恶性脑肿瘤的药物投递策略

李涛 张辰 林雨 于胜平 明浩朗 任炳成 马海文 张恺 杨学军

恶性胶质瘤是人类最致命的肿瘤之一，尽管目前手术、放射治疗、化学治疗等治疗方式都取得了进展，但是预后不佳，中位生存期不到2 年[1]。一些恶性胶质瘤的新型化学药物在实验研究中效果明显，但临床疗效却大打折扣，原因是正常脑组织和肿瘤浸润脑组织的物理和生物学特性限制了化学治疗药物的投递[2]。因此，恶性脑肿瘤的药物投递方式也需同步发展。

一、恶性脑肿瘤的药物投递限制

1.血-脑屏障：血-脑屏障由一层内衬在全脑血管结构内的内皮细胞构成，这些内皮细胞通过紧密连接结合并由邻近的星形胶质细胞支撑，阻碍水溶性大分子通过，亲脂性小分子可被动扩散[3-7]。恶性脑肿瘤化学治疗药物的低效摄取受血浆蛋白结合、溶质分子量、主动外排转运系统的影响。药物外排泵P-糖蛋白的高表达能主动地从脑中清除化学治疗药物[8]。胶质母细胞瘤在脑实质内弥漫浸润生长，可利用大脑的天然防御机制——血-脑屏障对抗化学治疗药物[9-10]。一些在全身性肿瘤中显示出积极抗肿瘤作用的药物，如吉西他滨、多西他赛、培美曲塞、伊立替康、托泊替康，由于主动外排转运和血浆蛋白结合的原因，透过血-脑屏障的能力受到了限制[11]。酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼可以与血浆蛋白大量结合，同时也是主动外排泵的底物，厄洛替尼和吉非替尼可能也有同样的作用[12]。有机阴离子转运蛋白和谷胱甘肽依赖的多药耐药性相关蛋白也可以导致有机阴离子从脑组织和脑脊液中外排[13]。

2.血-肿瘤屏障：恶性胶质瘤中血-脑屏障内皮细胞紧密连接不完整，这也是CT 或MRI 出现病变对比增强的原因。但肿瘤内仍然存在生理屏障以及与肿瘤微结构有关的物理屏障，如肿瘤内毛细血管膨胀、渗漏、血流缓慢，限制药物向脑肿瘤的投递，导致不均匀的药物转运[14-15]；渗漏造成药物清除率和细胞间液压高，压力梯度径向延伸到周围脑组织，反而促使药物分流而远离肿瘤组织[15-18]。肿瘤内高度不规则的血流使肿瘤局部缺氧，促进了放射治疗、化学治疗抵抗。肿瘤上调自身生物还原酶的表达是肿瘤组织解毒抗癌药物的一种自适应，而缺氧的环境则进一步有助于肿瘤组织的自适应[19]。

3.血-脑脊液屏障：由脉络丛上皮细胞转化的紧密连接能够从血液中分离出脑脊液，同时也有着屏障功能，形成血-脑脊液屏障[20]。血-脑脊液屏障限制了极性药物通过脉络丛扩散到中枢神经系统。脉络丛毛细血管窗孔对小分子运动没有阻力，但血-脑脊液屏障的表面积比血-脑屏障表面积小1000倍，在药物进入脑实质方面并无明显益处[21]。同时，与血-脑屏障一样，血-脑脊液屏障也含有药物代谢酶，这些酶位于脉络丛和室周器官内，对外源性给予的药物分子起主要解毒作用[22]。

二、脑肿瘤的增强药物投递策略

（一）通过药物修饰增强药物投递至脑肿瘤

1.亲脂类似物：对化学治疗药物进行亲脂性修饰，可以加强药物的被动转运，但缺点是抗肿瘤活性可能受影响。多个卡莫司汀亲脂性类似物的临床试验研究表明，亲脂类似物降低了烷化剂的活性并增加了剂量依赖性药物毒性[23]。另外，亲脂类似物在脑间质液的溶解性差，也限制了其抗肿瘤活性[24]。

2.亲脂性前体药物：前体药物需要通过化学或生物化学的转化才能在体内表现活性[25-26]。前体药物克服了亲体分子的药物和药代动力学限制，能更好地穿透血-脑屏障。研究表明抗癌药物苯丁酸氮芥的亲脂性前体药物表现出更高的抗脑肿瘤疗效，但在同等剂量下这种亲脂性前体药物的抗瘤活性并不优于苯丁酸氮芥[27-28]。前体药物转换与干细胞介导和酶介导的转换策略相结合具有一定的应用前景[29]。

3.抗体和基因导向酶的前体药物治疗：通过利用抗体导向的酶前体药物治疗，可以使前体药物在最小的全身毒性前提下，提高其在作用部位的药物活性[21]。目前，多数酶前体药是基因导向的形式，通过把酶的基因（胸苷激酶、硝基还原酶、胞嘧啶脱氨酶和细胞色素P450）转导到肿瘤细胞中，让肿瘤细胞表达这些酶，使前体药物在肿瘤中被酶激活而转变成细胞毒性药物[30]。这些前药物/酶治疗在肿瘤体外实验中疗效明显，但在体内不能特定靶向具有侵袭性的肿瘤细胞群[31]。联合干细胞和改善病毒载体递送系统有望提高前药物/酶治疗效率[30,32]。

4.鼻内给药：鼻内给药是一种实用、无创的药物投递方法，由于嗅神经和三叉神经具有特殊的解剖连接，所以能将治疗药物转运至脑[33]。鼻内给予的药物可在几分钟内经过胞外途径，通过神经周围通道到达脑、脊髓实质或脑脊液[34]。除了绕过血-脑屏障外，鼻内给药的优点还包括快速投递到中枢神经系统，避免肝脏首过药物代谢以及全身投递，从而减少全身不良反应。多种分子被作为载体来研究，以促进鼻内给药的方式，除了神经内和神经周围转运机制外，还依赖于分子的脂溶性[35-36]。

（二）通过开放血-脑屏障来增强药物靶向投递

1.血-脑屏障的渗压性开放：动脉输注高渗剂，通常为甘露醇，可以使血-脑屏障、血-脑脊液屏障和血-肿瘤屏障在局部血管分布中暂时性的渗压性开放[6]。高渗溶液注入后，细胞内液迅速扩散到细胞外，导致内皮细胞皱缩，随后几个小时内血-脑屏障紧密连接开放[6]。动物实验表明，高渗溶液输注后动脉内给予化学治疗药物，脑实质中化学治疗药物浓度可以增加90 倍[37]。氨甲喋呤在血-脑屏障开放情况下与无血-脑屏障开放相比，投递到中枢神经系统的药物浓度提高了4～7倍，但必须关注血-脑屏障开放后高浓度化学治疗药物投递的神经毒性[38]。

2.血-脑屏障的生化开放：与渗压性血-脑屏障开放相比，血-脑屏障生化开放的侵袭性更小，可靠性更高，因为药物投递至脑的时间窗更精确。炎症反应介质包括白三烯、组胺、血管活性肽，均可引起血管渗漏和导致血管通透性增加[39]。外周血管扩张剂缓激肽可以通过激活内皮细胞缓激肽B2 受体来增加紧密连接的通透性[40]。已有研究表明，缓激肽受体激动剂RMP-7 可以安全地增加血-脑屏障的渗透性，但也需注意潜在的神经毒性[41]。

3.超声介导的血-脑屏障开放：由于渗压性或者生化方法开放的血-脑屏障范围大，存在潜在的不良作用，增加药物在中枢神经系统内的不良反应。为了防止这种情况，局部、可逆性的、影像引导下开放血-脑屏障，能够确保解剖性或功能性的靶向给药，从而维护血-脑屏障的完整性，保护非靶向区域的脑组织。中枢神经系统局部给药的新药物投递方法是磁共振引导下的聚焦超声实现血-脑屏障的开放[42]。在脉冲超声治疗前，静脉注射预制的气泡，将空化产生的机械应力定位到血管壁，从而达到无组织损伤的血管渗漏[43]。超声治疗能引起血-脑屏障的局灶性开放，同时能在24 h 内完全恢复，因为超声波在经过骨头时会衰减，所以需要开颅产生骨窗。有研究表明，脑组织局部短暂的经颅超声暴露也可以通过大面积的相控阵来完成[44]。此外，血-脑屏障的物理破坏还可能对脑正常生理功能产生不良反应。聚焦超声实现血-脑屏障开放的主要不良反应是炎症的发生[45]。最近关于大鼠的研究在聚焦超声实现血-脑屏障开放后的1、6 和24 h 里观察到了小胶质细胞活化，表明在血-脑屏障的破坏部位发生了炎症反应；同时，还观察到星形胶质细胞发生反应性变化的证据，如神经胶质纤维酸性蛋白表达增加，而且星形胶质细胞处于强烈的炎症反应状态[46-47]。此外，聚焦超声实现血-脑屏障开放还会影响β-淀粉样蛋白和tau 蛋白清除、脑血流量的改变以及抑制神经元活动[45]。

三、直接投递药物至脑实质的方法

1.植入聚合物：使用可生物降解的多聚体包载的卡莫司汀，即卡莫司汀晶片，其可通过扩散和聚合物降解来释放卡莫司汀，达到治疗脑胶质瘤的作用。美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准了卡莫司汀晶片用于胶质瘤全切除后新诊断或复发性胶质瘤的患者中[48]。然而通过聚合物包载的其他化学治疗药物，如紫杉醇、阿霉素、氟尿嘧啶、丝裂霉素、盐酸尼莫司汀和米托蒽醌，均未能转化为临床应用[49-53]。这种局部靶向投递策略具有缺点，如聚合物表面的高药物浓度增加了局部神经毒性和伤口愈合不良的风险，此外，手术残腔表面几毫米外药物浓度降低，意味着周围残余浸润性肿瘤细胞仅接受了亚治疗剂量，这种浓度梯度的急剧变化是扩散驱动的靶向投递方式的一个主要限制[54]。

2.腔内投递系统：脑室或腔内投递是通过位于头皮下的接口（omaya 囊）直接向瘤囊或瘤腔间歇注射抗癌药物，但感染、导管阻塞和药物分配不充分限制了其应用[55]。

3.对流增强投递：对流增强投递以压力驱动整体流输注作为把药物投递至中枢神经系统的手段，由泵形成小的压力梯度，通过定向导管把药物溶质推送至中枢神经系统。与传统投递方法对比，对流增强投递优势如下：（1）可绕过血-脑屏障，无论药物分子大小，都能通过整体间质流进行投递；（2）可在导管留置的部位进行靶向投递并实时监测药物分布以通过智能调节流速[56]；（3）与扩散限制性投递方式不同，对流增强投递通过压力驱动，从而提高药物在间质的分布[57]。药物的对流增强投递对治疗恶性胶质瘤是一个很有前景的手段，需要进一步研发新技术和新的治疗药物。

四、其他脑肿瘤药物投递的增强方式

1.脑室、鞘内注射药物投递：利用脑脊液腔隙投递化学治疗药物对一些中枢神经系统恶性肿瘤患者来说，尤其是恶性肿瘤（原发性中枢系统淋巴瘤和转移瘤）侵犯软脑膜时，是一种很有效的治疗方式，但对脑实质肿瘤来说不是最佳的投递系统[58-59]。

2.动脉内治疗：经动脉途径输注高浓度药物能增加穿过血-脑屏障的药物量。氯乙基亚硝脲类药物、依托泊苷、顺铂经过动脉给药，均能提高脑内药物浓度[58,60-62]。然而，目前无确切证据证明动脉与静脉给药方式的变化能够改善患者的总生存率。此外，这种给药方式也容易造成药物毒性和对侧大脑半球病灶的治疗缺乏。通过联合血-脑屏障开放技术，选择性动脉内给药的方式已被证明安全，初步结果也令人鼓舞。

3.脂质体药物包裹：研究表明，利用脂质体进行靶向投递，疗效高、耐受性好，并能够携带影像标志物和肿瘤靶向选择性成分（如免疫脂质体）[63-64]。脂质体全身给药后由循环系统中的网状内皮系统的吞噬细胞清除。因此，对肝脏和脾脏肿瘤来说，脂质体是一种良好的靶向投递方式。与对流增强投递联合，能够减少不必要的药物与组织的相互作用，降低脑实质的药物清除率，促进药物分布[63]。脂质体也可通过全身给药来实现中枢神经系统的投递。

4.纳米方式：脂质体相对不稳定，而聚合物纳米颗粒具有高稳定性和药物投递能力。因此，纳米微粒能够作为良好载体实现肿瘤药物的可控投递，而且聚合物纳米颗粒由天然或人工聚合物制成，大小为10～1000 nm，可以通过静脉注射[65]。与脂质体等其他载体一样，聚合物的表面可经过修饰表达配体，利于肿瘤靶向性以及通过血-脑屏障[66]。

5.磁微球：与传统给药方式相比，磁微球的使用能够定向投递至肿瘤组织，同时减少全身药物分布。通过对流增强方式投递，磁微球还可以监测药物分布，也可降低组织清除率[67]。聚合物基质内包裹磁性抗癌药物，通过外部磁场引导阳离子微粒保留在肿瘤组织中[68]。

综上所述，2005 年Stupp 方案成为全球采纳的新诊断胶质母细胞瘤手术/活检后的标准辅助治疗方案，疗效提高的重要原因之一是替莫唑胺可高效透过血-脑屏障，患者耐受性较好、口服依从性高。贝伐单抗作为唯一获FDA 批准用于复发性胶质母细胞瘤的靶向药物，还可以通过 “正常化”肿瘤血管，减少肿瘤间质压力，以改善肿瘤内化学治疗药物的分布。由此说明，迄今改善了脑胶质瘤疗效的治疗方式无不是提高了药物投递效率。2020 年2 月，Stupp 教授在与笔者的一次线上交流中提到，继同步放射治疗联合化学治疗+替莫唑胺以及肿瘤电场治疗获得Ⅰ类证据用于新诊断胶质母细胞瘤的临床治疗，之后由他领导开展且最可能带来生存获益的胶质母细胞瘤试验性治疗是超声波开放血-脑屏障。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突