28、蛋白质和肽类药物向脑肿瘤的递送

蛋白质和肽类药物向脑肿瘤的递送

1. 引言

脑肿瘤在美国乃至全球都是一个重大的健康问题。原发性脑肿瘤（PBT）和转移性脑肿瘤（MBT）影响着众多患者。据估计，美国每年新增原发性脑肿瘤病例在30,000 - 35,000例之间（占所有新诊断癌症的1 - 2%），其中大多数为神经外胚层起源的恶性胶质瘤。转移性脑肿瘤更为常见，每年影响100,000 - 150,000名新患者。

流行病学研究表明，儿童和70岁及以上患者的原发性脑肿瘤发病率可能在上升，但其确切原因尚不清楚。脑肿瘤患者的预后和生存率仍然很差，胶质母细胞瘤（GBM）患者的中位生存期约为12 - 14个月，在过去30年中没有显著改善。低级别星形细胞瘤或少突胶质细胞瘤患者的中位生存期也明显缩短，约为6 - 10年。

目前脑肿瘤的治疗方法（手术切除、放疗、化疗）效果不佳，无法克服肿瘤的恶性生物学特性。化疗虽然在一些高级别胶质瘤患者中显示出一定的生存益处，但效果有限。这是因为目前使用的大多数药物非特异性、非靶向，许多药物难以穿过血脑屏障（BBB）和血肿瘤屏障（BTB），且高级别脑肿瘤对化疗具有高度的内在抗性。因此，迫切需要开发具有更精准分子靶向机制的新治疗方法，其中蛋白质和肽类药物将成为新的治疗手段。

以下是WHO对中枢神经系统肿瘤的分类：
|分类|详情|
| ---- | ---- |
|中枢神经系统肿瘤|神经上皮组织肿瘤、颅神经和脊神经肿瘤、脑膜肿瘤、淋巴瘤和造血肿瘤、生殖细胞肿瘤、鞍区肿瘤、囊肿和肿瘤样病变、转移性肿瘤|
|神经上皮组织肿瘤|星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤、室管膜瘤、混合性胶质瘤、脉络丛肿瘤、神经元和混合性神经元 - 神经胶质瘤、松果体实质肿瘤、来源不明的神经上皮肿瘤、胚胎性肿瘤|

2. 血脑屏障（BBB）、BBB转运系统和血肿瘤屏障（BTB）的生物学特性

最初，人们认为血脑屏障位于包裹大脑毛细血管内皮细胞的星形胶质细胞足突水平。但近期的药理学和基因组学研究表明，中枢神经系统（CNS）的内皮细胞比全身器官的血管细胞更具特异性，这些特殊特征构成了血脑屏障功能特性的解剖和生理基础。

血脑屏障将循环血液与中枢神经系统的细胞和组织液分隔开来，起到保护过滤的作用。从解剖学上看，血脑屏障的基础在于中枢神经系统内皮细胞的微血管壁，它由两层串联的质膜（腔膜和基底膜，中间隔着约3μm的内皮细胞质）组成，形成连续的内皮结构，具有上皮样的高电阻紧密连接，消除了全身毛细血管壁中常见的孔隙。内皮紧密连接由六到八条连接链组成，形成“拉链状”结构，连接相邻的中枢神经系统毛细血管内皮细胞。血脑屏障紧密连接的电阻非常高，约为2000Ω·cm²，与其他抗性上皮屏障（如膀胱上皮）相似。紧密连接的存在消除了物质通过毛细血管的旁细胞扩散途径，中枢神经系统毛细血管的内吞小泡也很少，这消除了物质自由扩散进入间质的跨细胞途径。

星形胶质细胞足突包裹着约99%的中枢神经系统毛细血管，但对血脑屏障的生理活动没有贡献。不过，星形胶质细胞的存在仍然很重要，因为它们分泌的营养因子对血脑屏障内皮细胞的分化、健康和功能至关重要。血管周细胞也可能通过释放各种可溶性因子，在血脑屏障内皮细胞的分化和维持中发挥作用。

血脑屏障有几种专门的物质转运机制，包括：
- 载体系统 ：用于转运单糖（如D - 葡萄糖）、单羧酸（如L - 乳酸）、中性氨基酸（L系统[苯丙氨酸、亮氨酸]和A系统[甘氨酸、GABA]）、碱性氨基酸（精氨酸）、酸性氨基酸（天冬氨酸、谷氨酸）、胺类（胆碱）、嘌呤碱（腺嘌呤、鸟嘌呤）、核苷（腺苷、鸟苷）、维生素（硫胺素）和激素（三碘甲状腺原氨酸）。
- 外排系统 ：如p - 糖蛋白和活性有机酸外排系统。p - 糖蛋白在脑内皮细胞的腔膜中含量很高，负责外排长春新碱和长春碱等细胞毒性药物，导致这些药物在脑中的浓度低于根据其脂质分配系数所预测的浓度。有机酸转运体存在于脉络丛中，也可能在脑内皮细胞中发挥作用，它能将青霉素和甲氨蝶呤等化合物从脑脊液中转运出去。
- 受体介导的转胞吞作用 ：如转铁蛋白、胰岛素和胰岛素样生长因子等。这是一个缓慢的过程（数分钟到数小时），内皮细胞内吞与腔膜表面受体结合的大分子，然后化合物穿过细胞并在基底膜侧外排。
- 吸附性内吞作用 ：这是一个缓慢的非选择性过程，内皮细胞非特异性地内吞与腔膜表面结合的大分子，随后在基底膜侧释放。这些大分子通常是带正电荷的蛋白质（如阳离子化白蛋白或组蛋白），通过与内皮细胞膜上带负电荷的部分发生库仑相互作用而积累在膜表面。

在脑肿瘤中，血肿瘤屏障的完整性各不相同，可能相对完整或相当通透。动物模型研究表明，脑肿瘤中可能存在三种不同的微血管群体：
- 第一种是与正常大脑相似的连续、非有孔毛细血管，存在于低级别胶质瘤中，在神经影像学检查中注射造影剂后通常不增强。
- 第二种是连续、有孔毛细血管，对小分子具有较高的通透性，但对大分子不通透。
- 第三种毛细血管含有较大的内皮间隙（在大鼠RG - 2胶质瘤和人D - 54胶质瘤中可达1μm），允许相对较大的化合物通过，与正常大脑相比通透性更高。

除了上述解剖学屏障外，血脑屏障和血肿瘤屏障还存在代谢屏障，即内皮细胞内的蛋白水解酶。已鉴定出几种蛋白水解酶，包括氨肽酶A、氨肽酶M、谷氨酰氨肽酶、中性内肽酶24.11、内肽酶24.15和γ - 谷氨酰肽酶，这些酶在脑血管中的表达似乎高于全身血管。

3. 药物递送和分布概述

化疗药物要发挥作用，必须以能够克服肿瘤内在抗性机制的浓度作用于脑肿瘤细胞。然而，由于中枢神经系统肿瘤受到血脑屏障和血肿瘤屏障的保护，许多药物难以达到有效浓度。据估计，大多数药物无论其脂溶性如何，全身给药后不到1%的循环化合物能够到达中枢神经系统肿瘤的血管。

一般来说，能够较好地穿透神经系统和脑肿瘤的药物往往是非离子化的、小分子且具有高脂溶性的物质。脂溶性（即亲脂性，等同于脂质/水分配系数）是药物具有高脑毛细血管通透性（PC）并能够穿过完整血脑屏障或相对完整血肿瘤屏障区域的关键因素。药物的亲脂性与周围水分子形成氢键的程度呈负相关。药物中某些化学基团的存在会增加氢键形成的可能性，如末端酰胺（四个氢键）、伯胺或酰胺（三个氢键）和羟基（两个氢键）。一旦氢键的累积数量超过八到十个，任何化合物穿过血脑屏障或血肿瘤屏障的能力都会显著受损，即使是小肽（如二肽或三肽）也是如此，因为酰胺基团具有很高的氢键形成潜力。

对于小分子药物，增加亲脂性对脑毛细血管通透性和药物向脑内的转运有积极影响。然而，对于分子量大于400Da的大分子药物（如许多蛋白质和肽）或极性较强的药物，无论亲脂性如何，其脑毛细血管通透性都将保持较低水平。提高药物脂溶性的两种主要方法是：
- 阻断具有氢键形成潜力的官能团（如羟基）。
- 增加化合物中的亚甲基数量（如添加脂肪酰基侧链）。

药物最终的分布模式还受到其他因素的影响，包括区域血流、肿瘤毛细血管通透性、肿瘤血管表面积、药物稳定性和脑内药物代谢。药物穿过脑或肿瘤毛细血管后，其进一步分布将由对流（通过整体流动）和扩散（沿浓度梯度）决定。

• 对流是指溶质随溶剂流动方向的移动，与溶质浓度、溶剂的水力传导率和区域静水压力梯度有关。大多数肿瘤中，从间质到周围正常组织的对流通量比正常组织高10 - 1000倍。
• 扩散是指物质沿浓度梯度的移动，与流体介质的扩散系数和物质的浓度梯度有关。体外实验表明，肿瘤血管的间质扩散系数高于正常血管，但差异可能很大。一般来说，分子量大于800Da的大分子通过对流移动更有效，而小分子通过扩散更容易移动。

肿瘤的间质液压力（IFP）与肿瘤内的对流电流有关，影响药物从间质空间进入肿瘤细胞的难易程度。较大的肿瘤往往具有较高的间质液压力，产生压力梯度，使间质液向肿瘤周边对流，这与药物扩散梯度相反，阻碍了药物向肿瘤细胞的递送。综合考虑这些因素，将蛋白质和肽类药物递送至脑肿瘤的最有效方法可能是通过对流流动方法或使用能够穿过血脑屏障和血肿瘤屏障的转运载体。

4. 化学修饰、糖基化、聚乙二醇化及其他递送方法

为了克服血脑屏障的限制，提高蛋白质、肽类和其他化合物向脑内的递送效率，人们尝试了多种方法。

最初的研究认为，肽类和蛋白质药物可以通过经鼻和脑室内（或蛛网膜下腔）途径递送至大脑。但最近的经鼻给药研究表明，该途径不能绕过血脑屏障，只有小的、高度脂溶性的化合物才能进入嗅球周围的脑脊液。而且，药物经鼻进入脑脊液后，对脑实质（包括脑肿瘤）的渗透性很差。同样，通过脑室内或蛛网膜下腔方法（如Ommaya储液囊或腰椎穿刺）给药的肽或蛋白质药物在脑脊液中的分布也很差，仅能影响脑脊液/脑界面1 - 2mm范围内的脑实质。这种分布模式是由于脑脊液和间质液从脑内快速流出，而药物或肽从表面向脑实质的扩散速度较慢所致。

• 化学修饰 ：改善血脑屏障穿透性的一种简单直接的方法是对化合物进行化学修饰，以降低氢键形成潜力并增加亲脂性。添加甲基等疏水基团可以提高亲脂性和脑穿透性，已应用于巴比妥类药物和小肽。例如，对具有镇痛特性的环状肽DPDPE进行甲基化研究表明，N - 末端酪氨酸的二甲基化可增强镇痛效果，而苯丙氨酸基团的三甲基化可增加其穿过血脑屏障的转运，且不改变镇痛活性。这些研究表明，化学修饰增加亲脂性后，不同异构体之间可能存在差异。修饰的位点和类型对于改善药物向脑内的递送和维持其内在生物活性至关重要。此外，在考虑对较大的肽和蛋白质进行修饰时，了解分子内氢键如何影响化合物的三级分子结构也非常关键，因为不经意地改变内部氢键可能会影响肽或蛋白质的三级结构，降低其与治疗靶点相互作用的能力。
• 糖基化 ：这是另一种改善肽类药物向脑和脑肿瘤递送的化学方法。糖基化是指将碳水化合物部分添加到蛋白质（糖蛋白）或肽（糖肽）上。对小糖肽（如镇痛药）的研究表明，糖基化可以提高化合物的稳定性、疏水性和生物利用度。例如，阿片肽的糖基化可以增强血脑屏障穿透性并改善镇痛活性。其他关于糖肽血脑屏障通透性的研究表明，与未糖基化的母体化合物相比，脑递送速率可提高达三倍。糖基化的类型和碳水化合物部分的位置都是重要因素，会显著影响新化合物的药理特性。单糖基化、二糖基化和三糖基化化合物的特性通常不同，其组织分布模式、血脑屏障通透性和肽/受体相互作用可能有很大差异。此外，如果碳水化合物部分位于或靠近活性位点（如酪氨酸或苯丙氨酸的酚环），可能会降低或改变药物活性。
• 聚乙二醇化 ：聚乙二醇化是将聚乙二醇（PEG）部分与蛋白质、肽、纳米颗粒和其他化合物（如脂质体）的表面氨基酸结合，以改善这些药物的生物制药特性。大多数化合物在赖氨酸残基的ε - 氨基上进行聚乙二醇化，通常可以维持其生物活性。但在某些情况下，附着的PEG部分可能会因空间位阻影响活性位点，导致生物活性降低。在这种情况下，羧基导向的聚乙二醇化可能是一种更好的选择，有助于保留生物活性。

大多数蛋白质、肽类和类似药物的循环半衰期很短，因为它们会被蛋白水解酶迅速降解、被肾脏和其他器官清除以及被中和抗体作用。聚乙二醇化可以改变化合物的结构特征，增加其溶解度、整体大小和流体动力学体积，掩盖部分蛋白质和糖基化表面，改变电荷模式，并屏蔽关键表位。增大化合物的尺寸可以减缓肾脏超滤，通过被动增强渗透和滞留机制使其更好地在实体肿瘤和其他可渗透组织中积累。屏蔽带电区域和糖基化位点可以减少网状内皮系统（RES）和肝细胞对化合物的吞噬作用。蛋白质屏蔽还可以减少血清和组织中的蛋白水解，并阻碍对表面表位的免疫监视。目前，有许多使用聚乙二醇化技术开发的药物正在研究中，这些药物在肿瘤学、神经治疗和脑肿瘤治疗方面具有重要意义。

综上所述，尽管目前脑肿瘤的治疗面临诸多挑战，但随着对血脑屏障和药物递送机制的深入研究，蛋白质和肽类药物有望为脑肿瘤的治疗带来新的突破。未来的研究需要进一步优化这些递送方法，提高药物的靶向性和疗效，以改善脑肿瘤患者的预后。

蛋白质和肽类药物向脑肿瘤的递送

5. 药物递送载体

除了上述化学修饰方法外，使用药物递送载体也是提高蛋白质和肽类药物向脑肿瘤递送效率的重要策略。常见的药物递送载体包括纳米颗粒和脂质体。

• 纳米颗粒 ：纳米颗粒是一种尺寸在纳米级别的载体，具有较大的比表面积和良好的生物相容性。可以通过对纳米颗粒表面进行聚乙二醇化或与靶向载体结合来改善其穿过血脑屏障的能力。靶向载体可以是天然配体（如表皮生长因子）或针对受体的单克隆抗体（如转铁蛋白、胰岛素、白细胞介素受体的抗体）。例如，将纳米颗粒与转铁蛋白受体的抗体结合，利用受体介导的转胞吞作用，使纳米颗粒能够携带药物穿过血脑屏障到达脑肿瘤部位。
• 脂质体 ：脂质体是由磷脂双分子层组成的囊泡，可以包裹蛋白质、肽类药物等。与纳米颗粒类似，脂质体也可以进行聚乙二醇化修饰，以延长其在血液循环中的时间，减少被网状内皮系统清除的可能性。同时，通过与靶向载体结合，脂质体可以更精准地将药物递送至脑肿瘤细胞。例如，将脂质体与胰岛素受体的抗体结合，提高脂质体对脑肿瘤细胞的靶向性。

以下是纳米颗粒和脂质体作为药物递送载体的特点对比：
|载体类型|特点|
| ---- | ---- |
|纳米颗粒|尺寸小，比表面积大，可表面修饰，能结合多种靶向载体|
|脂质体|由磷脂双分子层组成，生物相容性好，可包裹多种药物，可进行聚乙二醇化和靶向修饰|

6. 载体介导的递送方法

载体介导的递送方法主要是将治疗性肽或蛋白质与能够诱导跨血脑屏障内皮细胞转胞吞作用的靶向分子结合。最常用的载体是针对内皮受体的拟肽抗体，如转铁蛋白和胰岛素受体的拟肽抗体。

• 转铁蛋白受体拟肽抗体 ：转铁蛋白受体在脑内皮细胞上高度表达。将治疗性肽或蛋白质与转铁蛋白受体拟肽抗体结合后，抗体与转铁蛋白受体结合，触发受体介导的转胞吞作用，使药物能够穿过血脑屏障。这种方法利用了体内天然的转运机制，具有较高的特异性和效率。
• 胰岛素受体拟肽抗体 ：胰岛素受体也在脑内皮细胞上有表达。通过与胰岛素受体拟肽抗体结合，治疗性肽或蛋白质可以借助胰岛素受体介导的转胞吞作用进入脑内。与转铁蛋白受体拟肽抗体类似，胰岛素受体拟肽抗体也能提高药物的脑递送效率。

载体介导的递送方法的流程可以用以下mermaid流程图表示：

graph LR
    A[治疗性肽或蛋白质] --> B[与靶向分子结合]
    B --> C[与内皮受体结合]
    C --> D[触发转胞吞作用]
    D --> E[药物穿过血脑屏障]
    E --> F[到达脑肿瘤细胞]

7. 挑战与展望

尽管在蛋白质和肽类药物向脑肿瘤的递送方面取得了一些进展，但仍然面临着许多挑战。

• 血脑屏障的复杂性 ：血脑屏障具有多种转运机制和代谢屏障，使得药物穿过血脑屏障仍然是一个难题。即使采用了各种化学修饰和递送载体方法，药物的脑内递送效率仍然有待提高。
• 药物的稳定性和活性 ：蛋白质和肽类药物容易被蛋白酶降解，在血液循环中的半衰期较短。同时，化学修饰和载体结合过程可能会影响药物的生物活性，需要在提高递送效率的同时，确保药物的稳定性和活性。
• 靶向性和特异性 ：虽然使用靶向载体可以提高药物的靶向性，但仍然存在一定的非特异性分布，可能导致药物在正常组织中的积累，引起不良反应。因此，需要进一步优化靶向载体的设计，提高药物对脑肿瘤细胞的特异性。

未来的研究方向包括：
- 深入研究血脑屏障的分子机制 ：进一步了解血脑屏障的转运系统和代谢屏障，为开发更有效的药物递送方法提供理论基础。
- 优化药物递送载体和靶向分子 ：设计新型的纳米颗粒、脂质体等递送载体，提高其穿过血脑屏障的能力和靶向性。同时，筛选和优化靶向分子，增强药物对脑肿瘤细胞的特异性识别。
- 联合治疗策略 ：将蛋白质和肽类药物与其他治疗方法（如化疗、放疗、免疫治疗）相结合，发挥协同作用，提高脑肿瘤的治疗效果。

总之，蛋白质和肽类药物为脑肿瘤的治疗带来了新的希望。通过不断地研究和创新，克服药物递送过程中的挑战，有望提高脑肿瘤的治疗水平，改善患者的预后。