NRR:军事医学研究院杜丽娜团队评述了纳米载体在创伤性脑损伤中的应用策略
创伤性脑损伤可导致严重的并发症和后遗症,威胁生命健康[1]。原发性脑损伤是创伤性脑损伤的第一阶段,可直接损伤血脑屏障,破坏神经元并引起局部炎症,进而引发继发性脑损伤,如认知缺陷、记忆障碍、运动障碍和其他神经退行性疾病、听力或视力丧失以及心理问题[2]。创伤性脑损伤治疗药物面临的主要挑战是如何高效地使药物穿透血脑屏障,实现脑内富集。纳米载体被寄予厚望,希望能实现创伤性脑损伤治疗的突破。已研究的用于创伤性脑损伤治疗的纳米载体包括脂质体、细胞外囊泡、纳米粒、胶束、聚合物等。还有一些靶向策略如磁性纳米粒、肽分子修饰、细胞介导的脑靶向药物递送系统等,也可用于创伤性脑损伤治疗。根据药物理化性质筛选出合适的纳米载体以提高药物的治疗作用将为创伤性脑损伤的高效治疗提供新思路。
最近,来自中国军事医学研究院杜丽娜研究员团队在《中国神经再生研究(英文版)》(Neural Regeneration Research)上发表了题为“Advantages of nanocarriers for basic research in the field of traumatic brain injury”的综述,系统地阐述了创伤性脑损伤的病理生理学、发病机制、检测指标,并对脂质体、囊泡等多种纳米载体用于创伤性脑损伤的现状进行了概括。目前,大多数研究尚处于基础阶段,距离实际应用还有很大的距离。但这项综述为创伤性脑损伤的纳米载体靶向治疗提供了新策略。
创伤性脑损伤是一个比较宽泛的概念,疾病表现千差万别,轻重不一。一般来说比较轻的脑震荡,只表现为短暂的意识丧失、逆行性遗忘,恢复快,恢复效果好[3]。如果是出血量比较小的脑损伤、脑内血肿形成、双膜下腔出血、轻微的骨折、少量的硬膜外硬膜下血肿,只表现为头昏头痛[4]。如果病情不进展,通过一段时间的保守治疗,就会恢复。如果是出血量比较大的脑损伤,特别是硬膜外硬膜下的血肿或者脑内比较大的颅内血肿都会迅速进展,出现脑栓形成,心跳呼吸停止,甚至需要抢救。且不同区域的脑损伤的表现也不一样。额叶损伤可能出现性格改变,枕叶损伤可能出现视力障碍,颞叶损伤可能诱发癫痫。如果是脑干损伤或者弥漫性轴索损伤,可能导致昏迷不醒,甚至成为植物人;小脑损伤会出现头晕、恶心呕吐等反应。脑损伤后的综合症及表现千差万别。因此,创伤性脑损伤其实是一种包括多种症状表现的综合疾病,而不是一种单一的疾病症状[5]。
创伤性脑损伤可分为原发性损伤和继发性损伤。原发性损伤破坏血脑屏障,损害神经元和神经胶质组织,从而引起局部炎症,引起继发性神经退行性病变[6]。因此创伤性脑损伤损伤除开始的头部物理损伤外还可能涉及到继发性损伤,如脑缺血引起的持续性促炎细胞因子上调、少突胶质细胞数量减少和胶质反应性等。脑缺血,脑组织中葡萄糖和氧气缺乏导致谷氨酸兴奋性毒性和钙过量流入,使组织细胞处于应激状态,促进自由基的形成,炎症的发生将进一步损害大脑,出现认知障碍、记忆受损、运动障碍、听力和视力丧失以及心理问题等(图1)。
图1 |创伤性脑损伤继发性损伤的机制(图源:Song et al., Neural Regen Res, 2024)
尽管创伤性脑损伤的相关研究一直在进行中,但其临床诊断和治疗手段却极其有限。目前已批准的针对创伤性脑损伤的有效治疗药物很少,临床多采用对症治疗的策略来延缓脑部病变,改善患者的脑部功能。目前研究的希望聚集在了创伤性脑损伤的治疗靶点上,希望可通过确切的治疗靶点来找到更加有效的治疗药物和治疗手段。表1对目前研究已知的各治疗靶点特点、治疗策略进行了简单总结。大部分神经营养因子分子量大,难以透过血脑屏障,目前很少有药物可以针对创伤性脑损伤起到神经修复作用。微小RNA的表达与创伤性脑损伤的原发性和继发性损伤皆有相关性,微小RNA可以透过血脑屏障[7],通过抑制或上调特定的微小RNA可能对创伤性脑损伤起到一定的治疗作用。钙/钙调素依赖蛋白激酶2D(CAMK2D)主要存在于海马CA3区锥体神经元内,在脑损伤海马组织中表达下降;可通过脑立体定位注射小鼠海马CA3区改善小鼠认知功能。抑制脑神经元聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(PARP)过度激活可减少炎症因子的过度释放引起的神经元死亡[8],PARP抑制剂作为创伤性脑损伤的治疗靶点具有良好的临床治疗潜力[9]。小胶质细胞是许多抗炎策略的靶点,M2表型小胶质细胞可能在创伤性脑损伤早期清除细胞碎片,而M1表型小胶质细胞可能与慢性神经炎症有关。在创伤性脑损伤后,活化的小胶质细胞的主要表型可能从急性活化的M2转变为慢性活化的M1。然而小胶质细胞失调后会产生促炎因子,引起细胞毒性导致神经元受损,因此可通过调节M1和M2表型小胶质细胞的比例来使小胶质细胞对创伤性脑损伤发挥积极的治疗作用,这使得小胶质细胞的极化状态成为药理学干预的新靶点。游离铁在活性氧和脂质过氧化中起关键作用。铁蛋白的自噬导致铁死亡的发生,而铁死亡导致游离铁的增加[10],从而导致创伤性脑损伤的二次损伤。随着研究的发现,更多的创伤性脑损伤治疗靶点将被阐明并给创伤性脑损伤患者带来更多的福利。
创伤性脑损伤会引发中枢和外周炎症反应。但由于血脑屏障的存在使得大部分药物无法迅速、高效地递送到脑部病变部位进行治疗,这使创伤性脑损伤的治疗受到了一定的阻碍。近年来纳米载体逐渐进入人们的视野,研究发现纳米粒[11]、脂质体[12]、细胞外囊泡、胶束及树枝状聚合物[13]等因其具有更大的比表面积和优良的的电学、空间、光学、生物等特性,可以跨越多种生理障碍[14]而成为研究热点(表2和图2)。纳米给药系统的靶向机制可能是因为其吸附在毛细血管壁上形成较高的药物浓度[15],表面活性剂的增溶作用,增加细胞的旁路运输,内皮细胞的内吞作用,与特异性受体结合,通过胞吞作用摄取药物,抑制磷酸化糖蛋白的外排作用[16]等。纳米载体已成为很多疾病的药物传递工具[17],并取得了显著的效果。
#br#
图2 | 不同纳米载体的结构示意图(图源:Song et al., Neural Regen Res, 2024)
由于血脑屏障的存在,治疗创伤性脑损伤继发性损伤的药物给药后起效较低。纳米载体在一定程度上克服了创伤性脑损伤治疗药物血脑屏障通透性低的缺点。此外,通过一些靶向策略将药物递送至脑损伤部位,发挥特定的滞留作用,实现脑靶向递送,提高治疗效果,减少对全身的不良影响。理想的药物递送系统是在不影响周围组织的情况下将药物递送到病变处。因此,脑靶向递送受到了越来越多的关注。
靶向药物输送系统是实现无创药物输送到大脑和克服血脑屏障的主要途径。研究最广泛的脑外伤新靶向策略包括在磁场作用下定向移动的磁性纳米颗粒;多肽作为靶向分子的靶向剂;细胞介导的靶向治疗和靶向给药。
磁性纳米粒是指任何具有磁性的纳米颗粒作为药物的载体[18],具有在血液或血清中停留较长时间的生物能力,保证了药物的暴露时间、提高药物与受体的接触率,有助于提高靶向给药的疗效[19]。结合其尺寸小这个优势,并使其具有磁性以作为导航动力,使其可在体内移动,这可能形成定向传递,且空间障碍更少,能穿透血脑屏障[20]。
促红细胞生成素在神经保护、神经再生和红细胞生成中起着重要作用。目前促红细胞生成素已经作为一种治疗方法用于治疗中枢神经系统损伤。然而,促红细胞生成素在神经系统损伤的治疗中需要其尽快到达病变部位(6-8h内),提高促红细胞生成素的传递效率,因此需要将其制备成诸如纳米载体等快速靶向给药制剂,磁性纳米载体载促红细胞生成素可使其在磁场的作用下更快速、准确的到达中枢神经系统损伤部位,并通过磁力的引导作用在靶向部位富集,起到滞留作用,提高治疗效果。
不同的物质以不同的方式通过血脑屏障(图3)。血脑屏障通过内皮细胞、星形胶质细胞、周细胞和神经元细胞等多种细胞控制物质的通透性。一些水溶性小分子可通过细胞旁路转运穿过血脑屏障,一些亲脂性物质可通过细胞膜转运,能与膜受体特异性结合的物质可通过受体介导的内吞作用或吸附介导的内吞作用被细胞膜形成的囊泡包裹通过血脑屏障。所有这些转运途径都需要ATP的消耗,属于主动转运。
#br#
图3 | 不同分子通过血脑屏障的运输方式(图源:Song et al., Neural Regen Res, 2024)
脑通透性肽-药物偶联物是通过连接剂将穿透肽和治疗药物连接而形成的。穿透肽主要来源于内源性嗜神经蛋白、神经毒素、某些病毒以及经噬菌体生物筛选修饰后发现的内源性多肽或多肽,可通过受体介导的内吞作用将药物穿过血脑屏障[21],并将药物递送至大脑(图4)。
#br#
图4 | 脑通透性肽-药物结合物示意图(图源:Song et al., Neural Regen Res, 2024)
创伤性脑损伤可引起组织水肿和细胞浸润,损伤神经元,激活星形胶质细胞和小胶质细胞,启动炎症反应,导致神经系统组织损伤和功能障碍[22]。间充质干细胞可穿过血脑屏障并分泌营养因子至受损区域,促进受损细胞和组织修复,促进神经系统结构和功能恢复[23](图5)。
#br#
图5 | 创伤后脑损伤发生与干细胞治疗(图源:Song et al., Neural Regen Res, 2024)
纳米载体给药系统可克服各种生物障碍,提高药物生物利用度,增加细胞内穿透和保留时间,实现药物富集,控制药物释放,实现药物靶向脑内给药。在创伤性脑损伤治疗中,纳米载体递送系统优势十分突出。理想的纳米载体除可直接促进治疗药物通过血脑屏障,还可通过修饰纳米载体实现脑靶向性递送,降低药物引起的全身毒性,减少药物的不良反应,为创伤性脑损伤的后续治疗和长期治疗提供了新选择,具有广阔应用前景。但如何将纳米载体靶向治疗与创伤性脑损伤发病机制更紧密地联系起来是值得关注的问题,同时纳米载体体内应用的安全性问题也是制约其走向实际应用的巨大障碍。如能有效阐明纳米载体脑靶向递送机制与体内行为将为其更快走向产业化奠定坚实基础。
原文链接:https://doi.org/10.4103/1673-5374.379041
参考文献
[1] Gao G, Wu X, Feng J, et al. Clinical characteristics and outcomes in patients with traumatic brain injury in China: a prospective, multicentre, longitudinal, observational study. Lancet Neurol. 2020;19(8):670-677.
[2] Dixon KJ. Pathophysiology of traumatic brain injury. Phys Med Rehabil Clin N Am. 2017;28(2):215-225.
[3] Coronado VG, Mcguire LC, Sarmiento K, et al. Trends in traumatic brain injury in the U.S. and the public health response: 1995-2009. J Safety Res. 2012;43(4):299-307.
[4] Capizzi A, Woo J, Verduzco-Gutierrez M. Traumatic brain injury: an overview of epidemiology, pathophysiology, and medical management. Med Clin North Am. 2020;104(2):213-238.
[5] Galgano M, Toshkezi G, Qiu X, et al. Traumatic brain injury: current treatment strategies and future endeavors. Cell Transplant. 2017;26(7):1118-1130.
[6] Graham NS, Sharp DJ. Understanding neurodegeneration after traumatic brain injury: from mechanisms to clinical trials in dementia. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 2019;90(11):1221-1233.
[7] Paul S, Bravo Vázquez LA, Pérez Uribe S, et al. Current status of microRNA-based therapeutic approaches in neurodegenerative disorders. Cells. 2020;9(7):1698.
[8] Chen T, Wang W, Li JR, et al. PARP inhibition attenuates early brain injury through NF-κB/MMP-9 pathway in a rat model of subarachnoid hemorrhage. Brain Res. 2016;1644:32-38.
[9] Sun J, Liu J, Gao C, et al. Targeted delivery of PARP inhibitors to neuronal mitochondria via biomimetic engineered nanosystems in a mouse model of traumatic brain injury. Acta Biomater. 2022;140:573-585.
[10] Li QS, Jia YJ. Ferroptosis: a critical player and potential therapeutic target in traumatic brain injury and spinal cord injury. Neural Regen Res. 2023;18(3):506-512.
[11] Khalin I, Alyautdin R, Wong TW, et al. Brain-derived neurotrophic factor delivered to the brain using poly (lactide-co-glycolide) nanoparticles improves neurological and cognitive outcome in mice with traumatic brain injury. Drug Deliv. 2016;23(9):3520-3528.
[12] Fan Y, Marioli M, Zhang K. Analytical characterization of liposomes and other lipid nanoparticles for drug delivery. J Pharm Biomed Anal. 2021;192:113642.
[13] Sharma A, Liaw K, Sharma R, et al. Targeting mitochondrial dysfunction and oxidative stress in activated microglia using dendrimer-based therapeutics. Theranostics. 2018;8(20):5529-5547.
[14] Beard K, Meaney DF, Issadore D. Clinical applications of extracellular vesicles in the diagnosis and treatment of traumatic brain injury. J Neurotrauma. 2020;37(19):2045-2056.
[15] Saraiva C, Praça C, Ferreira R, et al. Nanoparticle-mediated brain drug delivery: overcoming blood-brain barrier to treat neurodegenerative diseases. J Control Release. 2016;235:34-47.
[16] Wang F, Xiao J, Chen S, et al. Polymer vesicles: modular platforms for cancer theranostics. Adv Mater. 2018;30(17):e1705674.
[17] Florence AT. Reductionism and complexity in nanoparticle-vectored drug targeting. J Control Release. 2012;161(2):399-402.
[18] Pohland M, Pohland C, Kiwit J, et al. Magnetic labeling of primary murine monocytes using very small superparamagnetic iron oxide nanoparticles. Neural Regen Res. 2022;17(10):2311-2315.
[19] Das M, Wang C, Bedi R, et al. Magnetic micelles for DNA delivery to rat brains after mild traumatic brain injury. Nanomedicine. 2014;10(7):1539-1548.
[20] Ghosal K, Chatterjee S, Thomas S, et al. A detailed review on synthesis, functionalization, application, challenges, and current status of magnetic nanoparticles in the field of drug delivery and gene delivery system. AAPS PharmSciTech. 2022;24(1):25.
[21] Zhou X, Smith QR, Liu X. Brain penetrating peptides and peptide-drug conjugates to overcome the blood-brain barrier and target CNS diseases. Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol. 2021;13(4):e1695.
[22] Qu M, Xing F, Xing N. Mesenchymal stem cells for the treatment of cognitive impairment caused by neurological diseases. Biotechnol Lett. 2022;44(8):903-916.
[23] Das M, Mayilsamy K, Mohapatra SS, et al. Mesenchymal stem cell therapy for the treatment of traumatic brain injury: progress and prospects. Rev Neurosci. 2019;30(8):839-855.
#br#
(照片提供自:杜丽娜实验室)
#br#
通讯作者:杜丽娜,1977年生,女,汉族,共产党员,医学博士,军事科学院军事医学研究院研究员,硕士生导师。主要研究方向为围绕鼻腔、经皮等给药途径开展脑靶向递送研究,主要工作包括从中药、小分子化学药物、生物大分子药物中筛选有效药物,通过原位凝胶、立方液晶、微针等新型制剂实现脑靶向,用于治疗神经退行性疾病、低压低氧脑损伤等脑部疾病。获得中国药学会青年药剂学奖。现担任中国药学会药剂学和制药工程专委会青年委员,世中联经皮给药专委会理事,军队特需药品审评专家,《AJPS》、《Burns&Trauma》、《沈阳药科大学学报》、《中国医药导报》、《中国当代医药》等多个权威期刊青年编委。以第一负责人主持国家重大新药创制、军队重点课题、国家和北京市自然科学基金等多项课题。先后获得中国发明协会发明创业奖(1)、中国药学会科技进步奖(2)、中国科协优秀科技论文(5)等多项奖励。授权专利13项,软件著作权3项,申请专利41项。参编专著12部,作为主编编撰的《脑部疾病及脑靶向递送技术》,概括了近十年该领域的最新进展;作为副主编撰写3部,副主译1部。以第一/通讯作者发表论文113篇,其中SCI论文45篇,累计影响因子130。所指导学生先后获得军事科学院、山东省优秀论文。
第一作者:宋兴爽,1999年生,女,汉族,山东省淄博市人,山东中医药大学药学院2021级硕士研究生在读。
共同第一作者:张怡之。