基因治疗是一种新型的治疗手段,为癌症、遗传病、免疫疾病等恶性疾病提供了一种新的治疗途径。基因治疗的基本策略是将治疗基因递送到靶细胞从而达到预防或治疗疾病的效果。由于DNA分子在生理环境下带有负电荷不易进入细胞,且易于被核酸酶降解而失去活性,基因递送过程大多依靠基因载体的协助才能完成。目前,基因载体主要分为病毒类与非病毒类基因载体。由于病毒类基因载体具有免疫原性,且容易产生致癌风险,因此新型安全高效的非病毒类基因载体日益引起研究者的关注。非病毒类基因载体主要包括脂质体、多肽、阳离子聚合物、有机/无机复合纳米颗粒等体系。与其它基因载体相比,阳离子聚合物(如聚乙烯亚胺、聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯等)具有免疫反应小、易于大量制备、易于化学修饰等优点,因此已经被广泛研究。但是,上述阳离子型基因载体具有转染效率较低、细胞毒性较高、降解性能较差、功能单一等缺点。因此如何构建转染效率高、细胞毒性低、降解性能优异的多功能阳离子基因载体成为了生物材料领域的重要问题。另一方面,与线性和树枝状阳离子基因载体相比,支化阳离子基因载体具有结构丰富、合成简便、且易于大量制备等优点,因此被广泛研究。本论文主要阐述基于氨基-环氧开环反应构建新型多羟基支化阳离子基因载体,并研究上述阳离子聚合物的基因转染效率、细胞毒性、以及该阳离子聚合物在基因治疗活体动物模型中的应用。由于传统阳离子基因载体缺乏实时成像的能力,如何构建一种安全高效可视化的基因载体成为了核酸递送领域的新问题。本论文第二章基于四苯基乙烯(TPE)分子合成了一种星形引发剂TPE-Br,并利用原子转移自由基聚合(ATRP)反应构建四臂支化聚合物TPE-PGMA。之后,通过TPE-NH2与乙醇胺(EA)分子与TPE-PGMA聚合物进行氨基-环氧开环反应得到TPE-PGEA/TPE。由于TPE-PGEA/TPE聚合物具有两亲性,它能够在水溶液中自组装形成纳米颗粒。利用该纳米体系中TPE分子的聚集诱导发光(AIE)效应可以实现基因转染过程的实时荧光成像功能。该研究为可视化阳离子基因载体的构建提供了研究思路。羟基化的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯虽然是一种安全高效的基因载体,但是由于其主链为碳链,导致释放核酸后在细胞中不容易降解。如何根据细胞的生理环境构建一种安全高效而且易于降解的阳离子基因载体是需要解决的一个关键科学问题。本论文第三章制备了一种具有缩醛结构的双氨基化合物,通过该缩醛双氨基化合物与三环氧化合物异氰尿酸三缩水甘油酯进行氨基-环氧开环反应构建了一种多羟基支化聚合物ARP,并通过修饰氟化烷基链制备得到ARP-F。由于缩醛基团在癌细胞的弱酸环境中容易断裂,因此可以制备一种可降解阳离子型基因载体。另一方面,该具有氟化烷基链的基因载体具有细胞毒性低、转染效率高、生物相容性好等优势,在后续介导pCas9-surv进行体内与体外抗癌实验的结果表明,无论在细胞实验还是在活体动物模型中,ARP-F介导的pCas9-surv不但能够有效的抑制癌细胞的增殖,还可以增强癌细胞对于广谱抗癌药物替莫唑胺的敏感性。ARP-F的成功制备为构建pH响应性可降解阳离子基因载体提供了新的研究思路。靶向性对于阳离子基因载体来说是至关重要的,优异的靶向性可以大幅度提高载体的递送效率。本论文第四章基于乳糖分子制备了一种具有还原响应性的支化多羟基阳离子基因载体LBP,并将其应用于肝脏原为肿瘤的治疗。首先我们将胱胺分子修饰在β-乳糖分子上得到了氨基化的乳糖(Lac-NH2),随后将Lac-NH2与异氰尿酸三缩水甘油酯通过氨基-环氧开环聚合反应得到具有还原响应性的支化多羟基阳离子基因载体LBP。利用乳糖中的半乳糖单元与肝实质细胞表面去唾液酸糖蛋白受体之间的异性识别提升该基因载体的肝癌细胞靶向性。活体动物实验结果表明LBP递送pCas9-survivin质粒不但具有抑制肿瘤组织生长的效果,而且还可以提高肝癌化疗药物索拉菲尼的治疗效果。LBP聚合物的成功合成为靶向型阳离子基因载体的构建提供了新的研究思路。综上所述,本论文基于氨基-环氧开环反应,构建了系列多羟基支化阳离子基因载体TPE-PGEA/TPE,ARP-F和LBP。上述三种多羟基支化阳离子基因载体不但具有较低的细胞毒性和较高的转染效率,还分别实现了实时成像、可降解、与癌细胞靶向的功能。以上三种多羟基支化阳离子基因载体的制备为多功能核酸递送体系的构建提供了一种安全高效的方法。