血腦屏障開放方法的研究進(jìn)展

劉靜，解輝

（1.沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院2015級(jí)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)7班，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院組織胚胎學(xué)教研室）

近年來(lái)，神經(jīng)系統(tǒng)疾病已經(jīng)嚴(yán)重地危害人類健康。大腦本質(zhì)上是一個(gè)獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)，它擁有專門的抗感染防御體系和獨(dú)特的廢物清除程序。其中血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）是毛細(xì)血管壁與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞形成的血漿與腦細(xì)胞之間的屏障和由脈絡(luò)叢形成的血漿和腦脊液之間的屏障，這些屏障能夠阻止某些物質(zhì)（多半是有害的）由血液進(jìn)入腦組織，并且維持著大腦的能量供給和微環(huán)境的穩(wěn)定。大部分藥物很難通過(guò)BBB，近年來(lái)，大量研究表明，通過(guò)物理、化學(xué)和生物等方法可以開放BBB，從而促進(jìn)藥物進(jìn)入大腦組織。因此研究BBB的開放方法可以為臨床診療提供重要的依據(jù)。

1 藥物通過(guò)BBB的途徑

BBB主要由血管內(nèi)皮細(xì)胞、基膜和星形膠質(zhì)細(xì)胞組成，它可以維持腦內(nèi)微環(huán)境的穩(wěn)定，但同時(shí)也限制了藥物進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。藥物通過(guò)血腦屏障一般有兩條途徑：細(xì)胞旁途徑和跨細(xì)胞途徑。

1.1 細(xì)胞旁途徑 研究表明緊密連接（tight junction，TJ）是體內(nèi)BBB的重要組成部分，并且在調(diào)節(jié)細(xì)胞旁通透性方面起重要作用［1］。緊密連接蛋白主要包括 Claudins、Occludin和ZO蛋白（ZO-1、ZO-2 和 ZO-3）等［2］。他們的變化直接影響TJ的狀態(tài)，進(jìn)而影響B(tài)BB的細(xì)胞旁通透性。

1.2 跨細(xì)胞途徑 質(zhì)膜微囊蛋白（Caveolae）依賴的跨細(xì)胞途徑在藥物通過(guò)BBB的過(guò)程中起著重要的作用。Caveolae是細(xì)胞質(zhì)膜表面特異性的內(nèi)陷囊狀結(jié)構(gòu)，其功能是介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)小分子物質(zhì)和胞吞大分子物質(zhì)通過(guò)跨細(xì)胞途徑轉(zhuǎn)運(yùn)。Caveolins是膜整合蛋白，是Caveolin的基本成分，參與多種細(xì)胞功能的完成［3］。在腦內(nèi)，Caveolin-1、2主要表達(dá)在內(nèi)皮細(xì)胞，Caveolin-1是標(biāo)志性蛋白，在維持Caveolae的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能中起重要作用，而Caveolin-2具有協(xié)同Caveolin-1完成胞吞轉(zhuǎn)運(yùn)的功能［3］。

2 BBB開放的方法

開放BBB的方法多種多樣，本文主要從物理、生物、化學(xué)這三個(gè)方面具體闡述。

2.1 物理方法

2.1.1 聚焦超聲和微泡為導(dǎo)向 通過(guò)超聲介導(dǎo)的BBB開放，可能對(duì)腦功能障礙的治療有很大的影響［4］。BBB調(diào)節(jié)分子從脈管系統(tǒng)到腦實(shí)質(zhì)的通路，防止大多數(shù)靜脈注射的治療藥物到達(dá)腦組織，進(jìn)而維持大腦的微環(huán)境［5］。超聲可以通過(guò)繞過(guò)BBB的方法瞬時(shí)打開BBB［6］。當(dāng)超聲與靜脈診斷超聲造影劑、微泡相互作用時(shí)，會(huì)使它們?cè)诿}管系統(tǒng)中振蕩。微泡刺激大腦中的血管，導(dǎo)致BBB 短 暫 的 開 放 ，小 分 子 化 療 藥 物［7-9］、抗體［10-11］、基因傳遞載體［12-14］和干細(xì)胞［15］等均可以被傳遞。有研究發(fā)現(xiàn)用超聲來(lái)重復(fù)打開BBB，可以改善轉(zhuǎn)基因小鼠模型的記憶［16-17］。聚焦超聲短暫開放BBB的機(jī)制可能與空化效應(yīng)、微環(huán)境的紊流剪切作用及聲輻射力等有關(guān)［18-19］。為了解除空間分辨率不足的限制，有實(shí)驗(yàn)采用一種新型技術(shù)--“動(dòng)力空化成像”，在聚焦超聲的動(dòng)力空化引導(dǎo)下的BBB開放可以構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，在此過(guò)程中可能并不需要MRI引導(dǎo)［20］。

2.1.2 納米技術(shù) 研究表明，納米生物技術(shù)在不破壞BBB的情況下可控制靶向藥物的傳遞［21］。目前，幾種納米顆粒已被用于開放BBB。其中，聚合物納米粒子（NPs）是最有效的，使用NPs可以在不破壞BBB的情況下將藥物運(yùn)送至腦組織［22］。另一種為金納米粒子（Au-NPs），這種治療方法導(dǎo)致蘇氨酸磷酸化的occludin和ZO-1的水平降低，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞TJ的不穩(wěn)定性和蛋白酶體介導(dǎo)的TJ組成成分的降解，從而增加BBB的通透性［23］。

還有研究發(fā)現(xiàn)，使用一種納米激動(dòng)劑，可通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)一種在腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞上表達(dá)的G蛋白偶聯(lián)受體腺苷2A受體來(lái)暫時(shí)打開TJ；磁共振成像顯示，納米激動(dòng)劑給藥后，BBB通透性顯著增強(qiáng)，藥物攝取顯著增加，這種納米激動(dòng)劑介導(dǎo)的方法可暫時(shí)打開TJ，并不破壞其他組織，最大限度地減少了藥物的副作用［24］。由此可見(jiàn)，基于納米技術(shù)通過(guò)BBB的方法對(duì)于腦疾病的治療很有前景。

2.1.3 新型聲學(xué)集群療法（ACT） ACT是一種有前景的開放BBB的方法，最近已被用于治療小鼠前列腺腺癌的皮下腫瘤［25］。ACT可將微泡與液體油微滴通過(guò)靜電作用結(jié)合，在超聲場(chǎng)中激活時(shí)，微滴相轉(zhuǎn)移形成一個(gè)更大的氣泡，短暫地滯留在微血管中；進(jìn)一步的聲波作用誘導(dǎo)激活氣泡的體積振蕩，誘發(fā)生物力學(xué)效應(yīng)，增加BBB的通透性；ACT可使用比常規(guī)微泡低5～10倍的聲功率開放BBB，將小分子和大分子成功地輸送入大腦［25］。目前的研究表明，ACT開放 BBB的方式更安全，且明顯比常規(guī)微泡結(jié)合超聲的方法在BBB的開放中更有效。

2.1.4 沖擊波 Kung等［26］研究表明，使用臨床體外沖擊波儀器結(jié)合激光輔助雙軸定位平臺(tái)打開BBB，可實(shí)現(xiàn)大鼠腦內(nèi)無(wú)創(chuàng)、可控的病灶和可逆的BBB開放。在強(qiáng)度為 5［P-9.79 MPa，能量通量密度（EFD）0.21 mJ∕mm2］和脈沖重復(fù)頻率為5 Hz的沖擊波治療下，在沒(méi)有使用超聲造影劑的情況下BBB可以在50次沖擊后打開，從而可以精確地控制BBB開口的深度、尺寸和位置［26］。沖擊波誘導(dǎo)的BBB開放對(duì)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療將具有明顯的治療效果，BBB通透性的增加將使抗生素、化療藥物、生物制劑和其他大分子量的藥物等許多藥物通過(guò)BBB，為臨床藥物進(jìn)入BBB提供更多方式，并提高中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生物利用率，達(dá)到最佳的藥物治療濃度［26］。

2.2 生物方法

2.2.1 谷氨酸介導(dǎo) Vazana 等［27］研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)活體顯微鏡可發(fā)現(xiàn)復(fù)發(fā)性癲癇和過(guò)量谷氨酸的釋放通過(guò)激活NMDA受體導(dǎo)致老鼠大腦皮層的血管通透性增加，神經(jīng)元激活時(shí)使用高強(qiáng)度磁刺激可增加BBB通透性并促進(jìn)藥物的輸送；通過(guò)對(duì)比增強(qiáng)的磁共振成像技術(shù)，對(duì)BBB的通透性進(jìn)行定量評(píng)估并證明了刺激的安全性，這種新的機(jī)制可以增強(qiáng)藥物的傳遞，促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療。

2.2.2 組胺 Wang 等［28］建立體外血腫瘤屏障（BTB）模型，發(fā)現(xiàn)組胺可通過(guò)下調(diào)TJ相關(guān)蛋白ZO-1、Occludin和Claudin-5的表達(dá)水平而提高BTB的通透性，H2受體表達(dá)水平與組胺誘發(fā)的BTB通透性有關(guān)。然而組胺這一功能的潛在分子機(jī)制仍不清楚?；谝陨习l(fā)現(xiàn)，組胺在今后腦腫瘤疾病的治療中應(yīng)進(jìn)一步研究。

2.2.3 內(nèi)皮單核細(xì)胞激活多肽酶-Ⅱ（EMAP-Ⅱ） 許鑫等［29］研究表明，EMAP-Ⅱ能夠通過(guò)上調(diào)LINC00263，降低緊密連接相關(guān)蛋白的表達(dá)，增加BTB的通透性。還有研究顯示，小劑量EMAP-Ⅱ通過(guò) RhoA∕Rho激酶∕PKC-α∕β信號(hào)傳導(dǎo)途徑激活誘導(dǎo)BTB開放［30］。

2.2.4 生物制劑 有研究顯示，分子特洛伊木馬是一種多肽或多肽單克隆抗體，可結(jié)合BBB內(nèi)源性受體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)體，通過(guò)內(nèi)源性BBB受體的轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)BBB［31］。生物藥物在基因水平上與特洛伊木馬分子融合，產(chǎn)生融合蛋白，這種雙重功能的分子特洛伊木馬融合蛋白與BBB受體結(jié)合，轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入腦組織［32］。通過(guò)這種生物制劑進(jìn)入腦組織的藥物可以治療多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

2.2.5 Gintonin Gintonin 是一種人參衍生的 G蛋白偶聯(lián)溶血磷脂酸（LPA）受體的配體，它可以通過(guò)細(xì)胞旁途徑將不同分子量的分子輸送至大腦，在治療腦部疾病時(shí)，可通過(guò)Gintonin來(lái)增強(qiáng)藥物的療效［33］。

2.2.6 緩激肽和罌粟堿 研究表明，緩激肽可以與細(xì)胞表面特定受體結(jié)合，導(dǎo)致膜上鈣通道開放，進(jìn)而使cGMP水平升高，影響細(xì)胞旁途徑中TJ的開放，最終促使 BBB開放［34］。罌粟堿開放BBB的作用機(jī)制可能與抑制血管平滑肌上磷酸二酯酶活性使細(xì)胞內(nèi) cGMP水平升高有關(guān)［35］。

2.2.7 血糖 Anraku等［36］設(shè)計(jì)了一種自組裝的超分子納米載體，其表面具有適當(dāng)配置的葡萄糖，利用禁食后血糖快速升高，通過(guò)人葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1（GLUT1）顯著增強(qiáng)納米載體通過(guò)BBB，并在大腦內(nèi)積聚，納米載體表面上精確控制的葡萄糖密度能夠調(diào)節(jié)其在腦內(nèi)的分布。配體（葡萄糖）結(jié)合的納米載體通過(guò)外部觸發(fā)（葡萄糖）誘導(dǎo)GLUT1在細(xì)胞內(nèi)循環(huán)，從而促進(jìn)其進(jìn)入大腦。因此可以利用納米葡萄糖基來(lái)通過(guò)BBB，從而增加藥物療效。

2.2.8 冰片 中藥薄荷、冰片具有芳香開竅作用，可以提高BBB的通透性。冰片是一種小分子脂溶性，實(shí)驗(yàn)中給小鼠灌胃天然冰片5 min后即在腦內(nèi)測(cè)得冰片，60 min后濃度達(dá)到峰值，表明冰片極易透過(guò)BBB，其腦內(nèi)濃度與血清濃度有較高的比值［37］。另有研究表明，冰片開放BBB的作用可能與ICAM-1表達(dá)增加有關(guān)［38］。冰片開放BBB的能力可用于腫瘤的治療、腦損傷的修復(fù)、腦感染的治療和神經(jīng)系統(tǒng)的慢性疾病等。

2.3 化學(xué)方法

2.3.1 氧化石墨烯 有研究顯示，還原石墨烯氧化物（rGO）主要位于大鼠的丘腦和海馬區(qū)，rGO的進(jìn)入與BBB細(xì)胞旁通透性有關(guān)，實(shí)驗(yàn)研究了基體輔助激光解吸∕電離（MALDI）和質(zhì)譜成像（MSI）這種新的成像方法用于檢測(cè)納米材料在整個(gè)大腦中的時(shí)間分布的有效性。應(yīng)用MALDIMSI方法，rGO能夠隨著時(shí)間推移在大腦中被檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，并且可以成為治療由于BBB不通透性而通常對(duì)常規(guī)治療無(wú)反應(yīng)的各種大腦疾病的有用工具［39］。

2.3.2 PQQ的酯化 神經(jīng)退行性疾病對(duì)神經(jīng)元的選擇性損傷主要是由淀粉樣蛋白的積累引起的，研究表明，吡咯喹啉醌（PQQ）的酯化化合物PQQ-三甲酯（PQQ-TME）比PQQ有更高的BBB滲透率，且PQQ-TME對(duì)α-突觸核蛋白Aβ1-42和朊病毒蛋白的原纖化具有較強(qiáng)的抑制活性，表明PQQ的酯化可能是開發(fā)一種新型的基于PQQ的淀粉樣蛋白抑制劑的有效途徑，從而使其成為未來(lái)神經(jīng)退行性疾病治療的新選擇［40］。

3 BBB開放與疾病

BBB的開放與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療有關(guān)。通過(guò)各種方法開放BBB對(duì)治療這些疾病具有重大意義。

3.1 磁共振成像引導(dǎo)聚焦超聲開啟BBB與阿爾茨海默病 磁共振引導(dǎo)聚焦超聲與靜脈注射微泡相結(jié)合可短暫的打開BBB，并能減少阿爾茨海默病動(dòng)物模型中的β淀粉樣蛋白和tau蛋白病理，試驗(yàn)用聚焦超聲波來(lái)打開早期至中期阿爾茨海默病患者的BBB，沒(méi)有臨床或影像學(xué)的不良反應(yīng)，證實(shí)了此方法打開BBB是安全、可逆，并且可反復(fù)打開，具有高度的特異性和準(zhǔn)確性，提示了靶向更大體積的可能性［41］。這對(duì)治療阿爾茨海默病提供了更大的發(fā)展空間。

3.2 聚焦超聲誘導(dǎo)BBB開放與抗抑郁 在很多情況下，抑郁癥的治療與海馬神經(jīng)發(fā)生的聯(lián)系密不可分。誘導(dǎo)這種神經(jīng)發(fā)生的一種新技術(shù)是使用聚焦超聲波結(jié)合循環(huán)的微泡來(lái)打開BBB。使用嚙齒類動(dòng)物模型，對(duì)大鼠進(jìn)行每周1、2或3次的磁共振引導(dǎo)聚焦超聲波治療，以打開海馬區(qū)的BBB，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與未治療的對(duì)照相比，僅接受每周2次治療的大鼠顯示出抗抑郁樣作用，表明聚焦超聲有誘導(dǎo)短期抗抑郁的效果［42］。這種方法可能發(fā)展成為一種治療情緒障礙的新療法。

3.3 聚焦超聲誘發(fā)BBB開啟的基因療法與帕金森病 微泡（MBs）誘導(dǎo)聚焦超聲可以非侵入性開放BBB，允許治療物質(zhì)靶向進(jìn)入大腦組織。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（GDNF）是治療帕金森病的有效藥物，具有神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)作用 ，Lin 等［43］將 攜 帶 GDNF 基 因 的 脂 質(zhì) 體（LpDNA）與 MBs結(jié)合（LpDNA-MBs），以提高GDNF的輸送效率；LpDNA-MBs復(fù)合體和靶向性聚焦超聲同時(shí)施用誘導(dǎo)的BBB開放，可使LpDNA進(jìn)入到中樞神經(jīng)系統(tǒng)多巴胺能神經(jīng)元，成功表達(dá)GDNF以恢復(fù)多巴胺的正常分泌，可改善神經(jīng)元退化，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，并恢復(fù)帕金森模型小鼠的運(yùn)動(dòng)行為。這些結(jié)果表明，CNS基因遞送系統(tǒng)可作為潛在的治療方法，對(duì)治療神經(jīng)退行性疾病，如帕金森病、阿爾茨海默病和亨廷頓病等具有重要意義。

3.4 納米激動(dòng)劑介導(dǎo)的BBB通透性增加與腦缺血 缺血性卒中是世界范圍內(nèi)成人殘疾和認(rèn)知障礙的主要原因。一種納米激動(dòng)劑（NA）可通過(guò)在腦缺血中增加BBB的通透性來(lái)增強(qiáng)神經(jīng)保護(hù)劑的攝取。該NA首先靶向缺血性腦血管，通過(guò)激活腺苷2A受體暫時(shí)打開局部的BBB，并上調(diào)腦缺血時(shí)對(duì)神經(jīng)保護(hù)劑的攝??；NA顯著增加了自由基清除劑超氧化物歧化酶（SOD）向小鼠腦缺血的傳遞；與單獨(dú)使用SOD處理的小鼠相比，NA∕SOD聯(lián)合應(yīng)用使腦缺血體積減少了5倍，提高了治療反應(yīng)［44］。由于低效率的腦藥物傳遞是治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的一個(gè)普遍問(wèn)題，這種NA提供了一種新的策略，即以高效率和靶向特異性來(lái)通過(guò)BBB傳遞藥物提供治療，從而挽救大腦組織［44］。

綜上所述，BBB作為腦組織內(nèi)的一種重要結(jié)構(gòu)，不僅可以維持腦內(nèi)的微環(huán)境穩(wěn)定，同時(shí)，BBB的開放對(duì)于很多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療具有重要作用，以上研究表明，BBB的開放主要是通過(guò)TJ打開的細(xì)胞旁途徑的和質(zhì)膜微囊結(jié)構(gòu)蛋白介導(dǎo)的跨細(xì)胞途徑實(shí)現(xiàn)的，其相關(guān)的結(jié)構(gòu)蛋白改變是檢測(cè)BBB開放的重要依據(jù)。隨著各種生物技術(shù)的發(fā)展，研究者們發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的開放方法，并深入研究了其分子機(jī)制，以期形成完善的治療方案，早日解決神經(jīng)系統(tǒng)疾病的問(wèn)題。