高分子学报  2017 Issue (8): 1234-1245   DOI: 10.11777/j.issn1000-3304.2017.17095   PDF    
http://dx.doi.org/10.11777/j.issn1000-3304.2017.17095
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程义云
Yi-yun Cheng
含氟高分子基因载体
Fluorinated Polymers in Gene Delivery
高分子学报, 2017, (8): 1234-1245
Acta Polymerica Sinica, 2017, (8): 1234-1245.
http://dx.doi.org/10.11777/j.issn1000-3304.2017.17095

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2017-04-24 收稿
2017-06-12 修稿
含氟高分子基因载体
程义云    
华东师范大学生命科学学院 上海 200241
摘要:阳离子高分子被广泛应用为非病毒类基因载体,但这类高分子材料的转染效率与细胞毒性之间通常存在"恶性"关联,即获得高转染效率时往往会伴随严重的细胞毒性.如何制备兼具高效、低毒特点的高分子载体是成功实施基因治疗的关键.含氟高分子是一类具有独特理化性质的高分子,能够在低电荷密度条件下与核酸形成稳定的复合物,从而实现高效、低毒的基因转染.含氟功能基团可帮助阳离子高分子改善复合物稳定性、细胞内吞、内涵体逃逸、胞内核酸释放等多个环节,从而赋予了含氟高分子在基因递送过程中的氟效应.该专论系统地总结了含氟高分子基因载体的研究,介绍了含氟高分子的基因递送性能、作用机理以及在基因治疗、基因编辑中的应用,并对含氟高分子载体的未来发展进行了展望.
关键词含氟高分子   基因递送   氟效应   树形高分子   超分子自组装   
Fluorinated Polymers in Gene Delivery
Yi-yun Cheng    
School of Life Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241
Corresponding author: Yi-yun Cheng, E-mail:yycheng@mail.ustc.edu.cn
Abstract: Cationic polymers were widely used as non-viral gene carriers, however, the transfection efficacy and cytotoxicity of these polymers are strongly associated with each other, that is high transfection efficacy is usually accompanied by serious toxicity. How to prepare polymeric carriers with high transfection efficacy and low toxicity is a key challenge in clinical gene therapy. Fluorinated polymers are a new class of non-viral gene carriers with interesting physicochemical properties. Fluoroalkyl substances have unique properties compared to traditional alkyl lipids. They are both hydrophobic and lipophobic, but prefer to associate with other fluorous compounds via a fluorophilic effect. As a result, fluorinated polymers with low critical aggregation concentrations can efficiently condense nucleic acids into stable complexes at an extremely low nitrogen to phosphorous ratio or polymer dose. Fluorous ligands such as fluoroalkyls are beneficial for improved serum stability, cellular uptake, endosomal escape, and intracellular nucleic acid release, endowing the fluorinated polymers with a specific fluorous effect in gene delivery. The fluorinated polymers possess excellent self-assembly property and combine the features of cationic polymers and liposomes in gene delivery, for example, the high tissue penetration capability of cationic polymers, and self-assembly behavior and high gene transfection efficacy of cationic liposomes. The self-assembled fluoropolymers show excellent serum resistance due to the bioinert property of fluoroalkyl chains. They exhibit high gene transfection efficacy even in medium containing 50% serum, and thus present promising potential for clinical gene therapy. Compared to traditional alkylated materials, fluorinated polymers show more efficient cellular internalization and less toxicity due to reduced intermolecular interactions with the phospholipids in cell membrane. This feature article summarized recent advances of fluorinated polymers in gene delivery. The transfection efficacy and mechanism of fluorinated polymers in gene delivery, as well as their applications in gene therapy and gene editing were discussed. Finally, future perspectives of fluorinated polymers in gene delivery, protein and peptide delivery and other biomedical fields were given.
Key words: Fluorinated polymers    Gene delivery    Fluorous effect    Dendrimers    Supramolecular assembly   

基因治疗作为一种新的治疗手段被广泛应用于治疗多种疾病,如遗传性疾病、病毒感染、癌症等[1~3].自1989年以来,全球范围内已经有数千个临床基因治疗的案例,但仅有少数几个取得了成功.当前临床基因治疗的主要挑战在于缺乏高效、安全的基因载体[4].病毒类载体能够在多种细胞中实现高效基因转染,但它们存在免疫原性、遗传毒性等安全问题,不易大规模制备,且转染大尺寸核酸时效率较低.非病毒类载体(主要包括脂质体和高分子)能够在一定程度上克服这些弱点,具有更好的生物安全性,且易于大规模制备[5, 6].特别是高分子载体,在结构上易于进行各种化学改性,可通过功能化修饰实现对特异细胞的选择性递送.近年来,高分子基因载体已经成为基因治疗领域的研究热点[7~10].

高分子基因载体主要为阳离子高分子.这些高分子一般通过离子相互作用与核酸形成复合物[4].然而,离子作用驱动形成的复合物在生理环境中容易受盐离子、蛋白质、磷脂等干扰,进而失去对核酸分子的保护.为了提高复合物的稳定性,通常需要使用过量的高分子,但这会增加复合物的电荷密度和氮磷比(氮为高分子中的阳离子基团数,磷为核酸中的磷酸基团数),同时也带来严重的细胞毒性[11].要想使高分子在低氮磷比条件下稳定结合核酸,需要在复合物中引入离子键以外的作用力,如疏水键、氢键、主客体相互作用等.有研究表明,在高分子上引入碳氢基烷基链、胆固醇等疏水基团后可显著提高复合物在水溶液中的稳定性,所制备的高分子可在低氮磷比条件下达到较高的转染效率[12, 13].但是,这类高分子复合物在细胞膜的磷脂环境中不稳定,容易受到磷脂分子中烷基链的扰动,提前释放出复合物中的核酸(图 1).如何制备在水溶液和疏水的磷脂相中均保持稳定的高分子/核酸复合物是解决问题的关键.

Fig. 1 The properties and behaviors of alkylated and fluoroalkylated polymers in gene delivery

含氟烷基链与碳氢基烷基链的性质不同:碳氢基烷基链具有疏水、亲油的特点,而含氟烷基链既疏水又疏油,具有相分离的属性[14~16].将含氟烷基链接枝到阳离子高分子上可以赋予高分子独特的理化性质,比如优异的自组装性能、抗污染能力、化学和生物惰性等[17~23].高分子中含氟烷基链间的亲氟效应可以极大地增强高分子与核酸复合物的稳定性,从而可在极低的氮磷比条件下获得稳定的转染复合物[24].由于含氟烷基链的疏油特点以及抗污染性能,含氟高分子与核酸形成的复合物可以抵御磷脂以及蛋白质分子的干扰,在水相、磷脂相以及蛋白质溶液中均维持良好的稳定性[19] (图 1).此外,含氟烷基链具有良好的化学惰性,与生物分子、细胞、组织相互作用弱,细胞毒性低[25].有研究表明在生物材料表面接枝含氟烷基链可促进细胞的增殖[26, 27].在药物分子中引入氟元素或含氟基团等已经成为药物化学领域最重要的技术手段之一[28].含氟高分子这些独特的理化特征预示着其在基因递送过程中具有一些意想不到的性能[24].本文系统地介绍了含氟高分子作为基因载体的研究进展,着重讨论了含氟高分子载体的转染性能,在基因递送中的氟效应,以及在基因治疗、基因编辑中的应用(图 2).

Fig. 2 Fluorination on cationic polymers enabling efficient gene delivery in vitro and in vivo
1 含氟高分子的基因递送性能

阳离子高分子的主要荷电基团为氨基,可与含氟酸酐、含氟环氧单体等反应从而高效地在高分子上引入含氟烷基链[24].其中,氨基与含氟酸酐的反应效率最高,两者以1:1投料在常温条件下反应可达95%以上的连接效率.以第5代聚酰胺-胺树形高分子(G5 PAMAM,表面有128个伯胺基团)为例,通过与七氟丁酸酐反应制备含氟高分子.接枝七氟丁酸显著提高了树形高分子的基因递送性能,其中,接枝68条七氟丁酸的高分子转染效率最高,可将树形高分子转染绿色荧光蛋白(GFP)质粒的效率从20%左右提高到90%以上,性能显著优于商业化转染试剂Lipofectamine 2000等[29] (图 3).更为重要的是氟化修饰极大地降低了阳离子高分子递送核酸时所需的氮磷比或材料用量.同大多数阳离子高分子一样,未修饰的G5树形高分子需要氮磷比达到10:1左右才具有一定的转染效率,但是含氟高分子的氮磷比仅需1.5:1即可实现90%以上的效率,甚至在氮磷比为0.5:1时,含氟高分子也能成功转染50%以上的细胞.这是因为含氟高分子可通过含氟烷基链间的亲氟效应形成高分子聚集体,由于含氟烷基链的表面能低,造成含氟高分子具有较低的临界聚集浓度,有利于高分子在低材料剂量或低氮磷比条件下压缩核酸,形成转染复合物.由于含氟烷基链的疏油特性,含氟高分子复合物能够抵御蛋白质、磷脂等分子的干扰,可以在水相和疏水的磷脂相中均保持良好的稳定性.

Fig. 3 (a) Modification of G5 PAMAM dendrimer with fluoroalkyls; (b, c) Fluorinated G5 dendrimer achieves efficient GFP expression at extremely low nitrogen to phosphorus ratios (Reprinted with permission from Ref.[29]; Copyright (2014) Nature)

进一步研究发现,七氟丁酸接枝的树形高分子对DNA和siRNA均具有优异的转染性能.树形高分子的代数(4 ~ 7代)或分子量对含氟高分子的效率影响不大,但含氟烷基链的接枝率对性能影响较大[30].七氟丁酸接枝率在53% ~ 67%之间时,含氟高分子具有较高的转染效率.含氟高分子递送siRNA时所需的含氟烷基链接枝率比递送DNA时更高.例如G5 PAMAM接枝68条七氟丁酸(53%接枝率)即可高效转染DNA,而只有接枝82条(64%)或更多的七氟丁酸才能高效递送siRNA.如此高的接枝率易造成含氟高分子表面空间位阻过大,影响材料的进一步功能化改性.这一问题可通过接枝双氟烷基链来解决,在G5 PAMAM表面接枝1%左右的双氟烷基链即可获得高性能载体[31].除了接枝率,含氟烷基链的链长或氟原子数会影响高分子的转染效率,例如三氟乙酸、五氟丙酸、七氟丁酸、九氟戊酸中,七氟丁酸接枝的高分子递送DNA的效率最高[29].含氟烷基链过短,无法通过亲氟效应形成稳定的转染复合物;而含氟烷基链过长,则会对高分子表面的电荷形成遮蔽效应,影响高分子与核酸之间的静电相互作用.同理,含氟高分子在递送siRNA时所需要的含氟烷基链更长.例如,含氟烷基链上的氟原子数从7增加到13时,同样的接枝率条件下,氟原子数越多或烷基链越长,含氟高分子的基因沉默效率越高[32].除了聚酰胺-胺树形高分子,接枝含氟烷基链也可显著提高多种树形高分子、支化高分子、线性高分子的转染效率[33~38].以聚丙烯亚胺树形高分子为例,未改性的聚丙烯亚胺转染GFP质粒的效率不到2%,而经七氟丁酸改性后可达80%以上,性能显著优于6种常用的转染试剂[33].除了表面改性,在树形高分子内部核心引入含氟烷基链也可以获得高性能基因载体[39].

2 含氟高分子在基因递送中的氟效应

高分子介导的基因递送存在核酸结合、血清干扰、细胞内吞、内涵体逃逸、胞内核酸释放等多个屏障[24].传统的化学改性方法很难同时克服这些屏障,这是高分子相对于病毒类载体效率较低的主要原因[40, 41].研究表明氟化修饰同时改善了高分子的复合物稳定性、细胞内吞、内涵体逃逸、胞内核酸释放、抗血清等性能,在基因递送的多个关键环节中发挥了重要作用,从而极大地增强了高分子的基因递送效率[29] (图 4).比如,接枝七氟丁酸可将G5 PAMAM的细胞内吞效率提高2 ~ 3倍;将其内涵体逃逸时间从6 h以上缩短到2 h以内;血清稳定性方面,未改性的阳离子高分子需在无血清条件下转染,而含氟高分子可在50%的血清中保持高转染效率.我们将含氟高分子在基因递送过程中展现的独特性能称为氟效应.

Fig. 4 The fluorous effect of fluorinated polymers in gene delivery Fluorination on cationic polymers facilitates the serum stability, cellular uptake, endosomal escape and intracellular DNA release

含氟高分子在基因递送中的氟效应不仅于此.相对于碳氢基烷基链改性的高分子,含氟烷基链所需的链长更短,可获得的基因递送性能更佳.例如,接枝七氟丁酸可显著提高树形高分子的转染效率,而接枝等同数量的正丁酸却会降低其性能[29].含氟烷基链相对于碳氢基烷基链更加疏水(1CF2 ≈ 1.5CH2),同等情况下改性高分子所需的烷基链长度更短.比如,在聚氨基酸树形高分子核心引入碳氢基烷基链时,含18个碳原子的烷基链才能获得较高的siRNA递送效率;而引入含氟烷基链时,仅需含10个碳原子的烷基链即可获得更高的性能[39].同理,在树形高分子表面接枝碳氢基烷基链时,含8 ~ 12个碳原子的烷基链才能显著提升siRNA递送效率;而接枝含氟烷基链时,仅需含4个碳原子的含氟烷基链[42].在碳氢基烷基链、环烷烃、含氟烷基链当中,含氟烷基链接枝的高分子递送siRNA性能最佳,环烷烃次之,碳氢基烷基链最差[32].这与三者和细胞膜的相互作用密切相关,碳氢基烷基链具有较强的膜融合能力,这使得其修饰的高分子容易通过疏水相互作用黏附在细胞膜表面,影响高分子以及复合物的胞吞;含氟烷基链由于疏水、疏油的特点, 在细胞膜的磷脂环境中易相分离,相应的高分子与细胞膜的黏附作用弱,细胞摄入水平高;环烷烃由于较大的空间位阻效应,与磷脂分子的相互作用较碳氢基烷基链弱[43],因此三者之中,环烷烃修饰的高分子具有中等的细胞摄入能力和基因递送效率.由于含氟烷基链的表面能低,含氟高分子在溶液中易组装,组装体中疏水的含氟烷基链发生相分离,削弱了烷基链和水分子的接触.因此,这些含氟高分子具有较好的水溶性,避免了类似碳氢基烷基链改性的高分子在溶液中形成大尺寸聚集体的现象[44].

此外,含氟高分子的氟效应还体现在低细胞毒性上.含氟高分子与磷脂分子相互作用较弱, 其相对于碳氢基烷基链改性的高分子对细胞膜的破坏能力较低,细胞毒性较小[45].如前所述, 含氟高分子作为基因载体时最重要的特征之一是转染所需的氮磷比低,材料用量少,这也是含氟高分子相对其他改性方法获得的高分子具有更低细胞毒性的原因[29].此外,含氟烷烃及其衍生物具有优异的携氧能力,可作为人造血液用于外伤、医疗手术等导致的大出血治疗[46].含氟高分子的这一特点有助于提高细胞、组织中的氧浓度,从而促进细胞增殖[47, 48].

不仅限于含氟烷基链,含氟芳香化合物改性的高分子在基因递送过程中也具有类似的氟效应[49].这类高分子的性能与含氟芳香化合物上的氟原子数及空间位置密切相关(图 5).以氟代苯甲酸为例,一氟苯甲酸接枝基本对高分子的效率没有改善,二氟苯甲酸接枝的高分子则具有中等效率(~ 40%),而四氟苯甲酸接枝的高分子具有高转染性能(80%以上).氟原子位于芳环上比位于芳环的氟甲基上对高分子的效率改善更显著.这是因为氟原子间的亲氟效应以及芳香环间的π-π stacking作用共同增强了高分子与核酸复合物的稳定性,氟原子位于三氟甲基上不利于通过亲氟效应来稳定高分子/核酸复合物.

Fig. 5 Efficacies of cationic G5 PAMAM dendrimers modified with fluoroaromatics in the delivery of GFP plasmid: The transfection efficacy of polymers in (a) is quantified by flow cytometry (b) (Reprinted with permission from Ref.[49]; Copyright (2014) Elsevier)
3 自组装的含氟高分子基因载体

阳离子高分子基因载体的效率、细胞毒性通常与其分子量之间存在紧密关联:分子量越高,转染效率越高,但细胞毒性也越大[50].低分子量聚合物虽然细胞毒性低,但难与核酸形成稳定的复合物.如何基于低分子量聚合物制备高效、低毒的基因载体是亟待解决的重要问题[51~53].含氟烷基链的低表面能使得含氟高分子在水溶液中具有优异的自组装性能[54~56],相应的超分子组装体具有良好的生物稳定性[57].这一性质可用于解决低分子量聚合物难与核酸形成稳定复合物的问题.比如,在低分子量聚酰胺-胺树形高分子(如G1 PAMAM,表面有8个伯胺基团,分子量为1430) 表面接枝七氟丁酸,借助含氟烷基链间的亲氟效应可将之组装成几十纳米的聚集体.通过调节七氟丁酸的接枝率即可实现对组装体结构和转染性能的调控.增加含氟烷基链的接枝率可将组装体结构从多囊泡体向实心的纳米聚集体转变;接枝率越高,形成的组装体越稳定,相应的高分子可在更低的氮磷比条件下递送核酸[58].同理,在低分子量聚乙烯亚胺(PEI)等聚合物上接枝含氟烷基链也可通过亲氟效应驱动形成稳定的组装体[31].这些聚集体在溶液中能够稳定结合DNA或siRNA等核酸分子,而在细胞内含氟烷基链可从低分子量聚合物上解离,导致含氟高分子组装体去聚集.这样既可保证高分子与核酸复合物的稳定性,又能降低载体材料对细胞、组织的毒副作用.借助亲氟效应驱动自组装的策略,可以同时克服聚合物载体转染性能对高分子量和高电荷密度的依赖.

值得一提的是,这些亲氟效应驱动形成的超分子组装体在基因递送过程中的机理与前面介绍的含氟高分子完全不同.例如,G1 PAMAM的细胞摄入能力在接枝七氟丁酸后显著降低,这一点与在G5 PAMAM上观察到的结果相反.这些含氟高分子组装体的行为和转染机理与脂质体类载体如Lipofectamine 2000更相似:(1) 具有自组装能力;(2) 与核酸的结合能力弱,在电场作用下载体和核酸会发生分离;(3) 细胞摄入水平低,但却具有高转染效率.这些组装体具有高转染效率主要归因于胞外核酸结合和胞内核酸释放之间的平衡作用.虽然它们与核酸之间的相互作用弱,但在生理条件下足以形成稳定的复合物,而在细胞质中更容易释放出复合物中的核酸,与脂质体类载体的行为非常相似[58].

脂质体类载体具有较强的膜融合能力,但转染实体组织时往往只能转染其外层细胞,这是由于脂质体与核酸的复合物稳定性较差,在通过细胞间隙时容易与细胞膜融合;而高分子载体在细胞水平的转染效率虽不及脂质体,但结构稳定, 组织穿透力强[58].这2类阳离子载体与细胞膜的直接作用均易导致严重的细胞毒性.含氟高分子组装体在性能上兼具高分子和脂质体类载体的优点(图 6):细胞层面的效率与脂质体相似,远高于阳离子高分子,可在16 × 10-12 mol/L的低核酸浓度条件下实现高转染效率;而在组织层面,由于含氟烷基链的疏油以及生物惰性等特点,相应的组装体在体内具有高效的组织穿透能力和稳定性[58].这类组装体相对于脂质体和阳离子高分子电荷密度更低,相对于传统高分子载体分子量更小,且材料用量少,因而具有较低的细胞毒性.

Fig. 6 Features of cationic polymers, liposomes and fluoropolymers in gene delivery Self-assembled fluoropolymers showed high efficacy in transfecting cells, 3D cell spheroids, and tumor tissues in vivo

含氟高分子组装体除了优异的转染性能和低细胞毒性外,还能够通过亲氟效应装载多种含氟药物,比如疏水药物索拉非尼和亲水药物5-氟尿嘧啶.装载含氟药物对组装体的转染性能基本没有影响[59].由于目前商品化的小分子药物中将近25%含有氟元素,这种含氟高分子载体适用于递送大量的药物分子,有望解决含氟药物的成药性问题,通过亲氟效应延缓这些药物的释放,或通过与核酸的共递送来提高这些药物的疗效、解决其耐药性问题.

4 含氟高分子在基因治疗和基因编辑中的应用

含氟高分子基因载体具有高效、低毒等特点,在基因治疗领域具有重要的应用前景.例如, 含氟烷基链接枝的树形高分子能够在乳腺癌细胞中高效转染肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体(TRAIL)质粒,并诱导细胞凋亡[60].这种含氟高分子载体具有很强的组织穿透能力,在3D细胞球模型中能够诱导细胞球内部的乳腺癌细胞高效表达TRAIL,并最终导致细胞球体的崩解.含氟高分子在动物体内同样能够高效转染TRAIL质粒,有效抑制乳腺癌肿瘤的生长,治疗组在30天的时间内存活率100%.整个治疗过程中未检测到含氟高分子对正常组织或血液细胞的毒性.

应用于基因治疗的高分子载体除了高效、低毒外,还需要考虑其体内降解性、代谢等问题.含氟高分子组装形成的聚集体可能会在体内富集,造成安全性隐患.这就需要我们在连接高分子和含氟功能基团时选择可逆或具有刺激响应性的化学键.通过全氟酸酐与氨基反应制备的含氟高分子自身就具有可降解性.连接在高分子上的全氟脂肪酸在生理条件下可缓慢从高分子载体上降解[34].氟原子的强吸电子能力造成了相邻酰胺键的不稳定.在碱性条件下,这些全氟脂肪酸从高分子上的离解速率更快.这类含氟高分子材料需在弱酸性条件下保存,可稳定存放1年以上.

若需要含氟高分子具有更快的降解速率,可通过二硫键将含氟烷基链连接在高分子载体上.这些还原响应性的含氟高分子可在胞内高浓度的谷胱甘肽刺激作用下快速降解成小分子含氟化合物和低分子量聚合物,同时触发复合物中核酸分子的释放,具有一举两得的功效(图 7(a), 7(b))[39, 61].低分子量的含氟高分子也可与含二硫键的交联剂反应制备可降解的高分子聚集体(图 7(c))[62].这些聚集体可在谷胱甘肽的触发下快速释放核酸分子.这种还原响应的含氟高分子载体在体内可高效递送特异性干扰血管内皮生长因子(VEGF)的siRNA,抑制肿瘤的增殖,效率显著优于Lipofectamine 2000,且毒副作用小[63].选用聚赖氨酸作为基本框架构筑的含氟高分子在体内最终可降解成氨基酸、含氟脂肪酸等可排泄的小分子化合物.类似地,直接在还原响应性的阳离子聚合物上接枝七氟丁酸也能获得可降解的含氟高分子(图 7(d))[37, 64].这种高分子在谷胱甘肽等作用下可最终降解成低毒、可排泄的小分子化合物.将氟化修饰和生物还原降解性相结合来制备高效、安全的高分子载体在基因治疗领域具有重要的应用前景.

Fig. 7 Combining fluorination and bioreducibility for improved gene delivery

基因编辑能够实现对特定DNA片段的敲除或敲入,特别是近年来发展的CRISPR-Cas9技术,可以在活细胞中高效、便捷地编辑任何基因[65]. CRISPR-Cas9质粒太大,通过腺病毒载体递送时难以有效负载,且存在免疫原性、遗传毒性等问题.开发用于CRISPR-Cas9基因编辑,特别是体内基因编辑的高分子载体具有重要的意义.利用含氟高分子可高效递送CRISPR-Cas9质粒,成功敲除乳腺癌细胞中的MTH1基因,导致癌细胞凋亡[66].含氟高分子与CRISPR-Cas9质粒的复合物经进一步表面修饰后可用于体内基因编辑(图 8).通过小鼠尾静脉注射含氟高分子复合物可显著下调肿瘤组织的MTH1蛋白,抑制乳腺癌肿瘤的生长和转移,效率显著高于商业化转染试剂Lipofectamine 3000等.生物安全性分析显示这种含氟高分子载体对血细胞数量无明显影响,且正常组织中的突变率极低.除了CRISPR-Cas9,含氟高分子也可用于锌指蛋白(ZFNs)、转录激活子样效应因子(TALEs)等介导的基因编辑技术[67].

Fig. 8 Fluorinated polymer efficiently delivering CRISPR-Cas9 plasmid for genome editing of cells in mice (Reprinted with permission from Ref.[66]; Copyright (2017) American Chemical Society)
5 总结与展望

含氟高分子在基因递送中的氟效应为制备高效、低毒的高分子基因载体提供了新的思路.

含氟高分子载体的特点及氟效应主要体现以下几个方面:(1) 含氟功能基团如含氟烷基链、含氟芳香化合物等显著改善了高分子的细胞内吞、内涵体逃逸、胞内核酸释放、抗血清性能等环节,从而使含氟高分子具有高转染效率;(2) 含氟功能基团间的亲氟效应有助于稳定高分子/核酸复合物,从而在极低的氮磷比条件下实现高效转染;(3) 含氟高分子具有优异的自组装性能,这一特性可用于解决高分子转染效率对高分子量和高氮磷比的依赖,所制备的含氟高分子组装体兼具脂质体和高分子类载体的优点;(4) 相对于碳氢基烷基链,含氟烷基链接枝的高分子实现高效转染所需的烷基链长度更短,由于其疏水、疏油的特点,含氟高分子不容易和细胞膜中磷脂分子发生融合,在细胞膜中的滞留时间短,相应的细胞摄入水平更高,细胞毒性更低.对高分子进行氟化修饰已发展成为一种简单而高效的载体改性方法.基于含氟高分子的转染试剂Trans Excellent®已经实现了商品化.

目前,含氟高分子载体的制备方法主要是在高分子材料上接枝含氟烷基链或含氟芳香化合物.这种化学改性的方法对部分高分子具有局限性,存在接枝率不高、水溶性差等问题.未来的研究可直接利用含氟功能单体和阳离子单体来构筑含氟高分子共聚物.这一方法可极大地拓展含氟高分子载体的制备方法,对含氟高分子载体的性能调控也会更加的多元化.例如,合成含聚乙二醇的嵌段共聚物来提高含氟高分子的水溶性、生物相容性;合成含荧光基团的嵌段共聚物来实现对含氟高分子的聚集行为以及体内分布行为进行示踪;合成含响应性单体的嵌段共聚物使含氟高分子能够在特定环境中释放核酸.

针对体内基因递送,我们还需要考虑含氟高分子的血液循环时间、组织分布和生物安全性等问题.针对这一问题,可借鉴脂质纳米颗粒的制备方法,合成含氟烷基链和聚乙二醇的连接材料,通过含氟高分子、核酸以及含氟聚乙二醇的共组装来制备表面为聚乙二醇,电荷密度接近电中性的纳米颗粒,从而延长含氟高分子复合物的血液循环时间,为含氟高分子载体的体内转染制备新剂型.针对其降解问题,可通过刺激响应的化学键来连接含氟烷基链与聚乙二醇,从而实现聚乙二醇在体内特定组织的可脱卸功能.另一种改善含氟高分子体内循环、组织分布的方法是在含氟高分子复合物表面覆盖一层生物相容的大分子如透明质酸、葡聚糖等,或将含氟高分子复合物装载到生物相容的纳米微囊中,从而避免含氟高分子过早被网状内皮系统清除.由于生物体不含氟,含氟高分子可在无背景干扰的条件下实现19F磁共振成像,从而示踪含氟高分子载体的体内分布和代谢等过程[68, 69].关于含氟高分子的体内降解问题,可选择降解性高分子作为含氟高分子的基本框架,通过刺激响应性的化学键来连接高分子和含氟功能基团,从而使含氟高分子载体可在体内降解成小分子排出体外.

除了基因递送,含氟高分子还有望用于递送蛋白质和小肽.蛋白质、小肽在生理条件下的带电状态不明,传统阳离子高分子无法通过静电相互作用来结合这些生物分子[70, 71].可借助含氟高分子优异的自组装性能来解决这一问题.将含氟高分子组装成可包裹蛋白质、多肽的纳米囊泡或聚集体,借助含氟高分子在细胞内吞、内涵体逃逸、胞内释放等方面的优势,有望实现高效、安全的蛋白质和小肽递送.随着含氟高分子载体的进一步发展,相信会催生可替代现有基因、蛋白质递送技术的新材料.这类具有独特理化性质和功能的高分子材料会越来越多地在基因治疗、基因编辑、免疫治疗、T细胞治疗等领域发挥重要的作用.

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