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    約翰霍普金斯大學毛海泉教授團隊:成功研究出一種動力學控制方法用于組裝復合物納米顆粒以提高遞送DNA藥物的效率和減低副作用
    2019-09-20  來源:高分子科技

      質粒DNA/聚陽離子電解質復合物納米顆粒是一類重要的非病毒基因遞送藥物載體。在對這類載體十數年的研究中,研究人員已經發現通過調控聚陽離子電解質的結構,以及控制納米顆粒組裝的pH、溫度和溶劑極性等環境條件,可以從一定程度上實現對納米顆粒尺寸、形狀和表面性質的調控。但由于這類納米藥物的組裝主要受動力學(非熱力學)因素控制,而且是一個極快的過程、其組裝時間估計在數十毫秒數量級。傳統的實驗室制備方法,即通過機械方法簡單混合質粒DNA和聚陽離子電解質水溶液,無法實現組裝動力學上的精確控制。這些因素造成所制備的納米顆粒的大小不均一、組分和性質難以預測、且各批次產品很難重復。這些缺陷使此類納米藥物的結構—性質—功能關系還未得到系統的研究和闡釋,是這類納米藥物向臨床進行轉化的一個主要技術瓶頸。

      為研究質粒DNA/聚陽離子電解質復合物納米顆粒組裝的動力學問題,毛海泉教授團隊開發出一種快速納米復合方法(Flash Nanocomplexation, FNC),在受限沖擊射流反應器(Confined Impinging Jet Mixer)內以極高流速對沖質粒DNA和聚陽離子電解質水溶液,以求在微觀尺度上控制組裝的動力學條件。約翰–霍普金斯大學機械工程系Rajat Mittal教授團隊以流體動力學模擬的方法揭示在反應器內形成了尺寸微小的層狀分離結構,通過縮小擴散所需距離的方式將兩種物質在分子尺度均勻混合的時間從傳統機械混合的數十秒縮小至約10毫秒。這一極短的混合時間已經顯著短于此類納米藥物所需要的組裝時間,使分子尺度的混合在質粒DNA開始發生顯著折疊前完成。因此,動力學濃度條件,即組裝時DNA和聚陽離子電解質的濃度被均一化,從而生產出大小均一、性質相同且可調控的納米顆粒。

      該研究使用一種在臨床實驗中普遍采用的線性聚乙烯亞胺in vivo-jetPEI作為模型聚陽離子電解質,通過對納米顆粒的組分研究,即測定單個納米顆粒的平均聚乙烯亞胺含量和質粒DNA負載數。該研究成功制備了平均載量在只有1 個DNA/顆粒到50條DNA/顆粒的復合物納米顆粒。

    圖1. 在受限沖擊射流反應器內的快速納米復合(FNC)方法示意圖(左);在高分子理想溶液條件下實現的質粒DNA組裝控制,實現從單質粒納米顆粒到多質粒納米顆粒制備的控制(右)。

      在隨后的細胞和動物實驗中,研究發現此類納米藥物存在一最優化的DNA負載量條件——均一的5至10個質粒DNA/藥物顆粒可在靜脈注射后在肺部產生最優的基因轉染和表達效率。研究人員推測過少的質粒DNA負載量導致過小的納米顆粒尺寸,可能不利于與細胞的相互作用;而過大的負載量導致相同劑量下產生的納米顆粒數量較少。使用這一優化的負載量,和不經動力學控制制備的納米藥物載體相比,相同的遞送和轉染效率在更低的聚乙烯亞胺用量下就可以實現,與現行臨床實驗的用量以及in vivo-jetPEI生產廠家的推薦用量相比可減少至少三分之一。這一用量的顯著減少極大改善了聚乙烯亞胺在靜脈注射后所可能產生的毒性,在實驗所使用的小鼠模型中降低了極性肝毒性的風險。

      在進一步的研究中,毛海泉教授與約翰霍普金斯大學醫學院放射科學系Martin G. Pomper和Il Minn教授合作,采用后者研發的含有癌癥特異性轉染表達啟動子的質粒DNA裝載納米藥物,實現了在肺癌細胞內的特異基因表達。腫瘤模型小鼠(LL2肺癌及B16F10黑色素瘤肺部轉移)上的相關實驗證實了動力學控制組裝的、低乙烯亞胺含量的納米顆粒藥物的優異效果,這一優化的劑型也將在未來用以開發針對肺癌的特異性基因遞送療法。這些納米藥物可經過優化的凍干過程制備為粉末,并在較長的儲存時間(9個月)內保持穩定性質,使此類藥物被開發為注射劑成為可能。

    圖2. 動力學控制制備的質粒DNA/聚乙烯亞胺納米藥物的規模化凍干和快速復溶性質,展示了優異的臨床轉化潛力。

      以上相關成果近期以“Kinetic Control in Assembly of Plasmid DNA/Polycation Complex Nanoparticles”為題目發表在期刊《ACS Nano》(doi.org/10.1021/acsnano.9b03334)上。論文的第一作者為約翰霍普金斯大學醫學院(JHUSOM)生物醫學工程系在讀博士生胡一宗,論文的共同通訊作者為JHUSOM放射科學系Il Minn教授,材料科學與工程系和生物醫學工程系雙聘教授毛海泉教授

      論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b03334

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