综述：中枢神经系统疾病潜在药物纳米载体的最新进展

《BioMedical Engineering OnLine》：Recent advances in potential drug nanocarriers for CNS disorders: a review

这篇综述系统阐述了纳米载体技术在中枢神经系统（CNS）药物递送领域的突破性进展，重点探讨了如何利用纳米颗粒（NPs）克服血脑屏障（BBB）这一关键瓶颈。文章详细分析了聚合物纳米粒、脂质体、固体脂质纳米粒（SLNs）、金纳米粒（AuNPs）及外泌体等多种纳米载体的理化特性（如尺寸、表面电荷、脂溶性）及其功能化策略（如配体修饰），并指出了其在阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、脑肿瘤等疾病治疗中的巨大潜力与当前面临的转化挑战（如毒性、规模化生产）。

　　

引言

神经系统疾病，包括帕金森病和阿尔茨海默病，给个人和医疗系统带来了沉重负担。有效的治疗常常受到血脑屏障（BBB）的限制，该屏障限制了药物向中枢神经系统（CNS）的输送。血脑屏障通过特殊的内皮细胞形成的紧密连接，以及星形胶质细胞和周细胞等支持细胞，选择性允许小的脂溶性分子通过，同时限制较大的亲水性分子和大多数病原体。传统的给药方法由于生物利用度低和全身性副作用而成功率有限。纳米技术和纳米载体的出现为克服这些挑战提供了新的希望，它们能够增强药物稳定性，改善BBB穿透性，并实现靶向给药。

血脑屏障（BBB）与纳米载体靶向的关键物理化学属性

纳米颗粒穿越血脑屏障的能力深受其关键物理化学属性的影响。

尺寸与形状

纳米颗粒的尺寸对其穿越BBB的能力至关重要。小于400道尔顿的分子可以被动扩散，而尺寸在10到100纳米之间的纳米颗粒似乎可以在最小化排泄的同时进入大脑。小于5纳米的颗粒可能会被肾脏清除。形状也起着重要作用；与球形颗粒相比，棒状纳米颗粒可以更有效地定位在脑内皮上并运输到脑实质中，从而增加大脑内的积累。非球形几何形状可能减少外周吞噬细胞的摄取，有助于其在中枢神经系统的滞留。

化学组成（脂溶性与生物可降解性）

纳米颗粒的化学组成，特别是其脂溶性，显著影响其穿透高度脂溶性的BBB内皮细胞单层的倾向。生物可降解性对于控制药物释放速率和药代动力学至关重要，以避免不必要的药物积累和相关副作用。常用的生物可降解聚合物包括聚酯、多糖和聚（烷基氰基丙烯酸酯）。

表面电荷

表面电荷是影响纳米颗粒穿越BBB的另一个关键因素。带正电荷的纳米颗粒由于脑内皮细胞表面带负电的蛋白聚糖较多，其细胞摄取率通常高于中性或带负电的纳米颗粒。然而，高浓度的带正电或带负电的纳米颗粒可能短期内损害血脑屏障的完整性，因此需要仔细评估其毒性。

表面修饰

纳米颗粒表面的直接功能化可以显著增强其BBB穿透能力。通过将生物或合成分子（如配体或表面活性剂）连接到纳米颗粒表面，可以促进与特定BBB内皮受体的结合或减少循环清除，从而实现针对特定脑区的精细靶向。

增强BBB穿透的功能化技术

有多种给药途径可用于将纳米颗粒递送至大脑，包括口服、经皮、静脉注射和吸入给药。鼻内给药因其能够通过嗅神经元实现直接脑转运而受到关注，从而规避血脑屏障的限制。最近的研究进展包括应用聚焦超声（FUS）通过局部暂时性打开BBB来增强药物递送。纳米颗粒可以通过载体介导、受体介导或吸附介导的转运机制穿越BBB。虽然脑内和脑室内注射可以实现直接脑部递送，但它们受到神经外科要求的限制。

鼻到脑给药的局限性

鼻到脑给药面临挑战，例如鼻纤毛将药物向喉咙清除从而减少滞留时间，以及嗅觉区表面积有限导致吸收窗口狭窄。鼻酶屏障可能降解某些药物，降低其生物利用度。此外，部分药物分子可能被吸收进入体循环，引起全身性副作用。

各类纳米载体在CNS递送中的应用

聚合物纳米颗粒

聚合物纳米颗粒是研究最广泛的大脑递送纳米载体之一。聚（丁基氰基丙烯酸酯）（PBCA）纳米颗粒是最早被证明能够穿越BBB的纳米颗粒之一。随后，聚乙二醇化的聚乳酸（PLA）和聚（乳酸-羟基乙酸共聚物）（PLGA）纳米颗粒也显示出类似的功能。例如，负载糖肽g7或突变版本白喉毒素（CRM197）的PLGA纳米颗粒显著增强了小鼠的镇痛效果。PLA和PLGA具有生物可降解性和生物相容性，且降解速率比PBCA慢，允许更长时间的递送。一项I期临床试验评估了负载多柔比星的PLGA纳米颗粒（NanoBB-1-Dox）与全身化疗联用治疗胶质母细胞瘤的效果，显示了良好的耐受性，表明PLGA纳米颗粒具有穿越人体BBB的潜力。

脂质基纳米颗粒

脂质体是由脂质双分子层包围的亲水核心组成的经典纳米载体系统。虽然目前尚无脂质体制剂被批准用于临床治疗脑部疾病，但多项临床试验正在进行中。脂质体可以通过受体介导的转胞吞作用（RMT）穿越BBB，而带正电荷的脂质体可以通过吸附介导的转胞吞作用（AMT）进入大脑。例如，抗表皮生长因子受体（EGFR）的多柔比星负载免疫脂质体正在I期试验中进行评估，以比较静脉注射后脑脊液和外周血中的多柔比星水平。多种配体已被用于修饰脂质体，如转铁蛋白、乳铁蛋白、抗转铁蛋白受体抗体、谷胱甘肽或阳离子牛血清白蛋白（CBSA），以增强其靶向性和脑内递送效率。

固体脂质纳米粒（SLNs）

固体脂质纳米粒（SLNs）具有致密的脂质核心，生物相容性好， cytotoxicity低。有趣的是，即使是未功能化的普通或隐形SLNs也显示出穿越BBB的能力。经聚山梨醇酯80（PS80）包被的SLNs能够吸附载脂蛋白E（ApoE），从而促进脑内递送。SLNs还可以通过腹腔、静脉或气管内给药，并且在气管内给药后显示出比静脉和腹腔给药更好的脑内滞留性，且不会引发急性肺部炎症反应。负载超顺磁性氧化铁的SLNs已成功穿越BBB，表明其作为中枢神经系统磁共振成像（MRI）造影剂载体的潜力。

纳米结构脂质载体（NLCs）

纳米结构脂质载体（NLCs）包含液体脂质相，比SLNs具有更高的载药量。研究表明，NLCs可以促进药物向大脑的转运。例如，用乳铁蛋白修饰的NLCs在阿尔茨海默病大鼠模型中显示出比普通NLCs高两倍以上的脑内积累。尽管对NLCsBBB穿透性的研究相对有限，但这种纳米颗粒方法在系统性脑部递送方面显示出前景。

无机纳米颗粒

金纳米颗粒（AuNPs）尺寸和形状可调，具有惰性核心，毒性低，免疫原性弱。研究表明，尺寸在10-15纳米范围内的AuNPs可以穿透大脑。AuNPs的脑内分布具有尺寸依赖性，且表面配体修饰（如转铁蛋白、THR肽、angiopep-2、胰岛素或CLPFFD肽）可以促进其特异性转运。金纳米颗粒（AuNRs）由于其表面等离子体共振特性，在近红外区有强吸收，可用于成像和治疗。金纳米颗粒，特别是功能化后的，在脑肿瘤治疗中作为药物或成像剂的载体显示出潜力。

超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）

SPIONs基于磁铁矿或磁赤铁矿，具有超顺磁性，已被美国FDA批准作为肝脏MRI的造影剂。由于其铁成分，SPIONs具有低毒性和高生物相容性。小于50纳米的SPIONs可以穿过脑肿瘤等疾病中受损的BBB，并且可以通过靶向配体修饰增加其在病变部位的聚集。目前，菲立磁（Ferumoxytol，商品名Feraheme?）是唯一被FDA批准用于人类的SPIONs制剂，用于治疗肾功能衰竭患者的缺铁性贫血，但也用于肾上腺和肾脏的MRI。

外泌体在CNS递送中的作用

外泌体是细胞外囊泡，在细胞迁移、血管生成、细胞间通讯和抗肿瘤免疫等多种生理过程中发挥核心作用。它们可以携带蛋白质、脂质、核酸（如microRNA、lncRNA、circRNA）等生物活性物质。脑源性外泌体能够影响帕金森病和阿尔茨海默病等神经系统疾病的发生发展。重要的是，外泌体能够穿越血脑屏障，这使其不仅成为理解神经退行性疾病的窗口，也成为有前景的无创诊断工具和药物递送载体。

脑靶向器件设计中的考量因素

纳米载体靶向性能受多种因素影响，需在设计中综合考量。

纳米颗粒的神经毒性

BBB靶向策略在提高脑内药物浓度的同时，也可能增加纳米颗粒和化学物质对正常脑组织的暴露风险，从而引发神经毒性担忧。非特异性的BBB靶向装置可能导致潜在有害的纳米颗粒和药物在脑中积累。因此，近年来神经毒性研究备受关注。理想的策略是开发双重脑靶向系统，实现药物在患病脑区的特异性富集，同时减少对健康组织的暴露。

药物突释

成功的脑靶向递送系统需要确保药物在到达病变部位前在循环中保持稳定，并在到达靶点后快速释放。药物在循环过程中过早泄漏会降低最终到达靶器官的浓度，并可能引起全身副作用。因此，需要将药物有效截留在载体内部，直至到达目标位置后才快速释放。pH触发、酶响应、双靶向系统以及使用交联剂等策略可用于实现可控的药物释放。

递送系统的均一性

纳米载体的大小、尺寸分布、表面特性、配体密度、配体含量以及亲脂性/亲水性等性质共同决定了其脑靶向效率。优化这些参数至关重要，其中颗粒尺寸是影响脑部药物分布的最重要参数之一。较小的颗粒更容易穿透BBB。表面电荷也显著影响BBB的穿透能力。一个均质、表征明确的递送系统是成功实现脑靶向的基础。

蛋白冠效应

当纳米载体进入生物系统后，血清蛋白会迅速吸附或结合到其表面，形成“蛋白冠”。蛋白冠会影响纳米颗粒的循环、分布和药物释放模式，并可能遮蔽靶向配体，阻碍其与目标受体的结合，从而降低系统的靶向能力。为了减轻这些影响，可采用聚乙二醇化（PEGylation）、两性离子涂层、预涂层（如白蛋白或载脂蛋白）或仿生细胞膜涂层等表面修饰策略，以减少非特异性蛋白吸附，改善纳米载体的体内性能。

脱靶递送

治疗性靶向的基本原理是配体与其在病变细胞或BBB上特异性高表达的受体或转运蛋白结合。然而，许多这些受体或转运蛋白在正常细胞上也有表达，可能导致纳米载体被非靶组织摄取，降低靶向效率，并可能将药物递送至正常细胞引起不良反应。例如，转铁蛋白受体（TfR）在BBB和癌细胞表面过表达，但也在正常脑细胞上表达。用转铁蛋白修饰的纳米颗粒可能会与BBB、癌细胞以及正常脑细胞上的TfR结合，导致脱靶效应。

营养保健品和植物化学物质衍生的纳米载体

姜黄素、白藜芦醇、槲皮素、小檗碱等营养保健品和植物化学物质因其抗氧化、抗炎和抗癌特性而显示出巨大的治疗潜力，但其临床应用常受限于溶解性差、化学性质不稳定和生物利用度低等问题。纳米技术为克服这些障碍提供了创新方法。脂质基纳米颗粒（如脂质体、纳米结构脂质载体NLCs）常用于递送疏水性化合物。聚合物纳米颗粒（如壳聚糖、藻酸盐、玉米醇溶蛋白制备的）可提供控释和保护作用。混合型或刺激响应型纳米载体可实现更高效、更靶向的递送。这些系统在抗癌、神经保护和抗炎等多种治疗应用中显示出前景。

人工智能/机器学习（AI/ML）在纳米载体设计中的应用

人工智能（AI）和机器学习（ML）与可持续绿色纳米技术的结合，正在推动先进纳米载体的开发。AI/ML方法有望彻底改变神经退行性疾病的治疗格局。计算和AI方法有潜力优化药物-纳米载体相容性，设计出更好的靶向治疗纳米载体。分子动力学和蒙特卡洛模拟等计算方法可以预测纳米载体的形成、构象、递送、相互作用和表面特性，补充实验测量的不足。建立纳米载体数据库（如纳米材料注册库、eNanoMapper）有助于研究人员筛选合适的纳米载体支架和功能基团，加速研发进程。

CRISPR/Cas9负载的纳米颗粒

脂质纳米颗粒（LNPs）已成为递送CRISPR/Cas9组件的重要系统，能够封装和保护核酸，促进其进入靶细胞。例如，可电离脂质纳米颗粒（iGeoCas9 RNP-LNP复合物）已在小鼠的肝脏和肺部组织中实现了16-37%的基因编辑水平。一项I期临床试验表明，单次静脉输注携带Cas9 mRNA和抗TTR sgRNA的LNPs，可导致肝脏中TTR基因的剂量依赖性编辑，并使血清TTR蛋白水平降低高达87%，证明了LNP介导的CRISPR递送的治疗潜力。AI/ML正在被用于优化CRISPR/Cas9递送纳米载体的设计，预测其理化性质，以最大化递送效率并最小化脱靶效应。

用于测试的类器官/3D脑模型

人脑类器官为研究人脑发育和病理状况提供了重要途径。这些模型具有更接近实际的细胞多样性、空间结构和功能连接性，比传统的2D培养模型更具优势。CRISPR Cas9技术已被直接应用于脑类器官，用于研究基因功能和疾病机制。例如，在脑类器官中进行单细胞CRISPR-cas9筛选以识别肿瘤抑制因子，展示了这些模型作为实验性功能基因组工具的用途。人脑类器官也已通过CRISPR/Cas9引入特定基因突变，用于研究自闭症等神经发育障碍，阐明疾病机制和潜在治疗方法。

纳米载体的表征挑战与局限性以及监管与转化方面

纳米载体的生理特性很大程度上取决于其所处的环境。美国国家癌症研究所纳米技术表征实验室（NCL）、美国食品药品监督管理局（FDA）和美国国家标准与技术研究院（NIST）等机构正致力于建立统一的表征标准。挑战包括缺乏可靠的检测方法、阳离子表面相对于中性或阴离子纳米载体更强的细胞膜穿透能力，以及与体液相互作用导致的多分散性变化。给药途径也会影响表征策略。纳米载体的毒性取决于其尺寸、形状、表面电荷、剂量和给药途径。体外细胞毒性研究（如溶血、炎症、氧化应激、线粒体功能紊乱、遗传毒性等）对于评估安全性至关重要。纳米药物的开发面临FDA、欧洲药品管理局（EMA）等监管机构的严格审查，需要建立符合良好生产规范（GMP）的、可放大的生产工艺。

提高纳米载体物理、化学和生物稳定性的策略

纳米载体系统常面临氧化、聚集和蛋白冠形成等稳定性问题。

物理稳定性增强

PEGylation可在纳米颗粒表面形成亲水空间位阻，防止颗粒间相互作用，提高胶体稳定性。冷冻干燥法使用蔗糖、海藻糖等冷冻保护剂，可防止储存和重构过程中的聚集。交联和聚合物共混也有助于保持颗粒完整性。

化学稳定性增强

添加抗氧化剂（如α-生育酚维生素E、丁基羟基甲苯BHT）可抑制脂质基纳米载体的氧化降解。使用抗氧化性更强的组分（如饱和磷脂、聚己内酯PCL、聚乳酸PLA）也是有效策略。维持聚合物基质内的微环境pH值（如缓冲型PLGA微球）可抑制易水解药物的酸催化降解。

生物稳定性改善

隐形涂层（如PEG、两性离子聚合物）可减少调理作用，延长循环时间。仿生涂层（如红细胞膜包被的PLGA纳米颗粒）可显著提高循环半衰期并减少巨噬细胞摄取。蛋白冠工程，即选择性预吸附特定蛋白质，可用于调控纳米载体的生物学特性。

未来展望与结论

未来，神经系统疾病的靶向治疗将涵盖个性化疗法、AI/ML优化的纳米载体以及规避血脑屏障（BBB）和外周毒性挑战的新型递送方法。基因组学和生物标志物分析的进步支持根据患者个体需求开发患者特异性纳米药物。人工智能（AI）和机器学习（ML）正在改变纳米载体的设计和筛选，有望加速安全有效纳米药物的开发。负载CRISPR/Cas9的脂质纳米颗粒、外泌体递送系统和鼻到脑递送等新技术在克服BBB方面显示出巨大潜力。诸如NTLA-2001等CRISPR/Cas9疗法的临床试验初步展示了其前景。

总之，纳米载体为基础的脑部药物递送系统在过去几十年取得了重要进展。合理设计的纳米载体和创新递送路线在实现更精准、靶向、低毒性的神经系统疾病治疗方面潜力巨大。将材料科学家、药剂师和临床医生联系起来的跨学科合作，对于开发下一代高效、安全、可重复且可临床转化的纳米药物至关重要。尽管在将纳米载体转化为临床实践方面仍存在安全性、规模化生产和监管审批等挑战，但持续的研究和技术发展有望最终克服血脑屏障，为神经系统疾病患者带来新的治疗希望。