脊髓继发性损伤的纳米微粒药物治疗研究进展*

张峻季欣然唐佩福*

脊髓继发性损伤的纳米微粒药物治疗研究进展*

张峻1,2季欣然1唐佩福1*

由于脊髓原始损伤后发生的生物学级联反应继续损伤健康的神经细胞会导致继发性脊髓损伤，因此及时减轻级联反应可能会减小脊髓进一步损伤。但是，药物达到有效治疗的运输效率非常受限制。运用结合纳米微粒提高运输效率，降低副作用已经成为医疗应用的主要探索领域。基于纳米微粒的材料属性，它可以通过运输药物到特定的组织治疗脊髓损伤。将纳米技术融入神经损伤和神经疾病的治疗将会带给脊髓损伤的治疗带来新的视野。

脊髓损伤；药物治疗；纳米材料

神经损伤可以是生物学损害引起，如多发性硬化症；或者是机械性损害引起，如车祸伤，坠落伤，运动伤，压迫导致的脊髓损伤[1]。由于感觉，运动和认知功能的不同程度的丧失，往往会降低病人的生活质量[2]。交通伤大多会导致中枢神经系统的严重损伤，除了可能的致死率外，通常导致不同程度的肢体瘫痪，皮肤感觉减退或过敏感。由于神经损伤引起的疼痛，不仅会彻底地改变病人的生活质量，而且造成巨大的社会负担，如造成健康费用支出的增加和社会劳动力的丧失[3]。近年来，各种治疗脊髓损伤的方法层出不穷，但治疗效果也不尽相同[4-7]。物理治疗不是治疗脊髓损伤中严重组织损伤的唯一有效方法[8,9]。机械创伤引起的化学级联反应会导致迟发的继发性脊髓损伤，进一步加重了原始损伤的范围和程度。基于继发性损伤的病理过程的延时性，可以找到一个进行干预的时间窗口[9]。所以抑制脊髓继发性损伤的进程已经成为阻止脊髓变性，促进脊髓功能恢复的一种重要治疗策略。因此，明确脊髓的继发性损伤的病理过程并寻找关键的药物治疗靶点是研究的重点方向。

1 免疫抑制剂

尽管甲基强的松龙(Methylprednisolone,MP)是作为治疗脊髓损伤的最常用药物，但已经备受诟病[10]。Hugenholtz等[10]根据不完全统计临床数据得出MP治疗花费高，未能普遍使用的结论。Bracken等[11]建议MP在脊髓损伤后8小时内给药才有效，对于有效治疗时间窗较窄。但无论如何MP通过抑制免疫系统可达到减轻损伤部位周围炎症反应的目的。虽然它可能会减少氧化应激反应和免疫细胞释放免疫因子，但它对濒临死亡细胞的病理进程仍然无法逆转。MP是唯一应用于临床治疗的药物，但作用机制和备受质疑的治疗效果需要重新评估，或者考虑选择更好的治疗方案。再者，选择一种更好的全新治疗方案或许有助于减轻药物引起的不良副反应。同时，抑制继发性脊髓损伤的治疗主要体现在能够及时预防体内各种来源的应激打击。因此，在寻找治疗脊髓损伤更为有效的全新治疗方面需要做更多的研究工作。

由于MP已经用于治疗脊髓损伤，各种研究试图提高局部药物聚集浓度同时达到提高治疗效能和降低副作用的目的[12]。在多发性硬化症和眼部炎症的模型中，研究者使用脂质共轭聚乙二醇，结合谷胱甘肽和磷脂酰胆碱构建脂质体纳米微粒，装入MP形成药物前体胶囊[6,13]。这种方法利用纳米微粒的运送能力和药物自身特性达到减轻炎症的目的。谷胱甘肽作为一种靶向抗氧化剂，当静脉注射时，谷胱甘肽形成共轭脂质体后进入血脑屏障的效能会得以提升[13]。

2 抗氧化剂

补充谷胱甘肽是提高体内抗氧化剂含量的一种简便易行的方法。谷胱甘肽由半胱氨酸，甘氨酸，谷氨酸组成，它的抗氧化作用源于半胱氨酸亲核巯基[14]。它通过自身被氧化防止细胞主要结构被氧化而实现抗氧化的作用，但口服谷胱甘肽吸收效率不高。关于体内谷胱甘肽水平的研究证实通过体内谷胱甘肽的合成和半胱氨酸的摄取，形成一个平衡的氨基酸组分的状态[15]。因此，为了提高体内谷胱甘肽的水平，可以通过增加氨基酸的吸收将平衡向合成谷胱甘肽的方向转移[16]。由于其有限的生物利用度，直接有效地运送谷胱甘肽到达损伤部位有助于增加细胞的抗氧化能力进而避免脊髓继发性损伤的发生。因为谷胱甘肽发挥作用是细胞的原始防御反应，所以这种防御反应的效率更高而副作用较小[17]。正常人体细胞本身存在一个加工，使用和清除还原型谷胱甘肽的系统。临床中口服谷胱甘肽作为一个补充治疗[18]。

许多抗氧化剂在体外实验中表现出令人满意的结果，但在体内由于较短的半衰期，有限的治疗作用和自身代谢使其治疗效力受到了限制[19]。纳米技术的主要优势就是提高疗效有限的药物的运输效力。通过纳米技术将一种有限治疗效力的药物重新包装后成为一种有治疗前景的药物。

3 钙蛋白酶抑制剂

基于钙蛋白酶抑制剂在神经损伤中的作用，一些研究团队已经将其应用到靶向治疗神经细胞凋亡和坏死的各种疾病模型中。在静脉注射和腹腔内注射药物的体内研究中，Yu和Geddes发现只有当两种给药方式结合起来时，神经损伤的病理学表现才会显著改变[20]，否则，初始受损病灶将会继续扩大并且会出现与对照组相似的组织死亡率。研究者认为如果抑制剂有更好的运输效率和生物利用性，实验结果差异性会更加显著，但缺乏组织体外实验。在体外实验中，目标实验的细胞常常直接被用来实验而忽略了在体内受到治疗性分子运输效率的众多其它因素影响[20]。虽然实验组在体内取得了阳性治疗结果，受损病灶的扩大可能是因为其它继发性损伤因子所致，而且并没有通过钙蛋白酶抑制剂得到解决。RaySK曾尝试将MP和钙蛋白酶抑制剂治疗结合起来，但最终结论表明这种方法对固有的氧化应激反应引起的继发性损伤级联反应无有效作用[21]。钙蛋白酶抑制剂通过抑制细胞坏死性死亡可以延缓损伤向未损伤组织蔓延。和大多数治疗一样，对于小分子的特异性治疗很难取得疗效，仿生治疗一般需要通过降解得到保护。

4 丙烯醛清除剂

肼屈嗪已经被证实可作为丙烯醛和其它氧化产物的“清道夫”[22]。一旦丙烯醛与蛋白质相互作用，肼屈嗪就会对丙烯醛进行攻击，丙烯醛的羰基基团不会受到亲核进攻[23]。这种相互作用会形成希夫基亚胺复合体，它作为氨基酸合成的原料。当肼屈嗪与自由的丙烯醛作用时，丙烯醛数量会下降进而出现脂质过氧化。最终这一过程会终止并使细胞更加有效地恢复。

目前肼屈嗪用于治疗高血压。它通过激活平滑肌里的G蛋白偶联受体，鸟苷酸环化酶，进而产生下游信号松弛平滑肌[24]。基于这一机制，利用肼屈嗪清除丙烯醛会显著降低患者的血压。但肼屈嗪在体内半衰期很短，遗传因素会影响药物代谢及其副作用[24]。一些代谢肼屈嗪速度较快的病人会出现狼疮样症状[25]。因此，一种能够将肼屈嗪浓度集中在病变局部治疗脊髓损伤的治疗方法有待于研究，这不仅会避免血压的降低，也会避免其它组织受到损害。

轴突再生是脊髓损伤后重要的生理过程，但氧化应激和蛋白水解作用直接导致细胞凋亡和坏死。因此，在受损组织能够自身修复之前控制和预防细胞死亡显得极其重要。另外，炎症中最主要的问题是细胞因子诱导的氧化应激。最佳治疗是控制局部炎症和氧化应激，而不是抑制病人的全身免疫系统。

尽管抗氧化剂可以帮助减轻体内氧化应激反应，一些研究者也进行了清除体内丙烯醛的研究。Cho等[26]运用人工合成纳米颗粒运输肼屈嗪至受到丙烯醛作用的健康细胞。他们运用二氧化硅纳米颗粒作为模板，另外植入硅氧层和聚乙二醇涂层最终形成直径为126 nm的微球颗粒。体外研究连续追踪5天可观察到它可以将肼屈嗪运输至小鼠神经细胞内，药物可在进入细胞内前几个小时大量释放。基于测量细胞活力和治疗效果观察做大量细胞试验后，他们最后认为纳米微粒可以挽救神经细胞受到进一步毒性损伤。另一项研究中，他们体外建立脊髓损伤模型后运用相似的纳米微粒进行治疗，虽然微粒并没有包含肼屈嗪，但观察到神经细胞动作电位可恢复到脊髓受伤之前的水平，进而可以推测出是纳米微粒外面的聚乙二醇涂层起到了作用。

之后，Cho等尝试使用壳聚糖纳米微粒研究丙烯醛的清除。肼屈嗪封装在人工合成的直径约350nm的纳米微粒里。研究者发现壳聚糖纳米微粒封装效率较低，但仍然可以降低健康细胞暴露于丙烯醛的死亡率[27]。Tysseling-Mattiace等[28]自身合成多肽促进脊髓损伤后轴突再生，研究结果发现在小鼠脊髓损伤部位周围细胞凋亡下降，小鼠的运动功能得到恢复。

5 展望

凭借纳米材料发明一种合适的脊髓损伤治疗策略，首先就是将药物有效运输到神经损伤部位。使用纳米材料使药物完整地通过血-脑、血-脊髓屏障将会是一种比较理想的方法。其次，一般情况下，对于治疗效力有限的药物来说可以增加药物治疗作用的生物利用度。了解脊髓损伤的病理过程有助于将压力感受器开关整合到纳米粒子中进而保证将负载的药物输送到靶细胞[12,29]。

由于脊髓原始损伤后发生的生物学级联反应继续损伤健康的神经细胞会导致继发性脊髓损伤。所以，即使病人脊髓在受到原始损伤的情况下，及时减轻级联反应可能会减小脊髓健康细胞进一步损伤，也可以争取使机体尽快得到恢复的机会。但是，药物达到有效治疗的运输效率非常受限制。由于治疗药物低效的运输，结合纳米微粒提高运输效率，降低副作用已经成为医疗应用的主要探索领域[29]。基于纳米微粒的材料属性，它可以通过运输药物到特定的组织帮助治疗疾病[30,31]。将纳米医学融入神经损伤和神经疾病的治疗将会带给纳米医学新的视野[29,32]。

许多关于脊髓继发性损伤病理过程的问题已经被认识，但是并没有制定出最佳的治疗策略。利用纳米颗粒治疗脊髓继发损伤证明应用纳米医学治疗的广阔前景，但是药物的运输系统和治疗方法需要改进。就MP而言，即使MP药物本身有副作用和治疗的局限性，它也是临床上唯一专门用来治疗脊髓损伤的药物。庆幸的是利用纳米医学缓解治疗的副作用有明显的优势。目前，实施未经批准的凭借纳米医学来治疗的研究方法有一定困难，但是临床转化还是比较有前景。

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Advances in the Nano particle medicine treatment of secondary spinal cord injury

ZhangJun1,2,JiXinran1,TangPeifu1.1Departmentof Orthopaedics,ChinesePLAGeneral Hospital,Beijing 100853; 2 Department of Orthopaedics,the Affiliated Hospital of Innermongolia Medical University,Huhot Innermongolia, 010010,China

The biological cascade occurs after primary spinal cord injury which damaging original healthy nerve cells leads to secondary spinal cord injury,timely relieving cascade may reduce further damage to the spinal cord.However, the efficiency of drug transport to achieve effective treatment is very limited.Using the combination of nanoparticles to improve transport efficiency and reduce the side effects has become the main research field of medical application.Based on the material properties of nanoparticles,it can be transported to a specific tissue for treatment of spinal cord injury. Integrating nanotechnology into nerve injury and nerve disease treatment will bring the treatment of spinal cord injury a new vision.

Spinal cord injury;Drug therapy;Nano materials

R681.5

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2017.04.016

swgk2016-05-00097

张峻（1985-）男，在读博士。研究方向：脊柱外科，创伤骨科。

北京市科委重大项目（课题编号：D161100002816005）；

1解放军总医院骨科，北京100853；2内蒙古医科大学附属医院骨科，内蒙古呼和浩特010010