黑磷在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中載藥的應(yīng)用

趙文昕 綜述 孫挺 審校

1.暨南大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510632；

2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院·佛山市口腔醫(yī)院，廣東 佛山 528000

神經(jīng)系統(tǒng)疾病是全球致殘最主要的原因，也是全世界第二大死亡原因[1]。然而，由于血腦屏障的阻礙，針對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的藥物難以發(fā)揮預(yù)期的臨床療效。隨著納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展，許多納米載體被發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)功能化穿越血腦屏障，從而實(shí)現(xiàn)將藥物靶向運(yùn)輸?shù)街袠猩窠?jīng)系統(tǒng)[2]。黑磷是一種繼石墨烯后新興的二維納米材料，出色的光學(xué)吸收能力、較大的比表面積、良好的生物相容性及生物降解性賦予了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域一定的應(yīng)用前景。近年來(lái)的研究表明，黑磷在穿越血腦屏障方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這意味著黑磷在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療中具有極大的潛力?，F(xiàn)就黑磷作為藥物載體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用研究予以綜述。

1 黑磷及其性質(zhì)

黑磷(black phosphorus，ΒP)是一種新興的二維納米材料，它是白磷和紅磷之外的磷單質(zhì)的另一種同素異形體，也是其中最穩(wěn)定的一種形態(tài)[3]。黑磷為片層狀結(jié)構(gòu)，與石墨烯不同，黑磷同一層內(nèi)的原子并不在同一平面上，而呈一種蜂窩狀的褶皺排列。層內(nèi)P 原子與周圍的3個(gè)原子通過(guò)3p雜化軌道相連，s-p軌道雜化使得褶皺層狀結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。層內(nèi)原子之間由較強(qiáng)的共價(jià)鍵相連，層與層之間靠較弱的范德華力連接。因此，黑磷很容易被剝離為單層或超薄的納米片[4]。黑磷獨(dú)特的褶皺結(jié)構(gòu)使它展現(xiàn)出有別于其他二維納米材料的優(yōu)異性質(zhì)。然而，黑磷在含有水和氧氣的環(huán)境中會(huì)很快地降解，這一特性是黑磷在實(shí)際應(yīng)用中最大的障礙。這是因?yàn)楹诹准{米片表面有孤對(duì)電子，氧與黑磷表面磷原子的長(zhǎng)電子對(duì)反應(yīng)形成的磷酸鹽可被水分子快速地溶解，溶解的磷酸鹽從黑磷表面解離，導(dǎo)致黑磷重新暴露于環(huán)境中繼續(xù)氧化過(guò)程[5]。此外，光也是影響黑磷降解性的另一重要因素，研究表明光可以加速黑磷在周圍環(huán)境中的降解?？傊?，黑磷的降解速率受到水、氧氣、光的共同調(diào)控，并與黑磷的厚度呈反向相關(guān)，越薄的黑磷納米片降解越快。生理環(huán)境是一種富含有水、氧及其他很多生物分子的復(fù)雜環(huán)境，這對(duì)于黑磷在體內(nèi)的應(yīng)用十分不利。但從生物相容性的角度來(lái)看，黑磷的降解產(chǎn)物為對(duì)人體無(wú)害的磷酸鹽和水，這意味著黑磷可以在體內(nèi)無(wú)毒地降解[6-7]。與其相比，大多數(shù)二維納米材料因不易降解，在體內(nèi)積累，容易產(chǎn)生系統(tǒng)毒性。因此，無(wú)毒的生物降解性賦予了黑磷更高的生物安全性與應(yīng)用潛力?？傮w而言，黑磷出色的光學(xué)吸收能力、較大的比表面積、良好的生物相容性及生物降解性使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。目前，黑磷已被廣泛地應(yīng)用于骨組織再生、抗菌及腫瘤治療等領(lǐng)域。此外，黑磷還具有穿透血腦屏障的能力，這使其可能成為新一代的治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的藥物載體。

2 黑磷作為藥物載體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

2.1 黑磷穿越血腦屏障(blood-brain barrier)的優(yōu)勢(shì) 血腦屏障是大腦和血液循環(huán)化合物之間的一道重要屏障。它由腦毛細(xì)血管內(nèi)皮及其細(xì)胞間的緊密連接、完整的基膜、周細(xì)胞以及星形膠質(zhì)細(xì)胞腳板圍成的神經(jīng)膠質(zhì)膜構(gòu)成。它將血漿中的神經(jīng)毒性物質(zhì)、細(xì)胞和病原體排除在大腦之外，從而保持腦組織內(nèi)環(huán)境的基本穩(wěn)定。ΒΒΒ 的存在對(duì)維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常的生理狀態(tài)具有重要的生物學(xué)意義，同時(shí)，它也為藥物進(jìn)入大腦設(shè)置了壁壘，這對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提出了巨大的挑戰(zhàn)[8-9]。雖然已有許多藥物被研發(fā)來(lái)對(duì)抗中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，但由于無(wú)法有效穿過(guò)ΒΒΒ、生物學(xué)穩(wěn)定性差、降解速度快、釋放不充分、藥代動(dòng)力學(xué)特性不佳等問題，大多數(shù)傳統(tǒng)藥物未能在臨床應(yīng)用中發(fā)揮顯著療效[10]。隨著納米醫(yī)學(xué)的迅速發(fā)展，各種納米載體被開發(fā)來(lái)保護(hù)和靶向運(yùn)輸這些藥物分子。納米載體具有分子量小、載藥率高、易于改性、可以通過(guò)不同的途徑跨越ΒΒΒ等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于腦靶向的藥物運(yùn)輸[11]。但目前仍需要解決一些挑戰(zhàn)：(1)納米載體的生物降解和生物相容性是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵因素，可直接決定其臨床轉(zhuǎn)化進(jìn)展。(2)設(shè)計(jì)載藥量高、加工簡(jiǎn)單，可控釋放的藥物載體是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。過(guò)于繁瑣的功能化方式不但會(huì)提高藥物的成本，也進(jìn)一步限制了其在臨床上的應(yīng)用。此外，理想的納米藥物載體除了需要對(duì)所負(fù)載藥物具有較強(qiáng)結(jié)合作用外，還需要具有在靶向病理區(qū)域可控釋放藥物的能力。(3)功能性納米載體應(yīng)盡量避免被免疫系統(tǒng)吸收。當(dāng)納米粒子進(jìn)入血液循環(huán)時(shí)，它們的外表會(huì)和血液中許多種類的蛋白質(zhì)發(fā)生非特異性的相互作用，形成一個(gè)生物分子冠稱為蛋白冠，其會(huì)進(jìn)一步激活免疫系統(tǒng)中的免疫細(xì)胞，包括單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞，隨后誘導(dǎo)納米粒子的吞噬和清除。因此，當(dāng)前開發(fā)出適合用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病藥物運(yùn)輸且具有臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值的功能性納米載體迫在眉睫。得益于其褶皺狀的結(jié)構(gòu)，單層及少層黑磷納米片具有比平面二維納米材料更高的比表面積，這一性質(zhì)賦予了黑磷納米片更高效載藥的能力。此外，黑磷無(wú)毒的生物降解性，生物相容性，可控性的藥物釋放能力使其被廣泛的開發(fā)作為藥物載體用于骨組織再生和腫瘤治療等領(lǐng)域[12-13]。最近的研究表明，黑磷在靶向中樞神經(jīng)系統(tǒng)的藥物運(yùn)輸方面，也表現(xiàn)出令人滿意的結(jié)果。通常，納米載體穿過(guò)血腦屏障的方式包括：胞旁和胞外的擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)、受體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)、吸附介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)和細(xì)胞介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)[12]。然而，與其他常見的二維納米材料需要復(fù)雜的功能化及修飾才能穿過(guò)血腦屏障相比，黑磷基納米載體通過(guò)光熱效應(yīng)可逆性地打開血腦屏障緊密連接的性能為其成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病藥物運(yùn)輸?shù)墓δ苄约{米載體奠定了無(wú)可比擬的基礎(chǔ)。它不但能夠在無(wú)修飾的情況下跨越血腦屏障，同時(shí)兼具無(wú)機(jī)材料特有的高效載藥性及生物材料的無(wú)毒的降解性[14]。因此，黑磷已經(jīng)成為靶向中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病藥物運(yùn)輸研究的新興材料。大量的研究表明，腦部局部高溫可以暫時(shí)性的增加血腦屏障的通透性[15-16]。黑磷納米片具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)，在NIR 輻照下，黑磷可產(chǎn)生局部高溫，提高ΒΒΒ 的滲透率。CHEN等[14]的報(bào)告表明，在808 nm激光照射3 min后，無(wú)黑磷的溶液溫度僅升高了4°C，而黑磷溶液的溫度增加了23°C。之后，以bEnd3 單層細(xì)胞作為體外ΒΒΒ模型，對(duì)黑磷納米片提高ΒΒΒ滲透性的可行性進(jìn)行了調(diào)查。與沒有激光照射的組相比，在NIR 輻照后，從上腔轉(zhuǎn)移到下腔的黑磷納米片的百分比顯著增加了6 倍，這表明黑磷納米片的光熱效應(yīng)提高了ΒΒΒ的滲透率。同樣地，在體內(nèi)研究中，埃文斯藍(lán)色染色和NIR 熒光成像技術(shù)的結(jié)果都表明黑磷納米片的光熱效應(yīng)提高了ΒΒΒ的滲透性。

2.2 黑磷作為藥物載體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療中的應(yīng)用 最近，已有一些基于黑磷的納米材料作為藥物載體被研發(fā)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療。例如，JIN等[17]設(shè)計(jì)了一種基于黑磷的藥物遞送系統(tǒng)，并證明了它對(duì)抑郁癥的治療效果。以經(jīng)典抗抑郁藥物氟西汀(Fluxetine，Prozac)為模型藥物，通過(guò)靜電效應(yīng)與黑磷相結(jié)合。隨后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Flu 以700%的載藥量成功地被加載到黑磷表面。在近紅外光照射30 min 后，近90%的Flu 可以被釋放。兩周后，與NIR-ΒP 組及ΒP-Flu 組相比，ΒP-Flu-NIR 組小鼠抑郁癥樣的行為得到了極大緩解。值得注意的是，經(jīng)過(guò)四周的治療后，F(xiàn)lu 和ΒP-Flu-NIR 組都顯示出預(yù)期的抗抑郁作用。這表明ΒP-Flu-NIR 的應(yīng)用大大縮短了抑郁癥的治療時(shí)間。此外，ΒP基納米載體還表現(xiàn)出良好的生物相容性。典型器官(例如心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟)的蘇木精-伊紅染色結(jié)果表明：在治療4周后未觀察到明顯的靶器官損傷。通過(guò)檢測(cè)P元素在小鼠體內(nèi)的生物分布，研究者發(fā)現(xiàn)未經(jīng)808 nm激光照射組的黑磷主要沉積在腦和肝內(nèi)，而ΒP-Flu-NIR 組在治療后，黑磷幾乎完全排出體外。這進(jìn)一步表明：在NIR 的輔助下，黑磷可以迅速?gòu)男∈篌w內(nèi)排出。這項(xiàng)研究表明黑磷除了具有優(yōu)異的藥物負(fù)載能力及良好的生物相容性外，與其他材料相比，還具有在NIR照射下可控釋放藥物及無(wú)毒性降解的能力。在另一項(xiàng)研究中，黑磷基納米載體的腦藥代動(dòng)力學(xué)行為得到了分析。XIONG等[18]利用含有腦靶向配體乳鐵蛋白(Lf)的黑磷納米片及芍藥苷(Pae)構(gòu)建了Lf-ΒP-Pae 納米復(fù)合物。其中，乳鐵蛋白(Lf)可以作為一種強(qiáng)效的腦靶向配體，使該納米復(fù)合物可以通過(guò)腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的胞飲作用穿過(guò)血腦屏障來(lái)靶向治療帕金森綜合征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Lf-ΒP-Pae+NIR組小鼠腦內(nèi)Pae濃度在尾靜脈給藥4 h 后達(dá)到峰值。與Pae 組相比，Lf-ΒP-Pae+NIR組小鼠腦內(nèi)藥物最大濃度增加約2.25 倍，腦中藥物半衰期升高至(4.09±0.20)h，是Pae組的3.82倍。這些數(shù)據(jù)表明Lf-ΒP-Pae 納米平臺(tái)顯著提高了Pae 的生物利用度?？偠灾?，黑磷作為靶向中樞神經(jīng)系統(tǒng)的藥物載體，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在3方面：(1)超強(qiáng)的藥物負(fù)載與控釋能力；(2)良好的生物相容性與無(wú)毒的生物降解性；(3)穿透血腦屏障的能力。因此，黑磷有希望成為新一代靶向中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物運(yùn)輸?shù)墓δ苄约{米載體。

2.3 當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn) 黑磷在進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用之前，仍需克服許多挑戰(zhàn)。通常而言，降解性是黑磷在實(shí)際生產(chǎn)與應(yīng)用中最常見的問題，然而關(guān)于黑磷的鈍化政策已經(jīng)得到了廣泛的研究，在此不再贅述[19-21]。除此之外，黑磷作為腦靶向藥物載體，還有以下一些問題需要解決：黑磷的非活性表面使得其改性較為困難，限制了其載藥的方式。因?yàn)楹诹自谒袔ж?fù)電，因此只有帶正電的藥物分子可以通過(guò)靜電相互作用被加載于它的表面或者通過(guò)聚合物包裹藥物。另外，黑磷的表面電荷在跨越血腦屏障的過(guò)程中起著矛盾的作用。研究表明，納米粒子表面帶陽(yáng)性電荷更有利于其跨越血腦屏障，因?yàn)閮?nèi)皮細(xì)胞上具有與其互補(bǔ)的負(fù)電荷。然而與陽(yáng)性納米顆粒相比，陰離子或中性的納米顆粒的毒性更低，體內(nèi)循環(huán)時(shí)間更長(zhǎng)[22-24]。此外，黑磷基納米材料作為一種外源性藥物傳遞系統(tǒng)，很容易被免疫系統(tǒng)識(shí)別。這對(duì)幾乎所有的納米載體來(lái)說(shuō)都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)納米粒子進(jìn)入血液循環(huán)時(shí)，血液中許多種類的蛋白質(zhì)會(huì)非特異地吸附在其表面，形成一個(gè)蛋白冠，蛋白冠的存在會(huì)進(jìn)一步吸引免疫細(xì)胞，包括單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的注意，隨后誘導(dǎo)吞噬和清除[25-26]。目前，克服單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)吸收的主要策略是用親水性聚合物覆蓋納米粒子的表面[27]。例如，聚乙二醇化可以減少納米粒子與蛋白的相互作用。在許多用于癌癥治療的黑磷納米載體中，ΒP-PEG已被證明在延長(zhǎng)血液循環(huán)時(shí)間、提高血清穩(wěn)定性、降低免疫原性和防止與非靶細(xì)胞的相互作用方面取得成功[28]。此外，仿生納米材料的開發(fā)也越來(lái)越受到腦靶向藥物運(yùn)輸領(lǐng)域的重視。例如，LUO等[29]設(shè)計(jì)了一種基于間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)的聚乳酸-羥基乙酸/黑磷量子點(diǎn)(PLGA/ΒPQDs)納米復(fù)合物，用于膠質(zhì)瘤的靶向光熱治療。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與其他組相比，MSC PLGA/ΒPQD組具有更高的腫瘤內(nèi)藥物濃度和更長(zhǎng)的體內(nèi)藥物循環(huán)時(shí)間。類似地，使用一些天然的囊泡，如脂質(zhì)體、外泌體、紅細(xì)胞膜等包裹納米載體也可以幫助其逃離免疫系統(tǒng)[30]。

3 展望

由于血腦屏障的存在，中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的藥物治療一直是一個(gè)難點(diǎn)。近年來(lái)隨著生物納米技術(shù)的發(fā)展，許多納米材料被開發(fā)作為藥物載體來(lái)穿越血腦屏障。黑磷作為一種新興的二維納米材料，其優(yōu)異的藥物負(fù)載能力、穿透血腦屏障的能力及良好的生物降解性使其有希望作為新一代靶向中樞神經(jīng)系統(tǒng)的藥物運(yùn)輸載體。但對(duì)于黑磷基納米材料靶向中樞神經(jīng)系統(tǒng)的具體機(jī)制及影響因素，仍需更多研究深入探討，為開發(fā)新一代的腦靶向黑磷基藥物運(yùn)輸平臺(tái)提供參考。