曹 意，蒋 晨

(复旦大学 药学院， 上海 201203)

引言

中枢神经系统(central nervous system，CNS)相关疾病的发病率随着人口老龄化而逐渐增加，然而相关治疗技术的进展却十分缓慢。一方面，是由于CNS相关疾病的发病机制尚未完全阐明；另一方面，则是由于跨越血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)药物递送的复杂性：大脑中神经元信号传递均通过复杂的突触连接网络发生，其准确性在很大程度上依赖于脑内精细微环境的稳态，而BBB在这一环节中起着至关重要的作用。

BBB的内皮细胞间存在一系列的紧密连接(tight junctions, TJs)与黏附连接，因而与其他组织的内皮细胞相比，此处缺乏允许物质自由扩散的跨膜小孔，因而细胞间通透性明显降低；该屏障的通透性受紧密连接和黏附连接等连接以及星形胶质细胞(astrocytes)、周细胞(pericytes)、血管内皮细胞(vascular endothelial cells)、神经元(neurons)、小胶质细胞(microglia)等几种细胞的控制，TJs在脑内的表达明显强于外周组织；同时，由于脑毛细血管被周细胞和星形胶质细胞包裹，内皮细胞之间存在高电阻，只有水、部分气体及脂溶性化合物等小分子才能经被动扩散途径穿越BBB，而具有高电荷、极性和亲水性的大分子(如葡萄糖、氨基酸和大多数药物)的运输则必须经主动运输途径并依赖特定的跨膜转运蛋白才能进入脑内。除了上述“物理屏障”，BBB还具有明显高于外周组织的外排转运蛋白、高度特化的神经血管单元及酶系，分别形成“运输屏障”、“免疫屏障”和“代谢屏障”。上述因素均使药物跨越BBB受到极大的限制，这也使脑靶向药物递送成为了一项极具挑战性的工作。

为了有效地将药物递送入脑部，研究人员目前已经开发了多种策略，包括对药物本身及其前药进行化学修饰、暂时开放紧密连接、神经外科手术介入及NPs介导的药物递送等。然而，通过改变渗透压、形成微泡及超声波暂时开放紧密连接均存在较大风险：它们可能破坏BBB的完整性，并在开放紧密连接的过程中导致药物与血液中其他分子及毒素非特异性地进入中枢神经系统。

相比上述侵入式治疗手段，纳米颗粒(nanoparticles，NPs)辅助跨越BBB的药物传递是一种相对有效而又安全温和的手段。第一种将药物运送到脑部的NPs是六肽达拉精 (Tyr-D-Ala-Gly-Phe-Leu-Arg)[1]。发展至今，经NPs载体递送的药物已涵盖肽[2]、蛋白质[3]、核酸[4]、抗体[5]、抗逆转录病毒药物[6]等多个门类。总体而言，NPs给药具有许多优点，主要包括无创、低成本，具有良好的生物降解性和长期稳定性，易于合成且靶向效率高，同时具有载药和释药的高度可控性[7-8]，因而在脑靶向药物递送领域具有令人兴奋的应用前景。

理解脑靶向药物递送的关键点有两个，一是剖析靶标(作用对象)，二是操控药物及对应载体(作用方式)。基于这一思路，下文即从BBB基本的生理结构出发，探讨跨越BBB的难点；接着阐述NPs主要类型及自身特性，挖掘应用NPs进行脑部递药的可能途径，并对用于脑靶向递药的NPs的主要类型及具体递药策略进行详细的探讨。

1 BBB基本结构及功能

BBB是大脑维持正常功能不可或缺的生理屏障，它能将脑内毛细血管与组织细胞有效分隔，并通过严格限制各类化合物进出、阻止有害化合物从血液入脑来维持CNS的稳态，而这一屏障功能与BBB的生理结构及其分子组成密切相关。BBB由内向外依次由脑内皮细胞、高度特化的基底膜、大量嵌入基底膜的周细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞(图中未标出)组成(图1)。其中，内皮细胞为BBB的核心组成结构，其细胞连接可根据分子特征分为紧密连接和黏附连接两种类型。BBB的结构完整性由黏附连接维持，它由血管内皮、钙黏蛋白、肌动蛋白和连环蛋白组成。而BBB的主要功能则是由紧密连接维持的，它们主要负责通过BBB的渗透性。BBB的紧密连接主要由3种整合膜蛋白组成：封闭蛋白(occludin)、克劳丁(claudin)和连接黏附分子。除此之外，BBB 中还存在细胞质辅助蛋白，如封闭带(zonula occludens, ZO1、ZO2、ZO3等)、扣带蛋白(cingulin)等。成人的BBB 由复杂的蜂窝状网络组成，该系统的主要成分是脑内皮细胞、高度特化的基底膜、大量嵌入基底膜的周细胞和星形胶质细胞周足(图 1)。星形胶质细胞可以通过多种方式调节 BBB 功能：(i) 通过强化紧密连接调节“物理屏障”；(ii) 通过转运蛋白的表达和极化调节“运输屏障”；(iii) 通过专门的酶系统调节“代谢屏障”。周细胞参与调节内皮细胞中BBB特异性基因的表达模式并诱导星形胶质细胞末端的极化。

图1 血脑屏障的组成及基本结构Fig 1 The composition and basic structure of blood-brain barrier

BBB在发挥正常生理功能、保护脑内微环境稳态的同时，也给靶向脑部的药物递送造成了困难。如上文所述，BBB内的各类细胞构成了多重实体屏障层，而它们又凭借其独特的生理结构和分子组成，形成了一系列功能性屏障层：1)紧密连接、黏附链接、间隙连接通过减少离子和其他亲水性溶质经细胞旁通路的渗透，形成“物理屏障”。2)在脑血管内皮细胞表面存在一系列膜转运蛋白，参与脑部营养物质(包括葡萄糖和氨基酸)的运输和代谢废物的清除，ATP-盒式转运蛋白(ATP-binding cassette)则介导许多潜在毒物(包括亲脂性化合物)的主动外排，形成“运输屏障”。囊泡主要通过吸附和受体介导的转胞吞作用调节某些较大分子(包括肽和蛋白质)的转移。载体和囊泡系统的结合有助于运输屏障的功能行使。3)细胞内外酶的“代谢屏障”能进一步增强对脑部的保护水平，在运输过程中及时代谢干扰性及毒性化合物。4)同时，内皮细胞和神经血管单元(neurovascular unit)的其他元素的特化还有助于调节血源性白细胞的流动，从而形成“免疫屏障”。上述多种屏障的存在使脑靶向药物递释面临严峻的挑战，而NPs的出现和逐步发展则为跨越这些屏障带来了巨大的机遇。

2 纳米材料载体类型

NPs具有粒径小、可改造性强的特征，有助于提高药物生物利用度和稳定性，促进靶位的药物浓集，减少外周毒素的释放。同时，由于NPs在形状、大小、疏水性、涂层、化学和表面电荷方面均具有高度的可调节性，基于上述特征的修饰与调控有助于进一步提升 NPs 的靶向性能，使其包载的药物在血液循环过程中高度稳定，而达到药物递送区域时能够精准、迅速释放药物；同时，NPs还有望进一步提高 BBB 的渗透效率，帮助递药系统逃离网状内皮系统的监视[9-10]。目前用于脑靶向递送系统的NPs可根据化学组成及结构分为3种主要的类型：聚合物型、仿生型和无机型。下文将就这3类NPs的结构及功能进行重点阐述。

2.1 聚合物型(polymeric-based)NPs

聚合物NPs在跨越BBB递药方面有较为明显的优势，它们通过静电力或共价结合的方式与药物相互作用，将药物包裹于聚合物内核或镶嵌于聚合物内部，从而增强药物稳定性，延长药物在体内循环时间，减少体内药物的酶促和水解反应(即前面所述的“代谢屏障”)，提高药物的生物利用度[11]。最重要的是，利用恰当修饰的聚合物NPs包载药物，可以促进药物在脑部的靶向浓集[12]。聚(丙交酯-共-乙醇酸)(PLGA)、聚乙二醇(PEG)和聚乳酸(PLA)是3种常见的基于聚合物的载体[13]。其中，PLGA NPs具有低毒、高生物相容性和高度可控的药物释放等优点[14]。此外，PLGA NPs可以避免药物溶解性不良和BBB非特异性吸收的问题。例如，Ghosh 等人已经证明了PLGA NPs 跨越 BBB的运输用于治疗神经胶质瘤的可行性，并且实现了理想的药物溶解度和递释途径特异性[15]。在其实验中，一种针对生长抑素受体 2 (somatostatin receptor 2)的新型合成肽共价结合于PLGA NPs上，进一步提高了 NPs的转运效率。结果表明，该系统有助于药物进入胶质瘤内部并成功诱导细胞凋亡。PEG和PLA NPs具有优异的生物相容性，因而这类载体可以降低药物的细胞毒性[16]。此外，可生物降解的PEG和PLA通常包覆在NPs表面作为“守门(gatekeeping)”层，从而实现药物控释。例如，Shen等人利用PLA作为活性氧(ROS)响应性“守门人(gatekeeper)”涂覆于介孔二氧化硅NPs表面，可以改善高氧化应激下的药物释放[13]。经多层PEG包载的药物可以使NPs在脑部被动扩散，且PEG 具有较低的网状内皮系统吸收，可以减慢 PEG NPs 的体内清除速率[17]。因此，PEG常用于修饰聚合物载体以增加它们在系统中的循环时间，并在脑部实现高效渗透和更高的积累。研究人员利用 PEG 的这些特性，尝试在 Au NPs 表面用PEG进行修饰：PEG的生物稳定性和生物相容性使NPs能在生理条件下于较长时间段内在 BBB 两侧进行物质交换，从而促进药物在脑内积聚。此外，在脑胶质瘤的治疗层面，利用癌细胞对酸不稳定的特性，聚合物NPs还可以快速溶解于脑肿瘤细胞并在癌症区域释放药物[18]。

尽管聚合物 NPs 在脑靶向药物递送中发挥了不可或缺的作用，但一些问题仍限制了其进一步发展，人们也迫切地寻找着相应的替代方案。目前亟待解决的问题主要与聚合物NPs的载药性能有关：传统的线性聚合物与BBB的相互作用位点相对较少，同时也缺乏特定的、大容量的载药区。一些具有大比表面积的聚合物 NPs因能够与药物产生较强的吸附作用，在载药方面具有独特的优势，因而逐渐被用于跨越 BBB 的药物递送。例如，树枝状聚合物是一种特殊的可拉伸聚合物，有助于人们精确控制其结构。与传统的线性聚合物相比，大量可控的官能团均可结合于树枝状聚合物NPs表面[19]，提高聚合物的生物相容性、BBB 穿透能力、信号响应性和肿瘤靶向特性。例如，利用4-[2-[[6-氨基-9-(N-乙基-β-d-呋喃糖胺基)-9H-2-嘌呤]氨基]乙基]苯丙酸盐酸盐(CGS) 可以激活A2A腺苷受体，暂时增加脑毛细血管内皮细胞之间的细胞间隙，从而使更多的NPs跨越BBB扩散到脑侧。此外，研究表明，增加树枝状聚合物的生成有助于延长递药系统血液循环时间并增加其在脑部创伤区的积聚[20]。然而，这些载体的一个潜在缺点是，如果不将其与荧光染料结合，就无法监测大多数聚合物NPs在细胞中的位置。因此，聚合物NPs需要复杂的合成过程来连接荧光染料示踪分子。近期，研究人员开发了一种基于聚[三苯胺-4-乙烯基-(P甲氧基-苯)] (TEB)的新型荧光聚合物NPs，避免了复杂的染料示踪方法。此外，当用不同的配体(如转铁蛋白、乳铁蛋白和脂蛋白)修饰这类NPs之后，可观察到其穿透BBB的效果得到了明显改善[21]。

2.2 仿生型(biomimetic-based)NPs

用于药物递送的NPs常具有外源性，这使其极易被免疫系统识别，进而激活下游的一系列免疫反应，并很快经肝肾清除。这也是导致部分NPs递药效果不甚理想的主要原因。因此，仿生 NPs递药系统的设计愈发受到关注。这类NPs可以准确识别并靶向配体，同时材料的仿生性给予其良好的生物稳定性，使其能长期参与血液循环且不易被降解[22]。例如，壳聚糖是一种典型的仿生型NPs材料，它通过部分脱乙酰作用从几丁质中提取，具备良好的生物相容性、生物可降解性，能够有效开放细胞紧密连接，同时仅有极小的免疫原性，这使得它被广泛用于仿生药物的载体[23]。此外，一些天然囊泡(由生物膜形成)，如脂质体、外泌体、红细胞膜或白细胞样(leuko-like)包被的纳米颗粒，作为重要的仿生纳米颗粒在脑靶向药物递送领域也受到了很高的关注[24]。上述材料普遍具有磷脂双分子层结构，而这也是其高生物相容性的关键。此外，多功能或自组装蛋白质(如常用的转铁蛋白)也用于形成仿生纳米囊泡用于药物递送[25]。基于蛋白修饰的纳米材料也可增强细胞对药物的吸收，并具有许多其他优点，例如无毒、可生物降解、无抗原性、易于表面修饰等[26]。这些特性使基于蛋白修饰的NPs有潜力突破目前NPs递药系统的局限：利用特定功能的蛋白或多肽对仿生NPs进行修饰，有助于进一步提升递药系统的靶向特异性，增强治疗效果，为目前经静脉注射仍无法穿透 BBB 的药物递送带来转机[27]。除了用蛋白修饰NPs，病毒样 NPs(VLPs)是一种经几类病毒自组装形成的非感染性衣壳蛋白 NPs，已被作为疫苗和药物递送候选物[28]。在此情形下，衣壳蛋白为封装于其中的药物提供了“特洛伊木马(Trojan horse)”策略。Anand等人将工程化VLPs(作为纳米载体)用于跨BBB转运，他们选择鼠伤寒沙门氏菌噬菌体P22衣壳作为前体，将镇痛海螺肽齐考诺肽转运到体外，通过内吞策略成功跨越了BBB 模型[29]。

2.3 无机型(inorganic-based)NPs

无机NPs具有很高的稳定性，通过控制材料和尺寸还能灵活调节其物理化学特性，使它在脑靶向药物递送方面有相对于聚合物和仿生NPs的独特优势[30]。如今，具有不同结构的多功能无机基纳米颗粒已得到了广泛的研究[31]。人们可以较为简便地使用聚合物或特定配体修饰基于无机材料的NPs，以促进药物跨越BBB。二氧化硅纳米粒子(Si NPs)成本相对较低，生物相容性好，质量可控[32]，已被美国食品和药物管理局(FDA)批准为食品添加剂[33]。研究人员用乳铁蛋白(Lf)修饰Si NPs并研究其在BBB模型中的粒径依赖性递送效率[34]，同时将PEG结合在Si NPs表面用于减少蛋白质吸附。与裸露的Si NP 相比，这种Lf修饰的Si NP提高了药物穿透BBB的效率，其中，直径为25 nm的NPs具有最高的传输效率，几乎是裸露Si NPs的4倍[35]。介孔Si NPs(mesoporous silica nanoparticles，MSN)作为多孔硅基材料，也广泛用于药物递送系统：它们不仅沿袭了传统Si NPs优良的生物相容性，而且还具有高比表面积[36]，例如，Kuang等人研究了一种基于MSN的药物递送系统，用于神经胶质瘤的治疗[37]。金纳米材料是另一种可用于药物递送且具有巨大潜力的无机材料：作为理想的光热疗法候选材料，一些特殊的 Au NPs可以很好地吸收近红外波段(NIR)的激光，从而在NIR的照射条件下将光能充分转化为热能，通过病灶局部放热达到相应的治疗效果。Yin 等人使用基于Au的NPs来分离纤维状Aβ(阿尔茨海默病的关键因素之一)[38]，结果表明，基于Au的NPs在NIR照射下能够有效解离Aβ原纤维。此外，银和二氧化钛NPs也可被用于穿过BBB[39]。

3 脑靶向递药策略

3.1 细胞旁通路(paracellular pathway)和被动跨膜扩散

内皮细胞之间的紧密连接严重限制了亲水性分子的细胞旁通路。因此，大多数分子必须通过跨细胞途径才能穿过BBB。 然而，只有分子质量低于400 u且氢键少于 8 个的小亲脂性分子或小气体分子(如 CO2或O2)才能通过跨膜扩散自由扩散通过BBB。此外，BBB内皮细胞的胞饮作用较弱，进一步抑制了分子向脑部的转运。由于小粒径和亲脂性在参与血液循环及脑部运输的物质中均相对少见，目前已知的经该转运机制运输入脑的物质并不多，这也限制了经该途径介导的脑靶向递药系统的设计和发展。

3.2 吸附作用介导的转胞吞作用(adsorptive-mediated transcytosis，AMT)

AMT由带正电配体与带负电细胞膜之间的静电相互作用引发，经依赖网格蛋白(clathrin)的内吞作用介导，从血液单向转运入脑。吸附作用介导的转胞吞作用的起始步骤是通过内吞作用摄取 NPs。细胞的内吞作用分两步进行：第一步，使NPs粘附于细胞膜上；第二步，通过主动耗能途径将NPs转运至细胞内。由此可见，NPs对细胞的粘附是胞吞作用顺利进行的前提，即细胞摄取水平受NPs与细胞膜之间初始亲和力的影响。在生理环境中，由于质膜上含唾液酸的糖蛋白的羧基和硫酸乙酰肝素蛋白聚糖的硫酸基呈极化分布，脑内皮细胞内外表面带有负电荷。由于静电相互作用，一些阳离子分子(如阳离子化白蛋白和麦胚凝集素)可能对内皮细胞表面的阴离子位点具有相对强的结合亲和力。基于此，人们设计和开发了各种药物递送系统，通过与表面带阳离子的分子(如壳聚糖[40])和白蛋白[41-42]结合，或以带阳离子的聚合物为核心[43-44]负载各种药物，从而使药物转运入脑。一些阳离子分子如细胞穿膜肽(cell-penetrating peptide, CPP)[45]和单克隆抗体[40]不仅可以使聚合物带正电荷，同时还可以产生其他功效，参与其他跨 BBB 的转运过程。聚(丙烯亚胺)(PPI)和聚(乙烯亚胺)(PEI)是阳离子聚合物的两个例子，它们能够通过离子相互作用来缩合核酸，还能够利用质子缓冲能力从内体(endosomes)中逃逸，从而有效地将基因递送入细胞核[43]。上述药物载体的内吞作用即是通过 AMT 完成的。

除了考虑阳离子聚合物核心结构，还可以将一些带正电荷的多糖对聚合物进行修饰，从而增强 AMT 过程，提高药物穿透BBB的效率。未经修饰的两亲性聚合物中阴离子 PEG 层的屏蔽作用可能会削弱该系统穿透BBB的效果。因而，通过包裹低聚糖层有利于解除上述屏蔽作用，提升这类聚合物跨越 BBB 的能力[43]。研究表明，麦芽糊精NPs能够在内吞作用的早期阶段与细胞膜的阴离子位点结合，并通过胆固醇依赖的胞吐作用过程成功穿透BBB[46]。另一种多糖——壳聚糖也可用于增加与细胞表面的静电相互作用。壳聚糖具有良好的生物相容性、可降解性及低毒性，它具有较强的细胞旁路通透性和黏膜粘附能力，最重要的是，它具备聚阳离子性质，是一种极具前景的载药基质[40]。同样，阳离子化白蛋白是细胞增殖的重要营养来源，可以制备为阳离子化白蛋白NPs[47]或用作构建NPs球壳表面的材料[41，48-49]，以提高细胞摄取和内皮跨越效率[49-50]。表1 列举了可用于基于AMT的药物递送系统的主要NPs。

此外，在开发穿越BBB的载体时，我们不能仅考虑药物递送系统的zeta电位，药物载体的脂溶性也是增强AMT的重要因素，因为内皮的脂质膜结构为脂溶性药物提供了有效扩散途径[51]。基于此，固态脂质NPs(solid lipid nanoparticles，SLNs)[50]由于其具有良好的脂溶性以及可携带阳离子的表面，同时又具有良好的生物相容性、降解性及低毒性，并拥有更小的粒径，使其已被广泛用于穿越 BBB的递药系统。研究表明，在SLNs表面修饰牛血清白蛋白阳离子后，药物摄取和递送的速度能够提高至与载体介导及受体介导的递药策略相近的水平[50]。

然而，表面带正电荷的NPs在很多情况下并不适用于跨越 BBB 的药物递送系统：阳离子与细胞正常的生物膜表面相互作用时，可能对其产生一定的损伤，从而产生比中性表面更高的细胞毒性[41,55]。考虑到药物本身具有相对较高的细胞毒性，正电荷纳米颗粒的毒性可能是由较高的细胞摄取量和载体中的药物释放所致。除此之外，AMT的静电相互作用是非特异性的，NPs可能会在体内随机分布并极易被其他网状内皮系统(如肺和肝脏)识别并捕获，导致药物在脑部的积累量降低，同时还易加剧对外周的毒副作用。同时，与受体介导的药物递送系统相比，AMT中纳米颗粒与细胞膜的亲和力也相对较低，这也是其在药物递送效率和特异性方面的局限性所在。

3.3 载体介导的转胞吞作用(carrier-mediated transcytosis，CMT)

CMT也是脑内最常见的物质运输机制之一。机体为了保证能将特定分子(如营养物质或氨基酸)转运到大脑，在脑内皮细胞的腔内和基底外侧均有相关的特异性转运蛋白表达。根据BBB中的转运体转运的方向及底物的差异，大致可将CMT分为3类转运模式：1)从血液入脑的泵入系统(influx transport system)，该系统参与脑部必需营养物质的运输，包括葡萄糖、氨基酸和核苷酸；2)药物外排泵(efflux pump)，该系统将外源性物质泵出到循环血液，防止它们进入大脑；3)从脑部入血的外排系统(efflux transport system)，该系统主要用于清除脑间质液中的代谢废物和神经毒性化合物。这些系统通过协调运行，共同发挥支持、保护 CNS的作用。其中，泵入系统能为脑靶向药物的递送创造机遇：首先，通过模拟对转运蛋白具有高亲和力的营养类似物，明确所要设计及合成的新分子的结构；然后，将这些分子设计为结合在药物载体表面的高亲和力配体，进而操控载体介导的胞吞作用，实现 BBB的跨越。 然而，这种方法高度依赖于精细设计的药物结构，简单地将药物与另一种营养类似物分子偶联并不能直接引发载体介导的胞吞作用。有研究经己糖相关转运蛋白介导的途径，成功实现药物对 BBB 的跨越，从而引起了人们的关注。表2列出了使用载体介导的胞吞作用设计的药物递送系统。

葡萄糖是哺乳动物大脑代谢的主要能量来源，可经葡萄糖转运蛋白(glucose transporter，GLUT) 跨越BBB。葡萄糖不能由大脑神经元直接合成，而大脑却会消耗大量的葡萄糖(约占全身的 30%)[71]。为了确保脑部能量供应，BBB处葡萄糖转运蛋白的密度相对较高，GLUT1在BBB的内皮细胞中以糖基化形式高度表达[72]。前面提到，通过己糖转运蛋白穿越BBB具有可行性：研究人员将对氨基苯基-α-D-吡喃甘露糖苷(葡萄糖衍生物)[57-58]结合于脂质体表面， 从而探究其跨越BBB的潜力。结果表明，细胞摄取在C6神经胶质瘤细胞和GLUT1及GLUT3过表达细胞中得到增强[57]。尽管经CMT递送的药物分子量一般不大，但也有研究发现，分子量相对较大的葡萄糖衍生物仍然能够穿过血脑屏障。Wu等[61-63]合成了一系列胆固醇的糖基衍生物， 使葡萄糖和胆固醇侧链与PEG骨架结合。这些衍生物作为脂质材料形成用于脑靶向的脂质体药物递送系统，都显示出增强跨内皮能力的潜力。其中，中等链长的PEG衍生物具有最强的大脑递送能力。

表1 基于AMT的纳米材料给药系统Table 1 AMT-based NPs drug delivery systems

表2 基于CMT的纳米材料给药系统及其对BBB和脑部的影响Table 2 CMT-based NPs drug delivery systems

另一个载体介导转运的例子是苯丙氨酸经1型大型中性氨基酸转运蛋白 (large neutral amino-acid transporter type 1，LAT1) 的转运。LAT1在BBB的管腔和离体膜侧丰富且选择性表达，显示出比外周组织更高的底物亲和力，并在胶质母细胞瘤细胞中过表达。上述特性均可指导LAT1 介导的靶向药物递释系统的设计，NPs表面用LAT1特异性配体进行修饰，有助于药物在脑部及神经胶质瘤部位的积聚。此外，运输短链单羧酸(如乙酸)的单羧酸转运系统(monocarboxylic acid transport system，MCT)对于脑内代谢也至关重要。MCT1是一种乳酸和其他单羧酸化合物的双向转运蛋白，在脑毛细血管内皮细胞的管腔和管腔外膜上均得到鉴定。目前已有许多关于操纵这些载体以设计跨越BBB的新型药物载体研究。氨基酸及其衍生物，如苯丙氨酸和色氨酸衍生物及谷胱甘肽结合于SLNs[65]、Pluronic F127共聚物NPs[64]和PLGA NPs[66-68]表面，分别用于研究 BBB 通透性和脑部积累。β-羟基丁酸修饰[69]和乳酸修饰[70]SLNs也得以研发。与空白NPs相比，修饰后的NPs都具有更高的BBB 渗透率，并且在大脑中有更高的积累。

然而，当存在两种或多种营养素或其类似物时，营养物与其相应的类似物产生竞争效应，可能会影响药物经该运输途径的效率。例如，将2-脱氧-d-葡萄糖结合在聚乙二醇-共聚三亚甲基碳酸酯NPs(D-Glu NPs)上后，该递药系统呈现出良好的 BBB 穿透能力，并能在神经胶质瘤细胞中积聚；然而，随着葡萄糖浓度的升高，体外模型中药物的转运率和 D-Glu NPs的细胞摄取量均明显降低[56]。

3.4 受体介导的转胞吞作用(receptor-mediated transcytosis，RMT)

相比上文介绍的AMT， RMT对结合部位的特异性和亲和力都更强。这是由于经RMT介导的相互作用都具有高度选择性的靶标，这也就意味着配体和受体之间将具有更高的特异性和结合亲和力。RMT 始于配体与其受体的结合，接着是受体介导的内吞作用，使得配体偶联的药物载体能够进入细胞内部或跨细胞入脑。与AMT不同，RMT递送系统的表面无需带有正电荷，甚至可带中性或负电荷，从而避免了阳离子给细胞带来的巨大毒性。表3总结了基于 RMT 的NPs给药系统。

表3 基于 RMT 的纳米材料给药系统Table 3 RMT-based NPs drug delivery systems

根据配体类型和应用场景的不同，可将RMT的受体分为多个类别，如转铁蛋白(Tf)受体[53,82]、乳铁蛋白(Lf)受体[77]、胰岛素受体[81]、白蛋白结合蛋白[83]、低密度脂蛋白受体[78]和αvβ3和 αvβ5整联蛋白[79]。其中， Tf受体是一种跨膜糖蛋白， 负责通过Tf的胞内和胞吐作用摄取铁，在毛细血管内皮的腔膜中广泛表达[82]，在大脑的内皮细胞、上皮细胞、神经元和神经胶质细胞中均有分布[84]。基于此，转铁蛋白和转铁蛋白受体单克隆抗体(如 OX26、R17217 和 8D377)是最常用于穿过 BBB 的药物递送载体的配体。转铁蛋白相关配体可与各种载药基质结合，例如人血清白蛋白纳米颗粒74、聚乙二醇化脂质体75、聚乳酸 (PLA)-D-PEG83和PLGA[76]。这些载体均使得药物获得了更强的BBB穿透能力和更快的运输速度。然而，由于游离Tf也遵循RMT机制，药物递送过程将受到其竞争性抑制[82]。同时，Tf 受体并非单向跨越，它具备双向调节的机制。在脑部内皮细胞外膜上的 Tf 受体可以作为大脑中铁吸收和清除的“储库”和“调节器”，通过感知脑内铁浓度并调节管腔膜上 Tf 受体的表达及再循环率，从而相应地增减血液中铁-Tf的摄取[85]。当脑内铁浓度较高时，将对经Tf受体转运入脑的药物递送产生较强的抑制，甚至导致已入脑的药物反向泵出。

Lf是一种铁结合糖蛋白，是转铁蛋白家族的成员，也可用作转铁蛋白受体介导的转胞吞作用的配体[77]。与双向运输的Tf相比，Lf为单向运输，因而在药物递送方面可能更具优势。当与PEG结合的磁性纳米颗粒被Lf官能团化后注射到大鼠的血液中，在大脑中实现了更高对比度的血管磁共振成像，体现出Lf-Fe3O4NPs通过Lf受体介导途径穿过BBB的能力[77]。另外，胰岛素调节大脑中的葡萄糖代谢，其受体在脑血管内皮细胞表面也有大量分布[86]。Pardridge等报道，与使用转铁蛋白受体的配体相比，使用胰岛素受体的配体具有更高的转运功效[87]；然而Ulbrich等在比较负载胰岛素受体的人血清白蛋白NPs和转铁蛋白修饰的NPs或抗转铁蛋白受体单克隆抗体时，发现转运功效没有显著差异[81]。

尽管RMT具有特异性和高亲和力，但药物载体仍有可能与外周器官受体结合，造成不良反应。例如，与低分子量鱼精蛋白结合的白蛋白NPs的目标靶向为胶质瘤和肿瘤血管内皮的白蛋白结合蛋白(例如 SPARC 和 gp60)。然而，在其他网状内皮系统(如肺和肝脏)也能够检测到这种白蛋白标记的结合[83]。

此外，在药物载体系统中同时使用AMT和RMT对BBB的渗透性具有协同作用。例如，基于Pluronic的纳米载体[54]即被用于研究这种协同效应，用聚阳离子分子壳聚糖修饰来促进AMT，同时用狂犬病病毒糖蛋白RVG29(一种细胞穿膜肽，同时也是烟碱型乙酰胆碱受体的配体)对NPs表面进行修饰，并与单独配体修饰的组别进行对照，结果表明，带有RVG29和壳聚糖的纳米载体对BBB的渗透性最高，并渗透到大脑中[54]。

4 展望

目前涉及脑靶向纳米药物的临床试验已在广泛进行，基于NPs的给药系统领域目前已接近临床应用阶段。尽管近几十年来脑靶向NPs逐渐被人们接受并且取得了一系列技术突破，但靶向部位的局限性、较低的穿透效率、对BBB造成潜在损伤等问题，仍使NPs的进一步推广受到限制。研究人员正在提出多种策略，以期进一步提升脑靶向NPs递药系统的性能，主要包括以下方向：

多功能(multifunctional)NPs：为了应对生理、病理过程与药物复杂的相互作用所带来的挑战，NPs的设计与构架已经历了一系列革新。然而，一类NPs可以解决一种递送障碍，但却难以解决递送全过程中的多重困难。例如，用于脑胶质瘤治疗的药物递送NPs，各步骤中的体积和表面特性(包括全身转运、肿瘤定位、细胞摄取和有效药物释放)很多时候不能同时满足，甚至是相互矛盾的[88]。因而，通过对NPs表面进行多重修饰，使其在不同阶段、不同部位发生特异性响应，有助于解决多过程中面临的问题，从而使NPs实现更强的特异性及更高的递药效率。有研究基于谷胱甘肽响应自发荧光纳米凝胶、树枝状大分子介孔二氧化硅NPs和金NPs的组合，开发了一种可追踪与细胞内微环境响应的药物递送系统的光。这类新型杂交(hybrid)NPs递药系统，可以在各个阶段有效地运载、控制含巯基药物进入神经元的释放，并为未来的脑疾病治疗提供光示踪(light-traceable)监测[89]。此外，有研究将聚合物和蛋白质结合设计NPs递药系统，并指出由多个内部隔室组成的新型聚合物/蛋白质混合NPs有潜力成为基于纳米药物的联合疗法中极具吸引力的候选材料[90]。这种方法结合了合成 NPs的多功能性和靶向能力，同时还获得了蛋白质在内皮网状系统器官中优异的循环能力和高度的生物相容性，同时还能通过基因工程灵活调整氨基酸序列，从而增加NPs的可调节性。

基于病理变化的NPs设计：上述NPs脑靶向递药策略利用脑组织和外周生理结构、理化性质的区别，靶向脑部特异的载体、受体等结构，从而增强药物的稳定性和对脑部的靶向特异性。与此同时，脑部疾病的发生、发展过程中存在一系列和正常脑组织明显不同的病理特征。例如，神经退行性疾病(阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病和肌萎缩侧索硬化症)的特征是中枢神经系统不同区域的神经元逐渐丧失。 神经元细胞的死亡会导致认知、行为、感觉及运动功能等障碍。神经退行性疾病可由多种因素引起，如错误折叠蛋白的积累、内源性抗氧化酶活性的降低、线粒体功能障碍、脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的缺乏、神经炎性反应以及各种遗传因素突变[91]。因而，进一步深入理解具体脑部疾病的发病机制和病理学特征，充分利用这类特征来定制靶向脑部病灶的NPs，将有助于减少对正常BBB的损伤，进一步提升脑靶向NPs的特异性，开发靶向脑部受损区域的新型NPs 制剂[12]。

除此之外，近期研究还开发了一系列新型NPs，可能在未来进一步促进脑靶向递药系统的发展，包括 (i) 含抗氧化剂和 omega-3 脂肪酸的脂质纳米载体[92]； (ii) 提供持续控释的多孔聚合物纳米颗粒[93]； (iii) 神经营养基因的非病毒基因载体[94]； (iv) 用于个性化医疗(personalized medicine)的诊疗纳米载体[95]。 通过进一步探究血脑屏障、脑部疾病的特征及各类NPs的药理特性，相信在未来，脑靶向药物递送系统能得到更长足的发展，从而真正达到投入临床使用的要求，为患者带来福音。