基因治疗是一种使用基因作为药物的治疗方法,用正常基因取代缺陷基因,或是引入缺失基因来表达所需蛋白。一个完整的基因治疗系统由治疗基因和基因传递系统构成。目前,限制其在临床上应用的主要障碍之一在于缺乏安全高效的基因传递系统。基因传递系统分为病毒传递系统和非病毒传递系统。病毒载体虽然效率高,但对外源基因容纳量少、可能引起人体免疫系统反应、制备难度大、价格昂贵,限制了它在临床上的应用。非病毒载体具有安全、低免疫反应、价廉、易于大规模制备等优点。其中,阳离子高分子载体凭借其优良的性能赢得了广泛关注,但也存在转染效率较低、细胞毒性较大等问题。针对基因转染过程中复合物在细胞内外遇到的各种阻碍,设计出具有高效低毒的高分子载体显得尤为重要。本文第一章综述了基因治疗系统,着重介绍了目前常见的阳离子高分子载体和基因传递过程中会遇到的障碍及解决途径。在接下来的四章中,我们设计并合成了四个系列的聚氨基酸高分子载体,并对其作为基因载体的性能进行了系统的研究。在第二章中以分子量600Da的PEI为核,通过NCA开环聚合合成了一系列星形结构的聚鸟氨酸PEI-P(Orn)n。该系列聚合物能在较低质量比时复合DNA,形成粒径在160-400nm的复合物,复合物的电势可以达到34mV。在合适质量比下,该系列聚合物能达到与25kDa PEI相似的转染效率。在含有10%血清的培养基中,PEI-P(Orn)42与PEI-P(Orn)71基本保持转染效率不变,具有比25KDa PEI更好的血清相容性。富含精氨酸的细胞穿透肽(CPPs)具有穿透细胞膜的作用,精氨酸的均聚物比聚组氨酸和聚赖氨酸有更好的细胞穿透的能力。这不仅是因为精氨酸的阳离子性质可以提供穿膜所需的正电荷,更重要的因素是精氨酸头部的胍基基团。在第三章中,我们将星形聚鸟氨酸PEI-P(Orn)71中鸟氨酸的侧氨基进行胍基化,得到富含精氨酸的聚合物。用胍基修饰后,细胞存活率随着胍基含量的增加而增加。在293T细胞和HeLa细胞上测试了聚合物的转染效率。无血清条件下,在合适的质量比时具有与PEI (25KDa)相似的高转染效率；在含有10%血清条件下,胍基化后的聚合物可以达到甚至超过原有的高转染效率,表现出良好的耐受血清的能力。在W/W(polymer/DNA)为20时,34%G-PEI-P(Orn)71的转染效率比25KDa PEI高出两个数量级。胍基化的星形聚鸟氨酸有望成为有实用前景的高效低毒基因载体。为了降低碱性聚氨基酸的细胞毒性,我们引入了聚乙二醇。在第四章中,合成了聚乙二醇修饰的(鸟氨酸/精氨酸)共聚物。以带有末端氨基的聚乙二醇单甲醚(mPEG-NH2)为引发剂,引发N-苄氧羰基鸟氨酸NCA开环聚合,再将鸟氨酸侧链氨基部分胍基化,得到聚乙二醇修饰的鸟氨酸/精氨酸共聚物。共聚物的细胞毒性远低于25kDa PEI。共聚物可以与DNA形成粒径为400nm右的粒子。复合物电势可达到32mV。在合适的质量比下,共聚物表现出与25kDa PEI相似的转染效率。在含有10%血清的培养基中,其转染效率比25kDa PEI高一个数量级。含有二硫键的可生物还原聚合物在最近几年引起了广泛关注,它们在细胞外能稳定复合DNA,在细胞内降解,高效快速释放DNA。在第五章中,我们以带有末端氨基的聚乙二醇单甲醚(mPEG-NH2)为大分子引发剂,引发N-苄氧羰基鸟氨酸NCA与S-苄氧羰基半胱氨酸NCA开环共聚,脱保护后得到带有聚乙二醇链段和巯基的鸟氨酸/半胱氨酸共聚物。在DMSO中氧化,得到二硫键交联的鸟氨酸/半胱氨酸共聚物。该聚合物的细胞毒性远低于25kDa PEI。聚合物能与DNA形成粒径为600-200nm、表面电势为32mV的复合物。在一定质量比下,该系列聚合物能达到与25kDa PEI相似的转染效率。在含有10%血清的培养基中,仍然保持着良好的转染效率。