药物脑靶向给药方法的研究进展
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作者：范文源 作者单位：225321 江苏泰州，扬子江药业集团药物制剂新技术国家重点实验室 【摘要】 在文献调研分析的基础上，综合介绍近年来药物脑靶向给药的研究进展，为透过血-脑屏障的药物传递系统的研制提供参考。 【关键词】 脑靶向；血-脑屏障；转运载体；促渗剂 很多疾病如脑肿瘤、中枢神经系统感染、慢性疼痛、癫痫、周期性偏头痛、精神分裂症、阿尔茨海默症（早老性痴呆）、帕金森症、中风等需要药物传递到脑部发挥作用。但因为血脑屏障的存在，使很多药物不能在脑部达到有效治疗血药浓度，因此研究能突破血脑屏障的药物传递系统有很大的应用价值。本文就药物脑部给药的方法做一综述。 1 血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）的结构及功能 血脑屏障是脑与血液之间存在的一种生理屏障，它是一个介于血液与脑以及脊髓之间的，通透性较低的，有选择性通过能力的动态界面。现代研究认为其结构分为三部分：内层为脑微血管内皮细胞（BMECs）及细胞间的紧密连接，中间为基膜和周细胞，外层为星形胶质细胞和细胞外基质［1］。另外，血脑屏障上还存在一种叫做P糖蛋白（P-gp）的药物外排系统，它在生理状态下排出神经毒性产物或外源性物质如细胞毒药物，从而保护了脑实质。然而，在保护脑实质的同时，它也把一些神经药物排出脑外，对药物进入脑内发挥治疗作用构成了障碍［2］。血脑屏障的存在限制了极性分子与大分子的脑转运，它仅允许分子量小于500的且不是P-gp底物的非极性分子通过［2］。 脑正常功能所需要的小分子极性物质，可以通过内皮细胞上的特殊转运体主动转运通过血脑屏障，如转运葡萄糖的GLU-T，转运大的中性氨基酸的L-系统转运体等［3］。脑微血管内皮细胞腔侧的P-糖蛋白（P-gp）为能量依赖性的外排泵，主动排出多种外源性物质，对保护脑免受外源性物质侵害起重要作用。虽然脑微血管内皮细胞的胞饮作用、胞吞转运作用与周围内皮细胞相比非常弱，但它具有特殊的受体调节系统能够转运某些肽类物质和脂蛋白进入脑［4］。而脑微血管内皮细胞上的一些酶系统对保护和维持血脑屏障功能也起重要作用，如单胺氧化酶对确保CNS内突触功能不受微循环中神经刺激受体影响起着重要作用。由此可见，血脑屏障不仅仅是一个静态的解剖学概念，很大程度上也反映了其动态的功能组织学作用。寻找克服血脑屏障或促进药物透过血脑屏障的方法成为脑部疾病治疗中的关键。 2 促进药物透过血脑屏障的途径 目前神经系统给药方法主要有：全身给药，鞘内或脑室内注射及脑植入等。后两者技术要求高，造成的创伤大，易感染，并对脑有明显的侵害性；载体机制要求药物必须与载体的底物极相似，而底物数量有限，从而限制了其应用。而前者的局限主要在于：全身给药治疗时药物分布广泛易引起严重的毒性或不良反应；药物难以透过血脑屏障达到脑内有效治疗浓度。脑靶向给药（brain targeting delivery）是基于克服上述缺点而提出的新概念。 理想的脑靶向给药应具备定位蓄积、控释、无毒且可生物降解这三个要素，这也是近期脑部疾病给药系统研究的重点。 Lockman等［5］对现有的跨BBB策略进行了总结，如图1所示。脑靶向药物的转运途径有被动转运、特意载体通道和酶系统的激活、特异受体介导的转运（胞饮）、吸收介导的转运和抑制外排等［6］，采用对应措施可促使药物透过BBB实现脑靶向分布［7］。 Fig1 Strategies to increase CNS drug delivery 2.1 油酸 研究表明，10-6mol/L油酸颈内动脉注射，血脑屏障通透性无改变，而10-5mol/L浓度注射，可使注射大脑半球伊文思兰浓度增加10倍，90min后，血脑屏障通透性恢复正常。因此认为，油酸开放血脑屏障是可逆的，且存在剂量依赖性。油酸引起血脑屏障通透性的改变可能是由于脂与膜之间相互作用的结果［8］。 2.2 细菌葡萄糖肽 细菌葡萄糖肽是细菌细胞壁的一种成分，脑膜炎时存在于蛛网膜下腔的细菌葡萄糖肽可引起血脑屏障通透性增高。这种葡萄糖肽经静脉注射，亦可引起兔的血脑屏障通透性依赖于时间和剂量的可逆性增高，从而增加青霉素和MPI造影剂透过血脑屏障。研究表明，细菌葡萄糖肽通过增加跨膜细胞转运开放血脑屏障，不影响紧密连接，因而只能使相对分子量小的物质通透性增加［9］。 2.3 抗菌抗体 Tuomanen等研究表明，抗百日咳杆菌的丝状血凝素（FHA）单克隆抗体能剂量相关地诱导血脑屏障可逆性通透性增加，通过静脉给药途径，增加治疗性药物进入脑实质，其确切机制还不清楚，可能因为抗FHA抗体与存在于血管内皮上的CR3配体存在相似性，这种抗体与内皮上的配体相互作用，导致内皮细胞间紧密连接开放［10］。 2.4 鼻腔给药 鼻腔给药作为脑靶向给药的途径之一，可有效地使药物绕过血脑屏障，靶向递送到脑部，它是无损伤性地将药物导入脑脊液的有效途径。鼻腔给药可以通过直接通路和间接通路进入脑组织。直接通路包括：（1）嗅神经通路，大多数亲神经的病毒、金属离子（Al3+、Ca2+等）、甾体激素与蛋白质经嗅神经通路入脑。此通路特点为起效慢，最快1～2h，有的可长达24h；（2）嗅黏膜上皮通路，大多数的小分子药物如可卡因、利多卡因、多巴胺、头孢氨苄、5-氟尿嘧啶、胰岛素、舒血管肠肽等可通过鼻黏膜上皮吸收入脑。此通路特点为起效快，几分钟即可起效。间接通路包括：（1）血液循环通路。因为呼吸区黏膜含有丰富的毛细血管及血流丰富，所以药物分子可通过呼吸区黏膜吸收进入毛细血管从而进入血液循环；（2）其他通路，如淋巴系统、三叉神经、视神经等通路。低相对分子量亲脂性药物可从鼻腔经呼吸区入血透过血脑屏障进入CNS。龚志南等［11］探讨白芷乳剂鼻腔给药的可行性，研究发现白芷主要有效成分可透过血脑屏障，进入脑组织，白芷乳剂鼻腔给药具有一定的可行性。王晓梅等［12］人也研究了雌二醇鼻腔给药脑靶向制剂。 鼻腔给药存在的最大问题是大分子药物的吸收和鼻黏膜纤毛毒性，如何发现和选择低毒高效的吸收促进剂，减轻或消除药物及其附加剂的纤毛毒性是药学工作者的重要任务。由于鼻腔给药具有许多其他给药途径所无法比拟的优越性，该类制剂必将得到迅速发展。 2.5 联合用药 合用渗透促进剂开发血脑屏障，使活性药物入脑［13］。 2.5.1 合用高渗性物质 高渗溶液可通过收缩内皮细胞和短暂的破坏细胞间的紧密连接而转运入大脑。静脉注射甘露醇等可以暂时渗透性开放血脑屏障，血脑屏障开放程度主要取决于高渗溶液的浓度、注射时间和速度，这种开放是有时间性和可逆性的，当高渗药物作用消失后，血脑屏障即恢复原来的关闭状态。运用此技术要注意溶液浓度过高及作用时间过长易引起脑水肿等严重不良反应。 2.5.2 多药耐药性（MDR）逆转剂的合用 P-糖蛋白（P-gp）是由多药耐药基因编码的一个ATP依赖性的药物外排泵，首先在肿瘤细胞上发现，脑毛细血管内皮上的P-gp参与了血脑屏障的作用，可能在生理状态下作为一个外排泵，排出CNS的毒性产物或外源性物质如细胞毒药物，从而保护脑实质。P-gp在脑毛细血管内皮细胞高水平的表达和定位，对药物进入脑内发挥治疗作用是限制因素。因此，合理运用P-gp抑制剂，提高在正常情况下不能有效进入脑的药物的通透性，在治疗脑疾病如癫痫、脑肿瘤等是相当可取的。目前发现MDR逆转剂多为生物碱或天然产物，如环孢菌素、利血平、长春新碱、阿霉素等，钙离子拮抗剂和钙调蛋白抑制剂如维拉帕米、尼莫地平、硝苯地平等，还有内源性的甾体类物质如孕酮、睾酮等。MDR逆转剂不仅可以增加脑内的药物浓度，而且还可以改变药物在脑内的药物动力学参数。 2.6 利用血管活性物质 脑微血管内皮细胞（BMEC）拥有丰富的酶系统，但缺乏收缩蛋白，故正常生理状态下组胺、5-羟色胺、白三烯C4等血管活性物质较少影响血脑屏障，而病理状态下因BMEC酶系统活性改变，活性物质将影响BMEC，从而进一步影响血脑屏障的通透性。Cloughesy观察到白三烯C4、缓激肽、组胺能选择性的开放被肿瘤影响的血脑屏障，使其通透性增加，但他们开放血脑屏障的程度不同，缓激肽开放的血脑屏障能让大分子如右旋糖酐通过，白三烯C4开放仅能让小分子通过，提示血脑屏障的开放是经闭锁小带分开所致，RMP-7是一种缓激肽酶激动剂，它能通过激活内皮细胞上的B2受体而使血脑屏障安全有效地开放［14］。Sanovich的研究表明，RMP-7开放血脑屏障是短暂的和可逆的，停止用药数分钟，血脑屏障的屏障功能恢复正常，RMP-7在较低浓度（<17nmol/L）即能开放血脑屏障，开发程度与剂量相关。RMR27可增加水溶性物质如右旋糖酐和Carbopation的通透性，而不增加脂溶性物质如BCNU的通透性［15］。 2.7 利用化学传递系统 化学传递系统（CDS）是一种输送药物透过生理屏障到达靶部位，再经机体内生物转化释放药物的传递系统。其基本结构是药物与配体的复合体，这种复合体具有足够的亲脂性和一定的立体空间结构，能透过血脑屏障，转运入脑后即发生离子化，不能再透过血脑屏障返回体循环，接着进一步反应释放出活性药物和配体，达到脑内治疗的目的。目前CDS主要有两类：（1）对于一些亲水性的四噻唑类化合物可通过闭环反应键合到配体上。已有研究表明抗病毒药物、甾体化合物、多肽（脑啡肽、促甲状腺激素释放激素）、帕金森病的治疗药物（氨基酸拮抗剂、自由基清除剂）键合着甲酰胺基硫乙烯衍生物后可提高药物的脑内渗透性。（2）利用血脑屏障上的转运受体作为化学药物的靶点。这些受体主要有氨基酸转运载体、低密度脂蛋白载体、胆汁素转运载体等［16，17］。例如利用血脑屏障上L-谷氨酸盐转运载体，在药物分子键合上L-谷氨酸盐可实现药物的脑内转运。 2.8 应用前药系统 对药物进行化学修饰制成亲脂性前药是药化领域最早的研究思路。为了能使具有-OH、-NH2、-COOH结构的药物进入CNS，可采用酯化、酰胺化、氨基化、醚化、环化/开环化等化学方式进行修饰，以增加其亲脂性从而更易透过血脑屏障；一旦进入CNS，其亲脂性基团被水解而释放出有活性药物。化学给药系统可以归结为以下三种：（1）酶促物理化学脑药物靶向，通过系列代谢转化开发特异性位点的运输特性；（2）特异性位点处酶激活靶向，开发利用特定位点处所特有的或者较高活性的专一性酶；（3）营养受体介导的化学靶向，通过与靶向受体可逆性结合提高系统的选择性和活性。大脑神经系统药物的开发目前最常用的化学方法是通过酶促物理化学修饰合成具有良好渗透性的化合物。虽然合成了对靶向受体具有良好亲和力、良好脂溶性和相对分子质量较大（>500）的药物，但是大多数采用此方法的药物效果均较差［18］。 2.9 受体介导的转运途径 对血脑屏障上的内源性物质在体介导运输系统的基因进行分子克隆并进行功能性分析表明，大脑毛细血管内皮细胞具有多种膜运输机制。人们相继发现并克隆了血脑屏障上的氨基酸转运体LAT1、LAT2、CAT1和CAT2、单羧酸转运体（MCT1）、有机阳离子药物转运体（OCT）、核苷转运体（ENT）、肽转运体（HPT1）以及作为活性渗出转运体的P-糖肽［19］。另外，以聚合酶链反应（PCR）为基础的递减克隆底物抑制性杂交方法被用于从受试者cDNA来克隆血脑屏障特异性基因，发现了新的血脑屏障药物转运体，包括有机（器官）阴离子转运多肽类型2（Oatp2）和血脑屏障特异性阴离子转运体类型1（BSAT1）。 2.10 应用胶态给药系统 2.10.1 脂质体 脂质体作为药物或其他物质的载体，具有生物降解性和生物相容性。脂质体大脑内给药，可以产生脑靶向性［20］。脂质体通过延缓物质的代谢和清除，降低药物分布体积，有利于向病变组织分布，可提供持续的药物释放。鉴于脂质体本身特异性不强，要使其分布到特异性靶器官，就需在脂质体双层上挂上修饰剂，制成免疫脂质体。 2.10.2 微囊（微球） 对于大分子药物可采用微囊法。微囊所用的组织靶向聚合物应是水溶性的和非免疫原性的，并能生物降解。PLGA、海藻酸等可用于微囊材料。用氨甲酰甲胆碱（一种抗胆碱酯酶的人工胆碱）的聚核苷酸微球，对因损伤引起记忆减退的大鼠进行大脑内局部释药研究，发现植入10天后大鼠记忆里明显改善，并可持续40天［21］。 2.10.3 毫微囊（毫微球） 由载体材料携带药物而成的毫微囊静脉注射剂，是现今使用的有效靶向制剂之一。将银杏内酯包裹在聚丁基氰基丙烯酸正丁酯制得的胶体聚合物毫微粒的表面，能有效的达到脑部靶向［16］。 2.10.4 纳米粒［22，23］ 纳米粒是由聚合物或脂质组成的粒径在10～1000nm之间的聚合物胶体给药系统。与脂质体相比，纳米粒更易制备，稳定性更好。纳米粒载体技术的主要优势在于纳米粒能克服血脑屏障限制治疗药物的通过的特性，此外，这类给药系统还能延缓药物在脑内的释放，降低外周毒性。能运载中枢神经系统药物入脑并发挥作用的纳米粒子主要有以下几种类型:聚氰丙烯酸丁酯（polybutylcyanoacrylate, PBCA）纳米粒子、Pegylated聚乳酸（polylactide,PLA）或聚丙交酯合乙交酯（poly lactide-co-glycolide,PLGA）纳米粒子、微乳胶纳米粒子和脂质纳米粒等。纳米粒透血脑屏障的机制包括通过受体介导的脑毛细血管内皮细胞的吞饮作用和抑制P-gp。 3 研究脑靶向药物血脑屏障通透性的体内外方法 对现有药物的脑靶向给药策略和具体方法进行研究，并在众多新化合物中筛选有开发潜力的药物一直是研究人员致力于的重要领域。一些新的体内体外研究技术被引用到这一领域中来。 3.1 药物透过血脑屏障的在体研究 有单次经血给药后测定指示剂的扩散/稀释、脑摄入指数等，现代检测技术的发展为研究提供了强大支持。其缺点是一些摄取较慢的药物测定值不准确。多次给药法允许测定长时间暴露药物在脑的分布，静脉给药并采取微透析法测定时范例，这些技术均依赖于所用的模型，数据的分析方法（二室模型、三室模型等）在试验前即已选定，这样其结果就成为模型特异性结果，可能不能代表药物在体内的实际转运和代谢过程。最后，像原位灌流技术，是将脑组织置于生理缓冲液中进行灌流，需要严格控制温度、pH值等，以避免药物通过血脑屏障时被代谢，相对于单次和多次给药法来说，原位灌流通透系数测定法具有很高的灵敏度，其宽的检测范围对描述一些载体转运通过血脑屏障过程的特征提供了便利，其缺点是操作的复杂性和需要借助数学模型计算［18］。 3.2 药物透过血脑屏障的离体研究 由于在体研究存在耗费大，实验条件不易控制等原因，离体细胞的组织培养技术被人们广泛采用，细胞培养技术除了实验条件易于控制外，更有可提供更多有关转运体和药物动力学参数的信息，如载体的饱和性和特异性等。其缺点是一些在体组织特性的丢失和缺乏内源性因子和信号调节等。例如，体外培养可使一些基因如P-gp/MRP上调和下调等，影响了其结果与在体研究的相关性。 目前，应用最多的是血脑屏障内皮细胞培养技术。使用原代培养的大鼠、牛、猪等动物的脑毛细血管内皮细胞或细胞株，对一些药物通过血脑屏障的机制进行了深入研究。而内皮细胞与星形胶质细胞共培养技术，将胶质细胞与内皮细胞种在特殊透过膜的两侧进行共培养，通过膜的微孔两种细胞可以直接接触，弥补了单层内皮细胞的不足，为许多药物转运、代谢和药物间作用的研究和脑靶向药物筛选、给药策略研究提供了强有力的细胞水平的研究手段。 体外血脑屏障模型的建立方面，原代或传代次数少的内皮细胞尚能一定程度上保持体内血脑屏障的主要特性，如紧密连接和P-gp的表达等，但是由于数量有限，技术要求高而不能满足大规模高通量筛选需求。虽然人们在探索用一些不死细胞系和动物脑外血管内皮细胞或细胞系代替原代脑微血管内皮细胞，但多用于一些透血脑屏障机制研究，不能满意的用于药物筛选［24］。用于对候选药物的血脑屏障通透性进行预测的相对简单、可广泛使用的、强力的体外实验系统仍然是人们追求的目标。4 中药脑靶向分布及作用机制研究 国内研究者对中药通过血脑屏障进入脑组织情况进行了研究，发现一些中药化学成分可透过血脑屏障入脑。如在中药有效成分川芎嗪的研究方面，郭顺根等［25］采用同位素标记放射自显影法观察到川芎嗪进入体内后，可很快透过血脑屏障，并在大脑中达到高峰，推测川芎嗪可能通过改善脑循环调节心血管中枢而发挥疗效。 国内有关中药对血脑屏障的作用及对其他药物脑分布影响的研究，主要集中在一些芳香开窍类药物，如冰片、麝香、薄荷醇等。其中冰片对其他药物透过血脑屏障的影响受到人们的关注，如冰片可促进庆大霉素、磺胺嘧啶、顺铂透血脑屏障等。赵保胜等［26，27］深入研究了冰片促药物透血脑屏障作用的特点，结果发现冰片有促使生理及病理情况下脑微血管内皮细胞生成NO的作用，说明其促血脑屏障开放与内皮细胞生产NO量增多有一定关系。认为冰片诱导的血脑屏障开放为生理性开放。李璟翡等［28］进行麝香酮药代动力学研究发现麝香酮能很快透过血脑屏障进入脑组织。唐洪梅［29］实验研究石菖蒲治疗脑病的物质基础，发现榄香素、β-细辛醚、α-细辛醚等能透过大鼠血脑屏障发挥直接作用。 目前有关中药脑靶向分布的研究报道很少，研究中药对血脑屏障的影响及药物转运机制，对阐明中药作用原理、筛选有效药物、寻找有效促进等均有重要意义。5 展望 药物脑部给药系统研究已久，动物实验开展广泛，成果斐然，但临床应用报道极少。大脑和血脑屏障的生理研究还很不充分，所以目前的脑靶向研究仅仅基于理论基础。促渗剂的使用可能是一个较好的突破口，中药脑靶向的研究也为药物透过血脑屏障的方法提供新的思路。 【参考文献】 |