樹狀大分子作為基因遞送載體的研究進展

胡正霞，何東升，涂家生

(中國藥科大學藥學院，江蘇 南京 210009)

基因治療是指通過基因轉移技術將外源治療基因導入病變的靶細胞中，調控目的基因的表達，實現糾正或補償缺陷基因，關閉或抑制異常表達的基因，恢復組織或器官的正常功能，從而達到治療目的。基因治療需要將治療基因有效地遞送至靶細胞內，因此其關鍵在于高效、安全的基因載體[1]。

目前常用的基因載體主要有病毒載體(viral vector)和非病毒載體(non-viral vector)。盡管病毒載體具有較高的轉基因效率，但因其自身潛在的免疫原性、載體容量小、不易于工業化大規模生產、制備復雜及成本昂貴等，限制了病毒載體的應用。與病毒載體相比，非病毒載體基因遞送效率相對較低，但有望克服病毒載體的一些局限性，具有低細胞毒性、低免疫原性、易于大規模生產的優勢，但在臨床應用上仍存在許多待解決的難題。理想的非病毒基因載體應當：①與核酸形成穩定性好且粒徑合適的復合物，免受核酸酶的降解和機體免疫系統的清除；②具有表面保護功能域，避免與血漿蛋白相互作用，介導有效且有選擇性地細胞攝取；③有效地從細胞內涵體、溶酶體逃逸；④細胞內定位[2]。

常見的非病毒基因載體主要包括陽離子脂質體(cationic liposome)、陽離子聚合物(cationic polymer，如樹狀大分子、多聚賴氨酸、聚乙烯亞胺等)、肽類和無機納米粒子等。其中，樹狀大分子(dendrimer)因其結構精確、高度枝化、具有三維球形結構而備受關注。

1 樹狀大分子

“Dendrimer”一詞源于希臘語“dendron”(樹)和“meros”(部分)，最初由V?gtle課題組在20世紀70年代末報道，此后由Tomalia、Newkome和其他研究者進一步發展，產生了多樣的樹枝狀結構[3]。樹狀大分子由中心核(core)、中間重復單元(interior)和末端基團(exterior)3部分構成，具有高度的幾何對稱性[4]。陽離子樹狀大分子，如聚酰胺-胺樹狀大分子(PAMAM)、聚(丙烯亞胺)樹狀大分子(PPI)、聚(L-賴氨酸)樹狀大分子(PLL)、三嗪樹狀大分子、碳硅烷樹狀大分子、聚(亞胺)樹狀大分子(PETIM)、含磷樹狀大分子和紫腈樹狀大分子[5]，因具有良好的單分散性、可控的分子結構、高密度且數目精確的多個表面功能基團，已經成為核酸遞送的重要載體。陽離子樹狀大分子通過靜電作用與核酸結合形成復合物，保護核酸免受降解，并幫助細胞內化作用[3]。陽離子樹狀大分子的基因轉染效率較強，自身具有一定的“質子海綿效應”，可實驗細胞內涵體、溶酶體逃逸。但研究表明，樹狀大分子的細胞毒性隨其分子量和電荷密度的增加而增大，即代數越高，分子量越大，轉染能力較強，但其細胞毒性也隨之增加。因此，在陽離子樹狀大分子用于基因遞送方面，維持高轉染效率的同時降低細胞毒性至關重要[6]。

2 樹狀大分子的基因遞送策略

基于早期對樹狀大分子代數(G1～G10)、種類(如PAMAM、PPI、聚賴氨酸)的研究，目前的研究集中于表面功能基團[5]、中心核[7]、樹狀大分子結構的修飾和低代樹狀大分子的組裝[6]，以克服基因遞送過程中的多重障礙，同時增加其生物相容性。

2.1 表面功能基團的修飾 樹狀大分子外周的多種功能基團為其表面修飾提供了理想的位點，研究人員使用了包括氨基酸、多肽、蛋白質、脂質、氟化物、糖類、聚合物和納米粒等功能基團對樹枝狀大分子進行修飾[5]。這些修飾的主要目的是調節樹狀大分子表面電荷和疏水性。適量的表面電荷密度有助于復合物的形成、細胞攝取和內涵體逃逸，但過量的正電荷會造成嚴重的細胞毒性。為了降低細胞毒性，可通過引入屏蔽基團以降低表面電荷密度。

Fant等[8]研究了一系列PEG化和乙酰化的PAMAM樹狀大分子，結果表明，樹狀大分子的PEG化明顯降低了自身的細胞毒性，并且增加了血液循環時間。然而，PEG化或乙酰化的程度與轉染效率直接相關。較高程度的PEG化減少了表面電荷，可能會降低核酸的壓縮能力、細胞攝取和轉染效率。

Choi等[9]將L-精氨酸和L-賴氨酸分別連接到PAMAM樹狀大分子表面，與未修飾的樹狀大分子相比，L-精氨酸修飾PAMAM樹狀大分子具有更好的DNA的壓縮、復合能力和更高的轉染效率。Yu等[10]在G4.0 PAMAM樹狀大分子外周修飾帶有咪唑基團的組氨酸和精氨酸，咪唑基團在內涵體、溶酶體的pH條件下能夠質子化，顯著提高了樹狀大分子的質子緩沖能力，促進了復合物從內涵體的逃逸，在多個細胞系中都表現出了較好的轉染效率。相似地，通過胍基[11]、咪唑基團[12]、多胺[13]、PEI聚合物[14]的修飾，樹枝狀大分子的轉染效率能夠顯著增加。

樹狀大分子表面修飾的另一個重要作用是賦予載體多種功能，如進行核酸的靶向遞送，即通過在樹狀大分子結構上引入靶頭以實現靶向作用，如生物素、葉酸、多肽(如靶向整合素受體的RGD多肽，腦靶向的RVG29肽、angiopeptide和T7肽，以及腫瘤酸性靶向的低pH插入肽(pHLIP)、蛋白質(如轉鐵蛋白)、糖類(如乳糖、半乳糖)[2]。此外，選擇不同種類的多肽或者糖類修飾樹狀大分子，能夠制備不同功能的載體。Arima等[15]在PAMAM樹狀大分子表面分別連接α、β和 γ 環糊精，顯著提高了細胞的轉染效率，這可能與提高與細胞膜的親和能力，改變pDNA的細胞內轉運有關。環糊精-PAMAM樹狀大分子連接靶向多糖在基因遞送中能夠產生協同作用。多肽修飾方面，細胞穿膜肽能夠增強細胞攝取，例如TAT和R9[2]；核定位信號多肽能夠介導細胞核的進入，如SV40大T抗原的核定位信號[16]。這一類多肽修飾PAMAM樹狀大分子有助于增強細胞的內吞作用[2]。

樹狀大分子的表面修飾也包括用納米粒(如碳納米管、石墨烯、量子點)和其他功能性配體(如光敏劑)修飾[5]，這些經過表面修飾的樹狀大分子在基因的體內外遞送中都具有可觀的應用前景。

2.2 中心核的修飾 樹狀大分子的中心核直接影響外周功能基團的數目、分子大小、形狀和整體結構，更重要的是影響樹狀大分子的柔韌性和強度[17]。在核酸的遞送過程中，將核酸有效壓縮成穩定的復合物是關鍵，因此，樹狀大分子的柔性至關重要。改變中心核的分支單元可以調節樹狀大分子柔性。Zhang等[18]以三甲基-1,3,5-苯三甲酸、季戊四醇和肌醇為中心核合成的一系列不同代數的PAMAM樹狀大分子分別往三、四、六個方向生長(見圖1)，在這些樹狀大分子中，柔性最好的是以三甲酸酯為核心的六代樹狀大分子，在體外表現出最好的DNA壓縮能力和最高的轉染效率。

圖1 以三甲基-1,3,5-苯三甲酸(A)、季戊四醇(B)和肌醇(C)為核心的G3.0樹狀大分子[18]

通過不同的方式對中心核進行修飾可調節樹狀大分子的疏水性。Chang等[19]系統地比較了以乙二胺、己二胺和二氨基十二烷為中心核的PAMAM樹狀大分子在基因遞送中的作用，結果表明，以二氨基十二烷為中心核的PAMAM樹狀大分子在保持傳統PAMAM樹狀大分子固有的DNA壓縮能力、生物相容性、內涵體逃逸能力的同時，具有最高的轉染效率和最低的細胞毒性。引入疏水烷基鏈作為中心核促進了載體/基因復合物的內化作用，增加了復合物的細胞攝取。

樹狀大分子的表面修飾能夠使其具備多種功能，中心核的調節也能夠產生新功能。早期的表面修飾策略，如引入光敏劑、環糊精和PEG已經被用于修飾樹狀大分子的中心核。Ma等[20]以卟啉為中心核，合成了表面功能化的聚(L-賴氨酸)樹狀大分子(見圖2)，卟啉本身即作為光敏劑，這種光化學內化效應使其在不同細胞系中都呈現出光響應的基因表達。Liang等[21]合成了以β-環糊精為中心核的PAMAM樹狀大分子(見圖3)，在基因遞送過程中呈現出良好的生物相容性、相對較高的轉染效率。樹狀大分子核心的環糊精改善了樹狀大分子-基因復合物的血清穩定性，并降低了對轉染細胞的毒性。Albertazzi等[22]以PEG為核心，分別合成了兩分支、四分支不同代數的樹狀大分子，四分支的樹狀大分子較兩分支具有更好的DNA復合能力和更高的轉染效率，此外以PEG為核心的樹狀大分子對轉染細胞均具有很低的毒性。

2.3 低代樹狀大分子的組裝 基于高代樹狀大分子雖具有高轉染效率但細胞毒性大，低代樹狀大分子盡管細胞毒性小但轉染效率低的現狀，研究者們提出了將低代樹狀大分子組裝成帶一定正電荷的納米結構，形成穩定復合物和響應性分解的策略，以實現有效轉染的同時降低細胞毒性[6]。

低代樹狀大分子可以通過超分子策略制備成納米結構，在水溶液中通過離子作用、氫鍵、疏水作用、親氟作用，樹狀大分子間相互連接。Liu等[23]在二代PAMAM樹狀大分子表面修飾一定數量的苯基硼酸，苯基硼酸與伯胺基通過離子相互作用，形成粒徑約100 nm的納米顆粒(見圖4)。該納米結構較G5.0樹狀大分子具有更好的DNA和siRNA遞送效率，且與Lipofectamine 2000相當。更重要的是在酸性條件下，其能夠快速解體為低代樹狀大分子，因而對轉染細胞的毒性低。當低分子量的樹枝與脂肪鏈通過點擊化學、原位合成或主客體相互作用共價結合后，生成的兩親性聚合物通過疏水作用能夠自組裝成納米結構。分子中脂肪鏈決定納米結構的樹枝數目、粒徑和電荷密度，而樹枝則與DNA的結合和內涵體逃逸能力相關。Yu等[24]將十八碳的疏水脂肪鏈通過點擊化學反應與親水的PAMAM低代樹枝共價連接，形成兩親性樹狀大分子(見圖5)，用于遞送Hsp27 siRNA，在去勢抵抗性前列腺癌模型中具有顯著的基因沉默和抗癌活性。脂肪鏈的數目、長度和飽和度均會影響DNA的壓縮能力和載體基因復合物的粒徑。除了脂肪鏈，疏水性的膽固醇與低分子量的樹枝結合也能生成兩親性的聚合物用于基因遞送。膽固醇的耐受性良好，Jones等[25]合成了以膽固醇為核心、末端為精胺的樹枝，能夠自組裝成納米結構，通過膽固醇與細胞膜磷脂的相互作用擾亂內涵體膜，促進復合物的內涵體逃逸。

脂肪鏈和膽固醇修飾的樹枝或樹狀大分子在水溶液中穩定性良好，但當其穿過細胞膜后，會因細胞膜磷脂的影響導致穩定性下降。因此，有研究者提出用氟代烷基鏈取代超分子兩親性化合物中的脂肪鏈或膽固醇。氟代烷基鏈疏水且疏脂，碳氟鏈在親水和疏水的環境中通過親氟效應相互結合。Wang等[26]用七氟丁酸對G1.0和G2.0 PAMAM樹狀大分子進行修飾，組裝成與病毒大小相似的納米顆粒。通過調整表面七氟丁酸的數目以控制整體結構，增加七氟丁酸數目，就能在極低N/P比下實現高轉染效率，最有效的結構自組裝在20 ng超低DNA劑量下就能實現細胞的高轉染效率，即使在50%血清存在下也能維持高效轉染，且實驗結果證明能夠有效轉染3D球和實體瘤。氟原子的引入使得較短碳鏈就能夠與12～18碳的脂肪鏈產生相同的基因遞送效率，此外，碳氟鏈通過“氟效應”(增加血清抗性、細胞攝取、內涵體逃逸和有利于細胞內的DNA釋放)提高了陽離子聚合物的轉染效率[6]。

圖2 以卟啉為中心核的樹狀大分子[20]

圖3 以β-環糊精為中心核的PAMAM樹狀大分子[21]

圖4 G2.0 PAMAM樹狀大分子表面修飾苯基硼酸后形成pH敏感的納米簇[23]

圖5 疏水部分為十八碳烷基鏈，親水部分為G3.0 PAMAM樹枝的兩親性樹狀大分子[24]

低代樹狀大分子通過刺激響應型化學鍵與生物相容性的納米粒、蛋白質或聚合物連接，暫時生成具有相對高電荷密度的雜交材料，實現高效且無毒的基因遞送。Xu等[27]將以硫辛酸為核心的低代多肽樹枝通過共價鍵連接到無機納米粒子量子點表面，生成多功能的超分子雜交樹狀大分子，其基因轉染效率約為單個多肽樹枝的50 000倍。樹枝與無機納米粒通過Au-S鍵連接，細胞內吞后在胞內谷胱甘肽作用下，化學鍵斷裂，因而在基因轉染過程中呈現較低的細胞毒性。無機納米粒(金、氧化鐵、量子點等)的引入賦予雜交基因載體新功能，如金納米粒可用于X射線計算機斷層掃描或組合光熱治療，氧化鐵納米粒可用于磁共振成像，量子點可用于熒光成像[6]。

低分子量的樹狀大分子通過共價鍵交聯形成更大的納米簇能夠改善基因轉染。Liu等[28]將G2.0 PAMAM樹狀大分子通過二硫鍵彼此交聯，該納米結構能夠將DNA壓縮形成約200 nm的復合物，細胞攝取后二硫鍵斷裂分解成彼此獨立的G2.0樹狀大分子，具有較高的基因轉染效率和較低的細胞毒性。Jia等[29]將苯基硼酸修飾的低分子量超支化低聚乙烯亞胺通過硼酸-二醇鍵與富含1,3-二醇的超支化聚甘油反應，生成相對高電荷密度的動態可逆納米簇(見圖6)。與低分子量的低聚乙烯亞胺相比，該納米簇與siRNA的親和力強，在溶酶體酸性環境中分解，細胞毒性小。除此之外，超支化的聚甘油疏水內部可用于載抗癌藥物如阿霉素，用于癌癥的協同治療。

圖6 通過低分子量超支化聚合物表面官能團的共價鍵連接，自組裝成pH敏感的納米簇[6]

3 結語

應用樹狀大分子作為基因載體的研究已經長達數十年，盡管有商品化的基因轉染試劑SuperfectTM和 PrioFectTM，但其在臨床應用上依然面臨重重困難。高代數的樹狀大分子雖然轉染效率較高，但價格昂貴且細胞毒性大，因此構建高轉染效率、低細胞毒性的樹狀大分子是進一步拓展其應用的關鍵。研究者們通過對樹狀大分子的外周官能團修飾、中心核修飾和低代樹狀大分子的組裝等，已經取得了很多突破性的進展，為臨床應用的實現奠定了基礎。