华人教授开发激光靶向打开血脑屏障新思路，关闭血脑屏障方案在研丨专访

打开血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）让药物进入大脑，治疗脑肿瘤等脑部疾病始终是研究者努力的方向。目前，已有包括注射高浓度甘露醇（mannitol）、血管活性试剂激活胞吞作用、通过利用细胞穿透肽转胞吞作用等方法增加半脑或全脑 BBB 通透性。但这样一来，正常脑组织区域 BBB 的通透性同样也会增加，这将为原本被血脑屏障阻隔在外的成分进入大脑创造机会，提高引发疾病的风险。

近几年逐渐成熟的超声刺激微泡（microbubble）方法可增加 BBB 的局部渗透。但中枢神经系统（central nervous system, CNS）不仅仅是指脑，脊髓也是同样重要的存在，与血 - 脑屏障类似的血 - 脊屏障亦是难以通过的。对位于复杂骨组织下的血 - 脊屏障，超声方式则较难打开。

对此，德克萨斯大学达拉斯校区秦真鹏教授团队和德克萨斯大学西南医学中心 Robert Bachoo 教授团队共同研发了一种打开血脑屏障的新方法 —— 通过皮秒脉冲激光照射分子靶向的纳米颗粒实现安全可逆地打开血脑屏障，并递送药物到脑组织里面。

秦真鹏告诉生辉，“在血 - 脊屏障中，可以通过向脊柱中植入光导纤维，这类手术在临床当中较为常见，然后用利用光导纤维传送激光来刺激靶向纳米颗粒将药物送至脊髓，这是超声比较难实现的。”

图丨秦真鹏教授个人高清照片（受访者提供）

近日，该研究以论文的形式在 Nano Letters 上发表，标题为 Reversibly Modulating the Blood-Brain Barrier by Laser Stimulation of Molecular-Targeted Nanoparticles。

（来源：Nano Letters ）

靶向打开血脑屏障

血脑屏障由连续毛细血管的单层内皮以及内皮细胞间的紧密连接（tight junction）、基膜（basement membrane）、周细胞（pericyte）和星形胶质细胞的足突（astrocyte endfoot）组成。

为打开血脑屏障，秦真鹏团队将目光聚焦在阻止几乎所有物质挤入屏障细胞之间的紧密连接上，这也是大多数调控血脑屏障研究工作的切入点。该团队设计了可靶向紧密连接的金纳米颗粒，再通过激光刺激金纳米颗粒的方式产生光震波效应，输出的机械波将作用在紧密连接上，实现血脑屏障的打开。

图 | 激光激活分子靶向纳米颗粒，打开 BBB，药物进入脑

具体而言，秦真鹏团队首先用 BV11 抗体对大小为 50nm 的金纳米颗粒（AuNP）进行修饰，使其可以靶向紧密连接组成成分之一的连接粘附分子蛋白 JAM-A。据该论文显示，与对照组（AuNP-PEG）相比，静脉注射入小鼠体内的 AuNP-BV11 积累至紧密连接周围的数量比 AuNP-PEG 提升了近 4 倍，并且，他们预计 AuNP-BV11 将通过典型肝肠循环排出体外，不会产生毒性。

图 | 激光刺激 AuNP-BV11 下的 BBB 通透性与对照组（来源：论文）

确认了设计的金纳米颗粒可靶向紧密连接后，该团队在小鼠模型上用示踪剂表征皮秒激光刺激 AuNP-BV11 作用下血脑屏障通透性的变化显示，在单独用激光刺激、单独注射 AuNP-BV11、注射 AuNP-PEG 后激光刺激和注射 AuNP-BV11 后激光刺激的不同情况中，仅以激光激发紧密连接靶向的 AuNP-BV11 实现了 BBB 通透性的增加，且在皮秒激光作用下 BBB 周围组织温度未升高。该团队进一步跟踪测试显示，单脉冲（5mJ/cm2）皮秒激光刺激下，小鼠 BBB 通透性在 24 小时后恢复到作用前水平。

图 | 皮秒激光刺激紧密连接靶向的纳米颗粒后 BBB 通透性增加的持续时间（来源：论文）

秦真鹏表示，“其实打开血脑屏障已经有很多方案，但安全性和有效性仍是一个较难平衡的问题。在这项研究中，我们进行了大量的安全性验证，对比小鼠的血液流动、血管、神经元、胶质细胞等的健康状况，以确定这个方法不仅有效的而且是安全的。”

论文提及，对于调控脑部血液流动的脑血管舒缩情况、血管结构完整性等方面，该团队进行观察记录，结果显示：低能量密度激光（5mJ/cm2）刺激下的小鼠 BBB 调控，未损小鼠自发性血管舒缩，脑血管密度以及典型脑细胞 （神经元，周细胞，星形胶质细胞的足突）的标记分子未出现显著改变。

可递送 IgG 抗体、AAV、脂质体

打开血脑屏障的目的，是为了向出现异常的大脑输送药物，秦真鹏团队也对该种方法下药物通过 BBB 的能力进行了检测。他们分别测试了激光靶向 AuNP-BV11 作用下，IgG 抗体（14nm）、AAV（26nm）和脂质体（80nm）的血脑屏障通透情况。

图 | IgG 抗体、AAV 和脂质体的血脑屏障渗透情况（来源：论文）

他们使用凝集素对小鼠血管进行标记显示，注射的人 IgG 和内源性小鼠 IgG 可以在激光刺激靶向颗粒 AuNP-BV11 的同侧半球脑实质中检测到，而对侧半球则没有检测到 IgG。而且，激光处理区的平均荧光强度要远高于未经激光刺激的区域。这表明，通过激光刺激靶向 AuNP 的方式，IgG 成功递送到了大脑中。

他们也对目前最为常用等药物递送载体之一 AAV 的 BBB 渗透情况进行了检测，分析显示，与未进行激光刺激等脑半球相比，经过激光刺激 AuNP-BV11 的一侧中的被照射区域，有 64% 的皮质神经元具有清晰的 GFP 表达。

尽管一些 AAV 血清型已被证明具有穿过血脑屏障的能力， 但并不是在所有人体都是如此，而且即使可以通过，也是会广泛分布于整个大脑。皮秒激光通过完整的颅骨刺激脑皮层或通过光纤探针直接刺激皮层下的深部结构，将允许在大脑的特定区域精确地递送基因治疗载体。

对于抗癌、抗真菌、抗生素药物递送的脂质体，该团队通过检测发现，经过激光处理的大脑区域中脂质体的荧光强度高于非激光治疗区域。但与 IgG（14nm）和 AAV（26nm）相比，脂质体在脑中的积聚程度较低，他们认为，这可能与其尺寸（80nm）较大有关。

关闭血脑屏障同样重要

为了让药物进入大脑治疗脑部疾病，现在已有很多种打开血脑屏障的方法，“但是，没有关闭血脑屏障的方法。”

前文提到，血脑屏障打开后药物进入大脑的同时，一些原本为了保护大脑被这道屏障阻隔在外的物质，也将 “趁机” 溜进大脑。而这意味着，危险分子潜入大脑。因此，在药物进入大脑后，尽快将这道屏障的大门关闭也是需要解决的问题。

“打开血脑屏障其实是一把双刃剑，” 秦真鹏表示，“血脑屏障打开后的关闭也是一个比较复杂的过程，现在无论是注射甘露醇、聚焦超声，还是用激光，将血脑屏障打开之后都要靠它自己来恢复。举例来说，通过弱的激光打开血脑屏障后可能需要一天恢复，强度更高的激光则需要两天甚至三天。所以用激光的话，强度一定要控制在一定范围之内，现在我们只能用尽量低强度的激光让血脑屏障可以尽快恢复。”

另外，他还透露，“对于血脑屏障的关闭，我们开始探讨一些能让血脑屏障尽快恢复的方法。” 但对于关闭血脑屏障的具体思路，秦真鹏暂未透露。

除了关闭血脑屏障的研究，秦真鹏表示，验证进入血脑屏障的药物对疾病治疗的有效性和推动激光刺激 AuNP-BV11 方案的临床应用是他接下来工作的两个主要方面。

“比如，对于脊髓疾病中的渐冻症、长期难治性疼痛等病症，我们是不是可以植入光导纤维，通过激光刺激的方式靶向递送药物进行治疗？”

参考资料：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02996

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