經鼻給藥治療中樞神經系統(tǒng)疾病的途徑和潛力的探討

張霜梅,劉紅宇,胡麗竹,邱朝陽,黃文蓋,祝維峰#,張兆旭

(1廣州中醫(yī)藥大學附屬廣州市中醫(yī)醫(yī)院,廣州 510006;2山東中醫(yī)藥大學附屬山東省中醫(yī)院神經內科;3北京大學人民醫(yī)院神經內科;*通訊作者,E-mail:zhangzhaoxu55@163.com;#共同通訊作者,E-mail:1759065496@qq.com)

藥物化合物進入中樞神經系統(tǒng)(CNS)的兩個主要障礙是血液-腦屏障(BBB)和血-腦脊液屏障(BCB)。考慮到毛細血管和神經元之間的最大距離小于8-20 μm,BBB被認為對腦細胞外液發(fā)揮更大的控制作用[1,2]。血-腦屏障(BBB)由內皮細胞和相鄰的星形細胞、基底膜、周細胞和神經元組成。這些組成元素是功能性神經血管單位的一部分,其能提供輸送必需的營養(yǎng)物質并排除潛在的有害分子進入CNS[3]。BBB嚴密的調控是一個不可逾越的障礙,阻礙了藥物的獲取[4],也限制了中樞神經系統(tǒng)疾病的給藥治療。BBB不僅具有低細胞旁通透性和低吞飲率,BBB還表達大量的藥物轉運蛋白(例如P-糖蛋白,這也進一步限制了許多內源性和外源性物質的進入[5,6]。

盡管小分子藥物通過血腦屏障的例子很多,但在正常情況下幾乎所有大分子量物質都被嚴格限制穿越血腦屏障。事實上,目前批準用于神經疾病臨床治療的大分子量藥物也是通過外周機制起作用的,如I型干擾素治療多發(fā)性硬化癥。也有研究表明,中樞神經系統(tǒng)作用藥物的磨損率最高,98%因為血腦屏障通透性差而不得不停藥[7]?，F(xiàn)代醫(yī)學面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題之一是如何將特定的藥物輸送到特定的目標區(qū)域。到1989年,研究人員開發(fā)了一個新概念:使用直接鼻內遞送治療藥物到大腦作為繞過BBB的手段[8]。這種直接的鼻內遞送涉及沿著連接鼻黏膜到CNS的嗅覺神經和三叉神經的細胞外遞送[9-11]。這種方法不僅允許不能通過血腦屏障的藥物輸送到中樞神經系統(tǒng),還能使藥物直接靶向通過BBB進入中樞神經系統(tǒng),消除了全身給藥的需要,從而減少了不必要的全身副作用。本文將主要討論可能涉及到的藥物經鼻進入中樞神經系統(tǒng)的轉運途徑和相關機制,特別是涉及嗅覺神經和三叉神經的途徑并簡述目前國內外經鼻治療腦部疾病的研究概況,以期能更好地開發(fā)和改進目前的鼻內治療方法。

1 經鼻進入中樞神經系統(tǒng)的途徑和機制

盡管鼻內藥物遞送至CNS的確切機制尚未完全了解,但研究顯示涉及嗅覺和三叉神經的途徑至關重要[12]。給予大鼠和猴用125I標記的蛋白后發(fā)現(xiàn),遞送沿著嗅覺通路和三叉神經通路分別進入嗅球和腦干,并進一步分散到腦內的其他領域[10,13]。通常意義上,經鼻進入CNS需要至少3個步驟才能使制劑在腦內廣泛分布:①穿過鼻腔上皮“屏障”；②經鼻黏膜進入臨近軟腦膜附近的腦組織(例如通過嗅覺、三叉神經等通路)；③由最初的腦組織運輸至CNS的其他部位[6]。

從藥物分布研究看來,沿著嗅覺神經通路行進的藥物多分布到包括嗅球、前嗅核、額皮質和海馬等結構中。另外,沿三叉神經行走的藥物多分布在包括上頸髓、中腦、橋腦和下丘腦等結構中。這種藥物分布可以通過與藥物結合的CNS受體的存在而改變,并且隨物種不同可能會發(fā)生變化[14]。

1.1 嗅覺神經通路

在鼻內,嗅覺雙極神經元的樹突延伸到嗅覺上皮黏膜層傳遞嗅覺,神經元的軸突集中,通過含腦脊液的蛛網膜下隙與嗅球內的細胞相聯(lián)絡。這種神經投射廣泛涉及延伸至嗅束,前嗅核、梨狀皮質、杏仁核和下丘腦[15]。位于鼻腔前部的化學感應神經元也投射到嗅球[16]。

與辣根過氧化物酶(WGA-HRP)結合的小麥胚凝集素(一種示蹤劑)通過鼻內給藥證明物質可以經過嗅覺的軸突轉運到中樞神經系統(tǒng)的嗅球[17]。熒光示蹤劑鼻內遞送也可以觀察到物質穿過篩板的嗅神經[18]。研究證明,在大多數(shù)情況下嗅神經通路是鼻內遞送的主要方式。目前檢測水平表明,鼻腔給藥后,嗅球中的藥物濃度在中樞神經系統(tǒng)最高[19]。

物質沿著神經通路的運輸通?？梢酝ㄟ^細胞內和細胞外機制發(fā)生[6]。細胞內的機制包括鼻腔內嗅感覺神經元擴散和內吞[20，21]。但細胞內轉運是一個緩慢的過程,需要幾小時到幾天的時間[20]。細胞外運輸被認為能夠更高效地遞送藥物至中樞[20,22]。研究表明,經細胞外途徑的示蹤劑過氧化物酶能夠在45-90 min到達嗅球[23]。多種中樞神經系統(tǒng)治療藥物的鼻內給藥已證明最快5-10 min可進入CNS內,也證明了細胞外轉運機制的重要性[24-26]。

1.2 三叉神經通路

三叉神經通路是將鼻連接到中樞神經系統(tǒng)的另一個重要的途徑。它支配著鼻腔的呼吸和嗅覺上皮[27]。對于三叉神經,眼支(V1)支配背側鼻黏膜和前鼻,而上頜支(V2)支配鼻黏膜的側壁。三叉神經從鼻腔上皮進入大腦兩個部位:①通過位于大腦前部即額葉嗅球附近的篩板;②進入位于大腦中后部位的高級生命中樞-腦橋,即允許藥物輸送到腦的前部和后部兩個區(qū)域[6,28]。三叉神經的一小部分也終止于嗅球[29]。Thorne等[30]首次證實了沿三叉神經通路向大腦遞送鼻內藥物。相關研究也已經證明,包括胰島素樣生長因子1(IGF-1),干擾素β-1b和hypocretin-1(食欲素A)在內的各種經鼻遞送的物質導致放射性水平在三叉神經分支、三叉神經神經節(jié)和腦橋顯著提高,強烈暗示了三叉神經涉及鼻內遞送至CNS機制[13]。在一項小鼠實驗中,喙端遷移流被認為是鼻內給藥制劑中樞神經系統(tǒng)遞送的另一種潛在途徑[31]。研究表明,對于大多數(shù)化合物來說,細胞外途徑在嗅覺神經和三叉神經從鼻內遞送至CNS都是起主要作用的[23],最快5-10 min可進入CNS內[24-26]。

此外,運輸機制還可能涉及神經周圍通道,血管周圍間隙的遷移和擴散、脈管途徑,或直接與大腦聯(lián)系的淋巴途徑或腦脊液途徑[32]也都已經被認為在從鼻腔到CNS運輸中可能是重要的,這些途徑中都可能有助于將制劑遞送至腦內[30,33],并且有理由相信這些途徑的組合遞送或許是鼻內遞送的整體。

2 目前給藥方式的局限

CNS藥物遞送由于受血腦屏障的限制而不能達到治療的藥物濃度?？朔﨎BB的嚴格限制將有助于神經系統(tǒng)疾病的治療。目前,中樞神經系統(tǒng)疾病的治療同其他系統(tǒng)一樣多是外周給藥的方式進行,但存在的問題是,BBB很難允許像大的分子或帶電荷分子的物質通過[34]。①BBB允許小分子的擴散,這對于腦部的藥物靶向往往是不夠的,但為了達到腦內的治療水平而使用大劑量的治療劑(包括小分子或多肽)又增加了不良作用風險[35]。②首過代謝可以大大降低口服藥物的生物利用度,只有少量活性藥物實際到達循環(huán)系統(tǒng),最終到達腦部[36]。③外周給藥也需要一定時間才能到達大腦,在某些緊急病癥如癲癇發(fā)作時外周給藥,可能會導致患者更大的痛苦或其他更嚴重的并發(fā)癥。④全身用藥另一個后果是與血漿蛋白結合,這將會影響藥物的持續(xù)時間和濃度,降低藥物通過BBB的效能[37]。⑤最后一個關于全身給藥的問題是,外周可能會產生令人不安的副作用。如胰島素有多種中樞神經系統(tǒng)的效應,也會誘導出現(xiàn)不良的強烈全身效應。

另一個目前在研究的CNS給藥途徑是側腦室注射,其可以將藥物直接遞送至大腦。然而,它是高度侵入性的有創(chuàng)操作,該給藥方式需要精準的技術、無菌操作和術后抗感染,因此在臨床應用上有諸多局限[9]。

鼻腔給藥目前得到廣泛關注,它已被證明可以將多種化合物的直接遞送至CNS而無明顯侵襲性或重大并發(fā)癥[6,39,40]。因此鼻腔給藥可能是直接向CNS輸送治療物質的安全而新穎的非侵入性方法。

3 鼻腔給藥的發(fā)展與潛力

目前多種生物活性因子和中草藥提取物證明有著神經保護作用,經鼻給藥后能針對性地到達中樞系統(tǒng)更好地發(fā)揮保護作用。近年來,多個鼻內給予干細胞制劑治療卒中動物模型的基礎實驗進展迅速,證實了其安全性和有效性[41]。鼻內給予粒細胞集落刺激因子(G-CSF)能增加G-CSF在腦脊液(CSF)和腦實質中的濃度,使動物梗死體積減少,神經功能恢復速度增加,有效地保護大腦免于腦缺血損害[42]。鼻內給予神經生長因子(NGF)可以增加局灶性腦缺血后成年大鼠新生神經元的存活率并促進紋狀體區(qū)神經元的成熟,有效地改善大鼠神經功能缺損[43]。促紅細胞生成素能夠保護缺血神經元,鼻內給予促紅細胞生成素用于治療急性缺血性卒中也取得了顯著效果[44]。姜黃素、川芎嗪等中草藥提取物經納米包裝后通過鼻內給藥也有效地改善缺血再灌注動物模型的損傷[45,46]。本課題組也在之前的研究中證實,通過改進工藝將腦清滴鼻液制成腦清噴鼻微乳,能夠通過調節(jié)凋亡蛋白、抗氧化應激改善大鼠大腦中動脈栓塞模型(MCAO)動物的梗死面積和神經缺損[47-49]。

4 鼻腔給藥亟待解決的問題

經鼻給藥有巨大的潛力,但目前存在多個問題需要繼續(xù)研究探索。

首先,鼻黏膜上皮對于經鼻給藥是一種天然屏障,導致鼻內遞送的低效能,通常只有1%左右的藥物劑量能夠到達腦內[50]。而外排運輸?shù)鞍?包括P-糖蛋白P-gp和多藥耐藥相關蛋白MRP1)在鼻黏膜內表達[51,52],顯著限制了腦的攝取。藥物代謝酶和緊密連接蛋白出現(xiàn)在鼻上皮中[53],進一步限制了鼻內遞送至CNS的效率。用于克服這些障礙的潛在方法例如通過微乳劑、納米包裝提高藥物溶解度,給予滲透增強劑增加鼻上皮通透性,改變制劑的電荷狀態(tài)、減少鼻黏纖毛清除等正在開發(fā)研究中。

其次,中樞系統(tǒng)疾病多需要長期給藥治療,在這方面經鼻給藥也需要更多的基礎和臨床研究。長期鼻腔給藥導致鼻腔刺激,而一些特定藥物可能會對嗅覺神經或三叉神經存在潛在的不利影響,需要進行臨床前毒理學研究;而滲透增強劑通?？赡馨橛斜乔欢拘院驮黾颖茄艿臐B透,從而增加全身副作用的機會[54]。并且鼻內給藥一定程度上也無法完全避免全身輸送的可能,特別是那些小而親脂的分子。一般情況下,親水性化合物在經鼻靶向腦時全身暴露較低或不發(fā)生不必要的暴露[55],小分子親脂性藥物則難以避免全身暴露。雖然使用血管收縮劑制劑有可能幫助減少親脂性分子的全身暴露[56],但對這種方法的研究結果還需要探索。與其他輸送途徑相比,雖然鼻內輸送一般產生較少的副作用,但作為藥物不僅可能進入中樞神經系統(tǒng),而且還可能進入鼻腔相關的淋巴管和深度頸部淋巴結。因此,必須衡量藥物可能產生的對鼻黏膜的特殊作用,包括嗅覺和免疫系統(tǒng)。

諸如此類可能出現(xiàn)的情況,必須在鼻內給藥開發(fā)時予以周全的考慮。

5 結語

由于經鼻給藥的非侵入性,是一個有吸引力的選擇。一些動物研究已經顯示生物制劑鼻內給藥后直接到達大腦。人類研究證實了這些研究。雖然鼻內給藥的機制仍然存在疑問,但這種給藥途徑是安全有效的。多個研究已確認多種經鼻的化合物在產生較少的不良后果的同時,仍然達到理想的CNS治療結果[41-46]。鼻內化合物的益處正在不斷被發(fā)現(xiàn)。美國近年來的鼻內給藥臨床試驗研究不斷增長,諸如鼻內胰島素、促紅細胞生成素和干細胞療法都具有巨大的潛力。因此,盡管從鼻向中樞神經系統(tǒng)遞送制劑的途徑和機制還沒有完全了解,但未來中樞神經系統(tǒng)疾病的基礎和臨床研究應考慮到鼻腔給藥途徑發(fā)揮作用的可能。鼻內給藥的未來是光明的,因為它意味著將藥物快速、便捷、無創(chuàng)地直接輸送到中樞神經系統(tǒng)。