血脑屏障开放方法的研究进展

刘静，解辉

（1.沈阳医学院基础医学院2015级临床医学专业7班，辽宁 沈阳 110034；2.沈阳医学院基础医学院组织胚胎学教研室）

近年来，神经系统疾病已经严重地危害人类健康。大脑本质上是一个独立的生态系统，它拥有专门的抗感染防御体系和独特的废物清除程序。其中血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）是毛细血管壁与神经胶质细胞形成的血浆与脑细胞之间的屏障和由脉络丛形成的血浆和脑脊液之间的屏障，这些屏障能够阻止某些物质（多半是有害的）由血液进入脑组织，并且维持着大脑的能量供给和微环境的稳定。大部分药物很难通过BBB，近年来，大量研究表明，通过物理、化学和生物等方法可以开放BBB，从而促进药物进入大脑组织。因此研究BBB的开放方法可以为临床诊疗提供重要的依据。

1 药物通过BBB的途径

BBB主要由血管内皮细胞、基膜和星形胶质细胞组成，它可以维持脑内微环境的稳定，但同时也限制了药物进入中枢神经系统。药物通过血脑屏障一般有两条途径：细胞旁途径和跨细胞途径。

1.1 细胞旁途径 研究表明紧密连接（tight junction，TJ）是体内BBB的重要组成部分，并且在调节细胞旁通透性方面起重要作用［1］。紧密连接蛋白主要包括 Claudins、Occludin和ZO蛋白（ZO-1、ZO-2 和 ZO-3）等［2］。他们的变化直接影响TJ的状态，进而影响BBB的细胞旁通透性。

1.2 跨细胞途径 质膜微囊蛋白（Caveolae）依赖的跨细胞途径在药物通过BBB的过程中起着重要的作用。Caveolae是细胞质膜表面特异性的内陷囊状结构，其功能是介导细胞内小分子物质和胞吞大分子物质通过跨细胞途径转运。Caveolins是膜整合蛋白，是Caveolin的基本成分，参与多种细胞功能的完成［3］。在脑内，Caveolin-1、2主要表达在内皮细胞，Caveolin-1是标志性蛋白，在维持Caveolae的形态、结构和功能中起重要作用，而Caveolin-2具有协同Caveolin-1完成胞吞转运的功能［3］。

2 BBB开放的方法

开放BBB的方法多种多样，本文主要从物理、生物、化学这三个方面具体阐述。

2.1 物理方法

2.1.1 聚焦超声和微泡为导向 通过超声介导的BBB开放，可能对脑功能障碍的治疗有很大的影响［4］。BBB调节分子从脉管系统到脑实质的通路，防止大多数静脉注射的治疗药物到达脑组织，进而维持大脑的微环境［5］。超声可以通过绕过BBB的方法瞬时打开BBB［6］。当超声与静脉诊断超声造影剂、微泡相互作用时，会使它们在脉管系统中振荡。微泡刺激大脑中的血管，导致BBB 短 暂 的 开 放 ，小 分 子 化 疗 药 物［7-9］、抗体［10-11］、基因传递载体［12-14］和干细胞［15］等均可以被传递。有研究发现用超声来重复打开BBB，可以改善转基因小鼠模型的记忆［16-17］。聚焦超声短暂开放BBB的机制可能与空化效应、微环境的紊流剪切作用及声辐射力等有关［18-19］。为了解除空间分辨率不足的限制，有实验采用一种新型技术--“动力空化成像”，在聚焦超声的动力空化引导下的BBB开放可以构成一个独立的系统，在此过程中可能并不需要MRI引导［20］。

2.1.2 纳米技术 研究表明，纳米生物技术在不破坏BBB的情况下可控制靶向药物的传递［21］。目前，几种纳米颗粒已被用于开放BBB。其中，聚合物纳米粒子（NPs）是最有效的，使用NPs可以在不破坏BBB的情况下将药物运送至脑组织［22］。另一种为金纳米粒子（Au-NPs），这种治疗方法导致苏氨酸磷酸化的occludin和ZO-1的水平降低，导致内皮细胞TJ的不稳定性和蛋白酶体介导的TJ组成成分的降解，从而增加BBB的通透性［23］。

还有研究发现，使用一种纳米激动剂，可通过信号传导一种在脑毛细血管内皮细胞上表达的G蛋白偶联受体腺苷2A受体来暂时打开TJ；磁共振成像显示，纳米激动剂给药后，BBB通透性显著增强，药物摄取显著增加，这种纳米激动剂介导的方法可暂时打开TJ，并不破坏其他组织，最大限度地减少了药物的副作用［24］。由此可见，基于纳米技术通过BBB的方法对于脑疾病的治疗很有前景。

2.1.3 新型声学集群疗法（ACT） ACT是一种有前景的开放BBB的方法，最近已被用于治疗小鼠前列腺腺癌的皮下肿瘤［25］。ACT可将微泡与液体油微滴通过静电作用结合，在超声场中激活时，微滴相转移形成一个更大的气泡，短暂地滞留在微血管中；进一步的声波作用诱导激活气泡的体积振荡，诱发生物力学效应，增加BBB的通透性；ACT可使用比常规微泡低5～10倍的声功率开放BBB，将小分子和大分子成功地输送入大脑［25］。目前的研究表明，ACT开放 BBB的方式更安全，且明显比常规微泡结合超声的方法在BBB的开放中更有效。

2.1.4 冲击波 Kung等［26］研究表明，使用临床体外冲击波仪器结合激光辅助双轴定位平台打开BBB，可实现大鼠脑内无创、可控的病灶和可逆的BBB开放。在强度为 5［P-9.79 MPa，能量通量密度（EFD）0.21 mJ∕mm2］和脉冲重复频率为5 Hz的冲击波治疗下，在没有使用超声造影剂的情况下BBB可以在50次冲击后打开，从而可以精确地控制BBB开口的深度、尺寸和位置［26］。冲击波诱导的BBB开放对于中枢神经系统疾病的治疗将具有明显的治疗效果，BBB通透性的增加将使抗生素、化疗药物、生物制剂和其他大分子量的药物等许多药物通过BBB，为临床药物进入BBB提供更多方式，并提高中枢神经系统的生物利用率，达到最佳的药物治疗浓度［26］。

2.2 生物方法

2.2.1 谷氨酸介导 Vazana 等［27］研究发现，通过活体显微镜可发现复发性癫痫和过量谷氨酸的释放通过激活NMDA受体导致老鼠大脑皮层的血管通透性增加，神经元激活时使用高强度磁刺激可增加BBB通透性并促进药物的输送；通过对比增强的磁共振成像技术，对BBB的通透性进行定量评估并证明了刺激的安全性，这种新的机制可以增强药物的传递，促进神经系统疾病的治疗。

2.2.2 组胺 Wang 等［28］建立体外血肿瘤屏障（BTB）模型，发现组胺可通过下调TJ相关蛋白ZO-1、Occludin和Claudin-5的表达水平而提高BTB的通透性，H2受体表达水平与组胺诱发的BTB通透性有关。然而组胺这一功能的潜在分子机制仍不清楚。基于以上发现，组胺在今后脑肿瘤疾病的治疗中应进一步研究。

2.2.3 内皮单核细胞激活多肽酶-Ⅱ（EMAP-Ⅱ） 许鑫等［29］研究表明，EMAP-Ⅱ能够通过上调LINC00263，降低紧密连接相关蛋白的表达，增加BTB的通透性。还有研究显示，小剂量EMAP-Ⅱ通过 RhoA∕Rho激酶∕PKC-α∕β信号传导途径激活诱导BTB开放［30］。

2.2.4 生物制剂 有研究显示，分子特洛伊木马是一种多肽或多肽单克隆抗体，可结合BBB内源性受体介导的转运体，通过内源性BBB受体的转运通过BBB［31］。生物药物在基因水平上与特洛伊木马分子融合，产生融合蛋白，这种双重功能的分子特洛伊木马融合蛋白与BBB受体结合，转运进入脑组织［32］。通过这种生物制剂进入脑组织的药物可以治疗多种中枢神经系统疾病。

2.2.5 Gintonin Gintonin 是一种人参衍生的 G蛋白偶联溶血磷脂酸（LPA）受体的配体，它可以通过细胞旁途径将不同分子量的分子输送至大脑，在治疗脑部疾病时，可通过Gintonin来增强药物的疗效［33］。

2.2.6 缓激肽和罂粟碱 研究表明，缓激肽可以与细胞表面特定受体结合，导致膜上钙通道开放，进而使cGMP水平升高，影响细胞旁途径中TJ的开放，最终促使 BBB开放［34］。罂粟碱开放BBB的作用机制可能与抑制血管平滑肌上磷酸二酯酶活性使细胞内 cGMP水平升高有关［35］。

2.2.7 血糖 Anraku等［36］设计了一种自组装的超分子纳米载体，其表面具有适当配置的葡萄糖，利用禁食后血糖快速升高，通过人葡萄糖转运体1（GLUT1）显著增强纳米载体通过BBB，并在大脑内积聚，纳米载体表面上精确控制的葡萄糖密度能够调节其在脑内的分布。配体（葡萄糖）结合的纳米载体通过外部触发（葡萄糖）诱导GLUT1在细胞内循环，从而促进其进入大脑。因此可以利用纳米葡萄糖基来通过BBB，从而增加药物疗效。

2.2.8 冰片 中药薄荷、冰片具有芳香开窍作用，可以提高BBB的通透性。冰片是一种小分子脂溶性，实验中给小鼠灌胃天然冰片5 min后即在脑内测得冰片，60 min后浓度达到峰值，表明冰片极易透过BBB，其脑内浓度与血清浓度有较高的比值［37］。另有研究表明，冰片开放BBB的作用可能与ICAM-1表达增加有关［38］。冰片开放BBB的能力可用于肿瘤的治疗、脑损伤的修复、脑感染的治疗和神经系统的慢性疾病等。

2.3 化学方法

2.3.1 氧化石墨烯 有研究显示，还原石墨烯氧化物（rGO）主要位于大鼠的丘脑和海马区，rGO的进入与BBB细胞旁通透性有关，实验研究了基体辅助激光解吸∕电离（MALDI）和质谱成像（MSI）这种新的成像方法用于检测纳米材料在整个大脑中的时间分布的有效性。应用MALDIMSI方法，rGO能够随着时间推移在大脑中被检测和监测，并且可以成为治疗由于BBB不通透性而通常对常规治疗无反应的各种大脑疾病的有用工具［39］。

2.3.2 PQQ的酯化 神经退行性疾病对神经元的选择性损伤主要是由淀粉样蛋白的积累引起的，研究表明，吡咯喹啉醌（PQQ）的酯化化合物PQQ-三甲酯（PQQ-TME）比PQQ有更高的BBB渗透率，且PQQ-TME对α-突触核蛋白Aβ1-42和朊病毒蛋白的原纤化具有较强的抑制活性，表明PQQ的酯化可能是开发一种新型的基于PQQ的淀粉样蛋白抑制剂的有效途径，从而使其成为未来神经退行性疾病治疗的新选择［40］。

3 BBB开放与疾病

BBB的开放与多种神经系统疾病的治疗有关。通过各种方法开放BBB对治疗这些疾病具有重大意义。

3.1 磁共振成像引导聚焦超声开启BBB与阿尔茨海默病 磁共振引导聚焦超声与静脉注射微泡相结合可短暂的打开BBB，并能减少阿尔茨海默病动物模型中的β淀粉样蛋白和tau蛋白病理，试验用聚焦超声波来打开早期至中期阿尔茨海默病患者的BBB，没有临床或影像学的不良反应，证实了此方法打开BBB是安全、可逆，并且可反复打开，具有高度的特异性和准确性，提示了靶向更大体积的可能性［41］。这对治疗阿尔茨海默病提供了更大的发展空间。

3.2 聚焦超声诱导BBB开放与抗抑郁 在很多情况下，抑郁症的治疗与海马神经发生的联系密不可分。诱导这种神经发生的一种新技术是使用聚焦超声波结合循环的微泡来打开BBB。使用啮齿类动物模型，对大鼠进行每周1、2或3次的磁共振引导聚焦超声波治疗，以打开海马区的BBB，结果发现，与未治疗的对照相比，仅接受每周2次治疗的大鼠显示出抗抑郁样作用，表明聚焦超声有诱导短期抗抑郁的效果［42］。这种方法可能发展成为一种治疗情绪障碍的新疗法。

3.3 聚焦超声诱发BBB开启的基因疗法与帕金森病 微泡（MBs）诱导聚焦超声可以非侵入性开放BBB，允许治疗物质靶向进入大脑组织。神经胶质细胞源性神经营养因子（GDNF）是治疗帕金森病的有效药物，具有神经保护和神经营养作用 ，Lin 等［43］将 携 带 GDNF 基 因 的 脂 质 体（LpDNA）与 MBs结合（LpDNA-MBs），以提高GDNF的输送效率；LpDNA-MBs复合体和靶向性聚焦超声同时施用诱导的BBB开放，可使LpDNA进入到中枢神经系统多巴胺能神经元，成功表达GDNF以恢复多巴胺的正常分泌，可改善神经元退化，发挥神经保护作用，并恢复帕金森模型小鼠的运动行为。这些结果表明，CNS基因递送系统可作为潜在的治疗方法，对治疗神经退行性疾病，如帕金森病、阿尔茨海默病和亨廷顿病等具有重要意义。

3.4 纳米激动剂介导的BBB通透性增加与脑缺血 缺血性卒中是世界范围内成人残疾和认知障碍的主要原因。一种纳米激动剂（NA）可通过在脑缺血中增加BBB的通透性来增强神经保护剂的摄取。该NA首先靶向缺血性脑血管，通过激活腺苷2A受体暂时打开局部的BBB，并上调脑缺血时对神经保护剂的摄取；NA显著增加了自由基清除剂超氧化物歧化酶（SOD）向小鼠脑缺血的传递；与单独使用SOD处理的小鼠相比，NA∕SOD联合应用使脑缺血体积减少了5倍，提高了治疗反应［44］。由于低效率的脑药物传递是治疗中枢神经系统疾病的一个普遍问题，这种NA提供了一种新的策略，即以高效率和靶向特异性来通过BBB传递药物提供治疗，从而挽救大脑组织［44］。

综上所述，BBB作为脑组织内的一种重要结构，不仅可以维持脑内的微环境稳定，同时，BBB的开放对于很多神经系统疾病的治疗具有重要作用，以上研究表明，BBB的开放主要是通过TJ打开的细胞旁途径的和质膜微囊结构蛋白介导的跨细胞途径实现的，其相关的结构蛋白改变是检测BBB开放的重要依据。随着各种生物技术的发展，研究者们发现了越来越多的开放方法，并深入研究了其分子机制，以期形成完善的治疗方案，早日解决神经系统疾病的问题。