BBB是药物进入脑实质内最直接的入口, 其生理结构为纳米递药系统入脑带来了极大的阻碍. BBB由微血管内皮细胞、周细胞、基底膜、平滑肌细胞以及星形胶质细胞等共同组成. 这些细胞密度较高且相互紧密连接, 在血液与脑实质之间构筑起一道选择性屏障. 其中, 紧密连接(tight junctions, TJs)主要存在于上皮细胞和内皮细胞的顶端部位, 负责调节细胞间的物理连接. TJs由闭合蛋白、Claudins以及连接黏附分子等蛋白质构成, 主要承担着维持BBB渗透性功能的职责. 纳米递药系统主要依赖内皮细胞上的转胞吞作用跨BBB. 本文将阐述脑靶向纳米递药系统克服BBB的方法, 包含与BBB的相互作用进行跨BBB及屏障修复、利用外部施加的物理刺激开放BBB, 以及通过外周途径入脑避开BBB的策略.

1 跨血脑屏障胞吞转运

BBB涉及多种转运蛋白和受体介导的转胞吞作用, 以维持大脑的能量供应. 通过模拟营养物质或能量的自然供应机制, 纳米递药系统能够实现相对较高的BBB渗透性. 例如, 转铁蛋白和脂蛋白可以通过受体介导的转胞吞作用(receptor-mediated transcytosis, RMT)穿过BBB, 而葡萄糖和氨基酸可以通过载体介导的转胞吞作用进入大脑. 胆碱经血红素转运蛋白2(feline leukemia virus subgroup C receptor2, FLVCR2)主动运输跨BBB. 目前, 通过RMT跨越BBB是纳米递药系统最为常用的设计理念. 脑内皮细胞表面具有高表达的特异性受体, 在纳米载体表面进行配体修饰, 能够增强受体相互作用, 从而改善转胞吞作用. 目前已经发现一些关键的靶点, 特异性强且能够实现BBB的高效转运.

1.1 转铁蛋白受体

转铁蛋白受体(transferrin receptor, TfR)在BBB及脑肿瘤细胞上均呈高表达状态, 且与转铁蛋白(transferrin, Tf)具有强结合力, 从而介导配体-受体的内吞作用. TfR是目前基于RMT进行跨BBB递送研究最为广泛的受体, 可将大分子药物递送进入CNS发挥疗效, 具有良好的转化前景.

多肽能够模拟与TfR具有强结合力的物质. T7、T12和B6是三条具有与Tf相似氨基酸序列的合成肽. 这些序列模拟Tf的特异性结合位点, 实现TfR介导的跨BBB输送. 此外, 在杨梅素低聚物的分子结构中发现了与TfR特异性结合的基团, 其与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)共组装形成针状纳米结构. 这种结构有利于与BBB上的TfR结合. 通过靶向Tf-TfR复合物可避免与内源性Tf竞争, 提高药物与TfR的结合效率. CRT肽是一种铁肽模拟物, 可以通过结合Tf和TfR复合物诱导转铁蛋白(apo-Tf)的构象变化, 促使药物更有效地跨越BBB, 并在胶质母细胞瘤中积累.

1.2 低密度脂蛋白受体/低密度脂蛋白受体相关蛋白1

低密度脂蛋白受体(low-density lipoprotein receptor, LDLR)是一种跨膜蛋白, 介导低密度脂蛋白的内吞并调节体内胆固醇水平. 低密度脂蛋白受体相关蛋白1(low density lipoprotein-related protein 1, LRP1)是一种多功能的跨膜受体, 与脂蛋白和淀粉样蛋白代谢调控等多种生理功能相关. 二者在脑内皮细胞上表达, 能够实现蛋白质等大分子药物的脑内递送.

LDLR可与载脂蛋白ApoB、ApoE、低密度脂蛋白及与其脂质成分相似的物质结合, 为脂质类纳米递药系统提供了重要的跨BBB策略. 例如, 与载脂蛋白ApoE组装的纳米载体可与LDLR及LRP1受体特异性结合, 促进纳米载体穿越BBB和血脑肿瘤屏障. 表面修饰Angiopep-2的纳米载体可通过与LRP1特异性结合透过BBB, 但受限于受体饱和效应, 转运效率较低. 同样, 降低药物在脑内有效蓄积的因素是LRP1介导脑内清除. 约85%的Aβ肽通过LRP1介导的外排作用被清除. 一种pH响应性的胶束复合体在利用Angiopep-2肽入脑后, 在胶质瘤的酸性环境下响应性切割肽, 避开LRP1介导的血脑外排, 避免脑内清除, 同时暴露甘露糖类似物修饰, 经葡萄糖转运体介导转运, 提高了药物在多形性胶质母细胞瘤中的药物浓度.

1.3 胰岛素受体

胰岛素受体(insulin receptor, IR)广泛存在于BBB内皮细胞表面, 调控大脑吸收胰岛素途径. 将胰岛素或抗胰岛素受体单克隆抗体(IR-mAb)29B4共价结合到人血清白蛋白纳米粒表面, 可促进包载药物洛哌丁胺对BBB的渗透.

大脑对胰岛素水平敏感, 过度激活胰岛素信号会导致BBB功能失调, 影响CNS稳态. 因此, 在纳米递送药物开发中, 往往采用模拟胰岛素受体的配体的修饰方法, 以避免影响内源性胰岛素水平. 例如, 一种模拟肽抗体能够特异性识别并结合脑微血管内皮细胞上IRs的α亚基, 经其修饰的固体脂质纳米粒(MAb/SQV-SLNs)显著提高了药物沙奎那韦(saquinavir, SQV)的BBB透过率. 此外, GFFY序列是胰岛素及谷氨酸脱羧酶等共有的一段关键序列, 对IR活性至关重要. 利用这种新型四肽GFFY修饰的纳米球可与在BBB上过表达的IR特异性结合, 从而跨越BBB.

1.4 整合素

整合素是一种跨膜糖蛋白, 参与细胞与细胞外基质(extracellular matrix, ECM)之间的相互作用, 调节细胞间行为并诱导细胞趋向特定器官组织. 整合素的表达在生理和病理状态下差异显著. 例如, 在神经炎症状态下, 整合素α4β1, 即迟现抗原-4(very late appearing antigen-4, VLA-4)在脑血管内皮细胞和上表达增加, 促进了炎症细胞穿过BBB的迁移. 在生理条件下, 整合素αvβ3在BBB的内皮细胞上表达较低, 在缺血条件下显著增加, 增加BBB的渗透性. 因此, 其配体RGD肽常被用作缺血靶向肽, 在治疗缺血性脑卒中方面展现出良好的病灶蓄积及靶向性. 为了进一步提高RGD肽与整合素的亲和力, 现有研究针对支链长度和空间结构对RGD配体进行改造. 三支链RGD配体具有更好的跨BBB和胶质瘤细胞摄取能力. 环状RGD肽相较于线性肽具有更高亲和力, 可与整合素产生更强、更稳定的结合, 从而增强药物在靶标部位的摄取和靶向效率. 随着人们对大脑解剖学和免疫学的逐渐明晰, 更多物质利用整合素透过BBB或避开BBB进入脑实质的案例被发现, 例如, 表达整合素α6的肿瘤细胞通过与层粘连蛋白的结合从导静脉入侵软脑膜.

清道夫受体、白喉毒素受体、叶酸受体等也提供了多种纳米递药系统跨BBB的途径. 这些受体介导的跨BBB途径是一种有效的策略, 利用受体在BBB上高表达的特性, 纳米递药系统可通过受体-配体的相互作用入脑, 对BBB结构及功能损伤较小, 安全性较高. 然而, 受体在BBB上的表达量和分布不均衡, 限制了递药系统的效率. 受限于受体的饱和效应, 递送药物的总量受到影响, 降低疗效. 同时, 受体除了在BBB上有表达, 在体内其他组织也存在一定表达. 靶向这些受体的纳米药物可能会到达非脑部组织, 引发不良反应. 针对受体开发的特异性配体(如靶向肽)或因材料毒性引发免疫反应, 尤其是在长期给药的情况下, 需要更全面的考察与评价.

2 修复血脑屏障

当前的研究主要聚焦于如何跨越BBB, 然而, 修复BBB的功能同样极为重要. 例如, 神经血管单元(neurovascular unit, NVU)以BBB为核心, 与周围的神经细胞以及非细胞组分等相互联系, 构建起具有神经血管偶联作用的整体. 除了维持BBB的完整性之外, NVU的功能受损可能导致阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)等疾病, 这充分强调了血管与神经系统之间的关联. 在大脑中, 神经细胞与毛细血管的距离小于25 μm, 纳米级的尺寸为纳米递药系统在跨越BBB进行输送方面带来巨大机遇. 受损的NVU会高表达基质金属蛋白酶9(matrix metalloprotein 9, MMP-9), 利用过表达的MMP-9特异性切割, 可以实现对受损NVU的靶向富集, 并具有缓解阿尔茨海默病的疗效.

晚期糖基化终末产物受体(receptor for advanced glycation end products, RAGE)是一种多配体跨膜受体, 已被证实在NVU、神经元和小胶质细胞上高表达. 在AD的病理作用下, 表达上调的RAGE介导β淀粉样蛋白(amyloid β-protein, Aβ)跨越BBB转运至脑内, 引发神经炎症并激活小胶质细胞. 多肽修饰的纳米药物可通过RAGE拮抗或靶向作用递送至AD病变区域. 源自RAGE的天然配体S100钙结合蛋白P的RAP肽通过与RAGE拮抗, 选择性靶向受损的血管, 进而重塑NVU实现AD的治疗.

中性粒细胞胞外陷阱(neutrophil extracellular traps, NETs)是由中性粒细胞释放, 含有弹性蛋白酶等酶的网状结构, 在缺血性脑损伤中起到促炎和血管损伤的作用. HM@ST/TeTeLipos使用特定的弹性蛋白酶抑制剂西维来司他, 抑制NETs的形成, 缓解炎症反应并重塑NVU, 通过修复BBB改善缺血性中风后的神经功能恢复. R-Lipo-CAPE靶向缺血病变部位的NVU, 显著减少神经功能损伤和脑组织损伤, 促进小胶质细胞向抗炎表型极化, 降低MMP-9表达, 恢复紧密连接蛋白claudin-5的表达从而促进修复BBB. 这种重塑NVU以修复整体微环境而非修复单一类型的受损细胞的方法, 为治疗CNS疾病提供了更为全面的方法.

这些方法利用BBB损伤条件下的病理生理变化, 使纳米递药系统靶向病理区域的NVU. 这种非侵入性的方法安全性较高, 且具有修复BBB功能. 然而, BBB受损的病理机制复杂, BBB的渗漏使纳米递药系统及病理物质非选择性地入脑, 需要对这种方法进行更长期的评估.

3 开放血脑屏障

3.1 局部超声

聚焦超声可以安全、无创、短暂、可重复和局部地介导人类皮层及海马区, 乃至整个大脑的BBB开放. 超声波在脑内传播时, 注入的微气泡发生振荡, 从而对BBB产生机械压力, 暂时增加BBB的通透性. 在BBB开放的过程中, 细胞TJs短暂分离, 但不会造成永久损伤. 超声介导BBB的开放为治疗CNS疾病带来更多机会. 无需治疗药物, 仅通过重复扫描超声治疗能促进Aβ通过小胶质细胞的吞噬作用清除. 超声联合纳米递送药物疗法已在胶质瘤、AD、帕金森病(Parkinson’s disease, PD)等领域取得了良好的进展. 这些成果表明超声联合纳米递送药物疗法在CNS疾病治疗中具有巨大潜力.

一项关于aducanumab的临床试验利用低强度聚焦超声打开BBB辅助Aβ单抗的输注, 发现药物在目标脑区的靶向递送效率显著提高, 脑区的Aβ水平显著降低. 治疗全程未发现严重的不良事件. 接受聚焦超声治疗的区域在治疗后24~48 h内BBB都能恢复关闭, 这表明聚焦超声可实现非侵入性、可逆的BBB开放. 在高强度聚焦超声下, 纳米粒子引发压电效应, 产生电流并释放一氧化氮产生. 一氧化氮通过调节MMP-9的表达暂时破坏BBB的TJs, 允许纳米粒子蓄积在脑实质, 且不会引发明显毒性. 但高声压和功率密度可能会导致不可逆的脑损伤或神经刺激, 因此需要选择适合的超声强度, 兼顾打开BBB的效果和神经安全性.

3.2 对流增强输送

对流增强输送(convection-enhanced delivery, CED)是一种利用压力差介导的药物输送技术, 通过在颅内植入微导管, 持续输注微量药物使之在间质内发生对流, 从而在目标部位(以瘤内为主)均匀分布. CED可跨过BBB, 提高药物在脑部病变区域的浓度, 在恶性神经胶质瘤及CNS疾病治疗中展现出良好的潜力. 目前, 利用CED技术可将大分子蛋白输送至脑实质内2 cm以上深度.

利用CED辅助脂质体(lipid nanoparticles, LNP)向脑内递送可实现脑内高浓度药物分布, 从而增强目前有限的CED疗效, 并减小药物毒性. 利用LNP的黏性, 可以减少药物在CED过程中沿导管轴向的逆流, 从而减少药物外溢, 提高药物在多形性胶质母细胞瘤内的浓度. 目前MTX110联合CED治疗儿童弥漫性内生桥脑胶质瘤患者已完成临床I期试验(NCT04264143), 患者对该疗法表现出良好的耐受性.

3.3 其他物理刺激

激光和磁场等外部物理刺激提供了一种非侵入性的方法, 以实现BBB的可逆打开, 从而促进药物入脑. 激光技术提供了一种精准且无创的BBB调节方法. 金纳米粒特异性靶向BBB上的TJs, 在532 nm的皮秒激光照射下, 产生局部的光声效应和光热效应, 导致TJs暂时松散, BBB通透性增加, 使得纳米药物进入大脑. 此过程不会影响血管的自发性舒张和收缩, 或对NVU结构造成显著破坏. 这种方法不仅能够精确控制BBB调节的区域和深度, 还能通过调整激光束的直径和激光的能量来调节BBB的通透性. 血管靶向金纳米粒在超短脉冲激光的刺激下可调节血-脑-肿瘤屏障通透性并改善紫杉醇在胶质母细胞瘤的渗透和积聚, 紫杉醇在两种胶质瘤模型内浓度提升16和5倍.

此外, 磁场可辅助打开BBB. 通过生理药代动力学模型量化磁性纳米粒从血液到大脑的动态分布证明, 在外部静态磁场的作用下, 利用磁性纳米粒可透过BBB进入脑部. 交变磁场与外部磁场的协同作用可暂时破坏BBB中的TJs, 增加BBB的瞬时通透性, 促使磁性纳米粒在大脑中定向积累. 这些磁场相关的方法为纳米颗粒进入大脑提供了新的途径.

利用光、磁场和超声波等外部刺激可打开BBB并引导纳米颗粒移至大脑特定区域. 这种非侵入性的方法可一定程度上避免BBB过度破坏引发的病理学伤害. 然而, 超声介导的BBB开放潜在激活炎症反应. 这些外源性物理刺激是否对大脑产生影响需要进行更多的安全性实验.

4 外周途径入脑

4.1 鼻腔

鼻腔给药主要依赖嗅神经通路和三叉神经通路将药物递送至大脑. 嗅神经通路允许药物直接从鼻腔运输到嗅球, 再运输到其他大脑区域. 三叉神经通路提供了一条额外的途径, 将鼻黏膜连接到脑干和其他大脑区域. 纳米药物通过与鼻内皮细胞相互作用, 通过内吞作用跨细胞运输. 进入大脑后, 纳米载体很快被摄取, 并转移到不同的脑区. 此外, 药物可以通过鼻黏膜下的淋巴管、鼻腔上皮进入脑脊液或血液循环等途径进入脑内.

相较于改变BBB渗透性入脑的方法, 经鼻给药因非侵入性, 可避免肝脏代谢, 生物利用度高, 并允许药物快速吸收和起效, 广泛应用于CNS疾病的治疗中. 在老年小鼠模型中, 单次滴鼻给药靶向tau蛋白抗体可有效将药物递送至神经元细胞中, 并快速有效地清除了胞内病理性tau蛋白, 改善了认知功能.

经鼻给药展现出潜在的优势和临床疗效, 但鼻腔表面积和鼻黏膜特性限制了药物摄取能力. 针对这些限制, 研究人员不断探索改进方法. 一种PEG修饰的纳米颗粒通过“鼻内原位组装”策略, 在鼻腔酸性环境中转化为纳米纤维, 使药物在鼻腔内形成稳定的纤维结构, 提高了药物的鼻黏膜渗透和滞留能力, 延长了药物的有效浓度和作用时间. 一种透明质酸和鞣酸修饰明胶制成的微针结构纳米药物可快速在鼻黏膜溶解, 释放载药, 在提高药物吸收效率的同时避免对鼻黏膜造成损伤. 一种间充质干细胞来源的细胞外囊泡(mesenchymal stem cell-derived extracellular vesicles, MSC-EVs)自激活的智能释放多肽水凝胶可利用EV膜表面的酶活性作用使其控释降解, 延长药物在鼻腔部位的滞留时间. 经鼻入脑为蛋白质等大分子药物提供了进入CNS的机会, 一种以白蛋白为载体的疫苗通过与新生儿Fc受体结合, 实现抗原的跨黏膜转运, 增强疫苗在黏膜上的摄取效率, 其载蛋白在小鼠和恒河猴的鼻黏膜持续存在, 且引发强烈的免疫应答.

4.2 肠道

纳米药物可以通过肠道黏膜进行有效吸收, 从而提高药物的生物利用度, 使药物更容易进入血液循环系统. 纳米药物可以利用肠道黏膜的特性, 如黏附性和穿透性, 实现更有效的靶向输送, 从而提高药物在脑部的局部浓度. 然而, BBB和肠上皮屏障的存在为从肠道到大脑的药物递送带来了重大挑战. 一种口服前药纳米载体通过肠道微折叠细胞(M细胞)的转胞吞作用穿过肠上皮屏障, 被具有肿瘤归巢能力的常驻巨噬细胞Mφ吞噬, 随淋巴系统运输穿越BBB达到脑肿瘤部位. 这种前药治疗组在小鼠脑肿瘤中检测到的抗肿瘤药量约为游离药物治疗组检测到药量的5倍. 纳米药物在穿越肠道和BBB的过程中可能会受到免疫系统的排斥, 影响其稳定性和疗效. 因此, 如何克服这些障碍, 实现高效的肠道到大脑的药物递送是纳米药物研究的重要方向.

最新研究发现, 肠道中的肠神经细胞可吸收银纳米粒, 通过神经纤维将纳米颗粒传递给外周神经, 通过迷走神经和脊神经转运进入大脑. 这挑战了纳米颗粒通过血液循环进入CNS的传统观点, 为治疗CNS相关疾病开辟了新的治疗策略和方法.

4.3 皮肤

透皮给药是一种通过皮肤将药物转运至局部或全身血液循环发挥作用的给药方式, 具有非侵入性、患者依从性好且操作简单等特点. 纳米药物的天然尺寸大小、表面性质和化学组成影响其在皮肤上的吸收和穿透性. 纳米药物的表面修饰和功能化也可以帮助提高其在皮肤上的吸收和靶向性, 进而实现更有效地进入脑部. 一种装载罗丹明B荧光纳米颗粒(Rh-NPs-DMNs)的微针可促进更深层的皮肤渗透和持续释放, 显著增强药物向大脑的输送.

血液循环并非药物经皮后的药物进入大脑的唯一途径. 近年来发现, 沿硬脑膜窦排列的功能性淋巴血管连接颈部淋巴结与脑脊液, 使药物和免疫细胞能够直接进入大脑. 注射在小鼠颈部皮下的纳米药物可被附近的浅表和深颈部淋巴结吸收, 通过淋巴系统转运到大脑, 且皮下注射的脑部递送效率是静脉给药的44倍. 这些研究为开发新型的透皮给药系统和治疗脑部疾病提供了新的思路和方法.

外周途径入脑避免了BBB的阻碍, 为纳米递药系统入脑提供了新的选择. 然而, 经鼻和皮下注射的给药剂量受限、纳米递药系统跨越肠道和BBB的过程中受到免疫排斥, 稳定性有待提高, 经皮给药的药物吸收需要较长时间, 适合需要频繁或长期治疗的慢性疾病, 难以满足急性脑部疾病的治疗需求.

参考文献：doi.org/10.1360/TB-2024-1147