基因治疗是指将外源功能基因导入靶细胞,以补偿或纠正基因缺陷和异常,达到治疗疾病目的,是临床应用中有前景的生物医学技术。然而,由于对血清中核酸酶的敏感性和细胞吞噬摄取少等缺陷,核酸分子不可单独使用。因此,具有优异性能的基因载体是基因治疗成功的关键。阳离子聚合物具有易于与核酸结合/负载、结构组成多样等优点,是近年来核酸输送载体研究的热点之一,其中多羟基阳离子聚合物具有低细胞毒性的显著优势。同时,多羟基阳离子载体材料还需要进一步优化结构设计,以实现高转染效率和多功能化等性能提升,并探索其在多类型疾病模型中治疗效果。第二章中,先制备了两端为环氧基团且中间含有双硫键的单体,再选取常用氨基糖苷药物托普霉素,将二者通过氨基-环氧开环反应制备出含双硫键的聚氨基糖苷（SS-HPT）。多羟基结构赋予SS-HPT在心肌细胞（H9c2）中高细胞相容性,二硫键也提高了对荧光素酶等报告质粒的转染性能。对于调节心脏功能的D5R蛋白,设计了两种功能核酸（编码蛋白的质粒Drd5 plasmid和下调蛋白表达的小干扰RNA Drd5 si RNA）。SS-HPT在心肌细胞中高效输送了两种核酸,调节了D5R蛋白表达和细胞功能。在小鼠心肌肥厚模型中,SS-HPT可将Drd5 plasmid有效输送/富集在心脏部位,并提高了D5R蛋白含量。本论文第三章,利用环氧基团与氨基苯硼酸的开环反应,在SSHPT结构中引入了肿瘤靶向的苯硼酸（PBA）配体,制备出含PBA基团的SS-HPT（SS-HPT-P）。肺癌细胞（A549）表面唾液酸含量高,PBA配体赋予SS-HPT-P在A549细胞中更高的吞噬效率,以及对报告质粒与功能质粒更高的转染效率。SS-HPT-P转染定向敲除survivin基因的CRISPR-Cas9质粒（p Cas9-surv）,可在A549细胞中进行基因编辑,降低survivin蛋白含量,从而抑制肿瘤细胞的迁移和增殖。SSHPT-P/p Cas9-surv在肿瘤组织富集比例更高,通过下调survivin蛋白而有效抑瘤。第四章中,托普霉素与两端为环氧基团的单体通过氨基-环氧开环反应制备了聚氨基糖苷（HPT）,将光敏剂酸性红（RB）和细菌、细胞亲和的PBA通过氨基-环氧开环反应偶联到HPT上,在水中可自组装形成纳米颗粒（HPT-RP）。HPT-RP由于受体介导的光动力治疗而具有较高的抗菌能力,纳米颗粒形貌和PBA的细胞亲和性使HPT-RP基因转染效率高。在大鼠感染皮肤缺损模型中,HPT-RP表现出显著的抗感染/表皮生长因子质粒（p EGF）递送和加速愈合的性能。为了满足核酸输送体系的临床转化需要,开发制备方法简便、易于优化规模化制备工艺的载体材料。在前述针对三类疾病开发三种不同结构/功能的聚氨基糖苷载体的研究基础上,第五章中利用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（GTA）与壳聚糖盐酸盐的氨基-环氧开环反应,制备了季铵化壳聚糖（QCS）。氨基-环氧开环反应引入的季铵基团提高QCS的络合核酸性能,将壳聚糖的部分伯胺改性为仲胺基团使QCS具有较好的质子缓冲/溶酶体逃逸能力。QCS与“国际金标”聚乙烯亚胺（PEI）相比,虽转染性能相近,但细胞毒性、溶血率更低。在小鼠肿瘤模型中,QCS可静脉输送大剂量p53质粒进而有效地抑瘤,性能显著优于只能递送小剂量p53的PEI;在大鼠皮肤缺损模型中,QCS有效输送p EGF而加速皮肤伤口愈合。综上所述,本论文通过多种含环氧基团的分子与多氨基组分（氨基糖苷/多糖）氨基-环氧开环反应,设计了系列多羟基阳离子聚合物载体,满足多种疾病对核酸输送的需求。通过细胞实验证明了四种多羟基阳离子聚合物载体的高性能,通过不同疾病的动物模型实验验证了这四种基因递送系统的生物安全性与有效性。