聚焦超聲增強藥物遞送治療神經(jīng)退行性疾病的研究進展

王 瑞, 羅玥媛, 單海燕, 廖承德

(云南省腫瘤醫(yī)院/昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院 放射科, 云南 昆明, 650118)

血腦屏障(BBB)是阻止有害分子進入大腦的重要保護屏障，但其同時也阻止了大分子藥物的輸送，使得大多數(shù)藥物在神經(jīng)退行性疾病的治療中應(yīng)用受限，這是目前神經(jīng)退行性疾病治療方面的主要難題。在神經(jīng)退行性變過程中, BBB的分子運輸機制可能會發(fā)生改變，進而影響治療藥物在大腦中的分布，降低其治療效率[1]。因此，開發(fā)創(chuàng)新性的給藥方法是促進神經(jīng)退行性疾病治療成功的迫切需求。磁共振成像(MRI)引導(dǎo)的聚焦超聲(FUS)已被美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準用于治療運動障礙患者的病變腦區(qū)，較低強度的脈沖超聲與微泡相結(jié)合能可逆性地開放BBB，從而改善藥物在大腦中的生物利用度。本文對FUS在神經(jīng)退行性疾病中的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進展進行綜述，旨在進一步提高FUS的安全性與有效性。

1 BBB是神經(jīng)退行性疾病治療藥物傳遞的主要障礙

BBB是腦毛細血管壁與神經(jīng)膠質(zhì)細胞形成的血漿與腦細胞之間的屏障，主要由腦微血管內(nèi)皮細胞(BMECs)、周細胞、星形膠質(zhì)細胞和基底膜(BM)組成，控制著血液與腦實質(zhì)之間的分子交換[2]。與其他血管內(nèi)皮細胞相比, BMECs具有獨特的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能特征: ① BMECs緊密連接蛋白可連接相鄰內(nèi)皮細胞之間的細胞旁通路，從而防止極性(水溶性)分子在血液和大腦之間的不受調(diào)節(jié)的通過; ② BMECs缺乏主動轉(zhuǎn)運機制，可調(diào)節(jié)必需分子(包括營養(yǎng)素和必需氨基酸)的通過，同時阻斷潛在的內(nèi)源性物質(zhì)和異種物質(zhì)的通過[3]; ③ BMECs中存在藥物代謝酶例如CYP450酶，可導(dǎo)致代謝屏障的形成[4-5]。盡管BBB對維持大腦正常功能至關(guān)重要，但其亦限制了治療劑滲透到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的能力[6]。因此，調(diào)控BBB開放對于促進神經(jīng)退行性疾病治療的發(fā)展至關(guān)重要。

2 FUS

與其他藥物傳遞方法相比, FUS具有重要的優(yōu)勢，例如非侵入性、高時空精確度和可逆性，且有希望獲得額外的治療效果[7], 故FUS具有成為治療神經(jīng)退行性疾病的創(chuàng)新多模式工具的潛力。FUS是利用換能器陣列產(chǎn)生多個超聲波束通過聲透鏡聚焦在目標上，使波束相交之處產(chǎn)生熱效應(yīng)和空化效應(yīng)達到治療效果，而單個波束穿過組織之處則不產(chǎn)生治療作用[3-4]。高強度的FUS與磁共振實時成像結(jié)合使用后可監(jiān)視目標部位的溫度變化，最大限度地避免對周圍組織的損傷。目前，該技術(shù)已被應(yīng)用于子宮肌瘤、前列腺癌、腎結(jié)石等疾病的治療中。另外, FUS與氣態(tài)的微泡相結(jié)合可有效而短暫地增強BBB通透性，改善藥物在大腦中的生物利用度。相關(guān)研究[8]發(fā)現(xiàn)，BBB的開放效應(yīng)是通過超聲場中微泡和血管系統(tǒng)復(fù)雜的相互作用實現(xiàn)的，開放程度取決于超聲參數(shù)(頻率、聲壓、脈沖重復(fù)頻率、脈沖長度、超聲時間)和微泡性質(zhì)。

3 微泡在FUS中的應(yīng)用

微泡由白蛋白、脂質(zhì)和穩(wěn)定的聚合物外殼組合而成，常與FUS一起使用，其直徑約為10 μm甚至更小，一旦進入循環(huán)系統(tǒng)，就會迅速分散到血液中。當微泡通過會聚光束的焦點時, FUS會激活微泡，導(dǎo)致氣體核心的膨脹和收縮，對BMECs產(chǎn)生機械效應(yīng)，使作用部位的BBB的內(nèi)皮細胞之間的緊密連接打開，導(dǎo)致血管通透性增加，從而允許構(gòu)成外殼或由外殼攜帶的物質(zhì)得以釋放[9]。相關(guān)研究[10]證明，在動物模型中，28 kHz至8 MHz的超聲頻率結(jié)合微泡能成功打開BBB, 實現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的靶向藥物遞送。

4 FUS治療神經(jīng)退行性疾病

盡管人們對神經(jīng)退行性疾病的病理機制有所了解，且發(fā)現(xiàn)了具有潛力的臨床前候選藥物，但阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)癡呆和肌萎縮側(cè)索硬化癥等嚴重神經(jīng)退行性疾病目前仍無治愈方法，其主要障礙是BBB的存在限制了98%～100%藥物的運輸，以致大腦中的低濃度藥物無法起到治療效果。FUS提供了一種非侵入性、局部、暫時和可逆地打開BBB的方法，可在不損害正常組織的情況下增加大腦中治療劑的局部濃度[7], 這可能為神經(jīng)退行性疾病的治療提供新的途徑。

AD的病理機制主要為淀粉樣前體蛋白和淀粉樣β肽的異常周轉(zhuǎn)、代謝、沉積以及tau蛋白異常磷酸化，導(dǎo)致了這些蛋白的大量聚集和β-淀粉樣蛋白(Aβ)斑塊的形成。Aβ斑塊被認為是AD發(fā)生與進展的危險因素和潛在原因，因此，消除或減少Aβ斑塊可能會延緩該疾病的神經(jīng)變性。Aβ抗體可以減少淀粉樣斑塊的形成，但由于BBB的阻擋，其在腦內(nèi)分布水平非常低(僅為給藥劑量的0.1%～2.0%), 難以在大腦中獲得有效數(shù)量的抗體而達到治療效果[11]。FUS誘導(dǎo)BBB開放有助于全身給藥的Aβ抗體滲透到AD的TgCRND8和APP23小鼠模型中的靶向腦區(qū)域，從而減少斑塊沉積。此外，對AD小鼠模型使用FUS聯(lián)合微泡向大腦輸送Aβ抗體，能在4 d內(nèi)降低病理性的Aβ水平[12]。

帶有微泡的FUS允許內(nèi)源性Aβ IgG和IgM抗體通過開放的BBB進入大腦，與皮質(zhì)中的斑塊結(jié)合達到治療效果[13]。研究[14]顯示，白蛋白可以激活小膠質(zhì)細胞，并與Aβ結(jié)合。對AD小鼠模型使用FUS聯(lián)合微泡的研究結(jié)果顯示，BBB開放后允許白蛋白和免疫球蛋白進入，顯然白蛋白能結(jié)合Aβ并有助于清除斑塊。這種非免疫方法可以顯著減少淀粉樣斑塊，并激活參與斑塊清除的小膠質(zhì)細胞。然而，在不使用藥物的情況下，單純使用FUS能否誘導(dǎo)斑塊減少和臨床結(jié)局改善尚不確定。為了解決這一問題，D′HAESE P F等[15]進行后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，早期AD患者使用FUS聯(lián)合微泡后Aβ斑塊減少，表明FUS聯(lián)合微泡在沒有額外藥物的情況下也能取得良好的治療效果。KARAKATSANI M E等[16]通過單側(cè)FUS誘導(dǎo)BBB打開，有效減少了AD rTg4510小鼠模型的tau磷酸化，提示超聲可通過減少tau病理變化而抑制AD進展。POON C T等[17]使用體內(nèi)雙光子熒光顯微鏡跟蹤經(jīng)FUS治療AD的TgCRND8小鼠模型中Aβ斑塊的變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)FUS治療后, Aβ斑塊數(shù)量減少27%, 斑塊表面積減小40%, 表明重復(fù)FUS治療是減少AD中晚期Aβ病理變化的有效方法。

PD的病理標志是存在富含纖維形式的α-突觸核蛋白(α-syn), 通常稱為路易病理學(xué)(LP)。PD患者腦脊液和血漿中存在α-syn, 因此，減少細胞外α-syn并防止其聚集成大的纖維簇，是PD各種免疫療法的明確治療策略[18]。迄今為止，針對異常α-syn積累的FUS促進治療的效果仍然未知，有少數(shù)研究對此進行探討并取得了積極的結(jié)果。KARMACHARYA M B等[19]探討了低頻FUS刺激對1-甲基-4-苯基吡啶離子(MPTP)處理后的PC12細胞中活性氧依賴性α-syn的影響，發(fā)現(xiàn)FUS刺激通過抑制活性氧的產(chǎn)生而抑制PC12細胞中α-syn的聚集，初步表明這種方法在清除退化大腦中積累的蛋白質(zhì)方面具有可行性。XHIMA K等[20]使用磁共振引導(dǎo)下的FUS向高表達α-syn的轉(zhuǎn)基因小鼠無創(chuàng)遞送α-syn基因沉默載體病毒，治療1個月后，靶向腦區(qū)域的α-syn免疫反應(yīng)性降低，而其他神經(jīng)元標志物如突觸素或酪氨酸羥化酶無變化，細胞死亡和神經(jīng)膠質(zhì)激活保持在基線水平。由此表明, FUS可以有效地將靶向α-syn合成的病毒載體傳遞至多個大腦區(qū)域，可能有助于改變PD患者(特別是早期診斷患者)的LP進展，從而改善疾病的演變。

針對神經(jīng)變性動物模型的研究[21]表明，許多不同的神經(jīng)營養(yǎng)因子均可以保護和修復(fù)受損的神經(jīng)元，其中含多巴胺的神經(jīng)元對轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)家族的神經(jīng)營養(yǎng)因子尤其具有很強的反應(yīng)性和依賴性。TGF-β家族包括膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF)、神經(jīng)肽和生長分化因子，這些成員的效果均已在臨床試驗中被評估，值得注意的是，其他神經(jīng)營養(yǎng)因子也已被發(fā)現(xiàn)在黑質(zhì)紋狀體通路中顯示出有益的效果[21-22]。但神經(jīng)營養(yǎng)因子分子量大，無法穿過BBB, 并且會在外周迅速代謝。FUS技術(shù)可靶向性地短暫打開BBB, 促進相關(guān)神經(jīng)保護劑的吸收。已有研究[23]證明, FUS有能力將足夠水平的神經(jīng)肽輸送至小鼠大腦的黑質(zhì)紋狀體區(qū)域，故FUS可提供比直接注射更多的因子，并使神經(jīng)營養(yǎng)因子生物活性達到預(yù)期效果。連接腹側(cè)中腦區(qū)域和紋狀體的黑質(zhì)紋狀體通路是PD中受累最嚴重的多巴胺能通路。KARAKATSANI M E等[24]在PD小鼠模型中利用FUS向左紋狀體和中腦遞送腺相關(guān)病毒(AAV)-膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF), 結(jié)果顯示多巴胺能神經(jīng)元細胞體在使用通過FUS誘導(dǎo)的BBB開口擴散的AAV-GDNF后表現(xiàn)出58.4%的上調(diào)，改善了PD小鼠的多巴胺相關(guān)行為改變，證實了FUS促進的病毒遞送有助于減緩或修復(fù)神經(jīng)退行性疾病中的神經(jīng)元損傷。LIN C Y等[25]將攜帶基因的脂質(zhì)體與FUS聯(lián)合，以提高PD小鼠模型中的GDNF基因遞送效率，發(fā)現(xiàn)FUS開放BBB后可以實現(xiàn)基因-脂質(zhì)體復(fù)合物的局灶遞送成功并改善神經(jīng)元功能，延緩運動相關(guān)行為異常的進展。由此表明，基因-脂質(zhì)體復(fù)合物協(xié)同F(xiàn)US技術(shù)可以作為PD動物治療的有效基因治療策略，并且可能具有進一步應(yīng)用于神經(jīng)退行性疾病基因治療的潛力。

5 總結(jié)和展望

目前, FUS單獨應(yīng)用或與微泡聯(lián)合應(yīng)用介導(dǎo)BBB開放，是一種快速、有效和非侵入性將治療藥物輸送至大腦的方式，有望改變神經(jīng)退行性疾病的治療現(xiàn)狀。盡管FUS在基礎(chǔ)研究和臨床研究中都顯示出良好的應(yīng)用前景，但仍存在著許多未知領(lǐng)域，例如人腦中局部的BBB開放如何影響藥物在神經(jīng)退行性腦環(huán)境中的藥代動力學(xué)、FUS的長期安全性等。未來，醫(yī)學(xué)研究人員還應(yīng)精心設(shè)計基礎(chǔ)研究、臨床試驗和生物醫(yī)學(xué)工程在內(nèi)的跨學(xué)科研究，努力提高FUS的安全性、有效性，從而為FUS技術(shù)在神經(jīng)退行性疾病中的成功應(yīng)用鋪平道路。