血腦脊液屏障及其中樞藥物遞送潛能研究進(jìn)展

高嘉浩 韓 芳 金瑩瑩 王曉霜 張家文

中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）作為負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)全身感覺和運(yùn)動(dòng)信號(hào)輸入/輸出的重要器官，對(duì)人類各種生命活動(dòng)的正常進(jìn)行有著重要意義。CNS 與血液間的固有屏障通過限制各類物質(zhì)進(jìn)出以保障腦內(nèi)精準(zhǔn)的電化學(xué)信號(hào)傳遞，維持大腦微環(huán)境穩(wěn)態(tài)。腦屏障包括三部分：血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）、血腦脊液屏障（blood-cerebral spinal fluid barrier，BCSFB）和腦脊液腦屏障。長(zhǎng)期以來，BBB 被視為腦屏障中最為重要的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)屏障，但隨著對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)BCSFB亦扮演了十分關(guān)鍵的角色。過往研究多關(guān)注于BBB在CNS 藥物遞送及生理反應(yīng)中所發(fā)揮的作用，對(duì)BCSFB 則關(guān)注甚少。本文綜述了BCSFB 的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)及相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)途徑，以期通過對(duì)BCSFB 的進(jìn)一步了解和深入認(rèn)識(shí)，為探索腦池顯像及腦池相關(guān)疾病的診治提供理論基礎(chǔ)。

血腦脊液屏障結(jié)構(gòu)和功能

腦脊液由脈絡(luò)叢產(chǎn)生，溶質(zhì)通過脈絡(luò)膜叢上皮細(xì)胞（構(gòu)成血腦脊液屏障）需跨越兩層連續(xù)膜：上皮屏障的基底外側(cè)膜和頂端膜，這兩層膜由直徑為10 μm的上皮細(xì)胞所間隔。BCSFB 存在于脈絡(luò)叢和室周器，由脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞間的緊密連接及脈絡(luò)叢細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸各物質(zhì)的特殊載體系統(tǒng)組成。

脈絡(luò)叢主要功能為通過水和離子的轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)生和分泌腦脊液，向大腦提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、激素和金屬離子，同時(shí)清除腦脊液中的代謝廢物和外源物質(zhì)［1］。腦池系統(tǒng)與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)，包括大腦葉酸缺乏癥、腦積水、多發(fā)性硬化、腦池腦室感染和阿爾茲海默病等。其中，阿爾茲海默病近年來在我國(guó)老年人群中發(fā)病率不斷提高，BCSFB 中β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）清除減少，導(dǎo)致Aβ 在腦內(nèi)沉積增多是該病的主要致病機(jī)制。與構(gòu)成BBB 的腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞不同，脈絡(luò)膜叢內(nèi)皮細(xì)胞有孔且缺乏緊密連接，這使得脈絡(luò)膜毛細(xì)血管具有相對(duì)滲漏的特性。此外，脈絡(luò)膜叢上皮的電阻為26 Ωcm2，跨腦實(shí)質(zhì)血管電阻估計(jì)高達(dá)8 000 Ωcm2，比脈絡(luò)膜叢的電阻大300倍以上［2］。白蛋白不能穿過BBB，但可穿過脈絡(luò)膜叢進(jìn)入腦脊液。免疫染色及電鏡直接觀察到的各類血漿蛋白或鐵蛋白均證明了它們滲入脈絡(luò)叢基質(zhì)的能力［3］。因此，與BBB 相比，BCSFB 具有以下特點(diǎn)：①屏障的相對(duì)滲漏特性；②跨膜電阻??；③屏障內(nèi)血漿蛋白的差異［4］。這些差異也為通過跨BCSFB 進(jìn)行中樞藥物遞送奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

脈絡(luò)膜叢中樞藥物遞送意義

然而，脈絡(luò)膜叢作為中樞藥物輸送的潛在途徑很少受到關(guān)注。這可能與以下兩方面的原因相關(guān)：①腦脊液的主要功能是清除腦中代謝廢物，因此轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在BCSFB 上表達(dá)受限，導(dǎo)致相關(guān)靶蛋白及載體的研究較少；②BCSFB 面積較小且從腦脊液擴(kuò)散入腦細(xì)胞間隙流速較慢，制約了物質(zhì)跨BCSFB 入腦的運(yùn)輸效率。然而，對(duì)于一些難以跨越BBB 的低濃度受體或激素類藥物，通過BCSFB 給藥以實(shí)現(xiàn)中樞治療目的或成為該類疾病診療的新思路。對(duì)于腦室內(nèi)腫瘤，包括腦膜瘤、藥物耐受性室管膜瘤和腦膜轉(zhuǎn)移瘤等疾病在內(nèi)，均與腦脊液直接相關(guān)。腦脊液直接給藥將有助于提高腫瘤組織內(nèi)藥物濃度從而提高治療效果。此外，脈絡(luò)叢本身可作為治療某些腦積水類疾病的治療靶標(biāo)，相信未來跨BCSFB 藥物遞送將會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)各類疾病的深入研究具有重要意義。

跨血腦脊液屏障給藥的潛在通路

1. 傳統(tǒng)被動(dòng)擴(kuò)散方式

藥物經(jīng)被動(dòng)擴(kuò)散途徑運(yùn)輸?shù)男适芷浯笮『椭苄岳砘卣饔绊?。該機(jī)制對(duì)靶組織缺乏特異性，轉(zhuǎn)運(yùn)取決于藥物的自由濃度梯度。許多神經(jīng)藥物的研發(fā)試圖通過提高藥物脂溶性和調(diào)整其尺寸以進(jìn)入BCFSB，但效果不佳，這主要是由于腦屏障擁有大量具廣泛特異性的外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，可以從極化屏障細(xì)胞任一側(cè)發(fā)揮作用，將分子排出腦外，影響藥物的腦脊液濃度。它們屬于兩大家族：向外定向能量依賴性ATP 結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ABC）和溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（SLC）。BBB和BCSFB 擁有不同的外排傳輸系統(tǒng)，這可能與特定的內(nèi)源性基質(zhì)以及屏障各自的環(huán)境性質(zhì)有關(guān)［5］。ABCB1 和ABCG2 這兩種BBB 標(biāo)志性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用已被廣泛研究，這類外排蛋白被認(rèn)為是許多抗癌藥物腦穿透性差的主要原因。同樣，BCSFB 的外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)腦脊液和大腦中的藥物濃度也有重要治療意義?？紤]到外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)BCSFB 的重大影響，設(shè)計(jì)藥物，尤其是用于治療感染性腦膜炎或腦室腦膜腫瘤等腦脊液相關(guān)疾病的藥物時(shí)，應(yīng)考慮藥物對(duì)該系統(tǒng)的親和力。

2. 載體介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)

載體介導(dǎo)的跨膜物質(zhì)運(yùn)輸是大腦獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要方式。葡萄糖、氨基酸、核苷及某些維生素等非脂溶性小分子，需要借助載體蛋白以在細(xì)胞膜上擴(kuò)散。這些載體部分為SLC 亞家族成員，通過能量依賴過程發(fā)揮作用，它們?cè)诨啄づc頂端膜同時(shí)存在，與傳統(tǒng)非特異性被動(dòng)擴(kuò)散相比更具選擇性。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)載體比外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有更窄的底物特異性，這意味著如果利用該途徑遞送中樞藥物，僅需對(duì)候選藥物進(jìn)行較小結(jié)構(gòu)理化修飾。但這種運(yùn)輸策略的缺點(diǎn)在于運(yùn)輸藥物與天然底物間存在明顯競(jìng)爭(zhēng)?？古两鹕Y藥物L(fēng)-DOPA 是最典型代表，其在大腦的滲透受大型中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白LAT1 的影響。該載體還有助于抗癲癇藥物加巴噴丁和普瑞巴林的腦部滲透。尚未有研究探討B(tài)CSFB 上活躍載體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用，但已通過免疫組化方法在大鼠脈絡(luò)膜上皮細(xì)胞中鑒定出了類似LAT1 的MCT1［6］。由于它們都介導(dǎo)了底物的順濃度梯度擴(kuò)散，因此可依賴轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白途徑合理設(shè)計(jì)跨BCSFB藥物以提高腦內(nèi)及腦脊液藥物濃度。

3. 內(nèi)吞轉(zhuǎn)運(yùn)途徑

除上述途徑外，胞吞轉(zhuǎn)運(yùn)途徑是必需大分子物質(zhì)（如多肽激素、金屬載體、脂蛋白等）入腦的主要途徑。內(nèi)吞作用指將胞外物質(zhì)內(nèi)化到細(xì)胞前部質(zhì)膜的囊泡中，分選并通過細(xì)胞內(nèi)囊泡運(yùn)輸、囊泡膜與靶細(xì)胞膜融合等過程在胞外空間釋放囊泡內(nèi)容物。囊泡胞吞轉(zhuǎn)運(yùn)作為目前最為成熟的腦靶向策略，在跨越BBB及BCSFB 的藥物研究中應(yīng)用最廣泛，能選擇性遞送包括生物制劑、脂質(zhì)體、納米顆粒以及基于這些納米載體的大批物質(zhì)。其具體機(jī)制包括受體介導(dǎo)胞吞和吸附介導(dǎo)胞吞。對(duì)BBB 的電鏡研究表明，與其他內(nèi)皮細(xì)胞相比，BBB 內(nèi)皮細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)囊泡相對(duì)較少。與之相比，脈絡(luò)膜上皮細(xì)胞內(nèi)囊泡密度較高，在頂端膜和基底膜鄰近區(qū)域內(nèi)囊泡活動(dòng)活躍［7］。考慮到上述腦屏障結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過胞吞途徑跨BCSFB 介導(dǎo)中樞藥物遞送極具研究前景。

3.1 BCSFB常見胞吞機(jī)制

因其在腦微血管內(nèi)皮中的高量選擇性表達(dá)，轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（TfR1）是目前增強(qiáng)化合物靶向腦遞送的常用胞吞受體。TfR1 在BCSFB 中也有表達(dá)，且已經(jīng)在大鼠和人的脈絡(luò)叢上皮中被證實(shí)存在［8］。轉(zhuǎn)鐵蛋白在細(xì)胞膜網(wǎng)格蛋白包被的凹坑中與TfR1 結(jié)合，通過內(nèi)吞作用被內(nèi)化。鐵在酸化內(nèi)體小泡中從轉(zhuǎn)鐵蛋白釋放并輸出到胞質(zhì)中，以進(jìn)一步用于基本代謝功能或儲(chǔ)存。TfR1 循環(huán)到細(xì)胞膜，在其中釋放無鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白而完成循環(huán)。目前已廣泛使用各類轉(zhuǎn)鐵蛋白及抗TfR單克隆抗體OX-26 促進(jìn)藥物跨BBB 轉(zhuǎn)運(yùn)。也可運(yùn)用該途徑遞送納米顆粒藥物完成中樞靶向，在小鼠全身給藥后，靶向顆粒顯示出更高的腦滲透性。酸化的內(nèi)體pH 會(huì)導(dǎo)致金納米顆粒從穩(wěn)定的復(fù)合轉(zhuǎn)鐵蛋白-TfR1 中解離，并促進(jìn)其進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)［9］。這種藥物傳遞策略利用了在脈絡(luò)膜上皮中活躍的Tf R1 介導(dǎo)內(nèi)吞途徑，值得BCSFB靶向載藥研究借鑒。

低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白（LRP）是一個(gè)表面受體家族，其成員包括LRP1、LRP2 及LRP8 等，各成員共享多種配體并作為多類大分子配體的受體介導(dǎo)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。在各類低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白中，LRP1 作為一類高效跨腦屏障受體被廣泛用于各類中樞藥物遞送研究。在多種LRP1 配體均具有Kunitz 蛋白酶抑制劑結(jié)構(gòu)域的基礎(chǔ)上，合成了目前親和力最高的LRP1 配體Angiopep-2（ANG）并連接藥物用于跨越BBB［10］。盡管目前該類受體多用于跨BBB 的腦實(shí)質(zhì)藥物遞送，LRP1 在脈絡(luò)膜叢和上皮細(xì)胞胞質(zhì)中均有明顯的免疫定位，且信號(hào)較其他大腦結(jié)構(gòu)更為強(qiáng)烈［11］。因此，LRP1 也可作為跨越BCSFB 的潛在靶向受體介導(dǎo)藥物的腦脊液傳輸。除LRP1 外，LRP2、LRP8 也在BCSFB 中大量表達(dá)，且僅在成人側(cè)腦室室管膜及脈絡(luò)叢有限區(qū)域內(nèi)存在，因此這兩類受體提供了一條更具靶向性的跨BCSFB 轉(zhuǎn)運(yùn)途徑［12］。尚需進(jìn)一步研究闡明其胞吞作用機(jī)制并識(shí)別潛在的肽配體及其他胞吞效應(yīng)觸發(fā)物。

3.2 BCSFB特有胞吞機(jī)制

上述途徑是目前較為常用的靶向BBB 中樞藥物遞送途徑，它們?cè)贐CSFB 表達(dá)較高，具備靶向BCSFB 進(jìn)行腦脊液藥物運(yùn)輸?shù)臐撛诳尚行?。除上述通路外，一些僅在BCSFB 上高表達(dá)的跨膜通路更值得引起注意。盡管目前對(duì)這些通路在BCSFB 的表達(dá)及遞送相關(guān)研究較為有限，但其表現(xiàn)了高選擇性靶向BCSFB的發(fā)展方向。

葉酸作為必需維生素，在機(jī)體重要代謝反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。脈絡(luò)叢作為腦內(nèi)唯一高表達(dá)葉酸受體α（folate receptor α，F(xiàn)Rα）的區(qū)域［13］，是大腦獲取葉酸的重要途徑。其在中性pH 下以非網(wǎng)格蛋白依賴性方式介導(dǎo)葉酸的內(nèi)吞作用。最近一項(xiàng)研究［14］揭示了一種新的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制：在轉(zhuǎn)染人FRα（hFRα）的小鼠脈絡(luò)膜上皮細(xì)胞中，熒光標(biāo)記葉酸和FRα 協(xié)同從基底外側(cè)至頂端膜，并從細(xì)胞釋放到核外囊泡；同時(shí)可檢測(cè)到高表達(dá)FRα 的陽(yáng)性外泌體，hFRα 在轉(zhuǎn)染細(xì)胞的多囊泡體內(nèi)被識(shí)別為腔內(nèi)囊泡。這提示偶聯(lián)受體介導(dǎo)的配體經(jīng)脈絡(luò)膜叢轉(zhuǎn)運(yùn)，配體通過外泌體靶向分布于腦細(xì)胞?？紤]到癌癥細(xì)胞常過表達(dá)FRα 以滿足代謝需求和支持細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂，對(duì)于高表達(dá)FRα 的兒童室管膜腫瘤，葉酸偶聯(lián)抗癌化合物通過脈絡(luò)膜叢進(jìn)入腦脊液，可直接進(jìn)入腫瘤并增強(qiáng)靶細(xì)胞的穿透能力，這也為跨BCSFB載藥提供了高效思路。

除葉酸外，血漿蛋白也可被脈絡(luò)叢攝取并轉(zhuǎn)運(yùn)至腦內(nèi)，且有研究表明這種由脈絡(luò)膜叢攝取和轉(zhuǎn)移蛋白的途徑具有明顯特異性，已有大量工作表明該過程存在受體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑［15］，并表征支持其轉(zhuǎn)運(yùn)到腦脊液的跨細(xì)胞機(jī)制。與在腦屏障中廣泛存在的表面受體相比，這兩類受體僅在BCSFB 上高選擇性表達(dá)，更具靶向BCSFB藥物轉(zhuǎn)運(yùn)研究前景。

結(jié)語(yǔ)及展望

近年來隨著醫(yī)用納米材料及各類新技術(shù)的快速發(fā)展，跨越BBB 進(jìn)行中樞藥物遞送的研究成為腦科學(xué)研究熱點(diǎn)，為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診治開拓了新思路，有望實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步臨床轉(zhuǎn)化。BCSFB 作為腦屏障的另一重要組成部分，其中樞藥物遞送潛力卻被一直忽視。脈絡(luò)膜叢結(jié)構(gòu)及功能障礙與多種腦疾病相關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)有的腦池造影技術(shù)不足以對(duì)各類腦池腦室疾病進(jìn)行高分辨率、無創(chuàng)、精準(zhǔn)顯像，極大影響了疾病診治效果并威脅患者生命健康。借助BCSFB 表面的藥物遞送通路，以分子影像學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效腦池顯影具有重大臨床意義。細(xì)胞旁途徑、載體介導(dǎo)等方式跨腦屏障效率低，難以達(dá)到藥物有效濃度；納米探針及藥物可通過BCSFB 表面的內(nèi)吞作用（包括受體介導(dǎo)內(nèi)吞、吸附介導(dǎo)內(nèi)吞等）高效跨越腦屏障，具有可控性能好、安全系數(shù)高、易于臨床推廣的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，或?yàn)楦咝X池顯像的潛在途徑。

綜上，脈絡(luò)膜叢-腦脊液系統(tǒng)是一種目前探索較少但很極具前景的中樞給藥途，本文綜述了BCSFB的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)及其潛在藥物遞送前景，希望更多學(xué)者關(guān)注“血腦脊液屏障”，以推動(dòng)臨床腦池腦室相關(guān)疾病診療及中樞藥物遞送研究的快速發(fā)展。