可电离的阳离子脂质类似物材料在作为蛋白药物递送载体中的应用

1.本发明涉及生物医药技术领域，尤其是涉及可电离的阳离子脂质类似物材料在作为蛋白药物递送载体中的应用。


背景技术：

2.蛋白质药物由于其具有高特异性、低毒副作用以及相对较短的药物开发周期等优点，因此一直在市场上保持着快速的增长势头。虽然细胞内具有更多且更高效的作用靶点，但是目前市售蛋白药物大多基于细胞外的靶点进行开发的，这是由于蛋白质药物天然的亲水性以及高分子量使得其难以跨过细胞膜。因此，需要开发载体材料帮助蛋白质药物穿透细胞膜，逃逸或避开内涵体，并最终实现在细胞质中释放蛋白质药物。
3.目前细胞内蛋白质递送方法或递送载体主要包括电穿孔、微流体、无机纳米载体、聚合物载体、脂质纳米载体等。脂质纳米材料作为药物递送载体具有许多优点，如可控的结构设计与合成、良好的生物相容性、高负载效率等，因此脂质类的纳米载体也是fda批准的最常见的药物载体，所以其在细胞内蛋白输送领域具有较大的应用前景。目前阳离子脂质纳米材料的种类较多，但它的局限性在于仅适用于生理ph 条件下带负电荷或表面含有集中的超负电区域的蛋白质，普适性不强，且其与蛋白质的结合作用较弱，递送效率不高。因此，需要进一步开发高效递送蛋白药物且普适性好的阳离子脂质类似物载体材料，满足生物学、医学或药学等领域的应用需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供可电离的阳离子脂质类似物材料在作为蛋白药物递送载体中的应用。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
6.可电离的阳离子脂质类似物材料在作为蛋白药物递送载体中的应用，所述阳离子脂质类似物材料，其具有如式(i)所示结构：
[0007][0008]
式(i)中，m1独立地选自支链烷基、苯基或含杂原子的芳香基；
[0009]
m2为r1为烷基，r2为烷基，r3为烷基或苯基，或r2与r3连接为环基或杂环基；
[0010]
m3独立地选自直链烷基、直链烯基或
[0011]
m4独立地选自直链烷基、含醚键的直链烷基或含有含n杂环的烷基。
[0012]
本发明的新型可电离的阳离子脂质类似物材料中，m2含有叔胺基团，保证了材料
具有独特的ph依赖性电荷可调特征，即在酸性条件显正电荷性，而在生理条件显电中性或弱正电荷性；m3含有直链烷基、直链烯基或通过调控其链长，可以调控材料的疏水性，进而调控蛋白药物的胞内递送效率。
[0013]
本发明的阳离子脂质类似物材料能够通过与多种蛋白药物相互作用形成稳定的复合物，该复合物能够有效地通过细胞融合和/或细胞内吞等途径跨过细胞膜，并且避开和/或逃逸内涵体屏障，并最终实现在细胞质中释放蛋白药物，且递送至细胞内的蛋白药物仍保留活性，同时阳离子脂质类似物材料在递送过程中没有对细胞产生毒性，具有较高的生物安全性。
[0014]
需要说明的是，本文所用术语“递送”或者“胞内递送”，指的是使蛋白质从细胞的外部进入到细胞的内部，使其局限在细胞溶质中或在细胞的细胞器内。
[0015]
本文所用术语阳离子脂质类似物材料与蛋白质“复合”或者阳离子脂质类似物材料与蛋白质形成“复合物”指的是阳离子脂质类似物材料与蛋白质间的相互作用，其足够稳定以使蛋白质与阳离子脂质类似物材料结合从而将其递送到细胞内。
[0016]
进一步地，m1为被取代基α取代的烷基、苯基或含杂原子的芳香基，所述取代基包括甲基，更进一步地，m1为
[0017]
进一步地，m2为为m2更优选为所获得的阳离子脂质类似物材料细胞内蛋白递送效率较高。
[0018]
进一步地，m3为碳原子数为7-19的直链烷基、碳原子数为17的直链烯基或
[0019]
进一步地，m3为为
[0020]
本发明可通过增加m3烷基链长度来调整阳离子脂质类似物材料的疏水性，且阳离子脂质类似物材料的细胞内蛋白递送效率也随着烷基链长度的增加而提高，为进一步提高材料的蛋白递送效率，m3更优选为
[0021]
进一步地，m4为碳原子数为6的直链烷基、碳原子数为4-8的含醚键的直链烷基或含有含n杂环的烷基。
[0022]
进一步地，m4为更优选地， m4为所获得的阳离子脂质类似物材料细胞内蛋白递送效率较高。
[0023]
进一步地，所述的阳离子脂质类似物材料具有如下72种结构中的任一种：
[0024]
[0025][0026]
发明人经过试验发现，上述筛选得到的72种小分子阳离子脂质类似物材料可与多种蛋白模型药物共组装形成尺寸小、稳定的纳米复合物，高效地实现多种正、负电性蛋白质的胞内递送，且在实现高效蛋白质胞内递送的同时，上述材料及其对应复合物对细胞毒性小，保证蛋白质递送后细胞仍保持正常的生理状态。
[0027]
进一步地，所述阳离子脂质类似物材料为i2r2c15a1、i2r2c16a1、i2r2c17a1、i2r2c18a1、 i2r2c19a1、i2r2c20a1、i2r3c18a1、i2r3c20a1、i2r11c16a1、i2r11c18a1、
i2r11c20a1、i2-1r2c18a1、 i2-3r2c18a1中的至少一种。本发明以异硫氰酸荧光素标记的牛血清白蛋白(bsa-fitc)作为蛋白模型，研究阳离子脂质类似物材料在hela细胞内蛋白递送方面的应用效果，发现蛋白递送效率与阳离子脂质类似物材料的结构密切相关，上述筛选得到的阳离子脂质类似物材料具有较高的胞内递送效率，且其胞内递送效率甚至达到或高于目前商业化试剂的水平。
[0028]
本发明所用的蛋白，对其种类或结构没有特殊的限定，可以具体为多肽、抗体、全长蛋白质、蛋白质片段、蛋白质结构域或融合蛋白，多肽可为寡肽或肽。由于蛋白质在特定生物背景下具有生物学功能，例如，酶活性、与如另一蛋白质或蛋白质结构域或核酸序列的靶分子结合、激素活性、细胞信号活性、转录激活或抑制活性、细胞生长或细胞周期调节、抗癌活性或细胞毒素活性，所以蛋白质可为生物活性蛋白质。
[0029]
本发明的可电离的阳离子脂质类似物材料在蛋白药物胞内递送方面具有普适性，而不局限于蛋白质的分子量以及生理条件下的带电性质，并且递送至细胞内也可以保持蛋白的生物活性。所述蛋白包括负电荷蛋白和/或正电荷蛋白。本发明的阳离子脂质类似物材料可以高效递送带不同电荷的蛋白质，包括但不限于负电荷蛋白牛血清白蛋白、负电荷蛋白藻红蛋白、负电荷蛋白超氧化物歧化酶、负电荷蛋白卵清蛋白、负电荷蛋白绿色荧光蛋白、负电荷蛋白β-半乳糖酶，正电荷蛋白细胞色素c、正电荷蛋白皂草素以及正电荷蛋白溶菌酶中的一种或多种。
[0030]
本发明阳离子脂质类似物材料的制备方法为：将醛类化合物和胺类化合物加入到有机溶液中，反应 10-120min后依次加入羧酸类化合物和异氰化合物，并于4-60℃反应6-72h，反应结束后经层析色谱柱分离提纯产物，得到所述阳离子脂质类似物材料。
[0031]
本发明采用醛类化合物、胺类化合物、羧酸类化合物和异氰化合物为原料，通过ugi反应合成小分子阳离子脂质类似物材料。本发明所述阳离子脂质类似物材料的反应条件温和，合成工艺简单、稳定性好，合成的小分子阳离子脂质类似物材料毒性低，可将蛋白药物高效递送到细胞内。
[0032]
进一步地，在所述阳离子脂质类似物材料的制备方法中，采用甲醇和二氯甲烷的混合液作为流动相的条件下进行色谱柱分离。
[0033]
进一步地，在所述阳离子脂质类似物材料的制备方法中，所述醛类化合物、胺类化合物、羧酸类化合物和异氰化合物的摩尔比为0.1-1:0.1-1:0.1-1:0.1-1；更进一步地，摩尔比为1:1:1:0.5。
[0034]
进一步地，在所述阳离子脂质类似物材料的制备方法中，所述醛类化合物选自如下化合物a1-a3中的任一种：
[0035][0036]
更进一步地，所述醛类化合物优选为a1化合物；
[0037]
所述胺类化合物选自如下化合物r1-r11中的任一种：
[0038][0039]
更进一步地，所述胺类化合物选自化合物r2、r3或r11中的任一种；
[0040]
所述羧酸类化合物选自如下化合物chs、c18-1、c18-2或c8-c20中的任一种：
[0041][0042]
更进一步地，所述羧酸类化合物选自化合物c15-c20中的任一种；
[0043]
所述异氰化合物选自如下化合物i1、i2-1、i2、i2-3、i3中的任一种：
[0044][0045]
更进一步地，所述异氰化合物为化合物i2。
[0046]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0047]
本发明设计的新型可电离的阳离子脂质类似物材料在不同种类的细胞均具有高效的蛋白质胞内递送能力，且对不同分子量和电荷的蛋白质均有效，并且递送至细胞内仍
可以保持蛋白质的生物活性，同时对细胞产生的毒性小，具有良好的生物相容性，可作为蛋白药物递送载体。
附图说明
[0048][0049]
图1为阳离子脂质类似物材料i2-1r2c18a1的质谱(a)和核磁共振氢谱(b)。
[0050]
图2为阳离子脂质类似物材料i2r2c18a1的质谱(a)和核磁共振氢谱(b)。
[0051]
图3为阳离子脂质类似物材料i2-3r2c18a1的质谱(a)和核磁共振氢谱(b)。
[0052]
图4为不同阳离子脂质类似物材料递送bsa-fitc后hela细胞内的荧光标记蛋白平均荧光强度。实验中i1r1c12a1、i2r1c14a1和i2r3c16a1的剂量为1微克/孔；i1r2c14a1、i1r2c16a1、i1r2c18a1、 i1r3c18a1、i1r11c18a1、i2r1c12a1、i2r1c20a1、i2r2c16a1、i2r3c18a1、i2r11c14a1、i2r11c16a1 和i2r11c18a1的剂量为2微克/孔；i1r3c14a1、i1r3c16a1、i1r3c20a1、i1r11c14a1、i1r11c16a1、 i1r11c20a1、i2r2c18a1、i2r2c20a1、i2r3c20a1和i2r11c20a1的剂量为4微克/孔；i1r1c14a1、 i1r1c16a1、i1r1c18a1、i1r1c20a1、i1r2c12a1、i1r2c20a1、i1r3c12a1、i1r5c12a1、i1r5c14a1、 i1r5c16a1、i1r5c18a1、i1r5c20a1、i1r11c12a1、i2r1c16a1、i2r1c18a1、i2r2c12a1、i2r2c14a1、 i2r3c12a1、i2r3c14a1、i2r5c12a1、i2r5c14a1、i2r5c16a1、i2r5c18a1、i2r5c20a1和i2r11c12a1 的剂量为8微克/孔。bsa-fitc的剂量为2微克/孔。
[0053]
图5为不同阳离子脂质类似物材料递送bsa-fitc后hela细胞的荧光标记蛋白阳性率。其中，实验条件分别与图4描述的保持一致。
[0054]
图6为具有不同烷基链长度的阳离子脂质类似物材料递送bsa-fitc后hela细胞内的荧光标记蛋白的平均荧光强度。其中，阳离子脂质类似物的剂量为4微克/孔，bsa-fitc的剂量为2微克/孔。
[0055]
图7为i2-1r2c18a1、i2r2c18a1以及i2-3r2c18a1对应的bsa-fitc胞内递送效率(a)以及相应复合物的粒径分布(b)。
[0056]
图8为i2-1r2c18a1递送bsa-fitc至不同类型的细胞的激光共聚焦结果。
[0057]
图9为i2r2c16a1、i2r2c17a1、i2r2c18a1、i2r2c19a1、i2r2c20a1及其分别与bsa-fitc复合物的细胞毒性结果。
[0058]
图10为i2r2c18a1、i2-1r2c18a1以及阳性对照(商业化试剂)对负电荷蛋白藻红蛋白的胞内递送效率。
[0059]
图11为i2-1r2c18a1对负电荷蛋白超氧化物歧化酶的胞内递送效率。
[0060]
图12为i2-1r2c18a1对负电荷蛋白卵清蛋白的胞内递送效率。
[0061]
图13为i2-1r2c18a1对负电荷蛋白绿色荧光蛋白的胞内递送效率。
[0062]
图14为i2-1r2c18a1对正电荷蛋白细胞色素c的胞内递送效率。
[0063]
图15为i2-1r2c18a1对正电荷蛋白溶菌酶的胞内递送效率。
[0064]
图16为递送蛋白β-半乳糖酶后hela细胞内的β-半乳糖酶的活性结果。其中，阳离子脂质类似物的剂量为4微克/孔，β-半乳糖酶的剂量为4微克/孔。
[0065]
图17为i2-1r2c18a1递送蛋白皂草素后hela细胞的细胞活性结果。其中，阳离子脂质类似物的剂量为3微克/孔。
具体实施方式
[0066]
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0067]
实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0068]
实施例1阳离子脂质类似物材料的合成与表征
[0069]
本发明的阳离子脂质类似物材料的合成路线为：
[0070][0071]
其中，胺类化合物m
2-nh2为如下化合物r1-r11中的任一种；羧酸类化合物为如下化合物 c8-c20、chs中的任一种；醛类化合物为如下化合物a1-a3中的任一种；异氰化合物为如下化合物i1-i3中的任一种；
[0072]
[0073]
本实施例的阳离子脂质类似物材料的具体制备方法为：分别将1mmol的异丁醛和1mmol的胺类化合物加入到0.5ml甲醇溶液中，反应60min后依次加入1mmol羧酸类化合物和0.5mmol异氰化合物，并于40℃反应12h，反应结束后经层析色谱柱分离提纯产物，其中，流动相采用甲醇和二氯甲烷的混合液。
[0074]
本实施例采用的原料及合成的阳离子脂质类似物材料结构如表1所示。
[0075]
表1
[0076]
[0077]
[0078]
[0079]
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086]
[0087]
[0088]
[0089]
[0090]
[0091]
[0092]
[0093]
1r2c18a1为4微克/ 孔，bsa-fitc为4微克/孔，分别在人肾上皮细胞(hek-293t)、人胰腺癌细胞(bxpc3)、小鼠巨噬细胞 (raw 264.7)、小鼠树突状细胞(dc 2.4)、人脐静脉内皮细胞(huvec)、小鼠间充质干细胞(msc) 中加入bsa-fitc/i2-1r2c18a1复合物溶液，培养4小时后，采用激光共聚焦显微镜观察细胞内的fitc 荧光信号。
[0105]
图8结果表明，i2-1r2c18a1可胞内递送bsa-fitc至上皮细胞：人肾上皮细胞(hek-293t)；癌细胞：人胰腺癌细胞(bxpc3)；免疫细胞：小鼠巨噬细胞(raw 264.7)、小鼠树突状细胞(dc 2.4)；内皮细胞：人脐静脉内皮细胞(huvec)以及干细胞：小鼠间充质干细胞(msc)。可见，i2-1r2c18a1在不同类型的细胞中均展现出良好的蛋白递送效果。
[0106]
实施例4阳离子脂质类似物材料及相应复合物的细胞毒性测试
[0107]
本实验选择蛋白递送效率较高的i2r2c16a1、i2r2c17a1、i2r2c18a1、i2r2c19a1、i2r2c20a1作为代表性的阳离子脂质类似物材料，用mtt实验检测蛋白/阳离子脂质类似物对hela细胞的毒性，具体实验方法为：hela细胞铺在96孔板上并在细胞培养箱中培养12小时，随后将细胞培养基去掉，换成1 微克/孔的阳离子脂质类似物材料或bsa-fitc/阳离子脂质类似物复合物(阳离子脂质类似物材料与 bsa-fitc的质量比为2:1)并培养4小时，然后将材料洗掉，并换成dmem培养基培养20小时，最后使用mtt检测细胞存活率。
[0108]
图9结果表明，本发明的阳离子脂质类似物材料及其蛋白复合物对细胞的毒性小，具有良好的生物相容性。
[0109]
实施例5阳离子脂质类似物材料对不同蛋白质的胞内递送效果
[0110]
本实验研究了阳离子脂质类似物材料分别对藻红蛋白(r-pe)、超氧化物歧化酶、卵清蛋白、绿色荧光蛋白、细胞色素c和溶菌酶的胞内递送效果，本实验参照实施例2的方法制备蛋白/阳离子脂质类似物复合物溶液，并研究其在hela细胞内的递送效果。
[0111]
其中，i2r2c18a1、i2-1r2c18a1以及阳性对照对负电荷蛋白藻红蛋白的递送效果如图10 所示；i2-1r2c18a1对负电荷蛋白超氧化物歧化酶的递送效果如图11所示；i2-1r2c18a1对负电荷蛋白卵清蛋白的递送效果如图12所示；i2-1r2c18a1对负电荷蛋白绿色荧光蛋白的递送效果如图13所示； i2-1r2c18a1对正电荷蛋白细胞色素c的递送效果如图14所示；i2-1r2c18a1对正电荷蛋白溶菌酶的递送效果如图15所示。上述结果表明，本发明的阳离子脂质类似物材料可以将不同分子量、不同带电性质的蛋白质，例如牛血清白蛋白、藻红蛋白、超氧化物歧化酶、卵清蛋白、绿色荧光蛋白、细胞色素c以及溶菌酶高效递送进入细胞，可见本发明的阳离子脂质类似物材料在蛋白药物胞内递送方面具有普适性。
[0112]
实施例6i2-1r2c18a1递送β-半乳糖酶(β-gal)并检测其在细胞内的活性
[0113]
本实验选取β-gal作为模型蛋白，检测胞内递送后酶的生物活性，进而评估胞内递送后蛋白质是否保持生物学功能，具体操作方法如下：hela细胞与β-gal，β-gal/pulsin或β-gal/i2-1r2c18a1培养4小时后，使用pbs清洗细胞；按照说明书使用β-半乳糖酶原位检测试剂盒检测细胞内的β-半乳糖酶的活性。
[0114]
由图16结果可知，i2-1r2c18a1可以将β-gal高效递送至细胞内并维持其生物学活性，且效果显著优于商品化试剂
[0115]
实施例7i2-1r2c18a1递送皂草素(saporin)至hela细胞并检测细胞活性
[0116]
hela细胞与saporin或saporin/i2-1r2c18a1孵育4小时后，换成完全培养基后继续培养20小时，使用mtt法检测细胞活性。
[0117]
图17结果表明，saporin自身对细胞显示出微小的毒性；而i2-1r2c18a1由于其高效的蛋白质递送效率，有效地将saporin递送到细胞内，且递送至细胞内的saporin具有治疗功能，可以杀伤肿瘤细胞。
[0118]
此外，发明人在前期的研究中发现，将上述实施例1中的异丁醛替换为时，所制备得到的阳离子脂质类似物材料也具有细胞毒性低的特点，且以异硫氰酸荧光素标记的牛血清白蛋白 (bsa-fitc)作为蛋白模型，这些阳离子脂质类似物材料在hela细胞内也均具有一定蛋白胞内递送效果。因此，有理由认为，这些阳离子脂质类似物材料也可以作为蛋白药物递送载体。
[0119]
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。