聚乙烯亚胺在生物制药行业的应用

来源：作者：人气：-发表时间：2023-05-06 10:03:00【大中小】

聚乙烯亚胺（Polyethyleneimine，PEI）又称聚氮杂环丙烷，由单体链(-CH2CH2NH-)构成的一种水溶性高电荷高分子聚合物。PEI 表面含有大量的氨基，在接近中性的溶液中富含正电荷，其表面可以通过化学修饰，如: 乙酰化、羧化、羟基化和聚乙二醇( PEG) 、低聚糖、靶向修饰或荧光标记等，实现其功能的多样化。

PEI具有线性和支化两种结构，线性PEI只包含仲胺，通常来源于聚噁唑啉的酸性水解。所以获得低分子量的线性PEI有一定难度。伯胺和仲胺是活性胺，有很强的核酸结合能力，也是靶向试剂、药物等功能性组分，而叔胺的结合能力较弱，但在酸性条件中具有缓冲作用。另外，枝状PEI通常是液态，而线性PEI在室温下是固态，不溶于冷水、苯酚、乙基醚等溶剂，在热水和有机溶剂（如甲醇、乙醇和氯仿）中溶解性会提高。

特性

高附着力和吸附性：氨基可与羧基反应生成氢键。氨基可以与羧基反应形成离子键，也可以与羰基反应形成共价键。聚乙烯亚胺具有亲水基团（氨基）和疏水基团（乙烯基）的结构，可以与不同的物质结合。利用这些综合的结合力，它可以广泛用于胶粘剂，油墨，涂料，胶粘剂等领域。
高阳离子度：聚乙烯亚胺在水中作为聚合物阳离子存在，可以中和并吸附所有阴离子物质，还能螯合重金属离子。利用其高阳离子度，可用于造纸、水处理、电镀液和分散剂等领域。
高反应性：聚乙烯亚胺具有强反应性的伯胺和仲胺，可以轻松地与环氧，酸，异氰酸酯化合物和酸性气体发生反应。利用这一特性，它可用作环氧树脂改性剂，醛吸附剂和固色剂。

合成方法

支链型聚乙烯亚胺应用广泛，直链型聚乙烯亚胺主要用于真核细胞基因转染载体。

1) 以乙烯亚胺为主原料，主要是合成支链型聚乙烯亚胺

2) 以恶唑衍生物为原料，主要合成直线型聚乙烯亚胺

用途

聚乙烯亚胺作为工程塑料广泛用于电子电器、汽车、航空航天、机械、食品工业、医疗器械等领域，此外聚乙烯亚胺还可用于造纸、水处理、洗涤剂、粘合剂、化妆品等行业，在生物研究领域，主要是非病毒基因载体的广泛研究。

1) 在基因载体方面的应用

PEI在基因载体方面主要作为聚阳离子非病毒基因载体，PEI分子中每三个原子有一个可质子化的氨基氮原子，构成的伯胺、仲胺和叔胺基团的pKa值不同，使PEI几乎在pH条件下都有吸收质子的能力（即质子海绵体作用）。这一特性使PEI能在内涵体的酸性环境中吸收H+，使其渗透压增高，导致膜不稳定甚至破裂，从而使被吞噬的复合物逃逸出来，避免DNA降解。

PEI是历史上继多聚赖氨酸之后发现的第二种聚合物转染试剂，转染效率随着分子量的增大而提高，一般不低于20000，但随着分子量的增大细胞毒性增强。将线性或多分支结构的大分子量PEI上连接酯键、碳氮双键或二硫键等具有生物降解性的化学键，如聚乙二醇（PEG）、透明质酸、聚氨基酸和聚酯类等，使其在体内可生物降解成低毒或无毒的小分子量PEI，这样可保留PEI较高转染活性同时降低细胞毒性。另一种衍生应用是将小分子PEI接枝到高分子骨架上，如壳聚糖、聚己酸内酯等，以此提高转染效率降低细胞毒性。

在PEI载体上连接靶向性物质可使PEI相对受体高表达的细胞产生靶向作用，同时促进细胞的内吞作用，提高基因转染效率。可用靶向性物质如内源性配体（转铁蛋白（Tf）、表皮生长因子（ECG）、精氨酸-甘氨酰-天冬氨酸（RGD）肽等），碳水化合物如半乳糖及特异性抗体等。

2) 在固定化酶方面的应用

固定化酶是指利用物理或化学手段将酶束缚于一定的区域内，且仍具有酶催化活性，可被反复重复使用的一种技术。即，固定化酶包括非催化功能部分的载体和具有催化功能的酶。PEI大分子链上拥有大量的氨基，当pH<10时，其分子链上的氨基多处于质子化状态，因此聚乙烯亚胺又是一种带正电荷的聚电解质。如果将其键联到一定的载体上，一方面可提供活性点氨基共价固酶，另一方面大部分酶在pH<10时带负电，PEI可对其产生强静电吸附，因此可以通过离子吸附固定住酶。

若以PEI大分子链为功能支载体进行酶的固化，既能增加酶与载体之间的作用，增大酶的吸附量，增强酶与载体的结合力，提高酶的吸附稳定性，使酶仍具有高催化活性，实现载体重复使用的目的。

3) 在药物递送方面的应用

高分子药物载体是一类表面带有正电荷的生物材料，以化学偶联或物理吸附、包裹等方式将蛋白质、基因连接在材料表面或封装于材料内核中，并通过与细胞膜相互作用，将蛋白质或基因递送到细胞中。PEI的多级胺结构能够有效压缩、封装蛋白或基因类药物，常被作为转染效果评价的金标准。

4) 在免疫佐剂方面的应用

PEI具有很强的佐剂活性，是一种极具潜力的疫苗佐剂，能够增强传统疫苗抗感染和抗肿瘤的效果，有些基于PEI的疫苗已进入临床研究阶段。PEI疫苗构建时，需要选择不同类型的PEI、抗原、构建策略、免疫途径等。

5) 在蛋白分离上的应用

PEI是带正电荷的聚合物，可结合带负电荷的大分子，如酸性蛋白质和核酸，进而形成的PEI网状结构随后以复合物形式沉淀出来，实现粗分离。

6) 在生物标记方面的应用

PEI与显像剂（如Fe3O4和荧光NPs）共轭结合时，可作为生物标记，在一定条件下反映特异性细胞或亚细胞信息，如细胞迁移等行为。

PEI及衍生物产品：

产品名称	分子量	包装
线性聚乙烯亚胺 Polyethylenimine, Linear	25000,4000	100mg, 500mg
聚乙烯亚胺-聚乙二醇 PEI-PEG	PEG：1000,2000,3400,5000,10k PEI：600,1800,3000,10k,25k,70k	100mg, 500mg
聚乙烯亚胺-聚乙二醇-叠氮 PEI-PEG-N3	PEG：1000,2000,3400,5000,10k	100mg, 500mg
聚乙烯亚胺-聚乙二醇-巯基 PEI-PEG-SH	PEG：1000,2000,3400,5000,10k	100mg, 500mg
聚乙烯亚胺-聚乙二醇-马来酰亚胺 PEI-PEG-MAL	PEG：1000,2000,3400,5000,10k	100mg, 500mg
甲氧基聚乙二醇-聚乙烯亚胺 mPEG-PEI	PEG：1000,2000,5000	500mg,1g
聚乙烯亚胺-聚乙二醇-生物素 PEI-PEG-Biotin	PEG：1000,2000, 3400,5000,10k	100mg, 500mg
聚乙烯亚胺-聚乙二醇-荧光素 PEI-PEG-FITC	PEG：1000,2000, 3400,5000,10k	100mg, 500mg
聚乙烯亚胺-透明质酸 PEI-Hyaluronate	HA：2000,3000,5000,7000,10k	100mg, 500mg
聚乙烯亚胺聚乳酸羟基乙酸共聚物 PEI-PLGA,PLGA 50/50	PEI支链型, MW:800 PLGA:5000,30000,6000	100mg, 500mg
二棕榈酰磷脂酰乙醇胺-聚乙烯亚胺 DSPE-PEI	PEI：1200,1800,2000,3400,5000,25k	100mg, 500mg
聚乙烯亚胺聚乙二醇磷脂 PEI-PEG-DSPE	PEG：1000,2000, 3400,5000,10k	100mg, 500mg
聚乙烯亚胺聚赖氨酸 PEI-PLL		100mg, 500mg