pH-响应纳米药物载体的设计与合成

发布时间：2017-10-22 09:22

  本文关键词：pH-响应纳米药物载体的设计与合成

  更多相关文章： pH-响应性聚合物 药物载体 基因载体 聚合物胶束 聚合物囊泡

【摘要】：pH-响应性聚合物是一种能够随环境pH变化而产生物理性质和化学性质响应的智能聚合物。结合最新的纳米技术,pH-响应聚合物已被广泛用于纳米药物载体的设计。利用正常组织和血液(pH 7.4)、肿瘤细胞外环境(pH 6.8)和细胞内环境(pH 4.5-6.5)之间的pH差异,pH-响应性药物载体可以在特定部位释放抗癌药物或基因药物,以提高治疗效果和降低毒副作用。本论文基于pH-响应性聚合物聚(p-氨基酯)(PBAE)、聚(二硫胺)(PSSA)、聚乙烯亚胺(PEI),构建了四种载体,运送抗癌药物或基因药物：该载体含有对肿瘤细胞内强还原环境敏感的二硫键或对细胞内涵体／溶酶体的低pH值具有响应性的化学键(酯键、氨基甲酸酯键等),确保聚合物材料在响应特殊环境时发生降解,有良好的生物相容性；可质子化的伯氨基、仲胺基或叔氨基则在肿瘤细胞外酸性环境或细胞内涵体／溶酶体的更低pH酸性环境,快速质子化,改变载体性能(亲水性、正电荷等),释放负载基因或药物。(1)自组装制备靶向肝癌的聚合物胶柬药物载体针对聚合物胶束药物载体存在过早释放药物和缺少有效进入肿瘤机制的问题,利用非共价键作用力自组装制备了靶向肝脏的聚合物胶束纳米载体。合成了一系列含有高度疏水烷基碳链的聚乙二醇-co-聚(p-氨基酯)(MPEG-PBAE),能够在水中自组装形成负载阿霉素(DOX)的聚合物胶束。在高度稀释的情况下聚合物胶束仍能够保持稳定性,并响应pH 4.5的溶液环境快速释放出DOX,没有观察到突释现象。然后设计合成了两亲性的十二烷基-乳糖靶向配体(Gal-C12),通过疏水相互作用协同自组装Gal-C12、MPEG-PBAE和DOX,制备负载DOX、表面修饰半乳糖残基的聚合物胶束。细胞内吞、体外细胞毒性和细胞周期分析等实验结果表明通过无唾液酸糖蛋白受体介导的内吞路径,半乳糖官能团化的聚合物胶束能够高效运送DOX进入HepG2细胞(肝癌细胞),在细胞内释放出负载DOX,显著提高DOX的抑制肿瘤细胞增殖作用。该靶向肝脏药物运送平台具有方便靶向修饰、显著提高药物疗效等优点,非常有希望用于癌症治疗。(2) PEI-g-PSSA-g-PEI聚合物囊泡用作基因运送载体聚合物囊泡和脂质体都有相似的中空囊泡结构。脂质体是研究最多的非病毒基因载体之一,脂质体转染试剂Lipofectamine 2000已经商品化。而聚合物囊泡用作基因载体的报道较少,应用前景非常广阔。现有的聚合物囊泡所带的正电荷密度非常低,不适合作基因载体。设计合成了一系列的阳离子两亲性聚合物PEI-g-PSSA-g-PEI,在水溶液中自组装成阳离子聚合物囊泡。为了探讨聚合物疏水性对转染效率的影响,PEI-g-PSSA-g-PEI在统一的聚合反应条件下合成,选用相同分子量的PEI片段作阳离子聚合物组分,通过改变PSSA主链疏水组分含量和使用不同疏水碳链长度的胺单体调控PEI-g-PSSA-g-PEI的疏水性。聚合物疏水组分含量分别为100%、80%、70%、60%,疏水胺单体分别有十二胺、十四胺、十六胺。聚合物疏水性与DNA亲和力有关。基于PEI-g-PSSA-g-PEI的聚合物囊泡能自动包裹DNA形成复合物,平均粒径小于200 nm, zeta电位为+10-+35 mV。体外细胞转染实验结果表明两亲性聚合物疏水／亲水平衡是转染效率的重要影响因素。对COS-7细胞转染最高的是II-70%,疏水胺单体为十四胺,疏水组分含量为70%。与PEI 25k和Lipofectamine 2000相比,II-70%的转染效率显著提高,细胞毒性则明显降低。研究结果表明具有可调控疏水性的阳离子聚合物囊泡是非常有潜力的非病毒基因载体。(3)硫特异性降解的聚乙烯亚胺类基因运送载体含有二硫键的交联PEI衍生物是一类非常重要的阳离子聚合物基因载体,在血液和细胞外保持稳定,进入细胞内还原性环境后快速降解,能够显著提高转染效率并降低聚合物的细胞毒性。文献报道的含有二硫键的交联PEI,在细胞内还原性环境降解产生游离巯基,容易与细胞固有的巯基形成新的二硫键或破坏蛋白质中的二硫键,扰乱细胞正常过程。为了解决这一问题,用二硫碳酸酯连接结构(-NH-CO-O-CH2CH2SS。)将低分子量PEI (Mw:2 kDa)拼接成高分子量的PEI衍生物(PEI-SS-CL)。ESI-MS质谱证实二硫碳酸酯连接结构在细胞内还原性环境中首先发生二硫键断裂,然后巯基进攻相邻的氨基甲酸酯连接键,将巯基转化为五元环小分子化合物1,3-氧硫-2-环戊酮。PEI-SS-CL-1.5(交联剂、PEI 2k摩尔比为1.5：1)能够转染COS-7、HepG2、Raw246.7等多种细胞,转染效率明显高于商品化转染试剂PEI 25k和脂质体转染试剂Lipofectamine 2000,细胞毒性则显著降低。实验结果表明在交联PEI中引入硫特异性降解机制是设计安全、高效基因载体的有效策略。(4)异双官能团交联的PEI类基因运送载体为了开发出安全、高效的基因载体,研究者们通常使用同双官能团交联剂拼接低分子量PEI,得到可生物降解的高分子量PEI衍生物。由于反应活性官能团没有差异,极易暴聚得到不溶于水的高分子量聚合物。设计合成了含有氯甲酸酯和丙烯酸酯反应活性基团的异双官能交联剂。由于氯甲酸酯与PEI的氨基反应活性高于丙烯酸酯,PEI的氨基在-10℃优先与氯甲酸酯反应,使得交联剂一端偶联到PEI上,当反应温度升至室温后,丙烯酸酯与PEI的氨基进一步发生迈克尔加成反应,完成交联反应。因此,应用该可控交联策略有希望得到适当分子量、分子量分布窄的PEI衍生物。合成的交联PEl分子量为原料PEI 2k的30-90倍,溶解度大于1 mg/mL。异官能团交联PEI衍生物能高效包裹DNA形成复合物,平均粒径100-200 nm, zeta电位+20一+35 mV。合成交联PEI中,转染效率最高的是PEI-HCL-1.5,交联剂为含有氯甲酸酯、丙烯酸酯的1,4-丁二醇衍生物,交联剂、PEI摩尔比为1.5：1。与PEI 25k和商品化脂质体转染试剂Lipofectamine 2000相比,PEI-HCL-1.5的转染效率显著提高,细胞毒性较低。以上结果表明,使用异双能团交联剂交联低分子量PEI,反应易于控制,可以得到良好水溶性的适当分子量的PEI衍生物,能显著提高转染效率。
【关键词】：pH-响应性聚合物 药物载体 基因载体 聚合物胶束 聚合物囊泡
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ460.1;O631
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-16
• 注释表16-17
• 1 绪论17-42
• 1.1 两亲性聚合物构建用于药物和基因运送的pH-响应载体19-25
• 1.1.1 pH-响应聚合物胶束20-23
• 1.1.2 pH-响应聚合物囊泡23-24
• 1.1.3 基于pH-响应两亲性聚合物的药物载体和基因载体面临的问题及改进方法24-25
• 1.2 聚乙烯亚胺类基因载体25-28
• 1.2.1 水解PEI26-27
• 1.2.2 还原降解PEI27-28
• 1.2.3 聚乙烯亚胺类基因载体存在的问题及改进方法28
• 1.3 靶向肿瘤的聚合物载体28-30
• 1.4 本课题的研究目的和意义30-32
• 参考文献32-42
• 2 自组装制备靶向肝癌的聚合物胶束药物载体42-69
• 2.1 引言42-44
• 2.2 实验部分44-51
• 2.2.1 实验材料44
• 2.2.2 实验仪器44-45
• 2.2.3 无规共聚物MPEG-PBAE的合成45-46
• 2.2.4 合成靶向配体N-(1-脱氧乳糖基-1)-十二胺(Gal-C12)46-47
• 2.2.5 制备MPEG-PBAE胶束47
• 2.2.6 MPEG-PBAE胶束表征47
• 2.2.7 MPEG-PBAE胶束的pH-响应性研究47-48
• 2.2.8 负载DOX·HCl和DOX体外释放48-49
• 2.2.9 制备靶向肝癌细胞的负载DOX胶束49
• 2.2.10 细胞培养49-50
• 2.2.11 细胞内药物释放和细胞内吞50
• 2.2.12 体外细胞毒性50
• 2.2.13 细胞周期分析50-51
• 2.3 结果与讨论51-63
• 2.3.1 合成两亲性聚合物MPEG-PBAE51-52
• 2.3.2 MPEG-PBAE胶束的制备和表征52-56
• 2.3.3 负载DOX和体外药物释放56-58
• 2.3.4 负载DOX的MPEG-PBAE的细胞内药物释放58
• 2.3.5 负载DOX的MPEG-PBAE胶束的体外抗肿瘤研究58-59
• 2.3.6 自组装制备靶向肝脏的负载DOX胶束59-60
• 2.3.7 DOX-MPEG-PBAE-C14-Gal的细胞内吞研究60-61
• 2.3.8 DOX-MPEG-PBAE-C14-Gal的体外抗肿瘤效果61-62
• 2.3.9 细胞周期阻滞62-63
• 2.4 本章小结63-65
• 参考文献65-69
• 3 PEI-g-PSSA-g-PEI聚合物囊泡基因运送载体69-92
• 3.1 前言69-71
• 3.2 实验部分71-76
• 3.2.1 实验材料71
• 3.2.2 实验仪器71
• 3.2.3 合成二硫交联剂N,N-二丙烯酰基胱胺(CBA)71-72
• 3.2.4 合成PEI-g-PBAA-g-PEI72-73
• 3.2.5 制备聚合物囊泡73-74
• 3.2.6 聚合物囊泡结构表征74
• 3.2.7 制备EGFP质粒74-75
• 3.2.8 制备DNA复合物75
• 3.2.9 凝胶电泳实验75
• 3.2.10 复合物的粒径、电位实验75
• 3.2.11 复合物的形貌表征75
• 3.2.12 细胞培养75-76
• 3.2.13 细胞转染实验76
• 3.2.14 流式细胞仪评价转染效率76
• 3.2.15 细胞毒性实验76
• 3.3 结果与讨论76-86
• 3.3.1 合成接枝聚合物PEI-g-PSSA-g-PEI76-79
• 3.3.2 制备聚合物囊泡79-80
• 3.3.3 琼脂糖凝胶电泳实验80-82
• 3.3.4 复合物的粒径和zeta电位实验82
• 3.3.5 透射电镜表征DNA复合物形貌82-83
• 3.3.6 细胞转染实验83-85
• 3.3.7 细胞毒性实验85-86
• 3.4 本章小结86-87
• 参考文献87-92
• 4 硫特异性降解的聚乙烯亚胺类基因运送载体92-115
• 4.1 前言92-94
• 4.2 实验部分94-99
• 4.2.1 实验材料94-95
• 4.2.2 实验仪器95
• 4.2.3 合成含有碳酸酯和二硫连接键的PEI-SS-CLs95-97
• 4.2.4 制备EGFP质粒97
• 4.2.5 制备DNA复合物97-98
• 4.2.6 凝胶电泳实验98
• 4.2.7 复合物的粒径、电位实验98
• 4.2.8 PEI-SS-CLs的还原降解实验98
• 4.2.9 DNA从复合物中解离实验98
• 4.2.10 细胞培养98-99
• 4.2.11 细胞转染实验99
• 4.2.12 流式细胞仪评价转染效率99
• 4.2.13 细胞毒性实验99
• 4.3 结果与讨论99-110
• 4.3.1 合成、表征PEI-SS-CLs99-101
• 4.3.2 琼脂糖凝胶电泳实验101-102
• 4.3.3 复合物的粒径和zeta电位实验102-103
• 4.3.4 PEI-SS-CLs还原降解实验103-104
• 4.3.5 DNA从复合物解离实验104-105
• 4.3.6 细胞转染实验105-108
• 4.3.7 细胞毒性试验108-110
• 4.4 本章小结110-111
• 参考文献111-115
• 5 异双官能团交联的PEI类基因运送载体115-133
• 5.1 前言115-116
• 5.2 实验部分116-122
• 5.2.1 实验材料116-117
• 5.2.2 实验仪器117
• 5.2.3 交联剂的合成117-119
• 5.2.4 合成异双官能团交联PEI衍生物119-120
• 5.2.5 制备EGFP质粒120-121
• 5.2.6 制备DNA复合物121
• 5.2.7 凝胶电泳实验121
• 5.2.8 复合物的粒径、电位实验121
• 5.2.9 细胞培养121
• 5.2.10 细胞转染实验121
• 5.2.11 流式细胞仪评价转染效率121-122
• 5.2.12 细胞毒性实验122
• 5.3 结果与讨论122-129
• 5.3.1 合成、表征PEI-SS-CLs122-123
• 5.3.2 琼脂糖凝胶电泳实验123-124
• 5.3.3 复合物的粒径和zeta电位实验124-125
• 5.3.4 细胞转染实验125-128
• 5.3.5 细胞毒性实验128-129
• 5.4 本章小结129-130
• 参考文献130-133
• 6 结论133-137
• 6.1 主要结论133-135
• 6.2 本课题创新点135-136
• 6.3 研究展望136-137
• 致谢137-138
• 附录A138-140
• 附录B 部分产物的表征谱图140-145

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