, 1H), 2.33 (s, 2H, R—H), 1.59 (s, 2H, R—H), 1.36~1.19 (m, 28H, R—H), 0.89~0.86 (m, 3H, R—H)。
2h(產(chǎn)率23.17%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6.95~6.69 (m, 2H, —O2CCHCHCO2—), 5.40~5.30 (m, 2H, R—H), 4.31~4.15 (d,J=17.5 Hz, 2H), 4.03 (s, 1H), 3.83 (s, 1H), 3.66~3.49 (m, 15H), 3.38~3.27 (m, 1H), 2.39~2.25 (s, 2H, R—H), 2.08~1.91 (m, 4H, R—H), 1.58 (s, 2H, R—H), 1.36~1.17 (m, 20H, R—H), 0.88~0.85 (m, 3H, R—H)。
2i(產(chǎn)率22.91%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6.94~6.68 (m, 2H, —O2CCHCHCO2—), 5.40~5.28 (m, 4H, R—H), 4.33~4.15 (m, 3H), 4.04 (s, 1H), 3.86~3.80 (m, 1H), 3.69~3.40 (m, 15H), 3.35~3.25 (m, 1H), 2.78~2.74 (m, 2H, R—H), 2.37~2.26 (s, 2H, R—H), 2.06~2.01 (m, 4H, R—H), 1.59 (s, 2H, R—H), 1.34~1.26 (m, 14H, R—H), 0.90~0.86 (m, 3H, R—H)。
PEI 600(0.38 mmol)和疏水聚酯2(0.38 mmol)溶解在1.0 mL無水二氯甲烷中,在N2氛圍下,45 ℃下反應(yīng)72 h。反應(yīng)完成后,粗產(chǎn)物溶于少量無水甲醇,用無水乙醚沉淀三次得到目標(biāo)聚合物3,所收集到的產(chǎn)品經(jīng)干燥后得無色黏稠液體。聚合物的分子量由凝膠滲透色譜(GPC)測(cè)量得到。
L6-PEI(產(chǎn)率13.20%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 3.85~3,78 (m, 2H), 3.68~3.40 (m, 19H), 2.88~2.41 (m, 56H, PEI600—H), 2.35~2.30 (m, 2H, R—H), 1.65~1.56 (m, 2H, R—H),1.37~1.26 (m, 4H, R—H), 0.89 (t,J=6.9 Hz, 3H, R—H)。
L8-PEI(產(chǎn)率 10.14%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 3.79 (s, 2H), 3.61~3.50 (m, 19H), 2.79~2.56 (m, 40H, PEI600—H), 2.34~2.27 (m, 2H, R—H), 1.60~1.57 (s, 2H, R—H), 1.36~1.18 (m, 8H, R—H), 0.88~0.84 (m, 3H, R—H)。
L10-PEI(產(chǎn)率11.81%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 3.89~3.79 (m, 2H), 3.71~3.46 (m, 19H), 2.82~2.51 (m, 40H, PEI600—H), 2.37~2.30 (m, 2H, R—H), 1.67~1.56 (m, 2H, R—H),1.34~1.24 (m, 12H, R—H), 0.89 (t,J=6.8 Hz, 3H, R—H)。
L12-PEI(產(chǎn)率12.25%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 3.81 (s, 2H), 3.75~3.52 (m, 19H), 2.90~2.45 (m, 39H, PEI600—H), 2.34~2.31 (m, 2H, R—H), 1.66~1.54 (m, 2H, R—H), 1.37~1.22 (m, 16H, R—H), 0.89 (t,J=6.8 Hz, 3H, R—H)。
L14-PEI(產(chǎn)率12.33%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 3.79 (s, 2H), 3.67~3.45 (m, 19H), 2.85~2.44 (m, 44H, PEI600—H), 2.33~2.28 (m, 2H, R—H), 1.63~1.54 (m, 2H, R—H), 1.31~1.20 (m, 20H, R—H), 0.87 (t,J=6.8 Hz, 3H, R—H)。
L16-PEI(產(chǎn)率11.96%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 3.83~3.75 (m, 2H), 3.63~3.44 (m, 19H), 2.89~2.43 (m, 33H, PEI600—H), 2.33~2.27 (m, 2H, R—H), 1.64~1.52 (m, 2H, R—H),1.34~1.18 (m, 24H, R—H), 0.87 (t,J=6.8 Hz, 3H, R—H)。
L18-PEI(產(chǎn)率12.45%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 3.80 (s, 2H), 3.66~3.39 (m, 19H), 2.91~2.45 (m, 53H, PEI600—H), 2.33~2.27 (m, 2H, R—H), 1.63~1.51 (m, 2H, R—H), 1.34~1.20 (m, 28H, R—H), 0.86 (t,J=6.7 Hz, 3H, R—H)。
L-oleoyl-PEI(產(chǎn)率13.08%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 5.39~5.29 (m, 2H, R—H), 3.79 (d,J=4.9 Hz, 2H), 3.65~3.52 (m, 19H), 2.86~2.45 (m, 41H, PEI600—H), 2.33~2.29 (m, 2H, R—H), 2.06~2.01 (m, 4H, R—H), 1.64~1.52 (m, 2H, R—H), 1.37~1.18 (m, 20H, R—H), 0.88 (t,J=6.8 Hz, 3H, R—H)。
L-linoleoyl-PEI(產(chǎn)率12.67%):1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 5.40~5.29 (m, 4H, R—H), 3.85~3.75 (m, 2H), 3.63~3.35 (m, 19H), 2.79~2.45 (m, 28H, PEI600—H), 2.33~2.29 (m, 2H, R—H), 2.06~2.01 (m, 4H, R—H), 1.64~1.53 (m, 2H, R—H), 1.34~1.20 (m, 14H, R—H),0.88 (t,J=6.7 Hz, 3H, R—H)。
聚合物溶解在磷酸鹽(PBS)緩沖溶液中。相對(duì)分子質(zhì)量由凝膠滲透色譜(GPC)測(cè)量得到:Waters 515型儀器,柱溫為25 ℃,流動(dòng)相為含有體積分?jǐn)?shù)為20%乙腈的0.2 mol/L HOAc-NaAc緩沖溶液,流速為0.5 mL/min,標(biāo)樣是窄分布的聚乙二醇,平均分子量為900~80 000。
為了能夠形成穩(wěn)定的復(fù)合物,采取等體積復(fù)合制備法。先將稱量好的低聚物3溶于1 mL去離子水中(做細(xì)胞實(shí)驗(yàn)時(shí),用0.22 μm的濾膜提前過濾除菌),再用去離子水稀釋成不同濃度的低聚物溶液,取一定量的低聚物溶液加入等體積(5 μL)的質(zhì)粒DNA溶液中,室溫條件下復(fù)合30 min即可得到不同質(zhì)量比的低聚物3/DNA復(fù)合物溶液。
按照2.5節(jié)中復(fù)合物的制備方法,制備不同質(zhì)量比(0.1~6.4)的脂質(zhì)體低聚物3/DNA的復(fù)合物,其中每個(gè)樣品中pUC19 DNA的量均為0.125 μg。所制備的復(fù)合物用PBS稀釋到總體積為15 μL,37 ℃孵化30 min后,加入30%(體積比)10×的Loading Buffer混勻。隨后將混合液加入已制備好的1%(質(zhì)量/體積)瓊脂糖凝膠孔里,在TBE緩沖溶液中進(jìn)行電泳實(shí)驗(yàn),電壓為150 V。30 min后,在凝膠電泳成像儀下通過紫外光照射觀察DNA條帶。其中,DNA染色劑為Gelred。
人胚胎腎上皮細(xì)胞(HEK 293)采用DMEM培養(yǎng)基培養(yǎng)。人類肝癌細(xì)胞(Bel-7402)采用1640培養(yǎng)基培養(yǎng)。培養(yǎng)基中含有體積分?jǐn)?shù)為10%的胎牛血清(FBS),體積分?jǐn)?shù)為1%的雙抗(青霉素:100 kU/L;鏈霉素:100 kU/L),細(xì)胞在37 ℃,體積分?jǐn)?shù)分別為5% CO2和95%空氣的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。
選取三個(gè)低聚物(L6-PEI,L12-PEI,L-oleoyl-PEI)/DNA復(fù)合物在HEK 293細(xì)胞和7402細(xì)胞中進(jìn)行綠色熒光蛋白表達(dá)實(shí)驗(yàn)。細(xì)胞接種于24孔板中,密度分別為9.5× 104/孔(HEK 293細(xì)胞),12× 104/孔(7402細(xì)胞),每孔中加入500 μL培養(yǎng)基培養(yǎng)。置于CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,待細(xì)胞密度為80%~90%即可進(jìn)行轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)。
按照2.5節(jié)中的制備方法,制備不同質(zhì)量比的脂質(zhì)體低聚物(L6-PEI,L12-PEI和L-oleoyl-PEI)/DNA復(fù)合物,即將一定量的低聚物溶液和0.8 μg pEGFP-N1復(fù)合,用Opti-MEM培養(yǎng)基稀釋至100 μL,室溫下混勻并靜置30 min。進(jìn)行轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)前,小心地將24孔板內(nèi)的培養(yǎng)基吸掉,并加入400 μL新鮮無血清的培養(yǎng)基,再將100 μL復(fù)合物溶液加入24孔板中。置于細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4~5 h后,再次移去培養(yǎng)基,換成500 μL的新鮮10%血清培養(yǎng)基,CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng),24 h后,在倒置熒光顯微鏡下觀察熒光表達(dá)情況并進(jìn)行拍照。另外,PEI 25 kDa在體內(nèi)和體外的轉(zhuǎn)染效率均很高,所以將它作為聚合物對(duì)照。
(1)成功合成了以低分子量PEI 600 Da為基準(zhǔn),采用Michael加成反應(yīng)將其接枝于含有疏水鏈的生物可降解聚酯上的梳狀低聚物。
(2)這些低聚物對(duì)DNA有較好的包裹能力;且油酸修飾后的脂質(zhì)體低聚物有作為非病毒基因載體的潛力。