纳米技术在癫痫诊疗中的研究进展

吕邵敏，刘瑞寒，崔翔宇，孔庆霞

·综述·

纳米技术在癫痫诊疗中的研究进展

吕邵敏，刘瑞寒，崔翔宇，孔庆霞

272100 山东，济宁医学院临床医学院（吕邵敏、崔翔宇）；272100 山东，济宁医学院附属医院神经内科（刘瑞寒、孔庆霞）

癫痫是一种神经系统疾病，不分性别、社会、地理和种族界限影响着个体[1]。尽管目前医学取得了很大进步，新兴疗法有了较大的进展，但癫痫的异质性和复杂性影响了全球超过 6500 万人，其中 1/3 的患者在治疗期间因耐药性及药物释放性差而导致控制不佳或癫痫发作不受控制[2-4]。总体而言，通过先进技术诊断癫痫或控制癫痫发作，以及定位难治性癫痫的致痫灶一直是最突出、活跃的研究领域，这对于治疗和预防疾病至关重要[5]。

目前治疗神经系统疾病与两个限制因素有关：即进入脑细胞之前，药物经血-脑屏障进入大脑途径受到限制，且脑内大量免疫细胞的存在，使得进入大脑的药物浓度不足而致使药物无法达到预期的效果。神经疾病中使用的大多数药物本质上是亲脂性的，不能穿过血-脑屏障，同时内皮细胞上存在各种转运蛋白及其形成的紧密连接会产生高跨内皮阻抗，限制内源性以及外来物质的通过。

纳米技术是以单个原子或分子为基础，研究结构尺寸在 1 ～ 100 nm 范围内材料的性质及应用的技术[6]。纳米医学是纳米技术应用于医疗保健的结果，利用纳米技术可以使药物轻松穿透中枢神经系统，从而提高药物的生物利用度，甚至在低浓度下延长药物在体内的循环周期，并增强其靶向组织分布[7]。关于靶向性，纳米技术介导的药物递送系统存在特异性和非特异性机制，主要取决于纳米载体递送物质的差异。为了确保纳米颗粒到达目标位点，需要一个介质将纳米颗粒输送到正确的位置。一些研究表明，抗体、表面活性剂或肽的附着可以增强纳米颗粒递送药物通过血-脑屏障。其他方法例如添加聚合物、蛋白质、乳铁蛋白等糖蛋白以及整合素结合肽或细胞穿透肽（CPP）等。一旦这些试剂与纳米颗粒结合，它们就会识别并结合到需要药物的特定区域。目前纳米技术的新进展在中枢神经系统疾病领域展现了巨大优势，纳米载体系统已被证明可以在大脑中运载分布不良的药物，使之穿过血-脑屏障并有效地将药物输送到脑实质中[8-10]。载药纳米结构不仅可以穿过血-脑屏障，并且有可能改善循环周期，促进细胞摄取，降低药品所需的有效剂量及减少药物诱导的副作用等[11]；目前已有纳米技术用于癫痫致痫灶定位的研究，现分别综述如下。

1 生物屏障与抗癫痫药物

中枢神经系统的稳态受到两种外周屏障的严格保护，这两种屏障被称为血-脑屏障和血-脑脊液屏障（BCSFB），它们严格调节一系列的转运和代谢过程，保护大脑免受外周的伤害[12-14]。在缺乏有效药物载体的情况下，大多数大分子和90% 以上的小分子药物不能通过血-脑屏障进入大脑，这是中枢神经系统疾病药物治疗的关键瓶颈。此外，药物的快速清除及其在脑组织中释放的稳定性仍然是这类疾病治疗面临的挑战[15-16]。

1.1 血-脑屏障

血-脑屏障是一种基本的生物屏障，可以保护大脑免受由内皮细胞、星形胶质细胞和周细胞产生的破坏性因素的影响[17-19]。血-脑屏障通过调节免疫细胞的运输、状态以及对外来物质的获取和处置，维持大脑稳态[20]。它还可以限制大脑中的免疫介质、细胞和抗体等免疫因子，保护中枢神经系统免受外部细胞事件的影响[21]。在血-脑屏障中，内皮细胞通过黏附物和紧密连接保持在一起[22]。这些紧密连接形成血-脑屏障的独特成分，显著降低内皮细胞的通透性，限制脉管系统与中枢神经系统之间的物质扩散，抑制约98% 治疗药物进入大脑[23]。

1.2 血-脑脊液屏障

BCSFB 位于脉络丛和脑膜中，由脉络丛上皮细胞周围丰富的血管网形成。屏障由脉络丛上皮细胞及其紧密连接组成，不同于形成血-脑屏障的毛细血管内皮细胞，它是一个封闭的屏障，限制极性小分子的运动。与血-脑屏障类似，BCSFB 不仅利用内皮或上皮细胞充当物理屏障和酶屏障，而且这些细胞还表达许多转运蛋白和离子通道。这些特征性的酶促反应和蛋白质的极化表达显然是设计针对大脑的药物载体所需要关注的。

2 纳米技术与抗癫痫药物的治疗

抗癫痫药物（AEDs）可以控制癫痫的发作，但通常并不能完全控制其发作，且不正确的药物和剂量选择可能会导致耐药性癫痫发生。特别是在脑微血管细胞中表达的紧密连接蛋白产生极高的跨内皮阻抗，进一步限制了治疗药物的进入[24]。除了细胞屏障，还存在特异性表达的离子通道、受体及由转运蛋白调节的选择性膜结合屏障，这在很大程度上限制了神经治疗剂通过血-脑屏障[25-26]。当前大部分 AEDs 无法穿过血-脑屏障，因此可以通过使用适当的药物输送系统来补救。

目前已知侵入性技术（物理、化学、生物等刺激）可以在短时间内打破血-脑屏障对药物的封锁，这些方法是使组织损伤，从而药物可以从注射部位自由扩散[27-30]。与传统方法相比，基于纳米技术的药物递送是一种较为新颖且在神经疾病领域有前途的方法，因为纳米载体已被证明可以穿越血-脑屏障或 BCSFB，从而有效地将药物递送到靶位点[31]。例如鼻-脑递送，即通过鼻腔内血液循环或嗅神经通路，将载药纳米粒子直接送入大脑，这是纳米载体进入中枢神经系统最快、最方便的方法[2, 32-33]。

一个标准的给药系统需要能够控制 AEDs 并将其输送到大脑中的正确位置，以便减少药物相关的副作用，使其更充分地发挥作用[2, 34-35]。药物纳米载体的优点是能够隐藏药物分子，穿过血-脑屏障并输送到大脑。目前有各种粒径不同的纳米载体，其中聚合物纳米颗粒（PNP）、固体脂质纳米颗粒（SLNPs）、脂质体和胶束等已经作为载药载体治疗各种神经系统疾病。如今，通过纳米技术方法开发了更新、更先进的载药系统，例如树枝状聚合物[36]、纳米乳液[37]、纳米凝胶、纳米悬浮液和纳米管等，它们比以前的输送系统显示出更大的潜力。多聚体纳米颗粒系统可以帮助药物穿过血-脑屏障，到达大脑和脊髓[38-39]。纳米颗粒的使用可以防止药物被生物或化学物质降解，在正确的时间、地点控制和输送药物，有助于药物通过血-脑屏障。近年来，纳米技术的前沿发展表明，纳米技术在治疗与减少药物使用剂量、提高药物生物利用度、延长药物释放和降低毒性相关的神经系统疾病方面具有巨大潜力。

3 纳米技术与癫痫的定位诊断

脑电图是使用头皮电极来记录神经元细胞电位，一直以来都被认为是癫痫检测和诊断的黄金级别的分析技术。使用传统电极进行记录存在位移不适和刺激等问题[40-41]，而纳米干预脑电图和皮层脑电图或许会成为检测癫痫发作的最可靠方法。纳米技术为制造便携式、无线、可穿戴的脑电图监测设备开辟了更新的途径——动态的小型脑电图平台，它可以集成到可穿戴耳机或头饰中，使慢性病患者的癫痫监测变得简单。传统的脑电图使用侵入性穿透性电极和凝胶来传导信号，而新的便携式纳米脑电图是非侵入性的，采用带有干电极传感器的头带形式，旨在消除噪声干扰和电解凝胶相关的不便。电极接触面由碳纳米管（CNT）组成，能穿透皮肤外层，获得更好的电位信号传递，接触面涂或未涂有银，以获得更好的电导和更精确的电位转移。基于碳纳米管的微电极系统比传统的传感系统具有更好的分辨率，它允许内源性神经递质的外排检测并克服了电生理技术[41]。

磁共振成像（MRI）利用脑组织内水分子的氢核成像观察解剖结构，进而用以检测定位脑内的癫痫病灶，纳米技术已经可以被用于脑部疾病的诊断。例如，磁性氧化铁纳米颗粒（MNPs）作为造影剂应用于脑病理的 MRI。磁性纳米颗粒附着在非放射性药物上，如甲基色氨酸，用于正常大脑功能和癫痫活动引起的变化的 MR 成像。纳米颗粒与特异性标记物或抗体结合可以提高诊断特异性[42]。并且纳米技术的进步使得实时分析成为可能：使用微型植入式或可穿戴设备，如腕带、脚链、胶囊等，将先进的纳米传感器集成到衣服中[43-46]。此外，钙离子在体内发挥着十分重要的作用，使用磁性钙响应纳米颗粒开发了一种测量钙离子动力学的方法，可以进行 MRI 检测。这些纳米颗粒可以对钙浓度的微小变化有反应，从而检测大脑的活动区域，以便绘制基于纳米颗粒传感器的大脑动态，用于 MRI 分子成像[47]。通过使用基于纳米技术的造影剂，如使用超顺磁性氧化铁（SPIO）纳米颗粒[48]、独特的亚铁磁涡旋氧化铁纳米环（FVIO）和钙敏感钙调蛋白等，可以进一步提高 MRI 的分辨率[47, 49-50]。

据报道，基于石墨烯的晶体管可以用于记录深入的神经活动及其表面的变化[51]。这种皮层内探针可以探测表面和深度神经元活动。将部分导电聚合物及其纳米生物复合材料与碳纳米管、石墨烯等结合，制备了基于探针的神经递质，而神经电界面植入物是为深部脑刺激（DBS）开发的，其中包括称为神经假体的新型纳米装置。使用外部和内部可穿戴无线系统可以量化癫痫发作时电气、行为和生理变化。癫痫应激期间，还可以通过皮电反射、心率变异性和皮肤电导率监测心血管和神经元活动的变化[52]。纳米传感技术有助于开发基于芯片的有效植入式和可注射式电化学免疫传感器、蛋白质传感器和磁电传感器。这些技术的进步将大大提高癫痫的检测率，并且还以纳米机器人、纳米颗粒、适配体、聚合物体、纳米复合材料和纳米树枝状聚合物的形式提供了补救，以便输送可用的药物和诊断剂。癫痫特异性生物标志物及其起始可以通过外部生物植入物进行评估，而通过可注射的生物相容性纳米器件可以收集更详细的信息[53]。

4 纳米技术与癫痫生物学

癫痫发作后的体液变化也需要进行定性分析，如血清过氧化脂质（SLP）升高，维生素 C 减少和离子浓度变化。细胞内纳米传感器是由磁性纳米粒子、量子点注入细胞或将纳米生物传感器拴系到脑细胞上，如用于检测 Na、K、Cl、Ca 及其他离子的离子选择性传感器等技术，现已大量应用于脑部疾病的识别[47]。癫痫等神经系统疾病被认为是由于 DoP 浓度降低而引发的，因为它调节大脑和体内的各种重要神经元功能。使用基于电化学技术的各种传感器通过纳米颗粒和量子点可以检测 DoP 浓度[54]。设计和开发纳米结构，如金、石墨烯、CNT 和量子点与壳聚糖、聚乙二醇等生物聚合物结合的生物传感器，用于检测 GABA、谷氨酸、嘌呤、ATP 和腺苷等生物标志物[55]。在电化学传感器中使用导电聚合物具有额外的优势，因为它们可以通过封装电极并增加传感应用的导电性和表面积来同时提高电极的稳定性[56]。

5 小结

由于生活方式的改变和环境的持续恶化，癫痫等中枢神经系统疾病的发病呈现上升化和年轻化趋势。而血-脑屏障因其解剖结构复杂、微环境独特，成为中枢神经系统药物递送的最大挑战。纳米技术的飞速发展被认为可以解决诊断与治疗神经系统疾病相关的问题，并且比传统的疗法更具有前沿性。纳米技术与各种神经保护药物的纳米制剂开发有关，在中枢神经系统药物递送中具有光明前景，有可能从根本上改变神经系统疾病治疗的方式。尽管纳米技术在研究中显示出巨大的疗效，但由于其毒性方面的信息不足，以及纳米尺寸引起的聚集和快速清除等问题，它们从实验室到临床的转化并不是很成功。通过纳米技术的干预推进的现代技术对癫痫发作进行分析是分析特定癫痫数据后管理癫痫的出路之一。未来我们还需进行更多的研究以确定体内纳米载体的命运，如它们的全身毒性、生物相容性和 RES 消除等问题，以期为癫痫患者带来福音。

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10.3969/j.issn.1673-713X.2023.03.010

国家自然科学基金青年科学基金（81901324）；济宁市重点研发计划（2021YXNS057）

孔庆霞，Email：kxdqy8@ sohu.com

2023-02-09