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树形高分子是一类人工合成的阳离子高分子,被广泛用作非病毒基因转染载体。这类高分子具有良好的单分散性、可控的尺寸和表面官能团、良好的水溶性及生物相容性。其表面的正电荷可结合核酸,内部三级胺具有质子缓冲效应,可促进转染复合物的内涵体逃逸。目前针对树形高分子作为基因载体已经有大量的研究工作,基于树形高分子的转染试剂SuperFect和PolyFect己实现商业化。然而,树形高分子作为基因转染载体在应用过程中存在着转染效率和细胞毒性之间的恶性关联：(1)随着树形高分子分子量的增加,其转染效率提高,但是其细胞毒性也会相应增大；(2)随着树形高分子与核酸复合物氮磷比的增加,其转染效率提高,但是其细胞毒性也会相应增大。因此,如何打破树形高分子基因转染过程中转染效率与细胞毒性的恶性关联是一个重要的科学问题。本文旨在解决树形高分子基因转染过程中的转染效率与细胞毒性恶性关联的难题,具体策略如下：(1)通过可逆化学交联的策略交联低分子量树形高分子,得到高效、安全的树形高分子基因载体。我们用含二硫键的双功能交联剂交联小分子量(分子量为3256 Da)的聚酰胺-胺树形高分子,得到可降解的纳米聚集体。研究表明该策略未影响树形高分子结合和保护核酸的能力。该策略制备的纳米聚集体具有强的细胞摄入能力和较高的基因转染效率。该纳米聚集体具有高于大分子量聚酰胺-胺树形高分子的转染效率,并与支化的聚乙烯亚胺(分子量为25 kDa)的转染效率相当。另外,该纳米聚集体具有良好的生物相容性,其细胞毒性远低于大分子量树形高分子和支化的聚乙烯亚胺的细胞毒性。我们进一步验证了二硫键的断裂在该纳米聚集体基因转染过程中的关键作用。因此通过可逆化学交联法我们实现了基于小分子量树形高分子的高效、低毒的基因转染。(2)通过氟化修饰策略制备高效、安全的树形高分子基因载体。我们通过简单的化学反应在聚酰胺-胺树形高分子表面修饰含氟脂肪链,得到一系列氟化修饰的树形高分子基因载体。这类载体含氟基团之间的亲氟效应极大地提高了载体与核酸复合物的稳定性,从而可在低氮磷比条件下形成稳定的复合物,低氮磷比条件的转染将产生低的细胞毒性。这类载体在低氮磷比条件下实现了高效、低毒的转染。例如七氟丁酸酐修饰的聚酰胺-胺树形高分子与绿色荧光蛋白基因在氮磷比为1.5：1时,在HEK293细胞可达到90%以上的转染效率；氮磷比为2：1时在HeLa细胞可达到90%以上的转染效率,即使在整个复合物系统呈电负性(氮磷比为0.5：1)时其转染效率仍高达50%。除了HEK293和HeLa细胞上,七氟丁酸酐修饰的聚酰胺-胺树形高分子在CHO、COS-7、MB231、A549、U2OS、 NIH3T3、MG63细胞上,在转染氮磷比在2：1左右均实现了高效、低毒的基因转染,其转染效率超过商业化的转染试剂Lipofectamine 2000等。因此,通过氟化修饰策略实现了树形高分子在较低氮磷比的转染,该策略制备的基因载体兼具高效、安全的特点。(3)以低分子量树形高分子和低氮磷比转染为出发点,利用氟化修饰策略制备高效、安全的树形高分子基因载体。聚丙烯亚胺树形高分子具有较小的分子量和较低的基因转染效率。我们在聚丙烯亚胺树形高分子表面修饰含氟脂肪链,得到一系列氟化修饰的聚丙烯亚胺树形高分子基因载体。这类含氟基因载体在低氮磷比条件可实现高效、低毒基因转染。例如将氟化修饰策略应用于小分子量的聚丙烯亚胺树形高分子(分子量为1687Da),得到的基因载体转染绿色荧光蛋白基因时,在氮磷比为1.6：1条件下可达到80%以上的转染效率。氟化修饰的第三、四、五代聚丙烯亚胺树形高分子基因载体的最佳转染氮磷比均在2：1以下,具有与商业化转染试剂Lipofectamine 2000、SuperFect、 PolyFect、jetPEI、 bPEI25K相当或者更优的转染效率。这类氟化修饰的基因载体在转染浓度下具有非常好的生物相容性。此外,该策略制备的树形高分子基因载体在3D多细胞球体上也可实现高效的基因转染。因此,氟化修饰策略实现了低分子量树形高分子在低氮磷条件下高效、低毒的基因转染。(4)利用氟化修饰方法制备高效、低毒的siRNA载体。我们分别在第五代聚酰胺-胺树形高分子表面修饰了不同种类的含氟化合物,合成了71个含氟功能基团修饰的树形高分子基因载体。我们筛选了这些氟化修饰载体的siRNA转染效率,其中10个含氟功能基团修饰的树形高分子可实现高效、低毒的基因沉默效率。有3个含氟基团修饰的树形高分子可在极低氮磷比(氮磷比为0.84：1、0.75：1和1.5：1)条件下达到80%以上的基因沉默效率,而未修饰的聚酰胺-胺树形高分子在最佳转染氮磷比为18：1的条件下只能实现10%以下的基因沉默效率。因此,通过氟化修饰的方法,我们得到了一系列基于树形高分子的基因载体,可以在低氮磷比条件下实现高效、低毒的siRNA转染。总而言之,本论文基于树形高分子作为基因转染载体的应用过程中存在的转染效率与细胞毒性的恶性关联,通过可逆化合交联法、氟化修饰等策略,制备了一系列高效、低毒的树形高分子基因(DNA和siRNA)载体。