药物如何突破血脑屏障？这些方法或许可以！

血脑屏障(blood-brain barrier，BBB)是人体的血液与大脑之间的一种选择性阻止各种物质由血液进入大脑的屏障，其主要由脑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所构成，这些屏障能够严格控制特定营养物质（如氨基酸、葡萄糖、核苷和脂肪酸）并可以阻止有害物质由血液进入脑组织（图1）。

血脑屏障的强大保护能力不仅保障了人体最重要的器官之一——“大脑”的安全，还给一些中枢神经系统(central nervous system，CNS)的疾病治疗和药物开发带来了巨大的难度和挑战。

▲图1 血脑屏障示意图 [1]

一、突破血脑屏障进行治疗到底有多难？

对于小分子药物来讲，突破血脑屏障需要根据血脑屏障的特征经过改造优化来提高其渗透性。而对于单克隆抗体等大分子生物药来讲，突破血脑屏障进入脑部进行治疗可谓是难上加难。有研究证明，在治疗性抗体非肠道给药后，它们在大脑中的水平仅相当于血浆中水平的0.01-0.1%。

在Nature Reviews Drug Discovery杂志上公布的2019年全球十大畅销药物中，生物药占据其中的7个席位，然而这当中没有任何一个药物是针对中枢系统疾病的（图2）。因此，在中枢神经系统疾病领域，仍存在许多未满足的临床需求。比如，恶性程度最高的肿瘤之一——胶质母细胞瘤，中位总生存期只有14.6个月，中位无进展生存期仅有6.9个月，五年生存率小于5%，但目前仍无有效的治疗手段和药物，靶向PD-1和CTLA-4的单抗在脑胶质瘤中的临床试验结果也不佳，所以需要同时找到更好的靶点和开发更好的突破血脑屏障的手段才能达到更好的治疗效果。又比如在帕金森疾病的治疗中，患者脑的样本显示氧化还原酶，过氧化氢酶和超氧化物歧化酶以及其他抗氧化剂的含量降低，因此将过氧化氢酶递送至脑部可能对该疾病治疗有帮助，但是突破血脑屏障递送蛋白质也是难以实现的。

▲图2 2019年全球十大畅销药 [5]

因此，血脑屏障为中枢神经系统疾病的治疗带来了障碍，也是目前药物递送技术研发的重要领域。在这里，我们重点罗列和总结具有潜力的突破血脑屏障的药物递送手段（除侵入性手段外），希望能为中枢神经系统药物开发带来启示。

二、脑部药物递送手段

在BBB上，存在一些内源性的物质转运过程以供正常的物质转运使用，比如吸附介导的转胞吞作用、载体介导的转胞吞作用和受体介导的转胞吞作用(RMT)。其中，利用RMT途径进行药物开发已经得到了广泛的研究。

▲图3 穿过血脑屏障的生物转运机制 [1]

因此，寻找合适的受体是第一步，而优秀的受体需要满足在脑部血管内皮细胞的高度表达与在外周血管系统上的低表达。在过去的几十年里，科学家们难以找到符合上述条件的受体，只能退而求其次，满足第一个条件即可。

目前，科学家们已经找到了多种受体可供使用，如转铁蛋白受体(TfR)、胰岛素受体、低密度脂蛋白受体(LDLR)家族成员、黑素转铁蛋白(MTf)和CD98重链（CD98hc或称SLC3A2）。并且，科学家们基于这些受体，已经开发了多种能够与此类靶标结合的抗体疗法（改造抗体使其具有与上述受体结合的区域）和蛋白替代疗法（上述受体靶向区域与需替代蛋白共同构建融合蛋白），经改造的治疗药物可以与BBB表面特定受体结合，结合后通过受体介导的转胞吞作用，复合体分子穿过血管内皮细胞进入大脑发挥治疗作用。这也被认为是针对脑靶向药物递送最为成熟的策略之一，目前有多项临床试验对此策略进行验证（表1）。

表1 利用RMT途径进行脑部药物递送的临床试验 [1]

嗜神经病毒是一类对神经组织具有亲和力的病毒，其主要通过3种机制突破血脑屏障进入大脑，包括直接跨越BBB的胞吞作用、借助免疫细胞以跨越BBB和通过外周或感觉神经进入BBB（图4）。

▲图4 病毒进入中枢神经系统的方式 [1]

多种病毒载体以及病毒样载体，如腺相关病毒(AAV)、慢病毒、单纯疱疹病毒(HSV)和病毒样颗粒(VLP)等，已经成为了基因治疗的主要运载工具。这些载体也在诸多临床前研究中的中枢神经系统疾病模型中表现出突破BBB以进行治疗的能力，且耐受性良好，因此其可作为突破血脑屏障以进行脑部基因治疗的潜在载体，目前也有数个临床试验正在进行中（表2）。

表2 利用嗜神经病毒进行脑部药物递送的临床试验 [1]

目前，使用嗜神经病毒进行脑部药物递送尚处于起步阶段，还有诸多考虑因素值得探讨。首先在治疗中，这些病毒不仅会对脑部具有靶向能力，对其它部位如肝脏、心脏和骨骼肌等也具有感染能力，因此在大脑的感染率可能仍不高（一项研究报道AAV9在非人类灵长类动物种的感染率仅有2%），靶向能力亟待提高。另外，靶向能力不足随即带来了另一个问题，即在治疗中有可能需要高剂量的病毒载体才能穿过患者的血脑屏障，这不仅会带来更高的毒性风险，也给生产与制造带来了挑战；其次，病毒本身具有免疫原性，这也会带来自身免疫的风险；最后，病毒携带的payload具有大小的限制，比如AAV的装载量被限制在4.7kb。因此，还需要更多的研究和进一步的改造提升运载效率和靶向能力，来提高治疗效果，避免副作用的发生。

纳米颗粒系统包含多种载体，例如脂质体、聚合物纳米颗粒和固体脂质纳米颗粒(SLNP)，它们在尺寸（通常直径为10-300nm）、化学成分和表面特性存在区别，但在中风、阿尔茨海默病或帕金森病等疾病模型的体内研究中通常使用直径为50-200nm的纳米颗粒。目前，只有少数获得批准的基于纳米颗粒的疗法和技术，如使用LNP递送mRNA新冠疫苗，但目前尚无中枢神经系统治疗相关的应用。

在早期的脑部肿瘤的治疗研究中，即使是非靶向的纳米颗粒表现出不错的临床应用潜力，但由于脑部肿瘤患者的BBB通常会受到一定的破坏从而增加了脑部暴露，并且研究证明非靶向纳米颗粒穿过完整BBB的能力是十分有限的，因此将纳米颗粒用于其他CNS疾病的治疗需要提高其脑靶向的能力。

目前，一些靶向脑部的纳米颗粒开发与设计策略取得了一定的进展（图5）。首先，谷胱甘肽(GSH)-聚乙二醇(PEG)脂质体（其中GSH用于靶向BBB中的GSH转运蛋白）的有效脑靶向已在几项临床前研究中得到证实。在I/II期试验(NCT01386580)中，使用GSH-PEG脂质体装载多柔比星作为治疗药物对28名脑癌患者进行静脉内给药，发现安全性良好且耐受，具有抗肿瘤活性的初步迹象。静脉注射封装在GSH-PEG脂质体中的抗病毒药物利巴韦林导致脑微透析液中游离利巴韦林水平增加了4倍。另外，表面装载PEG和B6（作为转铁蛋白替代物的肽）的荧光标记聚[乳酸-乙醇酸](PLGA)纳米颗粒、表面装载Seq12（一种促进BBB渗透的肽）的聚酯-PEG共聚物纳米颗粒与表面装载聚山梨醇酯80的SLNP也分别在阿尔兹海默症、脑部肿瘤以及动物模型中进行了验证。

在靶向中枢神经系统的纳米颗粒药物开发中，仍存在一些问题需要思考和进一步探究验证。首先，纳米颗粒的内在特性，如尺寸、表面电荷、稳定性、组织分布和药代动力学等因素会影响纳米颗粒进入吞噬细胞的摄取，从而阻止进入中枢神经系统，并且研究表明只有一小部分纳米粒子在注射后可以完整的到达大脑，大部分通过单核吞噬细胞系统从循环中清除和在循环过程中破坏。另外，从生产与制造的角度来看，纳米颗粒的长期稳定性对于确保治疗性纳米颗粒制剂具有足够长的保质期也是至关重要的。总之，纳米颗粒在CNS疾病中的应用还有很长的路要走。

▲图5 纳米颗粒的种类、表面特性和改造方式 [1]

外泌体(exosomes)是细胞自体分泌的一种细胞外囊泡，其直径在30-150nm之间。外泌体在体内广泛存在，并且具有参与体内物质运输的重要功能（图6），这种特性也赋予了其在疾病治疗中的潜力，尤其在药物递送载体领域备受关注。

▲图6 外泌体的功能[6]

未经修饰和靶向性改造的外泌体对脑部的靶向能力也是较低的。有研究表明，在动物模型中，非靶向外泌体仅有0.5%可以到达大脑进行治疗，但已经表现出对疾病的治疗作用。经过表面修饰和改造的外泌体可大幅提升大脑对外泌体的摄取，常见的修饰为将RVG肽（可靶向脑部的烟碱型乙酰胆碱受体的α7亚基）融合表达在外泌体上的Lamp2b蛋白上来实现脑部的靶向性。

外泌体还存在一个重要的特性——归巢特性，具体到中枢神经系统来讲，来源于神经细胞的外泌体经过体内的循坏，会倾向于回到脑部，这也为外泌体的脑部靶向提供了另外的思路。Aruna Bio是一家致力于开发神经外泌体治疗平台的公司，该公司利用专有的非转化神经干细胞来源的外泌体AB126作为治疗药物或者递送载体，突破血脑屏障到达大脑，治疗中枢神经系统疾病（图7）。

▲图7 Aruna Bio产品管线 [8]

除了以上特性，它还具有免疫原性低、毒性小、可递送物质类型丰富、稳定性高和容易进行修饰和改造等优势，并在多个研究团队和企业中进行了概念验证和临床开发（图8）。当然，在外泌体药物递送领域，也存在一些亟待解决的问题。首先，外泌体行业尚处于起步阶段，技术尚未成熟，缺乏一致认可的行业标准及质控体系；其次，外泌体在大规模的生产和制造上还存在挑战，主要在均匀性和高纯度难以保证、生物活性和具体效价难以评判等方面；最后，由于外泌体是细胞分泌的天然产物，所以其内部自然也包含了一些内在分泌的物质，因此在临床中使用的安全性还有待确认。

▲图8 外泌体作为药物递送载体的优势 [9]

三、总结

中枢神经系统疾病治疗领域还有着极大的未被满足的临床需求，其中一个重要原因在于突破血脑屏障的难度较大，尤其体现在生物制药领域，如大分子抗体、RNA疗法、基因疗法等。以受体介导的转胞吞作用为基本原理出现的药物改造方式、嗜神经病毒介导的转运、纳米颗粒和外泌体等都为跨越血脑屏障提供了解决方案，目前正在多项临床试验中进行评估，期待这些技术支撑下的临床产品最终能够问世，走向市场，使患者受益。

【参考文献】