Nature系列综述：跨越血脑屏障的生物大分子递送策略

2021-12-23 13:55

在开发治疗中枢神经系统 (CNS) 疾病的药物时，实现跨血脑屏障进行药物递送是一重大挑战，尤其在使用单克隆抗体和酶替代疗法等生物药时。

来源 | 医药速览

在开发治疗中枢神经系统 (CNS) 疾病的药物时，实现跨血脑屏障进行药物递送是一重大挑战，尤其在使用单克隆抗体和酶替代疗法等生物药时。

血脑屏障（Blood–Brain Barrier）是一种大脑血管、细胞以及其它组成大脑组织之间的保护性屏障，能为大脑提供一种防御机制来抵御血液中的外来病原体和毒素等。由于血脑屏障 (BBB) 的存在，中枢神经系统 (CNS) 疾病疗法的开发变得复杂。虽然BBB通过严格控制特定营养物质，以及限制有害异生物质分子的通过，来维持 CNS 稳态，但是BBB 也阻止药物和大分子疗法如生物药进入大脑，从而大大降低其疗效。

图1 2019年Top10生物药及研发公司

在过去的二十年里，单克隆抗体等生物药在药物开发领域中变得越来越热门，事实上， 2019 年全球十大畅销药物中有七种是生物药（图1）。然而，由于BBB的存在，生物药在大脑中的含量仅相当于血浆的0.01-0.1% ，所以没有针对中枢神经系统疾病生物药，因此需要高效的递送技术将生物药运送到中枢神经系统。

https://www.nature.com/articles/s41573-021-00139-y

本篇综述由张万东等人于2021年3月份发表在 Nature Reviews Drug Discovery 上，回顾了大脑中药物递送技术的最新进展，重点是生物药物的递送。递送技术包括侵入式和非侵入式技术（图2），本文着重介绍非侵入式技术。

图2 常见大脑药物递送技术

1、受体介导的胞吞作用

利用非侵入式技术跨BBB主要时利用内源性胞吞的过程，例如吸附介导的胞吞作用, 载体介导的胞吞作用 (CMT) 和受体介导的胞吞作用 (RMT) (图3) 。在这些过程中， RMT已成为 BBB 递送研究最广泛的过程。

RMT过程的刚开始是配体与其在脑微血管和毛细血管内皮细胞膜上的同源受体的结合，并且是一个涉及受体介导的内吞作用的多阶段过程——由网格蛋白包被或非网格蛋白包被的囊泡介导——随后是细胞内运输，最终导致囊泡与 BBB 的腔外膜融合，并将药物输送到大脑。

图3 常见跨BBB的生物递送技术

为了使得递送效率更高，靶受体或载体蛋白应该在脑血管系统的内皮细胞中高表达，同时靶受体或载体蛋白也应在外周脉管系统中最低限度地表达，以尽可能的减少外周副作用。迄今为止，尚未鉴定出符合上述标准的蛋白或通路，过去几十年的大多数研究都集中在BBB 细胞上普遍表达的靶标，例如转铁蛋白受体 (TfR)、胰岛素受体、低密度脂蛋白受体 (LDLR) 家族成员、黑素转铁蛋白 (MTf)和 CD98重链（CD98hc，也称SLC3A2）。

1.1、转铁蛋白受体

TfR 是用于基于 RMT 的大脑递送方法中研究最广泛的靶蛋白，并且已经研发了许多抗体分子，包括称为 OX26 【1】(首个通过RMT穿过BBB的TfR抗体) ，和 8D3, sFab,单链抗体等等。

但是目前TfR 靶向递送技术的效率仍然存在争议，一项使用大鼠原位脑灌注的早期研究发现，脑内皮细胞内吞的大约 90% 的转铁蛋白被循环回到 BBB 的腔侧，只有10% 的结合转铁蛋白仍然在大脑内发挥疗效。TfR 靶向递送技术的效率也可能因种间差异而有所不同；例如，蛋白质组学研究表明，小鼠脑微血管中的 TfR 水平比人脑微血管中的TfR 水平高约 2.5 倍。当将动物数据外推到人类时，必须考虑 TfR 水平的这种差异。另一个重要方面是 TfR 在全身的普遍表达，这意味着 TfR 靶向策略可能会导致 TfR 靶向药物被吸收到其他器官，如骨髓、肝脏和脾脏。

1.2、胰岛素和 IGF 受体

胰岛素受体除了在肝脏和肠道中高度表达外还在 BBB 细胞上表达。尽管在临床前研究中，当这种受体被抗体靶向时，在一些猴子身上观察到了剂量依赖的超敏反应，最近在 II 期试验 (NCT03053089) 中，这种方法被用于通过静脉注射与胰岛素受体结合抗体 (IgG) 融合的laronidase酶，以治疗溶酶体贮积病 Hurler 综合征。这种被称为 AGT‑181 的融合构建体旨在靶向 BBB 细胞中的胰岛素受体并触发胞吞作用将 laronidase 输送到 CNS中。总体而言，该治疗是安全且耐受性良好的。

胰岛素样生长因子 1 受体（IGF1R）在大脑和脑血管中表达。因此，不干扰IGF1 结合的抗体与 IGF1R 的结合可能是在 BBB 中提供生物治疗剂的一种有前景的策略。在最近的一项研究中，产生了针对 IGF1R 且远离 IGF1 结合位点的结构域的新型骆驼单域抗体 (VhHs) ，体外模型中显示与非靶向 VhH 相比，大鼠的脑和脑脊液暴露量更高。针对 IGF1R 和 α‑突触核蛋白的双特异性抗体也已被开发为治疗帕金森病的潜在疗法【2】。

1.3、LDLR 家庭成员

LDLR 家族包括 LDLR、 LDLR 相关蛋白 1 (LRP1)、LRP1B、 LRP2（也称为巨蛋白）、 VLDL 受体（VLDLR）、 LRP4、 LRP5、 LRP6、 LRP8和 LR11。虽然这些受体在结构上相似，由于它们的配体、信号传导和组织分布模式的差异，它们具有广泛的不同生理和病理生理功能. 这些受体中的一些在 CNS 中表达，包括在 BBB 细胞上，并且已经用来通过RMT 进行脑部治疗的研究。

此外常用的还有跨膜蛋白30A和黑色素转铁蛋白。其中MTf也称为黑色素瘤肿瘤抗原p97 ，属于铁结合蛋白的转铁蛋白家族，最近，MTf 和抗体曲妥珠单抗的结合物在人类 HER2 阳性乳腺癌脑转移小鼠模型中进行了测试，正常和肿瘤区域中偶联物的脑/血液比率比单独使用曲妥珠单抗的脑/血液比率高10‑225 倍。与对照组相比，使用偶联物治疗后大脑中人类 HER2 阳性乳腺癌转移的数量减少了 68%，而单独使用曲妥珠单抗没有效果。

1.4、溶质载体转运蛋白

CD98 重链： CD98hc 在小鼠大脑毛细血管和微血管中高度富集，并且位于脑内皮细胞的管腔和离腔表面。最近使用能够识别 CD98hc 和 β‑分泌酶 1 (BACE1) 的双特异性抗体进行的一项研究表明，将这些抗体静脉注射到小鼠体内可实现药物的大脑递送，并伴随着 Aβ 产生显着减少。CD98hc/BACE1 双特异性抗体在大脑递送中的效率比 TfR/BACE1 双特异性抗体高 80‑90%，表明靶向 CD98hc 可能更有效。

SLC2A1： SLC2A1也称为葡萄糖转运蛋白 1 (GLUT1) ，在 BBB 细胞中高度表达。在最近的一项研究中，将与多个葡萄糖分子结合的聚合物胶束纳米载体静脉注射给禁食 1 天的小鼠，然后在纳米载体注射后 30 分钟腹腔注射 20 wt% 的葡萄糖溶液。血糖水平的快速增加促进了糖基化纳米载体的 BBB 穿越，其在大脑中积累到注射剂量的 6% 的水平，而外周积累是最小的，目前还需要进一步的研究来评估这种将药物递送到大脑的潜力。

图4 部分基于RMT/CMT进行的临床研究

基于 RMT/CMT 的大脑递送技术中理想的受体将专门在 BBB 细胞上表达，并具有由选择性配体介导的运输能力，不会干扰其自然功能，不会触发溶酶体途径降解或循环回到管腔表面介导的胞吞作用。尽管尚未确定此类“理想”受体，但前面提到的针对 TfR、胰岛素受体和 LRP1 的药物正在进行的临床试验（图4）将表明基于RMT 的技术是否可以安全有效地将治疗相关的药物剂量输送到 CNS最小的外周和/或脱靶毒性作用。

2、病毒载体

除了以上方法（RMT/SMT）进行透脑的药物递送外，还可以通过病毒实现药物递送。

嗜神经病毒是对神经组织具有亲和力的病毒，已经利用它开发出了许多进入大脑的策略，包括通过进入免疫细胞内实现跨BBB （5b）、直接跨 BBB 胞吞（5a）或通过外周或感觉神经绕过 BBB (5c)（图5）一些病毒不仅可以感染大脑也可以感染 CNS 细胞。因此，可以利用这些病毒通过 BBB 递送药物。各种病毒已被广泛研究用于基因治疗应用，包括腺相关病毒 (AAV) 和慢病等。

图5 利用病毒实现药物的跨BBB途径

基于嗜神经病毒的载体的应用目前仅限于基因治疗，并且通常依赖于invasive递送，例如鞘内注射。BBB 交叉病毒载体的开发，例如新出现的 AAV 变体，可能会减少对更具侵入性的神经外科方法的需求。内皮细胞或脑室室管膜细胞的原位转导可能使治疗性蛋白质产物随后产生和分泌到脑中，然而对包括 AAV8、 AAV9 和AAV10 在内的几种血清型的研究表明，内皮细胞的转导很差。因此，更好地开发用于血管细胞转导的最佳 AAV 血清型将非常重要。

3、纳米粒系统

纳米粒系统包含多种载体，例如脂质体、聚合物纳米颗粒和固体脂质纳米颗粒 (SLNP) ，通常可以根据尺寸（直径通常为10‑300 纳米）、化学成分和物理形状对其进行分类。直径为 50‑200 纳米的纳米颗粒已经在许多针对中风、阿尔茨海默病或帕金森病进行了研究。几十年来，纳米颗粒一直被研究作为药物递送平台，并且20 多年第一个用于癌症治疗的纳米制剂获得批准。然而，只有少数基于纳米粒子的疗法和技术获得批准，并且尚未在治疗性中枢神经系统中应用。

纳米载体的各种参数可以严重影响靶向大脑内皮的效率 (图6) 。在表面化学方面例如电荷可以影响吸收到细胞内的途径；靶向配体中如抗体、蛋白质、核酸或小分子可以增加对血脑屏障的靶向性，聚乙二醇等聚合物可以改善它们的药代动力学特性；化学成分，尤其是合成纳米载体的化学成分，可以显着影响药物释放。

图6 通过非侵入性方式进行大脑递送的纳米载体

基于纳米粒子的方法已经开始显示其在CNS 疾病中的临床价值，虽然尚未找到经临床验证的运用纳米粒子靶向大脑并增加药物在大脑中的暴露量，然而越来越多的临床前研究证明使用脑靶向纳米颗粒可以改善大脑递送（图7），这表明纳米颗粒确实可能被设计成有效的药物递送系统来用于治疗中枢神经系疾病。

图7 各种纳米颗粒体系的特点及应用

4、其他

除了以上技术方法还有外泌体（修饰的和未修饰的）、细胞介导的大脑药物递送、细胞穿透肽、受体介导的BBB开放等，临床上急切需要大脑递送药物的技术，尤其是那些能够递送生物药物的技术，最后，给大家介绍一下目前通过各种途径进行跨脑屏障药物递送的公司以及研究进展（图8）：

图8 研发BBB透脑药物的部分公司及其相关技术

参考文献：

1. Terstappen GC, Meyer AH, Bell RD, Zhang W. Strategies for delivering therapeutics across the blood-brain barrier. Nat Rev Drug Discov. 2021 May;20(5):362-383. doi: 10.1038/s41573-021-00139-y. Epub 2021 Mar 1. PMID: 33649582.

2. Pardridge WM, Buciak JL, Friden PM. Selective transport of an anti-transferrin receptor antibody through the blood-brain barrier in vivo. J Pharmacol Exp Ther. 1991 Oct;259(1):66-70. PMID: 1920136.

3. Jinhyung, A. et al. Bispecific antibody to A-syn/IGFR1 and use thereof. WIPO patent WO2019117684 (2018)