在基因递送领域，传统的聚乙烯亚胺（PEI）一直扮演着重要角色，它是一种带有高电荷阳离子的多聚物，能够与带负电荷的DNA分子结合，形成复合物，从而实现基因递送。然而，为了进一步提高基因递送效率并实现更高的经济效益，翌圣生物基于其先进的化合物设计平台，成功开发了一种新型的PEI转染试剂。这种创新的PEI衍生物通过优化分子结构和化学性质，不仅显著降低了转染试剂的使用量，还保持了更高的基因递送效率，满足了对产量和成本的双重需求，真正实现了低成本高产量的目标。在实际应用中，新型PEI转染试剂在AAV病毒载体制备中表现出更高的的转染效率和更低的细胞毒性，适用于悬浮体系大规模高效生产AAV，为基因治疗和药物研发提供了强有力的支持。
主要优势
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高稳定性： 独特的氢键和疏水修饰增强了 PEI/核酸复合物的稳定性，确保可靠的转染。
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降低毒性：较低的阳离子密度最大限度减少细胞膜损伤，提供更安全、更有效的递送。
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改善转染： 更高的细胞活力和高效的 AAV（腺相关病毒）生产，非常适合治疗和研究应用。
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更智能的设计： 利用尖端的人工智能分子动力学和高通量筛选技术优化性能。
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大幅降低成本：转染试剂减半，仍然获得更高的病毒产量。
升级您的基因递送系统，开启高效与生物相容性的新纪元！一同探索新型 PEI 转染试剂背后的创新设计故事。
线性聚乙烯亚胺（PEI）长期以来一直被认为是一种多功能且有效的基因递送载体。其线性结构具有高密度的氮原子，使其具有与带负电的核酸（如 DNA 和 RNA）相互作用的固有能力。这种高密度的阳离子电荷使 PEI 成为高效的质子海绵，这一术语用于描述其在酸性环境中吸收质子的能力，这是其作为基因递送工具的核心功能。在核酸递送的背景下，PEI 与核酸的带负电磷酸骨架之间的静电相互作用促进了稳定的 PEI/核酸复合物的形成，这些复合物保护核酸免受生物系统中核酸酶的降解。这些复合物在确保转染过程中核酸的稳定性和功能性方面发挥着关键作用。
图 1. 线性 PEI 的结构
这些 PEI/核酸复合物一旦形成，便表现出与细胞膜更强的相互作用能力。带正电的 PEI 复合物与带负电的细胞表面之间的静电吸引力促进其粘附，随后的内吞作用使细胞内化。进入细胞后，体内的低 pH 值触发 PEI 的质子化，导致反离子进入内体以中和电荷失衡。最终，水分子被吸引到内体中，导致渗透压增加。这种不断上升的渗透压最终导致内体膜破裂，这一现象有助于将 PEI/核酸复合物释放到细胞质中。这一过程被称为 “质子海绵效应”，是 PEI 介导转染实现高效率的关键机制。
尽管线性 PEI 具有令人印象深刻的转染能力，但使其成为高效基因递送载体的高阳离子电荷密度也可能导致细胞毒性。PEI 的正电荷与细胞膜和细胞内结构中带负电成分相互作用，可能会对细胞造成潜在损伤。因此，在基因递送系统中应用 PEI 的一个挑战在于其毒性，这可能会显著阻碍其治疗潜力。因此，优化 PEI 的分子量和浓度对于在最小化毒性的同时确保维持高转染效率至关重要。
图 2. PEI 修饰分子筛选
为了解决毒性问题并进一步提升 PEI 的性能，研究人员探索了各种策略来修饰和改进该分子。其中最有前途的方法之一是通过化学修饰开发 PEI 衍生物，包括 PEGylation（聚乙二醇化）[1]，这一过程涉及将聚乙二醇（PEG）链与 PEI 分子结合。研究表明，PEGylation 可以通过降低免疫原性和增强生物系统中的溶解度来改善基于 PEI 的载体的生物相容性和稳定性。此外，还探索了其他化学修饰[2, 3]，如引入疏水基团或优化聚合物链长度，以改善 PEI 的递送效率和安全性。
鉴于持续创新的必要性，翌圣利用先进技术平台，包括人工智能（AI）分子动力学和模拟分子对接技术，设计了一系列新型 PEI 衍生物。这些计算方法允许在分子水平上高效探索潜在修饰，从而确定具有更好生物活性、稳定性和安全性的新型PEI 先导化合物。通过高通量筛选，这些修饰后的 PEI 候选物被评估其转染潜力，通过体外细胞实验反复筛选验证。这一严格的过程确定了具有增强性能的先导化合物。
这一研究和开发工作的成果是创造了一种新型 PEI 变体，该变体拥有独立的知识产权，并在传统 PEI的基础上显著改进其转染性能。这种创新的 PEI 衍生物解决了与基因递送相关的几个关键挑战，包括细胞毒性、转染效率和生物相容性。
图 3. 新型 PEI AAV 机制示意图
这种新开发的 PEI 衍生物的关键特征包括降低阳离子密度，这显著降低了细胞毒性，同时保持了有效的核酸结合和转染效率。这一修饰增强了转染试剂的整体安全性，使其更适合体内应用。
此外，这种新型 PEI 衍生物的结构设计引入了转染复合物与核酸之间的氢键，补充了负责复合物形成的静电相互作用。这一修饰改善了 PEI/核酸复合物的稳定性，确保了更可靠的转染结果。
新型 PEI 衍生物的修饰基团引入了疏水特性，增强了转染复合物与细胞膜的融合。这一结构调整促进了细胞对转染复合物的有效摄取，从而提高了整体转染效率。这些双重修饰降低阳离子密度以及引入氢键和疏水特性相结合，创造了一种更稳定、生物相容性更强且更高效的基因递送载体。
图 4. 与领先竞争对手相比，PEI AAV 展示了最高的病毒载体产量。AAV2、AAV5、AAV8 和 AAV9 在悬浮 293F 细胞中生产，每百万细胞的 DNA 用量为 1 µg。病毒在转染后 72 小时收获，并对病毒上清液进行了分析。
图 5. PEI AAV 展示了在低 PEI 和质粒输入下高效的病毒载体生产。AAV9 在悬浮 293F 细胞中生产，每百万细胞的 PEI AAV（左图，质粒输入：0.5 µg）或质粒（右图，PEI AAV 输入 0.6 µL）剂量不同。病毒在转染后 72 小时收获。
这种新型 PEI的性能与传统 PEI相比，在转染效率和细胞活力方面显示出显著改善。修饰后的 PEI 在腺相关病毒（AAV）生产等应用中特别有优势，更低的转染试剂使用量以及更高的转染复合物稳定性。通过增强转染复合物的稳定性并改善其与细胞膜的融合能力，这种新型 PEI 配方可以满足 AAV 生产的苛刻要求，从而实现更高的产量和更高效的基因递送。
总 之
尽管传统线性 PEI 长期以来一直是基因递送的关键工具，但其潜力受到细胞毒性和在某些应用中转染效率不佳的限制。通过使用先进的分子设计和修饰策略，翌圣开发了一种具有增强性能特征的新型 PEI 衍生物。这种新型PEI不仅降低了毒性并改善了生物相容性，还在转染效率方面提供了显著改进，使其成为研究和治疗应用的有前景的候选物。随着基因递送技术的不断发展，这种新型 PEI 转染试剂为开发更安全、更有效的基因递送系统以用于各种生物医学应用提供了令人兴奋的进展。