张霜梅,刘红宇,胡丽竹,邱朝阳,黄文盖,祝维峰#,张兆旭

(1广州中医药大学附属广州市中医医院,广州 510006;2山东中医药大学附属山东省中医院神经内科;3北京大学人民医院神经内科;*通讯作者,E-mail:zhangzhaoxu55@163.com;#共同通讯作者,E-mail:1759065496@qq.com)

药物化合物进入中枢神经系统(CNS)的两个主要障碍是血液-脑屏障(BBB)和血-脑脊液屏障(BCB)。考虑到毛细血管和神经元之间的最大距离小于8-20 μm,BBB被认为对脑细胞外液发挥更大的控制作用[1,2]。血-脑屏障(BBB)由内皮细胞和相邻的星形细胞、基底膜、周细胞和神经元组成。这些组成元素是功能性神经血管单位的一部分,其能提供输送必需的营养物质并排除潜在的有害分子进入CNS[3]。BBB严密的调控是一个不可逾越的障碍,阻碍了药物的获取[4],也限制了中枢神经系统疾病的给药治疗。BBB不仅具有低细胞旁通透性和低吞饮率,BBB还表达大量的药物转运蛋白(例如P-糖蛋白,这也进一步限制了许多内源性和外源性物质的进入[5,6]。

尽管小分子药物通过血脑屏障的例子很多,但在正常情况下几乎所有大分子量物质都被严格限制穿越血脑屏障。事实上,目前批准用于神经疾病临床治疗的大分子量药物也是通过外周机制起作用的,如I型干扰素治疗多发性硬化症。也有研究表明,中枢神经系统作用药物的磨损率最高,98%因为血脑屏障通透性差而不得不停药[7]。现代医学面临的最具挑战性的问题之一是如何将特定的药物输送到特定的目标区域。到1989年,研究人员开发了一个新概念:使用直接鼻内递送治疗药物到大脑作为绕过BBB的手段[8]。这种直接的鼻内递送涉及沿着连接鼻黏膜到CNS的嗅觉神经和三叉神经的细胞外递送[9-11]。这种方法不仅允许不能通过血脑屏障的药物输送到中枢神经系统,还能使药物直接靶向通过BBB进入中枢神经系统,消除了全身给药的需要,从而减少了不必要的全身副作用。本文将主要讨论可能涉及到的药物经鼻进入中枢神经系统的转运途径和相关机制,特别是涉及嗅觉神经和三叉神经的途径并简述目前国内外经鼻治疗脑部疾病的研究概况,以期能更好地开发和改进目前的鼻内治疗方法。

1 经鼻进入中枢神经系统的途径和机制

尽管鼻内药物递送至CNS的确切机制尚未完全了解,但研究显示涉及嗅觉和三叉神经的途径至关重要[12]。给予大鼠和猴用125I标记的蛋白后发现,递送沿着嗅觉通路和三叉神经通路分别进入嗅球和脑干,并进一步分散到脑内的其他领域[10,13]。通常意义上,经鼻进入CNS需要至少3个步骤才能使制剂在脑内广泛分布:①穿过鼻腔上皮“屏障”；②经鼻黏膜进入临近软脑膜附近的脑组织(例如通过嗅觉、三叉神经等通路)；③由最初的脑组织运输至CNS的其他部位[6]。

从药物分布研究看来,沿着嗅觉神经通路行进的药物多分布到包括嗅球、前嗅核、额皮质和海马等结构中。另外,沿三叉神经行走的药物多分布在包括上颈髓、中脑、桥脑和下丘脑等结构中。这种药物分布可以通过与药物结合的CNS受体的存在而改变,并且随物种不同可能会发生变化[14]。

1.1 嗅觉神经通路

在鼻内,嗅觉双极神经元的树突延伸到嗅觉上皮黏膜层传递嗅觉,神经元的轴突集中,通过含脑脊液的蛛网膜下隙与嗅球内的细胞相联络。这种神经投射广泛涉及延伸至嗅束,前嗅核、梨状皮质、杏仁核和下丘脑[15]。位于鼻腔前部的化学感应神经元也投射到嗅球[16]。

与辣根过氧化物酶(WGA-HRP)结合的小麦胚凝集素(一种示踪剂)通过鼻内给药证明物质可以经过嗅觉的轴突转运到中枢神经系统的嗅球[17]。荧光示踪剂鼻内递送也可以观察到物质穿过筛板的嗅神经[18]。研究证明,在大多数情况下嗅神经通路是鼻内递送的主要方式。目前检测水平表明,鼻腔给药后,嗅球中的药物浓度在中枢神经系统最高[19]。

物质沿着神经通路的运输通常可以通过细胞内和细胞外机制发生[6]。细胞内的机制包括鼻腔内嗅感觉神经元扩散和内吞[20，21]。但细胞内转运是一个缓慢的过程,需要几小时到几天的时间[20]。细胞外运输被认为能够更高效地递送药物至中枢[20,22]。研究表明,经细胞外途径的示踪剂过氧化物酶能够在45-90 min到达嗅球[23]。多种中枢神经系统治疗药物的鼻内给药已证明最快5-10 min可进入CNS内,也证明了细胞外转运机制的重要性[24-26]。

1.2 三叉神经通路

三叉神经通路是将鼻连接到中枢神经系统的另一个重要的途径。它支配着鼻腔的呼吸和嗅觉上皮[27]。对于三叉神经,眼支(V1)支配背侧鼻黏膜和前鼻,而上颌支(V2)支配鼻黏膜的侧壁。三叉神经从鼻腔上皮进入大脑两个部位:①通过位于大脑前部即额叶嗅球附近的筛板;②进入位于大脑中后部位的高级生命中枢-脑桥,即允许药物输送到脑的前部和后部两个区域[6,28]。三叉神经的一小部分也终止于嗅球[29]。Thorne等[30]首次证实了沿三叉神经通路向大脑递送鼻内药物。相关研究也已经证明,包括胰岛素样生长因子1(IGF-1),干扰素β-1b和hypocretin-1(食欲素A)在内的各种经鼻递送的物质导致放射性水平在三叉神经分支、三叉神经神经节和脑桥显著提高,强烈暗示了三叉神经涉及鼻内递送至CNS机制[13]。在一项小鼠实验中,喙端迁移流被认为是鼻内给药制剂中枢神经系统递送的另一种潜在途径[31]。研究表明,对于大多数化合物来说,细胞外途径在嗅觉神经和三叉神经从鼻内递送至CNS都是起主要作用的[23],最快5-10 min可进入CNS内[24-26]。

此外,运输机制还可能涉及神经周围通道,血管周围间隙的迁移和扩散、脉管途径,或直接与大脑联系的淋巴途径或脑脊液途径[32]也都已经被认为在从鼻腔到CNS运输中可能是重要的,这些途径中都可能有助于将制剂递送至脑内[30,33],并且有理由相信这些途径的组合递送或许是鼻内递送的整体。

2 目前给药方式的局限

CNS药物递送由于受血脑屏障的限制而不能达到治疗的药物浓度。克服BBB的严格限制将有助于神经系统疾病的治疗。目前,中枢神经系统疾病的治疗同其他系统一样多是外周给药的方式进行,但存在的问题是,BBB很难允许像大的分子或带电荷分子的物质通过[34]。①BBB允许小分子的扩散,这对于脑部的药物靶向往往是不够的,但为了达到脑内的治疗水平而使用大剂量的治疗剂(包括小分子或多肽)又增加了不良作用风险[35]。②首过代谢可以大大降低口服药物的生物利用度,只有少量活性药物实际到达循环系统,最终到达脑部[36]。③外周给药也需要一定时间才能到达大脑,在某些紧急病症如癫痫发作时外周给药,可能会导致患者更大的痛苦或其他更严重的并发症。④全身用药另一个后果是与血浆蛋白结合,这将会影响药物的持续时间和浓度,降低药物通过BBB的效能[37]。⑤最后一个关于全身给药的问题是,外周可能会产生令人不安的副作用。如胰岛素有多种中枢神经系统的效应,也会诱导出现不良的强烈全身效应。

另一个目前在研究的CNS给药途径是侧脑室注射,其可以将药物直接递送至大脑。然而,它是高度侵入性的有创操作,该给药方式需要精准的技术、无菌操作和术后抗感染,因此在临床应用上有诸多局限[9]。

鼻腔给药目前得到广泛关注,它已被证明可以将多种化合物的直接递送至CNS而无明显侵袭性或重大并发症[6,39,40]。因此鼻腔给药可能是直接向CNS输送治疗物质的安全而新颖的非侵入性方法。

3 鼻腔给药的发展与潜力

目前多种生物活性因子和中草药提取物证明有着神经保护作用,经鼻给药后能针对性地到达中枢系统更好地发挥保护作用。近年来,多个鼻内给予干细胞制剂治疗卒中动物模型的基础实验进展迅速,证实了其安全性和有效性[41]。鼻内给予粒细胞集落刺激因子(G-CSF)能增加G-CSF在脑脊液(CSF)和脑实质中的浓度,使动物梗死体积减少,神经功能恢复速度增加,有效地保护大脑免于脑缺血损害[42]。鼻内给予神经生长因子(NGF)可以增加局灶性脑缺血后成年大鼠新生神经元的存活率并促进纹状体区神经元的成熟,有效地改善大鼠神经功能缺损[43]。促红细胞生成素能够保护缺血神经元,鼻内给予促红细胞生成素用于治疗急性缺血性卒中也取得了显著效果[44]。姜黄素、川芎嗪等中草药提取物经纳米包装后通过鼻内给药也有效地改善缺血再灌注动物模型的损伤[45,46]。本课题组也在之前的研究中证实,通过改进工艺将脑清滴鼻液制成脑清喷鼻微乳,能够通过调节凋亡蛋白、抗氧化应激改善大鼠大脑中动脉栓塞模型(MCAO)动物的梗死面积和神经缺损[47-49]。

4 鼻腔给药亟待解决的问题

经鼻给药有巨大的潜力,但目前存在多个问题需要继续研究探索。

首先,鼻黏膜上皮对于经鼻给药是一种天然屏障,导致鼻内递送的低效能,通常只有1%左右的药物剂量能够到达脑内[50]。而外排运输蛋白(包括P-糖蛋白P-gp和多药耐药相关蛋白MRP1)在鼻黏膜内表达[51,52],显著限制了脑的摄取。药物代谢酶和紧密连接蛋白出现在鼻上皮中[53],进一步限制了鼻内递送至CNS的效率。用于克服这些障碍的潜在方法例如通过微乳剂、纳米包装提高药物溶解度,给予渗透增强剂增加鼻上皮通透性,改变制剂的电荷状态、减少鼻黏纤毛清除等正在开发研究中。

其次,中枢系统疾病多需要长期给药治疗,在这方面经鼻给药也需要更多的基础和临床研究。长期鼻腔给药导致鼻腔刺激,而一些特定药物可能会对嗅觉神经或三叉神经存在潜在的不利影响,需要进行临床前毒理学研究;而渗透增强剂通常可能伴有鼻腔毒性和增加鼻血管的渗透,从而增加全身副作用的机会[54]。并且鼻内给药一定程度上也无法完全避免全身输送的可能,特别是那些小而亲脂的分子。一般情况下,亲水性化合物在经鼻靶向脑时全身暴露较低或不发生不必要的暴露[55],小分子亲脂性药物则难以避免全身暴露。虽然使用血管收缩剂制剂有可能帮助减少亲脂性分子的全身暴露[56],但对这种方法的研究结果还需要探索。与其他输送途径相比,虽然鼻内输送一般产生较少的副作用,但作为药物不仅可能进入中枢神经系统,而且还可能进入鼻腔相关的淋巴管和深度颈部淋巴结。因此,必须衡量药物可能产生的对鼻黏膜的特殊作用,包括嗅觉和免疫系统。

诸如此类可能出现的情况,必须在鼻内给药开发时予以周全的考虑。

5 结语

由于经鼻给药的非侵入性,是一个有吸引力的选择。一些动物研究已经显示生物制剂鼻内给药后直接到达大脑。人类研究证实了这些研究。虽然鼻内给药的机制仍然存在疑问,但这种给药途径是安全有效的。多个研究已确认多种经鼻的化合物在产生较少的不良后果的同时,仍然达到理想的CNS治疗结果[41-46]。鼻内化合物的益处正在不断被发现。美国近年来的鼻内给药临床试验研究不断增长,诸如鼻内胰岛素、促红细胞生成素和干细胞疗法都具有巨大的潜力。因此,尽管从鼻向中枢神经系统递送制剂的途径和机制还没有完全了解,但未来中枢神经系统疾病的基础和临床研究应考虑到鼻腔给药途径发挥作用的可能。鼻内给药的未来是光明的,因为它意味着将药物快速、便捷、无创地直接输送到中枢神经系统。