基因治疗已被认为是一种有望治愈先天性及恶性疾病的治疗手段。然而，目前递送载体还不能完全满足基因治疗的需求。传统的病毒载体具有较高的基因递送效率，但其潜在的免疫原性和致瘤性限制了其应用。非病毒载体如脂质体、聚阳离子等更加安全，但其体内基因递送效率低。因此，开发安全、高效的基因递送体系仍是基因治疗领域非常关键的问题。本论文，针对基因递送过程中所面临的困难，设计了一系列多功能小分子载体，并对其在体外和体内的基因递送行为进行了系统研究。
　　首先，受病毒核衣壳结构的启发，设计了一种具有自指示功能的类病毒小分子基因载体TR4。该载体能与pDNA组装为具有类似病毒形貌的纳米纤维结构，不仅能高效压缩并保护pDNA不受核酸酶降解，而且在包括肿瘤细胞、正常细胞和胚胎干细胞等多种细胞的转染中都表现出了很高的转染效率。其中，TR4在转染人宫颈癌HeLa细胞时，其转染效率达70%;而作为聚阳离子载体金标准的PEI，其转染效率仅为15%。此外，基于TR4的自指示功能，我们还能够通过激光共聚焦显微镜对载体的基因转染过程进行实时监测，可以为基因载体的优化及筛选提供重要依据。
　　进一步引入转铁蛋白(Tf)，开发了一种兼具主动靶向和自指示功能的类病毒TR4@siRNA@Tf三元复合体系。TR4主要模拟病毒的核衣壳，能够赋予体系自指示以及压缩siRNA的功能;外层的Tf主要模拟病毒的囊膜蛋白，它的引入不仅降低了体系的细胞毒性，而且赋予体系主动靶向的功能。此外，通过利用TR4的自指示功能，我们发现Tf的引入还能加快siRNA在细胞质中的释放。激光共聚焦显微镜结果显示，经过12h的转染，TR4@Tf主要分布于细胞膜上且仍能很好的共定位;而细胞质内出现了游离的siRNA。主要是因为Tf能够与细胞膜上的转铁蛋白受体相结合，削弱了TR4@Tf与siRNA的结合，从而加快siRNA的释放。因此，我们同时获得了基本结构和转染行为均类似病毒的体系。
　　最后，为实现小鼠肝部ApoB蛋白的沉默，构建了一种具有抗血清能力的氟化寡聚聚乙烯亚胺纳米组装体(fOEI NAs)用于siRNA的递送，并对其抗血清的机制进行了系统性研究。该fOEI材料能够形成形貌类似脂质体的纳米组装体。实验结果表明，fOEINAs在细胞水平具有高效的基因沉默效率以及优异的抗血清能力，而与其具有相似临界胶束浓度及表面电荷的烷基链修饰的OEI(aOEI-C12 NAs)却在血清的存在下基因沉默效率大幅下降。原因是fOEINAs具有降低血清蛋白吸附的功能，使其在血清存在下仍具有优异的细胞内吞及内涵体逃逸效率。而aOEI-C12NAs却在血清的存在下，吸附大量蛋白，使其发生聚集并且内涵体逃逸的效率大幅下降。此外，与细胞基因沉默结果一致，fOEINAs在体内沉默ApoB蛋白的效率也要远高于aOEI-C12NAs。该研究将为开发血清下高转染效率的载体提供重要参考。