近年来,基因治疗技术在许多遗传性疾病和癌症治疗中展现了良好的应用前景,然而基因治疗发展的最大障碍是缺少一种高效、低毒的基因输送载体。尽管病毒类载体具有较高的基因转染能力,但是其自身的免疫原性和安全性问题限制了它的临床应用。因此开发新型有效的非病毒类基因输送载体是目前众多研究者关注的热点。树形高分子(Dendrimer)是目前研究最为广泛的非病毒类基因载体之一。但是树形高分子基因载体普遍存在转染效率不高、细胞毒性大等问题。为了进一步提高树形高分子在基因转染中的性能,研究者们对树形高分子进行了多种表面化学修饰。而在这些研究中,对树形高分子的表面化学修饰比较单一,很难从中得出清晰的结构与功能之间的关系。另外,基因转染过程中存在着多重屏障,单一的化学修饰无法克服所有屏障从而实现高效的基因转染。因此,系统地研究树形高分子的表面化学修饰与基因转染之间的关系,并以此为基础制备多功能基因载体非常必要。本论文基于树形高分子在以下两个方面开展研究：一、天然氨基酸修饰的树形高分子的结构与转染性能之间的关系；二、利用不同的功能组合方法,制备多功能的树形高分子基因载体,研究不同功能的氨基酸组合在基因转染中的协同效应。论文共包括5章。第一章：概述了基因转染与基因治疗的发展史,研究现状及常用的基因转染方法；介绍了阳离子高分子基因载体及影响其转染效率的主要因素：重点描述了树形高分子在基因转染和基因治疗中的应用；最后提出本论文的研究思路和内容。第二章：合成并表征了20种天然氨基酸修饰的聚酰胺一胺(Polyamidoamine, PAMAM)树形高分子。根据氨基酸侧链基团的不同,将这些氨基酸修饰的树形高分子分成4类,分别为阳离子、阴离子、疏水性和亲水性氨基酸修饰的树形高分子。系统地阐述了氨基酸侧链基团以及连接比例与基因转染效率之间的关系。结果发现,阳离子和疏水性氨基酸修饰的树形高分子表现出较高的基因转染效率,其中,精氨酸(Arg)和赖氨酸(Lys)修饰增加了树形高分子表面的电荷密度,提高了转染复合物的稳定性和细胞摄入水平,组氨酸(His)提高了树形高分子的质子缓冲能力,可以促进树形高分子从内涵体中的逃逸；而阴离子氨基酸修饰则降低了树形高分子表面阳离子电荷密度,从而无法形成稳定的核酸复合物；疏水性氨基酸修饰(比如苯丙氨酸,Phe)可以调节树形高分子表面的亲疏水平衡,增强树形高分子的跨膜能力,有助于细胞对转染复合物的摄入；相反,亲水性氨基酸修饰降低了复合物的细胞摄入,不利于基因转染。根据以上结果可以得出,Arg、Phe以及His修饰分别在复合物形成及稳定性、细胞摄入和内涵体逃逸过程中发挥了重要作用,这一规律有助于指导我们进一步设计多功能基团载体。第三章：利用“一锅法”分别合成了一系列单功能、双功能和三功能修饰的PAMAM树形高分子,并研究了Arg、Phe和His三种氨基酸的功能组合在基因转染中的协同效应。结果表明,将这些具有不同功能的氨基酸同时修饰在PAMAM树形高分子表面,能够在基因转染中产生协同效应,提高单一氨基酸修饰的树形高分子的基因转染效率。其中,三种氨基酸修饰的PAMAM树形高分子(G5-Arg47Phe24His25和G5-Arg56Phe22His22)表现出最好的基因转染能力,其转染效率与商业化转染试剂Lipofectamine 2000、JetPEI和Polyfect相当,这些多功能树形高分子基因载体在体内转染试验中也具有良好的效率。进一步的转染机制研究发现,Arg修饰对形成稳定的转染复合物具有不可或缺的重要作用；Phe修饰改善了细胞对转染复合物的摄入；His修饰增加了树形高分子的质子缓冲能力,降低阳离子树形高分子自身的细胞毒性。这种多功能组合的方法为开发高效、低毒的高分子基因转染载体提供了一种新的思路。第四章：提出了一种简单易行的方法制备多功能的树形高分子基因载体,将具有不同功能的单一氨基酸修饰的树形高分子(如G5-Phe7i、G5-His4o和G5-Arg64)按照合适的比例混合,通过静电相互作用与核酸复合,形成多功能的纳米转染复合物,并详细研究了这些多功能纳米转染复合物在基因转染中的性能。结果表明,这种方法制备的多功能纳米转染复合物包含了不同的氨基酸功能基团,其尺寸可以控制在200 nm左右。G5-Phe71、G5-His40和G5-Arg64的两两组合制备的多功能复合物的转染效率均优于单功能的树形高分子,而且转染的细胞毒性较低。这一方法与将几种氨基酸同时连接到同一个树形高分子表面相比,更加简单、易调控。拓展了多功能高分子基因载体的制备方法。第五章：对全文进行了总结,并对多功能修饰的树形高分子的其他应用提出了展望。