工程化聚（乙烯醇）-DNA水凝胶：用于实现持续且生物相容性的基因递送

《Journal of Drug Delivery Science and Technology》：ENGINEERED POLY(VINYL ALCOHOL)-DNA HYDROGELS FOR SUSTAINED AND BIOCOMPATIBLE GENE DELIVERY

　　基因治疗应用中，聚乙烯醇（PVA）基水凝胶结合壳聚糖（CHI）、聚乙二醇（PEG）、聚乳酸（PLA）等聚合物与非病毒基因递送载体研究。通过红外光谱、热重分析、扫描电镜及细胞转染实验证实，DNA整合显著改善水凝胶机械性能、热稳定性及控释特性，其中PEG和PLA促进DNA释放，延长转染效果并提升细胞增殖，同时证实生物相容性。

　　

Jailson de A. Santos | Steve Catarino | Maria Mendes | Dina Murtinho | Carla Vitorino | Edson C. Silva-Filho | Henrique Gir?o | Artur J.M. Valente | Edvani C. Muniz

CQC-IMS，科英布拉大学化学系，葡萄牙科英布拉

摘要

为了实现基因递送，研究人员探索了多种材料，其中水凝胶作为优秀的非病毒载体脱颖而出。为了进一步提升其潜力，我们开发了基于聚（乙烯醇）（PVA）的水凝胶，并将其与DNA以及壳聚糖（CHI）、聚乙二醇（PEG）和聚乳酸（PLA）等聚合物结合，对其在基因治疗中的应用进行了表征。红外光谱证实了水凝胶基质中存在PVA、聚合物和DNA。吸光度、发射光谱和荧光数据进一步验证了DNA的成功整合。DNA释放动力学研究表明，PEG和PLA有利于DNA的释放，这有利于基因转染。热重分析表明，聚合物与DNA的组合根据它们之间的具体相互作用，可以增强或减少热相互作用，这些相互作用也会影响其他性质。质地分析显示，DNA和膨胀行为影响了水凝胶的机械性能。扫描电子显微镜（SEM）图像证实了由于添加了聚合物（CHI、PEG或PLA）和DNA而导致的表面和内部结构变化。使用SUM-159PT乳腺癌细胞进行的转染实验表明，PVA-DNA和PVA-PEG-DNA水凝胶能够促进早期质粒摄取，而PVA-CHI-DNA和PVA-PLA-DNA则支持长期的基因转染并随时间增加细胞增殖。代谢活性研究未发现对细胞代谢有显著影响，从而证实了其生物相容性。这些发现表明，经过特定聚合物改性的基于PVA的水凝胶在基因治疗应用中具有巨大潜力，特别是在局部和持续基因递送方面。未来的研究应重点优化水凝胶配方，以提高生物相容性、转染效率和控制DNA释放，从而增强治疗效果。

章节摘录

引言

基因治疗是一种通过引入遗传物质来调节或修改基因表达，从而治疗遗传性疾病、癌症和组织缺陷的有前景的方法[1]。该方法具有高特异性、较低的免疫排斥反应和持久的治疗效果，适用于囊性纤维化[2]、遗传性视网膜病变[3]、多发性硬化症[4]、骨骼修复[5]以及各种类型的癌症[6]等疾病。然而，直接注射遗传物质面临一些挑战，例如...

材料

本研究使用了从Aldrich?购买的聚（乙烯醇）（PVA，分子量61 kDa，聚合度约1600，水解度97.5–99.5%）。壳聚糖（分子量50-190 kDa，脱乙酰化程度75-85%）、PEG（分子量10 kDa）和PLA（分子量230 kDa）也来自相同来源。此外还使用了来自鲑鱼睾丸的DNA钠盐（Invitrogen?）和一种核酸染色剂（GelStarTM，Lonza?）。细胞培养试剂包括永生化人星形胶质细胞（IM-HA）、胶质母细胞瘤细胞（U87）、乳腺癌细胞（SUM-159PT）和Astrocyte Basal

化学表征

图中展示了这些聚合物以及含有核碱基（腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤）的双链DNA（dsDNA）的化学结构。

本研究中使用的聚合物含有羟基，而壳聚糖含有氨基（-NH₂）和乙酰氨基（-NH_acet），PEG和PLA含有酯键（-[O-CH(CH₃)-CO]-），这些结构有助于水凝胶基质的交联和性能。

结论

在本研究中，我们成功开发并表征了富含壳聚糖（CHI）、聚乙二醇（PEG）和聚乳酸（PLA）等聚合物的基于PVA的水凝胶，用于非病毒基因递送系统。研究结果证实了DNA的有效整合，这不仅改善了水凝胶的机械性能、热性能和膨胀性能，还实现了可控的DNA释放，尤其是PEG和PLA的作用更为显著。然而，尽管取得了这些有希望的结果...

作者贡献声明

Carla Vitorino：撰写初稿、数据分析、概念化。 Maria Mendes：撰写初稿、实验研究。 Dina Murtinho：撰写初稿、数据分析、概念化。 Jailson de A. Santos：审稿与编辑、撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念化。 Steve Catarino：撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析。 Edvani Curti：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢与资金来源

作者衷心感谢以下机构提供的资金支持：皮奥伊联邦大学（UFPI）、科英布拉大学、巴西高等教育人员协调与培训委员会（CAPES，项目编号#88881.711946/2022-01）、巴西国家科学技术发展委员会（CNPq，项目编号#402030/2022-2、#409258/2022-9、#200173/2023-5和#406973/2022-9）以及科学技术基金会（FCT）对该项目的资助。