脑靶向鼻腔纳米给药系统的研究进展

梁会敏，刘哲鹏，刘芸雅

上海理工大学 医疗器械与食品学院 药物制剂(设备与工艺)研究所 (上海，200093)

0 引言

尽管药物输送系统(DDS)在治疗中枢神经系统疾病(如神经退行性疾病、精神病等)方面取得了巨大进步，但仍需要新型脑靶向DDS。将药物靶向大脑的主要障碍就是血脑屏障(BBB)。BBB是一种血管网络，具有紧密堆积的内皮细胞，将大脑与循环系统分开。它可以保护大脑免受毒素和细菌等有害物质的侵入。亲水性物质、带电分子、蛋白质和多肽不能穿过这种屏障，而抗抑郁药、抗焦虑药和许多激素等亲脂性药物很容易穿过内皮细胞[1]。对于需要慢性治疗的神经性障碍和脑肿瘤，要将药物非侵入性地递送到脑部。为了治疗脑部疾病，鼻腔给药系统已经越来越多地用于向大脑递送药物。鼻腔给药主要有以下几点优势：(1)BBB使几乎100%的大分子药物和98%以上的小分子药物都无法通过[2],但鼻腔给药可以绕过BBB将药物直接递送到大脑；(2)这种途径避免胃肠道和肝脏的首过代谢，从而避免了大部分药物失活。

1 鼻腔给药机制

嗅觉途径在经鼻入脑机制中的作用至关重要。该途径由嗅上皮、固有层和嗅球组成。嗅上皮包含三种紧密连接的细胞，分别为：神经元细胞、祖细胞和支持细胞。神经元细胞从嗅球开始到嗅上皮，并为大脑提供信息。基底细胞和神经元细胞在不断地运动，并且由于这种持续的运动，使得鼻粘膜变得可渗透，增强了药物向脑部的递送[3]。

鼻上皮中纤毛柱状细胞控制纤毛的运动，药物施用于鼻腔后，它必须通过纤毛的运动来穿过粘膜层，药物通过细胞外或细胞旁转运通过鼻粘膜。受体介导的内吞作用是分子通过不同BBB内源性受体的转运途径，网格蛋白介导的内吞作用是受体介导的主要方式。粒径、细胞类型、表面电荷和应用于细胞的颗粒浓度都是影响内吞作用机制的因素。鼻上皮中，细胞通过不同的连接点(如紧密连接)相互连接，这些连接点对大分子药物是不可渗透的，但由于神经元和基底细胞的不断运动变得可渗透[4]。因此，这些连接处的开放促进了细胞旁转运。有研究已经报道，打开这些连接点的各种药物递送系统能通过鼻粘膜快速转运到大脑。

呼吸区域占鼻腔的主要部分并受三叉神经支配。三叉神经是第五颅神经，它有三个分支：眼神经、上颌神经和下颌神经。眼神经和上颌神经主要支配鼻粘膜并从鼻腔携带必要的信息到中枢神经系统。针对这两个分支，各种药物递送系统将药物运输到大脑的不同部位[5]。药物从三叉神经通路通过筛板进入前脑，从而促进药物进入大脑的尾部和头部，是药物向大脑输送的主要焦点。

2 经鼻入脑药物载体

2.1 聚合物纳米粒

各种制剂中，纳米粒子能防止药物流失，为药物直接递送到脑中提供了一个极好的平台。纳米粒子的转运取决于其形态和表面特征，亲水性的纳米粒子通过细胞旁路转运，疏水性的纳米粒子细胞内转运[6]。

各种可生物降解和生物相容的聚合物能避免产生毒副作用，同时又达到缓控释目的被广泛研究。壳聚糖在纳米给药系统中广泛应用，它能够增加药物在嗅觉区域的停留时间，减少粘液清除，同时能够打开上皮细胞之间的紧密连接，从而增强药物通过粘膜的渗透。Woensel等[7]利用壳聚糖纳米粒子向小鼠中枢神经系统递送小干扰RNA (siRNA)，研究其对治疗多形性胶质母细胞瘤的作用，通过鼻腔给药在后脑中检测到siRNA。Mittal等[8]将雷莎吉兰-壳聚糖谷氨酸纳米粒子(RAS-CG-NPs)通过鼻腔给药以递送至脑，结果表明RAS-CG-NPs在脑中的药物浓度明显高于游离药物浓度。除此之外，聚乳酸-乙醇酸(PLGA)也是一种生物相容且可生物降解的聚合物，对提高药物稳定性非常重要。PLGA纳米粒子通过鼻腔给药可以改善药物的脑摄取量，奥氮平通过鼻腔给药后经历酶促降解并且由于P-糖蛋白的流出而导致药物脑摄取量少，Wen等[9]制备的奥氮平-PLGA纳米粒子，与游离药物溶液相比，施用奥氮平纳米粒子的脑摄取量增加了10.86倍。Bi等[10]制备PEG-PLGA纳米粒子，用乳铁蛋白进行表面修饰，鼻内递送罗替戈汀治疗帕金森，结果表明，乳铁蛋白修饰后的纳米粒子脑摄取量浓度较高。

2.2 脂质体纳米粒

脂质体作为药物递送载体已经研究了多年，近年来，脂质体正在快速发展以通过鼻腔给药靶向大脑。脂质体包裹蛋白质能改善其亲脂特性，防止酶促降解并增加细胞摄取。此外，阳离子脂质体能增加鼻腔中的停留时间，并促进蛋白质在鼻粘膜上的转运。Narayan等[11]利用薄膜水合法制备利培酮脂质体，并用硬脂胺和MPEG-DSPE修饰表面以有效渗透到脑中。与静脉注射(iv)相比，脂质体递送在脑中有更高的药物浓度。硬脂胺脂质体延长了药物的释放，聚乙二醇脂质体提高了生物利用度。聚乙二醇化脂质体脑部摄取量更大，其高的脑靶向效率指数表明，药物可绕过BBB直接转运至脑部。固体脂质纳米粒是生物相容且可降解的，对鼻粘膜没有毒性，这些纳米粒具有控释性质并增加包封药物的稳定性。Shah等[12]通过均质化和超声方法制备亲水性药物利凡斯的明(RHT)固体脂质纳米颗粒(SLN)，最终纳米粒粒径为82.5±4.07 nm，体外渗透研究表明，与药物溶液相比，RHT SLN显示出有更高的药物扩散，并没有观察到鼻腔损伤或细胞坏死，这说明 RHT SLN用于鼻粘膜给药的安全性。

2.3 纳米胶束

嵌段共聚物的聚合物胶束作为经鼻入脑药物递送途径，能增加药物的脑摄取量，这些胶束纳米载体，能够加入包括蛋白质多肽等多种药物，具有很好的应用前景。Jain等[13]利用纳米胶束载体，入脑递送佐米曲普坦，其尺寸约为23 nm，体内生物分布研究表明，与静脉注射和鼻腔水溶液相比，纳米胶束载体对于脑靶向具有显著的优越性。喜树碱(CPT)，一种抗癌药物，被包裹在TAT肽修饰的胶束中并鼻内给予大鼠。与未修饰的胶束相比，TAT肽修饰的胶束显著增加了在携带颅内神经胶质瘤大鼠中的存活时间。纳米载体通过嗅觉和三叉神经传递给嗅球，但对于中脑和小脑，纳米载体仅通过三叉神经通路运输。

2.4 纳米凝胶

经鼻入脑制剂中，通过增加粘度来增强药物在鼻上皮细胞中的沉积是改善脑摄取量的通用方法，具有三维结构的凝胶能通过提高粘度来增加药物在鼻腔中的停留时间，有利于药物向脑部的递送。盐酸那拉曲坦能是抗偏头痛的药物，但由于肝脏代谢，生物利用度低，需要频繁给药。Shelke[14]制备一种热可逆的鼻内凝胶，将药物直接靶向至脑部，从而提高生物利用度。通过使用泊洛沙姆407作为热可逆聚合物和卡波姆934作为粘膜粘附聚合物来制备凝胶，体外和离体药物释放研究表明，释放速率与卡波姆934的浓度成正比。

2.5 纳米乳剂

纳米乳剂具有脂质体和乳液的特性，由于其独特性质和较小尺寸，纳米乳剂经鼻入脑给药是输送难溶性药物很好的选择[15]。为了避免口服奥卡西平(OX)的外周毒性，El-Zaafarany[16]研究OX乳剂作为脑靶向的纳米载体。使用不同比例的甘油三酯核心和大豆磷脂酰胆碱制备乳剂并鼻内给予大鼠。药代动力学研究表明，乳剂通过嗅觉途径直接将药物递送到大脑。

3 经鼻入脑给药影响因素

鼻腔给药中影响药物吸收的因素有很多，药物有效地从鼻腔递送到大脑中是各个因素共同作用影响的。

3.1 药物自身因素

药物的理化性质决定其在鼻粘膜上的转运。低分子量药物迁移不受其理化特征影响，而分子量超过400 Da的药物运输则取决于它们的理化性质[17]，大分子药物如蛋白质和多肽由于高分子量和疏水性，它们在脑中达到的药物浓度水平十分低。脂溶性也是影响药物经鼻吸收的因素，鼻粘膜性质与多数生物膜类似，它能促进亲脂性和低分子量药物的迁移，而高分子量和亲水性药物很容易通过粘膜纤毛间隙清除。

3.2 处方因素

处方不同也会影响药物经鼻入脑的递送，与粉末形式相比，液体制剂更容易被粘膜纤毛清除，而粉末制剂在鼻粘膜潮湿的表面滞留时间更长。另外需要考虑的是鼻粘膜的pH，药物pH在4.5～6.5时，可有效防止鼻腔刺激、粘膜损伤和细菌生长[18]。制剂张力是粘膜渗透的促进因素，高渗溶液使鼻上皮细胞收缩并促进鼻粘膜渗透，高渗溶液和较低pH值可防止纤毛移动，并通过减少粘膜纤毛清除来增强透粘膜递送。

3.3 鼻粘膜生理因素

鼻腔内部覆盖有呼吸上皮，呼吸上皮位于鼻瓣内部，鼻瓣是鼻腔中的狭窄开口，它距离鼻孔2～3 cm，横截面积为0.5～0.6 cm2，是药物向大脑输送的屏障[19]。鼻腔后部与脑神经连接，为了将药物递送至脑部，需要将药物靶向至鼻腔的后部。

纤毛和粘液的运动是保护呼吸系统免受异物侵入的天然防御机制，纤毛的运动周期约为12～15 min，药物颗粒在粘液的粘性作用下被连续运动的纤毛清除，纤毛的清除作用减少了药物与粘膜的接触时间，最终导致药物向脑部递送量减少。另外，鼻腔中存在能降解药物的各种酶，这些酶限制了基于多肽和蛋白质药物向脑部的递送[20]。这些酶的代谢活性低于肝酶，但它们在改变药物的药代动力学和药效学特征方面的重要性不容忽视。

4 促进经鼻入脑吸收的方法

4.1 受体-配体

为了增加纳米尺寸的药物经鼻入脑递送，使用生物识别配体是很好的选择。最常用的靶向配体是在嗅觉区域具有受体的蛋白质，即乳铁蛋白(Lf)或糖蛋白。乳铁蛋白受体(LfR)在呼吸道上皮细胞和神经元中高度表达，Liu[21]将Lf缀合在PEG-PCL纳米粒表面，使用神经保护八肽(NAP)作为药物，结果表明Lf功能化的纳米粒在各脑区域中表达量是未修饰纳米粒的2倍。小麦胚芽凝集素(WGA)、马铃薯凝集素(STL)等几种凝集素也被用来促进药物经鼻入脑递送。PEG-PLGA纳米粒用STL功能化[22]，所得到的脑靶向效率(AUC Brain/AUC Blood)是其未经修饰NPs的2.5倍。

4.2 细胞穿膜肽

细胞穿膜肽(CPPs)是含有精氨酸和赖氨酸残基、带正电的寡肽，它通过不同的内吞途径或直接细胞质易位实现生物大分子的有效细胞摄取。人类免疫缺陷病毒TAT肽(transactivator of transcription peptide)是比较常用的细胞穿膜肽[23]，TAT肽的细胞穿透特性与其中精氨酸胍基相关，精氨酸可诱导静电和氢键结合。Yan[24]使用阳离子TAT肽修饰的PLGA NPs，用以将胰岛素递送至脑部，与未经修饰的NPs相比，修饰后药物在嗅球中的量是其6.5倍。另一种常用的CPPs是由酶促降解产生的鱼精蛋白的短肽片段，称为低分子量鱼精蛋白(LMWP)，这些链缩短肽的优点是它们比其亲本蛋白具有更低的毒性和免疫原性。Xia[25]将LMWP附着在PEG-PLGA纳米粒表面，经鼻入脑给药使香豆素的药物递送量显著增加。

5 展望

因此，经鼻脑靶向给药是一种极具吸引力的途径。纳米载体的表面修饰和特定配体的引入提供了新的方法，用CPPs对载体进行表面修饰开启了药物递送系统的新时代，特别是基于多肽和蛋白质药物。目前，大多数研究集中在神经系统疾病，但鼻内给予TAT修饰的胶束和壳聚糖NPs已经显示出针对不同类型脑肿瘤治疗的潜力，因此，需要更多的努力探索脑肿瘤靶向的新型DDS。

最近，许多药物已经通过鼻腔给药成功地递送到大脑，并且基于脑靶向的新型鼻用纳米制剂的产品在市场上也可获得，预计该途径在将来不仅用于治疗目的还可用于诊断目的[26]。