黑磷在中枢神经系统疾病中载药的应用

赵文昕 综述 孙挺 审校

1.暨南大学口腔医学院，广东 广州 510632；

2.佛山科学技术学院附属口腔医院·佛山市口腔医院，广东 佛山 528000

神经系统疾病是全球致残最主要的原因，也是全世界第二大死亡原因[1]。然而，由于血脑屏障的阻碍，针对中枢神经系统疾病的药物难以发挥预期的临床疗效。随着纳米医学的发展，许多纳米载体被发现可以通过功能化穿越血脑屏障，从而实现将药物靶向运输到中枢神经系统[2]。黑磷是一种继石墨烯后新兴的二维纳米材料，出色的光学吸收能力、较大的比表面积、良好的生物相容性及生物降解性赋予了其在生物医学领域一定的应用前景。近年来的研究表明，黑磷在穿越血脑屏障方面有着独特的优势，这意味着黑磷在神经系统疾病的治疗中具有极大的潜力。现就黑磷作为药物载体在中枢神经系统疾病中的应用研究予以综述。

1 黑磷及其性质

黑磷(black phosphorus，ΒP)是一种新兴的二维纳米材料，它是白磷和红磷之外的磷单质的另一种同素异形体，也是其中最稳定的一种形态[3]。黑磷为片层状结构，与石墨烯不同，黑磷同一层内的原子并不在同一平面上，而呈一种蜂窝状的褶皱排列。层内P 原子与周围的3个原子通过3p杂化轨道相连，s-p轨道杂化使得褶皱层状结构十分稳定。层内原子之间由较强的共价键相连，层与层之间靠较弱的范德华力连接。因此，黑磷很容易被剥离为单层或超薄的纳米片[4]。黑磷独特的褶皱结构使它展现出有别于其他二维纳米材料的优异性质。然而，黑磷在含有水和氧气的环境中会很快地降解，这一特性是黑磷在实际应用中最大的障碍。这是因为黑磷纳米片表面有孤对电子，氧与黑磷表面磷原子的长电子对反应形成的磷酸盐可被水分子快速地溶解，溶解的磷酸盐从黑磷表面解离，导致黑磷重新暴露于环境中继续氧化过程[5]。此外，光也是影响黑磷降解性的另一重要因素，研究表明光可以加速黑磷在周围环境中的降解。总之，黑磷的降解速率受到水、氧气、光的共同调控，并与黑磷的厚度呈反向相关，越薄的黑磷纳米片降解越快。生理环境是一种富含有水、氧及其他很多生物分子的复杂环境，这对于黑磷在体内的应用十分不利。但从生物相容性的角度来看，黑磷的降解产物为对人体无害的磷酸盐和水，这意味着黑磷可以在体内无毒地降解[6-7]。与其相比，大多数二维纳米材料因不易降解，在体内积累，容易产生系统毒性。因此，无毒的生物降解性赋予了黑磷更高的生物安全性与应用潜力。总体而言，黑磷出色的光学吸收能力、较大的比表面积、良好的生物相容性及生物降解性使其在生物医学领域表现出极大的应用前景。目前，黑磷已被广泛地应用于骨组织再生、抗菌及肿瘤治疗等领域。此外，黑磷还具有穿透血脑屏障的能力，这使其可能成为新一代的治疗中枢神经系统疾病的药物载体。

2 黑磷作为药物载体在中枢神经系统疾病中的优势及应用

2.1 黑磷穿越血脑屏障(blood-brain barrier)的优势 血脑屏障是大脑和血液循环化合物之间的一道重要屏障。它由脑毛细血管内皮及其细胞间的紧密连接、完整的基膜、周细胞以及星形胶质细胞脚板围成的神经胶质膜构成。它将血浆中的神经毒性物质、细胞和病原体排除在大脑之外，从而保持脑组织内环境的基本稳定。ΒΒΒ 的存在对维持中枢神经系统正常的生理状态具有重要的生物学意义，同时，它也为药物进入大脑设置了壁垒，这对神经系统疾病的治疗提出了巨大的挑战[8-9]。虽然已有许多药物被研发来对抗中枢神经系统疾病，但由于无法有效穿过ΒΒΒ、生物学稳定性差、降解速度快、释放不充分、药代动力学特性不佳等问题，大多数传统药物未能在临床应用中发挥显著疗效[10]。随着纳米医学的迅速发展，各种纳米载体被开发来保护和靶向运输这些药物分子。纳米载体具有分子量小、载药率高、易于改性、可以通过不同的途径跨越ΒΒΒ等优点，已被广泛应用于脑靶向的药物运输[11]。但目前仍需要解决一些挑战：(1)纳米载体的生物降解和生物相容性是生物医学应用的关键因素，可直接决定其临床转化进展。(2)设计载药量高、加工简单，可控释放的药物载体是一个重大的挑战。过于繁琐的功能化方式不但会提高药物的成本，也进一步限制了其在临床上的应用。此外，理想的纳米药物载体除了需要对所负载药物具有较强结合作用外，还需要具有在靶向病理区域可控释放药物的能力。(3)功能性纳米载体应尽量避免被免疫系统吸收。当纳米粒子进入血液循环时，它们的外表会和血液中许多种类的蛋白质发生非特异性的相互作用，形成一个生物分子冠称为蛋白冠，其会进一步激活免疫系统中的免疫细胞，包括单核细胞和巨噬细胞，随后诱导纳米粒子的吞噬和清除。因此，当前开发出适合用于中枢神经系统疾病药物运输且具有临床转化价值的功能性纳米载体迫在眉睫。得益于其褶皱状的结构，单层及少层黑磷纳米片具有比平面二维纳米材料更高的比表面积，这一性质赋予了黑磷纳米片更高效载药的能力。此外，黑磷无毒的生物降解性，生物相容性，可控性的药物释放能力使其被广泛的开发作为药物载体用于骨组织再生和肿瘤治疗等领域[12-13]。最近的研究表明，黑磷在靶向中枢神经系统的药物运输方面，也表现出令人满意的结果。通常，纳米载体穿过血脑屏障的方式包括：胞旁和胞外的扩散转运、转运蛋白介导的转运、受体介导的转运、吸附介导的转运和细胞介导的转运[12]。然而，与其他常见的二维纳米材料需要复杂的功能化及修饰才能穿过血脑屏障相比，黑磷基纳米载体通过光热效应可逆性地打开血脑屏障紧密连接的性能为其成为中枢神经系统疾病药物运输的功能性纳米载体奠定了无可比拟的基础。它不但能够在无修饰的情况下跨越血脑屏障，同时兼具无机材料特有的高效载药性及生物材料的无毒的降解性[14]。因此，黑磷已经成为靶向中枢神经系统疾病药物运输研究的新兴材料。大量的研究表明，脑部局部高温可以暂时性的增加血脑屏障的通透性[15-16]。黑磷纳米片具有优异的光热转化效应，在NIR 辐照下，黑磷可产生局部高温，提高ΒΒΒ 的渗透率。CHEN等[14]的报告表明，在808 nm激光照射3 min后，无黑磷的溶液温度仅升高了4°C，而黑磷溶液的温度增加了23°C。之后，以bEnd3 单层细胞作为体外ΒΒΒ模型，对黑磷纳米片提高ΒΒΒ渗透性的可行性进行了调查。与没有激光照射的组相比，在NIR 辐照后，从上腔转移到下腔的黑磷纳米片的百分比显著增加了6 倍，这表明黑磷纳米片的光热效应提高了ΒΒΒ的渗透率。同样地，在体内研究中，埃文斯蓝色染色和NIR 荧光成像技术的结果都表明黑磷纳米片的光热效应提高了ΒΒΒ的渗透性。

2.2 黑磷作为药物载体在中枢神经系统疾病治疗中的应用 最近，已有一些基于黑磷的纳米材料作为药物载体被研发用于中枢神经系统疾病的治疗。例如，JIN等[17]设计了一种基于黑磷的药物递送系统，并证明了它对抑郁症的治疗效果。以经典抗抑郁药物氟西汀(Fluxetine，Prozac)为模型药物，通过静电效应与黑磷相结合。随后的实验结果表明：Flu 以700%的载药量成功地被加载到黑磷表面。在近红外光照射30 min 后，近90%的Flu 可以被释放。两周后，与NIR-ΒP 组及ΒP-Flu 组相比，ΒP-Flu-NIR 组小鼠抑郁症样的行为得到了极大缓解。值得注意的是，经过四周的治疗后，Flu 和ΒP-Flu-NIR 组都显示出预期的抗抑郁作用。这表明ΒP-Flu-NIR 的应用大大缩短了抑郁症的治疗时间。此外，ΒP基纳米载体还表现出良好的生物相容性。典型器官(例如心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏)的苏木精-伊红染色结果表明：在治疗4周后未观察到明显的靶器官损伤。通过检测P元素在小鼠体内的生物分布，研究者发现未经808 nm激光照射组的黑磷主要沉积在脑和肝内，而ΒP-Flu-NIR 组在治疗后，黑磷几乎完全排出体外。这进一步表明：在NIR 的辅助下，黑磷可以迅速从小鼠体内排出。这项研究表明黑磷除了具有优异的药物负载能力及良好的生物相容性外，与其他材料相比，还具有在NIR照射下可控释放药物及无毒性降解的能力。在另一项研究中，黑磷基纳米载体的脑药代动力学行为得到了分析。XIONG等[18]利用含有脑靶向配体乳铁蛋白(Lf)的黑磷纳米片及芍药苷(Pae)构建了Lf-ΒP-Pae 纳米复合物。其中，乳铁蛋白(Lf)可以作为一种强效的脑靶向配体，使该纳米复合物可以通过脑毛细血管内皮细胞的胞饮作用穿过血脑屏障来靶向治疗帕金森综合征。实验结果表明：Lf-ΒP-Pae+NIR组小鼠脑内Pae浓度在尾静脉给药4 h 后达到峰值。与Pae 组相比，Lf-ΒP-Pae+NIR组小鼠脑内药物最大浓度增加约2.25 倍，脑中药物半衰期升高至(4.09±0.20)h，是Pae组的3.82倍。这些数据表明Lf-ΒP-Pae 纳米平台显著提高了Pae 的生物利用度。总而言之，黑磷作为靶向中枢神经系统的药物载体，其优势主要表现在3方面：(1)超强的药物负载与控释能力；(2)良好的生物相容性与无毒的生物降解性；(3)穿透血脑屏障的能力。因此，黑磷有希望成为新一代靶向中枢神经系统药物运输的功能性纳米载体。

2.3 当前面临的挑战 黑磷在进入实际应用之前，仍需克服许多挑战。通常而言，降解性是黑磷在实际生产与应用中最常见的问题，然而关于黑磷的钝化政策已经得到了广泛的研究，在此不再赘述[19-21]。除此之外，黑磷作为脑靶向药物载体，还有以下一些问题需要解决：黑磷的非活性表面使得其改性较为困难，限制了其载药的方式。因为黑磷在水中带负电，因此只有带正电的药物分子可以通过静电相互作用被加载于它的表面或者通过聚合物包裹药物。另外，黑磷的表面电荷在跨越血脑屏障的过程中起着矛盾的作用。研究表明，纳米粒子表面带阳性电荷更有利于其跨越血脑屏障，因为内皮细胞上具有与其互补的负电荷。然而与阳性纳米颗粒相比，阴离子或中性的纳米颗粒的毒性更低，体内循环时间更长[22-24]。此外，黑磷基纳米材料作为一种外源性药物传递系统，很容易被免疫系统识别。这对几乎所有的纳米载体来说都是一个巨大的挑战。当纳米粒子进入血液循环时，血液中许多种类的蛋白质会非特异地吸附在其表面，形成一个蛋白冠，蛋白冠的存在会进一步吸引免疫细胞，包括单核细胞和巨噬细胞的注意，随后诱导吞噬和清除[25-26]。目前，克服单核吞噬细胞系统吸收的主要策略是用亲水性聚合物覆盖纳米粒子的表面[27]。例如，聚乙二醇化可以减少纳米粒子与蛋白的相互作用。在许多用于癌症治疗的黑磷纳米载体中，ΒP-PEG已被证明在延长血液循环时间、提高血清稳定性、降低免疫原性和防止与非靶细胞的相互作用方面取得成功[28]。此外，仿生纳米材料的开发也越来越受到脑靶向药物运输领域的重视。例如，LUO等[29]设计了一种基于间充质干细胞(MSC)的聚乳酸-羟基乙酸/黑磷量子点(PLGA/ΒPQDs)纳米复合物，用于胶质瘤的靶向光热治疗。实验结果表明：与其他组相比，MSC PLGA/ΒPQD组具有更高的肿瘤内药物浓度和更长的体内药物循环时间。类似地，使用一些天然的囊泡，如脂质体、外泌体、红细胞膜等包裹纳米载体也可以帮助其逃离免疫系统[30]。

3 展望

由于血脑屏障的存在，中枢神经系统疾病的药物治疗一直是一个难点。近年来随着生物纳米技术的发展，许多纳米材料被开发作为药物载体来穿越血脑屏障。黑磷作为一种新兴的二维纳米材料，其优异的药物负载能力、穿透血脑屏障的能力及良好的生物降解性使其有希望作为新一代靶向中枢神经系统的药物运输载体。但对于黑磷基纳米材料靶向中枢神经系统的具体机制及影响因素，仍需更多研究深入探讨，为开发新一代的脑靶向黑磷基药物运输平台提供参考。