基因療法是指將正常基因植入靶細胞代替病人細胞中的遺傳缺陷基因，或關閉、抑制異常表達的基因，以達到預防和醫療疾病目的的一種臨床醫療技術。在治療遺傳性疾病、惡性腫瘤、癌癥、艾滋病病毒（HIV）、關節炎、糖尿病、腺苷脫氫酶(ADA)缺陷癥、神經系統紊亂、心臟病等疾病方面，基因療法發揮著越來越重要的作用。
基因治療中最重要的一個環節是選擇適當的基因載體(Vector)。基因治療載體一般分為病毒性載體和非病毒性載體。目前在臨床研究中廣泛使用的病毒載體缺點是對外源基因的容納量少（約為4.5 – 30 kbp）、穩定性差、會引起免疫系統反應，此外在確保安全性上仍有些問題；目前非病毒性載體的研究越來越受到人們的重視。非病毒載體是新興的基因轉導系統，具有低毒、低免疫反應、外源基因整合幾率低、無基因插入片斷大小限制，以及使用簡單、制備方便、便于保存和檢驗等優勢。
脂質體作為常用的非病毒性載體容易制備，安全性高，卻難達到質控要求，體內基因導入效率低，且無靶向性，使得其應用受到限制。pH敏脂質體、陽離子脂質體等大大提高了脂質體的轉運效率。同時高分子載體、納米基因轉運體在基因治療中的應用，也為非病毒載體在臨床上的應用開辟了廣闊的前景。此外還有質粒DNA，作為一種新的非病毒轉基因載體，優點是安全可靠、穩定、對外源基因的容納量不限、不會引起免疫系統反應及易于生產等；缺點是基因表達的時間短、轉染效率較低等，但這些缺點可通過與失活的病毒載體聯合使用克服。
1 脂質體
脂質體是由脂雙分子層組成的顆粒，可介導基因穿過細胞膜。通過脂質體介導比利用病毒轉導進行基因轉移具有以下明顯的優勢:①脂質體與基因的復合過程比較容易;②易于大量生產;③脂質體是非病毒性載體，與細胞膜融合將目的基因導入細胞后，脂質即被降解，無毒，無免疫原性;④DNA或RNA可得到保護，不被滅活或被核酸酶降解;⑤脂質體攜帶的基因可能轉運至特定部位;⑥體外和體內試驗都表明，接近染色體大小的DNA片段也能被轉運至宿主基因組中并增長;⑦轉染過程方便易行，重現性好。
脂質體是具有雙層膜的封閉式粒子，自身聚集性脂類分子包封內水相介質，可分為大、小多層，寡多層和單室脂質體，醫學應用較多為小單室脂質體。基于脂質體作為藥物載體系統的經驗，理想的用于轉運基因的脂質體，對于質粒DNA具有高包封率，保護DNA不被血漿核酶降解的特點，它們粒徑分布范圍窄，粒徑平均為100 nm或者更小。為使脂質體接近血管外區域，故采用具有廣泛的結合潛力脂類，這種特殊脂類可促進與細胞膜融合和/或提高脂質體在循環系統中的穩定性。第1種為傳統上的脂質體，人們可控制其體外行為，但不能控制其體內行為，它們很快被滅活或被固定;第2種為無活性脂質體(即不與外界作用)，由于聚合物包封于表面的立體穩定性而抑制其相互作用;第3種脂質體表面結合抗原、凝集素或其他基團，由于表面結合的特定配基，也可特定地相互作用;第4種為反應活性脂質體，如離子型、靶敏感型和融合性脂質體，這種脂質體有時指相轉變的多孔脂質體，脂質體內有離子敏感亞基，Ca2+ 其他金屬離子敏感性脂質體，也包括陽離子脂質體，陰離子脂質體。陰離子脂質體不屬于有反應活性類，但特殊的試驗如試管內與相反電荷(多)離子相互作用例子除外[1]。
常規脂質體進入細胞轉運DNA實驗，其原理是脂質體增強細胞體的聚集，即加速大分子、荷電多的分子透過膜，該過程相當復雜，尤其在包封較大片段時，在實踐中這種技術只在體外使用且要用融合劑，荷電越多用途越少。
2 pH-脂質體
pH-脂質體是一種具有細胞內靶向和控制藥物(如基因、核酸、肽、蛋白質)釋放的功能性脂質體。其原理是pH低時可導致脂肪酯羧基的質子化而引起六角晶相的形成，這是膜融合的主要機制。在酸性條件下，即在核內體(endosome)形成后幾分鐘內，進入溶酶體之前， pH從7.4減至5.3時～6.3時，pH-脂質體膜發生結構改變，促使脂質體膜與核內體/溶酶體膜的融合，將包封的物質導入胞漿及主動靶向病變組織，避免網狀內皮系統的清除［2］。制成pH-脂質體可在一定程度上避免溶酶體降解并增加包封物攝取量和穩定性。
3 脂質體/ＤＮＡ復合體系
最常用的脂質體為陽離子脂質體，主要由帶正電荷的脂類和中性輔助脂類等摩爾混合。陽性電荷的脂質體與帶陰性電荷的DNA之間可以有效地形成復合物，通過內吞作用使復合物可進入細胞中。多聚物即利用陽離子多聚體如多聚左旋賴氨酸上的正電荷與DNA上的負電荷結合發生電性中和，而形成穩定的多聚物/DNA復合物。復合物仍帶正電荷，可與細胞表面帶負電荷的受體結合，而被攝入到細胞中。
研究人員對負電荷的DNA與正電荷的脂質體通過靜電相互作用形成的復合物的結構進行了廣泛深入的研究［3］。Ｒdler J O等［4］以同步輻照小角Ｘ射線衍射(SAXS)研究了λ噬菌體DNA與脂質復合物的結構。他們提出一種多夾層結構,DNA交替地嵌入到脂質雙層內形成二維近晶型液晶。試驗中發現結構參數隨DNA與脂質的配比而變化。Ｋuhn P S等［5］通過理論計算發現，陽離子表面活性劑的加入會產生協同結合轉變,且轉變點遠低于臨界膠束濃度,進一步加入陽離子表面活性劑導致復合物荷電性的逆轉。這對于體內基因釋放是十分有意義的,因為以往形成DNA復合物時需足夠高濃度的脂質體,但是高濃度的脂質體會產生毒性反應。Kuhn的理論模型表明，如果陽離子表面活性劑具有足夠的疏水性,則相當低的濃度會使DNA復合物電荷反轉,易于進入細胞膜,減小不必要的風險[6]。
4 陽離子高分子載體
陽離子高分子載體是通過電荷相互作用與帶負電的DNA分子形成聚電解質復合體（polyelectrolyte complexes）,復合物通過內吞或內噬作用進入細胞，在細胞內緊密的復合物可以保護DNA免受核酸酶的降解。一般細胞通過胞吞攝取DNA/高分子復合物。胞吞是一個復雜的過程，包括結合、內在化（internalization）、形成內體（endosome）、溶酶體融合和裂解等。內體中的pH為5.5，在pH為5～7的具有高緩沖力的陽離子高分子如聚乙烯亞胺（PEI）具有較高的轉染率。近年來各種天然和合成的陽離子高分子用作基因傳遞系統[7],包括PEI[8]、聚酰胺胺樹形高分子（dendrimer） [9]、脫乙酰殼多糖（chitosan）[10]、明膠[11]、陽離子多肽[12]、陽離子聚酯[13]、陽離子聚磷酸酯[14]、聚乙烯基吡啶鹽、聚（二甲氨基）乙基甲基丙烯酸酯等。
另外一些兩親性高分子如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯醇（PVA）和三嵌段聚合物PEO-TO-EO，其親水性部分通過氫鍵、范德華力等與DNA分子相互作用。疏水性部分覆蓋在DNA分子周圍，導致DNA表面具有一定疏水性PVP，PVA與DNA在生理鹽水中相互作用，可以在一定程度上增加DNA的穩定性[15]。
最近，兩名日本研究人員以螃蟹殼等所含的脫乙酰殼多糖為基礎，與要植入的基因結合在一起，成為一種DNA復合體，其表面還附著一層黏著乳糖氧化物或麥芽糖氧化物等糖鏈的聚乙二醇。由糖分子連接起來的糖鏈，特別是麥芽糖容易和細胞表面的蛋白質結合，從而能夠提高基因植入的效率。此外，這種新型載體帶有負電荷，因此不容易與血液里帶負電荷的蛋白質結合在一起形成血栓。
兩位科學家使用這種載體進行轉基因試驗時，把螢火蟲的基因植入到老鼠的特殊細胞里，結果表明，其效率比一般的載體要高約130倍。據專家認為，這一技術可應用到動、植物的轉基因操作及基因療法上。
5 納米基因轉運體
用納米生物技術治療惡性腫瘤是目前國際腫瘤研究領域的一個重要方向。有關專家已經研究出一批粒徑小、分布均勻、形態規則的納米基因轉運體。成功研制的這種納米基因轉運體將成為一種良好的基因治療載體，為人類最終攻克惡性腫瘤及其他遺傳性疾病奠定基礎[16]。常津等[17-8] 采用納米生物技術制備了一系列抗癌藥物的控釋載體,聚乳酸O-甲基殼聚糖用超聲波法制備成納米微球,并將其攜帶寡核苷酸轉染ＴＪ905人腦膠質瘤細胞,通過一系列的方法對細胞的轉染情況進行體外檢測,以探討其作為非病毒基因載體的可能性。聚乳酸和O-甲基殼聚糖是兩種性質不同的高分子材料,將二者結合作為新的非病毒基因載體有如下優點:①聚乳酸和O-甲基殼聚糖都是具有良好生物相容性和生物降解性的高分子材料,對人體無毒無害;②由于O-甲基殼聚糖帶正電荷,使其能通過靜電吸附作用攜帶帶負電荷的基因物質如寡核苷酸,從而通過空間位阻效應,防止體內ＤＮＡ酶對寡核苷酸的降解;③O-甲基殼聚糖為水溶性高分子,可解決基因載體制備和轉染過程中的沉淀問題;④O-甲基殼聚糖為多糖類物質,可與某些腫瘤表面的多糖受體結合,增加該類基因載體的腫瘤靶向性;⑤聚乳酸帶負電荷, O-甲基殼聚糖帶正電荷,將二者制備成納米微球,可調節微球結構中正負電荷的比例,從而降低由過強正電荷產生的載體本身的細胞毒性;⑥聚乳酸和O-甲基殼聚糖都是可生物降解的高分子材料,可通過納米生物技術達到基因的控制釋放,從而使基因治療達到最佳效果。
據最新的研究報道,殼聚糖/ＤＮＡ納米粒子在無配體受體相互作用下可穿過細胞膜。Chan V等[19] 過研究殼聚糖與二棕櫚酰甘油-3-磷酸膽酰(DPPC)膜雙層的相互作用,發現DPPC中的疏水鏈分子間和分子內相互作用力因殼聚糖與膜的強烈作用而顯著降低,殼聚糖也降低了酰基鏈二維堆積的有序性,使DPPC膜的擾動性提高,增加了DPPC雙層的流動性。這一實驗結果揭示了殼聚糖跨膜的機理。
朱詩國等[20] 同時應用有機和無機材料進行復合納米顆粒基因傳遞載體的研究，用微乳液法合成了硅納米顆粒(silica nanoparticle,SiNP)，并通過正交分析闡明了該體系中各組分對硅納米顆粒徑及其分布的影響。然后用多聚賴氨酸（poly-L-lysine,PLL）進行修飾，使SｉNP表面改性，發現制備的多賴氨酸硅納米顆粒能有效結合DNA，并能保護DNA免遭DNａｓｅI降解；進一步的細胞轉染研究表明，PLL-SINP具有較高的細胞轉染效率，是一種新型的非病毒納米DNA傳遞載體。
6 分子偶聯體
分子偶聯體（molecular conjugates）是外源DNA通過某種方式共價結合到細胞表面特異受體的配基或單克隆抗體或病毒胞膜蛋白等，利用特異的結合特性而介導外源基因導入到某一類型的細胞中。因為外源裸DNA或復合物在進入靶細胞后，DNA需要逃避內吞小泡、溶酶體及胞漿中核酸酶的降解與破壞，加之對其的一些物理化學性質仍不明了，研究人員仍需進一步努力，以解決基因治療所面臨的基因導入系統的問題。
此外，蛋白質多肽介導的基因轉導系統，為合成的陽離子多肽復合物載體系統。與陽離子脂質體相比，該系統具有更強的聚合DNA的能力，可靶向轉導外源性基因進入受體表達陽性的宿主細胞。最近的研究表明，它們可與DNA形成穩定的微顆粒并用于體內DNA的轉導。
客觀地講,非病毒載體系統仍存在著許多亟待解決的問題,諸如高分子的降解速率、細胞和基因毒性(genotoxicity)、DNA的酶解、跨越細胞膜的屏障、DNA從載體上解離和釋放，以及DNA轉染至目標細胞核內的障礙等[21]。
目前,非病毒載體系統所面臨的共同問題是，外源基因轉導到宿主細胞后表達時間短，且基因表達關閉的機制不明確[22]，同病毒載體相比，非病毒載體轉移效率不高，進入臨床還需要更深入的基礎研究，但無疑是未來研究的方向。