李靜 謝家麗 李金玲 譚國(guó)鶴,,3 劉斯佳,,3
廣西醫(yī)科大學(xué)1廣西生物醫(yī)藥協(xié)同創(chuàng)新中心,2基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,3轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究中心“長(zhǎng)壽與老年相關(guān)疾病”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南寧530021)
神經(jīng)退行性疾病是以特異性神經(jīng)元損傷和認(rèn)知功能障礙為特征的疾病,主要包括阿爾茨海默?。ˋlzheimer′s disease)、帕金森病(Parkinson′s disease)、亨廷頓?。℉untington′s disease)等,隨著全球老齡化日益加重,該類(lèi)疾病的發(fā)病率逐年遞升,已經(jīng)發(fā)展為第三大類(lèi)危及生命的疾病,是老年人致死性最高的疾病也加重全世界社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1-3]。阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病病因復(fù)雜、發(fā)病機(jī)制未明確、病程漫長(zhǎng),血腦屏障(blood brain barrier)是神經(jīng)退行性疾病藥物開(kāi)發(fā)必須攻克的首要難題之一。血腦屏障存在于血液循環(huán)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間,主要由內(nèi)皮細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、周細(xì)胞、基底膜以及內(nèi)皮細(xì)胞之間的緊密連接組成[4-5],允許分子量小于400 Da,氫鍵數(shù)小于8 的小分子親脂物質(zhì)和藥物穿過(guò),選擇性地將有害或過(guò)量的物質(zhì)排出大腦,維持著大腦內(nèi)環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡[6]。幾乎所有的大分子藥物,包括多肽、重組蛋白、單克隆抗體、基于RNA 干擾技術(shù)的藥物以及大部分小分子藥物,不能通過(guò)血腦屏障[1,7]。隨著納米材料領(lǐng)域研究的不斷突破,納米技術(shù)和納米醫(yī)學(xué)在近十年來(lái)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,而應(yīng)用于神經(jīng)退行性疾病診療的納米藥物遞送系統(tǒng)是極具前景的技術(shù)突破。在這個(gè)系統(tǒng)中,納米顆粒是輸送藥物的優(yōu)良載體,其最出色的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在高比表面積(可提供較高的藥物載量)、離子表面帶電荷(有助于藥物結(jié)合或官能化)、可與配體(如抗體、靶向肽)結(jié)合實(shí)現(xiàn)靶向特異性[6]等方面,轉(zhuǎn)胞吞作用是納米顆粒穿透血腦屏障的主要運(yùn)輸機(jī)制[8]。近年來(lái)最重要的研究熱點(diǎn)之一就是如何利用納米材料的優(yōu)勢(shì),結(jié)合血腦屏障的解剖學(xué)和生理學(xué)特征,開(kāi)發(fā)新的腦內(nèi)藥物遞送系統(tǒng),達(dá)到穿透血腦屏障治療神經(jīng)退行性疾病的最佳效果。但是,納米材料種類(lèi)繁多,其大小、性質(zhì)和功能各異,因此應(yīng)用價(jià)值和技術(shù)難度也各不相同。本綜述通過(guò)描述納米材料的類(lèi)型、大小以及表面修飾等性狀,詳細(xì)介紹其近年來(lái)在常見(jiàn)神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病中的具體應(yīng)用及其研究進(jìn)展。
阿爾茨海默病是老年人群中最常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病之一[9]。阿爾茨海默病大腦內(nèi)修復(fù)神經(jīng)元的能力有限,會(huì)出現(xiàn)記憶力減退、抑郁、妄想和焦慮等嚴(yán)重的癥狀,淀粉樣蛋白-β(Amyloid-β,Aβ)聚集以及tau 蛋白過(guò)度磷酸化是阿爾茨海默病的病理標(biāo)志[10],但是迄今為止還缺乏特性的藥物,目前臨床上僅能使用膽堿酯酶抑制劑、重組單克隆抗體和神經(jīng)保護(hù)劑等方式進(jìn)行藥物治療,以通過(guò)防止乙酰膽堿的分解來(lái)提高其生物利用度,從而在一定程度上稍微緩解相應(yīng)的癥狀。由于阿爾茨海默病的致病機(jī)制尚未明確,目前藥物治療研究的焦點(diǎn)是如何預(yù)防或清除Aβ的形成或抑制Tau 蛋白磷酸化和聚集。而納米材料發(fā)揮其特有的物理、化學(xué)優(yōu)勢(shì),用于包封藥物或生物活性劑增強(qiáng)藥物穿透血腦屏障的能力,有望對(duì)抗Aβ對(duì)神經(jīng)元的毒性。
SALVATI 等[11]將鞘磷脂、膽固醇和磷脂酸通過(guò)擠壓法制備了磷酸化脂質(zhì)體,并在此基礎(chǔ)上通過(guò)生物素∕鏈霉親和素共價(jià)偶聯(lián)抗轉(zhuǎn)鐵蛋白受體,構(gòu)建出復(fù)合納米脂質(zhì)體,其帶負(fù)電荷,尺寸為(129.3±1.7)nm,對(duì)Aβ具有非常高的親和力,經(jīng)體外模型驗(yàn)證具有優(yōu)越的穿透血腦屏障的能力:與對(duì)照組相比,滲透率提高1.5 倍,并靶向Aβ。這說(shuō)明該系統(tǒng)可進(jìn)一步負(fù)載藥物用于阿爾茨海默病的治療。研究發(fā)現(xiàn),胰島素能提高阿爾茨海默病模型小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力[12],因此PICONE 等[13]利用聚乙烯吡咯烷酮和丙烯酸通過(guò)脈沖電離輻射制備羧基化聚乙烯吡咯烷酮納米凝膠載體,利用酰胺鍵共軛綴合胰島素構(gòu)建輸送胰島素到大腦的納米凝膠體系,體系尺寸是(112 ± 30)nm,表面帶負(fù)電荷。該載體既能保護(hù)胰島素不被蛋白酶降解并與胰島素受體結(jié)合穿透血腦屏障,穿透率是游離胰島素的2 倍,有效地抵抗Aβ的神經(jīng)毒作用。姜黃素是一種天然化合物,能與Aβ特異性結(jié)合,對(duì)血腦屏障具有保護(hù)作用[14]。此外,有研究發(fā)現(xiàn)姜黃素還能提高阿爾茨海默病模型小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力[15]。因此,CHENG 等[16]將FeCl3和FeSO4采用反向共沉淀法合成超順磁性納米粒子,利用聚乙二醇-聚乳酸通過(guò)瞬時(shí)納米沉淀法修飾超順磁性納米粒子,以便與姜黃素的羥基結(jié)合,構(gòu)建姜黃素磁性納米顆粒,該復(fù)合納米顆粒性狀穩(wěn)定、生物相容性強(qiáng)、尺寸是(93.4 ± 3.0)nm,體外血腦屏障滲透率實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其表觀滲透率是1.03×106cm∕s,經(jīng)鼠尾靜脈注射后體內(nèi)加權(quán)磁共振成像結(jié)果表明,姜黃素磁性納米顆粒能穿透血腦屏障并與Aβ結(jié)合,有望用于阿爾茨海默病的早期診斷。綜上所述,利用納米技術(shù)構(gòu)建的姜黃素藥物體系或許可成為阿爾茨海默病的診療一體化新藥物。
近來(lái),tau蛋白也越來(lái)越引起了人們的關(guān)注。它通過(guò)磷酸化調(diào)節(jié)微管蛋白的聚集與穩(wěn)定[17],其過(guò)度磷酸化和聚集會(huì)損害神經(jīng)元軸突,從而在阿爾茨海默病患者腦內(nèi)造成神經(jīng)變性和認(rèn)知缺陷異常。tau 蛋白與細(xì)胞線粒體的軸突運(yùn)輸有關(guān),tau 蛋白的異常會(huì)引起線粒體的氧化應(yīng)激與功能障礙[18-19]。最近也有研究顯示,Aβ通過(guò)PI3K∕AKT∕GSK3β信號(hào)通路激活GSK3β導(dǎo)致神經(jīng)元中的tau 蛋白過(guò)度磷酸化[20]。tau 蛋白與阿爾茨海默病的發(fā)病進(jìn)展關(guān)系密切,針對(duì)tau 蛋白設(shè)計(jì)新的納米遞藥系統(tǒng)將會(huì)對(duì)治療阿爾茨海默病發(fā)揮重要的意義。最近,WANG 等[21]用姜黃素處理巨噬細(xì)胞,通過(guò)超速離心法提取細(xì)胞分泌的包含姜黃素的外泌體,尺寸為(117.4±10.5)nm,帶負(fù)電荷,可攜帶巨噬細(xì)胞來(lái)源的淋巴細(xì)胞功能相關(guān)抗原,能與血腦屏障上的內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子相互作用,從而介導(dǎo)外泌體穿過(guò)血腦屏障,并靶向抑制tau 蛋白磷酸化,這很好地改善了岡田酸誘導(dǎo)的阿爾茨海默病模型大鼠的學(xué)習(xí)記憶情況。因此,外泌體作為天然內(nèi)源性納米載體遞送藥物,具有區(qū)別于其他納米材料擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),避免了單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)的清除以及免疫排斥,是極具前景的治療阿爾茨海默病藥物新載體。
帕金森病是老年人群中第二常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病,目前全球共有450 多萬(wàn)帕金森病患者,而我國(guó)帕金森病患者人數(shù)居世界第一[22],其社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)已超過(guò)950 億美元[23]。帕金森病患者中腦黑質(zhì)致密部的多巴胺能神經(jīng)元損傷丟失會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)或認(rèn)知障礙,包括震顫、運(yùn)動(dòng)功能減退、平衡減弱和身體僵硬等[24]。目前,帕金森病患者的治療方案以對(duì)癥治療為主,即預(yù)防或緩解相關(guān)的癥狀,其中首選的藥物是左旋多巴。但隨著療程的進(jìn)展,左旋多巴所需劑量也會(huì)增加,隨之就會(huì)產(chǎn)生更大的副作用,如抑郁、焦慮、失眠、躁動(dòng)、惡心和嘔吐等;因此,當(dāng)前階段的臨床方案是以深部腦電刺激(deep brain stimulation,DBS)為主[25]。不過(guò),DBS 也會(huì)引起脫靶效應(yīng),還能造成其他的神經(jīng)認(rèn)知副作用,而DBS 結(jié)合納米材料能更有效地發(fā)揮治療作用而盡可能地避免副作用。例如,GUDURU等[26]將CoNO3、FeNO3和BaTiO3合成CoFe2O4-BaTiO3磁電納米顆粒,尺寸約30 nm,經(jīng)尾靜脈注射,在外加磁場(chǎng)的引導(dǎo)下穿過(guò)血腦屏障,空間變化的外加直流磁場(chǎng)誘導(dǎo)CoFe2O4-BaTiO3磁電納米顆粒分布在整個(gè)大腦,有效地創(chuàng)造“新的腦微環(huán)境”,神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的固有電信號(hào)在亞神經(jīng)元水平上與外部磁場(chǎng)強(qiáng)耦合,實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)高效DBS,有助于精準(zhǔn)化治療晚期帕金森病。
由于多巴胺不能直接穿過(guò)血腦屏障,臨床上治療帕金森病多用多巴胺前體、多巴胺受體激動(dòng)劑等,長(zhǎng)期服用副作用大且會(huì)產(chǎn)生耐藥。PAHUJA等[27]利用聚乳酸羥基乙酸通過(guò)雙乳液溶劑蒸發(fā)法制備負(fù)載多巴胺的納米遞藥系統(tǒng),該系統(tǒng)尺寸為(119.7±2.69)nm,帶負(fù)電荷,穿透血腦屏障并內(nèi)化到大腦中,聚乳酸羥基乙酸包封不僅延長(zhǎng)多巴胺的半衰期,還具有緩慢和持續(xù)釋放多巴胺的功能,帕金森病模型大鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)實(shí)驗(yàn)組相比對(duì)照組運(yùn)動(dòng)情況改善且無(wú)其他器官毒性。膠質(zhì)源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子具有神經(jīng)保護(hù)和促進(jìn)神經(jīng)再生功能,由于其半衰期短以及難以穿透血腦屏障,其臨床應(yīng)用受到限制。HERNANDO 等[28]將甘油硬脂酸、辛∕癸甘油三酸酯利用融合法制備包被膠質(zhì)源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的脂質(zhì)體納米顆粒,轉(zhuǎn)錄反式激活因子肽與聚殼糖共價(jià)連接后包被在脂質(zhì)體表面構(gòu)建聚殼糖-脂質(zhì)體納米顆粒-轉(zhuǎn)錄反式激活因子肽-膠質(zhì)源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子遞送載體,該載體尺寸為(205.9 ± 6.3)nm,帶正電荷,經(jīng)鼻腔給藥利用轉(zhuǎn)錄反式激活因子肽介導(dǎo)穿透血腦屏障,在四氫吡啶誘導(dǎo)的帕金森病模型小鼠體內(nèi)研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組對(duì)比空白對(duì)照組小鼠的紋狀體中酪氨酸羥化酶纖維數(shù)量增加1.5 倍,黑質(zhì)中酪氨酸羥化酶神經(jīng)元水平增加3 倍,運(yùn)動(dòng)恢復(fù)情況改善2 倍,為治療帕金森病提供了新的技術(shù)手段。
在帕金森病腦內(nèi),路易小體是一個(gè)重要病理特征,其主要成分是α-突觸核蛋白,會(huì)導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元的凋亡[29],而通過(guò)基因治療抑制α-突觸核蛋白的過(guò)表達(dá)有望阻止該過(guò)程,從而發(fā)揮基因治療的效果。相關(guān)的基因治療可有病毒載體和非病毒載體兩種,相對(duì)于前者,納米金粒子有更為明顯的優(yōu)勢(shì):無(wú)毒、生物相容性好、小尺寸、高比表面積,便于修飾或加載基因產(chǎn)物穿透血腦屏障治療帕金森?。?0]。因此,HU等[31]用聚殼糖、金納米粒子、神經(jīng)生長(zhǎng)因子、質(zhì)粒DNA 通過(guò)靜電吸附和光化學(xué)固定合成金納米粒子復(fù)合物,其尺寸5 ~10 nm,帶負(fù)電荷,神經(jīng)生長(zhǎng)因子受體介導(dǎo)內(nèi)吞作用穿透血腦屏障,質(zhì)粒DNA 抑制α-突觸核蛋白的表達(dá),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這可以減少黑質(zhì)紋狀體多巴胺能神經(jīng)元的凋亡,在體外和體內(nèi)對(duì)帕金森病模型都具有良好的治療效果,有望成為一種很有希望的治療新策略。
亨廷頓病是一種常染色體顯性遺傳性神經(jīng)退行性疾病,編碼亨廷頓蛋白(Huntingtin,HTT)的基因中CAG 三核甘酸重復(fù)序列異常擴(kuò)增合成變異HTT 蛋白(mHTT),而mHTT 具有神經(jīng)毒性,在腦內(nèi)聚集影響尾狀核和殼核中型多棘神經(jīng)元的活性,進(jìn)而使患者出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知和精神障礙等癥狀,其發(fā)病率為1∕10 萬(wàn)[32-33],而且往往在發(fā)病15 ~20年后死亡。目前還沒(méi)有藥物可預(yù)防或阻止亨廷頓病的進(jìn)展,臨床上多用丁苯那嗪和奧氮平進(jìn)行一些對(duì)癥治療[34],輔助使用抗抑郁藥和抗焦慮藥[35]來(lái)控制癥狀,但這些藥物經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的副作用,因而使用納米材料結(jié)合中藥單體或生物源性物質(zhì)是開(kāi)發(fā)治療亨廷頓病新藥的一個(gè)新切入點(diǎn)。
固體脂質(zhì)體納米顆粒[36]和聚乳酸羥基乙酸[37]具有良好的生物相容性、可生物降解、緩釋及靶向作用等優(yōu)勢(shì),尤其后者已被美國(guó)FDA 批準(zhǔn)應(yīng)用[38]。這些納米材料已被研究用于亨廷頓病的治療。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),迷迭香酸可保護(hù)神經(jīng)元降低氧化應(yīng)激導(dǎo)致的損傷[39],因此BHATT 等[40]將大豆卵磷脂和迷迭香酸通過(guò)熱均化法制備負(fù)載迷迭香酸的固體脂質(zhì)體納米顆粒載體,平均尺寸為(149.2 ± 3.2)nm,帶負(fù)電荷,經(jīng)鼻腔注射穿透血腦屏障到達(dá)腦內(nèi),藥物濃度達(dá)5.69 μg,顯著改善3-硝基丙酸誘導(dǎo)亨廷頓病動(dòng)物模型大鼠的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力以及腦內(nèi)氧化應(yīng)激水平。腦內(nèi)膽固醇是內(nèi)源性合成的,游離膽固醇無(wú)法穿透血腦屏障,研究發(fā)現(xiàn)亨廷頓病模型小鼠腦內(nèi)的膽固醇水平下降[41-42],如果提高腦內(nèi)膽固醇水平,可能有效治療亨廷頓病疾病。所以VALENZA 等[43]以聚乳酸羥基乙酸為載體制備綴合糖肽和膽固醇的納米遞送載體,其尺寸為150~210 nm,帶負(fù)電荷,在糖肽的介導(dǎo)下穿透血腦屏障并擴(kuò)散至全腦,利用納米載體補(bǔ)充外源性膽固醇,這樣既不影響內(nèi)源性膽固醇的合成,又能有效改善亨廷頓病模型小鼠的運(yùn)動(dòng)情況及腦內(nèi)突觸傳遞。海藻糖是細(xì)胞、蛋白質(zhì)的一種保護(hù)劑,可抵抗環(huán)境壓力,阻礙蛋白質(zhì)聚集[44-45],其納米顆粒形式比其他的粒子形式能發(fā)揮更好的作用[46]。受此啟發(fā),DEBNATH 等[47]以疏水性γ-Fe2O3、磺基丙烯酸酯、氨基丙烯酸酯、聚乙二醇丙烯酸酯和海藻糖合成兩性海藻糖納米粒子,尺寸為20 ~30 nm,電荷隨溶液的pH 值變化而變化,在+6 mV 和-20 mV 之間,將兩性海藻糖納米粒子通過(guò)腹腔注射進(jìn)轉(zhuǎn)基因亨廷頓病模型小鼠中,其經(jīng)內(nèi)吞作用穿透血腦屏障,有效靶向突變亨廷頓蛋白并減少其聚集,從根本上抑制病理蛋白的聚集,改善了神經(jīng)細(xì)胞的功能;不過(guò)較為遺憾的是,該實(shí)驗(yàn)所用的納米顆粒組合物γ-Fe2O3是不可降解的,還需要進(jìn)一步解決這個(gè)技術(shù)問(wèn)題。如果下一步開(kāi)發(fā)出可生物降解的組分合成海藻糖納米粒子,則能很好地有效轉(zhuǎn)化到亨廷頓病的臨床應(yīng)用中。
隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已發(fā)展為精準(zhǔn)治療和個(gè)體化醫(yī)療,而納米材料因其自身優(yōu)勢(shì)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中有廣闊前景,深入研究神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制對(duì)篩選有效藥物會(huì)有更大的成功概率。在開(kāi)發(fā)神經(jīng)退行性疾病新藥領(lǐng)域中,聚乳酸羥基乙酸、固體脂質(zhì)體納米顆粒、超順磁性納米顆粒、納米凝膠等納米載體經(jīng)過(guò)修飾或綴合靶向分子通過(guò)靜脈注射或鼻腔遞送實(shí)現(xiàn)了無(wú)創(chuàng)穿透血腦屏障,達(dá)到了高效性和靶向性的藥物輸送。不過(guò)這些工作目前還多局限于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)性研究,還未進(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化的實(shí)際應(yīng)用;目前也缺少標(biāo)準(zhǔn)的操作方案以量化比較不同納米投遞系統(tǒng)的安全性、靶向性、有效性、可行性;同時(shí),對(duì)于這些納米遞藥系統(tǒng)在腦內(nèi)的具體分布,以及在循環(huán)系統(tǒng)中的代謝與毒性,都還并不明確。這些重要問(wèn)題的解決十分迫切,需要科研人員對(duì)這些腦靶向藥物遞釋系統(tǒng)進(jìn)行更為深入、透徹的研究,進(jìn)一步優(yōu)化納米材料的生物和化學(xué)性質(zhì),使得藥物更有效地穿透血腦屏障并內(nèi)化到腦內(nèi)遞送至病灶。這將為前述重要的神經(jīng)退行性疾病的有效診療帶來(lái)新的突破和希望。