曹 意，蔣 晨

(復(fù)旦大學(xué) 藥學(xué)院， 上海 201203)

引言

中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)相關(guān)疾病的發(fā)病率隨著人口老齡化而逐漸增加，然而相關(guān)治療技術(shù)的進(jìn)展卻十分緩慢。一方面，是由于CNS相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明；另一方面，則是由于跨越血腦屏障(blood-brain barrier, BBB)藥物遞送的復(fù)雜性：大腦中神經(jīng)元信號傳遞均通過復(fù)雜的突觸連接網(wǎng)絡(luò)發(fā)生，其準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于腦內(nèi)精細(xì)微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，而BBB在這一環(huán)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用。

BBB的內(nèi)皮細(xì)胞間存在一系列的緊密連接(tight junctions, TJs)與黏附連接，因而與其他組織的內(nèi)皮細(xì)胞相比，此處缺乏允許物質(zhì)自由擴(kuò)散的跨膜小孔，因而細(xì)胞間通透性明顯降低；該屏障的通透性受緊密連接和黏附連接等連接以及星形膠質(zhì)細(xì)胞(astrocytes)、周細(xì)胞(pericytes)、血管內(nèi)皮細(xì)胞(vascular endothelial cells)、神經(jīng)元(neurons)、小膠質(zhì)細(xì)胞(microglia)等幾種細(xì)胞的控制，TJs在腦內(nèi)的表達(dá)明顯強(qiáng)于外周組織；同時(shí)，由于腦毛細(xì)血管被周細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞包裹，內(nèi)皮細(xì)胞之間存在高電阻，只有水、部分氣體及脂溶性化合物等小分子才能經(jīng)被動擴(kuò)散途徑穿越BBB，而具有高電荷、極性和親水性的大分子(如葡萄糖、氨基酸和大多數(shù)藥物)的運(yùn)輸則必須經(jīng)主動運(yùn)輸途徑并依賴特定的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白才能進(jìn)入腦內(nèi)。除了上述“物理屏障”，BBB還具有明顯高于外周組織的外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、高度特化的神經(jīng)血管單元及酶系，分別形成“運(yùn)輸屏障”、“免疫屏障”和“代謝屏障”。上述因素均使藥物跨越BBB受到極大的限制，這也使腦靶向藥物遞送成為了一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。

為了有效地將藥物遞送入腦部，研究人員目前已經(jīng)開發(fā)了多種策略，包括對藥物本身及其前藥進(jìn)行化學(xué)修飾、暫時(shí)開放緊密連接、神經(jīng)外科手術(shù)介入及NPs介導(dǎo)的藥物遞送等。然而，通過改變滲透壓、形成微泡及超聲波暫時(shí)開放緊密連接均存在較大風(fēng)險(xiǎn)：它們可能破壞BBB的完整性，并在開放緊密連接的過程中導(dǎo)致藥物與血液中其他分子及毒素非特異性地進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

相比上述侵入式治療手段，納米顆粒(nanoparticles，NPs)輔助跨越BBB的藥物傳遞是一種相對有效而又安全溫和的手段。第一種將藥物運(yùn)送到腦部的NPs是六肽達(dá)拉精 (Tyr-D-Ala-Gly-Phe-Leu-Arg)[1]。發(fā)展至今，經(jīng)NPs載體遞送的藥物已涵蓋肽[2]、蛋白質(zhì)[3]、核酸[4]、抗體[5]、抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物[6]等多個(gè)門類?？傮w而言，NPs給藥具有許多優(yōu)點(diǎn)，主要包括無創(chuàng)、低成本，具有良好的生物降解性和長期穩(wěn)定性，易于合成且靶向效率高，同時(shí)具有載藥和釋藥的高度可控性[7-8]，因而在腦靶向藥物遞送領(lǐng)域具有令人興奮的應(yīng)用前景。

理解腦靶向藥物遞送的關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè)，一是剖析靶標(biāo)(作用對象)，二是操控藥物及對應(yīng)載體(作用方式)。基于這一思路，下文即從BBB基本的生理結(jié)構(gòu)出發(fā)，探討跨越BBB的難點(diǎn)；接著闡述NPs主要類型及自身特性，挖掘應(yīng)用NPs進(jìn)行腦部遞藥的可能途徑，并對用于腦靶向遞藥的NPs的主要類型及具體遞藥策略進(jìn)行詳細(xì)的探討。

1 BBB基本結(jié)構(gòu)及功能

BBB是大腦維持正常功能不可或缺的生理屏障，它能將腦內(nèi)毛細(xì)血管與組織細(xì)胞有效分隔，并通過嚴(yán)格限制各類化合物進(jìn)出、阻止有害化合物從血液入腦來維持CNS的穩(wěn)態(tài)，而這一屏障功能與BBB的生理結(jié)構(gòu)及其分子組成密切相關(guān)。BBB由內(nèi)向外依次由腦內(nèi)皮細(xì)胞、高度特化的基底膜、大量嵌入基底膜的周細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞(圖中未標(biāo)出)組成(圖1)。其中，內(nèi)皮細(xì)胞為BBB的核心組成結(jié)構(gòu)，其細(xì)胞連接可根據(jù)分子特征分為緊密連接和黏附連接兩種類型。BBB的結(jié)構(gòu)完整性由黏附連接維持，它由血管內(nèi)皮、鈣黏蛋白、肌動蛋白和連環(huán)蛋白組成。而BBB的主要功能則是由緊密連接維持的，它們主要負(fù)責(zé)通過BBB的滲透性。BBB的緊密連接主要由3種整合膜蛋白組成：封閉蛋白(occludin)、克勞丁(claudin)和連接黏附分子。除此之外，BBB 中還存在細(xì)胞質(zhì)輔助蛋白，如封閉帶(zonula occludens, ZO1、ZO2、ZO3等)、扣帶蛋白(cingulin)等。成人的BBB 由復(fù)雜的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)組成，該系統(tǒng)的主要成分是腦內(nèi)皮細(xì)胞、高度特化的基底膜、大量嵌入基底膜的周細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞周足(圖 1)。星形膠質(zhì)細(xì)胞可以通過多種方式調(diào)節(jié) BBB 功能：(i) 通過強(qiáng)化緊密連接調(diào)節(jié)“物理屏障”；(ii) 通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)和極化調(diào)節(jié)“運(yùn)輸屏障”；(iii) 通過專門的酶系統(tǒng)調(diào)節(jié)“代謝屏障”。周細(xì)胞參與調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞中BBB特異性基因的表達(dá)模式并誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞末端的極化。

圖1 血腦屏障的組成及基本結(jié)構(gòu)Fig 1 The composition and basic structure of blood-brain barrier

BBB在發(fā)揮正常生理功能、保護(hù)腦內(nèi)微環(huán)境穩(wěn)態(tài)的同時(shí)，也給靶向腦部的藥物遞送造成了困難。如上文所述，BBB內(nèi)的各類細(xì)胞構(gòu)成了多重實(shí)體屏障層，而它們又憑借其獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)和分子組成，形成了一系列功能性屏障層：1)緊密連接、黏附鏈接、間隙連接通過減少離子和其他親水性溶質(zhì)經(jīng)細(xì)胞旁通路的滲透，形成“物理屏障”。2)在腦血管內(nèi)皮細(xì)胞表面存在一系列膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，參與腦部營養(yǎng)物質(zhì)(包括葡萄糖和氨基酸)的運(yùn)輸和代謝廢物的清除，ATP-盒式轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ATP-binding cassette)則介導(dǎo)許多潛在毒物(包括親脂性化合物)的主動外排，形成“運(yùn)輸屏障”。囊泡主要通過吸附和受體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)胞吞作用調(diào)節(jié)某些較大分子(包括肽和蛋白質(zhì))的轉(zhuǎn)移。載體和囊泡系統(tǒng)的結(jié)合有助于運(yùn)輸屏障的功能行使。3)細(xì)胞內(nèi)外酶的“代謝屏障”能進(jìn)一步增強(qiáng)對腦部的保護(hù)水平，在運(yùn)輸過程中及時(shí)代謝干擾性及毒性化合物。4)同時(shí)，內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)血管單元(neurovascular unit)的其他元素的特化還有助于調(diào)節(jié)血源性白細(xì)胞的流動，從而形成“免疫屏障”。上述多種屏障的存在使腦靶向藥物遞釋面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而NPs的出現(xiàn)和逐步發(fā)展則為跨越這些屏障帶來了巨大的機(jī)遇。

2 納米材料載體類型

NPs具有粒徑小、可改造性強(qiáng)的特征，有助于提高藥物生物利用度和穩(wěn)定性，促進(jìn)靶位的藥物濃集，減少外周毒素的釋放。同時(shí)，由于NPs在形狀、大小、疏水性、涂層、化學(xué)和表面電荷方面均具有高度的可調(diào)節(jié)性，基于上述特征的修飾與調(diào)控有助于進(jìn)一步提升 NPs 的靶向性能，使其包載的藥物在血液循環(huán)過程中高度穩(wěn)定，而達(dá)到藥物遞送區(qū)域時(shí)能夠精準(zhǔn)、迅速釋放藥物；同時(shí)，NPs還有望進(jìn)一步提高 BBB 的滲透效率，幫助遞藥系統(tǒng)逃離網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的監(jiān)視[9-10]。目前用于腦靶向遞送系統(tǒng)的NPs可根據(jù)化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)分為3種主要的類型：聚合物型、仿生型和無機(jī)型。下文將就這3類NPs的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

2.1 聚合物型(polymeric-based)NPs

聚合物NPs在跨越BBB遞藥方面有較為明顯的優(yōu)勢，它們通過靜電力或共價(jià)結(jié)合的方式與藥物相互作用，將藥物包裹于聚合物內(nèi)核或鑲嵌于聚合物內(nèi)部，從而增強(qiáng)藥物穩(wěn)定性，延長藥物在體內(nèi)循環(huán)時(shí)間，減少體內(nèi)藥物的酶促和水解反應(yīng)(即前面所述的“代謝屏障”)，提高藥物的生物利用度[11]。最重要的是，利用恰當(dāng)修飾的聚合物NPs包載藥物，可以促進(jìn)藥物在腦部的靶向濃集[12]。聚(丙交酯-共-乙醇酸)(PLGA)、聚乙二醇(PEG)和聚乳酸(PLA)是3種常見的基于聚合物的載體[13]。其中，PLGA NPs具有低毒、高生物相容性和高度可控的藥物釋放等優(yōu)點(diǎn)[14]。此外，PLGA NPs可以避免藥物溶解性不良和BBB非特異性吸收的問題。例如，Ghosh 等人已經(jīng)證明了PLGA NPs 跨越 BBB的運(yùn)輸用于治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤的可行性，并且實(shí)現(xiàn)了理想的藥物溶解度和遞釋途徑特異性[15]。在其實(shí)驗(yàn)中，一種針對生長抑素受體 2 (somatostatin receptor 2)的新型合成肽共價(jià)結(jié)合于PLGA NPs上，進(jìn)一步提高了 NPs的轉(zhuǎn)運(yùn)效率。結(jié)果表明，該系統(tǒng)有助于藥物進(jìn)入膠質(zhì)瘤內(nèi)部并成功誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。PEG和PLA NPs具有優(yōu)異的生物相容性，因而這類載體可以降低藥物的細(xì)胞毒性[16]。此外，可生物降解的PEG和PLA通常包覆在NPs表面作為“守門(gatekeeping)”層，從而實(shí)現(xiàn)藥物控釋。例如，Shen等人利用PLA作為活性氧(ROS)響應(yīng)性“守門人(gatekeeper)”涂覆于介孔二氧化硅NPs表面，可以改善高氧化應(yīng)激下的藥物釋放[13]。經(jīng)多層PEG包載的藥物可以使NPs在腦部被動擴(kuò)散，且PEG 具有較低的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)吸收，可以減慢 PEG NPs 的體內(nèi)清除速率[17]。因此，PEG常用于修飾聚合物載體以增加它們在系統(tǒng)中的循環(huán)時(shí)間，并在腦部實(shí)現(xiàn)高效滲透和更高的積累。研究人員利用 PEG 的這些特性，嘗試在 Au NPs 表面用PEG進(jìn)行修飾：PEG的生物穩(wěn)定性和生物相容性使NPs能在生理?xiàng)l件下于較長時(shí)間段內(nèi)在 BBB 兩側(cè)進(jìn)行物質(zhì)交換，從而促進(jìn)藥物在腦內(nèi)積聚。此外，在腦膠質(zhì)瘤的治療層面，利用癌細(xì)胞對酸不穩(wěn)定的特性，聚合物NPs還可以快速溶解于腦腫瘤細(xì)胞并在癌癥區(qū)域釋放藥物[18]。

盡管聚合物 NPs 在腦靶向藥物遞送中發(fā)揮了不可或缺的作用，但一些問題仍限制了其進(jìn)一步發(fā)展，人們也迫切地尋找著相應(yīng)的替代方案。目前亟待解決的問題主要與聚合物NPs的載藥性能有關(guān)：傳統(tǒng)的線性聚合物與BBB的相互作用位點(diǎn)相對較少，同時(shí)也缺乏特定的、大容量的載藥區(qū)。一些具有大比表面積的聚合物 NPs因能夠與藥物產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附作用，在載藥方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，因而逐漸被用于跨越 BBB 的藥物遞送。例如，樹枝狀聚合物是一種特殊的可拉伸聚合物，有助于人們精確控制其結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的線性聚合物相比，大量可控的官能團(tuán)均可結(jié)合于樹枝狀聚合物NPs表面[19]，提高聚合物的生物相容性、BBB 穿透能力、信號響應(yīng)性和腫瘤靶向特性。例如，利用4-[2-[[6-氨基-9-(N-乙基-β-d-呋喃糖胺基)-9H-2-嘌呤]氨基]乙基]苯丙酸鹽酸鹽(CGS) 可以激活A(yù)2A腺苷受體，暫時(shí)增加腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞之間的細(xì)胞間隙，從而使更多的NPs跨越BBB擴(kuò)散到腦側(cè)。此外，研究表明，增加樹枝狀聚合物的生成有助于延長遞藥系統(tǒng)血液循環(huán)時(shí)間并增加其在腦部創(chuàng)傷區(qū)的積聚[20]。然而，這些載體的一個(gè)潛在缺點(diǎn)是，如果不將其與熒光染料結(jié)合，就無法監(jiān)測大多數(shù)聚合物NPs在細(xì)胞中的位置。因此，聚合物NPs需要復(fù)雜的合成過程來連接熒光染料示蹤分子。近期，研究人員開發(fā)了一種基于聚[三苯胺-4-乙烯基-(P甲氧基-苯)] (TEB)的新型熒光聚合物NPs，避免了復(fù)雜的染料示蹤方法。此外，當(dāng)用不同的配體(如轉(zhuǎn)鐵蛋白、乳鐵蛋白和脂蛋白)修飾這類NPs之后，可觀察到其穿透BBB的效果得到了明顯改善[21]。

2.2 仿生型(biomimetic-based)NPs

用于藥物遞送的NPs常具有外源性，這使其極易被免疫系統(tǒng)識別，進(jìn)而激活下游的一系列免疫反應(yīng)，并很快經(jīng)肝腎清除。這也是導(dǎo)致部分NPs遞藥效果不甚理想的主要原因。因此，仿生 NPs遞藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)愈發(fā)受到關(guān)注。這類NPs可以準(zhǔn)確識別并靶向配體，同時(shí)材料的仿生性給予其良好的生物穩(wěn)定性，使其能長期參與血液循環(huán)且不易被降解[22]。例如，殼聚糖是一種典型的仿生型NPs材料，它通過部分脫乙酰作用從幾丁質(zhì)中提取，具備良好的生物相容性、生物可降解性，能夠有效開放細(xì)胞緊密連接，同時(shí)僅有極小的免疫原性，這使得它被廣泛用于仿生藥物的載體[23]。此外，一些天然囊泡(由生物膜形成)，如脂質(zhì)體、外泌體、紅細(xì)胞膜或白細(xì)胞樣(leuko-like)包被的納米顆粒，作為重要的仿生納米顆粒在腦靶向藥物遞送領(lǐng)域也受到了很高的關(guān)注[24]。上述材料普遍具有磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)，而這也是其高生物相容性的關(guān)鍵。此外，多功能或自組裝蛋白質(zhì)(如常用的轉(zhuǎn)鐵蛋白)也用于形成仿生納米囊泡用于藥物遞送[25]。基于蛋白修飾的納米材料也可增強(qiáng)細(xì)胞對藥物的吸收，并具有許多其他優(yōu)點(diǎn)，例如無毒、可生物降解、無抗原性、易于表面修飾等[26]。這些特性使基于蛋白修飾的NPs有潛力突破目前NPs遞藥系統(tǒng)的局限：利用特定功能的蛋白或多肽對仿生NPs進(jìn)行修飾，有助于進(jìn)一步提升遞藥系統(tǒng)的靶向特異性，增強(qiáng)治療效果，為目前經(jīng)靜脈注射仍無法穿透 BBB 的藥物遞送帶來轉(zhuǎn)機(jī)[27]。除了用蛋白修飾NPs，病毒樣 NPs(VLPs)是一種經(jīng)幾類病毒自組裝形成的非感染性衣殼蛋白 NPs，已被作為疫苗和藥物遞送候選物[28]。在此情形下，衣殼蛋白為封裝于其中的藥物提供了“特洛伊木馬(Trojan horse)”策略。Anand等人將工程化VLPs(作為納米載體)用于跨BBB轉(zhuǎn)運(yùn)，他們選擇鼠傷寒沙門氏菌噬菌體P22衣殼作為前體，將鎮(zhèn)痛海螺肽齊考諾肽轉(zhuǎn)運(yùn)到體外，通過內(nèi)吞策略成功跨越了BBB 模型[29]。

2.3 無機(jī)型(inorganic-based)NPs

無機(jī)NPs具有很高的穩(wěn)定性，通過控制材料和尺寸還能靈活調(diào)節(jié)其物理化學(xué)特性，使它在腦靶向藥物遞送方面有相對于聚合物和仿生NPs的獨(dú)特優(yōu)勢[30]。如今，具有不同結(jié)構(gòu)的多功能無機(jī)基納米顆粒已得到了廣泛的研究[31]。人們可以較為簡便地使用聚合物或特定配體修飾基于無機(jī)材料的NPs，以促進(jìn)藥物跨越BBB。二氧化硅納米粒子(Si NPs)成本相對較低，生物相容性好，質(zhì)量可控[32]，已被美國食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)為食品添加劑[33]。研究人員用乳鐵蛋白(Lf)修飾Si NPs并研究其在BBB模型中的粒徑依賴性遞送效率[34]，同時(shí)將PEG結(jié)合在Si NPs表面用于減少蛋白質(zhì)吸附。與裸露的Si NP 相比，這種Lf修飾的Si NP提高了藥物穿透BBB的效率，其中，直徑為25 nm的NPs具有最高的傳輸效率，幾乎是裸露Si NPs的4倍[35]。介孔Si NPs(mesoporous silica nanoparticles，MSN)作為多孔硅基材料，也廣泛用于藥物遞送系統(tǒng)：它們不僅沿襲了傳統(tǒng)Si NPs優(yōu)良的生物相容性，而且還具有高比表面積[36]，例如，Kuang等人研究了一種基于MSN的藥物遞送系統(tǒng)，用于神經(jīng)膠質(zhì)瘤的治療[37]。金納米材料是另一種可用于藥物遞送且具有巨大潛力的無機(jī)材料：作為理想的光熱療法候選材料，一些特殊的 Au NPs可以很好地吸收近紅外波段(NIR)的激光，從而在NIR的照射條件下將光能充分轉(zhuǎn)化為熱能，通過病灶局部放熱達(dá)到相應(yīng)的治療效果。Yin 等人使用基于Au的NPs來分離纖維狀A(yù)β(阿爾茨海默病的關(guān)鍵因素之一)[38]，結(jié)果表明，基于Au的NPs在NIR照射下能夠有效解離Aβ原纖維。此外，銀和二氧化鈦NPs也可被用于穿過BBB[39]。

3 腦靶向遞藥策略

3.1 細(xì)胞旁通路(paracellular pathway)和被動跨膜擴(kuò)散

內(nèi)皮細(xì)胞之間的緊密連接嚴(yán)重限制了親水性分子的細(xì)胞旁通路。因此，大多數(shù)分子必須通過跨細(xì)胞途徑才能穿過BBB。 然而，只有分子質(zhì)量低于400 u且氫鍵少于 8 個(gè)的小親脂性分子或小氣體分子(如 CO2或O2)才能通過跨膜擴(kuò)散自由擴(kuò)散通過BBB。此外，BBB內(nèi)皮細(xì)胞的胞飲作用較弱，進(jìn)一步抑制了分子向腦部的轉(zhuǎn)運(yùn)。由于小粒徑和親脂性在參與血液循環(huán)及腦部運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)中均相對少見，目前已知的經(jīng)該轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制運(yùn)輸入腦的物質(zhì)并不多，這也限制了經(jīng)該途徑介導(dǎo)的腦靶向遞藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展。

3.2 吸附作用介導(dǎo)的轉(zhuǎn)胞吞作用(adsorptive-mediated transcytosis，AMT)

AMT由帶正電配體與帶負(fù)電細(xì)胞膜之間的靜電相互作用引發(fā)，經(jīng)依賴網(wǎng)格蛋白(clathrin)的內(nèi)吞作用介導(dǎo)，從血液單向轉(zhuǎn)運(yùn)入腦。吸附作用介導(dǎo)的轉(zhuǎn)胞吞作用的起始步驟是通過內(nèi)吞作用攝取 NPs。細(xì)胞的內(nèi)吞作用分兩步進(jìn)行：第一步，使NPs粘附于細(xì)胞膜上；第二步，通過主動耗能途徑將NPs轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)。由此可見，NPs對細(xì)胞的粘附是胞吞作用順利進(jìn)行的前提，即細(xì)胞攝取水平受NPs與細(xì)胞膜之間初始親和力的影響。在生理環(huán)境中，由于質(zhì)膜上含唾液酸的糖蛋白的羧基和硫酸乙酰肝素蛋白聚糖的硫酸基呈極化分布，腦內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)外表面帶有負(fù)電荷。由于靜電相互作用，一些陽離子分子(如陽離子化白蛋白和麥胚凝集素)可能對內(nèi)皮細(xì)胞表面的陰離子位點(diǎn)具有相對強(qiáng)的結(jié)合親和力?；诖?，人們設(shè)計(jì)和開發(fā)了各種藥物遞送系統(tǒng)，通過與表面帶陽離子的分子(如殼聚糖[40])和白蛋白[41-42]結(jié)合，或以帶陽離子的聚合物為核心[43-44]負(fù)載各種藥物，從而使藥物轉(zhuǎn)運(yùn)入腦。一些陽離子分子如細(xì)胞穿膜肽(cell-penetrating peptide, CPP)[45]和單克隆抗體[40]不僅可以使聚合物帶正電荷，同時(shí)還可以產(chǎn)生其他功效，參與其他跨 BBB 的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。聚(丙烯亞胺)(PPI)和聚(乙烯亞胺)(PEI)是陽離子聚合物的兩個(gè)例子，它們能夠通過離子相互作用來縮合核酸，還能夠利用質(zhì)子緩沖能力從內(nèi)體(endosomes)中逃逸，從而有效地將基因遞送入細(xì)胞核[43]。上述藥物載體的內(nèi)吞作用即是通過 AMT 完成的。

除了考慮陽離子聚合物核心結(jié)構(gòu)，還可以將一些帶正電荷的多糖對聚合物進(jìn)行修飾，從而增強(qiáng) AMT 過程，提高藥物穿透BBB的效率。未經(jīng)修飾的兩親性聚合物中陰離子 PEG 層的屏蔽作用可能會削弱該系統(tǒng)穿透BBB的效果。因而，通過包裹低聚糖層有利于解除上述屏蔽作用，提升這類聚合物跨越 BBB 的能力[43]。研究表明，麥芽糊精NPs能夠在內(nèi)吞作用的早期階段與細(xì)胞膜的陰離子位點(diǎn)結(jié)合，并通過膽固醇依賴的胞吐作用過程成功穿透BBB[46]。另一種多糖——?dú)ぞ厶且部捎糜谠黾优c細(xì)胞表面的靜電相互作用。殼聚糖具有良好的生物相容性、可降解性及低毒性，它具有較強(qiáng)的細(xì)胞旁路通透性和黏膜粘附能力，最重要的是，它具備聚陽離子性質(zhì)，是一種極具前景的載藥基質(zhì)[40]。同樣，陽離子化白蛋白是細(xì)胞增殖的重要營養(yǎng)來源，可以制備為陽離子化白蛋白NPs[47]或用作構(gòu)建NPs球殼表面的材料[41，48-49]，以提高細(xì)胞攝取和內(nèi)皮跨越效率[49-50]。表1 列舉了可用于基于AMT的藥物遞送系統(tǒng)的主要NPs。

此外，在開發(fā)穿越BBB的載體時(shí)，我們不能僅考慮藥物遞送系統(tǒng)的zeta電位，藥物載體的脂溶性也是增強(qiáng)AMT的重要因素，因?yàn)閮?nèi)皮的脂質(zhì)膜結(jié)構(gòu)為脂溶性藥物提供了有效擴(kuò)散途徑[51]?；诖?，固態(tài)脂質(zhì)NPs(solid lipid nanoparticles，SLNs)[50]由于其具有良好的脂溶性以及可攜帶陽離子的表面，同時(shí)又具有良好的生物相容性、降解性及低毒性，并擁有更小的粒徑，使其已被廣泛用于穿越 BBB的遞藥系統(tǒng)。研究表明，在SLNs表面修飾牛血清白蛋白陽離子后，藥物攝取和遞送的速度能夠提高至與載體介導(dǎo)及受體介導(dǎo)的遞藥策略相近的水平[50]。

然而，表面帶正電荷的NPs在很多情況下并不適用于跨越 BBB 的藥物遞送系統(tǒng)：陽離子與細(xì)胞正常的生物膜表面相互作用時(shí)，可能對其產(chǎn)生一定的損傷，從而產(chǎn)生比中性表面更高的細(xì)胞毒性[41,55]?？紤]到藥物本身具有相對較高的細(xì)胞毒性，正電荷納米顆粒的毒性可能是由較高的細(xì)胞攝取量和載體中的藥物釋放所致。除此之外，AMT的靜電相互作用是非特異性的，NPs可能會在體內(nèi)隨機(jī)分布并極易被其他網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(如肺和肝臟)識別并捕獲，導(dǎo)致藥物在腦部的積累量降低，同時(shí)還易加劇對外周的毒副作用。同時(shí)，與受體介導(dǎo)的藥物遞送系統(tǒng)相比，AMT中納米顆粒與細(xì)胞膜的親和力也相對較低，這也是其在藥物遞送效率和特異性方面的局限性所在。

3.3 載體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)胞吞作用(carrier-mediated transcytosis，CMT)

CMT也是腦內(nèi)最常見的物質(zhì)運(yùn)輸機(jī)制之一。機(jī)體為了保證能將特定分子(如營養(yǎng)物質(zhì)或氨基酸)轉(zhuǎn)運(yùn)到大腦，在腦內(nèi)皮細(xì)胞的腔內(nèi)和基底外側(cè)均有相關(guān)的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)。根據(jù)BBB中的轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)的方向及底物的差異，大致可將CMT分為3類轉(zhuǎn)運(yùn)模式：1)從血液入腦的泵入系統(tǒng)(influx transport system)，該系統(tǒng)參與腦部必需營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸，包括葡萄糖、氨基酸和核苷酸；2)藥物外排泵(efflux pump)，該系統(tǒng)將外源性物質(zhì)泵出到循環(huán)血液，防止它們進(jìn)入大腦；3)從腦部入血的外排系統(tǒng)(efflux transport system)，該系統(tǒng)主要用于清除腦間質(zhì)液中的代謝廢物和神經(jīng)毒性化合物。這些系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)運(yùn)行，共同發(fā)揮支持、保護(hù) CNS的作用。其中，泵入系統(tǒng)能為腦靶向藥物的遞送創(chuàng)造機(jī)遇：首先，通過模擬對轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有高親和力的營養(yǎng)類似物，明確所要設(shè)計(jì)及合成的新分子的結(jié)構(gòu)；然后，將這些分子設(shè)計(jì)為結(jié)合在藥物載體表面的高親和力配體，進(jìn)而操控載體介導(dǎo)的胞吞作用，實(shí)現(xiàn) BBB的跨越。 然而，這種方法高度依賴于精細(xì)設(shè)計(jì)的藥物結(jié)構(gòu)，簡單地將藥物與另一種營養(yǎng)類似物分子偶聯(lián)并不能直接引發(fā)載體介導(dǎo)的胞吞作用。有研究經(jīng)己糖相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的途徑，成功實(shí)現(xiàn)藥物對 BBB 的跨越，從而引起了人們的關(guān)注。表2列出了使用載體介導(dǎo)的胞吞作用設(shè)計(jì)的藥物遞送系統(tǒng)。

葡萄糖是哺乳動物大腦代謝的主要能量來源，可經(jīng)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(glucose transporter，GLUT) 跨越BBB。葡萄糖不能由大腦神經(jīng)元直接合成，而大腦卻會消耗大量的葡萄糖(約占全身的 30%)[71]。為了確保腦部能量供應(yīng)，BBB處葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的密度相對較高，GLUT1在BBB的內(nèi)皮細(xì)胞中以糖基化形式高度表達(dá)[72]。前面提到，通過己糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白穿越BBB具有可行性：研究人員將對氨基苯基-α-D-吡喃甘露糖苷(葡萄糖衍生物)[57-58]結(jié)合于脂質(zhì)體表面， 從而探究其跨越BBB的潛力。結(jié)果表明，細(xì)胞攝取在C6神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞和GLUT1及GLUT3過表達(dá)細(xì)胞中得到增強(qiáng)[57]。盡管經(jīng)CMT遞送的藥物分子量一般不大，但也有研究發(fā)現(xiàn)，分子量相對較大的葡萄糖衍生物仍然能夠穿過血腦屏障。Wu等[61-63]合成了一系列膽固醇的糖基衍生物， 使葡萄糖和膽固醇側(cè)鏈與PEG骨架結(jié)合。這些衍生物作為脂質(zhì)材料形成用于腦靶向的脂質(zhì)體藥物遞送系統(tǒng)，都顯示出增強(qiáng)跨內(nèi)皮能力的潛力。其中，中等鏈長的PEG衍生物具有最強(qiáng)的大腦遞送能力。

表1 基于AMT的納米材料給藥系統(tǒng)Table 1 AMT-based NPs drug delivery systems

表2 基于CMT的納米材料給藥系統(tǒng)及其對BBB和腦部的影響Table 2 CMT-based NPs drug delivery systems

另一個(gè)載體介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)的例子是苯丙氨酸經(jīng)1型大型中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 (large neutral amino-acid transporter type 1，LAT1) 的轉(zhuǎn)運(yùn)。LAT1在BBB的管腔和離體膜側(cè)豐富且選擇性表達(dá)，顯示出比外周組織更高的底物親和力，并在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中過表達(dá)。上述特性均可指導(dǎo)LAT1 介導(dǎo)的靶向藥物遞釋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，NPs表面用LAT1特異性配體進(jìn)行修飾，有助于藥物在腦部及神經(jīng)膠質(zhì)瘤部位的積聚。此外，運(yùn)輸短鏈單羧酸(如乙酸)的單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)(monocarboxylic acid transport system，MCT)對于腦內(nèi)代謝也至關(guān)重要。MCT1是一種乳酸和其他單羧酸化合物的雙向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的管腔和管腔外膜上均得到鑒定。目前已有許多關(guān)于操縱這些載體以設(shè)計(jì)跨越BBB的新型藥物載體研究。氨基酸及其衍生物，如苯丙氨酸和色氨酸衍生物及谷胱甘肽結(jié)合于SLNs[65]、Pluronic F127共聚物NPs[64]和PLGA NPs[66-68]表面，分別用于研究 BBB 通透性和腦部積累。β-羥基丁酸修飾[69]和乳酸修飾[70]SLNs也得以研發(fā)。與空白NPs相比，修飾后的NPs都具有更高的BBB 滲透率，并且在大腦中有更高的積累。

然而，當(dāng)存在兩種或多種營養(yǎng)素或其類似物時(shí)，營養(yǎng)物與其相應(yīng)的類似物產(chǎn)生競爭效應(yīng)，可能會影響藥物經(jīng)該運(yùn)輸途徑的效率。例如，將2-脫氧-d-葡萄糖結(jié)合在聚乙二醇-共聚三亞甲基碳酸酯NPs(D-Glu NPs)上后，該遞藥系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的 BBB 穿透能力，并能在神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中積聚；然而，隨著葡萄糖濃度的升高，體外模型中藥物的轉(zhuǎn)運(yùn)率和 D-Glu NPs的細(xì)胞攝取量均明顯降低[56]。

3.4 受體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)胞吞作用(receptor-mediated transcytosis，RMT)

相比上文介紹的AMT， RMT對結(jié)合部位的特異性和親和力都更強(qiáng)。這是由于經(jīng)RMT介導(dǎo)的相互作用都具有高度選擇性的靶標(biāo)，這也就意味著配體和受體之間將具有更高的特異性和結(jié)合親和力。RMT 始于配體與其受體的結(jié)合，接著是受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用，使得配體偶聯(lián)的藥物載體能夠進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部或跨細(xì)胞入腦。與AMT不同，RMT遞送系統(tǒng)的表面無需帶有正電荷，甚至可帶中性或負(fù)電荷，從而避免了陽離子給細(xì)胞帶來的巨大毒性。表3總結(jié)了基于 RMT 的NPs給藥系統(tǒng)。

表3 基于 RMT 的納米材料給藥系統(tǒng)Table 3 RMT-based NPs drug delivery systems

根據(jù)配體類型和應(yīng)用場景的不同，可將RMT的受體分為多個(gè)類別，如轉(zhuǎn)鐵蛋白(Tf)受體[53,82]、乳鐵蛋白(Lf)受體[77]、胰島素受體[81]、白蛋白結(jié)合蛋白[83]、低密度脂蛋白受體[78]和αvβ3和 αvβ5整聯(lián)蛋白[79]。其中， Tf受體是一種跨膜糖蛋白， 負(fù)責(zé)通過Tf的胞內(nèi)和胞吐作用攝取鐵，在毛細(xì)血管內(nèi)皮的腔膜中廣泛表達(dá)[82]，在大腦的內(nèi)皮細(xì)胞、上皮細(xì)胞、神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中均有分布[84]?；诖耍D(zhuǎn)鐵蛋白和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體單克隆抗體(如 OX26、R17217 和 8D377)是最常用于穿過 BBB 的藥物遞送載體的配體。轉(zhuǎn)鐵蛋白相關(guān)配體可與各種載藥基質(zhì)結(jié)合，例如人血清白蛋白納米顆粒74、聚乙二醇化脂質(zhì)體75、聚乳酸 (PLA)-D-PEG83和PLGA[76]。這些載體均使得藥物獲得了更強(qiáng)的BBB穿透能力和更快的運(yùn)輸速度。然而，由于游離Tf也遵循RMT機(jī)制，藥物遞送過程將受到其競爭性抑制[82]。同時(shí)，Tf 受體并非單向跨越，它具備雙向調(diào)節(jié)的機(jī)制。在腦部內(nèi)皮細(xì)胞外膜上的 Tf 受體可以作為大腦中鐵吸收和清除的“儲庫”和“調(diào)節(jié)器”，通過感知腦內(nèi)鐵濃度并調(diào)節(jié)管腔膜上 Tf 受體的表達(dá)及再循環(huán)率，從而相應(yīng)地增減血液中鐵-Tf的攝取[85]。當(dāng)腦內(nèi)鐵濃度較高時(shí)，將對經(jīng)Tf受體轉(zhuǎn)運(yùn)入腦的藥物遞送產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制，甚至導(dǎo)致已入腦的藥物反向泵出。

Lf是一種鐵結(jié)合糖蛋白，是轉(zhuǎn)鐵蛋白家族的成員，也可用作轉(zhuǎn)鐵蛋白受體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)胞吞作用的配體[77]。與雙向運(yùn)輸?shù)腡f相比，Lf為單向運(yùn)輸，因而在藥物遞送方面可能更具優(yōu)勢。當(dāng)與PEG結(jié)合的磁性納米顆粒被Lf官能團(tuán)化后注射到大鼠的血液中，在大腦中實(shí)現(xiàn)了更高對比度的血管磁共振成像，體現(xiàn)出Lf-Fe3O4NPs通過Lf受體介導(dǎo)途徑穿過BBB的能力[77]。另外，胰島素調(diào)節(jié)大腦中的葡萄糖代謝，其受體在腦血管內(nèi)皮細(xì)胞表面也有大量分布[86]。Pardridge等報(bào)道，與使用轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的配體相比，使用胰島素受體的配體具有更高的轉(zhuǎn)運(yùn)功效[87]；然而Ulbrich等在比較負(fù)載胰島素受體的人血清白蛋白NPs和轉(zhuǎn)鐵蛋白修飾的NPs或抗轉(zhuǎn)鐵蛋白受體單克隆抗體時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)功效沒有顯著差異[81]。

盡管RMT具有特異性和高親和力，但藥物載體仍有可能與外周器官受體結(jié)合，造成不良反應(yīng)。例如，與低分子量魚精蛋白結(jié)合的白蛋白NPs的目標(biāo)靶向?yàn)槟z質(zhì)瘤和腫瘤血管內(nèi)皮的白蛋白結(jié)合蛋白(例如 SPARC 和 gp60)。然而，在其他網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(如肺和肝臟)也能夠檢測到這種白蛋白標(biāo)記的結(jié)合[83]。

此外，在藥物載體系統(tǒng)中同時(shí)使用AMT和RMT對BBB的滲透性具有協(xié)同作用。例如，基于Pluronic的納米載體[54]即被用于研究這種協(xié)同效應(yīng)，用聚陽離子分子殼聚糖修飾來促進(jìn)AMT，同時(shí)用狂犬病病毒糖蛋白RVG29(一種細(xì)胞穿膜肽，同時(shí)也是煙堿型乙酰膽堿受體的配體)對NPs表面進(jìn)行修飾，并與單獨(dú)配體修飾的組別進(jìn)行對照，結(jié)果表明，帶有RVG29和殼聚糖的納米載體對BBB的滲透性最高，并滲透到大腦中[54]。

4 展望

目前涉及腦靶向納米藥物的臨床試驗(yàn)已在廣泛進(jìn)行，基于NPs的給藥系統(tǒng)領(lǐng)域目前已接近臨床應(yīng)用階段。盡管近幾十年來腦靶向NPs逐漸被人們接受并且取得了一系列技術(shù)突破，但靶向部位的局限性、較低的穿透效率、對BBB造成潛在損傷等問題，仍使NPs的進(jìn)一步推廣受到限制。研究人員正在提出多種策略，以期進(jìn)一步提升腦靶向NPs遞藥系統(tǒng)的性能，主要包括以下方向：

多功能(multifunctional)NPs：為了應(yīng)對生理、病理過程與藥物復(fù)雜的相互作用所帶來的挑戰(zhàn)，NPs的設(shè)計(jì)與構(gòu)架已經(jīng)歷了一系列革新。然而，一類NPs可以解決一種遞送障礙，但卻難以解決遞送全過程中的多重困難。例如，用于腦膠質(zhì)瘤治療的藥物遞送NPs，各步驟中的體積和表面特性(包括全身轉(zhuǎn)運(yùn)、腫瘤定位、細(xì)胞攝取和有效藥物釋放)很多時(shí)候不能同時(shí)滿足，甚至是相互矛盾的[88]。因而，通過對NPs表面進(jìn)行多重修飾，使其在不同階段、不同部位發(fā)生特異性響應(yīng)，有助于解決多過程中面臨的問題，從而使NPs實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的特異性及更高的遞藥效率。有研究基于谷胱甘肽響應(yīng)自發(fā)熒光納米凝膠、樹枝狀大分子介孔二氧化硅NPs和金NPs的組合，開發(fā)了一種可追蹤與細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境響應(yīng)的藥物遞送系統(tǒng)的光。這類新型雜交(hybrid)NPs遞藥系統(tǒng)，可以在各個(gè)階段有效地運(yùn)載、控制含巰基藥物進(jìn)入神經(jīng)元的釋放，并為未來的腦疾病治療提供光示蹤(light-traceable)監(jiān)測[89]。此外，有研究將聚合物和蛋白質(zhì)結(jié)合設(shè)計(jì)NPs遞藥系統(tǒng)，并指出由多個(gè)內(nèi)部隔室組成的新型聚合物/蛋白質(zhì)混合NPs有潛力成為基于納米藥物的聯(lián)合療法中極具吸引力的候選材料[90]。這種方法結(jié)合了合成 NPs的多功能性和靶向能力，同時(shí)還獲得了蛋白質(zhì)在內(nèi)皮網(wǎng)狀系統(tǒng)器官中優(yōu)異的循環(huán)能力和高度的生物相容性，同時(shí)還能通過基因工程靈活調(diào)整氨基酸序列，從而增加NPs的可調(diào)節(jié)性。

基于病理變化的NPs設(shè)計(jì)：上述NPs腦靶向遞藥策略利用腦組織和外周生理結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)的區(qū)別，靶向腦部特異的載體、受體等結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)藥物的穩(wěn)定性和對腦部的靶向特異性。與此同時(shí)，腦部疾病的發(fā)生、發(fā)展過程中存在一系列和正常腦組織明顯不同的病理特征。例如，神經(jīng)退行性疾病(阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病和肌萎縮側(cè)索硬化癥)的特征是中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同區(qū)域的神經(jīng)元逐漸喪失。 神經(jīng)元細(xì)胞的死亡會導(dǎo)致認(rèn)知、行為、感覺及運(yùn)動功能等障礙。神經(jīng)退行性疾病可由多種因素引起，如錯(cuò)誤折疊蛋白的積累、內(nèi)源性抗氧化酶活性的降低、線粒體功能障礙、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的缺乏、神經(jīng)炎性反應(yīng)以及各種遺傳因素突變[91]。因而，進(jìn)一步深入理解具體腦部疾病的發(fā)病機(jī)制和病理學(xué)特征，充分利用這類特征來定制靶向腦部病灶的NPs，將有助于減少對正常BBB的損傷，進(jìn)一步提升腦靶向NPs的特異性，開發(fā)靶向腦部受損區(qū)域的新型NPs 制劑[12]。

除此之外，近期研究還開發(fā)了一系列新型NPs，可能在未來進(jìn)一步促進(jìn)腦靶向遞藥系統(tǒng)的發(fā)展，包括 (i) 含抗氧化劑和 omega-3 脂肪酸的脂質(zhì)納米載體[92]； (ii) 提供持續(xù)控釋的多孔聚合物納米顆粒[93]； (iii) 神經(jīng)營養(yǎng)基因的非病毒基因載體[94]； (iv) 用于個(gè)性化醫(yī)療(personalized medicine)的診療納米載體[95]。 通過進(jìn)一步探究血腦屏障、腦部疾病的特征及各類NPs的藥理特性，相信在未來，腦靶向藥物遞送系統(tǒng)能得到更長足的發(fā)展，從而真正達(dá)到投入臨床使用的要求，為患者帶來福音。