脑药物传递的挑战和g -技术作为解决方案之一

摘要

脑是治疗脑相关疾病最难以有效给药的器官之一。其原因是中枢神经系统中存在血脑屏障、血脑脊液屏障、血肿瘤屏障等各种屏障。血脑屏障由脑毛细血管内皮细胞形成的血脑屏障，它限制大多数药物和输送系统的进入血液脑脊液屏障和血液肿瘤屏障也为有效地将治疗药物输送到中枢神经系统(CNS)提出了一个巨大的问题。因此，人们正在开发各种技术，如血脑屏障破坏、分子特洛伊木马技术、基于生物学的方法、鼻内给药、立体定向引导插入、化学方法、转运蛋白介导的给药，以提高治疗药物在大脑中的数量和浓度。一种被称为G-Technology的新方法也被开发出来，以增强药物的输送。

关键字

脑给药，G-Technology，中枢神经系统

简介

克服将治疗药物输送到大脑特定区域的困难是治疗大多数脑部疾病的主要挑战。大脑(中枢神经系统)受到屏障的保护，这些屏障控制化合物进入大脑，从而调节大脑内稳态。脑与循环血液之间有一道独特的膜质屏障-血脑屏障(血脑屏障)[1，2］．对中枢神经系统疾病有效并通过血腔室到达大脑的药物必须通过血脑屏障。目前估计，98%的小分子药物能最低限度地穿过血脑屏障，而极少数的大分子药物能穿过血脑屏障。大脑的毛细血管已经进化到限制分子和细胞在血液和大脑之间的运动，为循环的有毒或感染性物质提供了天然的防御。血脑屏障的相对不渗透性是由细胞粘附分子形成的毛细血管内皮细胞之间的紧密连接造成的。为了研制能够以治疗效果所需的浓度水平穿透血脑屏障的药物，了解大脑吸收和流出的机制至关重要[3.］．大多数用于治疗中枢神经系统疾病的药物分子量在150至500 Da之间，对数辛醇/水分配系数在-0.5至6.0之间[4］．一般认为带电分子不能轻易穿透血脑屏障;因此，对于在生理pH值7.4时部分电离的药物，正是不带电的部分决定了在血脑屏障中的扩散梯度，并形成了药物任何被动扩散运动的驱动力[5］．

药物的脂溶性与其穿透中枢神经系统有直接关系[6]，这被认为代表血脑屏障外显率与药物分配到细胞膜脂质的能力之间的直接相关性。因此，设计一种具有最佳脂溶性的血脑屏障渗透药物，并保留重要的中心药理活性，将是理想的解决方案，但这通常是不可能的。因此，人们正在开发各种策略来提高大脑中治疗性化合物的数量和浓度。

中枢神经系统药物传递的各种障碍

有许多障碍可以抑制药物向中枢神经系统的传递。

血脑屏障

血脑屏障是一种膜性屏障，将大脑与循环血液紧密隔离。7，8］．血脑屏障非常有效地保护大脑免受许多常见的细菌感染。因此，大脑感染是非常罕见的。然而，由于抗体太大，无法穿过血脑屏障，即使发生脑感染，也往往非常严重，难以治疗。然而，病毒很容易绕过血脑屏障，附着在循环免疫细胞上。血脑屏障是由高密度细胞组成的，它比身体其他部位毛细血管中的内皮细胞更能限制物质从血液中通过。大脑的毛细血管内衬有一层特殊的内皮细胞，这些细胞没有开窗，连接紧密[9］．这些紧密的连接被称为闭塞带[10］．由几个跨膜蛋白(如闭塞蛋白和粘连蛋白)相互作用产生的紧密连接，它们投射到并封闭细胞旁通路。这些连接蛋白的相互作用是复杂的，并有效地阻止了血液中极性溶质沿这些潜在的细胞旁途径自由扩散的水通道，从而阻止了这些溶质自由进入脑间质(细胞外)液[11，12，13，14，15]。形成血脑屏障的内皮细胞在内皮细胞的管腔和管腔膜上也表现出转运蛋白的极化表达，一些转运蛋白仅在其中一种界面膜上表达，另一些则在另一种界面膜上表达，而另一些则插入两种膜[16，17，18，19，20.］．室管膜细胞和神经胶质细胞有三种类型。

星形胶质细胞

星形胶质细胞形成神经元的结构框架并控制其生化环境。称为星形细胞足的星形胶质细胞突出物(也称为“胶质局限体”)环绕血脑屏障的内皮细胞，为这些细胞提供生化支持。

少突胶质细胞

少突胶质细胞负责髓鞘的形成和维持，髓鞘围绕着轴突，是通过问候传导快速传递动作电位所必需的。

小神经胶质细胞

小胶质细胞是血液来源的单核巨噬细胞[21］．

血-脑脊液屏障

脑脊液与脑实质的间质液交换分子。因此，血源性分子进入脑脊液的通道也受到血液-脑脊液屏障的仔细调节。由脉络膜丛的上皮细胞形成的血- csf屏障[13］．脉络膜和蛛网膜共同作为血液和脑脊液之间的屏障。在大脑的外表面，室管膜细胞折叠起来形成一个双层结构，称为蛛网膜。双层内为蛛网膜下腔，参与脑脊液引流。紧密的连接阻止了血液中的物质通过蛛网膜[22］．蛛网膜通常对亲水物质是不渗透的。脉络膜丛形成脑脊液，并积极调节脑脊液中分子的浓度。

血肿的障碍

在血脑屏障显著受损的中枢神经系统恶性肿瘤中，所有实体肿瘤常见的各种生理障碍抑制了通过心血管系统的药物传递。实体肿瘤中肿瘤细胞的药物输送受到肿瘤间质中微血管分布不均的影响，这导致药物输送在空间上不一致。此外，随着肿瘤变大，血管表面积减少，导致血源性分子跨血管交换减少。在这种情况下，毛细血管内距离增加，导致药物向肿瘤细胞传递的扩散需求增加，并且由于高间质肿瘤压力和相关的瘤周水肿导致肿瘤附近正常脑实质的静水压力增加。因此，正常大脑肿瘤邻近区域的脑微血管对药物的渗透性甚至低于正常脑内皮，导致肿瘤外间质药物浓度异常低[23］．

药物输送到大脑的各种技术

经颅给药

这包括脑室内注射(ICV)、脑内植入(IC)和对流增强扩散(CED)。

BBB破坏

这种方法背后的想法是通过向颈部动脉注射糖溶液(甘露醇)来暂时打破屏障。由此导致的大脑毛细血管中的高糖浓度将内皮细胞中的水分吸走，使其收缩，从而打开紧密连接[24］．低剂量的溶剂如SDS(十二烷基硫酸钠)、乙醇、DMSO(二甲基亚砜)、甘油和Tween-80被发现会对血脑屏障造成轻微破坏，通过这些溶剂，药物可以很容易地给药。血脑屏障中断有可能增强脑治疗药物的输送，以治疗脑感染、溶酶体储存障碍和神经退行性疾病[33］．

副作用:它会使血浆蛋白质泄漏到大脑，也会引起生理压力。

分子特洛伊木马技术

在该技术中，不可转运蛋白或单克隆抗体被融合到分子特洛伊木马[25］．分子特洛伊木马可以通过血脑屏障运输大分子，如抗体、重组蛋白、非病毒基因药物或RNA干扰药物。据报道，抗血脑屏障人胰岛素受体(HIR)的基因工程单抗和抗啮齿动物转铁蛋白受体(TfR)的单克隆抗体HIRMAb和TfRMAb分别通过胰岛素或转铁蛋白(Tf)的内源性运输系统在血脑屏障进行RMT。

基于生物学的方法

中枢神经系统药物传递的生物学方法主要来自对血脑屏障运输的生理学和解剖学细微差别的理解。多巴胺是一种不穿过血脑屏障的水溶性儿茶酚胺，它转化为相应的α氨基酸L -多巴，使多巴胺传递到大脑，这是近40年来治疗PD的主要方法。使用L -DOPA将多巴胺传递到大脑是血脑屏障药物传递策略，它利用血脑屏障内CMT系统之一的1型大型中性氨基酸转运体(LAT1)。在通过LAT1穿过血脑屏障后，L -DOPA在大脑内被芳香氨基酸脱羧酶(AAAD)转换回多巴胺[26］．

Transporter-mediated交付

肽和小分子可以利用在形成血脑屏障的内皮细胞的管腔和基底外侧表达的特定转运蛋白进入大脑。至少有8种不同的营养运输系统已经被确定，每种运输一组结构相似的营养物质。只有密切模仿内源性载体底物的药物才会被吸收并运输到大脑中。通过使用在形成血脑屏障的内皮细胞上表达的载体介导的转运蛋白，可以对药物进行修饰，从而增加药物的转运[27］．

立体制导插入

它包括将一根小口径导管插入脑实质。通过该导管，输液被主动泵入脑实质并渗透到间质空间。输注持续数天，然后在床边取下导管。立体定向引导插入的成功取决于导管的精确放置[28］．该方法临床主要应用于胶质母细胞瘤的靶向治疗[29］．

化学方法

化学方法的主要前提仍然是使用前药。前药物是由生物活性物种的短暂化学修饰而产生的无药理活性化合物。化学变化通常是为了改善某些不足的物理化学性质，如膜的渗透性或水溶性。在给药后，由于其改进的特性，前药被带到更接近受体部位，并在那里维持更长的时间。在这里，它被转换为活动形式，通常通过一个单一的激活步骤[30.］．

鼻内交货

一种绕过血脑屏障将治疗药物输送到大脑的非侵入性鼻内方法已被开发出来[31］．这种方法允许不通过血脑屏障的药物通过鼻上皮的嗅觉区运输被运送到嗅觉脑脊液。啮齿类动物鼻上皮嗅区表面积大，约为50%，而人类嗅区面积小，约为5%，28因此，鼻内给药预计不会在大多数大脑区域达到治疗药物水平[32］．

脂质体

脂质体是胶体颗粒，通常由磷脂和胆固醇组成，其他成分也可以加入其中。这些脂质分子以囊泡的形式形成同心双分子层，可用于将药物困住并输送到皮肤和通过皮肤[34］．它们的特性取决于制造工艺和双分子层组分的选择。小到20nm，大到10μm。脂质体可以是单层(即只有一个双分子层围绕一个水核)或多层(几个双分子层同心围绕一个水核)[35］．为了使用脂质体作为传递系统，在形成过程中加入药物。亲水化合物通常存在于囊泡的含水部分，而疏水化合物倾向于留在脂质蛋白中。脂质体制剂的物理特性和稳定性取决于pH值、离子强度、二价阳离子的存在以及所使用的磷脂和添加剂的性质

g技术

G-Technology提供了一种新的方法来增强药物的输送，这些药物在治疗效果所需的浓度水平上不易到达大脑。G-Technology是一种最安全的给药方法[37］．基于文献发现和台湾新竹工业技术研究所(ITRI)陆麦琪博士先前未发表的药物传递部门的验证结果，ITRI在2005年首次申请了谷胱甘肽介导的药物传递到大脑的专利。2008年，to- bbb technologies BV获得了将这些专利商业化的全球独家权利，用于向大脑定向输送药物[36］．

基本概念

G-Technology是基于聚乙二醇化脂质体包封亲水和亲脂化合物的能力。G-Technology是脂质体的修饰。在脂质体上添加聚乙二醇使脂质体具有隐身特性，因为它最大限度地减少了身体防御系统对脂质体的清除，从而使血液循环时间更长[38］．

结构

G-Technology是一种聚乙二醇化脂质体给药系统。它由三肽谷胱甘肽和聚乙二醇(PEG)分子以及脂质体组成。三肽谷胱甘肽作为靶向配体存在于聚乙二醇(PEG)分子的尖端。由于所有成分都已在临床实践中使用，其特性也已为人所知，因此G-Technology提供了一种安全的方法来加强药物向大脑的输送[39］．

作用机制

G-Technology使用的谷胱甘肽水平远低于内源性谷胱甘肽水平和谷胱甘肽转运体容量，从而排除了对大脑中谷胱甘肽内源性功能的潜在干扰。通过内源性谷胱甘肽转运蛋白增强的脑传递可以使神经保护血脑屏障功能完全完整，这对大脑功能至关重要。基于细胞的分析已经证明了G-Technology的谷胱甘肽特异性和活性内吞摄取机制。

使用

•谷胱甘肽是一种内源性抗氧化三肽，参与细胞解毒机制，并被血脑屏障的专门转运蛋白特异性主动吸收。

•与非靶向脂质体和免费药物相比，装载多肽和小分子的G-Technology在疼痛、脑肿瘤、病毒性脑炎和神经炎症的模型中发挥了优越的作用。

•包覆化疗药物、抗真菌药物、疫苗等的聚乙二醇化脂质体用于多种适应症[40］．

结论

药物输送到大脑的主要问题是血脑屏障的存在。大脑的毛细血管内衬有一层特殊的内皮细胞，这些细胞没有开窗，连接紧密，形成血脑屏障。98%的小分子药物最小限度地穿过血脑屏障，而少量的大分子药物穿过血脑屏障。由脉络膜丛上皮形成的血脑脊液屏障。现在已经发展出不同的技术来提高大脑中治疗性化合物的数量和浓度。G-technology将广泛应用的聚乙二醇脂质体给药方法与内源性三肽谷胱甘肽作为靶向配体结合在一起，新颖而安全。谷胱甘肽在G-Technology中起着重要的作用。G-Technology用于在系统可容忍的治疗剂量下无法到达大脑的药物。G-Technology增强药物通过血脑屏障的传递。g技术最大限度地降低了常见风险，如不良免疫反应或对生命必需的生理途径的干扰。

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