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随着基因治疗和组织工程的发展,高效的基因转染引起了人们越来越广泛的关注。基因转染主要包括以下两个主要环节:基因转染复合物的制备和基因在哺乳动物细胞中的表达。其中,基因转染复合物的制备涉及到DNA和基因载体的相互作用,这一过程,伴随着DNA形态结构的复杂变化,即DNA凝聚态;基因在哺乳动物细胞中的表达效率受到细胞状态的影响,研究图案化细胞的基因转染情况对于基因治疗有着重要的意义。因此,本博士论文围绕基因转染这一研究核心,分别研究探讨了DNA凝聚态与细胞图案化对于基因转染效率的影响。具体如下:
首先,研究了DNA凝聚态对基因转染效率的影响。其一,研究了DNA自身结构的改变对于DNA凝聚态和基因转染效率的影响。分别在高温、碱的环境条件下对DNA进行处理,制备了热变性DNA、碱变性DNA,然后分别对其DNA凝聚态与其基因转染效率间的关系进行了研究探讨,研究结果表明:经热、碱处理后的DNA,由于DNA结构发生了重大的改变,导致其DNA凝聚效率得到了显著提高;进一步研究发现,经热变性的DNA具有比天然DNA更高的基因转染效率,碱变性的DNA在较低PEI存在的情况下仍然具有较好的基因转染效率。其二,研究了基因载体的结构对于基因转染效率的影响。通过构建超分子钌的环糊精配合物、CB[6]包络的准聚轮烷、结构类似长度不同的准聚轮烷、低电荷密度的poly(PEGMA)-4N基因转染载体,分别研究探讨了它们诱导DNA凝聚态的能力及其对基因转染效率的影响,并且对DNA凝聚态的机理进行了阐述。研究结果表明:电荷、载体中金属元素对DNA的切割作用、细胞毒性等因素能够在很大程度上影响基因转染效率;CB[6]的包络和准聚轮烷的长度控制能够有效调节准聚轮烷与DNA的相互作用;阐明了电场下准聚轮烷诱导的DNA凝聚态的机制,指出电场对DNA凝聚态的破坏作用与诱导物和DNA之间的结合稳定性有关:阐明了阳离子高聚物诱导DNA凝聚态的机制,指出该凝聚过程是静电吸引和空乏效应协同作用的结果,特别是对于低电荷密度的阳离子高聚物而言,空乏效应占了主要地位。
其次,研究探讨了表/界面基底材料上的细胞图案化、以及图案化细胞基因转染的效果。分别研究了在亲水性云母表面和疏水性PDMS表面细胞图案化的方法,并且对这些图案化细胞的基因转染效率进行了研究。研究结果表明:通过微接触印刷法在云母表面图案化胶原,能够有效地控制细胞在亲水性云母表面的图案化贴附和生长,进一步研究表明,该图案化的细胞具有很好的基因转染效率;疏水蛋白HFBI能够通过自组装将疏水的PDMS表面转变为亲水表面,从而有利于进一步的蛋白固定和细胞贴附,基于该疏水蛋白的两亲特性,建立了在PDMS表面控制细胞图案化生长的方法,进一步研究表明,该图案化的细胞同样具有很好的基因转染效率。
本论文从DNA凝聚态和细胞图案化两个角度出发,围绕基因转染这一核心进行了研究,其研究结果不仅提出了增加基因转染效率的新方法、细胞图案化的新方法和调控DNA凝聚态的新方法,而且进一步对DNA凝聚态的机理进行了阐述。本研究成果将对基因治疗和组织工程领域具有一定的重要意义。