血脑屏障（BBB）是一种天然保护膜，可防止中枢神经系统（CNS）免受血液中毒素和病原体的侵害。然而，血脑屏障的存在使中枢神经系统疾病的药物治疗变得复杂，因为大多数化学药物和生物药物已被阻止进入大脑。药物进入大脑的不足会导致治疗效果低下，并且由于在其他器官和组织中的积累而加剧副作用。材料科学和纳米技术的最新突破提供了具有定制结构和性能的先进材料库，可作为靶向药物输送的强大工具包。脑和BBB解剖学和病理学研究领域的深入研究进一步促进了增强BBB穿越的脑靶向策略的开发。在这篇综述中，总结了造成这种屏障的生理结构和不同细胞。强调了通透性调节和BBB穿越的各种新兴策略，包括被动转胞吞作用、鼻内给药、配体缀合、膜涂层、刺激触发BBB破坏以及克服BBB障碍的其他策略。总结和分析了有机、无机和生物制品衍生材料的多功能药物递送系统及其合成程序和独特的理化性质。本综述旨在为不同领域的研究人员提供最新且全面的指南，为脑靶向药物输送系统的进一步发展提供前景。

 

介绍

血脑屏障（BBB）是一种半透性屏障，涵盖中枢神经系统（CNS）的微血管系统。在毛细血管中，楔形内皮细胞在内部血管中排列，形成广泛的紧密连接。屏障与受体、转运蛋白、外排泵和其他细胞成分一起，控制血管室中的分子进入和排出大脑。完整的血脑屏障会阻止大多数血源性物质流入大脑。但值得注意的是，BBB在保护大脑的同时，也排除了98%以上的小分子药物和所有大分子治疗药物进入大脑。紧密的间隙仅允许分子量低于400-600Da的脂溶性药物被动扩散。增加治疗剂的亲脂性是改善血脑屏障通透性的可行方法。例如，克唑替尼（Crizotinib）是一种口服选择性小分子酪氨酸激酶抑制剂，是一种有效的抗癌药物，但由于其血脑屏障渗透性较低，对脑肿瘤转移的活性较差。氟乙基部分缀合的结构修饰增加了克唑替尼的亲脂性，并导致脑通透性增强。然而，增加亲脂性并不是通用策略，因为它可能会抑制目标药物的生物活性。此外，具有高脂溶性的治疗药物在非靶外周器官中具有较长的保留和作用持续时间，导致相当大的副作用。此外，由于P-糖蛋白（称为多药耐药相关膜蛋白）的存在，药物可以通过ATP依赖性外排泵转运回血液中。因此，迫切需要通过制定有效且安全的给药策略来解决脑靶向治疗的问题。

在材料科学和纳米技术最新发展的推动下，开发了多种调节血脑屏障渗透性的策略以及脑靶向药物输送系统库。药物分子穿过血脑屏障的转运途径包括细胞旁和跨细胞扩散、受体介导的转胞吞作用、细胞介导的转胞吞作用、转运蛋白介导的转胞吞作用和吸附介导的转胞吞作用（图1a）。针对药物运输的各个过程，人们做出了许多努力，也伴随着对该领域最新进展的回顾，但大多数文献强调特定脑部疾病中的BBB破坏，或对重点关注屏障生理学的递送策略进行总体回顾。在这些策略的基础上，具有小尺寸、定制结构和治疗主题的功能材料被广泛设计，以促进靶向药物输送。它们可以通过使用多种基材来构建，包括有机基材（例如，脂质体、胶束、水凝胶等）、无机基材（例如，金属/金属氧化物颗粒、二氧化硅纳米颗粒、量子点等）和和生物质衍生材料（例如，外泌体、细胞、细菌等）。这些材料具有明显的优势，包括非侵入性递送、高载药量、良好的生物相容性、延长的血液循环，以及重要的脑靶向作用，从而改善了脑靶向药物递送的性能。在过去的几年里，我们目睹了材料科学和纳米技术在脑靶向药物输送方面的蓬勃发展。利用定制系统的脑部疾病治疗一直是这种出现的受益者，但缺乏及时和全面的审查。鉴于BBB交叉策略在增强药物递送方面的优异性能，我们将首先总结有助于BBB完整性的结构和不同细胞（图1b）。此外，突出显示了主要的BBB穿越策略以及相关的转胞吞机制及其在屏障界面的相互作用（图1c））。具体来说，我们解决了从被动转胞吞作用、鼻内给药、脑靶向配体缀合、脑靶向膜涂层到刺激介导的BBB破坏等不同途径的问题。然后，概述了定制材料的最新进展，并总结了它们是如何制造和用于治疗脑部疾病的（图1d）。还将讨论潜在的转化试验和该领域剩余的挑战。这篇综述将引起材料科学、纳米技术领域的工作人员，特别是生物医学工程和转化医学领域的工作人员的极大兴趣，它不仅是该领域最新成就的汇编，而且还提供了BBB调节和靶向给药系统合理设计的通用指南。

 

BBB调节和脑靶向药物输送的策略和材料。（a）BBB穿越不同机制的示意图。
（b）BBB结构示意图。（c）用于大脑靶向药物输送的工程材料。（d）多种非侵入性BBB穿越策略

 

BBB结构和生理学

BBB的解剖结构

BBB的存在首先由PaulEhrlich发现，并由EdwinGoldmann证明。BBB是一种宽敞的、多细胞的、动态的半透膜，可将血液中的异物与中枢神经系统隔离。BBB的存在可以通过保持稳定的环境来避免大脑受到损伤。但它也限制了进入中枢神经系统治疗神经退行性疾病和脑癌等脑部疾病的药物。毛细血管是血脑屏障的主要部位。由于神经细胞与毛细血管的距离不超过25µm，因此与另一种相对较长的旁路途径相比，通过血脑屏障进行药物输送是一种更受欢迎的途径。该案例促使研究人员制定有效策略来调节BBB渗透性和靶向输送系统以克服BBB限制。一些评论讨论了BBB识别，这是增强大脑靶向递送的关键步骤之一。为了更深入地了解传递系统和大脑之间的相互作用，应该澄清血脑屏障是如何构建的。

从生理学角度来看，血脑屏障基本上由内皮细胞、星形胶质细胞、周细胞以及包括紧密连接和粘附连接在内的连接复合体组成。在本节中，我们重点关注上述五个要素，其他要素在此不予讨论。

 

内皮细胞

内皮细胞被认为是血脑屏障的核心解剖结构，用于排列脑血管并与中枢神经系统中不同类型的细胞相互作用。BBB中的内皮细胞在形态和功能上与外周内皮细胞不同。屏障性能并不是内皮细胞与生俱来的特性。就形态而言，BBB中的内皮细胞通过紧密连接和粘附连接固定，从而形成不同的腔膜和近腔膜区室。它们还没有开窗，也称为小跨细胞孔，这极大地限制了脑组织和血液之间分子的自由扩散和快速交换。此外，血脑屏障内皮细胞中线粒体的数量高于外周内皮细胞，这意味着运输需要更多能量。就功能而言，首先，它们显示出净负表面电荷，拒绝接受带负电的化合物，以及相当低程度的白细胞粘附分子，阻碍了免疫细胞的进入。其次，它们显示了用于调节特定基质的流入和流出的指定运输装置。第三，由于跨内皮电阻较高，穿过血管壁的跨细胞囊泡数量受到限制。由于局部环境的存在，内皮细胞可以共同形成并维持血脑屏障。

 

星形胶质细胞

星形胶质细胞，也称为星形胶质细胞，是数量最多的神经胶质细胞，表达极化和复杂的形态，在整个大脑中是异质的。传统上，它们被分为两类，一类是原生质，位于血管丰富的灰质中，另一类是纤维状，位于血管较少的白质中。它们的末端脚通过一组蛋白质（水通道蛋白IV和肌营养不良蛋白复合物）与蛋白聚糖集聚蛋白的结合，将其与基底膜连接起来。在中枢神经系统中，它们在清除废物、调节脑血流、调节血管功能、离子止血和平衡神经免疫反应等动态信号传导中发挥着重要作用。然而，星形胶质细胞在血脑屏障功能中的确切作用仍存在争议。一些研究认为星形胶质细胞可以在大脑、其他内皮细胞和相关上皮细胞中产生屏障行为，而其他研究则认为BBB在星形胶质细胞出现之前首先出现。从这一点来看，毫无疑问，血脑屏障主要是通过细胞之间的协调而存在的，而星形胶质细胞是一种神经细胞，与周细胞一起包围着大脑中的血管，充当神经元和内皮细胞之间的界面。此外，对于缺乏血管循环系统的无脊椎动物来说，星形胶质细胞是将体液与中枢神经系统分开的屏障的主要成分。

 

周细胞

周细胞是沿着毛细血管壁间隔出现的壁细胞。它们嵌入基底膜中，位于内皮细胞的近腔处。周细胞覆盖CNS内皮的长度接近100%。应该指出的是，周细胞是神经血管单元功能的核心。由于物理上的并置，周细胞和内皮细胞彼此紧密相连。例如，PDGF-B信号通路就是这样一种通讯方式79,80内皮细胞分泌PDGF-B与周细胞上的PDGFRβ结合，从而将周细胞募集至血管。反过来，周细胞也可以通过确定紧密连接的数量和极化星形胶质细胞的末端来释放信号因子来影响内皮细胞。如果周细胞数量减少，内皮细胞之间的紧密连接也会减少。周细胞除了调节和维持血脑屏障外，还具有调节脑血流、血管发育和维持、神经炎症等功能。

 

紧密连接

在血脑屏障中，紧密连接是维持渗透屏障和控制组织稳态的主要功能成分。它们也被称为闭塞连接或闭塞小带，可以限制亲水分子和大分子的交叉。它们位于内皮细胞之间，密封内皮间裂隙，并作为门和栅栏来限制细胞旁通透性以及完整膜蛋白和脂质的横向扩散，从而维持细胞极化。有许多跨膜和细胞质蛋白参与形成紧密连接。位于两细胞接触处的Claudins和occludins是主要的紧密连接蛋白。Claudins显示出必要的屏障功能，occludins确保紧密连接的紧密性。三细胞蛋白和位于三细胞接触处的脂解刺激脂蛋白受体也是主要的紧密连接蛋白。此外，连接粘附分子、钙/钙调蛋白依赖性丝氨酸蛋白激酶、单克隆抗体7H6和异源三聚体G蛋白也有助于紧密连接的构成。连接粘附分子介导BBB发育过程中的早期附着。激酶样蛋白调节血脑屏障通透性。这些蛋白质之间的相互作用为紧密连接复合体提供了物理支持。紧密连接相关蛋白的下调将导致BBB表型丧失。

 

粘附连接

粘附连接对于BBB结构完整性和紧密连接蛋白质的适当组装尤为重要。在细胞界面处，它们构建了空间、化学和机械上离散的微域。与紧密连接一样，粘附连接与细胞骨架相连，由跨膜蛋白和细胞质斑块蛋白组成。血管内皮钙粘蛋白、支架蛋白连环蛋白、支架蛋白p120、斑蛋白是粘附连接的主要成分。血管内皮钙粘蛋白主要与细胞间粘附相关。是一种同型二聚体跨膜蛋白，其胞外结构域可与细胞旁间隙邻近内皮细胞的其他相同分子连接，胞质结构域可通过支架蛋白与肌动蛋白丝相互作用。同时，连环蛋白、p120、斑蛋白通过形成与zonulaocclusionns-1（紧密连接蛋白）和肌动蛋白丝相互作用的桥梁，负责支持物理和调节连接。此外，其他蛋白质，如血小板和内皮细胞粘附分子1、CD99和nectin，已被报道可能与粘附连接有关。总的来说，粘附连接是血脑屏障完整性的基础，粘附连接的任何变化都可能破坏内皮细胞间的连接。

 

BBB的生理学

BBB的存在通过调节血流和脑组织之间的离子和分子交换提供了受控的微环境。大量研究揭示了血脑屏障的生理功能，例如大脑保护。除了对潜在有害物质进行物理限制外，血脑屏障还在维持体内平衡方面发挥着多种作用，促进必需分子的运输、调节炎症、等等。BBB通过调节特定的离子通道和转运蛋白来维持大脑稳态。例如，Na+、K+、Ca2+、Cl-是中枢神经系统中的主要离子，应将其保持在神经和突触信号传导功能的最佳水平。这些离子不对称地分布在腔膜和近腔膜之间，其流出和流入主要依赖于血脑屏障上的离子转运蛋白。例如，Na+的流入和K+的流出由腔内Na-K-ATP酶针对浓度梯度进行调节，以维持跨细胞膜的电化学梯度。同时，NKCC1等协同转运蛋白通过转运Na+、K+、Cl−来调节离子平衡。离子转运蛋白的功能障碍可能会引起病理改变。其他BBB转运蛋白，如溶质载体和ATP结合盒家族，控制其他必需分子、代谢物和营养物质的运输，维持大脑稳态。有趣的是，通过连接复合体或主动穿过细胞参与离子、营养物和其他分子运输的途径也可能是药物输送的潜在途径，这将在3.1节中详细讨论。

 

BBB调节和交叉策略

脑肿瘤、脑血管疾病和神经退行性疾病，包括帕金森病、阿尔茨海默病和多发性硬化症，都是严重的中枢神经系统疾病。然而，由于缺乏有效的方法，使药物能够超越自然保护性障碍，维持大脑内的稳态，从而防止药物分子进入中枢神经系统，这些具有挑战性的疾病的治疗方法是有限的。许多药物通常通过侵入性策略来管理这些疾病和控制症状。例如，鞘内给药是将药物递送至整个心室系统而不通过血脑屏障的典型方法。已被批准提供反义寡核苷酸用于治疗脊髓性肌萎缩症。其他侵入性策略，包括对流增强递送、颅内植入、和深部脑刺激，都是为脑部药物递送而开发的。最近开发的具有最小侵入性的微针和聚合物晶片为绕过血脑屏障的中枢神经系统疾病管理提供了持续的药物释放。但这些侵入性策略的大脑暴露和损伤的潜在风险限制了它们的长期使用。为了有效、安全、精确地将药物输送到大脑中，人们已经开发出各种非侵入性策略来克服血脑屏障。这些策略包括通过被动转胞吞作用渗透BBB、鼻内给药、配体缀合、膜涂层以及使用光、聚焦超声、生化试剂和辐射破坏BBB。

 

被动转胞吞作用

被动转胞吞作用，也称为非特异性转移，有两种可能的穿过微血管内皮层的途径，即细胞旁途径和跨细胞途径。

细胞旁途径是被细胞间隙、限制性离子、极性溶质和大多数大分子的紧密连接阻断的主要途径。但紧密连接并不完美，小且可溶的物质可以充分穿过细胞旁通路。通常，BBB在某些脑部疾病中会被破坏。使用细胞旁途径的治疗策略之一是下调紧密连接蛋白的表达。例如，一种名为米诺地尔硫酸盐(MS)的调节剂锚定钾通道，通过减弱紧密连接蛋白来增强运输。周等人。开发了名为CTX-mHph2-III-62%的脑肿瘤靶向配体修饰纳米颗粒，其中共封装了米诺地尔、lexiscan和NECA三种调节剂。如果没有进一步的工程设计，三元共聚物III-62%渗透BBB的能力是有限的。通过共封装，此类纳米颗粒可以在局部肿瘤部位释放BBB调节剂，调节BBB在细胞旁途径的通透性，以确保同一区域有更多的纳米颗粒。此外，韩等人。使用基于透明质酸的纳米颗粒来负载米诺地尔，开发了M@H-NP，它可以靶向脑转移肿瘤。透明质酸可以特异性靶向细胞表面受体CD44，该受体在乳腺癌中高表达。在CD44靶点和MS增强的帮助下，M@H-NP可以穿透血脑肿瘤屏障(BTB)，内化到脑转移性肿瘤细胞(BMTC)中，削弱BMTC的药物外流，并产生有效的治疗，从而可以延长乳腺癌脑转移模型的中位生存时间。

与细胞旁途径相比，跨细胞途径是载体进入和运输治疗化合物的优选途径。简而言之，分子可以通过载体介导和受体介导的转胞吞作用从顶部到底部横向分配到细胞膜中。特别是，亲脂性载体和一些其他已知的载体系统（如阳离子氨基酸）主要通过跨细胞途径运输。例如，艾伦等人。表明使用脂质纳米颗粒可以靶向治疗脑出血（ICH）。他们制造了脂质体HSPC:CHOL:DSPE-PEG2000并将其注射到ICH小鼠体内。通过放射性同位素和光学检测方法测量脑脂质体积累，以研究脂质体穿过大脑的动力学。从他们的结果来看，注射后，脂质体的进入量在3小时和48小时达到峰值，这提供了证据，表明利用跨细胞途径，脂质体可以通过自我扩散聚集在病变部位。顾等人。将OX26抗体修饰到聚乙二醇化阳离子脂质纳米粒表面负载黄芩苷，命名为OX26-PEG-CSLN。156OX26-PEG-CSLN不仅可以跨BBB递送药物，还可以调节细胞外氨基酸的变化。OX26-PEG-CSLN比黄芩苷溶液表现出更强的作用，这可能是由于其穿透血脑屏障的能力更强，延长了药物的有效时间。

BBB的紧密性阻止了大多数药物通过被动转胞吞作用进入大脑，但质量低于150Da的亲水性化合物和质量低于400-600Da的高度疏水性化合物除外。因此，如果需要被动转胞吞作用来实现较高分子量的药物递送，则需要一些增强BBB通透性或暂时破坏BBB的策略。

 

鼻内给药

鼻内给药是一种非侵入性途径，与通过脑室内和实质内直接注射到脑组织相比，可以快速从鼻子到大脑靶向大脑。除通过粘液纤毛清除的药物分子外，其余药物通过神经元途径和体循环进入鼻腔。如图2a所示，嗅觉神经和三叉神经的神经周围和血管周围区域是鼻内给药后靶标过程的主要贡献者。鼻到脑有3条通路：（1）嗅神经-嗅球-脑；(2)三叉神经-脑；(3)肺/胃肠道-血液-脑。其中，(1)和(2)是通过神经元通路的主要途径，而(3)是通过体循环的次要途径。具体来说，（1）是最短、最直接的路线。它已被有利地用于高速输送药物。可以在1.5-6小时的时间窗口内完成递送，甚至通过嗅觉上皮细胞的途径也只需几分钟。（2）也是直接的药物输送途径，因为三叉神经不仅位于呼吸区，还位于嗅觉区。三叉神经有三个分支，每个分支都连接到脑干和嗅球，主要负责感觉疼痛和温度。(3)是与涉及胃肠道和呼吸系统的体循环相连的间接途径。属于体循环，可能引起广泛的药物代谢。综上所述，由于体内的意外消除，与直接递送相比，间接递送的药物量可能较少。

 

鼻内给药允许快速从鼻子到大脑的大脑靶向。从鼻腔到大脑的路线示意图。
（b）LENK纳米颗粒的透射电子显微镜和结构示意图。
（c）施用纳米肽或单独施用肽后，嗅球和大脑中LENK浓度的变化。
（d）大鼠三叉神经荧光动态。（e）三叉神经的荧光强度。
（f）Alexa-葡聚糖的CSF浓度。（g）脑组织中MPEGePCLeTat复合物的动态。

 

鼻内给药系统作为重要的脑靶向系统之一，具有利用上述鼻-脑通路穿过血脑屏障的能力。乌切格布等人。构建了粒径为30-60nm的纳米肽，封装了亮氨酸5-脑啡肽盐酸盐（LENK），并证明该纳米颗粒能够通过鼻内给药转运LENK（图2b，c）。结果表明，注射后，在嗅球中发现了LENK，但在大脑中很难找到它们。但使用纳米粒子的配方，促进了LENK的大脑分布，没有外周暴露，并且在丘脑和皮质内，可以观察到纳米粒子的定位。同样，在另一项研究中，Seta等人。开发了用于鼻内给药的纳米胶束MPEG-PCL-Tat，使用源自HIV的细胞穿透肽（Tat）来修饰由聚乙二醇-聚己内酯聚合物组成的纳米胶束（图2d-g）。从功能上讲，该系统在将siRNA递送至大脑方面发挥着重要作用。作者采集了鼻嗅粘膜或嗅球，并制备了其冷冻样本，展示了使用该系统进行核酸转移的途径，重点关注涉及嗅觉神经和三叉神经的主要鼻到脑途径。

由于中枢神经系统和鼻腔之间独特的解剖关系，纳米药物可以通过鼻内给药相对快速且容易地进入大脑。但也存在一些局限性，包括各鼻腔形状的差异、鼻内药物的准确剂量、粘液纤毛的排除、引流至咽部或下部等。另外，身体的健康状况也需要考虑，否则可能有人会出现过敏、感冒等不适合鼻内给药的情况。看来各项研究之间经鼻途径分娩的结果差异很大。因此，经鼻途径将药物输送到大脑中还相当不成熟，需要更优质的药物输送系统来解决上述局限性。

 

用于脑靶向的配体缀合

配体缀合是一种主动靶向策略，使用对脑内皮细胞上表达的受体具有高度特异性的配体。如图3a所示，这里以转铁蛋白受体、胰岛素受体、低密度脂蛋白受体、叶酸受体为例。

 

配体缀合是一种主动靶向策略，使用对大脑内皮细胞上的受体具有高度特异性的配体。
（a）使用与大脑缀合的纳米粒子的配体进行受体介导的药物递送的示意图。
（b）患有胶质瘤的小鼠大脑的MRI图像。从U87-MG神经胶质瘤裸鼠身上摘除的神经胶质瘤的照片和显微图像。
（c）U87-MG胶质瘤裸鼠的实时成像。（d）纳米缀合物渗透BBB后的显微可视化。比例尺：20μm。
（e）NIR-797标记的NP-5N和NP-5N-FRα-FA在ICR小鼠中的生物分布结果。

 

转铁蛋白受体是一种糖蛋白，有两个90kDa的亚基，通过二硫键连接，参与细胞铁的转胞吞作用，每个亚基都能与一分子转铁蛋白结合。使用转铁蛋白配体进行了大量研究。拉奥等人。配制了聚乳酸-乙醇酸(PLGA)和杂双功能COOH-PEG-NH2的二嵌段聚合物，嵌入咪唑四嗪烷基化剂(TMZ)，并与配体(聚山梨醇酯-80/转铁蛋白）和干细胞靶向部分（抗巢蛋白抗体）。这种具有靶向配体的纳米复合材料可以将TMZ递送至脑内胶质母细胞瘤异种移植物，并呈现出良好的药代动力学和抗癌潜力。齐等人。使用RI7217，一种来自小鼠的单克隆抗体，对转铁蛋白受体表现出高选择性和敏感性，来修饰长循环脂质体（图3b，c）。在他们的研究中，使用hCMEC/D3细胞和U87-MG胶质瘤细胞来评估靶向脂质体的摄取和机制，并使用颅内U87-MG胶质瘤来测试靶向脂质体穿过BBB和抗脂质体的能力。-瘤。他们得出的结论是，RI7217抗体修饰是一种很有前途的策略，可以最终形成通往大脑的药物输送系统。谢等人。优化的含转铁蛋白和细胞穿透肽的双介导脂质体。首先，为了构建合理的双介导脂质体，他们筛选了用于连接转铁蛋白和细胞穿透肽（CPP）与脂质体的不同PEG分子量以及配体的密度。然后，他们评估了脂质体BBB的渗透性以确认转铁蛋白的作用，并评估了细胞内化和溶酶体逃逸的行为以确认CPP的作用。同时，以裸鼠为模型，在体内追踪Tf-CPP-SSL，证明该药物递送系统在脑靶向和延长循环方面表现良好。然而，应该指出的是，配体不能轻易地与转铁蛋白受体分离，并且内切/溶酶体的内化也损害了分离。为此，高教授及其团队在酸性可裂解配体修饰的基础上开发了一系列纳米平台。例如，酸敏感亚胺接头（DAK）与纳米颗粒表面的D-T7肽缀合，在酸性环境中会分解，促进内/溶酶体逃逸。该系统被证明具有显着的血脑屏障转胞吞作用增强作用，并被进一步用于治疗自闭症谱系障碍。这种响应策略减轻了转铁蛋白受体介导的转胞吞作用的缺陷。

胰岛素受体在大脑中高度表达，不仅在下丘脑、嗅球、海马和纹状体中，而且在大脑皮层和小脑中也有表达。胰岛素可以与位于细胞外部的胰岛素受体的α亚基结合，诱导位于细胞内部的β亚基二聚化和自磷酸化。与胰岛素相比，胰岛素样生长因子1(IGF1)对胰岛素受体的结合亲和力相对较低。类似的细胞内信号传导途径可以由胰岛素和IGF1受体启动。约尔格等人。使用人血清白蛋白（HSA）纳米颗粒共价偶联胰岛素或抗胰岛素受体单克隆抗体。他们使用洛哌丁胺作为HSA内的递送药物，并评估了洛哌丁胺跨BBB的潜力。由于表面存在胰岛素团聚，负载洛哌丁胺和胰岛素修饰的HSA呈现出尺寸增加，这证明使用NHS-PEG-MAL5000交联剂成功制备了这种胰岛素靶向纳米颗粒。通过ICR（CD-1）小鼠尾部注射后，NP表现出显着的镇痛作用，这意味着洛哌丁胺能够跨BBB转运。弗雷二世等人。研究了IGF1向CNS的递送，确认它们通过施用[125I]标记的IGF1混合物到达了大鼠的CNS靶位点。高分辨率磷光体成像放射自显影的结果确定了IGF1和结合位点的特异性结合。此外，他们证明IGF1可以激活不同中枢神经系统区域的不同信号通路。

低密度脂蛋白受体相关蛋白（LRP）作为一种跨膜糖蛋白，可以介导富含胆固醇的低密度脂蛋白的摄取，包括胆固醇、生育酚和Apos。180LRP家族有很多成员，如LRP-1、低密度脂蛋白（LDL）受体相关蛋白1B、巨蛋白/LRP-2、载脂蛋白E受体2、分拣蛋白相关受体、LRP-5、和LRP-6。此前，我们的小组报道了一种angiopep-2（一种针对LRP-1的双靶向配体）修饰的纳米凝胶，用于靶向递送抗癫痫药物。电响应纳米凝胶的脑积聚通过功能化得到显着改善。有趣的是，尽管其机制仍有待探索，但纳米凝胶被发现分布在颞叶，这是癫痫病灶的常见大脑区域。钟等人。合成了与angiopep-2结合的具有核壳结构的纳米颗粒，用于靶向和治疗神经胶质瘤。他们证明angiopep-2的修饰可以改善选择性神经胶质瘤靶向，因为C6神经胶质瘤细胞对纳米颗粒的细胞摄取量高于L929成纤维细胞。此外，与对照组相比，静脉注射这些angiopep-2修饰的纳米颗粒可以使肿瘤体积缩小10倍。Holler和同事报道了六种肽载体附着在聚（β-l-苹果酸）-三亮氨酸聚合物上（图3d）。这些肽可以发挥特定的靶向功能，针对低密度脂蛋白受体相关蛋白1、转铁蛋白受体、蜂毒源离子通道和Aβ/LRP-1相关转胞吞复合物。他们研究了纳米缀合物广泛穿过血脑屏障的能力，包括携带肿瘤的大脑、类似阿尔茨海默病的大脑和健康的大脑。更重要的是，他们研究了调节转胞吞途径之间串扰的分子机制。

叶酸受体是高亲和力受体，可以介导细胞对叶酸或叶酸(FA)的摄取，从而预测DNA合成和营养供应。它们在药物输送系统的设计中相对普遍使用。张等人。展示了一种葡萄柚衍生的纳米载体（GNV），其包被有叶酸，可携带miR17，用于治疗GL-26脑肿瘤，这是一种叶酸受体阳性肿瘤。他们发现GNV降低了用于负载RNA的聚乙烯亚胺的毒性，并且FA-GNV表现出比GNV更好的靶向行为，可在1.5小时内快速移动到大脑中。舒等人。使用薄膜水合方法构建了叶酸改性的聚合物胶束递送系统。递送药物为紫檀芪(Pt)，该系统的主要结构由mPEG-PCL贡献。与游离Pt/mPEG-PCL相比，FA-Pt/mPEG-PCL对叶酸受体过表达的A172细胞表现出增强的毒性，这证明叶酸预期通过叶酸受体介导的途径参与A172细胞中Pt的缩合。此外，在体内，他们分析了血脑屏障渗透值和药物靶向指数，说明所开发的递送系统在脑部递送方面具有巨大的潜力。索斯尼克等人。生产了聚（乙二醇）-b-聚（ε-己内酯）嵌段聚合物，并在边缘与叶酸受体α（FRα）和FA一起发挥作用（图3e）。修饰的纳米颗粒表现出更好的相容性，并且被原代人脉络丛上皮细胞内化的程度更大。静脉注射后，测试了未修饰纳米颗粒和FRα-FA修饰纳米颗粒的生物分布。体循环结果表明，将FRα和FA引入纳米粒子表面可促进脑积聚。

 

用于大脑靶向的膜涂层

近年来，细胞膜作为一种新的材料来源受到广泛关注。它们具有来自其亲本细胞的独特特征，包括可以克服体内面临的许多障碍的天然功能和传输信息网络。由于膜和潜在底物之间存在多种分子相互作用（氢结合、静电相互作用、π相互作用等）和特异性受体识别，感兴趣的膜可以作为递送系统的外层。因此，许多基于不同细胞膜涂层的药物递送系统，如红细胞膜、脑肿瘤细胞膜、免疫细胞膜等，可以赋予脑靶向能力（图4a））。

 

细胞膜提供具有大脑靶向能力的药物输送系统。（a）细胞膜涂层策略示例的示意图。
（b）原位U87-Luc胶质母细胞瘤肿瘤的荧光图像。（c）体内药代动力学。
（d）不同器官和肿瘤中（阿霉素）DOX积累的定量。（e）巨噬细胞不同表型的PD-1水平分析。
（f）不同类型巨噬细胞中PD-1+细胞比例分析。（g）PLGA/DiR和PD-1-MM@PLGA/DiR组中的荧光图像。
（h）免疫组织化学染色图像。比例尺：左1毫米；右50微米。（i）NK@AIEdots抑制脑肿瘤生长过程的示意图。

 

红细胞或红细胞由于具有延长药物在循环中的寿命和多年来防止药物被免疫清除的优点而被用作递送系统。它们很容易获得，并且具有统一的尺寸和形状。红细胞膜上富含CD47蛋白，确保红细胞膜包被的系统可以循环近100-120天而不被巨噬细胞清除。卢等人。使用亲和素-生物素化学的简便方法用CDX肽修饰红细胞膜，该肽显示出与烟碱乙酰胆碱受体的高度结合。他们证明了改良血细胞膜包被系统的成功制备和DOX的装载。他们验证了红细胞膜涂层可以改善系统的循环时间并将其定位在靠近肿瘤血管的位置。细胞和动物的靶向和治疗效率研究表明，红细胞膜-肽包被系统不仅具有穿越血脑屏障的能力，表现出卓越的脑靶向作用，而且还可以释放DOX，延长小鼠的存活时间。石教授课题组通过将angiopep-2修饰到红细胞膜表面，伪装成pH敏感的聚合物，开发了一种仿生纳米颗粒，该聚合物具有pH敏感性，并可负载抗癌药物DOX和BBB调节剂lexiscan（图4b-d）。该系统具有低免疫原性和全身毒性，改善了U87MG胶质母细胞瘤荷瘤裸鼠的血液循环时间和肿瘤积累。

脑肿瘤细胞膜起源于脑肿瘤细胞，往往具有同型靶向性、长时间循环和血脑屏障穿越能力。特定膜蛋白，例如粘着斑蛋白、整合素、粘着斑激酶和ras同源家族蛋白，有助于脑肿瘤细胞膜包被系统的功能。刘等人。制备了具有脑肿瘤细胞膜涂层的稀土掺杂纳米粒子，可用于近红外-IIb1500nm至1700nm窗口内的脑肿瘤可视化和手术导航。由于脑肿瘤细胞膜的存在，这种纳米颗粒可以很容易地定位到肿瘤部位。他们将该颗粒与临床批准的显像剂吲哚菁绿进行了比较，发现该颗粒具有较高的分辨率和较低的背景信号，可以清晰地看到肿瘤的位置。

免疫细胞膜与它们的母体免疫细胞一样，是构建药物递送系统的有前途的选择，显示出良好的生物相容性并且对正常细胞没有明显的副作用。

巨噬细胞在生理微环境中发挥着重要作用，其表型的极化直接影响肿瘤的进展和转移。为了应对神经炎症，巨噬细胞可以被激活进入抗炎状态，充当消化细胞碎片和病原体的保护者，并释放抗炎因子并激活其他免疫细胞。因此，基于巨噬细胞的药物递送策略利用了巨噬细胞在特定表型下的较长循环时间、丰富的表面受体和主动靶向能力。王等人。增强巨噬细胞膜上程序性细胞死亡-1的表达，并将其涂覆到负载雷帕霉素（RAPA）的PLGA核心上，以制造新型纳米平台（PD-1-MM@PLGA/RAPA）（图4e-h）。巨噬细胞膜帮助纳米平台穿越血脑屏障，以响应多种趋化因子。由于PD-1/PD-L1信号轴阻断，巨噬细胞膜上的程序性细胞死亡1表达优化了免疫疗法的功效。RAPA作为模型药物，可以诱导癌细胞死亡和补体免疫治疗。这种新颖的纳米平台通过化疗和免疫疗法的结合提供了抗多形性胶质母细胞瘤（GBM）策略。他们的结果显示，更多的肿瘤浸润免疫刺激细胞，特别是CD8+细胞毒性T淋巴细胞，被招募并触发抗肿瘤细胞因子的释放，放大了抗肿瘤效果。孙等人。将狂犬病病毒糖蛋白和三苯基膦阳离子分子附着在巨噬细胞膜上，并将其包被到固体脂质纳米颗粒（SLN）上，构建RVG/TPP-MASLN，将天然抗氧化剂金雀异黄素（GS）传递到神经元线粒体，这是阿尔茨海默病的新治疗靶点。MA膜为RVG/TPP-MASLN提供了良好的生物相容性和网状内皮系统逃避行为。此外，MA膜与功能配体的结合赋予RVG/TPP-MASLNs双靶向能力，包括神经元靶向和线粒体靶向。

中性粒细胞是防御病原体的主要白细胞类型，可以通过血脑屏障从循环系统迁移到受损的大脑区域。招募后，内皮细胞上的细胞间粘附分子1等膜粘附蛋白上调，整合素β2、巨噬细胞1抗原和淋巴细胞功能相关抗原1等蛋白在中性粒细胞膜上过表达，共同促进轮回。陈等人。提出了一种结构清晰的“纳米缓冲器”（LA-NM-NP/CBD）。内核由PLGA纳米粒子和活性氧(ROS)清除大麻二酚(CBD)组成。中性粒细胞膜作为外壳定向到梗塞核心，而α-硫辛酸（LA）作为冠层清除ROS。他们利用LA-NM-NP/CBD来改变大脑的不良环境，照顾可挽救的半暗带，用于治疗缺血性中风。

自然杀伤(NK)细胞是大颗粒淋巴细胞，可以自然地对患病/应激细胞进行免疫监视。在细胞表面抑制性和激活性受体（如LAF-1和VLA-4）的帮助下，它们可以有效地靶向特定细胞，从而提供脑靶向递送的潜力。它们可以通过受体直接与癌细胞结合并杀死它们，而无需事先致敏。Tang和同事通过用NK细胞膜涂覆聚集诱导的发射活性聚合物内骨骼来模拟NK细胞，从而开发了纳米机器人（图4i）。208机制研究表明，从NK细胞到纳米机器人表面的受体在血脑屏障穿越和肿瘤识别中发挥着主要作用。此外，在激光的帮助下，AIE活性共轭聚合物可以成为紧密连接调制器，有助于破坏紧密连接，使纳米机器人更容易穿过血脑屏障。

 

外部刺激介导的血脑屏障破坏

为了调节血脑屏障渗透性，基于能量转换材料的外部刺激介导的血脑屏障破坏已被广泛探索。这些策略可以通过各种外部刺激来操纵，例如光、超声波、电针等。

光由于其时空精确、散射最小化、国内非线性吸收等优点而得到广泛应用。正如上一章提到的，光可以帮助打开血脑屏障，引起血脑屏障完整性的特定变化。这种现象是暂时的，可以恢复。1990年，艾格特等人。研究了Nd:YAG激光照射。他们发现激光照射立即导致血脑屏障破裂，这似乎与脑微血管的结构受损区域有关。此外，这表明激光引起的血脑屏障异常或损伤是单相的。照射后，BBB功能障碍在2小时达到峰值，并持续约24小时。然而，照射对大脑的影响很大程度上取决于功率强度、照射时间以及激光源与目标区域之间的距离，这些都会导致温度升高。由于温度测量技术的发展，研究人员能够以非接触方式监测温度。其中，波长为700至1600nm的近红外光（NIR）由于其深层组织穿透性而引起了该领域的高度关注。在最近的研究中，在红外热监测下应用近红外辐射调节BBB渗透性，并且头部温度保持低于43°C。在这种功率强度下，经组织学染色证实，照射造成的脑损伤可以忽略不计。辐射引起的单层细胞跨内皮电阻降低可在10分钟内恢复。2011年，Choi等人。据报道，在不损害血管完整性的情况下，超短脉冲激光可以引起血浆短暂渗漏。他们将超短脉冲激光与全身注射相结合，将目标分子输送到大脑皮层和不同的其他组织。该策略允许在极小的范围内进行侵入性局部递送。2018年，Guo及其同事证明，具有优异光热效应的2D黑磷纳米片可以成为选择性捕获Cu2+以治疗神经退行性疾病的新神经保护平台。在近红外照射下，局部热疗5分钟，温度在41-43℃，增加了微小机械波的产生，从而增加了BBB的渗透性。他们的结果表明，对于小鼠大脑来说，光的功率密度可以保持在原始值的37%以上，深度可以约为1.3-2.6毫米。此外，他们利用核磁共振成像研究了脑血栓形成的风险，没有发现明显的脑血栓形成，这意味着黑磷纳米片在未来的临床应用中具有巨大的潜力。2019年，王和同事还设计了基于黑磷纳米片的药物递送系统，用于负载抗抑郁药物氟西汀。他们对氟西汀的释放能力进行了测试，证明在30分钟的光照射下，90%的药物可以释放。他们报告说，在体内研究中，通过近红外照射，局部温度可保持在41-43°C5分钟。最后，他们比较了游离氟西汀和负载氟西汀的黑磷纳米片，得出了负载氟西汀的黑磷纳米片在光的帮助下缩短了抑郁症的治疗时间的结论。2021年，秦等人。通过使用分子靶向纳米粒子（合成的金纳米粒子）的光增强来调节BBB，该纳米粒子与抗体BV11缀合。他们的结果显示，在光刺激BV11修饰的金纳米颗粒后，BBB的紧密连接得到改善，允许大分子和病毒等颗粒交叉。还检查了脑微血管和实质。巨大的动力学或神经元损伤没有明显的破坏。最近，报道了一种电响应多巴胺-吡咯杂化系统，该系统通过结合受体介导的转胞吞作用和近红外光热转换来改善血脑屏障的交叉，从而提高抗癫痫药物的递送效率。该系统非常适合癫痫药物治疗，在各种癫痫发作模型（包括急性癫痫发作、持续性癫痫发作和自发性癫痫发作）中显示出增强的传导性和敏感性。作者实现了苯妥英2小时持续释放和30秒快速释放并减少了药物剂量。

超声波是一种利用超声波场无创地深入身体深处的技术。它们是频率高于人类听觉范围（18-20kHz）的介质中的机械或弹性振动。自20世纪40年代以来，超声波因其对大脑的非侵入性消融而闻名。对于超声BBB破坏，不同的超声处理参数可能会产生不同的影响，包括阈值压力、幅度和输送的药物量。近年来，充气微泡作为造影剂与超声波结合使用，以图像引导和有针对性的方式打开血脑屏障，确保药物的局部输送。秦等人。构建了微泡输送系统，固定槲皮素修饰的硫纳米颗粒。与超声波相结合，该系统可以在大脑中积聚，并由于血脑屏障的短暂开放而促进药物输送。此外，Qc@SNPs-MB通过保护神经细胞并减少氧化应激、炎症反应、钙稳态失衡和神经元凋亡引起的内质网应激，有效治疗阿尔茨海默病。普莱斯的研究小组利用充气微泡选择性转染脑血管系统的内皮细胞。阴性mCherry质粒与阳离子微泡缀合。这样的微泡具有良好的稳定性。他们的方法通过超声波场下微泡的振荡可以实现基因产物在血管外的运输，而不会破坏紧密连接和破坏血脑屏障。值得注意的是，这项研究的一大亮点是全脑组织样本的细胞鉴定和富集实验，证明他们的策略在不额外使用细胞特异性启动子的情况下实现了约90%的选择性转染细胞特异性。

电针是一种被广泛接受的通过刺激穴位的补充疗法，尽管现代解剖学研究中的支持信息有限。研究发现，某些参数下的电针刺激可以改善血脑屏障的通透性。Lin和同事发现百会穴和水沟穴是电针40分钟以打开血脑屏障的理想区域。然而，目前尚未发现纳米材料与脑部电针协同应用的研究。我们相信，未来这个跨领域将会有进步。

 

其他非侵入性策略

除了之前讨论过的广泛使用的策略，其中表1总结了BBB调节和交叉的主动策略外，人们还使用更多的策略来实现脑靶向药物递送的目的（图5a）。

 

表1BBB调节和交叉的主动策略

 

 

其他策略可以达到脑靶向药物输送的目的。（a）其他策略示例的示意图。
（b）使用离体大脑体内成像系统的荧光图像。（c）重量下降引起的TBI模型示意图。
（d）研究物理侵入BBB的时间点。（e）从小鼠胚胎中分离原代神经元细胞的示意图。
（f）携带神经胶质瘤的小鼠主要器官的离体荧光图像。（g） 3D肿瘤微球的共焦图像和相应的荧光强度。
（h）随着时间的推移评估一般毒性、肾功能和肝功能。

 

金属、聚山梨酯-80(PS-80)等药物可用于收缩大脑内皮细胞。使用这种治疗方法，各种药物输送系统可以绕过血脑屏障。然而，它也有严重的缺点，例如，损害血脑屏障的完整性，并进一步导致不需要的外源性物质，包括血液成分、神经毒性物质和异生物质，在脑组织中积聚。简而言之，这是一种对患者不友好的方法，可能会导致中枢神经系统损伤。乔希等人。报道了一种基于PLGA的具有不同表面涂层的平台，用于siRNA的脑递送，以治疗创伤性脑损伤（TBI；图5b-e）。他们在其配方中尝试了非离子表面活性剂PS-80涂层，并证明通过与脂蛋白受体相互作用可以促进跨血脑屏障的药物输送。他们在注射后对小鼠实施安乐死，并提取大脑以观察标记纳米颗粒的荧光信号。PS-80纳米颗粒显示出比其他制剂明显优越的荧光信号。他们在手稿中指出，虽然表面化学和PS-80密度的联合调节是调整BBB渗透的有用工具，但功能或行为评估（例如细胞死亡、神经炎症或更大的动物模型）缺乏研究。因此，生物安全性和临床表现可能仍然存在问题。

AAV提供靶向配体，可以与BBB腔表面上识别的特定分子相互作用。病原体的内在特性可能会破坏血脑屏障的完整性。定向进化和衣壳工程已被开发用于设计许多穿过BBB的AAV。在AAV家族中，从人肝组织中分离出的天然AAV9衣壳变体能够绕过BBB，成为将药物输送到CNS的明星衣壳。静脉注射后，AAV9主要富集大脑和肝脏。贝等人。报道了两种用于脑药物输送的AAV9变体的合理设计。经啮齿动物和灵长类动物模型证实，通过插入细胞穿透肽制备的变体增强了BBB转胞吞作用和细胞转导。作者声称，这些变异不仅表现出血脑屏障交叉增加，更重要的是保持了向神经性，为神经系统疾病治疗的转化潜力铺平了道路。

细菌可以穿过血脑屏障并感染吞噬细胞。研究人员已经证明采用细菌构建药物输送系统来抵抗中枢神经系统疾病的可行性。对于胶质母细胞瘤光热免疫治疗，Sun等人。开发了一种由两种细菌组成的“特洛伊细菌”（图5f，g）。他们证明，静脉注射的特洛伊细菌系统可以靶向并穿透胶质母细胞瘤。共焦图像显示3D肿瘤微球可以穿透约260μm的深度。在激光的帮助下，细菌细胞和邻近的肿瘤细胞可以被辐射产生的热量破坏。细菌和肿瘤细胞的碎片也可以作为抗原来促进癌症免疫治疗。

BBB还受到氧化还原敏感系统和细胞因子介导的系统的调节。前者主要是针对氧化应激而开发的，这与脑部疾病有相似之处。后者主要是针对促炎状态而开发的，这是许多中枢神经系统病理中的常见状态。氧化应激是由氧化剂不平衡引起的。这些氧化剂可以进一步影响与病理过程相关的多种信号通路，最终导致血脑屏障功能障碍。可以设计氧化还原敏感系统来响应高水平的氧化剂，例如，Kong等人。回顾了nervine的相关进展。他们讨论了ROS响应性官能团的选择，包括硫化物、硒化物、二茂铁、氨基丙烯酸酯等。同时，局部氧化应激导致的促炎状态会刺激许多细胞因子，例如IL-1和TNF-α。因此，进行细胞因子介导的系统是一种可选的方法。维塞等人。报道了一种细胞因子递送平台，作为产生白细胞介素2的细胞因子工厂，由聚合物和ARPE-19细胞组成，可以进行临床转化（图5h）。244他们在卵巢和结直肠小鼠模型的腹膜肿瘤中建立了这个强大的平台，并认为它可以在包括脑癌在内的其他癌症中得到解决。他们使用全血细胞计数和血液化学分析发现与健康范围没有显着偏差，这表明该系统在非人类灵长类动物中具有良好的耐受性。

 

工程脑靶向药物输送系统

为了对抗血脑屏障，越来越多的先进材料和技术被开发出来，以增强中枢神经系统疾病治疗中的脑靶向药物输送。通过使用被动和/或主动策略以受控和非侵入的方式进行BBB调节和交叉，设计了各种药物递送系统，以促进特定治疗药物的大脑靶向递送，包括小分子药物、蛋白质、基因和药物。其他生物制药。由于对递送效率和安全性的要求，大多数能够穿过血脑屏障的药物递送系统都是在纳米级水平上设计的，并具有定制的化学成分和表面性质（表2）。自从近三十年前DOX在脂质体（Doxil）中被批准用于抗癌治疗以来，越来越多的药物递送系统在临床试验中得到研究，一些增强药物递送的制剂已进入临床。

 

表2由不同材料类型设计的脑靶向药物递送系统

 

 

脂质体制剂

脂质体是第一代药物递送系统，自1965年发现以来已得到广泛应用。它们由一个或多个脂质双层和中空水室组成，这赋予了它们装载疏水性和亲水性治疗药物的多功能性。脂质体具有高生物相容性、生物降解性及其固有的血脑屏障穿越能力，被认为是最成功的递送系统之一，在转化医学领域具有巨大潜力。近十年来，随着材料工程和纳米技术的进步，脂质体的研究进一步大幅增加。脂质体递送系统的开发涉及多种类型的功能化策略，例如脑/肿瘤靶向递送、控制药物释放、成像引导递送等。这些策略促进脂质体制剂的开发，以改善脑特异性送货。

通过修饰靶向配体（包括聚合物、肽、抗体和适体）可以增强脂质体的脑靶向递送。例如，Zhan等人。具有淀粉样蛋白-β衍生肽的功能化脂质体表面，该肽对血浆载脂蛋白具有高度特异性的结合亲和力，从而形成蛋白冠修饰的脂质体系统。发现负载DOX的脂质体的脑分布显着增强，并且具有更高的抗肿瘤功效。全等人。开发了转铁蛋白受体适体功能化脂质体，以在大脑中递送乙酰胆碱酯酶重激活剂（图6a）。与非靶向脂质体相比，该功能化系统具有更高的BBB渗透效率，经体外BBB模型和体内生物分布研究证实。脑靶向肽的缀合也被证明是改善脑积累的有效方法。张等人。使用RVG29（一种源自狂犬病病毒糖蛋白的29个氨基酸肽）作为基于脂质体的递送系统中的靶向配体来治疗帕金森病。2但它引出了一个问题：靶向配体修饰的脂质体如何通过受体介导的转胞吞作用绕过BBB。为了给出生动的描述，Lauritzen等人。通过使用转铁蛋白受体靶向脂质体纳米颗粒作为模型系统，描述了脂质体递送至大脑的所有步骤。他们发现，毛细血管后微静脉是转胞吞作用介导的纳米颗粒进入大脑的关键位点。

 

用于脑靶向药物输送的脂质体制剂和聚合物材料。
（a）Apt-LP-LuH-6脂质体的合成和结构表征示意图。
（b）小分子超声控制脂质体纳米载体。
（c）通过纳米沉淀合成胶束的示意图。
（d）用于生成酶递送系统的肽修饰的PLGA和GALCCLEA的纳米沉淀的示意图。

 

特别是对于脑肿瘤治疗，系统需要具有血脑屏障穿越和肿瘤靶向的能力。因此，脂质体功能化的双重靶向策略成为脑肿瘤治疗中药物递送的可能解决方案。例如，GBM特异性细胞穿透肽和抗GBM抗体同时锚定在脂质体表面，赋予其穿透血脑屏障的能力。通过掺入超顺磁性氧化铁纳米粒子(SPION)和DOX，脂质体在交变磁场中表现出热响应性药物释放。辛格小组实现了双功能脂质体的另一个例子。对转铁蛋白和细胞穿透肽进行了表面修饰。因此，与游离药物相比，他们的脂质体系统显示两种化疗药物（DOX和厄洛替尼）的递送量分别增加了约12倍和3.3倍。这些策略证实，针对BBB和肿瘤靶向的配体修饰可以在很大程度上改善脑肿瘤治疗的药物输送。有趣的是，没有任何靶向配体缀合的脂质体也可以作为外部刺激控制的纳米系统用于脑靶向药物输送。如图6b所示，Yanik等人。制备了载药脂质体，该脂质体与含有全氟丁烷气体核心的脂质微泡相连。259通过在不同阶段应用双组分聚集和解禁聚焦超声序列，载药脂质体可以首先在局部聚集，然后响应性地解禁货物，以实现高目标特异性。释放的药物可以穿过完整的血脑屏障而不损害完整性。

最近，一些具有独特结构的新型脂质体被报道用于增强中枢神经系统疾病的治疗。戈麦斯等人。提出了类外泌体脂质体的概念，以克服尺寸大和生产率低的限制。在脂质体的制备中引入包含DODAP（1,2-二油酰基-3-二甲基铵-丙烷）和DPPC（二棕榈酰磷脂酰胆碱）的脂质膜，形成类似于外泌体外膜的双层。第4.7节将强调更多用于药物输送的基于脂质体的仿生纳米材料。

 

聚合物药物输送系统

用于脑靶向递送的聚合物材料涉及广泛的药物递送系统。他们在中枢神经系统疾病的不同动物模型的临床前研究中显示出潜力，证明了药物递送的有吸引力的特性，包括控制药物释放、细胞靶向和摄取，以及避免网状内皮系统吞噬的能力。PLGA是一种典型的经美国食品和药物管理局(FDA)批准的聚合物，用于配制生物医学中的递送系统。基于PLGA的递送系统有资格封装各种治疗货物，包括小分子药物、基因、蛋白质、疫苗，通过保护它们不被降解来确保高生物利用度。没有任何功能化的PLGA组装体在大脑中的分布高达16.4%，并且可以保持该水平至少7天。此外，靶向配体表面修饰的可能性可以进一步促进其穿透生物屏障。Cecchini等人报道了一个典型的例子，证明与不同靶向肽缀合的PLGA聚合物可用于克拉伯病等脑部疾病的酶疗法（图6c）。

两亲性聚合物以其自组装成胶束的优势而闻名，胶束具有疏水核和亲水壳，尺寸为2-300nm。因此，这种结构能够实现治疗剂的高负载能力和延长的血液循环，及其在脑损伤中的有效积累。我们最近提出了一种基于胶束的药物递送纳米系统，用于控制热性惊厥。设计的聚（丙烯酰胺共丙烯腈）-甲氧基聚乙二醇琥珀酰亚胺基碳酸酯共聚物可以自组装成确定的胶束。由于幼鼠的血脑屏障发育不完全，胶束最早在五分钟内就可以在新生大脑中迅速积聚。选择抗炎小分子抑制剂CZL-80作为模型药物。胶束封装后，药物的治疗窗显着增加至至少4小时，而单独注射CZL-80则需要20分钟。重要的是，纳米工程胶束具有39°C的上限临界溶液温度，显示出用于按需治疗的热敏药物释放机制。为了对抗耐药性神经胶质瘤，Saltzman等人。制备了一种还原响应聚合物纳米粒子，用于共同递送奥沙利铂（第三代铂类抗癌药物）和56MESS（一种阳离子铂DNA嵌入剂）（图6d）。奥沙利铂和56MESS分别通过疏水相互作用和静电络合被封装在纳米颗粒内。由于聚合物主链中二硫键的断裂，肿瘤还原微环境中较高水平的谷胱甘肽（GSH）可能会触发药物释放。作者声称，通过使用对流增强输送，药物可以穿过血脑屏障并积聚在神经胶质瘤区域。Jiang课题组报道了另一例基于胶束的药物递送系统用于中枢神经系统疾病治疗，但没有任何脑靶向功能化。他们开发了一种基于微血栓靶向胶束的系统，用于缺血性中风治疗。由于BBB受到病理损伤，微血栓靶向胶束可以有效穿透BBB，并通过疏水相互作用促进RAPA递送。这些胶束由ROS响应和纤维蛋白结合聚合物组装而成，可延长药物保留时间和ROS触发的药物释放，从而调节神经炎症。基于胶束的递送系统对于治疗具有完整BBB结构的疾病也有效。由β-淀粉样蛋白衍生的靶向肽和ROS响应性两亲聚合物构建了大脑和小胶质细胞双重靶向纳米系统。通过模仿不受调节的Aβ运输，胶束可以针对阿尔茨海默病微环境，并释放模型药物姜黄素，以响应阿尔茨海默病中过量的ROS生成。

纳米凝胶由功能聚合物三维交联配制而成，具有能够有效封装药物的网络。可调节的特性，如可变形性、纳米级尺寸和高亲水性，使纳米凝胶成为鼻子到大脑输送的候选者。迪卡洛等人。通过电子束照射制造了一种基于聚（N-乙烯基吡咯烷酮）的纳米凝胶，并证明这种基于纳米凝胶的系统可以提供胰岛素从鼻子到大脑的输送。与服用免费胰岛素相比，前部和小脑区域的药物水平在60分钟内显着增加。作者指出，这种改善可能是通过嗅觉和三叉神经通路进行鼻内递送的结果。Kokare及其同事报道了另一种负载特立氟胺的脂质基卡波姆-结冷胶原位凝胶聚合纳米凝胶递送系统。通过平衡胶凝剂、粘膜粘附剂的相互作用，将纳米凝胶与亲脂性药物一起配制，并实现了药物渗透性的两倍增强。该小组还进一步开发了帕潘立酮棕榈酸酯泊洛沙姆-瓜尔胶纳米凝胶，通过鼻腔绕过血脑屏障直接输送至大脑，用于治疗精神分裂症。王等人。通过耦合均质和喷雾干燥技术制备了钙离子引发的去氢骆驼蓬碱原位纳米凝胶。研究发现，通过纳米凝胶给药的去氢骆驼蓬碱的生物利用度比口服给药的高25倍。同时，脑靶向基序的结合允许纳米凝胶跨BBB进行转胞吞作用，以实现脑靶向药物输送。Morgenroth报道了基于纳米凝胶的载体，通过异常脑血管中过度表达的白喉毒素受体配体的功能化，将放射性药物在细胞内递送至脑肿瘤细胞。交联网络还含有基质金属蛋白酶底物，允许蛋白酶响应药物释放。模拟细胞膜的纳米凝胶是另一种典型的血脑屏障穿越纳米载体。例如，Yu和他的团队利用磷酸胆碱纳米凝胶来增强GBM化疗。磷酸胆碱聚合物表现出持久的循环，并在脑肿瘤组织中实现更高的积累，成为血脑屏障穿越的有效工具。

还有其他聚合物支持的递送平台已被证明可以成功地进行大脑靶向递送，包括半导体聚合物、多糖、明胶和其他合成或天然聚合物。对聚合物在体内的生物利用度、降解性和生物相互作用的进一步研究将促进该领域的发展。

 

金纳米材料

与脑部疾病的药物输送相比，金纳米材料具有许多独特的优势。283,284金的惰性表面化学允许纳米生物界面上的有限相互作用，从而导致高细胞和组织相容性。它们可以以大小依赖的方式穿过大脑内皮进入大脑。此外，合成具有定制结构和确定尺寸的金纳米材料相对简单。尽管静脉注射后仅观察到较小尺寸（<10nm）的金纳米颗粒分布在脑切片中。亚100纳米金纳米粒子在脑肿瘤、脑中风、脑损伤、癫痫等病理情况下可通过受损的血脑屏障渗出。此外，可以通过使用计算机断层扫描成像进行成像引导治疗来追踪金纳米材料，评估其在大脑中的生物分布和积累。由于其优异的特性，基于金纳米颗粒的多种应用已被开发用于治疗脑部疾病。例如，一些在近红外生物窗口具有较高吸光度的金纳米颗粒是用于脑肿瘤光热治疗的潜在纳米药物。在本节中，我们将重点讨论基于金纳米材料的递送系统的设计和合成。

功能性配体或药物可以通过金-硫醇键稳定地锚定在金表面上，以增强药物递送。Popovtzer开发了胰岛素包被的金纳米颗粒作为内源性BBB转运系统，用于将治疗药物输送到富含胰岛素受体的大脑区域。在修饰之前，硫醇-mPEG-COOH共聚物通过金-硫醇相互作用附着在金纳米颗粒上，留下羧基以供EDC/NHS与胰岛素进一步结合。他们还证明，与50nm和70nm纳米颗粒相比，20nm金纳米颗粒在大脑中的积累量最高。郭的团队证实了迷宫四肽锚定金纳米粒子的另一个例子。硫醇化生物分子被锚定在纳米颗粒表面，实现大脑靶向递送和神经保护，以预防阿尔茨海默病。如前所述，金纳米粒子和功能配体之间的金-硫醇相互作用为纳米粒子功能化提供了一种简单而有效的策略。

最近，手性金纳米粒子在纳米技术和生物医学领域受到关注。Tang及其同事首先揭示了金纳米颗粒的BBB渗透明显受到其手性的影响（图7a，b）。众所周知，大脑中高水平的GSH转运蛋白可促进GSH封端的纳米粒子的BBB通透性。在这项工作中，作者指出，与对映体（L-GSH稳定的纳米颗粒，L3.3）相比，3.3nm的D-GSH稳定的金纳米颗粒（D3.3）具有更高的脑分布。加上D3.3对淀粉样蛋白-β具有更大的结合亲和力，手性配体的引入使纳米颗粒能够更好地挽救阿尔茨海默病的行为障碍。这项研究无疑让我们对纳米技术通过配体功能化实现的BBB交叉有了更深入的了解。

 

用于脑靶向药物输送的金纳米材料和碳材料。
（a）通过分子对接模拟获得的具有L-和（b）D-GSH涂层的Au(111)表面的Aβ17-36的模拟结构。
（c）马吲哚-B6肽-PCB-S-姜黄素-siRNA(MBPCS)和中间产物的合成示意图和dTEM图像。
（e）GO上Ru-CO簇的各种核的结构和反应性，以及f1Ru-和11Ru-CO的FTIR光谱。
（g）载药石墨烯量子点(GQD-D)和锚定在纳米海绵内的西妥昔单抗标记
红细胞膜包被的GQD-D(Ct-RBC@GQD-D/NS)的合成示意图及其TEM图像。

 

基于金纳米颗粒的药物递送系统具有除球体颗粒之外的非常规结构，旨在增强脑靶向递送。例如，张和他的团队利用纳米技术制造了一种用于共同递送基因和化学药物的可切换纳米平台（图7c，d）。用B6肽、马吲哚、β-硫醚酯键合共聚物对纳米颗粒进行修饰，分别赋予纳米系统脑靶向能力、对多巴胺能神经元的高亲和力和ROS响应药物释放。它显着改善了姜黄素和小干扰RNA的靶向递送，以实现克服帕金森病问题的协同递送。有趣的是，附着在金表面的左旋多巴在神经元中提供了Fe3+启用的组装，以增强计算机断层扫描。金纳米粒子介导的自组装和分解之间的微环境介导的转换被开发用于脑肿瘤治疗。脑肿瘤中的内源性因素，如低pH值和较高的GSH，可以触发组装-解组装状态的转变，以提高治疗诊断效率。此外，由金和其他材料组成的混合纳米颗粒继承了每种成分的固有特性。用槲皮素修饰的双金属纳米颗粒（金和钯）可以作为治疗阿尔茨海默病的潜在诱导剂。

目前，一些基于金纳米材料的系统正在进行临床前和临床试验。这些系统的局限性和优点应该进一步调查和总结，为社区提供指导手册。需要进行比较研究来探索形状、尺寸、表面电荷和其他因素对纳米生物相互作用的影响。除了BBB穿越之外，还应继续研究金纳米材料在大脑中的生物分布和消除。

 

碳材料

包括碳点（CD）、碳纳米管（CNT）、石墨烯和氧化石墨烯在内的碳材料被认为是生物医学应用的有前景的试剂。它们正在发展成为功能材料，不仅用于药物输送，还同时用于成像、诊断和其他治疗，同时证明副作用可以忽略不计。

由于其可调特性、光稳定性、小尺寸和面部合成，CD已被用作生物相容性纳米载体，用于脑靶向药物输送。306勒布朗等人。先后报道了两种基于CD的纳米载体的开发，用于治疗胶质母细胞瘤脑肿瘤和阿尔茨海默病。用于脑肿瘤治疗的CD通过EDC/NHS反应与CD表面的羧基基团与转铁蛋白、表柔比星、替莫唑胺缀合。用于治疗阿尔茨海默病的CD是通过超声介导的策略制造的，产生尺寸为3nm的两亲性黄色发射颗粒。这种具有两亲性的CD可以通过被动融合穿过BBB。

氧化石墨烯（GO）和还原GO（rGO）是两种代表性的石墨烯基材料。它们以其电迁移性、光热特性、高比表面积而闻名，这使它们在靶向药物输送方面具有巨大的潜力。药物分子可以通过非共价相互作用（π-π堆积、疏水相互作用、氢键和静电相互作用）方便地装载到基于石墨烯的递送系统中。此外，GO和rGO的-OH和-COOH基团提供了与目标分子和材料基质缀合的可行性。有趣的是，石墨烯基材料本身在治疗中枢神经系统疾病方面具有潜在的治疗作用。它们已被用于抑制β-淀粉样蛋白的错误折叠和聚集。通过负载蝙蝠葛碱（一种可减轻脑部炎症的二苄基四氢异喹啉生物碱），GO片被证实具有治疗阿尔茨海默病的效果。除了小分子药物外，RuII(CO)2等簇也可以被吸附到GO上（图7e、f）。在光热活化作用下，二氧化碳被释放出来，用于治疗血管疾病，例如中风治疗。显然，功能性配体的缀合已被探索以促进基于石墨烯的材料（例如乳铁蛋白、卟啉和转铁蛋白）的血脑屏障转胞吞作用。尺寸和表面电荷等物理化学性质也对GO和rGO的BBB穿透效率有影响。尺寸为2至4nm的石墨烯量子点比尺寸为5至20nm的GO具有更高的BBB渗透性，表明粒径在脑药物输送中的关键作用。由于尺寸小，石墨烯量子点可以封装在介孔纳米结构上并介导药物和光解剂的治疗诊断渗透递送（图7g，h）。她将细胞膜工程设计到混合颗粒上，延长了血液循环，从而增强了脑肿瘤的积累。

根据内部石墨烯层的不同，碳纳米管可分为两种类型，即单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。碳纳米管独特的表面化学和壁结构允许药物负载和聚合物缀合，从而有针对性地输送到大脑。用于药物输送的碳纳米管通常用-NH2或-COOH等官能团进行修饰，以提供反应位点。Raza开发了经过-NH2修饰后的聚乙二醇化碳纳米管，用于递送芒果苷，芒果苷是一种潜在的抗癌药物，可作为治疗脑肿瘤的纳米药物。个羧化单壁碳纳米管用于左旋多巴的脑部递送，以治疗帕金森病。陈等人。将脑靶向肽、神经胶质瘤靶向和聚乙烯亚胺与羧化多壁碳纳米管的混合物结合起来，形成用于原位脑肿瘤的纳米药物。治疗剂可以通过共价结合或非共价键合加载到系统中。然而，公众对人类健康的关注仍然存在，因为碳纳米管的暴露可能会导致中枢神经系统的细胞毒性，并且在将其应用于临床试验之前需要更多的毒理学特征。

 

氧化铁纳米颗粒

氧化铁纳米粒子（IONP）是一类广泛用于生物医学应用的纳米材料，包括药物输送、生物成像、热疗和磁分离。磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(α-Fe2O3)和磁赤铁矿(γ-Fe2O3)是三种常见的IONP，其中Fe3O4纳米颗粒受到了极大的关注。重要的是，可以通过受控方式合成具有不同尺寸、形状、形态和表面化学性质的定制IONP。通常，未修饰的IONP的给药不允许脑靶向递送。它们在啮齿动物模型器官中的积累模式如下：脾>血液>肝>肾>肺>心脏>睾丸>脑。靶向配体和/或聚合材料（例如PEG链、羧甲基纤维素、葡聚糖）的共价结合可以显着促进IONP跨BBB的转运。

球形IONP或SPION可以作为脑靶向递送的载体。例如，由L-天冬氨酸、FeCl3 · 6H2O和FeCl2 · 4H2O的混合物合成的IONP可以逐步用羧基、紫杉醇、PEG聚合物链和GSH进行功能化。合成后的颗粒被证明可以通过穿梭肽穿过BBB，并将药物分子输送到大脑中。Ni和合著者制造了脑靶向IONP，用于共同递送GSH过氧化物酶4和顺铂以进行基因化疗。小干扰RNA和化学药物分别通过EDC/NHS反应和直接吸收加载。小尺寸IONP有时被用作载体以外的治疗剂。郭通过组装PLGA并将肽双修饰纳米颗粒靶向全氟己烷纳米液滴，开发了一种用于溶栓的超声响应纳米颗粒（图8a-d）。在另一份报告中，SPION、量子点、西仑吉肽被整合到一个纳米平台中，为成像引导治疗提供脂质体制剂。亲水性西仑吉肽被封装在水核中，而SPION和量子点则隐藏在脂质膜内。配方中使用的SPION和量子点的尺寸分别为约20nm和约8nm，最终脂质体的流体动力学直径确定为约100nm。作者声称，尺寸变化可以促进通过渗漏脉管系统（7-150nm）的被动靶向，同时防止SPION均匀渗漏到正常组织中。

 

用于脑靶向药物输送的氧化铁纳米颗粒、二氧化硅纳米材料、仿生纳米材料和Cas9/RNA纳米颗粒。
（a）使用CREKA肽合成Fe3O4纳米颗粒-PLGA-全氟己烷(PFH)纳米颗粒的示意图，
（b、c）Fe3O4-PLGA-PFH-CREKA和PLGA-PFH-CREKA纳米颗粒的代表性TEM图像，以及d他们的元素映射结果。
（e）HA-MMSN-1F12纳米粒子的合成示意图和
（f）粒径以及gHA-MMSN和HA-MMSN-1F12纳米粒子的TEM图像。
（h）细胞膜涂层纳米结构的合成及其对胶质母细胞瘤的靶向协同治疗的示意图。
（i）CRISPR-Cas9纳米胶囊的合成示意图及其TEM图像和（k）尺寸分布。

 

最近，针对脑部疾病开发了具有定制结构的IONP或多组分基于IONP的颗粒。周等人。提供没食子酸涂层的磁性纳米三叶草，用于将纳米药物靶向递送至脑肿瘤。三叶草形状的纳米粒子是由CoFe-油酸盐、油酸和油醇的混合物经过延长的反应时间合成的。作者指出，这些纳米三叶草比普通IONP具有更高的热感应效率，从而增强磁热疗-化疗组合用于脑肿瘤治疗。Paulmurugan及其同事合成了多功能金铁氧化物纳米星，用于传递microRNA，以对抗胶质母细胞瘤。金-铁氧化物纳米星可以通过连续的种子和生长步骤获得，具有约34nm的均匀尺寸分布。杂化聚合物（β-环糊精-壳聚糖）的进一步涂层和PEG-T7肽的修饰能够实现有效的货物装载和脑肿瘤靶向。

IONP广泛用于临床诊断和/或预后应用。基于IONPs的药物输送系统的开发实现了可追踪的输送和成像引导治疗。磁疗法的最新进展为联合治疗提供了新的机会。因此，未来应开展多功能纳米平台的构建，以及如何平衡各成分之间的相互作用以优化功效的研究。

 

二氧化硅纳米材料

二氧化硅纳米颗粒是一种稳定、低毒的纳米结构生物陶瓷，其卓越的性能和用途可用于生物医学。介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN)的特点是介孔有序分布，孔径在2至50nm之间，具有高孔体积和表面积，是起始生物材料的理想候选材料，特别是作为药物载体。颗粒表面硅烷醇基团的存在使得能够生产MSNs系统的多功能衍生物，用于治疗脑部疾病的靶向药物递送。

构建基于MSNs的BBB穿越传递系统主要有两种策略。首先，MSNs可以通过直接药物吸收和表面配体功能化用作药物递送系统。陈等人。将cRGD肽与MSN结合，并通过混合同时加载抗肿瘤药物DOX。他们发现这种系统表现出很强的穿过血脑屏障的渗透性，然后可以通过释放药物来诱导癌细胞凋亡。作者对尺寸为20、40和80nm的MSNs的转运能力进行了评估，计算结果分别为44.0%、59.2%和38.6%，均高于游离药物的转运能力（32.8%）），表明依赖于尺寸的渗透机制。Gómez-Ruiz及其同事制备了一个基于MSN的纳米平台，用于输送多种药物（瘦素和吡格列酮）来对抗肌萎缩侧索硬化症。通过EDC/NHS偶联将具有神经保护作用的多肽激素Leptin与MSNs的-NH2缀合，并通过吸附负载抗炎药吡格列酮。测得载药前后的表面积和孔体积分别为853m2/g和0.73cm3/g、512m2/g和0.47cm3/g。这些结果证明两种试剂的成功结合。使用iRGD肽、乳铁蛋白、硫辛酸、Angiopep-2、脂质双层、作为靶向配体的其他纳米平台也证明了基于MSN的递送系统的有效药物装载和BBB交叉。

此外，MSN被用作进一步材料生长的核心基底，或用作其他功能纳米结构（包括上述颗粒）上的载体壳涂层。例如，通过在磁性Fe3O4纳米颗粒上接枝原硅酸四乙酯的聚合来构建核-壳颗粒系统，用于药物递送和磁共振成像。随后，载药的Fe3O4@MSNs颗粒被激活的中性粒细胞包裹，形成仿生治疗诊断平台。作者声称，中性粒细胞不仅具有穿过血脑屏障的天然能力，而且还可以作为针对炎症区域的“活”递送系统，以最大限度地提高药物的生物利用度。罗和同事开发了类似的磁性核壳颗粒（图8e-g）。Fe3O4@MSNs颗粒用淀粉样蛋白-β抗体(1F12)和CD44靶向配体（透明质酸）进行修饰。因此，在透明质酸实现血脑屏障渗透后，颗粒可以特异性去除淀粉样蛋白-β低聚物。在他们的工作中，颗粒尺寸的流体动力学尺寸范围为413至478nm，这不是BBB穿越的理想颗粒尺寸。然而，作者通过将CD44靶向配体与MSN结合成功解决了这个问题。Karathanasis证明了用NH2-PEG聚合物和纤连蛋白靶向肽CREKA修饰的Fe3O4@MSN的血脑屏障渗透性。由于磁芯，外部低功率射频场可以促进药物穿过血脑肿瘤界面的深度渗透。

二氧化硅纳米材料的独特性质使其成为药物载体的理想候选者。特别是，材料优异的表面化学和结构特征显着提高了载药能力。因此，应开发高效且标准化的二氧化硅材料生产方案以实现可重复性。

 

仿生药物输送系统

工程材料可以根据疾病治疗的要求，作为大量具有定制理化特性的纳米颗粒，在药物输送中发挥其治疗功效。在过去的十年中，使用仿生材料的伪装药物输送系统被开发出来，可以穿越血脑屏障进行脑靶向药物输送。最早的工作可以追溯到十二年前，张的团队展示了一种用于药物输送的红细胞膜伪装聚合物纳米颗粒。此后，除了膜驱动技术之外，还采用了生物大分子驱动策略、外泌体介导的载体、病毒启发合成、细胞外囊泡仿生方法、和细菌仿生策略等替代策略来制备定制纳米载体。从合成过程来看，用于脑输送的仿生纳米材料一般可分为两种策略，即自下而上和自上而下的策略。

自下而上的粒子构建策略主要包括使用大量源自生命系统的靶向配体。从小分子、短肽、核酸到各种功能蛋白，研究人员创建了用于纳米粒子装饰的靶向配体工具箱。除了前面提到的直接与纳米颗粒缀合外，靶向配体还能够组装成纳米结构，协助聚合物实现靶向药物递送的目标。Lahann设计了一种由HSA、细胞穿透肽(iRGD)、反应性大分子单体(OEG)和针对STAT3（与肿瘤进展相关的关键因子）的siRNA组装而成的合成蛋白纳米颗粒。在电流体动力喷射处理下，OEG大分子单体聚合并与白蛋白中的赖氨酸残基发生共价相互作用，形成平均尺寸为115nm的纳米颗粒。体外和体内研究证明了蛋白质介导的纳米颗粒的血脑屏障穿越和肿瘤积累。为了提高细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4(a-CTLA-4)和程序性细胞死亡1(a-PD-1)的BBB通透性以用于脑胶质瘤的免疫治疗，Ljubimova及其同事描述了一种纳米级免疫偶联物系统。免疫偶联物是通过将抗体（a-CTLA-4IgG2b或a-PD-1IgG）共价连接到聚（β-L-苹果酸）聚合物上并预偶联抗小鼠转铁蛋白受体抗体而获得的，并且三亮氨酸。一些天然细胞膜，例如没有任何功能化的外泌体，具有穿过血脑屏障的能力。递送效率主要取决于脂质膜和介导外泌体与靶细胞之间内化的活性蛋白。此外，一些外泌体通过增加BBB膜的流动性来提高药物递送效率。有趣的是，一些天然外泌体不仅可以穿透血脑屏障，而且还可以在脑肿瘤位点或炎症区域积累，作为双靶向递送系统。

采用自上而下的细胞工程方法开发的仿生纳米材料继承了其源细胞的复杂性，绕过了粒子构建的繁琐合成过程。细胞内化和细胞膜涂层作为典型的自上而下策略，赋予纳米粒子与生物实体的仿生通信，包括膜融合、细胞向性、免疫逃避、细胞间识别，这些都有助于靶向药物递送。研究人员通过改造全细胞来合成基于全细胞的系统，以及改造部分细胞来合成半生物仿生系统，从而报道了多种仿生纳米药物。张通过将抗癌药物封装到阳离子脂质体中，然后通过肿瘤相关的中性粒细胞内化，开发了中性粒细胞介导的药物递送系统。伪装的递送系统保持了生理特征，可以有效地穿过血脑屏障并迁移到肿瘤实质等炎症部位。有趣的是，白细胞的内化可以在体内完成。秦等人。制备了cRGD修饰的脂质体，并证明了由于高特异性结合亲和力，它们在体内被单核细胞和中性粒细胞增强了摄取。众所周知，当脑部疾病发生神经炎症时，白细胞会立即募集。因此，这种细胞介导的递送策略可以促进载药脂质体在体内跨BBB的迁移。由于膜成分的同型识别，细胞膜涂层是制造仿生递送系统的替代方法。例如，从神经胶质瘤U251细胞中收获的细胞膜被用作伴侣以增加递送系统的脑肿瘤靶向性（图8h）。将由血红蛋白、乳酸氧化酶、二氢卟酚e6和化学发光试剂组成的自组装纳米颗粒与肿瘤细胞膜共挤出，制备膜包覆纳米颗粒。该系统表现出高效的血脑屏障穿透和肿瘤靶向能力。在某些情况下，由于细胞膜和脂质体之间相似的两亲性，膜上的功能蛋白可以在蛋白质融合后插入脂质体双层内，产生蛋白脂质纳米颗粒。郑等人。通过将神经胶质瘤细胞膜蛋白嵌入吲哚菁绿脂质体中制备仿生蛋白脂质纳米颗粒。与膜包覆的聚合物“硬”纳米颗粒（例如PLGA纳米颗粒）不同，这些膜伪装纳米颗粒被证明是“软”的，并且活性蛋白质很容易插入。对血小板伪装递送系统的进一步研究也证实了在包括神经胶质瘤在内的多种肿瘤模型中，血小板膜蛋白能够增强药物递送这种递送系统通过同源结合机制很大程度上改善了脑肿瘤中的药物积累。为了进一步优化区域特异性靶向的膜介导的递送，仿生系统可以通过共价或非共价缀合用靶向配体进行标记。Ren和合著者通过简单的共孵育，用LDL肽修饰了基于外泌体的系统。肽和LDL受体的高结合亲和力促进BBB渗透、神经胶质瘤分布和细胞摄取。通过使用T7肽缀合，在用于脑肿瘤治疗的递送系统中执行了类似的策略。

 

其他材料

除了上述纳米材料外，生物技术和材料工程的发展为BBB跨越提供了其他机会。黑磷（BP）是一种二维层状半导体材料，具有高载药量、高效光热转换和良好的生物相容性。Chen制备了一种基于BP的递送系统，该系统由脑靶向肽乳铁蛋白和负载芍药苷的BP纳米片组成。由于乳铁蛋白介导的BBB转胞吞作用和光热效应的结合，观察到系统的BBB通透性升高。金属或金属氧化物基材料（例如，MnO2、MgO、TiO2）的一些例子已经通过利用它们的催化效应和成像功能而被用于载体构造。最近，AAV的变种因其BBB穿透的潜在用途而受到研究。Shi及其同事设计了包含单个CRISPR-Cas9和GSH敏感聚合物外壳的用于胶质母细胞瘤基因治疗的纳米胶囊（图8i-k）。Cas9/sgRNA复合物的颗粒核心通过静电相互作用用带正电的聚合物装饰，颗粒尺寸从裸露Cas9/sgRNA的17nm增加到31nm。

 

结论和观点

BBB是保护大脑免受毒素和病原体进入的天然屏障。然而，由内皮细胞和紧密连接组成的完整血脑屏障阻碍了治疗药物的脑渗透性，这在很大程度上决定了它们对中枢神经系统疾病的治疗功效。随着材料科学和纳米技术的快速发展，各种BBB调控和交叉策略被开发出来，并制备了具有独特理化性质和多功能基序的工程递送系统，以通过不同的BBB交叉途径增强药物递送。本文介绍了BBB结构和生理学的基本信息，并详细讨论了增强BBB穿越的不同策略以及绕过途径和机制。总结了各类药物递送系统的最新进展及其血脑屏障穿越的特点。工程化药物递送系统具有适当的理化性质、多功能模块和良好的生物相容性，保证了血脑屏障渗透增强药物递送的优异性能。

尽管该领域已经取得了广泛的成果，多项FDA批准的试验，但距离临床推广和转化应用还有很长的路要走。需要在材料工程和生物医学的发展上做出更多努力来弥补这一差距。我们列出了未来研究的一些要点如下：（1）更合适的体外和体内模型来评估BBB通透性。目前，细胞单层模型（如Transwell模型）被广泛用于验证BBB穿越和计算穿透效率。然而，更优选顺应的三维BBB模型来研究血流和药物转运在BBB维持中的作用。3D打印技术的最新进展可能为体外BBB研究提供另一种方法；(2)具有更好的空间和时间精度的靶向递送。尽管上述策略提供了改善大脑靶向的手段，但它们都无法完成对脑部疾病治疗至关重要的大脑区域特异性递送。靶向配体功能化的策略很大程度上依赖于受体的表达，而刺激触发的BBB破坏的分辨率有限。以时间控制的方式释放药物也将受到高度青睐。治疗癫痫等阵发性疾病需要及时释放药物。(3)临床转化前应解决安全问题。除了常规的细胞、器官、组织和系统水平的急性和慢性毒性评价外，还应该对纳米材料的长期分布和代谢命运进行研究。尽管大多数文献在其报告中声称具有令人满意的生物相容性，但对有机和无机药物输送系统的毒理学研究揭示了大脑的神经毒性和炎症损伤。还应进行非侵入性调控后在分子水平上对血脑屏障完整性和功能的研究，以验证其生物安全性。(4)应确定药物递送系统、货物药物分子和细胞之间的相互作用。对复杂交互和计算建模的更深入理解，包括机器学习算法，可以为药物输送系统的实证设计提供补充见解。(5)应保证可扩展性和可重复性。载体构建和药物装载的新方法将促进其实际应用。(6)除了药物递送之外，成像探针和生物传感器等其他药剂的组合递送预计可以通过制造治疗诊断纳米平台来提高治疗效果。靶向药物递送是一项涉及生物技术、化学、材料科学和医学的多学科研究。考虑到该领域所取得的可喜成果，我们预计，进一步持续的跨学科合作将为未来增强血脑屏障交叉治疗脑疾病建立更广阔的平台。

 

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41392-023-01481-w