纳米药物载体转运药物通过血脑屏障的研究进展

阙中有（综述），王 萍（审校）

（1.中国医科大学临床医学五年制，沈阳 110001;2.中国医科大学基础医学院神经生物学教研室，沈阳 110001）

近一个世纪以来，神经科学的研究已经取得了一系列重大进展，人们对中枢神经系统疾病的认识也取得了长足的进步。但中枢神经系统在结构与功能上的复杂性导致了中枢神经系统疾病的临床治疗进展缓慢，中枢神经系统疾病依然是威胁人类健康的重要疾患。血脑屏障的存在使得治疗药物难以到达病变的脑组织发挥治疗作用。纳米给药系统有望克服这一障碍，已经成为了研究的热点。

1 血脑屏障的基本结构与功能

血脑屏障是位于中枢神经系统的毛细血管与神经组织之间的有动态调节功能的界面，是维持大脑内环境稳定的重要生理元件。血脑屏障最重要的功能就是屏障功能，其屏障作用不仅仅是被动性保护，还能选择性地泵出脑内的代谢废物和有害物质（包括药物）。血脑屏障的屏障功能主要是由脑毛细血管内皮细胞及其细胞间紧密连接所承担的。其结构分为三层:内层为无孔毛细血管内皮细胞及其之间的紧密连接，中层为基膜和周细胞，外层为星形胶质细胞足突和极为狭小的细胞外间隙共同组成的细胞复合体［1］。由于其特有的结构特征，脑毛细血管内皮细胞的透过性远低于其他内皮细胞。实验表明，其他组织的跨内皮电阻只有3～33 Ω/cm2，而脑血管内皮细胞可产生1500～2000 Ω/cm2跨内皮高电阻，这使得基于水溶液的细胞旁扩散减低［2］。

除此之外，内皮细胞表面的载体、相关受体介导的物质转运系统和酶屏障高度协同进一步完善了血脑屏障的屏障功能。例如，P-糖蛋白是位于脑毛细血管内皮细胞膜上的转运蛋白，许多药物分子在进入脑实质之前就被这种功能强大的转运蛋白从内皮细胞胞质中清除［3］。在血脑屏障表面，包括单胺氧化酶、γ谷胱甘肽转肽酶、芳香氨酸脱羧酶等在内的酶类也发挥了重要的屏障作用，它们参与了脑内神经递质的降解过程［4］。例如，脑血管内皮细胞胞质中的单胺氧化酶和芳香氨酸脱羧酶有效地阻止了单胺类神经递质及其前体通过血脑屏障。

研究表明，药物通过血脑屏障的能力高度依赖于药物分子的大小、脂溶性、亲水性、解离度等性质。大部分药物无法透过血脑屏障，只有脂溶性高且相对分子质量＜400的小分子药物可以通过血脑屏障［5］，这严重阻碍了脑肿瘤、帕金森、阿尔茨海默病等严重威胁人类健康的中枢神经系统疾病的临床药物治疗。因此，血脑屏障成为了中枢神经系统疾病药物治疗的瓶颈，转运药物通过血脑屏障的研究受到了广泛的关注。

2 目前药物通过血脑屏障的方法

长久以来，人们经过大量的动物实验与临床研究已经发现了许多有临床应用潜力的能够开放血脑屏障的药物，以及给药方法。例如，有研究表明，甘露醇的应用可以暂时性地开放血脑屏障。其机制依赖于甘露醇注射后对渗透性的影响。甘露醇影响血脑屏障开放的因素有甘露醇的浓度、给药速度、时间以及药物注入后的保留时间。甘露醇开放机制主要是通过收缩血管内皮细胞，增加血脑屏障通透性，对中枢神经系统不会造成不可逆的损伤［6］。在动物试验中，远端静脉输注甘露醇以后的10～30 min指示剂通过血脑屏障的效果明显，60 min后效果减弱，120 min后几乎无作用，提示甘露醇对血脑屏障的开放作用是暂时性的。另外，罂粟碱作为一种阿片类的生物碱，可以通过抑制血管平滑肌的收缩使脑血管舒张，还可以通过抑制环磷酸鸟苷磷酸二酯酶或环磷酸腺苷磷酸二酯酶的活性来增加环磷酸鸟苷或环磷酸腺苷的水平，增加血脑屏障的通透性，而一些炎性因子的产生则促进了这一过程［7］。血管紧张素Ⅰ和血管紧张素Ⅱ对血脑屏障的通透性也有重要的影响。血管紧张素可以通过多种途径影响血脑屏障的通透性，既可以通过直接作用于受体改变血脑屏障通透性，也可以通过其他因素共同影响处于病理状态下的血脑屏障，因此血管紧张素也成为研究改变血脑屏障通透性的重要方向［8］。除此之外，能改变血脑屏障通透性的方法还有使用中药冰片、癸酸盐及超声波等［9］。

但是，由于上述改变血脑屏障通透性的方法都是在全脑范围内调节血脑屏障通透性，可能会导致各种严重不良反应的发生率大大提高，如感染、血压升高等，限制了上述方法的临床应用。然而，随着纳米技术的诞生，具有靶向性的纳米药物载体从根本上改变了这一现状。

3 纳米药物载体通过血脑屏障

纳米药物载体作为一种生物纳米材料，由纳米粒子（或纳米结构单元）组成。纳米粒子一般是指尺寸在0.1～100 nm之间的微粒，处于原子簇和宏观物体的过渡区域，属于典型的介观系统。纳米材料由于其极细微的晶粒，大量处于晶界与晶粒内缺陷中心的原子，以及其本身具有的小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应等，而拥有很多既不同于微观的原子，又不同于宏观物体的理化特性，在光学、磁学、力学、热学、电学以及化学性质方面与大块固体相比有显著不同。

3.1 纳米药物载体的特点 与传统药物载体相比，纳米药物载体具有靶向性、可控释放性、生物相容性与生物可降解性的特点。

靶向性:纳米药物载体具有可以改变药物体内分布、药物释放速率、生物利用度、膜透过性与局部滞留等特点，体现了体内分布的靶向性。脂质体的表面还可通过修饰，通过抗原-抗体特异性亲和作用，使之具有主动靶向性。

可控释放性:可控释放性即控制释放给药系统（controlled release drug delivery system，CRDDS）是指通过改变制剂结构使药物在一定时间内自动按恒定速率释放于靶组织，使药物浓度在较长时间维持在有效浓度内。

生物相容性与生物可降解性:生物相容性指材料对机体无毒，与机体的组织血液系统无反应，不会引起炎症、凝血等变化，对机体无损伤。与之类似的是，可降解意味着纳米聚合物会在体内最终降解为无毒的产物，不会引起积累中毒。

3.2 纳米药物载体通过血脑屏障的可能机制 纳米药物载体透过血脑屏障的机制尚未完全阐明，但是相关的实验研究已经提出了许多可能的药理机制。

研究表明，纳米药物载体在血管内滞留时间长，并且可以被血管内皮细胞吸收。增高的浓度梯度能够增强纳米颗粒通过血脑屏障进入中枢神经系统，而且经过修饰的纳米颗粒的表面活性剂能够导致毛细血管内皮细胞膜脂质流动性增大，使药物渗透血脑屏障的能力进一步增强。由于内皮细胞之间的紧密连接承担了血脑屏障的主要机械屏障功能，而纳米微粒可以打开内皮细胞间的紧密连接，使得药物分子能够通过血脑屏障［10］。另外，血液中的蛋白载脂蛋白B和载脂蛋白E可以吸附纳米微粒，之后再被内皮细胞通过受体调节的胞吞方式摄取［11］。更为关键的是纳米药物载体表面的包被剂（如聚山梨酯80）可以阻碍血脑屏障上的以P-糖蛋白为代表的泵出系统［12］。尽管纳米药物载体透过血脑屏障的机制尚未完全阐明，但可以肯定的是多种机制共同参与了纳米药物载体通过血脑屏障的过程。

3.3 几种重要纳米药物载体通过血脑屏障的研究进展

3.3.1 以生物降解的聚合物类纳米微粒透过血脑屏障 能够以确定的速率转运药物分子的聚合物类纳米药物载体的诞生，对中枢神经系统疾病的临床药物治疗产生巨大的影响。将化疗药物结合到水溶性的大分子聚合物上可以提高药物通过血脑屏障的能力，延长在脑内的驻留时间。聚合物纳米颗粒可以提高大部分药物的治疗效果，并且降低其毒性。静脉注射包被聚山梨酯80的载有阿霉素的纳米微粒可以提高颅内植入胶质母细胞瘤大鼠的生存率［13］。另一项研究表明，聚乙二醇化的聚十六烷基氰基丙烯酸酯颗粒在通过血脑屏障方面表现更佳，且还不改变血脑屏障的渗透性。还有，在不减少药物治疗必需剂量的前提下，载有丙戊酸的纳米微粒能通过阻碍有毒代谢产物的生成而降低药物的不良反应［14］。

早在20世纪90年代，就有研究表明聚合物纳米颗粒可以作为多肽类药物的转运载体。Kreuter等［15］就证实了多种药物可以通过聚山梨醇酯（吐温类表面活性剂）包被的聚丁基氰基丙烯酸酯（polybu-tylcyanoacrylate，PBCA）纳米粒而在脑组织中发挥靶向作用。实验通过将氚标记的亮啡肽类药达拉根（Dalargin）装载到聚山梨酯80修饰的PBCA上，给小鼠静脉注射，通过测定不同组织的放射性，发现脑中的达拉根含量有显著提高，起到了镇痛作用。但如果直接给小鼠静脉注射达拉根或者仅装载达拉根的PBCA，均不易通过血脑屏障［16］。由聚山梨酯80包被的PBCA纳米药物载体也能够使得替莫唑胺通过血脑屏障的能力大幅提高［17］，并且研究指出聚山梨酯80包被的PBCA纳米药物载体不会使血脑屏障的完整性受到破坏［18］。另外，纳米微粒所带的电荷极性以及亲脂性对于纳米药物透过血脑屏障的能力也有重大影响。相关研究表明，脂质双分子层包裹的阴性纳米颗粒透过血脑屏障的能力比未包裹脂质双分子层的阴性纳米粒子高3～4倍，脂质双分子层包裹的阳性纳米颗粒透过血脑屏障的能力比未包裹脂质双分子层的阳性纳米粒子高27倍，而中性纳米粒子无显著变化。

近年来，还诞生了载有白细胞介素2的可降解聚合物纳米微球用于细胞因子的局部给药方法，用于脑肿瘤的免疫治疗。由聚合物运载细胞因子的方式具有转染细胞运载方式不具备的诸多优点，如无需转染细胞因子的基因，体内细胞因子释放时间长，可产生更多的可再生的细胞因子释放。聚合物纳米微球还可以通过脑立体定向的方法在不伤及脑组织的情况下植入到脑内精细的功能区域，从而避免了手术［19］。

聚合物类纳米药物载体通过血脑屏障的机制与其能够在血浆中吸附载脂蛋白E的性质有关。吸附了载脂蛋白E的药物很可能具有类似脂蛋白颗粒的性质，以内吞的方式透过了血脑屏障。Muller等［20］通过聚丙烯酰胺2D电泳观察到，当纳米颗粒聚山梨醇酯80与人血浆共同孵育后，纳米颗粒表面富集载脂蛋白E，而其他表面活性剂则未发现有载脂蛋白E的吸附。因此，输送药物入脑的效率取决于表面活性剂的性质。聚山梨醇酯80或20以及泊洛沙姆类的表面活性剂有增大药物颗粒在脑内的效果［21］。目前借助纳米药物载体通过血脑屏障的药物还包括洛哌丁胺、阿霉素与筒箭毒碱等［22］。

3.3.2 配体介导的纳米药物载体透过血脑屏障分子生物学研究发现，脑血管内皮细胞上存在至少50种受体与载体，包括ATP结合盒转运蛋白、有机阴离子转运体、转铁蛋白受体以及一些基本营养因子的转运体，如葡萄糖、氨基酸、胆碱等［23］。由于血脑屏障高表达这些营养因子转运体，因此这些载体蛋白常常作为药物输送入脑的靶点以克服血脑屏障的阻碍作用［24］，经过特定配体修饰的纳米药物载体成为了一个重要的研究方向。

例如，水溶性的硫胺是细胞生长发育所需的基本微量营养物质，所有的真核细胞都具有特异的硫胺转运体，因此可以考虑以硫胺作为细胞特异性配体的靶向纳米药物载体。事实上硫胺配体在肿瘤靶向治疗中早有研究。研究表明，硫胺包被的钆纳米微粒能与表达硫胺转运体和人乳腺癌细胞特异结合［25］。基于血脑屏障硫胺配体的特异性结合能力，硫胺配体也可以应用在纳米药物载体上，协助药物通过血脑屏障。其机制包括通过促进转运机制或提高被动扩散，其次是结合血脑屏障上的硫胺转运体使药物在血脑屏障界面的浓度梯度增加。两方面协同作用共同促进药物通过血脑屏障。硫胺配体与血脑屏障的硫胺转运体结合后，可以通过转运体的主动运输和后续的被动扩散提高细胞对纳米粒的摄取，Lockman等［26］发现硫胺配体修饰的纳米粒在大脑中的滞留量提高了2倍。

乳铁蛋白属于转铁蛋白家族。Hu等［27］发现，将60 mg/kg的经乳铁蛋白修饰的纳米粒子经过小鼠尾静脉输入小鼠体内，24 h后与未经修饰的纳米粒子相比，乳铁蛋白纳米粒子在大脑皮质、纹状体、脑室等部位的含量是未经修饰的纳米粒子的2.98倍。而且，研究还表明乳铁蛋白纳米粒子具有生物可降解性，生物毒性较低。

3.3.3 可用于基因治疗的纳米药物载体 随着分子生物学的发展，人们对于基因的认识也日益深入。可应用于临床的基因治疗也成为了药物研发的热门领域。基因治疗利用特定的运载工具将目的基因转录到相关的组织当中，使其可以表达大量有益于疾病治疗的蛋白。而纳米药物载体则因其靶向性、可降解性被用于基因治疗当中，充当高效且安全的药物载体。目前，作为基因载体的纳米病毒颗粒在基因治疗中应用最为广泛。

例如，在体内转染单纯疱疹病毒胸腺激酶基因进入肿瘤，然后使用抗疱疹药物更昔洛韦治疗。由于瘤内注射转染了反转录病毒载体，该载体含有胸腺激酶基因，使肿瘤对更昔洛韦更加敏感［28］。国内曾报道用含单纯疱疹病毒胸苷激酶基因的反转录病毒载体生产细胞注入和羟甲基无环鸟苷全身给药的方法治疗25例脑胶质细胞瘤患者，经2～5年随访证实，脑胶质瘤基因治疗的近期疗效要优于常规治疗疗效［29］。

其他用于中枢神经系统基因治疗方法的纳米药物载体还包括有反转录病毒、腺病毒。虽然这些方法在中枢神经系统疾病的药物治疗上有很大的潜力，但是由于血脑屏障的存在、宿主细胞的无效转染以及目的基因的非选择性表达与有害调控等不利因素限制了它的应用。

另外，作为非病毒介导的基因治疗载体，阳离子纳米微粒在基因药物载体方面的研究也广受重视。Lu等［30］研究发现，经过共价修饰的聚乙二醇清蛋白阳离子纳米微粒（cationic albumin-conjugated pegylated nanoparticles，CBSA-NP-hTRAIL）注射植入了胶质瘤细胞的小鼠体内，24 h后脑皮质以及肿瘤组织均可发现hTRAIL-mRNA，而且在胶质瘤细胞中表达水平更高。当前，纳米技术蓬勃发展，各种新型的纳米药物载体不断涌现，还诞生了像磁性纳米微粒、固体脂质纳米粒、纳米胶囊等生物纳米材料［31］。关于其在体内产生的药理、毒理等方面的研究也在广泛开展，相信在不久的将来，纳米药物载体必将在中枢神经系统疾病的临床治疗中发挥巨大的作用［32］。

4 问题与展望

随着纳米技术的突飞猛进，药用生物纳米材料取得了空前的进步。纳米药物载体在透过血脑屏障用药物治疗中枢神经系统疾病方面显示出了巨大的应用前景。尽管人们已经取得了丰硕的研究成果，但是，目前大部分纳米药物载体还处于实验阶段，距离真正的临床应用为时尚早。在纳米材料的制备、生物毒性、稳定性、可控性等方面有更多的研究工作尚待开发和完成。

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