穿越血腦屏障的納米載體應用于神經退行性疾病干預治療的研究進展

李靜 謝家麗 李金玲 譚國鶴，，3 劉斯佳，，3

廣西醫(yī)科大學1廣西生物醫(yī)藥協(xié)同創(chuàng)新中心，2基礎醫(yī)學院，3轉化醫(yī)學研究中心“長壽與老年相關疾病”教育部重點實驗室（南寧530021）

神經退行性疾病是以特異性神經元損傷和認知功能障礙為特征的疾病，主要包括阿爾茨海默病（Alzheimer′s disease）、帕金森?。≒arkinson′s disease）、亨廷頓?。℉untington′s disease）等，隨著全球老齡化日益加重，該類疾病的發(fā)病率逐年遞升，已經發(fā)展為第三大類危及生命的疾病，是老年人致死性最高的疾病也加重全世界社會經濟負擔［1-3］。阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病病因復雜、發(fā)病機制未明確、病程漫長，血腦屏障（blood brain barrier）是神經退行性疾病藥物開發(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)和中樞神經系統(tǒng)之間，主要由內皮細胞、星形膠質細胞、周細胞、基底膜以及內皮細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 的小分子親脂物質和藥物穿過，選擇性地將有害或過量的物質排出大腦，維持著大腦內環(huán)境的動態(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 干擾技術的藥物以及大部分小分子藥物，不能通過血腦屏障［1，7］。隨著納米材料領域研究的不斷突破，納米技術和納米醫(yī)學在近十年來取得了長足進步，而應用于神經退行性疾病診療的納米藥物遞送系統(tǒng)是極具前景的技術突破。在這個系統(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（有助于藥物結合或官能化）、可與配體（如抗體、靶向肽）結合實現(xiàn)靶向特異性［6］等方面，轉胞吞作用是納米顆粒穿透血腦屏障的主要運輸機制［8］。近年來最重要的研究熱點之一就是如何利用納米材料的優(yōu)勢，結合血腦屏障的解剖學和生理學特征，開發(fā)新的腦內藥物遞送系統(tǒng)，達到穿透血腦屏障治療神經退行性疾病的最佳效果。但是，納米材料種類繁多，其大小、性質和功能各異，因此應用價值和技術難度也各不相同。本綜述通過描述納米材料的類型、大小以及表面修飾等性狀，詳細介紹其近年來在常見神經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用及其研究進展。

1 穿血腦屏障的納米材料應用于阿爾茨海默病的干預治療

阿爾茨海默病是老年人群中最常見的神經系統(tǒng)疾病之一［9］。阿爾茨海默病大腦內修復神經元的能力有限，會出現(xiàn)記憶力減退、抑郁、妄想和焦慮等嚴重的癥狀，淀粉樣蛋白-β（Amyloid-β，Aβ）聚集以及tau 蛋白過度磷酸化是阿爾茨海默病的病理標志［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保護劑等方式進行藥物治療，以通過防止乙酰膽堿的分解來提高其生物利用度，從而在一定程度上稍微緩解相應的癥狀。由于阿爾茨海默病的致病機制尚未明確，目前藥物治療研究的焦點是如何預防或清除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、化學優(yōu)勢，用于包封藥物或生物活性劑增強藥物穿透血腦屏障的能力，有望對抗Aβ對神經元的毒性。

SALVATI 等［11］將鞘磷脂、膽固醇和磷脂酸通過擠壓法制備了磷酸化脂質體，并在此基礎上通過生物素∕鏈霉親和素共價偶聯(lián)抗轉鐵蛋白受體，構建出復合納米脂質體，其帶負電荷，尺寸為（129.3±1.7）nm，對Aβ具有非常高的親和力，經體外模型驗證具有優(yōu)越的穿透血腦屏障的能力：與對照組相比，滲透率提高1.5 倍，并靶向Aβ。這說明該系統(tǒng)可進一步負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習記憶能力［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，表面帶負電荷。該載體既能保護胰島素不被蛋白酶降解并與胰島素受體結合穿透血腦屏障，穿透率是游離胰島素的2 倍，有效地抵抗Aβ的神經毒作用。姜黃素是一種天然化合物，能與Aβ特異性結合，對血腦屏障具有保護作用［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習記憶能力［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-聚乳酸通過瞬時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合，構建姜黃素磁性納米顆粒，該復合納米顆粒性狀穩(wěn)定、生物相容性強、尺寸是（93.4 ± 3.0）nm，體外血腦屏障滲透率實驗發(fā)現(xiàn)其表觀滲透率是1.03×106cm∕s，經鼠尾靜脈注射后體內加權磁共振成像結果表明，姜黃素磁性納米顆粒能穿透血腦屏障并與Aβ結合，有望用于阿爾茨海默病的早期診斷。綜上所述，利用納米技術構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，tau蛋白也越來越引起了人們的關注。它通過磷酸化調節(jié)微管蛋白的聚集與穩(wěn)定［17］，其過度磷酸化和聚集會損害神經元軸突，從而在阿爾茨海默病患者腦內造成神經變性和認知缺陷異常。tau 蛋白與細胞線粒體的軸突運輸有關，tau 蛋白的異常會引起線粒體的氧化應激與功能障礙［18-19］。最近也有研究顯示，Aβ通過PI3K∕AKT∕GSK3β信號通路激活GSK3β導致神經元中的tau 蛋白過度磷酸化［20］。tau 蛋白與阿爾茨海默病的發(fā)病進展關系密切，針對tau 蛋白設計新的納米遞藥系統(tǒng)將會對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胞，通過超速離心法提取細胞分泌的包含姜黃素的外泌體，尺寸為（117.4±10.5）nm，帶負電荷，可攜帶巨噬細胞來源的淋巴細胞功能相關抗原，能與血腦屏障上的內皮細胞黏附分子相互作用，從而介導外泌體穿過血腦屏障，并靶向抑制tau 蛋白磷酸化，這很好地改善了岡田酸誘導的阿爾茨海默病模型大鼠的學習記憶情況。因此，外泌體作為天然內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特的優(yōu)勢，避免了單核吞噬細胞系統(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。

2 穿血腦屏障的納米材料應用于帕金森病的干預治療

帕金森病是老年人群中第二常見的神經退行性疾病，目前全球共有450 多萬帕金森病患者，而我國帕金森病患者人數(shù)居世界第一［22］，其社會經濟負擔已超過950 億美元［23］。帕金森病患者中腦黑質致密部的多巴胺能神經元損傷丟失會出現(xiàn)運動或認知障礙，包括震顫、運動功能減退、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癥治療為主，即預防或緩解相關的癥狀，其中首選的藥物是左旋多巴。但隨著療程的進展，左旋多巴所需劑量也會增加，隨之就會產生更大的副作用，如抑郁、焦慮、失眠、躁動、惡心和嘔吐等；因此，當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，DBS 也會引起脫靶效應，還能造成其他的神經認知副作用，而DBS 結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，經尾靜脈注射，在外加磁場的引導下穿過血腦屏障，空間變化的外加直流磁場誘導CoFe2O4-BaTiO3磁電納米顆粒分布在整個大腦，有效地創(chuàng)造“新的腦微環(huán)境”，神經活動產生的固有電信號在亞神經元水平上與外部磁場強耦合，實現(xiàn)無創(chuàng)高效DBS，有助于精準化治療晚期帕金森病。

由于多巴胺不能直接穿過血腦屏障，臨床上治療帕金森病多用多巴胺前體、多巴胺受體激動劑等，長期服用副作用大且會產生耐藥。PAHUJA等［27］利用聚乳酸羥基乙酸通過雙乳液溶劑蒸發(fā)法制備負載多巴胺的納米遞藥系統(tǒng)，該系統(tǒng)尺寸為（119.7±2.69）nm，帶負電荷，穿透血腦屏障并內化到大腦中，聚乳酸羥基乙酸包封不僅延長多巴胺的半衰期，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實驗證實實驗組相比對照組運動情況改善且無其他器官毒性。膠質源性神經營養(yǎng)因子具有神經保護和促進神經再生功能，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源性神經營養(yǎng)因子的脂質體納米顆粒，轉錄反式激活因子肽與聚殼糖共價連接后包被在脂質體表面構建聚殼糖-脂質體納米顆粒-轉錄反式激活因子肽-膠質源性神經營養(yǎng)因子遞送載體，該載體尺寸為（205.9 ± 6.3）nm，帶正電荷，經鼻腔給藥利用轉錄反式激活因子肽介導穿透血腦屏障，在四氫吡啶誘導的帕金森病模型小鼠體內研究，結果發(fā)現(xiàn)實驗組對比空白對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，黑質中酪氨酸羥化酶神經元水平增加3 倍，運動恢復情況改善2 倍，為治療帕金森病提供了新的技術手段。

在帕金森病腦內，路易小體是一個重要病理特征，其主要成分是α-突觸核蛋白，會導致多巴胺能神經元的凋亡［29］，而通過基因治療抑制α-突觸核蛋白的過表達有望阻止該過程，從而發(fā)揮基因治療的效果。相關的基因治療可有病毒載體和非病毒載體兩種，相對于前者，納米金粒子有更為明顯的優(yōu)勢：無毒、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、神經生長因子、質粒DNA 通過靜電吸附和光化學固定合成金納米粒子復合物，其尺寸5 ～10 nm，帶負電荷，神經生長因子受體介導內吞作用穿透血腦屏障，質粒DNA 抑制α-突觸核蛋白的表達，實驗結果表明這可以減少黑質紋狀體多巴胺能神經元的凋亡，在體外和體內對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。

3 穿血腦屏障的納米材料應用于亨廷頓病的干預治療

亨廷頓病是一種常染色體顯性遺傳性神經退行性疾病，編碼亨廷頓蛋白（Huntingtin，HTT）的基因中CAG 三核甘酸重復序列異常擴增合成變異HTT 蛋白（mHTT），而mHTT 具有神經毒性，在腦內聚集影響尾狀核和殼核中型多棘神經元的活性，進而使患者出現(xiàn)運動、認知和精神障礙等癥狀，其發(fā)病率為1∕10 萬［32-33］，而且往往在發(fā)病15 ～20年后死亡。目前還沒有藥物可預防或阻止亨廷頓病的進展，臨床上多用丁苯那嗪和奧氮平進行一些對癥治療［34］，輔助使用抗抑郁藥和抗焦慮藥［35］來控制癥狀，但這些藥物經常會出現(xiàn)嚴重的副作用，因而使用納米材料結合中藥單體或生物源性物質是開發(fā)治療亨廷頓病新藥的一個新切入點。

固體脂質體納米顆粒［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，尤其后者已被美國FDA 批準應用［38］。這些納米材料已被研究用于亨廷頓病的治療。實驗發(fā)現(xiàn)，迷迭香酸可保護神經元降低氧化應激導致的損傷［39］，因此BHATT 等［40］將大豆卵磷脂和迷迭香酸通過熱均化法制備負載迷迭香酸的固體脂質體納米顆粒載體，平均尺寸為（149.2 ± 3.2）nm，帶負電荷，經鼻腔注射穿透血腦屏障到達腦內，藥物濃度達5.69 μg，顯著改善3-硝基丙酸誘導亨廷頓病動物模型大鼠的運動協(xié)調能力以及腦內氧化應激水平。腦內膽固醇是內源性合成的，游離膽固醇無法穿透血腦屏障，研究發(fā)現(xiàn)亨廷頓病模型小鼠腦內的膽固醇水平下降［41-42］，如果提高腦內膽固醇水平，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，帶負電荷，在糖肽的介導下穿透血腦屏障并擴散至全腦，利用納米載體補充外源性膽固醇，這樣既不影響內源性膽固醇的合成，又能有效改善亨廷頓病模型小鼠的運動情況及腦內突觸傳遞。海藻糖是細胞、蛋白質的一種保護劑，可抵抗環(huán)境壓力，阻礙蛋白質聚集［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腹腔注射進轉基因亨廷頓病模型小鼠中，其經內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，改善了神經細胞的功能；不過較為遺憾的是，該實驗所用的納米顆粒組合物γ-Fe2O3是不可降解的，還需要進一步解決這個技術問題。如果下一步開發(fā)出可生物降解的組分合成海藻糖納米粒子，則能很好地有效轉化到亨廷頓病的臨床應用中。

4 總結與展望

隨著醫(yī)療技術的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學已發(fā)展為精準治療和個體化醫(yī)療，而納米材料因其自身優(yōu)勢在醫(yī)學應用中有廣闊前景，深入研究神經退行性疾病的發(fā)病機制對篩選有效藥物會有更大的成功概率。在開發(fā)神經退行性疾病新藥領域中，聚乳酸羥基乙酸、固體脂質體納米顆粒、超順磁性納米顆粒、納米凝膠等納米載體經過修飾或綴合靶向分子通過靜脈注射或鼻腔遞送實現(xiàn)了無創(chuàng)穿透血腦屏障，達到了高效性和靶向性的藥物輸送。不過這些工作目前還多局限于基礎實驗性研究，還未進行臨床轉化的實際應用；目前也缺少標準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，對于這些納米遞藥系統(tǒng)在腦內的具體分布，以及在循環(huán)系統(tǒng)中的代謝與毒性，都還并不明確。這些重要問題的解決十分迫切，需要科研人員對這些腦靶向藥物遞釋系統(tǒng)進行更為深入、透徹的研究，進一步優(yōu)化納米材料的生物和化學性質，使得藥物更有效地穿透血腦屏障并內化到腦內遞送至病灶。這將為前述重要的神經退行性疾病的有效診療帶來新的突破和希望。