生物大分子药物（蛋白质、核酸等）由于具有治疗范围广、毒副作用低、特异性强的特性,在疾病治疗中展现出了巨大的潜力。然而,生物大分子药物普遍存在血液循环时间短、易在体内降解和不易透过生物膜屏障等缺陷,其治疗功效受到巨大限制。因此,开发安全高效的递送系统对于增效生物大分子药物至关重要。理想的递送载体应具有良好的生物相容性,可高效、高选择性递送药物至病灶组织、细胞或亚细胞器,提高药物功效、降低毒副作用。阳离子聚合物是一类重要的、被广泛研究的大分子药物递送载体材料,具有制备简单、易于修饰、结构可变的优势。然而,体内的多重生物屏障和不同的药物作用过程对阳离子聚合物载体的性能提出了具有矛盾的要求,使得阳离子聚合物载体仍普遍存在毒性高、递送效率不理想、稳定性低等缺陷。本论文针对阳离子聚合物载体在递送生物大分子时遇到的生理屏障,通过结构设计与改性、纳米组装与响应性释放,调控阳离子聚合物载体与药物分子（蛋白质、核酸）和生物微环境（组织、细胞、体液等）间的相互作用,设计了一系列高效、安全的阳离子纳米载体,实现了核酸、蛋白质在体外和体内（系统给药、关节腔局部给药）的有效递送,并在肿瘤、骨关节炎（osteoarthritis,OA）疾病动物模型中获得了优异的疗效。首先,为提升阳离子聚合物的体外（细胞）基因递送效率,通过设计氟化修饰、ROS可降解的阳离子聚合物来优化胞内递送的各个环节,解决核酸包载和胞内核酸释放、基因转染效率和材料毒性间的矛盾。接着,针对体内抗肿瘤应用和系统（静脉）给药的生理屏障,设计了循环稳定、肿瘤靶向和选择性释放药物的蛋白质、核酸递送系统。一方面设计了乏氧可降解的阳离子聚合物,联合pH响应的嵌段聚合物和光敏剂,构建了体内稳定性高的纳米复合物胶束,实现了光控、乏氧响应的肿瘤基因治疗。另一方面,设计了乏氧激活的蛋白前药和乏氧可降解纳米复合物,通过共包载葡萄糖氧化酶,构建了乏氧响应的、程序化自加速的纳米酶原递送系统,程序化控制乏氧载体释放和蛋白前药激活,实现了蛋白药物的肿瘤靶向性、选择性胞内递送。最后,考虑到局部给药在特定疾病治疗中的优势和临床实际意义,探索性地发展了含氟阳离子聚合物纳米囊和纳米复合物,分别用于蛋白质、核酸药物的关节腔给药,促进软骨渗透、增效骨关节炎的治疗。本论文的研究内容主要如下:第一章阐述了基于阳离子聚合物材料的生物大分子递送体系,分别介绍了蛋白和核酸类药物在肿瘤治疗和骨关节炎治疗中的现状和挑战,阐述了阳离子材料的种类及其用于蛋白、核酸递送时的挑战、优势和缺陷,最后介绍了阳离子核酸、蛋白递送系统在肿瘤和骨关节炎治疗中的研究进展。第二章设计合成了一种活性氧自由基（reactive oxygen species,ROS）响应性的联硒交联氟化阳离子聚合物（DSe-PEI-F）,用于改善阳离子聚合物核酸载体抗血清、细胞摄取和胞内释放核酸的能力,克服体外基因转染的多重屏障。以联硒基团化学交联低分子量聚乙烯亚胺,制备ROS响应性阳离子聚合物,并修饰不同含量的氟烷烃链。化学交联极大提高了聚合物的DNA包载能力,而氟化修饰后的DSe-PEI-F可在低比例（N/P=1）时完成对DNA的高效包载,同时大幅提升细胞摄取能力（4-5倍）。进入肿瘤细胞后,细胞内高浓度的ROS可促使DSe-PEI-F降解为低分子量片段,加速释放DNA进而提高转染效率,降低材料的长时程毒性。DSe-PEI-F的转染效率随氟化度的增加而逐渐升高,且在最佳N/P比时,比商业化转染试剂PEI 25k提高～4个数量级。此外,由于氟烷烃链疏水疏油的特性,可以有效抵抗血清蛋白,因此DSe-PEI-F在10%的血清中仍能保持良好的基因转染效率,有效解决了阳离子聚合物血清稳定性差、无法在血清中有效转染的缺陷。第三章设计了一种乏氧响应性的阳离子聚合物siRNA纳米递送体系,用于肿瘤靶向的siRNA体内递送。通过偶氮苯基团化学交联低分子量聚乙烯亚胺,制备了含偶氮苯敏感键的乏氧响应性阳离子聚合物（AOEI）。接着合成了偶联光敏剂（pheophorbidea,Pha）的两亲性嵌段共聚物（PPDHP）,其与 AOEI 和 XIAP siRNA（siXIAP）自组装形成粒径为～110 nm的胶束纳米复合物（PAXMPs）。由于胶束的疏水作用,PAX MPs具有良好的盐溶液稳定性,且胶束复合物表面的聚乙二醇（polyethylene glycol,PEG）可抵抗血清蛋白的吸附,因此胶束复合物具有良好的血清稳定性,静脉注射后可在血液中长循环并被动靶向富集至肿瘤组织。进入肿瘤细胞的内涵体后,PPDHP共聚物的疏水嵌段质子化并转变为亲水性,因此可促进PEG脱落、暴露AOEI的正电荷基团,通过“质子海绵”效应促进内涵体逃逸。光敏剂Pha光照（660nm,2mW/cm2,30min）时可产生大量ROS并消耗氧气,加剧细胞内乏氧程度,进而导致AOEI中偶氮苯迅速断裂,纳米复合物解离并释放siXIAP,最终提高基因沉默效率和肿瘤细胞凋亡率,降低阳离子聚合物材料的长时程毒性。Skov-3荷瘤小鼠静脉注射PAXMPs并经光照后,其XIAP基因沉默效率由～50%提高至～70%,且光敏剂介导的光动力治疗和siXIAP介导的基因治疗发挥协同作用,显著抑制了 Skov-3肿瘤的生长,且未发现明显的毒副作用。第四章设计了一种基于乏氧响应阳离子聚合物的级联蛋白递送体系,用于蛋白药物活性的精准调控和肿瘤靶向胞内递送。以偶氮苯对蛋白核糖核酸酶（ribonuclease A,RNase A）进行可逆化学修饰,制得乏氧可激活的的蛋白前药（RPAB）。RPAB随后与乏氧响应的阳离子聚合物（AOEI）、透明质酸（hyaluronic acid,HA）和葡萄糖氧化酶（glucose oxidase,GOx）通过静电作用组装,构建粒径为～180nm,表面带负电的纳米复合物（HARPGNCs）。静脉注射后,HARPGNCs可通过被动靶向和HA介导的主动靶向富集到肿瘤组织并通过识别肿瘤细胞表面过度表达的CD44经内吞进入肿瘤细胞。肿瘤细胞中过量的还原酶在肿瘤的乏氧条件下促进AOEI降解,释放GOx和RPAB;GOx催化葡萄糖分解并消耗氧气,进一步加剧肿瘤区域乏氧水平,导致RPAB活性迅速恢复。同时,乏氧也加速AOEI降解并释放更多蛋白药物,从而加速自循环过程,最终GOx介导的细胞饥饿和RNase A介导的细胞凋亡发挥协同抗癌功效。体外实验中,HARP NCs（仅包载RPAB）在常氧条件下对HeLa细胞几乎没有杀伤作用,而在乏氧条件下则具有显著的杀伤作用,表明RPAB可经乏氧激活。HARPGNCs可显著提高HeLa细胞的凋亡水平（51%）,优于HAG NCs（仅包载GOx,32%）和HARP NCs（仅包载RPAB,8%）,证明了 RPAB和GOx的协同功效。在HeLa荷瘤小鼠模型中,HARPG NCs显著降低了肿瘤部位氧气水平至～10%,抑瘤功效显著优于HAG NCs和HARPNCs,45天内老鼠的存活率＞80%。第五章设计了一种酶响应性的含氟阳离子聚合物纳米囊,用于包载蛋白质药物类胰岛素生长因子（insulin-like growth factors 1,IGF-1）、提高软骨渗透效率,经关节腔局部给药用于增强OA的治疗。设计丙烯酰胺或丙烯酸酯的单体,通过蛋白表面原位聚合与交联,制备具有不同氟含量的纳米囊,粒径为13-16 nm,表面电势20-31 mV。基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase,MMP）响应性单体可使IGF-1在关节软骨内缓慢释放,延长药物作用时间;阳离子单体提供与关节软骨间的静电作用,促进其在关节内的滞留;含氟单体中氟链的疏水疏油特性可显著增强纳米囊在滑液和软骨中的渗透效率。通过多粒子追踪、光漂白等实验筛选出滑液以及软骨渗透能力最强的纳米囊（NPs-F3）,其软骨吸附能力比不含氟的纳米囊提高～50%。体外实验中,MMP2存在时15天内IGF-1可持续释,累计释放量达到80%。在大鼠OA模型中,关节腔单次给药后,纳米囊在大鼠关节内的滞留时间长达35天,软骨基质生成增加,基质降解被抑制,关节软骨状况得到明显改善。第六章设计了一种含氟修饰的聚-β氨基酯阳离子聚合物（F-PBAE）,用于包载和关节腔局部递送anti-miR-204（anti-204）,实现OA的局部基因治疗。F-PBAE的超支化结构使其具有更高的电荷密度,因此相比线性聚合物具有更强的anti-204包载能力。由于氟化烷基链的存在,F-PBAE/anti-204纳米复合物在血清、离子以及滑液中均表现出更强的稳定性,因此具有更强的软骨渗透深度,比不含氟的纳米复合物提高了～5倍。软骨细胞内吞实验中,1小时内F-PBAE/anti-204纳米复合物即可迅速分布到细胞质中,miR-204抑制率达到～25%。anti-204的表达抑制导致软骨细胞内硫酸化蛋白聚糖（sulfated proteoglycan,PG）的合成增加,同时衰老相关的分泌表型因子（senescence-associated secretory phenotype,SASP）显著降低,从而阻止软骨遭受进一步的破坏。在大鼠OA模型中,连续注射F-PBAE/miR-204纳米复合物后,miR-204抑制率达到～18%,关节软骨基质的降解与合成之间的平衡得以维持,为软骨细胞提供了更好的关节微环境,并显著改善了关节软骨损伤情况。第七章总结了全文并展望了今后的研究方向。本博士论文中基于阳离子聚合物载体探索性地提出了一系列结构设计和优化的策略,用于克服体内外的多重生理屏障,提升蛋白质、核酸药物的递送效率。本研究拓展了阳离子载体在系统给药和关节腔局部给药中的应用,探索了蛋白质、核酸药物在肿瘤、骨关节炎等疾病中的应用,获得了一系列有创新意义的研究结果,为阳离子材料的设计和应用提供了一定的参考意见。