Bioactive Materials
EDAC介导O-酰基异脲重排用于透明质酸叔胺阳离子化及其在病毒启发型聚电解质复合物中的结构骨架应用

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本研究创新性地开发了一种绿色、高效的阳离子化透明质酸（HAA）合成策略，通过EDAC介导的O-酰基异脲重排反应实现高达70%的取代率。该材料被用于构建结构稳定的病毒启发型聚电解质复合物（Skeletoplexes），在体外和体内实验中显著提高基因转染效率，为非病毒基因递送系统提供了结构强化的新方法。

 

文献概述

本文《EDAC-mediated O-acylisourea rearrangement for tertiary amine cationization of hyaluronic acid (HA) and its application as structural backbones in virus-inspired polyplexes》发表于《Bioactive Materials》杂志，回顾并总结了一种新型的透明质酸阳离子化策略，并将其作为结构骨架用于病毒启发型聚电解质复合物的构建，从而显著提高非病毒基因递送的效率与稳定性。

背景知识

透明质酸（HA）是一种广泛存在于生物体内的天然多糖，因其良好的生物相容性、可降解性，常被用于生物材料与药物递送系统。然而，HA本身为聚阴离子，反应活性低，传统阳离子化方法需在水/有机混合溶剂中进行，不仅步骤繁琐，还存在稳定性差、取代率低、生物相容性受限等问题。非病毒基因递送系统（如polyplexes、lipoplexes）虽在安全性与可扩展性上优于病毒载体，但其无定形态与机械稳定性差导致递送效率受限。本研究受天然病毒结构启发，提出以HAA作为结构骨架构建Skeletoplexes，通过阳离子化HA直接在水中实现高取代率，从而增强polyplexes的结构完整性与转染性能。该方法不仅简化合成流程，还提升了DNA结合与细胞摄取效率，为非病毒基因递送系统提供了结构强化的新路径。

 

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研究方法与实验

研究通过EDAC介导的一锅水相反应实现HA的阳离子化，利用核磁共振（NMR）对HAA的化学结构进行鉴定，确认其叔胺与乙基取代度。随后，将HAA与不同阳离子聚合物（如HPAE1、LPAE1）及商业转染试剂（BrPERfect、Xfect、jetPEI、Lipofectamine3000）复合，构建Skeletoplexes，并评估其在多种细胞系（HEK、A549、HeLa）中的转染效率。通过SEM、粒径、zeta电位、DNA包封率等手段分析Skeletoplexes的结构稳定性。同时，在小鼠模型中评估其体内基因表达水平、生物分布及安全性。

关键结论与观点

• HA通过EDAC介导的O-酰基异脲重排实现高效叔胺化，取代率达70%，其中叔胺占50%，乙基占20%。
• 在水相中完成阳离子化反应，无需有机溶剂、催化剂或辅助试剂，符合绿色化学原则。
• HAA作为骨架显著增强polyplexes的结构稳定性与转染效率，在HEK、A549、HeLa细胞中，体外转染效率提升达4倍，体内基因表达提升约2倍。
• EDAC重排反应仅在水相与伯胺存在下发生，有机溶剂抑制该反应，验证其水相依赖性。
• 在高浓度条件下，Skeletoplexes展现出更优的粒径稳定性与DNA包封效率，适用于临床前及体内应用。
• 在体内实验中，HAA/DNA质量比10:1时Luciferase表达达到峰值，且未引起明显毒性，适用于长期基因治疗。

研究意义与展望

本研究为非病毒基因递送系统提供了一种结构强化策略，通过阳离子化HA作为骨架，使polyplexes具备类似病毒的结构稳定性与功能完整性。该方法简化了合成与纯化流程，提升了转染效率，为mRNA与DNA递送系统在肿瘤免疫治疗、代谢疾病及罕见病基因治疗中的应用提供了新思路。未来可进一步优化HAA骨架与聚合物配比，探索其在组织靶向、基因编辑中的潜力。

 

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结语

本研究成功开发了一种新型、绿色、高效的阳离子化透明质酸（HAA）合成策略，利用EDAC介导的O-酰基异脲重排反应，在水相中直接引入叔胺基团，取代率高达70%。通过将HAA整合进polyplexes系统，构建出结构稳定的病毒启发型Skeletoplexes，显著提升体外与体内基因转染效率。该策略不仅避免了传统方法中有机溶剂与辅助试剂的使用，还为非病毒基因递送系统提供了结构强化的新范式，有望在多种生物医学应用中实现更高效的基因表达与递送稳定性。这一成果为mRNA治疗、DNA疫苗及基因编辑工具的非病毒载体开发提供了重要支持，推动了基因治疗技术向更安全、更高效方向发展。

 

Yinghao Li, Liang Yao, Jiahao Liu, Jing Lyu, and Wenxin Wang. EDAC-mediated O-acylisourea rearrangement for tertiary amine cationization of hyaluronic acid (HA) and its application as structural backbones in virus-inspired polyplexes. Bioactive Materials.