血脑脊液屏障及其中枢药物递送潜能研究进展

高嘉浩 韩 芳 金莹莹 王晓霜 张家文

中枢神经系统（central nervous system，CNS）作为负责协调全身感觉和运动信号输入/输出的重要器官，对人类各种生命活动的正常进行有着重要意义。CNS 与血液间的固有屏障通过限制各类物质进出以保障脑内精准的电化学信号传递，维持大脑微环境稳态。脑屏障包括三部分：血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）、血脑脊液屏障（blood-cerebral spinal fluid barrier，BCSFB）和脑脊液脑屏障。长期以来，BBB 被视为脑屏障中最为重要的物质转运屏障，但随着对中枢神经系统研究的逐渐深入，发现BCSFB亦扮演了十分关键的角色。过往研究多关注于BBB在CNS 药物递送及生理反应中所发挥的作用，对BCSFB 则关注甚少。本文综述了BCSFB 的结构功能特点及相关转运途径，以期通过对BCSFB 的进一步了解和深入认识，为探索脑池显像及脑池相关疾病的诊治提供理论基础。

血脑脊液屏障结构和功能

脑脊液由脉络丛产生，溶质通过脉络膜丛上皮细胞（构成血脑脊液屏障）需跨越两层连续膜：上皮屏障的基底外侧膜和顶端膜，这两层膜由直径为10 μm的上皮细胞所间隔。BCSFB 存在于脉络丛和室周器，由脉络丛上皮细胞间的紧密连接及脉络丛细胞内运输各物质的特殊载体系统组成。

脉络丛主要功能为通过水和离子的转运产生和分泌脑脊液，向大脑提供营养物质、激素和金属离子，同时清除脑脊液中的代谢废物和外源物质［1］。脑池系统与多种神经系统疾病相关，包括大脑叶酸缺乏症、脑积水、多发性硬化、脑池脑室感染和阿尔兹海默病等。其中，阿尔兹海默病近年来在我国老年人群中发病率不断提高，BCSFB 中β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）清除减少，导致Aβ 在脑内沉积增多是该病的主要致病机制。与构成BBB 的脑毛细血管内皮细胞不同，脉络膜丛内皮细胞有孔且缺乏紧密连接，这使得脉络膜毛细血管具有相对渗漏的特性。此外，脉络膜丛上皮的电阻为26 Ωcm2，跨脑实质血管电阻估计高达8 000 Ωcm2，比脉络膜丛的电阻大300倍以上［2］。白蛋白不能穿过BBB，但可穿过脉络膜丛进入脑脊液。免疫染色及电镜直接观察到的各类血浆蛋白或铁蛋白均证明了它们渗入脉络丛基质的能力［3］。因此，与BBB 相比，BCSFB 具有以下特点：①屏障的相对渗漏特性；②跨膜电阻小；③屏障内血浆蛋白的差异［4］。这些差异也为通过跨BCSFB 进行中枢药物递送奠定了结构基础。

脉络膜丛中枢药物递送意义

然而，脉络膜丛作为中枢药物输送的潜在途径很少受到关注。这可能与以下两方面的原因相关：①脑脊液的主要功能是清除脑中代谢废物，因此转运蛋白在BCSFB 上表达受限，导致相关靶蛋白及载体的研究较少；②BCSFB 面积较小且从脑脊液扩散入脑细胞间隙流速较慢，制约了物质跨BCSFB 入脑的运输效率。然而，对于一些难以跨越BBB 的低浓度受体或激素类药物，通过BCSFB 给药以实现中枢治疗目的或成为该类疾病诊疗的新思路。对于脑室内肿瘤，包括脑膜瘤、药物耐受性室管膜瘤和脑膜转移瘤等疾病在内，均与脑脊液直接相关。脑脊液直接给药将有助于提高肿瘤组织内药物浓度从而提高治疗效果。此外，脉络丛本身可作为治疗某些脑积水类疾病的治疗靶标，相信未来跨BCSFB 药物递送将会有更加广阔的应用前景，对各类疾病的深入研究具有重要意义。

跨血脑脊液屏障给药的潜在通路

1. 传统被动扩散方式

药物经被动扩散途径运输的效率受其大小和脂溶性理化特征影响。该机制对靶组织缺乏特异性，转运取决于药物的自由浓度梯度。许多神经药物的研发试图通过提高药物脂溶性和调整其尺寸以进入BCFSB，但效果不佳，这主要是由于脑屏障拥有大量具广泛特异性的外排转运蛋白，可以从极化屏障细胞任一侧发挥作用，将分子排出脑外，影响药物的脑脊液浓度。它们属于两大家族：向外定向能量依赖性ATP 结合盒转运蛋白（ABC）和溶质转运蛋白（SLC）。BBB和BCSFB 拥有不同的外排传输系统，这可能与特定的内源性基质以及屏障各自的环境性质有关［5］。ABCB1 和ABCG2 这两种BBB 标志性转运蛋白的作用已被广泛研究，这类外排蛋白被认为是许多抗癌药物脑穿透性差的主要原因。同样，BCSFB 的外排转运蛋白对脑脊液和大脑中的药物浓度也有重要治疗意义。考虑到外排转运蛋白对BCSFB 的重大影响，设计药物，尤其是用于治疗感染性脑膜炎或脑室脑膜肿瘤等脑脊液相关疾病的药物时，应考虑药物对该系统的亲和力。

2. 载体介导转运

载体介导的跨膜物质运输是大脑获取营养物质的重要方式。葡萄糖、氨基酸、核苷及某些维生素等非脂溶性小分子，需要借助载体蛋白以在细胞膜上扩散。这些载体部分为SLC 亚家族成员，通过能量依赖过程发挥作用，它们在基底膜与顶端膜同时存在，与传统非特异性被动扩散相比更具选择性。营养物质载体比外排转运蛋白具有更窄的底物特异性，这意味着如果利用该途径递送中枢药物，仅需对候选药物进行较小结构理化修饰。但这种运输策略的缺点在于运输药物与天然底物间存在明显竞争。抗帕金森症药物L-DOPA 是最典型代表，其在大脑的渗透受大型中性氨基酸转运蛋白LAT1 的影响。该载体还有助于抗癫痫药物加巴喷丁和普瑞巴林的脑部渗透。尚未有研究探讨BCSFB 上活跃载体转运蛋白的作用，但已通过免疫组化方法在大鼠脉络膜上皮细胞中鉴定出了类似LAT1 的MCT1［6］。由于它们都介导了底物的顺浓度梯度扩散，因此可依赖转运蛋白途径合理设计跨BCSFB药物以提高脑内及脑脊液药物浓度。

3. 内吞转运途径

除上述途径外，胞吞转运途径是必需大分子物质（如多肽激素、金属载体、脂蛋白等）入脑的主要途径。内吞作用指将胞外物质内化到细胞前部质膜的囊泡中，分选并通过细胞内囊泡运输、囊泡膜与靶细胞膜融合等过程在胞外空间释放囊泡内容物。囊泡胞吞转运作为目前最为成熟的脑靶向策略，在跨越BBB及BCSFB 的药物研究中应用最广泛，能选择性递送包括生物制剂、脂质体、纳米颗粒以及基于这些纳米载体的大批物质。其具体机制包括受体介导胞吞和吸附介导胞吞。对BBB 的电镜研究表明，与其他内皮细胞相比，BBB 内皮细胞胞质内囊泡相对较少。与之相比，脉络膜上皮细胞内囊泡密度较高，在顶端膜和基底膜邻近区域内囊泡活动活跃［7］。考虑到上述脑屏障结构特点，通过胞吞途径跨BCSFB 介导中枢药物递送极具研究前景。

3.1 BCSFB常见胞吞机制

因其在脑微血管内皮中的高量选择性表达，转铁蛋白受体（TfR1）是目前增强化合物靶向脑递送的常用胞吞受体。TfR1 在BCSFB 中也有表达，且已经在大鼠和人的脉络丛上皮中被证实存在［8］。转铁蛋白在细胞膜网格蛋白包被的凹坑中与TfR1 结合，通过内吞作用被内化。铁在酸化内体小泡中从转铁蛋白释放并输出到胞质中，以进一步用于基本代谢功能或储存。TfR1 循环到细胞膜，在其中释放无铁转铁蛋白而完成循环。目前已广泛使用各类转铁蛋白及抗TfR单克隆抗体OX-26 促进药物跨BBB 转运。也可运用该途径递送纳米颗粒药物完成中枢靶向，在小鼠全身给药后，靶向颗粒显示出更高的脑渗透性。酸化的内体pH 会导致金纳米颗粒从稳定的复合转铁蛋白-TfR1 中解离，并促进其进入脑实质［9］。这种药物传递策略利用了在脉络膜上皮中活跃的Tf R1 介导内吞途径，值得BCSFB靶向载药研究借鉴。

低密度脂蛋白受体相关蛋白（LRP）是一个表面受体家族，其成员包括LRP1、LRP2 及LRP8 等，各成员共享多种配体并作为多类大分子配体的受体介导跨膜转运。在各类低密度脂蛋白受体相关蛋白中，LRP1 作为一类高效跨脑屏障受体被广泛用于各类中枢药物递送研究。在多种LRP1 配体均具有Kunitz 蛋白酶抑制剂结构域的基础上，合成了目前亲和力最高的LRP1 配体Angiopep-2（ANG）并连接药物用于跨越BBB［10］。尽管目前该类受体多用于跨BBB 的脑实质药物递送，LRP1 在脉络膜丛和上皮细胞胞质中均有明显的免疫定位，且信号较其他大脑结构更为强烈［11］。因此，LRP1 也可作为跨越BCSFB 的潜在靶向受体介导药物的脑脊液传输。除LRP1 外，LRP2、LRP8 也在BCSFB 中大量表达，且仅在成人侧脑室室管膜及脉络丛有限区域内存在，因此这两类受体提供了一条更具靶向性的跨BCSFB 转运途径［12］。尚需进一步研究阐明其胞吞作用机制并识别潜在的肽配体及其他胞吞效应触发物。

3.2 BCSFB特有胞吞机制

上述途径是目前较为常用的靶向BBB 中枢药物递送途径，它们在BCSFB 表达较高，具备靶向BCSFB 进行脑脊液药物运输的潜在可行性。除上述通路外，一些仅在BCSFB 上高表达的跨膜通路更值得引起注意。尽管目前对这些通路在BCSFB 的表达及递送相关研究较为有限，但其表现了高选择性靶向BCSFB的发展方向。

叶酸作为必需维生素，在机体重要代谢反应中发挥重要作用。脉络丛作为脑内唯一高表达叶酸受体α（folate receptor α，FRα）的区域［13］，是大脑获取叶酸的重要途径。其在中性pH 下以非网格蛋白依赖性方式介导叶酸的内吞作用。最近一项研究［14］揭示了一种新的转运机制：在转染人FRα（hFRα）的小鼠脉络膜上皮细胞中，荧光标记叶酸和FRα 协同从基底外侧至顶端膜，并从细胞释放到核外囊泡；同时可检测到高表达FRα 的阳性外泌体，hFRα 在转染细胞的多囊泡体内被识别为腔内囊泡。这提示偶联受体介导的配体经脉络膜丛转运，配体通过外泌体靶向分布于脑细胞。考虑到癌症细胞常过表达FRα 以满足代谢需求和支持细胞生长和分裂，对于高表达FRα 的儿童室管膜肿瘤，叶酸偶联抗癌化合物通过脉络膜丛进入脑脊液，可直接进入肿瘤并增强靶细胞的穿透能力，这也为跨BCSFB载药提供了高效思路。

除叶酸外，血浆蛋白也可被脉络丛摄取并转运至脑内，且有研究表明这种由脉络膜丛摄取和转移蛋白的途径具有明显特异性，已有大量工作表明该过程存在受体介导的转运途径［15］，并表征支持其转运到脑脊液的跨细胞机制。与在脑屏障中广泛存在的表面受体相比，这两类受体仅在BCSFB 上高选择性表达，更具靶向BCSFB药物转运研究前景。

结语及展望

近年来随着医用纳米材料及各类新技术的快速发展，跨越BBB 进行中枢药物递送的研究成为脑科学研究热点，为中枢神经系统疾病的诊治开拓了新思路，有望实现进一步临床转化。BCSFB 作为脑屏障的另一重要组成部分，其中枢药物递送潜力却被一直忽视。脉络膜丛结构及功能障碍与多种脑疾病相关联。现有的脑池造影技术不足以对各类脑池脑室疾病进行高分辨率、无创、精准显像，极大影响了疾病诊治效果并威胁患者生命健康。借助BCSFB 表面的药物递送通路，以分子影像学技术实现高效脑池显影具有重大临床意义。细胞旁途径、载体介导等方式跨脑屏障效率低，难以达到药物有效浓度；纳米探针及药物可通过BCSFB 表面的内吞作用（包括受体介导内吞、吸附介导内吞等）高效跨越脑屏障，具有可控性能好、安全系数高、易于临床推广的独特优势，或为高效脑池显像的潜在途径。

综上，脉络膜丛-脑脊液系统是一种目前探索较少但很极具前景的中枢给药途，本文综述了BCSFB的结构功能特点及其潜在药物递送前景，希望更多学者关注“血脑脊液屏障”，以推动临床脑池脑室相关疾病诊疗及中枢药物递送研究的快速发展。