文献分享 | 纳米医学在脑疾病诊断中的研究进展
本文是对以下文章的中文解读：
Zhang Xun#, Zhou Jie#, Gu Zhongwei, Zhang Hu, Gong Qiyong, Luo Kui*. Advances in Nanomedicines for Diagnosis of Central Nervous System Disorders. Biomaterials, 2021,120492.
文章亮点：
1. 系统介绍了血脑屏障的解剖和功能结构及常见的物质转运方式。
2. 从临床角度并基于生物学标记物和病理学特征系统总结了纳米医学在常见的中枢神经系统疾病诊断中的最新研究进展。
3. 系统总结了纳米医学目前存在的局限性及未来研究展望。
前言
脑疾病（本综述主要关注中枢神经系统疾病，包括脑肿瘤、神经退行性疾病、缺血性脑卒中和癫痫等）是当前医疗卫生面临的重大挑战之一。近年来，中枢神经系统疾病的患病率不断上升，极大损害了人民的生命健康，显著增加了社会经济负担。然而，受限于现存诊断技术的敏感性和特异性，许多中枢神经系统疾病难以在早期予以诊断，延误了患者的最佳干预和治疗时机。同时，目前绝大部分中枢神经系统疾病尚缺乏有效的治疗手段，以脑肿瘤为例，手术直接切除病灶是常用的治疗方式，但对于高级别肿瘤通常难以达到根治性切除，且常伴随严重的不可逆的脑组织损伤，极大损害了患者的身心健康；其次，化疗也是目前治疗脑肿瘤的重要方法之一，然而在借助化学药物杀灭肿瘤细胞的同时也会对正常细胞造成损伤；再者，放射治疗是一种利用放射线抑制和杀灭肿瘤细胞的方法，然而长期放疗后不可避免的副作用常常显著降低患者的生活质量和阻碍进一步的治疗。因此，除了研究最佳治疗方法外，当前我们亟需特异的、敏感的诊断方法，以便及时进行干预。
传统的给药系统常为基于各种途径的全身性给药，包括注射、口服、胃肠给药等，但往往伴随药物的非特异性分布、靶区药物有效蓄积差和严重的不良反应等。尽管越来越多的研究致力于开发药物用于中枢神经系统疾病的早期诊断或治疗，但是以血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）为首的大脑结构严重阻碍了药物有效进入脑组织，因此，以最大的效率和最小的毒性将药物运送到大脑感兴趣区仍然是一项艰巨的任务。幸运的是，作为一个新兴的多学科领域，纳米技术可以在1~150 nm维度操纵材料、组织、细胞和DNA等，目前已在诸如医学、药学、化学和生物检测以及光学等领域取得重大研究进展。特别是纳米医学（即纳米技术在医学的应用科学）借助纳米材料独特的物理、化学和生物学特性，构建以纳米材料为基础的纳米递送系统可以顺利穿过血脑屏障，为中枢神经系统疾病诊断和治疗的药物研发提供了巨大契机。
大脑物质转运
作为大脑关键的屏障系统，血脑屏障在保护大脑免受外源性或内源性物质损害、维持稳定的脑内微环境方面发挥着重要的作用，为中枢神经系统的正常神经活动和功能提供了重要的保障。然而，由于血脑屏障的存在，运送药物对中枢神经系统疾病进行敏感、特异成像和诊断也更具挑战性。血脑屏障是一种高度选择性的半透性结构，它可以调节物质进出大脑以及白细胞的迁移。这个错综复杂的结构主要由构成脑微血管内皮系统的脑血管内皮细胞组成，脑微血管内皮细胞与神经元、星形胶质细胞、周细胞以及细胞外基质共同构成神经血管单元。脑血管内皮细胞被星形胶质细胞突起包围，促进生物化学物质进入细胞，而脑血管内皮细胞之间借助紧密连接限制细胞旁扩散，从而控制血脑屏障通透性。除了生物障碍，中枢神经系统还存在化学或代谢屏障。脑血管内皮细胞可以表达多种酶，例如细胞色素P450酶系统，其可代谢或灭活不需要的内源性和外源性物质，从而阻止药物的有效聚集。
尽管复杂的血脑屏障严格控制物质进入大脑，然而大脑需要大量物质交换以确保其正常功能，因此血脑屏障包含丰富精密的物质转运系统。总体上，药物进入大脑的途径包括跨过血脑屏障和绕过血脑屏障的方式。物质跨过血脑屏障通过不同的机制运输，亲脂性、气体分子以及一些小的极性化合物通过不依赖能量的被动传输机制扩散到脑实质，浓度梯度是其扩散的驱动力；而其他物质如亲水性或大分子化合物，则需要特定的机制来穿过血脑屏障，如受体介导的跨细胞作用（receptor-mediated transcytosis，RMT）、载体介导的跨细胞作用（carrier-mediated transcytosis，CMT）和吸附介导的跨细胞作用（adsorptive-mediated transcytosis，AMT）。另外，研究表明，血脑屏障上同时存在外排泵系统，例如P-糖蛋白，该系统可将脑实质内某些不必要的物质排出。再者，相对于跨血脑屏障的物质运输，物质绕过血脑屏障的途径则主要包括鼻内给药、脑实质内注射、脑室内注射、对流增强给药和鞘内给药，其各有优缺点。基于此，研究者有望基于这些高效转运机制修饰纳米材料以跨过或绕过血脑屏障，从而构建高效、特异的药物递送系统用于中枢神经系统疾病的早期诊断和治疗。
血脑屏障的结构和常见的物质转运途径
图片来源：Ref. 1, 2, 3
纳米医学在中枢神经系统疾病诊断的研究进展
1. 脑肿瘤
大脑好发各种原发性和继发性肿瘤，全球平均每天约有650名新发脑肿瘤病例。根据世界卫生组织的分类，颅内约有60余种原发肿瘤类型，其中神经胶质瘤占比达60％。近年来，随着医学成像技术的快速发展，诸如CT, MRI, SPECT, PET以及USG（ultrasonography）等成像手段广泛用于脑肿瘤的诊断。然而，传统造影剂对血脑屏障的穿透性以及对肿瘤的特异性欠缺，使得这些成像方法缺乏足够的敏感性和特异性，难以在早期阶段发现肿瘤，错失早期诊断和治疗的机会。
鉴于此，以纳米材料为基础的对比剂被广泛研究用于脑肿瘤成像，尤以磁性纳米颗粒为著，例如超顺磁性氧化铁纳米颗粒。通过表面修饰，这些纳米颗粒可以逃脱网状内皮系统的清理，通过高渗透长滞留（enhanced permeability and retention, EPR）效应在肿瘤组织内富集成像。同时，研究者常以特异性功能靶向基团修饰纳米载体表面，从而促进对比剂的靶向递送，例如转铁蛋白、乳铁蛋白、叶酸、热休克蛋白70、cRGD肽、低密度脂蛋白受体相关蛋白、αvβ3整合蛋白、葡萄糖转运蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、表皮生长因子受体和成纤维细胞生长因子诱导因子14等。并且，除了MRI，基于纳米材料的显像剂也正广泛探究用于其他非侵入性成像方式如荧光成像、拉曼成像、光声成像、PET以及各种成像手段的有机耦合，优势互补从而得到最佳成像效果。此外，由于神经干细胞和间充质干细胞能够穿过血脑屏障并靶向肿瘤聚集，研究者发现利用干细胞标记的纳米材料可以对肿瘤进行精确显像并清晰勾勒出肿瘤边界，这对胶质瘤的精确定位和后续治疗具有重要意义。
基于纳米医学的脑肿瘤多模态成像
图片来源：Ref. 1, 4, 5
2. 神经退行性疾病
随着老龄化进程的加快，年龄相关疾病的发病率日益剧增，尤以阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、肌萎缩性侧索硬化症（ALS）以及亨廷顿病（HD）等神经退行性疾病为著。然而目前对于神经退行性疾病诊断方法缺乏敏感性和特异性，治疗策略也缺乏特效疗法。因此，纳米医学的兴起有望为神经退行性疾病的早期诊断、早期干预提供帮助。
对于阿尔茨海默病，大多研究认为脑内β-淀粉样蛋白的异常形成、聚集是其重要发病机制，因此，敏感和精确地测量β-淀粉样蛋白及其中间体有助于探究阿尔茨海默病的发病机制和实现早期诊断。有鉴于此，目前研究者正基于多种纳米材料构建成像和检测系统用于体内成像或体外检测。除了β-淀粉样蛋白，其他诸如tau蛋白、多巴胺、Cu2+、胎球蛋白B、miR-137、载脂蛋白E4基因、乙酰胆碱酯酶、唾液酸、甲状腺素运载蛋白等也被认为参与阿尔茨海默病的发病机制，因此一系列基于纳米材料的检测系统正被广泛研究用于这些潜在生物标记物的定量监测。
基于纳米医学的阿尔茨海默病的生物标记物分子探针
图片来源：Ref. 1, 6, 7
对于帕金森病，目前研究认为其主要病理学基础是基底节细胞尤其是多巴胺能神经元的消亡，导致多巴胺(DA)显著减少，而源于α-突触核蛋白的路易小体在残存神经元聚集。因此，多巴胺和路易小体（α-突触核蛋白）成为帕金森病潜在的生物标记物，目前研究者正广泛开发基于纳米材料的探测系统结合各种成像模式，例如荧光成像、比色测定、电化学测定、表面增强拉曼散射光谱、化学发光、质谱技术和非酶生物传感器等对其高灵敏、高特异检测或成像。而其他诸如尿酸、酪氨酸酶、酪氨酸羟化酶等也被发现可能参与帕金森病的发生发展因而被视为潜在生物标记进行探测。
基于纳米医学的帕金森病的生物标记物探测
图片来源：Ref. 1, 8, 9
对于肌萎缩侧索硬化症，现有研究表明超氧化物歧化酶1（SOD1）基因突变形成的超氧化物歧化酶1突变蛋白在细胞内聚集和错误折叠可能是肌萎缩侧索硬化症的核心病理特征，因此利用纳米材料探测该异常蛋白质有助于早期诊断肌萎缩侧索硬化症。此外，免疫失衡也被认为是肌萎缩侧索硬化症的重要病理过程，既往研究发现CD4+ T细胞参与神经胶质的保护作用，可以抑制肌萎缩侧索硬化症小鼠的神经炎症过程。有鉴于此，研究者利用超小超顺磁性氧化铁纳米颗粒在家族性肌萎缩侧索硬化症小鼠模型中标记T细胞显像，从而成功描绘出肌萎缩侧索硬化症的神经炎症病理过程，进一步加深对肌萎缩侧索硬化症的病理机制的理解。
基于纳米医学的肌萎缩侧索硬化症的鉴别诊断
图片来源：Ref. 1, 10
对于亨廷顿病，现有研究指出亨廷顿基因突变导致异常亨廷顿蛋白产生，对细胞有毒性作用的异常亨廷蛋白的产生可能是亨廷顿病的重要发病机制，因而基于纳米材料构建敏感特异的检测系统研究这种异常蛋白质聚集体可能为早期诊断亨廷顿病提供契机。再者，类似于帕金森病，亨廷顿病患者同样出现多巴胺系统异常，提示其也可作为一种潜在生物标记物进行探测。此外，类似于阿尔茨海默病，乙酰胆碱酯酶也可能参与亨廷顿病的病理生理学机制。对此，研究者基于二氧化锰纳米片构建比色纳米系统成功监测了乙酰胆碱酯酶的生理活性，对进一步阐明亨廷顿病的发病机制具有重要意义。
基于纳米医学的亨廷顿病的生物标记物检测
图片来源：Ref. 1, 11
3. 缺血性脑卒中
缺血性脑卒中是由于脑血管栓塞或血栓形成致血管阻塞使得脑组织缺乏足够的血液供应而引起的疾病。该病具有高发病率、高致残率、高死亡率，严重损害了人民尤其是老年群体的生命健康。目前缺血脑卒中的诊断方法主要依赖于临床表现和脑部CT、MRI检查，尤其是MRI弥散加权成像（DWI）、灌注成像（PWI）等可以较早地检测缺血异常，但是由于MRI成像时间较长并且对极早期缺血性脑卒中成像结果可靠性尚不明确，目前其尚未作为脑卒中的急诊首选检查。
鉴于此，研究者正研发一系列基于纳米材料的对比剂能更加灵敏的显示脑梗死灶、缺血区域以及侧枝循环血管。此外，既往研究发现缺血性脑卒中患者诸如基质金属蛋白酶、vigilin蛋白等呈现异常水平，因而被视为潜在的生物标记物，研究者也对此研发了纳米系统进行探测。再者，针对缺血性脑卒中伴随的炎症反应，研究者利用纳米材料成功显示脑梗死区域及周边的单核吞噬系统细胞、淋巴细胞的神经炎性活动。
基于纳米医学的缺血性脑卒中的侧枝循环血管显示
图片来源：Ref. 1, 12
4. 癫痫
癫痫是一种常见的慢性神经疾病，全世界约有50-70万患者。通常癫痫被视为一群疾病或综合症，而不是一个独立的疾病，其特征在于反复地自发性痫性发作。目前诊断癫痫的方法主要依赖于癫痫发作和脑部影像检查，其中脑电图（EEG）可以检测脑波的模式，而MRI和CT等可以显示可能存在的结构异常，但都缺乏足够的敏感性和特异性。鉴于此，研究者基于纳米材料构建了可以更精确探测异常脑电波的纳米装置和显示致痫灶的MRI对比剂。此外，由于血脑屏障上多种外排泵如p糖蛋白阻碍了抗癫痫药物在脑内的有效聚集，从而导致了难治性癫痫，因而癫痫被认为是p糖蛋白相关疾病。对此，研究者研发了一种多模态（MRI+光成像）纳米制剂对大脑中p糖蛋白过表达进行可视化，有助于探究难治性癫痫的病理生理学机制和进一步研发靶向治疗药物。
基于纳米医学的癫痫脑电活动探测
图片来源：Ref. 1, 13
局限
尽管纳米医学在中枢神经系统疾病诊断中显示出巨大的潜能，但其潜在的安全隐患和临床转化问题使其临床应用面临挑战。一方面，既往研究已经揭示了部分纳米材料的细胞毒性、基因毒性和免疫毒性，并指出毒性跟纳米材料的类型、形态、大小、电荷、表面积、核心结构和表面修饰以及暴露细胞类型相关。另一方面，纳米医学在中枢神经系统疾病的诊断中从基础实验向临床实践转化问题亦十分棘手，这主要源于目前绝大部分中枢神经系统疾病的确切发病机制尚未阐明，以及人类疾病和动物模型尤其是目前广泛使用的啮齿类动物模型具有显著的差别，因此动物模型难以全面复制人类疾病的病理特征。
研究展望
首先，由于血脑屏障的存在极大限制了分子探针和影像对比剂高效进入神经系统靶区，未来研究应着重利用无创或微创方法跨过或绕过血脑屏障，并保持血脑屏障的完整性。例如，鼻内给药途径目前被认为在智能递送纳米探针和影像对比剂从而用于中枢神经系统早期诊断方面具有重大潜能。
其次，构建多功能纳米递送系统是未来研究的重要方向。一方面，多功能纳米系统应通过多层面修饰赋予其多功能靶向性，以优化药物递送效率和减少甚至消除其副作用，尤其是构建中枢神经系统细胞微环境响应的纳米系统从而对纳米制剂实现控释。另一方面，除了常规的成像模态，例如CT，MRI，PET，SPECT和USG，其他诸如荧光、光学和声学等新型成像方式也应该综合利用从而开发多模态纳米成像系统。
再者，在当前倡导个体化医疗的时代，诊疗一体化为中枢神经系统疾病的高效管理提供了重要研究方向。未来研究可借助纳米材料的独特优势，将不同功能基团进行有机整合，从而在中枢神经系统疾病早期阶段实现敏感、特异、精准的诊断同时予以影像指导下的靶向治疗。因此，基于纳米医学的诊疗一体化系统有望为中枢神经系统疾病的高效管理提供新平台。
另外，在不断优化设计智能纳米系统用于中枢神经系统疾病诊断时，研究者应当关注纳米材料的毒性和纳米医学的临床转化问题。一方面，未来研究可采用生物相容性聚合物或细胞膜涂覆纳米材料并以多功能靶向基团修饰，以使纳米制剂靶向聚集，减少脱靶效应。并且当前科研工作者亟需统一的指南来合成纳米材料并在体内外评估其毒性，从而确保纳米医学的安全性。另一方面，进一步探究中枢神经系统疾病的病理生理学机制，并构建更具有参考价值的动物模型例如非人灵长类动物，以评估纳米制剂的临床应用效果，从而促进纳米医学向临床实践中中枢神经系统疾病诊断的平稳转化。
最后，尽管目前纳米医学的研究主要侧重于诸如脑肿瘤、神经退行性疾病、脑卒中和癫痫等器质性脑疾病，然而，随着纳米医学的不断完善和发展，我们期望未来以纳米医学为载体的分子影像学手段可进一步应用于诸如精神分裂症、抑郁障碍、焦虑障碍等非器质性脑疾病即精神障碍中，从而促进精神影像学早日实现神经精神障碍更敏感、更特异的诊断、更精准的疗效评估和更优化的治疗决策。
• 作者介绍
四川大学华西医院放射科华西磁共振研究中心(HMRRC)的硕士研究生张勋和博士后周洁为本文的共同第一作者，罗奎教授为本文的通讯作者。
参考文献
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