基于环糊精的主客体化学法制备基因载体

1. 基于环糊精的主客体化学法制备基因载体 化学工程8班 郑响 2012207510

2. 1.目前基因载体的使用以及研究情况 • 基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病，以达到治疗目的。 • 基因载体 病毒型 非病毒型

3. 高的基因转染效率 有效地递送外生DNA到宿主细胞 • 病毒性基因载体 高的基因转染效率 有效地递送外生DNA到宿主细胞， 毒性 致肿瘤性 免疫原性所引起的安全问题 如何解决？ 毒性 致肿瘤性 免疫原性

4. 非病毒基因载体 包括脂质体和阳离子聚合物，阳离子聚合物是最常用的非病毒性的基因载体 阳离子聚赖氨酸（PLL） 聚乙烯亚胺（PEI）

5. PAMAM聚酰胺-胺型树枝状聚合物/聚物

6. 存在的问题： 以PEI为例 高分子量PEI 低分子量PEI 转染效率高 BUT毒性大 毒性小 转染效率低 Bioconjug Chem, 2003. 14: 672-680.

7. 2.主客体化学法 • 通过主客体识别，即主体(受体)对客体(底物)选择性的结合并产生某种特定功能过程的一种超分子化学组装的方法。 主体 客体 复合物

8. 环糊精作为主体，具有疏水的空腔和亲水的外表面，能有效地结合小分子配体，例如空腔结合疏水型的小分子，表面结合亲水性的小分子，从而形成星形等各种形状的阳离子聚合物，这种聚合物与DNA上带负电荷的磷酸基团产生静电作用，能有效地压缩DNA。环糊精作为主体，具有疏水的空腔和亲水的外表面，能有效地结合小分子配体，例如空腔结合疏水型的小分子，表面结合亲水性的小分子，从而形成星形等各种形状的阳离子聚合物，这种聚合物与DNA上带负电荷的磷酸基团产生静电作用，能有效地压缩DNA。

10. 以环糊精为主体的主客体化学主要包括两类： 1.环糊精疏水空腔以串联方式包结在高分子主链上形成项链状包结物，末端再以大基团分子封端固定； 2.环糊精与高分子侧基或端基相互作用，构筑成另一类超分子结构的高分子识别体系。 Mol. Pharmaceutics, 2012. 9: 1067-1076.

11. 1.1项链状包合物 中国广州华南医科大学的肿瘤研究协会的周易等人合成了一种特殊的非病毒基因递送系统，其中，聚乙二醇为主链，从环糊精的疏水空腔中穿过，形成伪聚轮烷，主链的两头以叶酸封端，再在环糊精上修饰PEI，形成高效的基因载体。

12. Mol. Pharmaceutics, 2012. 9: 1067-1076.

13. 1.2 中空球压缩目的基因 • 由β环糊精与三嵌段聚合物PEO-b-PPO-b-PEO（F127）自组装形成复合物。环糊精穿套在此三聚物中间的聚环氧丙烷上，两端聚环氧乙烯像鞭毛似的附着在结合物外缘。大量的这种棒外接线圈状的复合物在水溶液里自组装起来形成超分子的中空微粒。

14. Self-Assembly Pluronic and beta-Cyclodextrin to Hollow Nanospheres for Enhanced Gene Delivery. Macromol Rapid Commun, 2011.

15. 2.1合成悬挂式的环糊精包合物 • 用氨基修饰的环糊精的疏水空腔通过乙缩醛键与金刚烷连接，由于金刚烷与聚乙烯醇二聚体的溶解度低，导致二聚体粒径较大，不易被胞吞，故在聚乙烯醇主链上键接上聚乙二醇，从而形成易溶于水的聚合物PEG-PVA-AD，其中金刚烷由环糊精包合后悬挂在聚乙烯主链上。

16. Pendant Polymer:Amino-β-Cyclodextrin:siRNA Guest:Host Nanoparticles as Efficient Vectors for Gene Silencing. J. Am. Chem. Soc, 2012. 134: 7596-7599.

17. Figure 2. 400 MHz 1H NMR spectra of Ad-PVA-PEG in the absence (A) and in the presence (B) of β-CD; Ad-PVA in the absence (C) and presence (D) of β-CD in D2O after 48 h at 20 °C; and Ad-PVA with β-CD at pH 7 (E) and pH 4 (F) in D2O at 20 °C.

18. Figure 4. AFM images of (A) Ad-PVA-PEG750 and (B) 1:1 β-CD:Ad-PVA-PEG750. The samples were prepared by adding a drop of solution to the mica surface and then slowly evaporating the sample at 25 °C overnight.

19. Figure 5. Cytotoxicities of 1, 2, 3, Ad-PVA-PEG750, and 1:Ad-PVAPEG750 host:guest complexes in HeLa cells using 25 kDa bPEI as a control. Figure 3. ζ potential measurements of pDNA:amino-β-CD complexes and pDNA:bPEI complexes.

21. 2.2多手臂星形超分子三聚物 • 上海交通大学化学工程系的桓秀颖等人利用主客体化学的方法合成了星形的超分子三聚物，以环糊精为主体，金刚烷为客体。其中，环糊精修饰上烷基聚乙二醇，之后再通过原子转移自由基聚合连接聚二甲氨基乙酯，使环糊精带上两个不同的功能集团，与甲基丙烯酸甲酯修饰的金刚烷通过非共价作用反应，形成星形的超分子聚合物。 Supramolecular ABC Miktoarm Star Terpolymer Based on Host–Guest Inclusion Complexation. Macromolecules, 2012. 45(15): 5941-5947

22. Scheme 1. Synthetic Route to Supramolecular ABC Miktoarm Star Terpolymer

23. Figure 7. TEM images of PEG-β-CD-PDMAEMA/AD-PMMA solutions before (a) and after (b) being treated with β-CD or (c) treated with ADCOONa.

24. Figure 8. DLS measurements of PEG-β-CD-PDMAEMA/AD-PMMA solutions before (a) and after (b) being treated with β-CD or (c) treated with AD-COONa.

25. 3. PH值及温度对环糊精包合物稳定性的影响 • Aditya Kulkarni等人用主客体化学法合成了环糊精包合金刚烷的复合物，先制备聚乙烯醇和聚乙二醇嵌段共聚物，在聚乙烯醇-b-聚乙二醇链端基接上金刚烷，而后与表面带正电荷的环糊精分子结合。

26. 核磁共振光谱分析，在pH=7时，复合物稳定存在；在pH=4的溶液中放置48小时后，用于连接金刚烷和聚合物链主干的苯亚甲基乙缩醛基团开始裂解，即酸性的胞内环境下环糊精带着金刚烷分子从聚乙烯醇-b-聚乙二醇链上水解掉下来，有利于复合物的解组装以及携带的DNA的有效释放。 Development of a Low Toxicity, Effective pDNA Vector Based on Noncovalent Assembly of Bioresponsive Amino-beta-cyclodextrin:Adamantane-Poly(vinyl alcohol)-Poly(ethylene glycol) Transfection Complexes. Bioconjug Chem, 2012. 23(5): 933-940.

27. S. Gingter等人通过提高环糊精与含苯基丙氨酸的丙烯酸的复合物的溶液温度，发现主客体复合物分离。更多的影响包合物稳定性以及促进结合物解组装的条件还包括增加客体分子（如无机小分子AD-COONa）或具有竞争作用的主体β-CD，打破原平衡。 The application of beta-cyclodextrin derivative functionalized aligned carbon nanotubes for electrochemically DNA sensing via host-guest recognition. Anal Chim Acta, 2011. 689(1): 39-46.

28. 4.结论 • 物理过程 • 安全、高效的基因载体 • 生物相容性 • 可控药品制剂、食品和化妆品添加剂等方面 • 瓶颈是主客体复合物被胞吞进入细胞后如何准确靶向细胞核并快速释放目的基因？？？

29. Thank you！