跨血脑屏障脂质体与纳米胶束靶向载药系统的研究进展
作者:文阅期刊网 来源:文阅编辑中心 日期:2022-07-28 08:45人气:
摘 要:
血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)是脑组织和脑毛细血管之间的保护性屏障,是药物进入脑组织发挥作用的主要屏障,极大地增加了脑部疾病的治疗难度。跨BBB药物递送系统可以借助载体和制剂优势实现药物的跨BBB高效递送,进而增强药物对脑组织疾病的治疗效果。脂质体和胶束以其独特的结构以及递药优势在跨BBB靶向治疗脑部方面受到了广泛研究并取得了可喜的进展。基于此,作者通过查阅近年来国内外相关文献,总结了跨BBB脂质体和胶束递药系统的研究现状,围绕跨BBB能力、靶向性、安全性等方面分析了其应用优势及产生机制,同时根据其现阶段的临床转化情况探讨了跨BBB脂质体和胶束研究中存在的问题及可能的应对策略,以期为跨BBB纳米靶向药物的研制提供参考和思路。
关键词: BBB; 纳米靶向载药系统;脂质体;胶束;靶向制剂;靶向基团;
Research progress of liposome and nanomicelle targeting drug delivery system across
the blood-brain barrier
YANG Xu ZOU Ling-hui DING Wen-ya ZHANG Zhong-bin CHEN Jin-qing LI Ji-lang
FENG
Hong-i LI Yu-yang TANG Ling FENG Jian-fang
College of Pharmacy, Guangxi University of Chinese Medicine Key Laboratory of Common
Technology of Chinese Medicine Preparations, Guangxi University of Chinese Medicine South
China Branch of National Engineering Research Center for Manufacturing Technology of Traditional
Chinese Medicine Solid Preparation
Abstract:
The blood-brain barrier (BBB) is a protective barrier between brain tissue and brain capillaries. It is the main barrier for drugs to enter the brain tissue to play their role, which greatly increases the difficulty of treating brain diseases. The trans-BBB drug delivery system can achieve efficient drug delivery across the BBB with the advantages of carriers and formulations, thereby enhancing the therapeutic effect of drugs on brain tissue diseases. Liposomes and micelles have been extensively studied with promising progress in the trans-BBB targeted therapy for the brain due to their unique structures and drug delivery advantages. Based on this, the author summarizes the research status of trans-BBB liposome and micellar drug delivery systems by reviewing relevant domestic and foreign literatures in recent years, and analyzes their application advantages and production in terms of trans-BBB capability, targeting, and safety. At the same time, the problems and possible countermeasures in the research of trans-BBB liposomes and micelles were discussed according to the current clinical translation, which may provide references and ideas for the development of trans-BBB nano-targeted drugs.
Keyword:
BBB; nano-targeted drug delivery system; liposomes; micelles; targeting agents; targeting groups;
据统计,2005年我国有309.11万居民死于心脑血管疾病,随着生态环境的恶化和人口老龄化的加剧,2020年心脑血管疾病死亡人数增加至457.66万,总死亡率增加了48.06%,脑部疾病逐渐成为人类健康的严重威胁。血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)位于脑组织和脑毛细血管之间,由紧密连接的内皮细胞、基底膜、周细胞和星形胶质细胞等结构组成[1,2]。是维持中枢神经系统正常生理状态的重要结构。与此同时,BBB的存在也限制着几乎所有的药物分子由血液进入脑组织[3]。例如银杏内酯和黄芩苷具有较好的神经保护作用,在治疗缺血性卒中和脑梗死等疾病上表现出色,极具应用潜力,但BBB阻碍了药物进入脑组织中的病灶处发挥作用,严重限制了其治疗效果和临床应用[4,5]。因此,药物能够顺利通过BBB是药物发挥出脑部疾病治疗作用的关键。近年来,纳米靶向载药系统被广泛应用于药物的高效递送,其中不乏跨BBB纳米递药系统的研发,而脂质体和胶束由于自身独特的递药优势成为研究的重点和热点之一。脂质体和胶束具有良好的生物相容性,能够在不破坏BBB结构的情况下克服BBB的阻碍,靶向脑部病灶组织,见图1,提高药物生物利用度、增强药物靶向作用,进而提高药物治疗效率,也是跨BBB治疗脑部疾病的热点研究方向之一,在脑部疾病的治疗中有着广阔的应用前景[6]。基于此,作者通过查阅近年来国内外纳米靶向载药系统相关文献,总结了跨BBB脂质体和胶束递药系统的研究进展,同时根据其现阶段的临床转化情况探讨了跨BBB脂质体和胶束研究中存在的问题及可能的应对策略,以期为跨BBB纳米靶向制剂的研制提供参考和思路。纳米靶向载药系统跨血脑屏障靶向病变组织的过程见图1。
1 跨BBB脂质体和胶束递药系统
1.1脂质体
脂质体(liposome)最先由Deamer等[7,8]提出并用作药物递送系统,是指两亲性分子疏水尾部相互聚集,亲水头部暴露在水相中形成具有双分子层结构的闭合囊泡,见图2,按其靶向机制可分为被动靶向、主动靶向和物理化学靶向脂质体。被动靶向脂质体进入循环系统后,受几何形状、粒径大小和电荷特征等因素的影响,容易被巨噬细胞当作异物吞噬并聚集在脑、肝脏和脾脏等器官或组织,具有天然靶向性。主动靶向脂质体是指在脂质体双分子层上人为修饰选择性多肽、糖残基、抗体、激素等与内源性靶蛋白结合,赋予脂质体器官或组织靶向性。物理化学靶向是在脂质体中加入特殊脂质或包裹磁性物质,并在病灶组织自身pH环境、外部磁场、超声波和局部加热等条件的引导下,使脂质体对pH、磁场、光、超声、温度等物理化学因素产生响应,从而使包载的药物作用于靶点。脂质体作为跨BBB递药载体,具有低毒性、增强药物溶解性和良好的生物相容性等优点,脂质体的双分子层能保护药物在复杂的生物环境中不被降解,延长体内循环时间,增强体内稳定性,可通过渗透滞留效应(enhanced permeability and retention effect,EPR)增强渗透性和滞留效应进入肿瘤细胞[9],降低了药物在正常组织中的毒副作用。其次,脂质体的双分子层构成的闭合囊泡,其亲水性内核可包载亲水性药物和核酸药物等,其双分子层间疏水区域可包载疏水性药物[10],增加了其溶解性,提高了药物治疗效果。此外,脂质体表面可根据脑病变组织的治疗需求进行靶向修饰,当脑组织发生病变时,病变细胞上的乙酰胆碱受体[11]、转铁蛋白受体(transferrin receptor,TfR)[12]等受体上调,这些受体可与狂犬病毒糖蛋白(rabies virus glycoprotein,RVG)、转铁蛋白(transferrin,Tf)等特异性配体靶向结合,利用受体-配体特异性结合的优势,可实现载药脂质体向脑病灶组织的靶向递送。配体修饰脂质体跨BBB靶向脑病灶组织的研究案例较多,作者归纳总结了脑靶向脂质体常用的配体、受体(转运体)和包载药物,见表1。总之,脂质体的多功能性、靶向性、BBB渗透性、生物相容性等优点是实现跨BBB纳米靶向递药的有力保障。
1.2胶束
胶束是亲水嵌段和疏水嵌段在水中自组装形成两亲性嵌段共聚物,共聚物的疏水段在水分子的作用下自动聚集成疏水核心,共聚物的亲水段在水中形成稳定的亲水外层,见图3。胶束的制备过程简单,适合大批量生产,有增强药物溶解度、良好的生物降解性、粒径小、稳定性高、功能性强等优点,是一种非常有潜力的脑靶向纳米载体[39]。胶束的结构是脑靶向递药的关键因素,其疏水性内核包载水难溶性药物可增强药物溶解性,提高药物的生物利用度,胶束的包封作用还可减少药物与外部环境的相互作用,保持药物稳定性[40]。胶束亲水嵌段多为聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)、羧甲基葡聚糖、聚乙烯吡喏烷酮等聚合物,疏水嵌段多为聚乳酸(polylactic acid,PLA)、维生素E聚乙二醇琥珀酸酯(vitamin E amber acid polyethylene glycol esters,TPGS)、胆固醇等可生物降解的聚合物,该组合使胶束具备良好的生物相容性和生物降解性。胶束自身的高稳定性可防止药物在复杂的血液循环系统中泄漏,在保护药物稳定递送至病灶组织的同时避免药物泄漏于正常组织,还可以在其亲水嵌段修饰PEG等亲水性聚合物增强胶束稳定性[41]。靶向性是胶束功能的重要体现,胶束的小粒径特点可使其在EPR效应下发挥被动靶向功能,胶束的亲水性嵌段可修饰多肽、蛋白质、糖残基、抗体等特异性配体,利用受体-配体的相互作用实现主动靶向功能,胶束疏水内核还可以包载磁性物质或特殊物质实现磁响应、pH敏感等物理化学靶向功能。胶束作为常见的脑靶向递药载体,不乏可修饰的靶向基团,作者对脑靶向胶束常用的亲水嵌段、疏水嵌段、配体、受体(转运体)和包载药物进行了归纳总结,见表2。
2 脂质体与胶束跨BBB靶向机制
脂质体和胶束常见的跨BBB的靶向机制有被动靶向、主动靶向和物理化学靶向。其中被动靶向是常规脂质体和胶束的主要作用机制,早期研究主要借助几何形状、粒径大小和电荷等特征以及吞噬细胞的摄取实现被动靶向。后续研究中的PEG化脂质体也为被动靶向带来了更多的可能,由于PEG可以增强脂质体和胶束的结构稳定性,能有效规避吞噬细胞的清除,延长纳米制剂的半衰期,因此PEG化脂质体和胶束能在EPR效应的诱导下靶向聚集于病灶部位,实现药物的靶向递送。被动靶向脂质体和胶束的优势主要在于其成分简单、生产成本低、工艺简单易放大生产,目前已被广泛应用于增强药物的靶向递送,而提高其靶向效率仍是目前被动靶向型脂质体和胶束值得关注的重要问题。与被动靶向不同,主动靶向机制的核心是在常规脂质体和胶束上修饰靶向配体,利用受体和配体的特异性结合实现药物在病灶部位的靶向聚集,从而提高药物的靶向性并降低药物对非靶组织的毒副作用,相较于被动靶向,主动靶向亲和力更强、靶向效率更高,在跨BBB纳米靶向递药中形成了较完善的靶向机制和策略,但主动靶向所引入的配体基团往往会影响脂质体和胶束的粒径、形状等,导致其扩大生产较为困难,临床转化所面临的挑战更大,同时这也是未来主动靶向型脂质体和胶束研究需要注意和克服的问题。物理化学靶向是利用磁场、温度、pH等物理化学因素结合体内微环境响应诱导脂质体和胶束实现脑靶向聚集并释放药物,物理化学靶向不仅具备被动靶向和主动靶向具备的靶向递药功能,还能发挥定点定时释药功能,为跨BBB纳米制剂的研发带来新的思路,但磁效应可能存在潜在的金属污染等风险,局部热疗可能导致全身温度升高造成靶向性差和非靶组织毒副作用等问题,因此,物理化学靶向的安全性和有效性还需进一步验证。对于脂质体和胶束而言,明确其靶向作用机制并提高药物靶向性、安全性仍然是促进跨BBB纳米递药系统发展的长期目标。近年来跨BBB脂质体和胶束的机制研究实例归纳如下。
2.1被动靶向
脑中的小胶质细胞[73],属于神经胶质细胞的一种, 是脑和脊髓中常见的巨噬细胞,大脑中有15%左右的神经胶质细胞是小胶质细胞,当脑组织发生病变时,小胶质细胞被迅速激活,其表面受体可识别外来异物并启动其防御功能。长循环脂质体[74]是在脂质体表面修饰亲水基团,使其形成一层致密的构象云,同时稳定存在于循环系统中来规避骨髓、肝脏、肾脏等组织或器官,从而被小胶质细胞吞噬并靶向聚集于脑组织。常用的亲水基团有神经节苷脂和PEG等,但神经节苷脂化脂质体有较强的免疫毒性且不易大量获得,故PEG应用更为广泛[75]。研究者们在开发脑靶向脂质体和胶束的研究中[76],将PEI/寡核苷酸复合物包封到PEG化脂质体(PSL)中,PSL中的DNA稳定存在于循环系统中,EPR效应诱导更多的PSL积累,为小胶质细胞提供吞噬和靶向摄取脂质体的条件,达到靶向治疗的目的。其机制可能为脂质体将药物包裹在亲水核心避免药物提前被破坏,且PEG化脂质体可通过EPR效应增强BBB渗透性和脑病灶部位的被动靶向,延长载药脂质体或胶束在体内的半衰期并增强药物的治疗效果。
此外,由于脑胶质瘤(glioma,GBM)组织中血管壁间隙大、完整性差,使得一些粒径大小适宜的物质能够通过EPR效应聚集在病灶部位,因此脂质体或胶束粒径大小也是影响递药效率的重要变量之一。JOSHI S等[77]在诱导大鼠短暂的脑低灌注后,用粒径为200 nm和80 nm包载荧光染料脂质体颈动脉注射健康大鼠和GBM大鼠,发现200 nm脂质体比80 nm脂质体更容易穿透BBB,大粒径脂质体能更好地靶向在健康和GBM大鼠的大脑中。原因可能是脂质体粒径越大,与脑血管内皮接触的表面积越大,聚集在血管壁上的效率越高,但当粒径达到聚集效率最大值时,随着粒径的增大聚集效率会逐渐降低,故适宜的粒径大小也是提高靶向聚集效率的重要因素。
2.2多肽介导的主动靶向
多肽修饰的载药脂质体或胶束是发挥载体主动靶向功能的重要部分,其主要机制是通过多肽和细胞表面受体的特异性识别和结合作用,借助受体介导的细胞转运(receptor-mediated transcytosis,RMT)实现载药脂质体和胶束的靶向递送,被广泛应用于载药纳米脑靶向递送。其中,主要参与RMT的脑靶向受体有TfR,GBM细胞较正常细胞繁殖更快,铁需求量大大增加,致使TfR在GBM细胞和脑内皮细胞中过度表达。Tf作为TfR的特异性配体,常用于纳米脑靶向载药载体的修饰,一方面,Tf可与BBB内皮细胞上的TfR结合,脂质体和胶束经TfR通道跨过BBB;另一方面,Tf跨BBB后可再与GBM细胞上的TfR特异性结合,具有跨BBB和靶向脑病灶组织的双功能靶向作用。基于此思路,JHAVERI A等[12]开发了Tf修饰的载白藜芦醇(resveratrol,RES)脂质体(Tf-RES-L)用于GBM小鼠的治疗。与未修饰的RES脂质体和游离RES相比,Tf-RES-L使GBM小鼠的存活率提高了3倍。其机制可能是Tf-RES-L先与小鼠GBM模型中脑内皮细胞上过度表达的TfR特异性结合,在受体的作用下顺利穿透BBB,再与小鼠GBM细胞上过度表达的TfR蛋白质结合位点靶向识别,使其在胞吞的作用下实现靶向递送。然而,由于内源性Tf的竞争抑制作用,TfR受内源性Tf的影响构象改变使其靶向功能丧失,导致Tf修饰的脂质体和胶束结合能力有限。有研究发现[78],T7与Tf在TfR上的蛋白结合位点不同,可避免内源性Tf的竞争抑制作用,同时促进T7修饰的脂质体和胶束与TfR的靶向结合作用,可能是TfR的潜在配体。
乳铁蛋白(lactoferrin,LF)是由一条多肽链构成的亲水性蛋白,能靶向识别并结合于脑内皮细胞和GBM上过表达的LF受体,在胶束载体中可作为亲水嵌段,也可作为配体修饰于胶束亲水外层,具有两重功能[79]。利用这一特性,AGWA M M等[42]将LF通过碳二亚胺偶联反应与疏水性共轭亚油酸(conjugated linoleic acid,CLA)共价连接,形成一个新的胶束载体,再将药物CLA包载于胶束中,该胶束上的LF先与内皮细胞上的铁乳蛋白受体结合并通过BBB,再和脑病灶组织上过表达的铁乳蛋白受体靶向结合。体外药物释放研究表明CLA在pH6.8时表现出缓释的特征,具有良好的血液相容性,无明显的肝脏和肾脏毒性。体内研究表明,CLA在脑组织中分布广泛,增强了阿尔茨海默病动物的认知能力,该胶束可能是一种有前途的中枢神经系统主动靶向递药载体。
此外,RVG是一种抗原分子,能特异性识别神经细胞、BBB上的内皮细胞和GBM细胞表面的烟碱乙酰胆碱受体,借助RMT效应吞入,可实现RVG修饰的载药载体的脑靶向递送。况其方等[11]构建了以RVG29为配体修饰的脂质体并进行体外实验,与未被RVG29修饰的脂质体相比,C6细胞摄取RVG29修饰脂质体的能力明显增强,表明RVG29修饰的脂质体对体外GBM细胞具有靶向性。然而,鉴于RVG29的高分子量,使用RVG29作为配体的纳米载体的成本和粒径不能令人满意,经筛选发现RVG15跨BBB和脑靶向效率与RVG29相当,其分子量更小且粒径仅有RVG29的一半,可能是RVG中潜在的特异性配体。XIN X等[80]成功地构建了以RVG15为配体的紫杉醇(paclitaxel,PTX)-胆固醇复合物(PTX-CHO)脂质体用于小鼠GBM的治疗,RVG15修饰的脂质体在BBB内皮细胞上烟碱乙酰胆碱受体的作用下迅速穿透BBB并靶向聚集在GBM细胞上,将包载的PTX递送至GBM细胞内释放,是一种很有前途的脑靶向特异性配体。实现载药脂质体脑靶向递送只是RVG15的应用之一,该配体还广泛应用于载药胶束的脑靶向递送。HAN M等[52]利用RVG15的修饰开发了负载阿霉素(doxorubicin,DOX)的聚合物胶束(DOX RVG-15-PMs),DOX RVG-15-PMs在GBM小鼠模型中成功穿透BBB并靶向GBM细胞,有明显的肿瘤抑制效果,有效抑制癌细胞的转移。
2.3糖残基介导的主动靶向
大脑葡萄糖消耗量占全身消耗量的25%左右,为满足大脑的高强度运转需求,GLUT1在脑内皮细胞中的浓度非常高,葡萄糖与GLUT1转运体相互作用可实现葡萄糖向脑内转运,因此糖残基修饰也是实现脂质体和胶束主动靶向作用的重要手段之一。聂华等[81]制备了胆固醇-癸二酸-葡萄糖(CHS-SE-GLU)修饰的脑靶向载紫杉醇脂质体(GLU-PTX-LP),基于BBB上GLUT1转运体对葡萄糖的高度识别作用,GLU-PTX-LP在GLUT1转运体的作用下顺利穿透BBB,使该脂质体靶向脑病灶组织成为可能。基于此思路,NIU J等[43]将葡萄糖修饰的载DOX胶束用于小鼠GBM的治疗,葡萄糖修饰的载药胶束可被BBB上GLUT1转运体转运,结果表明该胶束可显著提高DOX穿透BBB的能力,进而增强小鼠GBM的肿瘤抑制能力,是潜在的脑靶向递送系统。
透明质酸(hyaluronic acid,HA)是一种酸性黏多糖,经美国FDA批准可用于体内注射,可与血细胞、内皮细胞、上皮细胞和多种癌细胞中过表达的CD44受体特异性结合,常用于脑靶向脂质体和胶束的修饰。韩立杰等[13]采用薄膜分散法制备了HA修饰的载紫杉醇靶向脂质体(HALP-PTX),利用HALP-PTX上HA与BBB内皮细胞和GBM细胞上高表达的CD44受体的特异性结合作用,该脂质体顺利穿透BBB并有效抑制肿瘤干细胞的增值,是一种有效的抗GBM递药系统。然而,带负电的HA结构稳定性会受到复杂肿瘤微环境中电荷的影响,故YANG L等[82]利用电荷的静电作用设计了负电荷HA和正电荷DOX结合的颗粒,并将该颗粒包载于脂质体中(DOX-HA-LPs),在该脂质体中HA的结构得到保护,DOX-HA-LPs经内皮细胞上CD44穿透BBB并与GBM上过表达的CD44受体特异性结合能力增强,GBM小鼠的生存时间延长,但是在单核吞噬细胞的清除作用下,DOX-HA-LPs的稳定性仍然存在问题,可以作为今后研究的突破点。
2.4抗体介导的主动靶向
单克隆抗体对TfR具有高特异性和高亲和力,TfR是RMT效应中常见的脑靶向受体,在内皮细胞和GBM细胞中的过度表达,常用单克隆抗体与脂质体和胶束偶联制备脑靶向性强的免疫纳米载体。其中,应用最成熟和使用最多的抗大鼠TfR单克隆抗体是OX26单克隆抗体,但OX26只能识别大鼠TfR,故KANG S等[83]制备了具有小鼠TfR高亲和力的单克隆抗体RI7217修饰的载多烯紫杉醇(docetaxel,DTX)脂质体用于GBM的治疗,结果表明该功能化脂质体能成功穿透BBB并靶向GBM细胞,提高了DTX的体内疗效。其机制可能是该功能化脂质体上的单克隆抗体与内皮细胞上的TfR靶向结合通过RMT介导的内吞作用穿透BBB,随后单克隆抗体与脑肿瘤部位高表达的TfR靶向结合实现脑靶向。目前,利用人源化抗体修饰纳米载体的研究相对较少,GREGORI M等[14]比较了六种抗人TfR单抗修饰的DOX脂质体穿透体外BBB模型的能力,其中MYBE/4C1抗人TfR单抗修饰的脂质体穿透BBB的能力最好,比未修饰的脂质体高3.9倍,表明该抗人TfR单抗是一种有潜力的靶向配体,有希望进一步改善纳米制剂的BBB靶向性,为人类脑部疾病的临床治疗提供新的方案。
2.5激素介导的主动靶向
瘦素(leptin,Lep)可与下丘脑、内皮细胞、SH-SY5Y细胞和神经元上过度表达的Lep受体特异性结合,通过细胞转运机制穿过BBB靶向脑病灶组织细胞,Lep还可以激活促进细胞生长的PI3K/Akt通路。KUO Y C等[15]将二硬酯酰磷脂酰胆碱(DSPC)、双十六烷基磷酸酯(DHDP)、胆固醇和1-棕榈酰-2-油酰基磷脂酸酯自组装的复合脂质体作为RES和表没食子儿茶素没食子酸酯的药物递送载体,并将Lep修饰在该复合脂质体上用于帕金森病的治疗。Lep修饰的功能化脂质体可通过内皮细胞上的Lep受体转运机制穿透BBB,荧光显示帕金森病体外模型SH-SY5Y细胞对该功能化脂质体的靶向摄取明显增强。可能的解释是Lep修饰提高了脂质体穿透BBB和细胞摄取该脂质体的能力,1-棕榈酰-2-油酰基磷脂酸酯和Lep的协同作用提高了脂质体靶向帕金森病相关因子的效率,使得该递药系统可能成为一种潜在的治疗帕金森病的策略。
2.6适体介导的主动靶向
适体是一种人工合成的单链寡核苷酸配体,对靶细胞或靶组织的亲和性和靶向性与其他配体相当甚至更强[84],经适体修饰的脂质体是一种非免疫脂质体,在复杂的体内环境中稳定存在,具有较好的BBB穿透能力。bEnd.3细胞是一种小鼠脑内皮细胞系,与TfRA15T适配子有很强的结合能力,TfRA15T适配子由适体和TfR组成,适体和内源性Tf在TfR上的结合位点不同,使内源性Tf对实体的影响大大降低,ZHANG Y等[85]利用适体和TfR的高亲和力合成了TfRA15T适配子,并在TfRA15T上修饰3′-dT(Apt)规避核酸酶的消化从而增强稳定性,制备Apt修饰的多功能脂质体(Apt-LP),并将有机磷制剂的解毒剂奥比多辛(LuH-6)包载于Apt-LP中(Apt-LP-LuH-6),用于治疗有机磷中毒后的脑损伤。Apt-LP-LuH-6上的TfRA15T可被BBB上的bEnd.3细胞通过网格蛋白介导的内吞途径大量摄取,经研究发现Apt-LP-LuH-6比未修饰的脂质体BBB穿透率高2倍,在中枢神经系统中广泛分布,可有效激活由于脑损伤而被抑制的乙酰胆碱酯酶。
2.7多级修饰的主动靶向
多级靶向脂质体和胶束通常由两种或两种以上靶向配体修饰,利用各自配体与受体的特异性作用来改善受体饱和后递药载体无结合位点的情况,提高药物靶向聚集在病变部位的效率,同时减少对正常脑组织的毒副作用,是当前脑靶向修饰研究的热点话题之一。为改善单一受体饱和后无结合位点的情况[86],将Tf和细胞穿透肽(cell penetrating peptide,CPP)修饰于包载阿霉素和厄洛替尼的脂质体上,该双级修饰脂质体明显提高了GBM小鼠的BBB通透性,使阿霉素和厄洛替尼在靶标部位的积累分别增加了10、2.7倍以上。对此可能的解释是该双级修饰脂质体上的Tf先与TfR受体结合,当TfR受体饱和后CPP与CPP受体结合,该脂质体借助网格蛋白介导的转运穿透BBB,GBM细胞中TfR受体大量表达,穿透BBB后的多级载药脂质体迅速到达靶标部位,Tf和CPP的协同作用使双级修饰脂质体与BBB上和GBM细胞上的受体达到最大结合。
采用多级靶向避免受体饱和只是提高靶向效率的方法之一,此外,还可以利用一种或几种穿透BBB的配体和一种或几种靶向脑病变部位的配体同时修饰脂质体,制备多功能化脂质体。carmustine (CMS)是一种细胞特异性的亚硝基脲烷化剂,可以抑制GBM细胞的DNA修复和RNA合成从而诱导肿瘤细胞凋亡,但由于半衰期短、肿瘤细胞选择性低、脑内滞留时间短等缺点,使其应用受到限制。研究者们[87]将CMS包载于Pep-1和冰片双级修饰的胶束中(Pep-1/Bor/CMS-M),冰片作为中药中典型的“开窍引经”药物,可使包载药物的胶束达到“引药上行”的效果,通过抑制BBB中P-糖蛋白的表达和改变脑组织中神经递质等途径增加BBB通透性,促进Pep-1/Bor/CMS-M穿透BBB进入脑组织[88]。该胶束穿过BBB后Pep-1能与GBM上过表达的白细胞介素-13受体靶向结合,通过白细胞介素-13介导的内吞作用靶向聚集在GBM中,提高了CMS在GBM细胞中的细胞毒性,能有效抑制GBM细胞的生长,同时对健康组织表现出较好的安全性。可见多级修饰可以改善靶标受体饱和后脂质体或胶束靶向效率差的现象,不同功能的配体间发挥协同作用可实现药物的脑靶向递送,可以作为脂质体和胶束在脑部疾病预防、诊断和治疗中的重要参考。然而,在脂质体和胶束研制过程中需要综合考虑其表面配体密度的影响,尽量选择靶向受体在病灶组织过表达而正常组织不表达的配体,同时注意所选配体之间是否存在协同作用[89]。
2.8磁效应介导的物理化学靶向
在现有的聚合物纳米粒子、树枝状分子、固体脂质纳米粒子和脂质体等纳米载体中,常用氧化铁(Fe3O4)为基础的磁性脂质体和胶束治疗脑部疾病。外加磁场时,磁性脂质体或胶束在磁效应的作用下被引导至病灶组织,促使药物聚集在靶向部位并减少药物在正常组织中的分布。为防止治疗过程中脂质体的全身扩散,将Fe3O4磁性尼莫地平脂质体用于大鼠帕金森病的治疗,在外部磁场的作用下,该磁性脂质体在循环系统中稳定存在并保留较长时间,随后顺利穿透BBB并靶向聚集于脑病灶部位,为帕金森病提供了一种无创、有效的治疗策略[90]。还有研究将磁性纳米粒子(MNPs) 包裹在PEG化磁性脂质体(MLs)中[91],PEG链之间的斥力避免了纳米粒子间的聚集,从而提高了它们在脂质体中的稳定性,在外部磁场的引导作用下,MLs结构的完整性不受影响。细胞毒性评价证实了荧光MLs的生物相容性,并将Tf修饰于荧光MLs上,二者的协同作用使转运增加了50%~100%,在不破坏BBB完整性的条件下,Tf修饰和磁效应介导具有良好的协同作用,机制可能是受体介导的内吞作用和外部无损伤磁力的双重作用。磁效应介导的物理化学靶向在聚合物胶束中的应用也十分广泛,KARAMI Z等[92]制备了Fe3O4磁性萘普生聚合物胶束,在外加磁场的作用下,该磁性聚合物胶束被引导至模型大鼠脑组织,与游离萘普生相比,包载萘普生的磁性聚合物胶束在血液中的循环时间明显延长,靶向性更好,是一种潜在的跨BBB脑靶向递药策略。
2.9热敏效应介导的物理化学靶向
温度敏感脂质体是一种纳米颗粒,在热疗反应中BBB通透性增加,药物迅速穿透BBB到达病灶组织后释放。研究人员[93]将顺式二胺二氯铂(CDDP)热敏脂质体用于大鼠恶性GBM的研究,局部脑加热时,CDDP热敏脂质体联合局部热疗提高了BBB的通透性,使抗肿瘤药物能靶向聚集并释放在肿瘤细胞中,且表现出较好的安全性。在靶标部位迅速释药的原因可能是局部温度升高使脂质体的稳定性降低,促使药物在加热部位释放。尽管在局部热疗的作用下,温度敏感载药纳米载体可以在脑病灶组织附近聚集,但由于局部热疗容易造成全身加热,使药物发生全身释放的可能,缺乏选择性。因此,单靠局部热疗或磁引导仍不能准确地识别病灶组织和健康组织,还可能增加正常细胞的细胞毒性作用。LU Y J等[94]成功开发了热磁双响应脂质体(TML),将喜普妥萨(CPT-11)和柠檬酸包载于磁性Fe3O4纳米脂质体的水核内,并利用西妥昔单抗偶联于该脂质体表面,制备出多功能脂质体(TML-CPT-11-CET),使用高频交变磁场处理TML-CPT-11-CET溶液,随后静脉注射给药小鼠。在西妥昔单抗和磁场的作用下该脂质体穿透BBB并靶向小鼠GBM组织,局部高温处理使TML-CPT-11-CET在GBM细胞中释放治疗药物,小鼠GBM症状明显减轻,显示出良好的治疗效果,同时证实了在有效剂量下通过静脉注射给药的安全性。
2.10 pH敏感介导的物理化学靶向
pH敏感载药纳米载体是一种酸触发包载药物释放的新型载体[95],在pH 6.5左右的肿瘤微酸环境和pH 5.5左右的细胞内涵体条件下,不仅能主动靶向病变部位而且能在胞内快速释放包载药物,具有良好的应用前景。陈云云等[96]制备了pH 敏感释药的钙砷复合物脂质体(CaAs-LP),其释药速率随pH值降低而升高。在利用人源性GBM细胞U87进行体外评价时,CaAs-LP具有缓释和pH响应释药的特点。另外,研究人员还发现将葡聚糖-硬脂酸和右旋糖酐-组氨酸自组装可制备pH敏感胶束[97],并将DOX包载于pH敏感胶束中用于GBM的治疗,该胶束能在肿瘤酸性环境中释放包载药物,具有较好的肿瘤抑制作用。其中葡聚糖-硬脂酸可使胶束被肿瘤细胞吸收之前顺利穿透BBB并保持胶束稳定性,而右旋糖酐-组氨酸在肿瘤的酸性环境中发生质子化破坏胶束结构,为胶束提供pH敏感释药功能,是一种十分有前途的脑靶向递药胶束。
3 脂质体和纳米胶束制剂的优化
3.1靶向功能优化
适宜的粒径大小是脂质体和胶束靶向聚集的重要因素,靶向功能基团是决定脂质体和胶束靶向递药的关键因素。脂质体和胶束进入循环系统后,适宜的粒径大小可以使其通过EPR效应聚集在肿瘤部位,还有研究将长度和密度适宜的PEG分子修饰于脂质体和胶束表面来规避网状内皮系统的清除作用,使脂质体和胶束稳定存在于循环系统中,但粒径大小和PEG化都是被动靶向功能[98,99]。对于脂质体和纳米胶束靶向载体系统,靶向功能基团的选择及其与载体结合位点的设计是发挥主动靶向功能的关键因素。如DOS SANTOS RODRIGUES B等[100]比较了CPP的3种短肽序列(Mel、kFGF 和 PasR8),最终选择了穿透BBB能力最强和脑靶向效率最高的kFGF修饰载体。同时,载体与靶向功能基团的结合位点可能影响脂质体和纳米胶束的稳定性,从而影响载体的靶向效率。有研究报道显示[101],药物和葡萄糖上的C-6结合位点连接后可与BBB上的GLUT1转运体形成稳定的相互作用,具有较强的转运能力。选择功能性更强的功能基团,再选择靶向效率更高的载体结合位点可加强载体靶向性,载体结合位点的选择可分为两步,第一步是载体和靶向功能基团结合位点的选择,第二步是功能化载体和靶向部位受体结合位点的选择。如T7和Tf作为配体均可以和TfR特异性结合,但内源性Tf会竞争抑制修饰在脂质体表面的Tf的特异结合能力,影响Tf的靶向效果,而T7与TfR的结合位点不受内源性Tf的影响,因此,在针对TfR对脂质体或胶束进行修饰时,常选择T7作为靶向配体,避免内源性Tf的竞争抑制进而实现更为高效的靶向递送[78]。此外,有研究表明靶向基团在脂质体和胶束表面修饰的密度,对提高载体与靶标的结合效率也有一定的影响[102]。然而,载体表面连接的靶向基团可能影响载体的粒径、形状、电荷等表面性质,过高或者过低的配体密度可能造成载体在体内循环时间和分布体积的改变。因此,优化靶向基团的长度、结构、结合位点和密度,结合脂质体和胶束的表面性质,对脂质体和纳米胶束的脑靶向作用效果具有重要意义。
3.2载药和释药功能优化
在脂质体和纳米胶束系统中,其包封率和稳定性是纳米制剂研究中较为重要的考察指标。提高脂质体和胶束的包封率是为了让最多的药物输送到靶细胞,稳定性是保证药物包载、存放及体内递送过程中不会泄漏。为提高脂质体的包封率和稳定性,研究者们开发了硫酸铵跨膜梯度法、磷酸盐梯度法、EDTA梯度法等策略[103,104,105],并通过结合超声、热敏等物理化学方法使更多药物进入脂质体。可逆壳或核交联是在胶束的亲水嵌段或疏水嵌段引入一个甚至多个官能团自组装形成稳定的壳或核交联胶束,该交联方式可保护包载药物的胶束结构稳定存在于血液循环中,可逆的壳或核交联胶束在到达靶组织后可在紫外的作用下断开交联从而释放药物,在胶束释药功能中也发挥着重要作用[106]。常用的交联方法有自由基聚合、添加双功能交联剂等,壳交联通常在胶束形成后进行,核交联在胶束形成前后都可以发生。有研究表明[107],改变胶束疏水核心拓扑结构,可改善药物和聚合物之间的相容性,从而提高药物在聚合物胶束中的包封率。脂质体和胶束的精准释药也是保证药物治疗效果的关键一步,研究者们设计了pH敏感型、温度敏感型、超声响应、磁响应等脂质体和胶束来实现靶标释药,还有联合pH和温度响应的释药设计被应用到脂质体和胶束制剂的研究中[108]。因此,提高药物在脂质体和胶束中的包封率和减少药物泄漏是脑靶向治疗的前提,脂质体和胶束在复杂的血液循环过程中的稳定性是保证最多药物到达靶组织成功释药的决定性因素,如何平衡药物高包封率、载体稳定性与药物释放之间的关系是靶向脂质体和胶束在体内应用的瓶颈。
4 脑靶向脂质体和纳米胶束的应用
目前已上市的脑靶向脂质体和胶束制剂屈指可数,许多制剂都处于实验性的基础研究阶段,也有很多正处在临床试验阶段的制剂。相较而言,脂质体具备较高的稳定性和安全性,在临床转化上面临的困难更少,已上市和正处于临床阶段的脑靶向制剂更多。截止到2021年,已获美国FDA批准上市销售的纳米药物约20种,其中大部分是包载DOX和PTX等研究较深入的抗癌药物的脂质体制剂[109]。
4.1用于脑胶质瘤治疗
BBB的存在使GBM的治疗面临更多障碍和困难,查询药品上市信息发现,目前没有治疗GBM的上市脂质体和胶束制剂,大多都处于临床研究阶段。包载阿霉素的脂质体Myocet(NCT02861222)于2010年进入I期临床研究,并于2013年完成13例复发或难治性非脑干恶性GBM患儿静脉注射Myocet的干预治疗,结果表明Myocet在治疗复发或难治性非脑干恶性GBM患儿中安全性较好,同时,研究还筛选出最大耐受剂量[110]。伊立替康(CPT-11)是一种治疗结肠癌的药物,常用于复发性GBM的治疗。在2008年开展的一项I期临床研究中,将包载伊立替康的纳米脂质体(NLCPT-11)(NCT00734682)用于34例复发性GBM患者的治疗,每3周1次静脉注射给药,直至肿瘤情况改善或有毒性现象产生。该研究还发现当CPT-11联用酶诱导类抗癫痫药物治疗复发性GBM患者时会增加CPT-11在体内的清除,清除的主要机制可能是酶诱导类抗癫痫药物诱导了CYP3A4代谢酶的表达,在CYP3A4代谢酶的作用下CPT-11迅速转化为APC等代谢物,随着CPT-11的清除逐渐加快,为保证治疗效果不断加大CPT-11治疗剂量导致非靶标组织毒性增强,提示下一期临床研究应少用或不用酶诱导的抗癫痫药物[111]。在NLCPT-11的Ⅱ期临床研究中,共有38名GBM患者参与临床研究,结果表明该药物单一使用时对GBM患者几乎没有疗效,Ⅱ期临床试验以失败告终[112]。在另一项伊立替康脂质体注射液(nal-IRI)的临床前基础研究中,nal-IRI表现出较好的GBM抑制作用。于是,CLARKE J L等[113]于2014年开始了nal-IRI的I期临床研究,通过静脉注射nal-IR治疗18名复发性高级别GBM临床参与者,该研究确定了nal-IRI的安全性和抗GBM效果,同时确定了最大耐受剂量,关于下一期临床并未见报道。
研究发现[114],抗体修饰的脂质体(免疫脂质体)能避免P-糖蛋白或MRP-1的外排作用,其表面抗体可与肿瘤细胞上高表达的表皮生长因子受体特异性结合,于是研究者们将DOX包载于抗体修饰的脂质体中制备DOX免疫脂质体(C225-ILs-Dox)用于治疗GBM。C225-ILs-Dox(NCT03603379)于2018年进入临床I期试验,C225-ILs-Dox经静脉注射治疗9例复发性或难治性高级别GBM临床参与者,该研究主要评估了C225-ILs-dox在外周血、脑脊液和切除肿瘤组织中的药代动力学,其结果尚未公开。此外,多肽修饰的主动靶向脂质体和胶束研究较多,在脑靶向递药系统中应用广泛。谷胱甘肽(glutathione,GSH)是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸三种氨基酸结合形成的具有抗氧化活性的三肽,可以被哺乳动物CNS和BBB上丰富的谷胱甘肽转运体转运,可改善大脑中大分子和小分子药物的递送。2-BBB公司开发了可用于脑靶向递药的G-Technology®技术,该技术是经FDA批准的成熟专利技术,该技术的核心是将PEG连接到脂质体亲水外层,GSH与PEG分子结合,所制备的功能化脂质体能延长体内循环时间,增强脂质体的脑靶向性同时最大限度地减少脱靶毒性,提高大脑安全给药效率[115]。有研究利用该技术制备了GSH修饰PEG化靶向脂质体,并将甲氨蝶呤包载于脂质体亲水核心,其中PEG可提高脂质体的稳定性,GSH可被CNS和BBB上丰富的谷胱甘肽转运体转运,在小鼠模型中GSH修饰的PEG化脂质体表现出更为显著的靶向治疗作用[16]。目前已有几项GSH-PEG脂质体进入临床研究阶段,其中一个是运用G-Technology®技术将阿霉素包载于GSH修饰地PEG化脂质体中(2B3-101)(NCT01386580),用于脑转移和复发性恶性GBM的治疗,目前已对28名GBM患者静脉注射2B3-101,完成了I期和Ⅱ期临床试验,临床研究结果显示2B3-101具备良好的安全性和耐受性,同时表现出更为明显的脑肿瘤抑制作用[116]。
经查药品上市信息发现,目前尚无物理化学靶向脂质体或胶束进入临床试验,但是使用SonoCloud-9(SC9)系统(NCT03744026)将超声波传递到局部并短暂地增加BBB的通透性已于2019年进入临床I期研究,以评估卡铂进入脑组织治疗复发性GBM患者的安全性和有效性。相信在科技的发展和研究人员的努力下,将物理化学因素和载药纳米载体结合的脑靶向制剂会很快进入临床试验。
4.2用于淋巴瘤性脑膜炎和多发性硬化症治疗
1999年,经鞘内注射用于治疗淋巴瘤性脑膜炎的DepoCyt®由美国FDA批准上市。在DepoCyt®临床试验阶段,对DepoCyt®的毒性和药理研究进行了总结分析。值得一提的是,根据临床毒性研究发现大部分接受脑部疾病治疗的患者都可能伴随着化学蛛网膜炎的症状,是影响淋巴瘤性脑膜炎患者治疗的一大因素,强调了使用DepoCyt®时需要联合地塞米松治疗,以减少化学蛛网膜炎对淋巴瘤性脑膜炎的影响。
在治疗多发性硬化症方面,运用G-Technology®技术开发了包载甲基泼尼松龙的GSH-PEG脂质体(2B3-201)(NCT02048358),该脂质体目前已在47名患多发性硬化症临床志愿者身上完成了I期临床试验,与游离的甲基泼尼松龙相比,2B3-201表现出更为显著的治疗效果,提示2B3-201安全性和稳定性较好,穿透BBB能力强,在体内有较长的循环时间和免疫抑制作用[117]。
5 结语
脂质体和纳米胶束的研究发展在各类脑部疾病的诊断和治疗中具有重要意义,通过被动靶向、主动靶向和物理化学靶向等策略,开发出可穿透BBB靶向脑病灶组织的递药系统,可改善部分药物溶解性低、稳定性差和无靶向性等问题,提高药物治疗效率,具有广阔的临床应用前景。本综述概述了近年来国内外学者对跨BBB纳米靶向载药系统的研究,总结了跨BBB脂质体和胶束递药系统的应用优势和产生机制,提炼了脂质体和胶束制剂的优化策略,列举了脑靶向脂质体和胶束的临床研究进展,以期为新型跨BBB纳米靶向载药载体的研发和临床转化提供参考和思路。然而,脑靶向脂质体和胶束也有诸多问题尚未解决。首先,包载药物穿透BBB递送到脑病灶组织的过程尤为复杂,脂质体和胶束在递送过程中的稳定性、安全性、靶向性和有效性缺少标准的量化方案;其次,脂质体和胶束穿透BBB靶向脑病灶组织的释药机制并不明确,释药后脑内分布存在疑问,在非病灶组织中的安全性有待考证;此外,目前对跨BBB纳米靶向载药载体的研究仍处于基础实验阶段,放大生产困难,临床转化率低;最后,脂质体和胶束制剂的优化策略研究还处于初始阶段,其创新性有待提高,仍需日后进行深入探索和研究。作者相信,随着材料学、药理学、生物学、药剂学等多学科研究者的交叉协作和国家对医药行业的大力支持,制定出准确的体内过程评价量化方案,完善跨BBB相关理论知识,深入挖掘载体释药机制,创新脂质体和胶束制剂优化策略,提高脑靶向脂质体和胶束的临床转化率,开发出靶向性更强、安全性更高、有效性更好的跨BBB脂质体和胶束载药系统指日可待。
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