升級您的基因遞送系統(tǒng)，開啟高效與生物相容性的新紀(jì)元！一同探索新型 PEI 轉(zhuǎn)染試劑背后的創(chuàng)新設(shè)計故事。

線性聚乙烯亞胺（PEI）長期以來一直被認(rèn)為是一種多功能且有效的基因遞送載體。其線性結(jié)構(gòu)具有高密度的氮原子，使其具有與帶負(fù)電的核酸（如 DNA 和 RNA）相互作用的固有能力。這種高密度的陽離子電荷使 PEI 成為高效的質(zhì)子海綿，這一術(shù)語用于描述其在酸性環(huán)境中吸收質(zhì)子的能力，這是其作為基因遞送工具的核心功能。在核酸遞送的背景下，PEI 與核酸的帶負(fù)電磷酸骨架之間的靜電相互作用促進(jìn)了穩(wěn)定的 PEI/核酸復(fù)合物的形成，這些復(fù)合物保護(hù)核酸免受生物系統(tǒng)中核酸酶的降解。這些復(fù)合物在確保轉(zhuǎn)染過程中核酸的穩(wěn)定性和功能性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

圖 1. 線性 PEI 的結(jié)構(gòu)

這些 PEI/核酸復(fù)合物一旦形成，便表現(xiàn)出與細(xì)胞膜更強(qiáng)的相互作用能力。帶正電的 PEI 復(fù)合物與帶負(fù)電的細(xì)胞表面之間的靜電吸引力促進(jìn)其粘附，隨后的內(nèi)吞作用使細(xì)胞內(nèi)化。進(jìn)入細(xì)胞后，體內(nèi)的低 pH 值觸發(fā) PEI 的質(zhì)子化，導(dǎo)致反離子進(jìn)入內(nèi)體以中和電荷失衡。最終，水分子被吸引到內(nèi)體中，導(dǎo)致滲透壓增加。這種不斷上升的滲透壓最終導(dǎo)致內(nèi)體膜破裂，這一現(xiàn)象有助于將 PEI/核酸復(fù)合物釋放到細(xì)胞質(zhì)中。這一過程被稱為 “質(zhì)子海綿效應(yīng)”，是 PEI 介導(dǎo)轉(zhuǎn)染實(shí)現(xiàn)高效率的關(guān)鍵機(jī)制。

盡管線性 PEI 具有令人印象深刻的轉(zhuǎn)染能力，但使其成為高效基因遞送載體的高陽離子電荷密度也可能導(dǎo)致細(xì)胞毒性。PEI 的正電荷與細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)中帶負(fù)電成分相互作用，可能會對細(xì)胞造成潛在損傷。因此，在基因遞送系統(tǒng)中應(yīng)用 PEI 的一個挑戰(zhàn)在于其毒性，這可能會顯著阻礙其治療潛力。因此，優(yōu)化 PEI 的分子量和濃度對于在最小化毒性的同時確保維持高轉(zhuǎn)染效率至關(guān)重要。

圖 2. PEI 修飾分子篩選

為了解決毒性問題并進(jìn)一步提升 PEI 的性能，研究人員探索了各種策略來修飾和改進(jìn)該分子。其中最有前途的方法之一是通過化學(xué)修飾開發(fā) PEI 衍生物，包括 PEGylation（聚乙二醇化）[1]，這一過程涉及將聚乙二醇（PEG）鏈與 PEI 分子結(jié)合。研究表明，PEGylation 可以通過降低免疫原性和增強(qiáng)生物系統(tǒng)中的溶解度來改善基于 PEI 的載體的生物相容性和穩(wěn)定性。此外，還探索了其他化學(xué)修飾[2, 3]，如引入疏水基團(tuán)或優(yōu)化聚合物鏈長度，以改善 PEI 的遞送效率和安全性。

鑒于持續(xù)創(chuàng)新的必要性，翌圣利用先進(jìn)技術(shù)平臺，包括人工智能（AI）分子動力學(xué)和模擬分子對接技術(shù)，設(shè)計了一系列新型 PEI 衍生物。這些計算方法允許在分子水平上高效探索潛在修飾，從而確定具有更好生物活性、穩(wěn)定性和安全性的新型PEI 先導(dǎo)化合物。通過高通量篩選，這些修飾后的 PEI 候選物被評估其轉(zhuǎn)染潛力，通過體外細(xì)胞實(shí)驗反復(fù)篩選驗證。這一嚴(yán)格的過程確定了具有增強(qiáng)性能的先導(dǎo)化合物。

這一研究和開發(fā)工作的成果是創(chuàng)造了一種新型 PEI 變體，該變體擁有獨(dú)立的知識產(chǎn)權(quán)，并在傳統(tǒng) PEI的基礎(chǔ)上顯著改進(jìn)其轉(zhuǎn)染性能。這種創(chuàng)新的 PEI 衍生物解決了與基因遞送相關(guān)的幾個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括細(xì)胞毒性、轉(zhuǎn)染效率和生物相容性。

圖 3. 新型 PEI AAV 機(jī)制示意圖

圖 4. 與競爭對手相比，PEI AAV 展示了最高的病毒載體產(chǎn)量。AAV2、AAV5、AAV8 和 AAV9 在懸浮 293F 細(xì)胞中生產(chǎn)，每百萬細(xì)胞的 DNA 用量為 1 µg。病毒在轉(zhuǎn)染后 72 小時收獲，并對病毒上清液進(jìn)行了分析。

圖 5. PEI AAV 展示了在低 PEI 和質(zhì)粒輸入下高效的病毒載體生產(chǎn)。AAV9 在懸浮 293F 細(xì)胞中生產(chǎn)，每百萬細(xì)胞的 PEI AAV（左圖，質(zhì)粒輸入：0.5 µg）或質(zhì)粒（右圖，PEI AAV 輸入 0.6 µL）劑量不同。病毒在轉(zhuǎn)染后 72 小時收獲。

這種新型 PEI的性能與傳統(tǒng) PEI相比，在轉(zhuǎn)染效率和細(xì)胞活力方面顯示出顯著改善。修飾后的 PEI 在腺相關(guān)病毒（AAV）生產(chǎn)等應(yīng)用中特別有優(yōu)勢，更低的轉(zhuǎn)染試劑使用量以及更高的轉(zhuǎn)染復(fù)合物穩(wěn)定性。通過增強(qiáng)轉(zhuǎn)染復(fù)合物的穩(wěn)定性并改善其與細(xì)胞膜的融合能力，這種新型 PEI 配方可以滿足 AAV 生產(chǎn)的苛刻要求，從而實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)量和更高效的基因遞送。