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基因治疗,通过将外源功能性DNA片段导入靶细胞以帮助修复有缺陷的基因,目前在治疗遗传病与癌症,培养特殊功能细胞等方面具有高度重要性。由于静电排斥与构象上的原因,DNA无法独自穿过细胞膜。因此,基因治疗技术中一个关键问题在于寻找合适的工具或载体将功能性DNA片段有效运输至靶细胞内,并能够在细胞中释放DNA以完成基因运输。目前,许多合成材料可用于与DNA组装形成稳定复合物,继而控制其运输。阳离子表面活性剂能够通过静电相互作用有效结合DNA,并且当阳离子表面活性剂在DNA骨架附近自组装形成阳离子胶束或囊泡时,阳离子聚集体在DNA骨架上的结合能够削弱相邻磷酸基之间的静电斥力,使之彼此靠近从而诱导所谓“DNA压缩”现象的出现。DNA尺寸的减小以及DNA与磷脂双层间静电斥力的削弱可以极大提高DNA穿过细胞膜的可能性。在一定条件下,比如形成阴阳离子表面活性剂混合胶束,加入p-CD或无机盐,可破坏阳离子聚集体与DNA的结合,使被捕捉的DNA获得释放以达到基因运输的目的。阳离子表面活性剂/DNA复合物的理化性质对于探索其在基因治疗领域的潜在应用价值而言非常重要。本论文侧重研究各种阳离子表面活性剂聚集体,包括阳离子胶束、阴阳离子囊泡以及阳离子表面活性剂修饰的纳米金颗粒,与DNA在水溶液中的聚集行为以及所形成复合物的理化性质和性能,借此探索复合物在基因运输方面的潜在应用价值。论文的研究内容如下：第一章：绪论。对生物大分子DNA的基本性质以及基因治疗技术进行概述。介绍了各种非病毒基因载体包括阳离子表面活性剂聚集体(胶束、脂质和脂质体),纳米颗粒,聚合物等在基因治疗技术领域中的研究进展和应用前景。详细阐述了阳离子表面活性剂聚集体与DNA的相互作用行为以及所形成复合物的理化性质,并阐述了论文的研究目的及意义。第二章：研究了DNA与含有不同反离子阳离子表面活性剂之间的相互作用。研究发现,虽然在低浓度下能够有效压缩DNA,但含有磁性配位反离子[FeCl3Br]-的阳离子表面活性剂无法如含有溴或氯反离子的表面活性剂那样在高浓度下自发解压缩DNA。研究结果表明,DNA与阳离子表面活性剂的相互作用行为与表面活性剂所携带反离子的种类密切相关。结果表明,不同浓度阳离子表面活性剂诱导DNA的压缩与解压缩由反离子与DNA之间同阳离子胶束相互作用的竞争所主宰。在高表面活性剂浓度下,由于反离子浓度增大所引起的静电竞争效应逐渐增强,DNA与阳离子聚集体之间的静电作用逐渐减弱。最终,伴随大量反离子与阳离子聚集体缔合,DNA与阳离子聚集体之间的静电作用被大幅削弱甚至屏蔽,DNA解压缩恢复至原始伸展状态。对此,提出一个更为合理的不同浓度阳离子表面活性剂控制DNA构象变化的三步模型机理。而磁性表面活性剂,因其压缩DNA不受限于自身合适的浓度,可被视为一种新型的DNA压缩试剂。本工作可为DNA与阳离子表面活性剂的相互作用行为提供更为明确的信息,也为基因运输与基因治疗提供重要理论指导。第三章：设计并合成出一种双重响应阳离子表面活性剂,其结构中包含一个光响应偶氮苯基团以及一个顺磁性配位反离子[FeCl3Br]-。该表面活性剂能够充分利用无尽清洁能源,即光照与磁场,作为两种强力开关来有效控制DNA的捕捉与释放。该阳离子表面活性剂在经紫外与可见光交替照射后的亲疏水性变化可用于控制阳离子胶束的形成与解离,继而使之可独自用于可逆地调节DNA的压缩。基于[FeCl3Br]-的顺磁性,可借助引入外加磁场来提升DNA的最大压缩效率,并能够以较低剂量表面活性剂实现DNA的压缩。此外,该表面活性剂与DNA结合形成铁磁性复合物,该复合物能够向磁场定向迁移,使之表现出具有实现靶向基因运输的潜力。对运输至磁场附近的DNA/表面活性剂复合物进行紫外光照处理,原先被压缩并迁移至磁场附近的DNA分子能够获得有效释放与解压缩。表面活性剂的双重响应性质在功能上的自我完美互补使其可作为一种智能且多元化的工具用于控制DNA转染与基因运输。第四章：基于双链(ds)DNA与含有磁性反离子[FeCl3Br]-的阳离子表面活性剂之间的自组装,制备出高度有序的DNA/表面活性剂掺杂纳米球。磁性阳离子表面活性剂能够在高浓度下压缩DNA,该特殊性使得DNA/磁性表面活性剂复合物能够通过聚集、融合与凝聚的方式形成有序的纳米球结构。含有传统Br-的阳离子表面活性剂在高浓度下则会丧失压缩DNA的能力,因此无法在相同条件下形成纳米球。当使用一种特殊的光响应磁性阳离子表面活性剂作为组分制备纳米球时,可基于外加磁场与紫外/可见光的交替照射构筑一个有效的双重响应药物运输平台。作为药物载体,DNA/表面活性剂纳米球具有高负载效率、缓释特性与良好生物相容性等优点。纳米球不仅能够控制基于磁场的靶向药物运输,而且可以在细胞水平上实现药物的光可控释放。本体系可为制备新型核酸纳米器件提供指导,也可在纳米技术与生化领域寻找到潜在应用价值。第五章：采用不同研究手段,从不同角度出发,研究了由阳离子表面活性剂十四烷基三甲基氢氧化铵(TTAOH)与阴离子表面活性剂月桂酸(LA)所构筑的带有过量正电荷的无盐阴阳离子囊泡与DNA的相互作用。研究发现,随着DNA的加入,囊泡的聚集行为发生很大改变,由原先多分散的单层囊泡聚集形成密堆积的多层和多室囊泡。同时,通过核磁共振氢谱可观察到部分阴离子表面活性剂从囊泡中解离,并且当DNA浓度较高时,解离的阴离子表面活性剂能够自发组装形成类胶束结构。与先前文献中所报道的含盐阴阳离子囊泡相比,无盐阴阳离子囊泡具有明显更强的DNA负载能力,其与DNA的饱和点为R=2.3,表现出更高的潜在基因传递效率。此外,DNA在与囊泡相互作用过程中未发生任何构象变化,仍维持原始伸展的双螺旋构象。作为载体,无盐阴阳囊泡可以将纯净的、结构不受任何影响的DNA分子运输至细胞,因而在基因治疗和纳米医学领域具有潜在应用价值。第六章：利用阴离子表面活性剂月桂酸钠(SL)与不同链长季铵盐类阳离子表面活性剂(CnTAB,n=12,14与16)组装形成带有等量过量正电荷的阴阳离子囊泡,并将这些囊泡用以负载DNA。研究发现,DNA与这三种囊泡的结合饱和点(BSP)随阳离子表面活性剂链长增长而增大,分别位于1.0,1.3和1.5。该结果表明,由链长较长阳离子表面活性剂形成的阴阳离子囊泡具有较强的DNA负载能力。伴随DNA的加入,囊泡表面电荷密度显著降低,因而发生聚集与融合。DNA在与CnTAL囊泡相互作用过程中仍然维持原始伸展的双螺旋构象。核磁共振氢谱结果显示,随着DNA的加入,C14TAL和C16TAL阴阳离子囊泡体系中均存在明显的阴离子表面活性剂从囊泡中解离的现象,但类似现象并未在C12TAL体系中出现。琼脂糖凝胶电泳结果显示,阴／阳离子表面活性剂之间的静电相互作用强于DNA与阳离子表面活性剂之间的相互作用。因此,阴离子表面活性剂的解离不能仅仅归结于DNA加入所引起的静电竞争效应,而是很大程度上取决于参与形成囊泡的阴／阳离子表面活性剂之间的几何构象匹配度。相关研究可为选择合适的载体用于基因治疗或基因转染提供理论指导。第七章：制备出一种含有特殊伸展管状形貌并兼具光响应与磁响应性质的阴阳离子囊泡。该微观结构由阳离子表面活性剂azoTAFe (C2H5O-azobenzene-OC2H4N+-(CH3)3[FeCl3Br]-)与阴离子表面活性剂Texapon N70(CH3(CH2)11-(CH2CH2O)2.5SO3+Na+)在水溶液中自组装形成。该阴阳离子囊泡可作为一种良好载体用以控制DNA的负载,迁移以及释放。囊泡的特殊管状形貌使之拥有目前所报道的所有含盐阴阳离子囊泡中最强的DNA负载能力。囊泡的强磁性不仅使其能够有效地磁化DNA并控制基于磁场的DNA靶向运输,而且可以在外加磁场存在下显著提升其自身的DNA负载能力。阳离子表面活性剂的光响应性质可用于调控囊泡的形成与解离,从而可帮助实现可逆的DNA捕捉与释放。细胞毒性化验结果显示,该阴阳离子囊泡具有良好生物相容性。第八章：报道了一种非常简单的方法,仅仅通过在磁性阳离子表面活性剂CTAFe存在下利用硼氢化钠还原氯金酸,即可通过一步表面修饰制备出兼具高效与高灵敏性的磁性纳米金颗粒。我们所制备的磁性金纳米颗粒能够通过静电相互作用有效结合DNA与蛋白质,从而使所形成的纳米颗粒/生物大分子复合物通过外部磁场进行有效控制,并诱导其迁移至磁场附近。此外,借助金颗粒作为载体可以帮助有效富集表面活性剂CTAFe的正电荷,使所制备的磁性金纳米颗粒相比CTAFe (C16H33N+(CH3)3[FeCl3Br]-)能够以更低剂量压缩DNA并相应获得更高的压缩效率。在磁场中,磁性金纳米颗粒也能够赋予生物大分子高迁移效率。与纳米颗粒表面的相互作用通常容易破坏生物大分子的天然构象,继而影响其后续功能,本体系中,DNA与蛋白质的天然构象可通过控制纳米颗粒与生物分子的化学计量比从而获得有效保护。第九章：基于所制备的一步修饰超细(<2 nm)磁性纳米金颗粒构筑了一种基于低强度(0.25 T)磁场的高效DNA与蛋白质运输平台。超细磁性金纳米颗粒由在弱氧化性磁性阳离子表面活性剂CTACe (C16H33N+(CH3)3[CeCl3Br]-)或CTAGd (C16H33N+(CH3)3[GdCl3Br]-)存在下,利用硼氢化钠还原氯金酸制得。超细磁性纳米金颗粒非常罕见。它能够作为载体有效富集磁性阳离子表面活性剂的正电荷,从而显著增强表面活性剂与电负性DNA和蛋白质之间的静电相互作用。因此,能够以极低剂量压缩DNA或沉淀蛋白质。此外,表面修饰的大量阳离子表面活性剂能够赋予金纳米颗粒强磁性,使纳米颗粒能够有效磁化这两种生物大分子并以出色的效率控制它们在磁场中迁移。