基因藥物納米載體的構(gòu)建：原理，展望和挑戰(zhàn)

Nanoparticlesingenetherapy張娜1.Introductiontogenetherapy2.Barriersandstrategiestogenedelivery3.Nanoparticlesingenetherapy4.ChallengesandprospectsMainContents1.

Introductiontogenetherapy

1.1基因治療1.2納米基因載體系統(tǒng)1.1基因治療基因治療：是將人的正?；蚧蛴兄委熥饔玫幕蛲ㄟ^一定方式導入人體靶細胞以糾正基因的缺陷或者發(fā)揮治療作用，從而達到治療疾病目的的生物醫(yī)學高技術(shù)。

1.1基因治療自從1990年美國FDA正式批準第一個基因治療臨床試驗以來，世界各國都掀起了基因治療的研究熱潮?；蛑委熃?jīng)歷了狂熱期(1990～1995)和理性期(1996～現(xiàn)在)。/wiley/years.php

截至2011年，全世界范圍內(nèi)基因治療的臨床試驗方案已有1786個，表明基因治療具有良好的發(fā)展前景。1.1基因治療/wiley/years.php

在所有的臨床試驗方案中，惡性腫瘤占全部基因治療臨床試驗方案首位，占總數(shù)的64.7%。1.1基因治療我國是世界上較早開展基因治療臨床試驗的國家，基因治療基礎研究和臨床試驗基本與世界同步2004年1月，深圳賽百諾基因技術(shù)有限公司將世界上第一個基因治療產(chǎn)品重組人p53抗癌注射液(商品名：今又生)正式推向市場，這是全球基因治療產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的里程碑。1.1基因治療Invivo途徑:將外源基因裝配于適宜的載體傳遞系統(tǒng),直接輸入人體

基因治療分為二種不同的途徑：1.1基因治療Exvivo途徑:是目前較常使用的一種基因治療方法，即將含外源基因的載體在體外導入人體自身或異體細胞，經(jīng)體外細胞擴增后，再輸入人體。1.1基因治療基因治療中最關鍵的技術(shù)就是基因的輸送或傳遞?，F(xiàn)有的基因載體包括兩類，即病毒載體和非病毒載體。病毒載體非病毒載體1.1基因治療/wiley/vectors.php1.1基因治療病毒載體(viralvector)，在臨床應用中占主要位置優(yōu)點：轉(zhuǎn)染率較高。缺點：具有免疫原性；

具有與宿主細胞整合的潛在危險；

缺乏靶向性；

對插入DNA長度有限制。腺病毒載體1.1基因治療1.1基因治療非病毒載體(non-viralvector),可以克服病毒載體的很多缺陷,己越來越引起科學家的重視。優(yōu)點：低毒、低免疫反應、易組裝、經(jīng)濟、便于大規(guī)模普及應用和可反復應用等。缺點：難以通過細胞膜屏障、靶向性差、基因表達不穩(wěn)定、不能長期表達、轉(zhuǎn)染效率低等。1.1基因治療目前已進入臨床研究的非病毒載體主要是DNA載體和陽離子脂質(zhì)體。DNA載體又稱質(zhì)粒

DNA(plasmidDNA)或裸

DNA(nakedDNA),是最簡單的非病毒傳遞系統(tǒng)。

優(yōu)點：是對機體無毒無害，操作簡便缺點：質(zhì)粒

DNA分子量大，表面帶負電，親水性過強而不易通過細胞膜，易被核酸酶降解，基因轉(zhuǎn)移率較低，而且不穩(wěn)定，需大劑量多次給藥目前只在肌肉和皮膚中可以進行直接的局部裸DNA注射。質(zhì)粒DNA的轉(zhuǎn)染脂質(zhì)體：作為載體進行基因輸送的研究已有20多年,并且至今已有多種商品化陽離子脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染試劑問世，這是因為脂質(zhì)體可促進大分子物質(zhì)對細胞膜的穿透。但其存在一些缺點：有細胞毒性，易泄露，體內(nèi)不穩(wěn)定性。1.1基因治療新型非病毒載體的開發(fā)成為基因治療研究的熱點隨著納米生物技術(shù)的飛速發(fā)展，一種新型的非病毒載體系統(tǒng)——納米基因載體系統(tǒng)的出現(xiàn)為基因治療注入了新的活力。納米基因載體系統(tǒng)：將基因治療分子包裹在納米顆粒中或吸附在其表面，同時也可在顆粒表

面耦聯(lián)特異性的靶向分子，通過

靶向分子與細胞表面特異性受體

結(jié)合，進入細胞內(nèi)，釋放基因發(fā)

揮治療效能，實現(xiàn)安全有效的

靶向性基因治療。1.2納米基因載體系統(tǒng)納米粒具有超微小體積，能穿過組織間隙并被細胞吸收，可通過人體最細的毛細血管，可通過血腦屏障。1.2納米基因載體系統(tǒng)1.2納米基因載體系統(tǒng)納米載體作為基因載體的獨特優(yōu)勢：1.納米顆粒能包裹、濃縮、保護核苷酸，使其免遭核酸酶的降解2.比表面積大，具有生物親和性，易于在其表面耦聯(lián)特異性的靶向分子，實現(xiàn)基因治療的特異性3.在循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)時間較普通顆粒明顯延長，在一定時間內(nèi)不會象普通顆粒那樣迅速地被吞噬細胞清除4.讓核苷酸緩慢釋放，有效地延長作用時間，并維持有效的產(chǎn)物濃度，提高轉(zhuǎn)染效率和轉(zhuǎn)染產(chǎn)物的生物利用度；5.代謝產(chǎn)物少，副作用小，無免疫反應等2.Barriersandstrategiestogenedelivery

胞外屏障，指載體進入機體到達靶細胞之前所遇到的障礙,包括降解酶系統(tǒng)、吞噬系統(tǒng)、調(diào)理化作用和胞外粘膜層等；胞內(nèi)屏障，包括靶細胞膜、內(nèi)吞小泡和細胞核膜等。載體在輸送基因的過程中要遇到二個主要的障礙：2.1胞外屏障細胞外障礙是導致體內(nèi)和體外轉(zhuǎn)染效率差異的重要因素。調(diào)理作用2.1胞外屏障常用的策略：空間穩(wěn)定（Stericstabilise）——阻止載基因納米粒與血漿成分非特異形結(jié)合，降低調(diào)理作用和被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)快速識別24Non-specificBindingBloodcirculation無PEG修飾——載體與血漿蛋白發(fā)生非特異性結(jié)合2.1胞外屏障25PEG修飾有效降低載體與血漿蛋白作用2.1胞外屏障KumagaiM,etal.JControlledRelease,2012(160):542–5512.1胞外屏障2.2胞內(nèi)屏障CellularbindingCellularuptakeEndosomalescapeNuclearentry目的基因被輸送至靶細胞后,一般是通過內(nèi)吞方式進入細胞，了解載體的細胞內(nèi)命運，對載體設計具有重要的指導意義LiuC,etal.Curr

Gene

Ther.

2009;9(4):267-90.2.2胞內(nèi)屏障——Cellularbinding一旦基因載體到達靶細胞附近，遇到的第一道屏障是細胞膜?？缭郊毎け徽J為是限制DNA有效轉(zhuǎn)染的關鍵步驟之一。非受體介導（Non-receptormediatedbinding）受體介導（Receptormediatedbinding）2.2胞內(nèi)屏障——Cellularbinding非受體介導（Non-receptormediatedbinding）硫酸肝素蛋白多糖（HSPGs）：陽離子載體與細胞表面強負電的細胞膜糖蛋白結(jié)合Non-receptormediatedbinding小于30個氨基酸的短肽，通常為兩親性，帶高密度正電荷典型代表：HIV-TAT優(yōu)點：可有效穿透細胞膜，可有效促進DNA,脂質(zhì)體，納

米粒等進入細胞缺點：無選擇性穿透所有細胞膜;穿膜機制不明確2.2胞內(nèi)屏障——Cellularbinding細胞穿透肽Cell-PenetratingPeptides(CPPs)：2.2胞內(nèi)屏障——CellularbindingTAT可有效促進脂質(zhì)體，納米粒等進入細胞2.2胞內(nèi)屏障——Cellularbinding受體介導（receptormediatedbinding）通過連接特定的配基，可以將載體特異性的運送到靶細胞通過配基修飾的納米粒可以通過受體介導內(nèi)吞過程快速有效的被靶細胞攝取，大大提高轉(zhuǎn)染效率受體介導內(nèi)吞過程2.2胞內(nèi)屏障——CellularbindingMostlyusedligandsReceptorsLigandsCellsTransferringreceptorTransferringVariousAsialoglycoproteinsreceptorAsialoglycoproteinsHepatocytesGalactoseLiver-parenchymalcellLactoseHepatocytesMannosereceptormannoseMacrophagesEpidermalgrowthfactorreceptor(EGFR)EGFVariousFolatereceptor(FR)FolateVariousLowdensitylipoprotein(LDL)receptorLDLVariousIntegrinsArg-Gly-Asp

(RGD)peptidesTumorendotheliaAminopeptidaseN(APN)Asn-Gly-Arg

(NGR)peptidesTumorendothelia2.2胞內(nèi)屏障——Cellularuptake幾種內(nèi)吞途徑:不同的內(nèi)吞機制:2.2胞內(nèi)屏障——Cellularuptake籠形蛋白介導內(nèi)吞途徑——Thebest-studiedpathway一般來講，籠形蛋白依賴的細胞內(nèi)攝過程會經(jīng)歷一個早期內(nèi)吞體到晚期內(nèi)吞體，再到溶酶體的過程，這個過程pH逐漸降低，并且溶酶體內(nèi)含有大量酶，會導致運載的基因藥物降解2.2胞內(nèi)屏障——Cellularuptake2.2胞內(nèi)屏障——Cellularuptake小窩蛋白介導途徑（Caveolae-mediatedpathway）因為可以避過溶酶體降解而備受關注。2.2胞內(nèi)屏障——Cellularuptake小窩蛋白介導內(nèi)吞過程選擇合適的靶向因子能夠特異性的介導載體通過小窩蛋白途徑進入細胞，成為研究的熱點環(huán)形RGD肽介導聚合物膠束通過小窩蛋白途徑進入細胞ObaM,etal.MolPharm.

2008;5(6):1080-92.2.2胞內(nèi)屏障——Cellularuptake本課題組研究發(fā)現(xiàn)，cNGR可以介導載基因

PLA-PEG納米粒通過小窩介導內(nèi)吞途徑進入細胞LiuC,etal.JControlRelease.

2011;151(2):162-75.

2.2胞內(nèi)屏障——Cellularuptake2.2胞內(nèi)屏障——Endosomalescape目的基因被輸送至靶細胞后,一般是通過內(nèi)吞方式進入細胞,并存在于內(nèi)吞小泡

(endosome)

中內(nèi)吞小泡可以將內(nèi)容物釋放至溶酶體中

,后者有豐富的酶系統(tǒng)

,可使

DNA

降解破壞目的基因必須從內(nèi)吞小泡釋放進入胞漿,并最終進入細胞核中才能實現(xiàn)基因的表達

2.2胞內(nèi)屏障——Endosomalescape三種內(nèi)吞體逃逸的機制：(a)Poreformation成孔肽可誘導膜的彎曲和連續(xù)性，從而形成膜孔并促進胞內(nèi)容物的釋放。2.2胞內(nèi)屏障——Endosomalescape(b)Flip-flop.陽離子脂質(zhì)體與內(nèi)吞體質(zhì)膜結(jié)合陰離子脂質(zhì)與陽離子脂質(zhì)形成復合物誘導質(zhì)膜中陰離子脂質(zhì)從胞漿面向內(nèi)吞體腔面發(fā)生翻轉(zhuǎn)釋放DNA進入胞漿2.2胞內(nèi)屏障——Endosomalescape(b)

ProtonspongeH+和Cl-內(nèi)流在低pH條件下，PEI發(fā)揮質(zhì)子泵作用內(nèi)吞體脹裂理想的基因載體必須具備能夠?qū)NA遞送進入細胞核的能力三種DNA轉(zhuǎn)運入核的途徑：(i)細胞分裂期，核膜暫時破裂，DNA可以擴散到核區(qū)(ii)<9nm或分子量小于

60kDa的分子能通過被動擴散進入核孔(iii)粒徑小于25nm的粒子能通過核孔復合物主動轉(zhuǎn)運2.2胞內(nèi)屏障——Nuclearentry核孔復合物2.2胞內(nèi)屏障——Nuclearentry2.2胞內(nèi)屏障——Nuclearentry外源DNA主動轉(zhuǎn)運進入細胞核和通過核孔復合物增加入核，都是通過特定的入核和出核系統(tǒng)，如核定位信號肽來調(diào)節(jié)的。NLS-mediatednuclearimportpathwaysExamplesofNLSsusedingenedelivery2.2胞內(nèi)屏障——Nuclearentry將NLS連接到非病毒載體的方式:非共價連接離子相互作用序列特異性結(jié)合共價連接DNA與核蛋白結(jié)合理想的基因傳遞系統(tǒng)應具備以下重要的性質(zhì)：①攜帶性能：②安全性：③緩釋作用：④穩(wěn)定性：⑤靶向性能：⑥可促進目的基因從內(nèi)吞小泡釋放進入胞漿⑦可促進目的基因轉(zhuǎn)運入核

⑧可調(diào)控基因輸入后在體內(nèi)的表達能攜帶足夠數(shù)量的目的基因?qū)C體沒有毒性、致病性或免疫原性,具有生物降解性或良好的生物相容性

控制基因的釋放,延長基因的表達時間,改善基因治療的效果載體系統(tǒng)本身應穩(wěn)定,而且要保護攜帶的基因免受核酸酶等的破壞

可有效地將目的基因輸送至靶細胞內(nèi)

3.Nanoparticlesusedingenetherapy3.1Lipidbasednanoparticles3.2Polymerbasednanoparticles3.3Liposome-Polycation-DNA(LPD)nanoparticles

3.4Multifunctional

nanoparticles3.1Lipidbasednanoparticles3.1.1Cationiclipids3.1.2Cationicliposomes3.1.1Cationiclipid陽離子脂類大多是合成的雙鏈季銨鹽型兩性分子

主要作用就是提供正電荷，增加與

DNA的縮合

一般化學穩(wěn)定性較好,可以生物降解,但均有一定的細胞毒性。

陽離子脂質(zhì)的一般結(jié)構(gòu)3.1.1CationiclipidDOTAP基因傳遞中最常用的陽離子脂質(zhì)3.1.1Cationiclipid常用的陽離子脂質(zhì)：LHON3.1.1Cationiclipid本課題組自行合成的陽離子脂質(zhì)：低毒、高效LHLNLiP,etal.Nanotechnology,2011,22,245104LiuC,etal.JColloid&InterfaceSci,2011,354,528–535YuW,etal.PharmRes,2010,27(8):1584-1596YuW,etal.Nanotechnology,2009,20:2151023.1.1CationiclipidYubaE,etal,JControlRelease.

2012;160(3):552-60.3.1.2Cationicliposomes

陽離子脂質(zhì)體

融合脂質(zhì)體pH敏感脂質(zhì)體

陽離子脂質(zhì)體陽離子脂質(zhì)體是基因治療中應用最多的非病毒載體一般由帶正電荷的脂類與中性脂類按一定的摩爾比組成。

膽固醇(Chol)磷酯酰膽堿(PC)磷酯酰乙醇胺(PE)二油?；字Ｄ憠A(DOPC)二油?；字Ｒ掖及?DOPE)中性脂類的作用是穩(wěn)定脂質(zhì)雙層膜、降低陽離子脂質(zhì)的毒性、特別是促進脂質(zhì)體對細胞的滲透。

陽離子脂質(zhì)體目前，商品化的陽離子脂質(zhì)體有：Lipofectin

和

LipofectAMINE,分別由陽離子脂質(zhì)DOTMA、DOSPA與中性脂質(zhì)DOPE構(gòu)成。DC-Chol/DOPE脂質(zhì)體是第一個被批準用于人體臨床試驗的陽離子脂質(zhì)體。

陽離子脂質(zhì)體Cationicliposomes/DNAcomplexes——lipoplexes多層洋蔥狀結(jié)構(gòu)

融合脂質(zhì)體融合脂質(zhì)體

(fusogenicliposomes)是在制備脂質(zhì)體時加入融合劑而獲得。常用融合劑包括

PEG、甘油、

PVA、以及重組病毒的細胞膜或某些病毒蛋白。DOPE也具有融合劑的性質(zhì),主要用于陽離子脂質(zhì)體

/DNA復合物的制備。

融合脂質(zhì)體

融合脂質(zhì)體pH敏感脂質(zhì)體PH敏感脂質(zhì)體(pH-sensitiveliposomes)是一種具有細胞內(nèi)靶向和控制藥物(如基因、肽、蛋白質(zhì))釋放的功能性脂質(zhì)體。PH敏感型脂質(zhì)體可由DOPE、Chol和油酸組成。另外一種構(gòu)建pH敏感脂質(zhì)體的方法是在磷脂雙層中插入融合蛋白或融合肽。pH敏感脂質(zhì)體pH敏感脂質(zhì)體3.2Polymerbasednanoparticles陽離子聚合物

(cationicpolymer)與

DNA可以在電荷作用下發(fā)生縮合,形成穩(wěn)定的復合物(polyplex),防止

DNA的降解,其大小可在

100nm以下,表面帶正電,有利于與靶細胞的吸附。3.2PolymerbasednanoparticlesCationicPolymersMediatedDNADelivery3.2Polymerbasednanoparticles3.2.1Poly(L-lysine)3.2.2Polyethylenimine3.2.3Dentrimer3.2.4Chitosan3.2.1Poly(L-lysine)雖然有

4種帶正電的氨基酸,用于基因輸送的聚氨基酸多為聚賴氨酸。在20世紀60年代就已有文獻報道,是最早用于基因傳遞的陽離子聚合物之一。優(yōu)點：PLL具有生物可降解型缺點：無質(zhì)子泵效應，轉(zhuǎn)染效率低因此往往需要進行一些修飾以改善其性能。

如PLL常被連接靶向配體或抗體，添加氯喹或者共價鍵合PEG，棕櫚?；鶊F等PLL的結(jié)構(gòu)

3.2.1Poly(L-lysine)靶向修飾的聚賴氨酸載體通過受體介導內(nèi)吞途徑進入細胞3.2.2PEIPEI是一種最常用的陽離子聚合物之一，具有較高體內(nèi)外轉(zhuǎn)染效率PEI的結(jié)構(gòu)：常用PEI分子量：bPEI:25K;lPEI：22KbPEIlPEI3.2.2PEI優(yōu)點：PEI內(nèi)部的氨基與末端的氨基可在不同的

pH下離子化，有較強的緩沖性能，一方面有利于

DNA的穩(wěn)定性,另一方面，PEI在酸性條件下構(gòu)象改變可促進

DNA從內(nèi)吞小泡中的釋放商品化：ExGen500和

jetPEI?3.2.2PEIDNATransfectionUsingjetPEI?缺點：PEI的轉(zhuǎn)染效率和毒性均隨著分子量的增加而增加，為了獲得高效低毒的理想載體，PEI的改造和修飾成為研究的熱點解決方式：①降低PEI的分子量，降低毒性：Mw800,1800等②同時進行結(jié)構(gòu)修飾：PEG修飾，靶向修飾，內(nèi)部二硫

鍵修飾等等3.2.2PEI靶向修飾的PEI載體進入細胞3.2.3Dentrimer星狀樹突體(starburstdendrimeers)的核心分子至少有三個具化學活性的側(cè)鏈,在這些化學活性部位與其他同樣的分子聚合,如此反復,產(chǎn)生一個類似球型的分枝狀聚合物。典型的星狀樹突體是聚氨基酰胺(polyamidoamine,PAMAM)。3.2.3Dentrimer優(yōu)點：粒徑可控，具有緩沖性能,可促進

DNA從內(nèi)吞小

泡中釋放。商品：SuperFectTM

（6代）缺點：轉(zhuǎn)染效率高，但不能生物降解，具有較高的毒性，

通過修飾來降低毒性LuoK,etal.Biomaterials.

2012;33(19):4917-27.3.2.4Chitosan優(yōu)點：天然產(chǎn)物，生物可降解，無毒而備受關注缺點：與PEI，PAMAM，陽離子脂質(zhì)體相比，轉(zhuǎn)染效率較低目前許多關于殼聚糖衍生物及修飾物的研究，以期提高其靶向性和轉(zhuǎn)染效率：PEG-殼聚糖，三甲基殼聚糖，羧甲基殼聚糖，烷基化殼聚糖，巰基化殼聚糖等等Chitosan結(jié)構(gòu)

殼聚糖介導基因傳遞3.2.4Chitosan3.3Liposome-Polycation-DNA(LPD)nanoparticlesLeafHuang課題組首次提出LPD（脂質(zhì)體-多聚陽離子-DNA復合物）是一種新型遞送基因的陽離子脂質(zhì)體它的結(jié)構(gòu)是陽離子脂質(zhì)體包裹魚精蛋白/DNA復合物的陽離子脂質(zhì)體與傳統(tǒng)陽離子脂質(zhì)體不同的是，DNA在魚精蛋白的作用下壓縮，形成一個緊密的帶負電的核，與陽離子脂質(zhì)體混合后通過自組裝過程形成穩(wěn)定的LPD3.3Liposome-Polycation-DNA(LPD)nanoparticlesLPD形成過程3.3Liposome-Polycation-DNA(LPD)nanoparticlesLPD入胞過程3.4Multifunctionalnanoparticles隨著對基因傳遞過程的深入了解，人們越來越意識到，安全高效的基因傳遞需要多功能化的非病毒基因載體：如應具有長循環(huán)功能、細胞