1分钟解锁阳离子脂质体和阳离子聚合物PEI转染试剂的差异
1分钟解锁阳离子脂质体和阳离子聚合物PEI转染试剂的差异
化学转染方法是生物医学研究中最常用的转染方法,主要包括两类:阳离子脂质体和阳离子聚合物。在购买使用过程中,该如何选择,他们之间的区别在哪,小翌来为大家进行简要说明。
阳离子脂质体
阳离子脂质体介导的转染是目前最常用的转染方式之一。其原理是阳离子脂质体的基本结构由带正电荷的头基和一个或两个烃链组成,带正电荷的头基与带负电荷的核酸通过静电作用形成复合物,经细胞的内吞作用进入细胞。在DNA与阳离子脂质体形成lipoplex的过程中,阳离子脂质体起到复合和凝集DNA的作用,同时也有助于复合物与细胞膜的结合。
图1. 脂质体结构(源于Nature)
a.最简单的脂质体,由磷脂双分子层构成的脂质囊泡
b.“隐身”脂质体,通过PEG修饰实现长循环
c.大多数阳离子脂质体具有洋葱样结构,DNA夹在阳离子膜之间
d.Kubitschke等人报道的新型脂质体,由花瓶状的脂质分子(分子两侧有疏水链和亲水链)组成双分子层
阳离子脂质体应用非常广泛,具有以下特点:
- 使用方法简单
- 可携带大片段DNA,通用于各种类型的DNA或RNA
- 能转染各种类型的细胞
- 没有免疫原性
- 在体外基因转染中有很高的效率
近年来,体内转染研究越来越火热,阳离子脂质体在很大程度上由于以下特点限制了其进一步的应用,无法直接应用于体内研究:
- 在血清存在的情况下会迅速失活
- 脂质体本身会参与细胞生理活动,引起基因表达的上调或下调,造成细胞毒性
- 在肺组织内累积,诱发强烈的抗炎反应,导致高水平的毒性
同时,人们也一直在寻找更有效、毒性小,同时对研究影响也小的转染试剂。由于脂质类转染试剂对细胞的毒性是由其脂质特性决定的,众多的研究者和生物公司将新一代转染试剂的开发聚焦在非脂质体的聚合物上。
图2. 阳离子脂质体与阳离子聚合物介导的转染
阳离子聚合物
近年来国际上推出了一些阳离子聚合物基因转染技术,以其适用宿主范围广、操作简便、对细胞毒性小、转染效率高的特点,受到研究者们的青睐。其原理是带正电的聚合物与带负电的核酸磷酸基团形成带正电的复合物后与细胞表面带负电的蛋白多糖相互作用,并通过内吞作用进入细胞。
阳离子聚合物相对毒性较低,和阳离子脂质体最大的区别:
- 不含疏水部分而完全溶于水
- 方便地进行化学修饰
- 不像脂质体一样破坏细胞结构
阳离子聚合物高效转染的特征:
- 浓缩DNA,将DNA运送到细胞内,并其在细胞核内释放
- 细胞毒性很低,很稳定
- 不被血清清除
目前使用最广泛的阳离子聚合物转染试剂是聚乙烯亚胺(PEI),具有显著的特点:
- 毒性低、成本低、免疫原性低
- 可将外源基因转染到悬浮细胞或贴壁细胞中
图3. PEI转染DNA示意图(源于网络)
PEI是一种具有较高的阳离子电荷密度的有机大分子,每相隔二个碳原子,即每第三个原子都是质子化的氨基氮原子,使得聚合物网络在任何pH下都能充当有效的“质子海绵”(proton sponge)体。自1995年PEI首次被用于DNA转染以来,就因其安全性和稳定性而被广泛应用于科学研究和基因疗法中。
图4. PEI使用效果图
a. PEI 40000转染GFP质粒到贴壁细胞Hek-293,72h后,转染效率达到90%(左图)
b.PEI 40000转染GFP质粒到悬浮细胞CHO-K1,72h后,转染效率达到80%(右图)
随着PEI技术的不断革新与发展,现在PEI被广泛应用于生命科学研究、非病毒载体体内转染研究、病毒和蛋白生产专用研究中。大量实验证明,PEI是非常有希望的基因治疗载体。目前在设计更复杂的基因载体时,PEI经常作为核心组成成分。
参考文献
[1]. Andrzej W.Cwetsch, Bruno Pinto, Annalisa Savardi, Laura Cancedda. In vivo methods for acute modulation of gene expression in the central nervous system. Progress in Neurobiology. 2018 September 2018, Pages 69-85. doi.org/10.1016/j.pneurobio.2018.04.008