第 378 期

研究發展
一鍋式合成具細胞造影及核酸遞送雙功能的聚乙烯亞胺
NHRI researchers synthesize linear-like and photoluminescent polyethylenimines through one-pot reaction for intracellular imaging and siRNA delivery

聚乙烯亞胺（polyethylenimine, PEI）是陽離子聚合物，主鏈上每三個原子就有一個可被質子化的氮原子；它能藉由與核酸（例如小干擾核醣核酸：siRNA）結合形成陽離子複合物，且此複合物能遵循核內體脫離（endosome escape）機制有效地抑制mRNA。PEIs具有樹枝狀與線型兩種，大多數的PEIs為樹枝狀，較大分子量的樹枝狀聚乙烯亞胺（BPEIs）具有較佳的運載效率，卻也較易誘發細胞凋亡；而線型聚乙烯亞胺（LPEIs）毒性低且不易誘發發炎反應，可提供大的劑量使用範圍，被認為是一個新興且具發展潛力的siRNA載體（干擾性核醣核酸技術機制說明如下圖）。

圖說：小干擾核醣核酸（siRNA）送入細胞當中，siRNA會在RISC（RNA-induced silencing complex）蛋白質複合體作用下解離，並且將siRNA的anti-sense端連結至mRNA，切斷mRNA、抑制致病蛋白質的製造以治療疾病。但是，siRNA在體內容易被RNAses降解，以及siRNA不易通過細胞膜進入細胞，因此需要合適的載體幫助siRNA遞送以增加治療功效。（Adv. Drug Deliv. Rev. 2009, 61, 760.）

傳統合成LPEI使用2-alkyl-2-oxazolines在有機溶劑如ACN、DMF中進行開環聚合反應，隨後在酸性環境下進行水解以得到LPEI；然而，傳統聚合反應面臨著如：有機溶劑（如DMF對細胞是有毒害的）殘留、純化、水解不完全的問題，可能會導致產物中具有不純物，且聚合過程複雜及耗時，限制了此材料在應用上的困難。因此，發展高通量、無有機溶劑的LPEI合成方法將有廣泛應用的價值；此外，LPEIs可以進入細胞，並且具有藍色螢光，無需標定探針（labeling-free probe）即可以應用在細胞追蹤研究。本院奈米醫學研究中心林淑宜助研究員及其研究團隊發展：一鍋式合成具細胞造影及核酸遞送雙功能的聚乙烯亞胺。利用強大的輻射光源（同步輻射X光，4–30 keV, 105 Gy s-1）在沒有催化劑和起始劑的情況下可以產生自由基，以100微升的乙二胺（ethylene diamine）為起始原料，並添加5毫升的水溶液加以混合，然後以同步輻射 X光照射混合物5-10分鐘，水溶液的顏色逐漸由無色至淺黃色；該化合物之吸收光譜呈現一條250至450奈米的吸收帶，其最大發射波長約 478奈米左右，發光效率和半衰期分別為2％和2.6奈秒。以下概述林博士之發明。

發明名稱：一鍋式合成具細胞造影及核酸遞送雙功能的聚乙烯亞胺
發明人：林淑宜、林峰賢、陳盟凱、蔡林仁、饒育禎、林宏益、胡宇光、楊重熙
說明：根據2003年Nature Biotechnology報導，干擾性核醣核酸（RNA Interference, RNAi）治療將於未來佔有相當重要的一環，由於RNAi作用必須在細胞質中進行，如何有效率地將化學合成的siRNA送入特定人體組織細胞中，是臨床應用上面臨的重要課題。Polyethylenimines（PEIs）為一種常見攜帶siRNA進入細胞的聚合物之一，具有最高比例含氮量，可吸附最多帶負電的siRNA，保護siRNA在體內傳遞過程中避免降解，提高siRNA進入細胞比例；且類線型PEIs具較低之生物毒性，為較佳之載體選擇。本技術利用同步輻射光照射，一步驟合成具螢光之類線型PEIs，除了兼具環保、大量生產及低成本等優勢外，產出之LPEIs亦具螢光、低細胞毒性、高傳輸效率等特點，為極具市場商業價值之新型技術。

可應用範圍：
1. siRNA傳遞
2. 生物醫學影像相關應用
此項發明之優點：
1. 具螢光標誌效果
2. 可進入細胞當中，並具較低之毒性
3. 較佳的傳遞效率
4. 具大量合成及較低成本之優勢
5. 快速合成，免除傳統合成多段純化需求

研究方法學及部分試驗結果已刊登於Chemical Communications (2010, 46, 5554–5556)；研究結果顯示，BPEI與目前商業用之LPEI相較，此一鍋式合成具細胞造影及核酸遞送雙功能的LPEIs，可以滲透到細胞質且具有較低的生物毒性以及較佳的傳遞siRNA效率。這種合成的策略可加速未來LPEIs在生物學上之應用。
《文：編輯中心陳筱蕾整理；資料來源/審校：奈米醫學研究中心林淑宜助研究員》