穿越血脑屏障的纳米载体应用于神经退行性疾病干预治疗的研究进展

李静 谢家丽 李金玲 谭国鹤，，3 刘斯佳，，3

广西医科大学1广西生物医药协同创新中心，2基础医学院，3转化医学研究中心“长寿与老年相关疾病”教育部重点实验室（南宁530021）

神经退行性疾病是以特异性神经元损伤和认知功能障碍为特征的疾病，主要包括阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease）、帕金森病（Parkinson′s disease）、亨廷顿病（Huntington′s disease）等，随着全球老龄化日益加重，该类疾病的发病率逐年递升，已经发展为第三大类危及生命的疾病，是老年人致死性最高的疾病也加重全世界社会经济负担［1-3］。阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病病因复杂、发病机制未明确、病程漫长，血脑屏障（blood brain barrier）是神经退行性疾病药物开发必须攻克的首要难题之一。血脑屏障存在于血液循环系统和中枢神经系统之间，主要由内皮细胞、星形胶质细胞、周细胞、基底膜以及内皮细胞之间的紧密连接组成［4-5］，允许分子量小于400 Da，氢键数小于8 的小分子亲脂物质和药物穿过，选择性地将有害或过量的物质排出大脑，维持着大脑内环境的动态平衡［6］。几乎所有的大分子药物，包括多肽、重组蛋白、单克隆抗体、基于RNA 干扰技术的药物以及大部分小分子药物，不能通过血脑屏障［1，7］。随着纳米材料领域研究的不断突破，纳米技术和纳米医学在近十年来取得了长足进步，而应用于神经退行性疾病诊疗的纳米药物递送系统是极具前景的技术突破。在这个系统中，纳米颗粒是输送药物的优良载体，其最出色的优势体现在高比表面积（可提供较高的药物载量）、离子表面带电荷（有助于药物结合或官能化）、可与配体（如抗体、靶向肽）结合实现靶向特异性［6］等方面，转胞吞作用是纳米颗粒穿透血脑屏障的主要运输机制［8］。近年来最重要的研究热点之一就是如何利用纳米材料的优势，结合血脑屏障的解剖学和生理学特征，开发新的脑内药物递送系统，达到穿透血脑屏障治疗神经退行性疾病的最佳效果。但是，纳米材料种类繁多，其大小、性质和功能各异，因此应用价值和技术难度也各不相同。本综述通过描述纳米材料的类型、大小以及表面修饰等性状，详细介绍其近年来在常见神经退行性疾病如阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病中的具体应用及其研究进展。

1 穿血脑屏障的纳米材料应用于阿尔茨海默病的干预治疗

阿尔茨海默病是老年人群中最常见的神经系统疾病之一［9］。阿尔茨海默病大脑内修复神经元的能力有限，会出现记忆力减退、抑郁、妄想和焦虑等严重的症状，淀粉样蛋白-β（Amyloid-β，Aβ）聚集以及tau 蛋白过度磷酸化是阿尔茨海默病的病理标志［10］，但是迄今为止还缺乏特性的药物，目前临床上仅能使用胆碱酯酶抑制剂、重组单克隆抗体和神经保护剂等方式进行药物治疗，以通过防止乙酰胆碱的分解来提高其生物利用度，从而在一定程度上稍微缓解相应的症状。由于阿尔茨海默病的致病机制尚未明确，目前药物治疗研究的焦点是如何预防或清除Aβ的形成或抑制Tau 蛋白磷酸化和聚集。而纳米材料发挥其特有的物理、化学优势，用于包封药物或生物活性剂增强药物穿透血脑屏障的能力，有望对抗Aβ对神经元的毒性。

SALVATI 等［11］将鞘磷脂、胆固醇和磷脂酸通过挤压法制备了磷酸化脂质体，并在此基础上通过生物素∕链霉亲和素共价偶联抗转铁蛋白受体，构建出复合纳米脂质体，其带负电荷，尺寸为（129.3±1.7）nm，对Aβ具有非常高的亲和力，经体外模型验证具有优越的穿透血脑屏障的能力：与对照组相比，渗透率提高1.5 倍，并靶向Aβ。这说明该系统可进一步负载药物用于阿尔茨海默病的治疗。研究发现，胰岛素能提高阿尔茨海默病模型小鼠的学习记忆能力［12］，因此PICONE 等［13］利用聚乙烯吡咯烷酮和丙烯酸通过脉冲电离辐射制备羧基化聚乙烯吡咯烷酮纳米凝胶载体，利用酰胺键共轭缀合胰岛素构建输送胰岛素到大脑的纳米凝胶体系，体系尺寸是（112 ± 30）nm，表面带负电荷。该载体既能保护胰岛素不被蛋白酶降解并与胰岛素受体结合穿透血脑屏障，穿透率是游离胰岛素的2 倍，有效地抵抗Aβ的神经毒作用。姜黄素是一种天然化合物，能与Aβ特异性结合，对血脑屏障具有保护作用［14］。此外，有研究发现姜黄素还能提高阿尔茨海默病模型小鼠的学习记忆能力［15］。因此，CHENG 等［16］将FeCl3和FeSO4采用反向共沉淀法合成超顺磁性纳米粒子，利用聚乙二醇-聚乳酸通过瞬时纳米沉淀法修饰超顺磁性纳米粒子，以便与姜黄素的羟基结合，构建姜黄素磁性纳米颗粒，该复合纳米颗粒性状稳定、生物相容性强、尺寸是（93.4 ± 3.0）nm，体外血脑屏障渗透率实验发现其表观渗透率是1.03×106cm∕s，经鼠尾静脉注射后体内加权磁共振成像结果表明，姜黄素磁性纳米颗粒能穿透血脑屏障并与Aβ结合，有望用于阿尔茨海默病的早期诊断。综上所述，利用纳米技术构建的姜黄素药物体系或许可成为阿尔茨海默病的诊疗一体化新药物。

近来，tau蛋白也越来越引起了人们的关注。它通过磷酸化调节微管蛋白的聚集与稳定［17］，其过度磷酸化和聚集会损害神经元轴突，从而在阿尔茨海默病患者脑内造成神经变性和认知缺陷异常。tau 蛋白与细胞线粒体的轴突运输有关，tau 蛋白的异常会引起线粒体的氧化应激与功能障碍［18-19］。最近也有研究显示，Aβ通过PI3K∕AKT∕GSK3β信号通路激活GSK3β导致神经元中的tau 蛋白过度磷酸化［20］。tau 蛋白与阿尔茨海默病的发病进展关系密切，针对tau 蛋白设计新的纳米递药系统将会对治疗阿尔茨海默病发挥重要的意义。最近，WANG 等［21］用姜黄素处理巨噬细胞，通过超速离心法提取细胞分泌的包含姜黄素的外泌体，尺寸为（117.4±10.5）nm，带负电荷，可携带巨噬细胞来源的淋巴细胞功能相关抗原，能与血脑屏障上的内皮细胞黏附分子相互作用，从而介导外泌体穿过血脑屏障，并靶向抑制tau 蛋白磷酸化，这很好地改善了冈田酸诱导的阿尔茨海默病模型大鼠的学习记忆情况。因此，外泌体作为天然内源性纳米载体递送药物，具有区别于其他纳米材料拥有独特的优势，避免了单核吞噬细胞系统的清除以及免疫排斥，是极具前景的治疗阿尔茨海默病药物新载体。

2 穿血脑屏障的纳米材料应用于帕金森病的干预治疗

帕金森病是老年人群中第二常见的神经退行性疾病，目前全球共有450 多万帕金森病患者，而我国帕金森病患者人数居世界第一［22］，其社会经济负担已超过950 亿美元［23］。帕金森病患者中脑黑质致密部的多巴胺能神经元损伤丢失会出现运动或认知障碍，包括震颤、运动功能减退、平衡减弱和身体僵硬等［24］。目前，帕金森病患者的治疗方案以对症治疗为主，即预防或缓解相关的症状，其中首选的药物是左旋多巴。但随着疗程的进展，左旋多巴所需剂量也会增加，随之就会产生更大的副作用，如抑郁、焦虑、失眠、躁动、恶心和呕吐等；因此，当前阶段的临床方案是以深部脑电刺激（deep brain stimulation，DBS）为主［25］。不过，DBS 也会引起脱靶效应，还能造成其他的神经认知副作用，而DBS 结合纳米材料能更有效地发挥治疗作用而尽可能地避免副作用。例如，GUDURU等［26］将CoNO3、FeNO3和BaTiO3合成CoFe2O4-BaTiO3磁电纳米颗粒，尺寸约30 nm，经尾静脉注射，在外加磁场的引导下穿过血脑屏障，空间变化的外加直流磁场诱导CoFe2O4-BaTiO3磁电纳米颗粒分布在整个大脑，有效地创造“新的脑微环境”，神经活动产生的固有电信号在亚神经元水平上与外部磁场强耦合，实现无创高效DBS，有助于精准化治疗晚期帕金森病。

由于多巴胺不能直接穿过血脑屏障，临床上治疗帕金森病多用多巴胺前体、多巴胺受体激动剂等，长期服用副作用大且会产生耐药。PAHUJA等［27］利用聚乳酸羟基乙酸通过双乳液溶剂蒸发法制备负载多巴胺的纳米递药系统，该系统尺寸为（119.7±2.69）nm，带负电荷，穿透血脑屏障并内化到大脑中，聚乳酸羟基乙酸包封不仅延长多巴胺的半衰期，还具有缓慢和持续释放多巴胺的功能，帕金森病模型大鼠体内实验证实实验组相比对照组运动情况改善且无其他器官毒性。胶质源性神经营养因子具有神经保护和促进神经再生功能，由于其半衰期短以及难以穿透血脑屏障，其临床应用受到限制。HERNANDO 等［28］将甘油硬脂酸、辛∕癸甘油三酸酯利用融合法制备包被胶质源性神经营养因子的脂质体纳米颗粒，转录反式激活因子肽与聚壳糖共价连接后包被在脂质体表面构建聚壳糖-脂质体纳米颗粒-转录反式激活因子肽-胶质源性神经营养因子递送载体，该载体尺寸为（205.9 ± 6.3）nm，带正电荷，经鼻腔给药利用转录反式激活因子肽介导穿透血脑屏障，在四氢吡啶诱导的帕金森病模型小鼠体内研究，结果发现实验组对比空白对照组小鼠的纹状体中酪氨酸羟化酶纤维数量增加1.5 倍，黑质中酪氨酸羟化酶神经元水平增加3 倍，运动恢复情况改善2 倍，为治疗帕金森病提供了新的技术手段。

在帕金森病脑内，路易小体是一个重要病理特征，其主要成分是α-突触核蛋白，会导致多巴胺能神经元的凋亡［29］，而通过基因治疗抑制α-突触核蛋白的过表达有望阻止该过程，从而发挥基因治疗的效果。相关的基因治疗可有病毒载体和非病毒载体两种，相对于前者，纳米金粒子有更为明显的优势：无毒、生物相容性好、小尺寸、高比表面积，便于修饰或加载基因产物穿透血脑屏障治疗帕金森病［30］。因此，HU等［31］用聚壳糖、金纳米粒子、神经生长因子、质粒DNA 通过静电吸附和光化学固定合成金纳米粒子复合物，其尺寸5 ～10 nm，带负电荷，神经生长因子受体介导内吞作用穿透血脑屏障，质粒DNA 抑制α-突触核蛋白的表达，实验结果表明这可以减少黑质纹状体多巴胺能神经元的凋亡，在体外和体内对帕金森病模型都具有良好的治疗效果，有望成为一种很有希望的治疗新策略。

3 穿血脑屏障的纳米材料应用于亨廷顿病的干预治疗

亨廷顿病是一种常染色体显性遗传性神经退行性疾病，编码亨廷顿蛋白（Huntingtin，HTT）的基因中CAG 三核甘酸重复序列异常扩增合成变异HTT 蛋白（mHTT），而mHTT 具有神经毒性，在脑内聚集影响尾状核和壳核中型多棘神经元的活性，进而使患者出现运动、认知和精神障碍等症状，其发病率为1∕10 万［32-33］，而且往往在发病15 ～20年后死亡。目前还没有药物可预防或阻止亨廷顿病的进展，临床上多用丁苯那嗪和奥氮平进行一些对症治疗［34］，辅助使用抗抑郁药和抗焦虑药［35］来控制症状，但这些药物经常会出现严重的副作用，因而使用纳米材料结合中药单体或生物源性物质是开发治疗亨廷顿病新药的一个新切入点。

固体脂质体纳米颗粒［36］和聚乳酸羟基乙酸［37］具有良好的生物相容性、可生物降解、缓释及靶向作用等优势，尤其后者已被美国FDA 批准应用［38］。这些纳米材料已被研究用于亨廷顿病的治疗。实验发现，迷迭香酸可保护神经元降低氧化应激导致的损伤［39］，因此BHATT 等［40］将大豆卵磷脂和迷迭香酸通过热均化法制备负载迷迭香酸的固体脂质体纳米颗粒载体，平均尺寸为（149.2 ± 3.2）nm，带负电荷，经鼻腔注射穿透血脑屏障到达脑内，药物浓度达5.69 μg，显著改善3-硝基丙酸诱导亨廷顿病动物模型大鼠的运动协调能力以及脑内氧化应激水平。脑内胆固醇是内源性合成的，游离胆固醇无法穿透血脑屏障，研究发现亨廷顿病模型小鼠脑内的胆固醇水平下降［41-42］，如果提高脑内胆固醇水平，可能有效治疗亨廷顿病疾病。所以VALENZA 等［43］以聚乳酸羟基乙酸为载体制备缀合糖肽和胆固醇的纳米递送载体，其尺寸为150～210 nm，带负电荷，在糖肽的介导下穿透血脑屏障并扩散至全脑，利用纳米载体补充外源性胆固醇，这样既不影响内源性胆固醇的合成，又能有效改善亨廷顿病模型小鼠的运动情况及脑内突触传递。海藻糖是细胞、蛋白质的一种保护剂，可抵抗环境压力，阻碍蛋白质聚集［44-45］，其纳米颗粒形式比其他的粒子形式能发挥更好的作用［46］。受此启发，DEBNATH 等［47］以疏水性γ-Fe2O3、磺基丙烯酸酯、氨基丙烯酸酯、聚乙二醇丙烯酸酯和海藻糖合成两性海藻糖纳米粒子，尺寸为20 ～30 nm，电荷随溶液的pH 值变化而变化，在+6 mV 和-20 mV 之间，将两性海藻糖纳米粒子通过腹腔注射进转基因亨廷顿病模型小鼠中，其经内吞作用穿透血脑屏障，有效靶向突变亨廷顿蛋白并减少其聚集，从根本上抑制病理蛋白的聚集，改善了神经细胞的功能；不过较为遗憾的是，该实验所用的纳米颗粒组合物γ-Fe2O3是不可降解的，还需要进一步解决这个技术问题。如果下一步开发出可生物降解的组分合成海藻糖纳米粒子，则能很好地有效转化到亨廷顿病的临床应用中。

4 总结与展望

随着医疗技术的发展，现代医学已发展为精准治疗和个体化医疗，而纳米材料因其自身优势在医学应用中有广阔前景，深入研究神经退行性疾病的发病机制对筛选有效药物会有更大的成功概率。在开发神经退行性疾病新药领域中，聚乳酸羟基乙酸、固体脂质体纳米颗粒、超顺磁性纳米颗粒、纳米凝胶等纳米载体经过修饰或缀合靶向分子通过静脉注射或鼻腔递送实现了无创穿透血脑屏障，达到了高效性和靶向性的药物输送。不过这些工作目前还多局限于基础实验性研究，还未进行临床转化的实际应用；目前也缺少标准的操作方案以量化比较不同纳米投递系统的安全性、靶向性、有效性、可行性；同时，对于这些纳米递药系统在脑内的具体分布，以及在循环系统中的代谢与毒性，都还并不明确。这些重要问题的解决十分迫切，需要科研人员对这些脑靶向药物递释系统进行更为深入、透彻的研究，进一步优化纳米材料的生物和化学性质，使得药物更有效地穿透血脑屏障并内化到脑内递送至病灶。这将为前述重要的神经退行性疾病的有效诊疗带来新的突破和希望。