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团聚物的拓扑结构在决定其基因传递效能方面起着要道作用。因此，探索新的团聚物结构四肢基因传递载体具有首要的真谛真谛。安徽理工大学/王人柏林大学王文新训诫团队初度通过门道助长团聚身手合成了具有私有拓扑结构的新一代多环聚（β-氨基酯）s（CPAEs）。通过杀青环化的发生阶段，获取了三种不同大小和拓扑结构的环的CPAEs。体外推行标明，与具有大环的基因比较，具有大环的CPAEs（MCPAEs）显贵擢升了转基因的抒发。此外，具有优化终端基团的MCPAE载体有用地传递了编码金黄色葡萄球菌Cas9核酸酶和双带领sgRNAs的CRISPR质粒，用于基因剪辑治疗。相干照应效果以“3D Macrocyclic Structure Boosted Gene Delivery: Multi-Cyclic Poly(β-Amino Ester)s from Step Growth Polymerization”为题于2023年7月25日发表在《Journal of the American Chemical Society》。

在本照应中，诈欺充分照应的季戊四醇四丙烯酸酯（PTTA）和5-氨基1-戊醇（S5）四肢主单体（暗示图1A），蓄意了三种门道式助长团聚（SGP）计策来挪动三种不同环结构合成CPAEs的成环能源学（决议1B−D）。

暗示图1 由不同的SGP身手产生的三种类型的CAPEs的化学结构和造成机理的暗示图

【合成尺寸环CPAEs的SGP计策】

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环化历程的进展如图1A、B所示。当团聚物分子量（MW）接近二聚体时，63%的乙烯基被糟践，1h内的GPC萍踪如图1A、图1B红色虚线所示）。这个反应进程远远高于表面二聚体假定莫得环化反应44%的其他两种身手（图1C、F），标明在身手1中，在早期通过环化糟践了更多的乙烯基。跟着团聚物链的助长，获取了具有不同尺寸的环（跟着团聚历程的进行而慢慢增大）的CPAEs（称为SMCPAE）。上述团聚历程如图1D所示。只须两个相距较远的官能团不祥通过构象变化相互战役和反应，从而产生宏不雅环（称为MCPAE）。通过该身手，获取了CPAE-3进行表征（图1E中的2.5h）。

图1 比较三种不同的SGP计策在三种CPAEs造成历程中的团聚举止

【CPAE-1、CPAE-2和CPAE-3的结构表征】

聚簇触发辐照（CTE）的机制标明，CPAEs/HPAE中氧/氮原子之间的间距小于其范德瓦尔斯半径之和，导致有用的电子相互作用，导致非共价键的空间离域，延长有用共轭距离（图2D）。当在一张图像中不雅察三个CPAEs的PL图时，不错不雅察到它们的荧光举止之间的显着区别，从CPAE-1到CPAE-3不错不雅察到越来越显贵的红移峰（图2E）。跟着环尺寸的增大，更多的孤电子对基团将固定在更密集的环结构中，弘扬出更多的红移辐照（图2F）。因此，与CPAE-2和-3比较，CPAE-1（由身手1制备）的小环结构不错通过ca325nm处的主要荧光峰来反应出来（图2A、F）。而在CPAE-2中也存在大王人的中型环，这标明在ca430nm处出现了一个长波长的荧光峰（图2B、F）。关于CPAE-3C，它在ca450 nm处弘扬出一个主要的长波长辐照峰，阐发了宏不雅环在其轮回结构中占主导地位（图2C、F）。

CPAE-1到CPAE-3的1H−1H相干光谱（COSY）光谱显露，CPAE-1和CPAE-2上的g（Hg）质子与E7上的b（Hb）质子耦合（图3A），这意味着CPAE-1和CPAE-2的终端基团和骨干之间有很强的空间相互作用（图3B）。总相干光谱（TOCSY）显露了在CPAE-1和CPAE-2中，Hb（E7）和Hg（S5）上的纠正耦合峰；但是，在CPAE-3的相应区域莫得不雅察到这种相互作用（图3C）。这些扫尾标明，CPAE-1和CPAE-2的大部分终端基团镶嵌在CPAE骨干中，而以大环为主的CPAE-3，其大部分终端基团向外蔓延，因此莫得不雅察到与骨干结构的相互作用。

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图2 三种CPAEs的不同荧光景观至极作用机制

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图3 CPAE-1到CPAE-3的2D-核磁共振谱

【大环结构促进的基因转染】

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与CPAE-1、CPAE-2和HPAE比较，团聚物/DNAw/w为120：1的CPAE-3在HEK细胞中的转基因抒发分辨擢升了21倍、18倍和138倍（图4A）。此外，即使在最高的团聚物/DNA分量比（w/w = 200：1）下，皇冠app总计细胞系中也莫得不雅察到细胞毒性（高出90%的细胞活力）（图4B、D、E）。

PicoGreen检测扫尾显露，总计PAEs的DNA勾通效能均达到80%以上（图5A）。固然不同的PAEs的DNA勾通效能一样，凭证动态光散射（DLS）评估，暂停的轮回结构显贵匡助浓缩复合大小比较分支结构同期保合手高zeta后劲（图5B、C）。此外，CPAE多聚物的尺寸跟着相应团聚物的环尺寸的加多而减小（图5C）。不同PAEs造成的多聚体大小的变化标明CPAEs的DNA缩合智商更强，至极是MCPAE。接下来还照应了不同PAEs的多聚体的CTE举止（图5D−F）。与PAE团聚物的荧光比较，其多聚物的荧光王人裁汰了（图5D−F）。这些发现标明，环状结构，至极是宏不雅环状结构（MCPAE），更成心于纳米级复合体的造成。凭证Cy3标志DNA的荧光信号，不错看到细胞内对宏环CPAE-3的招揽远远高出其他PAEs；在解决4h后，它是SCPAE（CPAE-1）和HPAE-1的4倍以上（图5G）。由于MCPAE核的强度更强，CPAE-3在醋酸钠溶液中的降解速率比其他PAEs要慢得多（图5H）。由于MCPAE的结构更剖析，基于CPAE-3的多聚体弘扬出最慢的开释速率，在酸性条目下弘扬出其最好的DNA保护智商（图5I）。

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从图6A、B中不错看出，在保合手80%以上的DNA包装效能和高名义电位的同期，跟着宏不雅环化进程的加多，多聚体尺寸从MCPAE-0到MCPAE-72 h减少了70%。同期，从MCPAE-0到-72 h，复合体的招揽效能擢升了16倍以上（图6C）。转染MCPAE-72 h后的GFP抒发比MCPAE-0h增强了230倍，从分支结构过渡到大环结构，同期保合手了高出90%的细胞活力（图6D、E）。这些扫尾进一步清晰了CPAEs中大环结构的掺入成心于DNA包装、细胞招揽、DNA保护以及最终的基因转染。

图4 体外评估不同轮回类型的CPAEs的基因转染性能

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图5 转染要道阶段不同轮回型CPAEs的理化特征

图6 体外评价不同大环范围（0~72h）的MCPAEs的基因转染性能

【高效MCPAE基因传递载体的建造至极在基因治疗中的应用—终端优化】

基于身手3构建了拆开于不同终端含胺基团的MCPAEs，领先对不同碳链长度的低级氨基进行评估（图7A）。图7B中的转染扫尾显露，跟着终端碳链的延长，拆开的MCPAEs的转染效果慢慢擢升，并达到了终端基团C的最高性能。与HPAE-A到HPAE-D比较（图7C），MCPAE-A对MCPAE-D的转染性能要好得多，即使在最好HPAE/DNA w/w比（200：1）下，MCPAE-C也达到HPAE的4倍。MCPAE-G的GFP抒发量最高，高出了总计交易药物（图7D）。且三种MCPAE果真莫得细胞毒性，显露了它们在高效和安全的基因治疗方面的后劲（图7E）。

图7 不同终端基团的MCPAEs和HPAEs的转染性能

【MCPAE介导的基因治疗隐性大疱性养分不良表皮松解症的体外评价】

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治疗性基因传递的主要碎裂是它们的大序列大小，如CRISPR-EXON80质粒（图8A）。图8B的扫尾显露，与MCPAE-C和MCPAE-M比较，MCPAE-G在测试的团聚物/DNA分量比范围内（从80：1到200：1），在保合手高细胞活力的同期，弘扬出了更好的转染性能。因此选拔了MCPAEG多聚体，并进一步应用于免疫细胞化学的Cas9的产生和定位照应（图8C）。在转染了CRISPR-EXON80质粒的HEK293细胞中，预期的剪辑条带模式很显着，而在对照DNA中莫得不雅察到这种情况（图8D）。对Sanger测序扫尾的CRISPR Edits（ICE）分析也阐发了25%的DNA序列中存在58 bp的片断缺失（图8E）。

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图8 MCPAE介导的体外基因剪辑评估

【纪念】

本文提议了一种新的环化阶段杀青计策（身手1、身手2和身手3）来挪动不同SGP阶段的环化趋势。该计策不祥以可控的样式构建三种具有不同环尺寸和轮回拓扑结构的3D多轮回PAEs。三种CPAEs具有私有的拓扑特征（包括不同的环类型和端群散布等），并初度用荧光光谱法和2D-NMR法进行了考证。三种CPAE的基因转染扫尾显露，与其他CPAE和HPAE比较，大环PAE（MCPAE）至极多聚体显贵增强了DNA凝结、细胞招揽、DNA保护，从而擢升了转染基因的抒发。弘扬最好的MCPAE-C、-G和-M比最好的交易试剂Lipo 3000、jetPEI和Xfect具有更高的转染效能。此外，诈欺优化终端基团的MCPAE，高效寄递编码金黄色葡萄球菌Cas9核酸酶和双带领sgRNAs的CRISPR-EXON80质粒，用于体外基因剪辑。本照应的发现为今后高效非病毒团聚基因传递载体的发展提供了有价值的主见。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c04191

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