PLGA納米材料在缺血性腦卒中中的應(yīng)用

郭 橋，蔡 強(qiáng)，李知陽，王文舉，陳治標(biāo)

(武漢大學(xué)第一臨床學(xué)院 武漢大學(xué)人民醫(yī)院神經(jīng)外科，武漢430061)

腦卒中是腦部缺血或出血導(dǎo)致神經(jīng)功能障礙的疾病，是引起死亡的第二大原因，常發(fā)生于老年群體，且有年輕化的趨勢(shì)[1- 2]。我國腦卒中年發(fā)病約為200萬，年新發(fā)病例約為150萬，死于腦卒中的患者約130萬，幸存者中75%不同程度地喪失勞動(dòng)能力[3]。缺血性腦卒中又稱為腦梗死，是由于栓子或血栓使腦部供血不足從而導(dǎo)致腦組織缺血缺氧引起腦組織與功能損傷的疾病，約占卒中人數(shù)的87%[3- 4]。靜脈溶栓及機(jī)械取栓療法是目前早期治療缺血性腦卒中的主要方法，其時(shí)間窗及適用范圍較窄[5]。只有5%的患者受益于重組組織型纖溶酶原激活劑治療[6]。通過阻斷導(dǎo)致神經(jīng)元死亡的分子通路或增強(qiáng)神經(jīng)元的存活和再生，已經(jīng)開發(fā)出多種治療腦卒中的藥物，但除了重組組織型纖溶酶原激活劑外，其他很少在臨床試驗(yàn)中成功[7]。由于現(xiàn)有很多藥物存在溶解度低、半衰期短等藥動(dòng)學(xué)缺陷，在血腦屏障的存在下，藥物很難到達(dá)腦組織損傷的部位，影響了藥效的發(fā)揮[8]。新近發(fā)展的納米技術(shù)可幫助藥物顯著擴(kuò)大其藥動(dòng)學(xué)的局限性，在腦血管疾病的治療中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。納米材料的粒徑小，比表面積大(每克物質(zhì)中所有顆?？偼獗砻嬷?，并且能對(duì)其進(jìn)行各種靶向修飾，改變其脂溶性等特性，適合作為腦部的載藥系統(tǒng)，不僅能夠裝載疏水性或親水性藥物以及基因藥物，還能成為影像學(xué)探針[9]。大腦局部缺血或損傷都會(huì)激活成年哺乳動(dòng)物腦內(nèi)的內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生[10]。利用納米纖維作為神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)的支架和營(yíng)造神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)分化的微環(huán)境，成為神經(jīng)修復(fù)的熱點(diǎn)?，F(xiàn)就納米聚乳酸- 羥基乙酸共聚物[poly(lactic- co- glycolic acid)，PLGA]納米材料在缺血性腦卒中中的應(yīng)用予以綜述。

1 PLGA納米材料應(yīng)用于腦部給藥

血腦屏障是生理性的屏障，存在于血液和腦組織之間，能夠有效阻止血液內(nèi)的有毒物質(zhì)進(jìn)入腦組織，保證腦組織處于相對(duì)穩(wěn)定的微環(huán)境。同時(shí)也使得大部分藥物難以進(jìn)入腦組織發(fā)揮作用[7]。包括多肽和基因藥物在內(nèi)98%的小分子藥物及大約100%的大分子藥物是無法通過外周給藥途徑進(jìn)入腦組織的[11]。缺血性腦卒中后7 d內(nèi)雖然血腦屏障有所破壞通透性增加，但還遠(yuǎn)不能達(dá)到具有治療效果的藥物濃度，而傳統(tǒng)的使藥物進(jìn)入腦的途徑有經(jīng)鼻給藥；增加藥物的脂溶性；破壞基膜的緊密連接蛋白使血腦屏障暫時(shí)打開等。但這幾種途徑也都有其各自的缺點(diǎn)：小分子藥物通過增加脂溶性后可通過血腦屏障，但容易被血腦屏障上的外排泵及通道再次排出；活躍的射流泵或轉(zhuǎn)運(yùn)體，在大腦內(nèi)皮細(xì)胞的腔膜高度表達(dá)，可以積極地將物質(zhì)排回血流，進(jìn)一步加強(qiáng)血腦屏障；P- 糖蛋白、多藥耐藥蛋白、腺苷三磷酸結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是最具特征的外排泵[12]；增加血腦屏障的通透性使藥物進(jìn)入腦的同時(shí)也增加了有毒物質(zhì)進(jìn)入腦的可能，從而導(dǎo)致其他損傷腦的疾病發(fā)生。因此，開發(fā)新的載藥系統(tǒng)以更有效地將藥物遞送到腦損傷病灶區(qū)，已成為當(dāng)前腦部疾病治療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

生物降解聚合物(天然聚合物和合成聚合物)是近年來生物醫(yī)學(xué)治療藥物傳遞過程中最受歡迎的材料，它提供了靶向給藥的靶點(diǎn)分布。聚合物的物理化學(xué)性質(zhì)和降解性能可以很容易改變藥物的控釋和降解速率，不同聚合物的降解速率決定了哪種藥物分子將被裝載到交付過程中[13]。生物降解聚合物納米粒(nanoparticles，NPs)材料主要分為合成生物可降解聚合物和天然大分子體系。聚生物降解聚合物包括乳酸、聚乙醇酸、PLGA、聚己內(nèi)酯和聚乙二醇[poly(ethylene glycol)，PEG]；天然聚合物由殼聚糖、多糖、明膠、淀粉等組成。近年來，生物降解聚合物已廣泛應(yīng)用于缺血性腦卒中的治療中，也是寡核苷酸、蛋白質(zhì)和小分子藥物遞送系統(tǒng)的選擇[7]。PLGA是由兩種單體(乳酸和羥基乙酸)隨機(jī)聚合而成的高分子有機(jī)聚合物，易合成，質(zhì)量穩(wěn)定，具有良好的生物相容性和生物可降解性，且無毒、無刺激性、無免疫原性，并具有較高的包封率，可將藥物遞送到病灶部位以實(shí)現(xiàn)可控性釋放，已被美國食品藥品管理局批準(zhǔn)用于組織工程、醫(yī)用材料、藥物遞送載體等領(lǐng)域[14]。PLGA NPs在體內(nèi)可水解成乳酸和羧基乙酸兩種單體，通過三羧酸循環(huán)最終代謝成二氧化碳和水，對(duì)人體不會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)。PLGA NPs顆粒粒徑小，采用PLGA制成的納米藥物具有較高的細(xì)胞攝取率。Musumeci等[12]將奧卡西平包載入PLGA NPs中改進(jìn)傳統(tǒng)鼻腔給藥治療小鼠癲癇，結(jié)果顯示對(duì)比傳統(tǒng)鼻腔給藥PLGA NPs包載藥物的給藥次數(shù)減少到1/24 h，并控制了大鼠的癲癇發(fā)作；免疫組織化學(xué)(抗- 神經(jīng)絲、抗- 微管蛋白、抗- 胱天蛋白酶3)顯示，奧卡西平PLGA NPs治療16 d后具有神經(jīng)保護(hù)作用。有研究表明，損傷的腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞過表達(dá)組織因子，融合蛋白增強(qiáng)綠色熒光蛋白- 表皮生長(zhǎng)因子1可靶向該因子。Chen等[15]將負(fù)載組織因子- 增強(qiáng)綠色熒光蛋白- 表皮生長(zhǎng)因子1- PLGA納米顆粒作為靶向載體用于損傷的腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞，然后納米顆粒對(duì)轉(zhuǎn)錄因子產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)RNA進(jìn)行干擾，研究結(jié)果表明，載組織因子- 增強(qiáng)綠色熒光蛋白- 表皮生長(zhǎng)因子1毒性最小，轉(zhuǎn)染24 h后，幾乎96%的細(xì)胞存活，而脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染的細(xì)胞只有75%存活。主要的PLGA NPs的制備方法有復(fù)乳溶劑蒸發(fā)法、納米粒沉淀法等。制備方法的不同影響著其粒徑的大小和包載率，其中采用復(fù)乳溶劑蒸發(fā)法所獲得的納米粒的粒徑較小，且有良好的穩(wěn)定性和生物相容性[16]，而納米粒子的體積/表面積比例會(huì)隨著納米粒粒徑的大小而變化，大分子納米微粒載藥較多但釋放藥物不均勻，不徹底。 Cruz等[17]用腦損傷的小鼠模型證明了PLGA NPs大小是決定其到達(dá)腦損傷區(qū)能力的關(guān)鍵因素。有治療效果的神經(jīng)保護(hù)藥物已很多，進(jìn)一步改進(jìn)PLGA納米材料作為藥物載體的性質(zhì)，使治療藥物達(dá)到缺血性腦損傷部位，實(shí)現(xiàn)口服給藥甚至局部給藥是將來的發(fā)展方向。

2 PLGA納米材料應(yīng)用于缺血性腦卒中的藥物治療

導(dǎo)致腦組織損傷的病理生理機(jī)制包括興奮性毒性、鈣超載、自由基損傷、炎癥反應(yīng)以及神經(jīng)元凋亡等。由于很難達(dá)到腦損傷部位，故大多數(shù)藥物在臨床中效果不顯著。Mukherjee等[18]將姜黃素結(jié)合PEG化的PLGA納米顆粒，給老年大鼠口服，結(jié)果顯示活性氧類標(biāo)志物及損傷面積比只給姜黃素的對(duì)照組明顯減少。PLGA載體增加了姜黃素的生物可降解性，增加了腦內(nèi)的藥物濃度。Gao等[13]將納米氧化鈰包裹在PLGA- PEG共聚物基質(zhì)上，與對(duì)照組相比，制備的氧化鈰納米顆粒聯(lián)合PEG/PLGA基質(zhì)具有更好的療效，使局部缺血減少60%，腦水腫減少78%。將傳統(tǒng)的神經(jīng)保護(hù)藥物搭載在PLGA NPs上確能增加藥物治療缺血性腦卒中的療效，這主要是因?yàn)榇钶d藥物的PLGA NPs能通過血腦屏障，增加藥物在腦組織的濃度。但目前的研究主要還是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，Mdzinarishvili等[19]利用PLGA- PEG包裹三碘甲腺原氨酸通過頸靜脈給藥，證明在缺血性腦卒中模型中注射PLGA- PEG- 三碘甲腺原氨酸溶液比單獨(dú)注射三碘甲腺原氨酸具有更好的療效。Chaturvedi等[20]利用PLGA搭載基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制物1可起到藥物緩釋作用，結(jié)果顯示，較單獨(dú)使用金屬蛋白酶組織抑制物1有顯著的神經(jīng)保護(hù)作用。除了將藥物搭載在PLGA上，NPs表面工程還可增強(qiáng)納米載藥系統(tǒng)的靶向性，提高溶解度，延長(zhǎng)半衰期，降低免疫原性，改善生物分布。多數(shù)研究在使用PLGA時(shí)多利用PEG涂層，PLGA NPs表面覆蓋PEG脂質(zhì)層，以減少非特異性結(jié)合，提高血液半衰期，并允許特定配體的結(jié)合，而通過不同的PLGA 表面修飾可達(dá)到靶向損傷部位和不同治療目的的效果[15,19- 20]。另外，還可將納米顆粒裝載在生物載體內(nèi)(如酵母衣殼和巨噬細(xì)胞)，實(shí)現(xiàn)口服給藥或靶向目的。Pang等[21]通過與M1型巨噬細(xì)胞共孵育PLGA納米顆粒制備M1型巨噬細(xì)胞負(fù)載納米顆粒治療腦膠質(zhì)瘤，M1型巨噬細(xì)胞在顆粒加載后仍保持良好的腫瘤趨向性，能夠有效地使顆粒穿過內(nèi)皮屏障進(jìn)入腫瘤組織。納米材料能跨過血腦屏障是治療缺血性腦卒中的首要部分，而實(shí)現(xiàn)藥物準(zhǔn)確而有效地靶向損傷腦組織達(dá)到治療效果，還需要進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)有效的配體或生物載體。

3 PLGA納米材料應(yīng)用于缺血性腦卒中后的組織修復(fù)

替代因腦卒中而失去的腦組織仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。腦卒中后的功能障礙是由神經(jīng)元死亡引起的，因此，替代這些丟失的神經(jīng)元有可能逆轉(zhuǎn)功能障礙。神經(jīng)干細(xì)胞植入大腦后可以分化為神經(jīng)元，神經(jīng)元整合到剩余的宿主大腦，并通過整合到現(xiàn)有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和(或)通過刺激血管生成進(jìn)而改善神經(jīng)功能，而促進(jìn)一些行為恢復(fù)。但神經(jīng)干細(xì)胞的分化和功能的完善需要一定的微環(huán)境和基質(zhì)支持。在胎兒和成人組織中，細(xì)胞外基質(zhì)約占腦容量的20%[22]。將人神經(jīng)干細(xì)胞與去細(xì)胞化細(xì)胞外基質(zhì)生物支架結(jié)合，也可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)干細(xì)胞在病變腔內(nèi)的高效分布。Bible等[23]利用在釋放血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的PLGA微粒上植入人神經(jīng)干細(xì)胞，與去細(xì)胞化細(xì)胞外基質(zhì)生物支架結(jié)合，可以促進(jìn)微血管的形成，為新生組織的生長(zhǎng)提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)。微環(huán)境決定著神經(jīng)干細(xì)胞的分化生長(zhǎng)。Ropper等[24]的研究利用PLGA制成的支架和人間充質(zhì)干細(xì)胞治療大鼠脊髓損傷模型，使成年大鼠脊髓損傷后的運(yùn)動(dòng)感覺得到明顯改善，疼痛和組織損傷得到緩解，髓鞘得以保存。該研究將人神經(jīng)干細(xì)胞播種在設(shè)計(jì)獨(dú)特的PLGA 基質(zhì)中，以提高供體干細(xì)胞在非分化狀態(tài)和局部移植中的存活率，從而促進(jìn)植入- 宿主在體內(nèi)的相互作用，對(duì)于缺血性腦卒中的神經(jīng)修復(fù)具有啟示意義。Ju等[25]用透明質(zhì)酸為基礎(chǔ)的可生物降解水凝膠支架，與含有血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和血管生成素1 的PLGA微球混合制成的生物材料復(fù)合材料植入大腦的損傷區(qū)域，在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)人臍動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞在體外PLGA微球透明質(zhì)酸水凝膠上具有良好的存活和增殖能力；該新材料植入小鼠正?；蛉毖X后，與腦組織具有良好的相容性，小鼠模型明顯表現(xiàn)出行為改善。以往認(rèn)為神經(jīng)干細(xì)胞發(fā)生只存在于胚胎發(fā)育過程中，而成人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)不能產(chǎn)生新的神經(jīng)元。但近年來的研究發(fā)現(xiàn)，在成年哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)存在著神經(jīng)干細(xì)胞聚集區(qū)，腦組織缺血及損傷會(huì)激活內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的分化，這種神經(jīng)發(fā)生主要存在于腦室管膜室下區(qū)和海馬齒狀回的顆粒層下區(qū)兩個(gè)神經(jīng)源性腦區(qū)[9]。Petro等[26]利用PLGA包載抗氧化劑過氧化氫酶和超氧化物歧化酶治療缺血性腦卒中模型小鼠，促進(jìn)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的發(fā)生。Wang等[22]將表皮生長(zhǎng)因子和促紅細(xì)胞生成素封裝在PLGA NPs和聚癸二酸涂層組成的兩相微粒子中治療缺血性腦卒中模型小鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NPs成功穿過血腦屏障，并促進(jìn)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的分化，小鼠神經(jīng)功能有顯著的恢復(fù)。組織工程和細(xì)胞工程的發(fā)展對(duì)于缺血性腦卒中以及其他腦部損傷疾病的神經(jīng)功能恢復(fù)相當(dāng)重要。PLGA納米材料良好的生物相容性對(duì)于應(yīng)用腦損傷組織修復(fù)有進(jìn)一步的研究?jī)r(jià)值。

4 PLGA納米材料用于缺血性腦卒中的影像診斷

缺血性腦卒中和其他許多顱腦疾病一樣，有炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡等過程的參與。Guo等[27]報(bào)道了一種功能化環(huán)糊精制備的髓過氧化物酶的合成和表征，以該功能材料為基礎(chǔ)的納米粒子，在炎癥條件下，活性氧和髓過氧化物酶異常升高，激發(fā)出明顯的高、可持續(xù)的發(fā)光信號(hào)；利用這種納米探針可以選擇性地成像炎癥反應(yīng)中激活的中性粒細(xì)胞，其發(fā)光信號(hào)與中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)呈正相關(guān)，且這種納米探針能夠在體內(nèi)精確定量和跟蹤各種炎性疾病。將納米微粒載體配上相應(yīng)的配體(如修飾抗中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的生物標(biāo)志物——S100鈣結(jié)合蛋白B、血管細(xì)胞黏附分子、膠質(zhì)原纖維酸性蛋白等)，利用計(jì)算機(jī)斷層掃描或磁共振成像可以快速檢測(cè)出損傷部位和范圍[28]。Cruz等[17]將一種800 CW的藍(lán)色染料結(jié)合到PEG- PLGA NPs上，利用NPs的穿透性和800 CW能與死亡細(xì)胞蛋白結(jié)合的能力，達(dá)到靶向標(biāo)記腦損傷部位的目的。臨床使用的各種溶栓藥物血漿半衰期短、靶向性低、易引起出血等并發(fā)癥，因此早期發(fā)現(xiàn)血栓、局部溶栓治療是有吸引力的。Zhou等[29]的Fe3O4型PLGA NPs體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)均證實(shí)，該NPs特異性地積聚在血栓邊緣，具有顯著的溶栓作用，證明了NPs作為一種雙功能工具在血栓早期檢測(cè)和磁共振成像溶栓效率動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的潛力。缺血半暗帶的成像，挽救更多的腦組織是早期影像診斷的目的，PLGA納米探針的準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步提高，這需要找到合適的標(biāo)志物。

5 小 結(jié)

PLGA作為生物材料植入腦組織的研究較少，無論是利用內(nèi)源性還是外源性干細(xì)胞替代缺損組織，都需要良好的微環(huán)境，PLGA具有很好的利用價(jià)值。隨著納米技術(shù)的發(fā)展及分子探針在影像學(xué)中的應(yīng)用，影像醫(yī)學(xué)已從對(duì)傳統(tǒng)的解剖和生理功能深入到分子水平成像。PLGA可作為在活體狀態(tài)下從細(xì)胞和分子水平對(duì)生物過程進(jìn)行可視化的定性和定量研究的探針的良好載體。缺血性腦卒中的診斷和治療對(duì)時(shí)間的要求很高，早期診斷和治療決定著患者的預(yù)后，腦卒中后有7d窗口期，此間血腦屏障通透性增強(qiáng)利于輸送藥物，但這對(duì)于達(dá)到治療效果還不夠。有效的神經(jīng)保護(hù)藥物必須能在通過外周和其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)屏障后仍然保持其特性，并且能在血腦屏障功能逐漸恢復(fù)或完好時(shí)有效地通過血腦屏障達(dá)到病灶，PLGA納米材料有望成為缺血性腦卒中的診療工具。