鞘内给药后中枢神经系统中的纳米粒子分布：腰椎与枕大池给药途径的多模态分析

《Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine》：Nanoparticle distribution in the central nervous system following intrathecal administration: A multi-modal analysis of lumbar versus cisterna magna routes

纳米颗粒经硬膜外腔（IT-CM/IT-L）给药的分布与清除机制研究。通过64Cu标记和荧光成像技术，比较IT-CM与IT-L给药的纳米颗粒在脑部及脊髓的分布特征，发现IT-CM在脑部分布更广且清除更慢，IT-L脊髓富集更显著但清除更快，证实入路点设计是影响纳米药物中枢神经系统递送的关键参数。

　　

Oluwatobi H. Babayemi|Corinne Fotso|Sauradip Chaudhuri|Lindsey K. Sablatura|Cassandra Baker|Fred Christian Velasquez|Janelle Morton|Eva Sevick-Muraca|Rachael W. Sirianni

美国马萨诸塞州伍斯特市UMass Chan医学院神经外科系

摘要

鞘内药物输送是指将化合物直接注入脑脊液（CSF）中，这种方法可以增强对中枢神经系统（CNS）的递送效果，同时将外周暴露降至最低。我们之前的研究表明，表面修饰有聚乙二醇（PEG）的100纳米固体聚苯乙烯纳米颗粒通过大池（cisterna magna，简称IT-CM）途径注入后，能够在CNS内分布。本文重点比较了通过IT-CM与腰椎（IT-L）途径给药后纳米颗粒的命运。我们利用多种动态成像技术追踪了⁶⁴Cu标记的荧光纳米颗粒的运动情况，假设IT-CM途径相比IT-L途径能够更有效地将纳米颗粒输送到大脑。通过定量正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT）、荧光成像（共聚焦显微镜）和生物分布实验（液体闪烁计数）相结合的方法，研究了纳米颗粒的时空分布和清除情况。研究结果表明：（1）IT-CM途径实现了更广泛的大脑范围内的纳米颗粒递送，而IT-L途径则主要在脊柱区域递送；（2）IT-CM途径使纳米颗粒在CNS和近端淋巴系统中持续停留，而IT-L途径则导致纳米颗粒更多地被清除到外周器官；（3）无论是IT-CM还是IT-L途径，纳米颗粒都能在脑组织中检测到，但递送并不完全，大部分信号仍局限于蛛网膜下腔。这些发现强调了鞘内位置对纳米颗粒在CNS内的生物分布和清除途径的重要影响，表明在选择用于鞘内药物输送的纳米医学方案时，给药途径是一个关键的设计参数。

引言

鞘内药物输送是指将治疗剂直接注入脑脊液（CSF）中，这是一种绕过血脑屏障（BBB）以提高治疗剂在中枢神经系统（CNS）中暴露量的方法。鞘内给药途径包括腰椎（IT-L）、脑室（侧脑室或第四脑室）或大池（IT-CM）。鞘内药物输送在临床应用中有悠久的历史，尤其用于治疗慢性疼痛、癌症、神经系统疾病和传染病。目前，人们对使用这种途径输送寡核苷酸或胶体（包括腺相关载体（AAV）和合成纳米颗粒（NPs）的兴趣正在迅速增长。纳米颗粒具有许多适用于鞘内药物输送的优点，例如可控释放，这可以提高药物的耐受性和疗效，以及有利于共价修饰的表面化学性质。通过调整纳米颗粒的大小、形状、表面化学性质、负载量和组成，可以实现靶向递送。

尽管鞘内疗法在临床应用中已有丰富的历史，并且具有潜在的未来影响，但我们对特定鞘内给药方法如何影响活性剂的分布仍存在许多认识上的空白。在之前的研究中，我们研究了表面修饰有聚乙二醇（PEG）的荧光标记固体聚苯乙烯纳米颗粒的分布情况。该研究重点分析了通过IT-CM途径给药后纳米颗粒在组织层面的命运，这种方法在小鼠模型中允许注入更大的液体体积，相比IT-L途径更具优势。然而，由于操作简便性和安全性更高，IT-L可能更适合作为临床应用的途径。因此，我们决定直接比较通过IT-CM和IT-L途径给健康小鼠给药后纳米颗粒的命运，利用多模态动态成像技术来更好地了解影响中枢神经系统（CNS）暴露的障碍和机会。我们假设通过IT-CM途径给药能够提高纳米颗粒在大脑中的暴露量。为了验证这一假设，我们开发了用⁶⁴Cu标记100纳米聚苯乙烯纳米颗粒的方法，并通过IT-CM或IT-L途径将其注入健康小鼠体内。通过PET/CT进行全身动态成像、对提取的器官进行液体闪烁计数以及荧光成像研究，以观察纳米颗粒在CNS内的时空分布情况。除了观察到IT-CM和IT-L途径之间的分布差异外，我们还发现了纳米颗粒从CSF清除到颈淋巴结的过程因给药部位而异。这些观察结果支持了我们的预期，即IT-CM途径比IT-L途径更能提高大脑中的纳米颗粒递送效果。此外，与之前的研究结果相比，当前的研究表明，当胶体直接注入CSF时，可能无需进行表面修饰。总体而言，这些研究加深了我们对纳米颗粒在蛛网膜下腔（SAS）内分布和清除机制的理解，为设计更有效的治疗系统以治疗CNS疾病提供了方向。

材料

材料

100纳米羧基修饰的FluoSpheres?纳米颗粒（红色，λ_ex/λ_em = 580/605，产品编号F8801）购自ThermoFisher Scientific（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）。2,2′-(7-(4-((2-氨基乙基)氨基)-1-羧基-4-氧丁基)-1,4,7-三唑烷-1,4-二基)二乙酸（NH₂-NODA-GA，简称NODA-GA）购自CheMatech（法国第戎）。N-Ethyl-N′-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC，产品编号E1769）和甘氨酸（G5416）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。⁶⁴Cu购自...

纳米颗粒表征

在共价修饰前后，通过动态光散射（DLS）测量了FluoSpheres?纳米颗粒的流体动力学直径和ζ电位，以确认螯合剂成功附着在纳米颗粒表面（图1）。纳米颗粒与铜-64（⁶⁴Cu）共孵育，以便使用PET和荧光技术进行多模态追踪。通过DLS进行的纳米颗粒稳定性研究表明，未经修饰的纳米颗粒以及经过螯合剂修饰的纳米颗粒（NDG-FNPs）在aCSF和PBS中均保持稳定。

讨论

由于治疗剂在肠外给药后难以到达CNS实质，因此有效治疗CNS疾病仍然是一个挑战。这一限制源于构成血脑屏障（BBB）的内皮细胞之间的紧密连接，以及外排转运蛋白的存在，这些因素共同阻碍了绝大多数循环分子的进入。进入CNS实质的分子还会进一步受到降解...

CRediT作者贡献声明

Oluwatobi H. Babayemi：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、数据可视化、软件应用、实验设计、数据分析、概念构建。 Corinne Fotso：实验设计。 Sauradip Chaudhuri：实验设计、数据分析、概念构建。 Lindsey K. Sablatura：实验设计、数据分析。 Cassandra Baker：实验设计、数据分析。 Fred Christian Velasquez：实验设计。 Janelle Morton：实验设计。 Eva Sevick-Muraca：项目监督、软件应用、资源协调、资金支持。

资金来源

本工作得到了美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的资助，项目编号包括R01NS111292、R01HD099543和R21NS107985。