PEI 형질전환 시약의 배경
약 50년 전, 시어도어 프리드먼과 리처드 로블린은 "결함 있는" DNA를 대체하기 위해 "좋은" 외인성 DNA를 사용하여 인간의 유전 질환을 치료하는 것을 제안했는데, 이는 유전자 치료의 초기 아이디어였습니다. 나출된 DNA는 뉴클레아제에 의해 쉽게 분해되기 때문에 연구자들은 수십 년 동안 안전하고 효율적인 전달 벡터를 개발해 왔습니다. 바이러스 벡터는 높은 형질감염 효율을 보였지만, 심각한 면역 반응, 제한된 운반체 크기, 그리고 높은 비용이라는 단점이 있었습니다. 결과적으로 양이온성 중합체, 리포좀, 덴드리머, 미셀과 같은 유기 운반체와 금속, 양자점과 같은 무기 운반체를 포함한 비바이러스성 벡터가 등장했습니다. 이러한 운반체는 합성이 용이하고 면역원성이 낮으며 핵산을 효율적으로 포장합니다. PEI는 이러한 맥락에서 개발되었으며 핵산 형질감염에 널리 적용되어 왔습니다.
그림 1. 핵산 전달에 사용되는 중합체 벡터
PEI 구조와 형질감염의 관계
PEI(폴리에틸렌이민)는 합성 방식에 따라 선형 PEI(lPEI)와 분지형 PEI(bPEI)로 존재합니다. 분자량이 같을 때 bPEI는 핵산을 더 효과적으로 압축하지만, lPEI는 독성이 낮고 생체 내 효율이 더 높습니다. 유리 PEI 사슬의 길이는 형질감염에도 영향을 미칩니다. 유리 사슬이 길수록 효율은 향상되지만 세포독성은 증가합니다. 형질감염 효율은 PEI 분자량과 양의 상관관계를 가지며, 독성은 반비례합니다.
그림 2. 선형 및 분지형 PEI의 구조
PEI 형질감염의 메커니즘
PEI는 pDNA, miRNA, siRNA 전달의 "골드 스탠다드"로 간주됩니다. PEI는 음전하를 띤 핵산을 양이온 복합체로 압축하여 음전하를 띤 세포 표면 프로테오글리칸에 결합하고 엔도사이토시스를 통해 세포 내로 유입합니다. 초기 엔도솜으로 흡수된 후, 세포질이나 핵으로 빠져나가는 과정이 필요합니다. 이를 촉진하는 두 가지 메커니즘은 다음과 같습니다.
- 막 천공 - PEI는 음이온성 엔도솜 지질과 상호 작용하여 막을 형성합니다.
- 삼투압 팽창/파열 - PEI의 비양성자화 아민은 양성자 스펀지 역할을 하여 양성자 유입과 엔도솜 팽창을 일으켜 파열을 일으킵니다.
그림 3. 핵산의 생체 내 전달
RNA는 세포질로 방출되어 생물학적 작용을 하는 반면, DNA는 핵공을 통해 핵으로 이동합니다. PEI 복합체는 혈청 단백질과 비특이적으로 상호작용할 수 있으므로, 혈청이 없는 조건에서 복합체를 제조하는 것이 좋습니다.
참고문헌:
Cuiping Jiang, Jiatong Chen, Zhuoting Li, Zitong Wang, Wenli Zhang & Jianping Liu (2019): 안전하고 효율적인 유전자 전달을 위한 폴리에틸렌이민 기반 유전자 벡터 개발의 최근 진전, 약물 전달에 대한 전문가 의견 , DOI: 10.1080/17425247.2019.1604681
Alexandra S. Piotrowski Daspit, Amy C. Kauffman, Laura G. Bracaglia 외. 핵산 전달을 위한 고분자 운반체 [J]. Adv Drug Deliv Rev. 2020;156:119–132. doi:10.1016/j.addr.2020.06.014
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