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是什么在阻止你脑洞大开?

2023-11-07


在人体中,有很多道屏障,构成了严密的防御体系,其中有防御外界影响的皮肤屏障,气血屏障等,也有防止物质外流的屏障如滤过屏障等。所以,我们要隆重请出今天的主角:

位列“人体三大屏障”的六种屏障之首的,

不防外人单防自己人的,

平时特有存在感,生病了更有存在感的,

防止脑洞大开的保镖,

药物递送研究者的噩梦,

血脑屏障

血脑屏障(blood-brain barrier, 简称BBB)是存在于中枢神经系统(CNS)和血液循环系统之间的一种生物屏障,通过限制血-脑间的物质运输,为中枢神经系统功能的实现提供稳定的内环境。

血脑屏障的功能包括但不限于:

控制物质交换:BBB通过限制外部物质的渗透,严格控制哪些物质可以进入大脑组织。只有特定的小分子和脂溶性物质能够自由通过,而大多数水溶性物质需要特定的通道或运输系统来进入大脑。这有助于维持大脑内环境的稳定性,以支持神经元的正常功能。

维持内稳态:BBB有助于维持大脑内环境的恒定性,包括调节离子浓度、酸碱平衡和渗透压等。这些因素对维持神经元正常功能至关重要。

保护大脑:BBB通过限制外部物质和有害微生物的进入,保护大脑免受毒素和病原体的侵害。

隔离免疫系统:BBB还在一定程度上隔离了大脑组织和免疫系统。这有助于防止免疫细胞和炎症因子进入大脑,因为过多的免疫反应可能对神经系统造成损害。

在绝大多数情况下,血脑屏障都对维持CNS的健康和稳态起到了积极作用。然而,在特殊情况下(如中枢神经系统疾病)当我们需要“脑洞大开”时,BBB的“刻板”和“不通融”也容易成为相关疾病治疗药物不得不面对的壁垒,许多药物因无法通过血脑屏障达到有效剂量而严重影响疗效。一个最常见的例子是在治疗脑部感染如脑膜炎时,水溶性的青霉素类抗生素通常很难穿越血脑屏障。其替代药物如万古霉素等,由于BBB透过性有限,通常需要高剂量才能达到有效浓度,由此就可能产生一些副作用。因此,在针对中枢神经疾病的治疗过程中,需要考虑到穿越BBB的方法,或者使用其他方式以提高药物的透过性。

血脑屏障(BBB)主要由以下组成部分构成:

图1. 血脑屏障的基本构成。图源:DOI: 10.1039/C6CS00076B

脑血管内皮细胞: 脑毛细血管内皮细胞(brain capillary endothelial cell, 简称BCEC)是位于脑血管内腔膜表面的单层扁平细胞,细胞间具有复杂的紧密连接(TJ)从而限制物质在细胞间的交换。BCEC不仅可以感知血液中的炎性因子、微循环中物质和激素水平、血流压力变化等信息,还针对信息进行调节,严格控制受体蛋白和通道蛋白的功能,将脑组织与血液隔开,限制药物和外源性物质进入大脑,内皮细胞层独有的受体模式和运输系统不仅促进重要营养素和激素的摄取,还通过活化泵调节脑内的离子浓度、代谢产物和外源物质。BCEC表面有一些特殊的受体蛋白,可以用作穿透BBB的靶标,包括但不限于转铁蛋白受体(TfR),胰岛素受体(IR),低密度脂蛋白受体及相关蛋白(LDLR/LRP),尼古丁乙酰胆碱受体(nAChR),葡萄糖转运子1(GLUT1)等。

紧密连接(Tight Junctions): 脑血管内皮细胞之间的紧密连接是BBB的关键组成部分。这些连接点限制了物质通过细胞之间的间隙进入脑组织。紧密由多种跨膜蛋白组成,主要包括紧密连接蛋白(claudin)、密封蛋白(occludin)、连接黏附分子(junctional adhesion molecules, JAM) 和紧密连接蛋白(zonula occulden, ZO-1, ZO-2, ZO-3)。它们形成了一个有效的屏障,防止大多数药物和有害物质渗透到大脑中。

基底膜: 基底膜(basement membrane, BM) 由IV型胶原蛋白、层粘连蛋白、巢蛋白、硫酸肝素蛋白多糖和其他糖蛋白组成。基底膜为血脑屏障的细胞提供了结构支撑,有助于维持BBB的完整性。为许多细胞因子(VEGF、norrin、Wnt等) 的信号转导提供了结合位点,也是神经组织外的分子和细胞需要通过的屏障。

星形胶质细胞(Astrocytes): 星形胶质细胞是脑中含量最丰富的神经胶质细胞,突起末端形成膨大的终足,覆盖在BCEC的基底外侧面,与BCEC紧密连接,保证正常的神经元功能和脑血流量的控制,自身及其产生的活性物质与血脑屏障其它细胞或分子相互作用,促进蛋白聚糖合成,诱导血脑屏障功能。星形胶质细胞还可以和神经元的突触相互联系,成为神经元与血管之间的桥梁,通过响应神经活动的变化来调节周细胞或血管内皮细胞的功能,进而调节血管收缩/舒张和BBB的通透性。

周细胞(Pericytes):它们有助于调控脑血管的血流,参与修复受损的血管,以及与脑血管内皮细胞之间进行信号交流。通过这些作用,周细胞有助于维持脑血管的紧密连接和血脑屏障的完整性。

在了解了BBB的结构之后,我们可能会发现,这对我们设计药物透过血脑屏障的帮助比较有限。所以物质跨越血脑屏障的几种主要途径给大家硬核总结在下面 (图2):

图2. 穿越血脑屏障的主要途径。图源:https://doi.org/10.1038/s41573-021-00139-y

被动扩散:这是小分子(MW<500)、非极性、脂溶性物质以及一些气体小分子通过细胞膜直接扩散到脑组织的途径。生物大分子无法通过此途径进入中枢神经系统。

吸附性跨越(AMT):带有正电荷的分子,例如蛋白质、多肽或纳米粒子,与细胞膜上的负电荷区域相互吸引,并与某些转运体(如LAT1)结合。这些正电荷的物质可以通过电荷吸引力紧密粘附在细胞表面,然后通过内吞作用进入细胞内,最终通过胞吐过程穿越细胞,从而跨越细胞屏障。如多巴胺。

受体介导的转运 (RMT):一些药物或生物分子通过与特定的受体结合,然后受体介导运输到脑内。例如,转铁蛋白受体(TfR)介导铁离子跨越血脑屏障。

载体介导的转运 (CMT):蛋白通过与特定的携带体结合(如Angiopep-2和LRP1)形成内含体并跨越血脑屏障。

细胞介导的转运:单核白细胞、单核细胞和巨噬细胞在某些特定状态下(如炎症)能够被招募到中枢神经系统,主要机理为穿过紧密连接或与细胞表面蛋白相互作用。

在递送生物大分子(如抗体,核酸)和纳米粒(如脂质体纳米粒等)的过程中,我们能够利用到的手段较为有限,主要是受体或携带体介导的转运。以下用两个例子详述:

案例一:JR-141

转铁蛋白受体(TfR)是一种膜蛋白,其主要功能是在细胞表面结合转铁蛋白(Transferrin)并介导铁离子的内吞。这是维持细胞对铁依赖性的重要机制之一。TfR在血脑屏障的内皮细胞上表达。这些细胞通过其表面TfR捕获转铁蛋白。转铁蛋白-TfR复合物被内吞形成内吞囊泡。然后,这些内吞囊泡通过内皮细胞的运输机制跨越血脑屏障,将铁离子引入脑部。神经细胞表面也有TfR的表达,因此在跨过血脑屏障后,靶向TfR的受体还可以靶向神经细胞。利用转铁蛋白-TfR复合物的RMT机制,可以设计相应的递送系统。

JR-141为靶向TfR的单克隆抗体(用于透过血脑屏障)和iduronate-2-sulfatase(有效成分IDS)的融合蛋白,主要适应症为II型黏多糖贮积症(MPS II),一种溶小体储积症。MPS II主要由粘多糖如糖胺聚糖(glycosaminoglycans,GAGs)在细胞内溶酶体中聚集导致, 主要影响中枢神经系统。有效的IDS递送可对MPS II 有显著疗效。JR-141目前在日本获批 (药品名IZCARGO)。

图3. A. TfR和JR-141的结构。B. JR-141在小鼠和食蟹猴模型中表现良好的穿透血脑屏障和在中枢神经系统聚集的特性。图源:doi: 10.1016/j.ymthe.2018.02.032

案例二:ANG1005

LDLR及其相关蛋白(如LRP1)是一类天然存在的蛋白质受体,它在机体中具有重要的生理功能,主要参与胆固醇代谢和低密度脂蛋白(LDL)的摄取。其中一些受体,尤其是LRP1在脑部和脑肿瘤中过度表达,因此以这些受体家族为靶点的多肽受到了较多关注。

目前已通过多种方法筛选出了靶向LRP1用于透过血脑屏障的多肽,包括天然产物ApoE,抑肽酶片段Angiopep-2,和噬菌体展示筛选出的多肽Peptide-22等。ANG1005是Angiopep-2和紫杉醇的多肽-药物偶联物,目前的临床试验适应症主要包括脑瘤(如神经胶质瘤,少突星形细胞瘤)和乳腺癌的脑转移等。

图4. A. LDLR、LRP1和ANG1005的结构。B. ANG1005的部分临床试验结果。图源:AngioChem.

以上案例只是冰山一角,部分能够穿透血脑屏障的多肽及其筛选方法总结于表1,噬菌体展示代表队立大功:

中枢神经系统疾病治疗领域还有着极大的未被满足的临床需求,一个重要原因正是生物大分子跨越血脑屏障进入中枢神经系统的难度相较于其他器官要大得多。通过受体/载体介导的转胞吞作用为基本原理的靶向特定蛋白的多肽为跨越血脑屏障提供了解决方案,而噬菌体展示技术为多肽的筛选提供了基础保障。虽然目前的面世的相关药物有限,但我们能看到越来越多的相关多肽正在多项临床试验中进行评估,期待这些临床产品最终能够问世,走向市场,使患者受益。

最后,科生景肽祝愿各位读者身体健康,心想事成,我们公众号里提到的没有提到的所有疾病都退散!