NML：陈桐楷/伍振峰综述纳米生物效应治疗帕金森病的研究进展

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帕金森病 (Parkinson’s disease, PD) 是仅次于阿尔兹海默症的第二大神经退行性疾病，其患病率将随世界人口老龄化而急剧升高。然而，临床中却缺乏有效的治疗策略，这主要是由于血脑屏障 (Blood-brain barrier, BBB) 的存在及影响PD进展的分子机制复杂。随着对PD基础研究的深入及纳米技术的生物医药应用，开发针对PD的纳米治疗策略已是广受关注的重要研究领域。本文对基于纳米技术的跨BBB策略及纳米生物效应在治疗PD中的应用进行了综述。

Anti-Parkinsonian Therapy: Strategies for Crossing the Blood–Brain Barrier and Nano-Biological Effects of Nanomaterials

Guowang Cheng, Yujing Liu, Rui Ma, Guopan Cheng, Yucheng Guan, Xiaojia Chen, Zhenfeng Wu*, Tongkai Chen*

Nano-Micro Letters (2022)14: 105

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00847-z

本文亮点

1. 总结了基于纳米技术的跨血脑屏障策略以及用于帕金森病治疗的纳米生物效应。

2. 总结了帕金森病纳米治疗策略的相关专利，并对该领域的发展现状进行了讨论。3. 总结了帕金森病纳米治疗领域所面临的挑战，并探讨了该领域未来的发展趋势。

内容简介

广州中医药大学陈桐楷课题组和江西中医药大学伍振峰课题组在本文中首先简要概括了BBB的生理特征、影响PD进展的分子机制及潜在的治疗靶点。随后总结了适用于脑部递药的纳米平台的设计思路。接着，本文将基于纳米技术的跨BBB策略总结为生物策略与物理策略，并详细讨论了每种策略的跨BBB机制及其缺陷。此外，虽然许多研究都通过纳米策略增加了药物在病灶处的富集，却忽略了纳米材料对疾病治疗的影响。在此，本文重点突出了具有抗氧化性、致病蛋白清除及促神经元再生能力的纳米材料治疗PD的纳米生物效应。本文还进一步总结了近年的相关专利，以此揭示PD纳米治疗领域的发展现状，并探讨了该领域目前所面临的挑战及未来的发展趋势。

图文导读

I BBB的生理特征及影响PD进展的分子机制

BBB是保护中枢神经系统的一道生理屏障，主要由内皮细胞、紧密连接、周皮细胞及星形胶质细胞构成，其表面存在多种转运蛋白及转运受体，是脑部与外周物质交换的主要途径。在ROS过量、线粒体功能紊乱、致病蛋白异常折叠、神经炎症等多种因素共同作用下，多巴胺能神经元凋亡，是促PD疾病进展的重要机制。

图1. (a) 促进 α-syn 从大脑转运到肠道的肠道微生物群-大脑轴；脑-肠交流通路存在四种类型：(1)直接进入大脑的微生物代谢物，(2)调节免疫系统并间接影响中枢神经系统的微生物，(3)信号通过迷走神经末梢传送到中枢神经系统，(4)微生物组或其代谢物可以通过肠道-血液/淋巴-大脑通路直接进入大脑；(b) BBB的生理结构；(c)影响PD进展的分子机制；(d)通过清除过量 ROS、抑制致病蛋白聚集以及促进神经元再生实现PD治疗的纳米生物效应。

II 跨BBB纳米平台的设计

纳米平台具有超高的可编辑性及表面修饰能力，为实现跨BBB的脑部递药，需要格外注意其形态、大小、表面电势及修饰基团。例如，纳米片具有超高的比表面积，不仅有益于提高其载药量，也可增加其表面的修饰基团与相应受体及转运体的接触，从而提高其脑部递药效率。根据BBB的特征，粒径越小、正电性越强的纳米平台具有更高的跨膜转运效率，但也需要平衡其它因素的影响，如粒径小于5 nm的纳米平台虽具有较高的跨膜效率，但却易于被肾小球滤过，因此其体循环半衰期较短，不利于脑部递药。图2. (a) 跨BBB纳米平台的设计策略；(b) 跨BBB递药策略示意图。

III 跨BBB策略

3.1 生物策略

3.1.1 CMT

BBB表面的转运蛋白识别相应的底物后将发生构型改变，从而将底物转运至脑内，这是脑部对葡萄糖、胰岛素能物质的主要摄取途径，基于这一特征，以葡萄糖、胰岛素等底物修饰纳米平台可实现其转运蛋白介导的跨膜转运（CMT）。

图3. CMT策略：(a) 用于递送治疗性蛋白的载体设计示意图；(b) 静脉注射BSA或n(BSA)后小鼠的药代动力学特征；(c) 经TAMRA 标记的BSA和n(BSA) 处理小鼠主要脏器的离体图像和脑、心脏、肝脏、脾脏、肺、肾和淋巴结组织的 (d) 荧光强度分析；给药24 h后，检测RTX与n(RTX)在 (e) 血浆和 (f) CSF的浓度；(g) 恒河猴静脉注射 n(HRP) 24 h 后CSF的TEM图像，及其 (h) 血浆和 (i) CSF的n(HRP)浓度；(j) 恒河猴静脉注射 2.5、5.0 和 10 mg kg⁻¹ n(HRP)后CSF与血浆中n(HRP)浓度的比值。

3.1.2 RMT

BBB表面的转运受体负责生物大分子的脑内转运，以此开发了受体介导跨膜转运(RMT)。相比于CMT策略，RMT具有更强的特异性与脑靶向能力，是目前应用最广泛的脑靶向策略。即便如此，RMT策略依旧存在需要与生物内源性物质竞争与受体的结合、受体特异性有限、难以脱靶等缺陷。

图4. RMT策略：(a)用于 PD 治疗的 RVG-nDMC的制备及其治疗机制；(b)静脉注射nDMC或RVG-Ndmc后小鼠的实时光声成像和 (c)相应的光声信号分析；(d)静脉注射 Cy5.5 标记的 nDMC或RVG-nDMC 后小鼠的实时荧光成像和(e)相应的荧光分析；(f)在注射后6小时，用 Cy5.5、nDMC-Cy5.5或RVG-nDMC-Cy5.5处理的小鼠SN中TH、Iba1和GFAP染色的荧光图像。

3.1.3 鼻腔递药

经嗅觉神经、三叉神经、淋巴及脑脊液途径可直接将物质转运至中枢神经系统，因此，经鼻腔注射的药物可绕过BBB，实现高效脑部递药。但需注意的是，进入鼻腔的药物易于被前庭区的粘液与纤毛清除，因此需要将药物直接注入更深处的呼吸区与嗅觉区。此外，经鼻腔递送的药物并非完全进入中枢神经系统，部分药物也将被转运至血液，进入体循环。

图5. 鼻腔递药：(a)具有α-syn蛋白清除功能的自组装NanoCA；(b) NanoCA@TPAAQ 在鼻内给药后的生物分布；(c)纹状体TH免疫染色(d)及其定量；(e)中脑切片中的TH免疫染色 (f)及其定量。

3.1.4 仿生递药

随着仿生技术的发展，目前已有多种仿生递药载体可用于脑部递药，包括：外泌体、细胞膜载体、活细胞载体。例如，提取具有脑转移能力的肿瘤细胞膜，以此为生物膜外衣包裹纳米平台，可实现药物的跨BBB转运。此外，在PD病理条件下，神经炎症将招募抗炎表型的淋巴细胞进入中枢神经系统，因此，以抗炎表型的活细胞负载药物可实现针对PD的特异性治疗。但如何保持药物在活细胞内的活性以及控制其在病灶部位的释放，仍是有待解决的难题。

图6. 仿生递药：(a)Parkin Q311(X)A小鼠注射DIR标记的巨噬细胞后的IVIS成像及(b)72 h后主要脏器的IVIS成像；(c)经GDNF巨噬细胞治疗后，对Parkin Q311(X)小鼠的行为学检测；(d)GDNF-BMM对Parkin Q311(X)A小鼠多巴胺能神经元的保护作用。

3.2 物理策略

3.2.1 外加磁场介导的脑部递药

目前，以氧化铁纳米粒为代表的磁性纳米平台已广泛应用于多种疾病的诊疗，在脑部施加外加磁场的作用下，磁性纳米平台可突破BBB，从而将药物递送至中枢神经系统。然而外加磁场同样影响纳米平台的脑内分布，难以保证药物在病灶部位的富集，且磁性纳米平台多为金属基纳米颗粒，其在脑内的降解产物包含金属离子，具有进一步促进病灶部位发生类Fenton反应、加剧ROS产生的风险。

图7. 磁介导脑部递药：(a)Tween-SPION 经外加磁场介导穿过BBB的示意图；(b)尾静脉注射2 h后，大鼠不同脑区铁的分布；(c) SPIONs通过BBB进入大脑；(d)高清放大图。

3.2.2 光热介导的脑部递药

基于光热材料的纳米递药平台可在近红外光照下产热，通过控制光照强度将可安全、可逆地打开BBB，以增加药物的脑部富集。由于近红外Ⅰ区(700-1000 nm)光的组织穿透能力有限，而对脑部的光热处理需要克服颅骨，因此具有更高组织穿透能力的近红外Ⅱ区光照更加适用于脑部递药。然而，光热对BBB影响的机制尚未阐明，有待进一步研究。

图8. 光热介导脑部递药：(a) MSNs-AuNRs@QCT在NIR-II (1064 nm)激光照射下穿过 BBB；(b)检测MSNsAuNRs@QCT的体外BBB穿透能力示意图，以及transwell系统中顶端和基底外侧室中QCT的最终浓度；(c)伊文思蓝染料检测BBB渗透性变化；(d)旷场行为学检测。

3.2.3 共聚焦超声介导的脑部递药

在共聚焦超声的作用下，微泡将产生空化效应，通过机械力可逆性地打开BBB的紧密连接结构，增加药物的脑部渗透能力。此外，共聚焦超声策略还将增加内皮细胞的摄取并抑制其外排蛋白，使药物同样可经胞内途径进入脑实质。但该策略需要首先向机体注射微泡并施加共聚焦超声处理，随后再给药，操作过程较复杂，并且在应用该策略时需要注意所施加的超声功率，过高的功率可能引起机体损伤。

图9. 共聚焦超声介导脑部递药：(a)CPC的化学成分示意图以及通过共聚焦超声将CPC NPs非侵入性局部递送至小鼠大脑；(b)共聚焦超声装置的照片；(c)在静脉内给药后0.1、6、12和24小时的代表性离体荧光图像；(d)不同组的小鼠脑切片SN中TH⁺神经元的免疫组化成像。

VI 用于PD治疗的纳米生物效应

4.1清除过量ROS

过量ROS诱导线粒体功能紊乱，从而激活细胞凋亡途径，是促PD发展的重要分子机制之一，清除过量ROS对PD治疗至关重要。近年来的研究表明，许多纳米材料，如铜基纳米粒、锰基纳米粒、铈基纳米粒以及具有抗氧化能力的二维材料，都可作为纳米酶，改善PD病理下的ROS酶失衡，清除过量ROS，以缓解或逆转PD的疾病进展。

图10. 清除ROS的纳米生物效应：(a) PtCu纳米酶清除ROS并预防α-突触核蛋白诱导的病理学、神经毒性和细胞间传递；(b) PtCu纳米酶模拟三种氧化还原酶(POD：过氧化物酶，SOD：超氧化物歧化酶，CAT：过氧化氢酶)；(c) 类POD活性检测；(d) 类CAT活性检测；(e) 类SOD活性检测；(f) PtCu纳米酶降低 PFF 诱导的ROS及其定量分析；(g) PtCu纳米酶处理的 PFF 动物实验时间表(上)，PFF与PtCu纳米酶的立体定向注射部位(下)；(h) SN和ST中的 Ps129 免疫荧光成像及其定量(i)。

4.2清除致病蛋白

在PD病理下，α-syn异常折叠并聚集形成具有神经毒性的低聚物，诱导多巴胺能神经元凋亡，并且，该致病蛋白将进一步发生胞间递送，加剧神经元丢失，并作为抗原激活免疫细胞，引发神经炎症。近年来的研究表明，纳米材料可通过静电吸附抑制α-syn形成低聚物，从而改善PD症状。

图11. 清除致病蛋白的纳米生物效应：(a) α-syn纤维化动力学测定；(b) α-syn纤维化的TEM图像；(c) α-syn PFF的立体定向纹状体内注射坐标的示意图；经α-syn PFF注射后，治疗组与非治疗组 (d) SN及 (e) ST的TH⁺免疫组化图像；(f) 圆柱体测试；(g) 注射 α-syn PFF 的小鼠中枢神经系统中 LB/LN 样病理分布。

4.3 促神经元再生

在PD中，相对于改善多巴胺能神经元存活率，逆转其再生是更为彻底的治疗策略。与植入性的干细胞疗法不同，通过纳米生物效应刺激内源性的其它细胞再分化为多巴胺能神经元可免除植入治疗带来的免疫排斥，具有更高的生物适应性与安全性。

图12. 促多巴胺能神经元再生的纳米生物效应：(a) EMF诱导的 AuNP 磁化将成纤维细胞直接谱系重编程为Ida神经元示意图；(b) 在不同强度和频率的EMF下磁化AuNPs所产生的 TuJ1⁺ 细胞数量；(c) 在暴露于2×10⁻³ T/100 Hz EMF后，在AuNP 底物和磁化 AuNP 底物上生长的细胞中成熟神经元标记物MAP2和TuJ1的免疫荧光成像；(d) 使用和不使APLN的成纤维细胞和EMF暴露的成纤维细胞中H4K12ac和Brd2的蛋白质印迹；(e) 在 MPTP或6-OHDA诱导的PD小鼠模型中使用EMF诱导的磁化AuNP进行体内直接谱系重编程的示意图；(f) 各组小鼠(对照、MPTP、MPTP +APLN 和 MPTP+APLN +EMF+AuNPs)的旷场行为学评价；(g) 对照组、仅EMF、仅AuNPs和EMF + AuNPs组纹状体中EMF诱导的Ida神经元的免疫组化。

V 结论与展望

纳米技术的发展为药物的跨BBB递送提供了多种途径，目前的研究已充分证明了这些策略的可行性。即便每种策略都存在难以克服的缺陷，但多种策略联用有望进一步改善增加药物的脑靶向效率，为PD治疗提供了新的机遇。在应用纳米平台治疗PD时，还需关注纳米材料自身对疾病的影响，选择合适的材料可实现纳米载体与药物对PD的协同治疗。

作者简介

伍振峰

本文通讯作者

江西中医药大学 教授▍主要研究领域

药物新剂型新技术及先进制药技术装备。

▍个人简介

创新药物与高效节能降耗制药设备国家重点实验室副主任，江西中医药大学教授、博士生导师。获省杰出青年人才基金。入选江西省百千万人才工程、江西省青年井冈学者、江西省百人远航工程。《中草药》《世界中医药》《Chinese Chemical Letters》杂志青年编委。主持和参与国家自然科学基金、科技部重大新药创制专项、国家中医药管理局、国家药典委员会等国家级项目20余项，主持参与企业委托项目10余项。获授权专利30余项，成果转让19项。发表学术论文150余篇，其中SCI收录50余篇。参编《新编国家中成药》、《中国药用辅料》等专著，担任国家十三五规划教材《药剂学》《药剂学实验》《中医香疗学》等教材编委。获省级以上奖励6项。兼任中国医药设备工程协会中药设备制剂技术专业委员会副主任委员、中华中医药学会中成药分会常务理事，世界中医药学会中药新型给药系统专委会常务理事、中华中医药学会中药制药工程分会理事等。

▍Email:[e-mail]

陈桐楷

本文通讯作者

广州中医药大学 副教授▍主要研究领域
多功能递药系统的设计与评价。

▍个人简介

广州中医药大学杏林引进人才，科技创新中心药剂学学科带头人、学科协同创新团队PI，博后合作导师。担任Asian Journal of Pharmaceutical Sciences、Chinese Chemical Letters青年编委；担任Advanced Materials、ACS Nano、Biomaterials、Small等国际知名期刊的特邀审稿专家。近年来，在Advanced Functional Materials、Advanced Drug Delivery Reviews、Nano-Micro Letters、Biomaterials、Small、Journal of Controlled Release等国际著名期刊发表SCI论文40多篇，部分成果被选为封面文章重点推荐并进行报道。先后承担和参与国家自然科学基金、广东省基础与应用基础联合基金重点项目、广东省自然科学基金项目、广州市科技计划项目等国家级、省部级项目多项，申请专利10余项，获授权专利4项；参编专著和教材多部，多次受邀参加国内外学术会议。

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撰稿：原文作者

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2020JCR影响因子达16.419，学科排名Q1区前10%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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