血腦屏障通過限制化合物進入中樞神經系統而維持神經系統內環境的相對穩定，并保護神經細胞免受有害物質侵害。但同時血腦屏障也限制了血液所運載的化合物與正常新陳代謝所必需的營養物質到達中樞神經系統所需的通路。這種嚴格限制的存在導致藥物難以進入中樞神經系統，這成為當前中樞神經系統疾病藥物治療的關鍵瓶頸。因此，人們研發出了許多提升中樞神經系統內藥物濃度的新方法。現就用于提高血液中藥物穿透血腦屏障效率的物理方法、藥理學方法以及生理學方法研究進展作一綜述。
引用本文： 王焱超, 梁銳超, 方芳. 中樞神經系統藥物穿透血腦屏障的研究進展. 華西醫學, 2015, 30(7): 1351-1356. doi: 10.7507/1002-0179.20150391 復制
血腦屏障分隔了血液和中樞神經系統的觀點在100多年前首次由Ehrlich [1]提出，他發現除腦和脊髓外大多數器官可以被靜脈注射的染料所染色。目前一般認為血腦屏障由中樞神經系統的連續毛細血管內皮及其細胞間緊密連接、完整的基膜、周細胞以及星形膠質細胞腳板圍成的神經膠質膜構成。其中最主要的組成部分是中樞神經系統毛細血管內皮細胞間的緊密連接，其由細胞黏附分子所形成，不同于其他器官的內皮細胞，因為中樞神經系統毛細血管內皮細胞間緊密連接的存在故其表現出能夠限制血液與中樞神經系統間的分子運動的特點，即相對不通透性。這一特點為腦與脊髓抵御循環毒物和病原微生物提供了天然屏障，同時中樞神經系統內皮細胞也具有一些備用的轉運途徑，如窗孔、跨內皮細胞特殊通道、胞飲小泡等，且其高度表達活躍的流出轉運蛋白（流出泵），包括p-糖蛋白（P-gp）、多重耐藥蛋白-1（MRP-1）、乳腺癌耐藥蛋白（BCRP）。此外，血腦屏障還存在著一些有保護中樞神經系統作用的酶，大量表達于具有豐富線粒體和高代謝的內皮細胞內外的降解酶對穿過細胞膜的溶質具有降解作用，從而保護中樞神經系統。
一些具有脂溶性、一定分子質量及電荷的小分子物質能夠直接從血液擴散穿越血腦屏障進入中樞神經系統。但是更多的小分子物質（相對分子質量＞500）、蛋白和肽類不能直接穿過血腦屏障。曾有報道指出大約98%的小分子物質和幾乎全部的大分子物質（相對分子質量＞1 000），如重組蛋白或者基因藥物等都不能穿過血腦屏障[2]。因此，為了進入中樞神經系統，大多數物質必須通過與血管內皮細胞腔面細胞膜上所表達的特殊轉運體和（或）受體相互作用從而穿過血腦屏障。目前已知的穿越血腦屏障的機制主要包括以下幾種：① 水溶性小分子物質，如氨基酸、葡萄糖以及其他維持神經細胞生存所必需的營養物質，通過血管內皮細胞血管腔面與基底側上所表達的轉運體轉運穿過血腦屏障；② 相對分子質量更大的和（或）親水的物質，如激素、轉鐵蛋白、胰島素和脂蛋白利用血管內皮細胞的管腔側高度表達的特殊受體進行轉運，這些受體的作用是介導化合物經過胞吞或跨細胞轉運穿過血腦屏障；③ 小的脂溶性分子可經被動擴散穿過血腦屏障進入中樞神經系統內，但其會與形成血腦屏障的血管內皮細胞管腔側所表達的排出泵（如P-gp、MRP、 BCRP等）接觸而被泵出，并且其在穿入中樞神經系統之前會與血管內皮細胞細胞質存在的降解酶接觸而被降解。
盡管經過了數十年的研究，如何使藥物高效地穿越血腦屏障依然是中樞神經系統疾病藥物研發的關鍵瓶頸。目前主要有3種方法，可使藥物穿過血腦屏障并進入中樞神經系統內，即物理方法、藥理學方法、生理學方法。以下分別進行討論。
1 物理方法
1.1 有創性物理方法
有創性物理方法主要包括一些物理性操作技術，如腦室內灌注（ICV）、對流增強給藥（CED）、高分子聚合物或微芯片系統植入中樞神經系統直接釋放藥物。
1.1.1 ICV
Blasberg等[3]曾報道，灌注后在距離腦表面1～2 mm的腦組織內的藥物濃度僅為腦脊液中藥物濃度的1%～2%，且藥物最終會隨腦脊液循環進入體循環，而后再跨越血腦屏障進入中樞神經系統。這一結果類似于緩慢的靜脈滴注，而非直接進行中樞神經系統內給藥[4]，但如果藥物的靶受體（如鴉片肽）臨近室管膜表面，則在ICV給藥后很快可以觀察到藥物的作用 [5]，其特點為擴散入腦實質的藥物量非常少，除非藥物靶位點距離腦室很近，故其并非是一種有效的給藥方法。
1.1.2 CED
CED的主要原理為在立體定向引導下將小口徑導管植入腦實質并通過導管由輸液泵將藥物泵入，從而使藥物能夠到達細胞間隙，持續灌注數日后行床旁拔管。較之于藥物單純擴散所僅能達到的數毫米的距離，CED在實驗中可以在僅2 h的持續灌注中將高分子質量的蛋白轉運入距離注射位點2 cm的腦實質內[6]。成功的CED實施有賴于精確的導管植入及對灌注參數的調節是否恰當。其缺陷在于腦的一些部位很難被溶液達到飽和，特別是腦室周圍的滲透組織，且有一定的操作難度[7]。
1.1.3 顱內注射或使用植入物
無論是使用化療藥物的顱內快速濃注還是在腫瘤切除后的空腔內植入化療藥物飽和的、可生物降解的高分子聚合物或微芯片系統，其原理都是通過被動擴散作用使藥物滲透入中樞神經系統。Fung等[8]曾觀察到在聚合物（含0.5～3.5 mmol/L的卡氮芥；0.2～1.0 mmol/L的紫杉醇）植入猴腦后，立即在距離植入點3 mm處出現高濃度藥物，而在植入（含0.4 μmmol/L的卡氮芥；0.6 μmmol/L的紫杉醇）30 d后，相當濃度的藥物出現在距離植入點5 cm處。該方法藥物在腦內分布依靠被動擴散，藥物濃度隨距離增加呈指數級下降。若想取得較好效果，必須精確標記注射或植入位置，并同時解決藥物在腦實質內擴散能力的相關問題。
1.2 無創性物理方法
該方法可以通過使腦毛細血管內皮細胞間的緊密連接產生裂隙從而打開血腦屏障，為血液中的藥物進入中樞神經系統打開通道。目前主要有以下幾種技術用于開放緊密連接[9]。
1.2.1 滲透性破壞
通過滲壓震擾使血管內皮細胞皺縮從而打開內皮細胞間的緊密連接。如在頸動脈內給入高滲的甘露醇溶液使腦毛細血管內皮細胞皺縮后再給入藥物可將腦內及腦腫瘤組織內的藥物濃度提升至治療濃度。
1.2.2 MRI引導的聚焦超聲血腦屏障破壞技術
超聲波已被證實可以打開血腦屏障。該技術在MRI引導下使用聚焦超聲聯合微泡（由超聲對比劑預先制成微泡，選擇其中直徑在2～6 μm者在應用超聲之前注入血流），當應用超聲時，微泡會膨脹和收縮。氣泡運動所產生的力導致形成血腦屏障的腦毛細血管內皮細胞暫時分離，使藥物到達中樞神經系統。在小鼠模型中這項技術被觀察到可以使得腦組織中的曲妥珠單抗濃度提升達50%[10]。
1.2.3 使用緩激肽類似物（RMP-7賽羅帕提，ALKERMES公司）
有證據顯示其可以由一些鈣介導的機制激活緩激肽B2受體，從而打開腦毛細血管內皮細胞間的緊密連接[11]。但是這項技術由于在第2和第3期實驗中與卡鉑混合給藥時效果不佳而被放棄。必須注意的是，上述技術可能會因血腦屏障的開放而加劇腫瘤擴散，且血液中的某些有害物質可能會使神經元遭到永久性損害。
2 藥理學方法
2.1 藥物的化學改造
通過對藥物進行化學改造穿越血腦屏障的方法是基于觀察到如乙醇、尼古丁及苯二氮類等物質可以自由進入中樞神經系統內，這種被動穿過血腦屏障的能力取決于相對分子質量（＜500）、電荷（與氫結合能力弱）以及脂溶性（與脂溶性呈正比）[12]。其方法包括:① 通過藥物化學技術用已知對中樞神經系統靶位點敏感的物質改造藥物，使藥物易于穿過血腦屏障；② 通過化學改造減少藥物極性基團的相對數量，從而加強藥物通過血腦屏障的能力；③ 利用脂性分子作為載體進行藥物的化學改造，脂肪酸類如二十二碳六烯酸與小分子藥物結合可以提高藥物在中樞神經系統的攝取[13]。
但為達到穿透血腦屏障的目的所進行的藥物改造常常同時帶來藥物應有的中樞活性降低，且通過增加藥物脂溶性提高轉運的同時會使其成為流出P-gp的底物而加大藥物的泵出使穿透血腦屏障的效率降低。
2.2 增加藥物在血漿中的溶解度及穩定性而增加其中樞神經系統內分布
將小分子質量的藥物加入聚醚膠束可以提升藥物的溶解度和穩定性，同時也可以提升藥物的藥物代謝動力學作用與生物學分布[14]。聚醚膠束現被用作將中樞神經系統藥物轉運穿過血腦屏障的載體，以及抗腫瘤藥物的腫瘤特異性給藥載體。雙親性殼聚糖基復合物（相對分子質量＜20×103）在低濃度時會在水溶液中與藥物自動組裝而產生大小介于100～300 nm的膠束簇。靜脈用麻醉藥物丙泊酚是它的一種模型藥物。有報道使用其制成的糖丙泊酚所獲得的催眠時間可達到使用丙泊酚的10倍。且在其注射期末動物已經睡著，以致翻正反射的時間不能被記錄，這都表明中樞活性藥物的穿過血腦屏障分布的快速與高效[15]。但這些基于特殊納米粒載體穿越血腦屏障的確切機制尚不明確，且可能存在的機制包括誘導血腦屏障漏出的增加與抑制流出泵，將納米粒應用于大分子的親水性治療藥物的效果尚未得知。
3 生理學方法
中樞神經系統需要營養物質及激素等以維持自身代謝及功能，如葡萄糖、胰島素、生長激素、低密度脂蛋白等，這些物質通過一些特殊的方式穿越血腦屏障進入中樞神經系統，如經特異性受體識別轉運或存在特殊轉運機制。由于腦毛細血管的間隔距離小（平均40 μm）且灌注率極高，所以幾乎每個神經元都由其自身的毛細血管灌注[2]。因此神經活性藥物進入中樞最有效的方式是經特殊轉運體轉運或經某些毛細血管上特異性受體介導的內吞作用。
藥物可經改造利用天然營養物質的血腦屏障轉運系統進行轉運，或與能夠特異性識別形成血腦屏障的毛細血管內皮細胞上所表達受體的配體結合，經由受體介導的跨細胞轉運而穿過血腦屏障。生理學方法被科學界公認為最有可能成功穿透血腦屏障的方法之一。
3.1 轉運體中介轉運
肽與小分子營養物質可能利用位于腦毛細血管內皮細胞管腔側與基底側表達的特殊轉運體轉運入中樞神經系統。目前，至少已有8 種不同的營養物質轉運系統被確定，其中每一種都可以轉運一組結構相似的營養物質。只有高度模擬轉運系統底物的藥物才會被攝取并轉運入中樞。藥物可利用載體介導的轉運系統進入中樞。使用直接靶向作用于轉運體的藥物穿越血腦屏障，可以避免將藥物改造如與抗體結合[16]。利用血腦屏障轉運蛋白如膽堿轉運體和氨基酸轉運體穿越血腦屏障在一些藥物已經成功實現。例如，大分子中性氨基酸載體被用于轉運多巴胺代謝前體左旋多巴，這使得帕金森病患者在臨床治療上明顯受益，因為多巴胺本身并不能穿透血腦屏障。但利用血腦屏障上的轉運蛋白作為中樞神經系統給藥的載體，必須考慮很多因素，包括：① 轉運藥物在動力學上是否可行；② 轉運體對配體的結構要求；③ 治療藥物需進行改造從而使得其可以結合轉運體，但這個過程必須維持藥物在體內的活性；④ 藥物分子必須真正轉運進入中樞神經系統內而非僅僅與轉運體結合。
3.2 受體介導的跨細胞轉運
神經系統維持正常生理功能所必需的大分子物質是由特殊受體轉運入大腦的。這些受體在形成血腦屏障的腦毛細血管內皮細胞上高度表達。其中包括胰島素受體、轉鐵蛋白受體、低密度脂蛋白受體及其相關蛋白等。
受體介導的跨細胞轉運主要有以下3個步驟：① 在腦毛細血管內皮細胞管腔端（血液側）被轉運物質被受體介導的胞吞作用所攝取；② 被轉運物質穿過腦毛細血管內皮細胞的細胞質；③ 在腦毛細血管內皮細胞的基底端（中樞側）由胞吐作用排出被轉運物質。物質通過跨胞作用穿越有極性的腦毛細血管內皮細胞的確切機制目前尚未被確定。某些因子可能參與了穿越血腦屏障的跨細胞轉運并使被轉運物質免于被細胞質中溶酶體降解。通過該方法轉運藥物穿越血腦屏障的方案包括使用特殊配體或抗體修飾藥物，靶向作用于血腦屏障上的受體。藥物在結合或聯合了這些特殊的配體或抗體后經受體介導的跨細胞轉運穿越血腦屏障[17]。此外，也可使用經特殊配體修飾的治療性脂質體給藥方法。
3.2.1 轉鐵蛋白受體給藥
轉鐵蛋白受體的主要作用是為細胞提供鐵。目前可使用將藥物結合于內源性轉鐵蛋白或結合于直接作用于轉鐵蛋白受體的抗體獲得靶向作用于轉鐵蛋白受體的藥物。但轉鐵蛋白在血漿內的高內源性濃度限制了前者的使用，轉鐵蛋白作為一種細胞鐵轉運所必須的蛋白，在血漿中以毫克/毫升級的數量出現。運用將藥物結合于轉鐵蛋白受體的抗體的方法給藥，具有受體特異性的單克隆抗體與腦毛細血管內皮細胞上的受體結合，并允許其結合的藥物部分由受體介導的跨胞作用穿越血腦屏障[18]。對于使用轉鐵蛋白受體抗體，在小鼠中進行的研究已經設計出了單克隆抗體OX26，其可與轉鐵蛋白受體的一個確切的抗原表位結合，可被用作中樞神經系統內給藥的載體[19]。
人血清白蛋白納米粒與轉鐵蛋白或轉鐵蛋白受體單克隆抗體共價結合用于轉運咯哌丁胺穿過血腦屏障。吸附于納米粒的咯哌丁胺本身不能穿越血腦屏障。其被用作模式藥物，運用后可以觀察到顯著的抗疼痛作用，證實了該方法對增加藥物穿透血腦屏障的價值[20]。但該技術在運載大分子藥物與其他小分子藥物穿越血腦屏障的應用仍需證實。
3.2.2 胰島素受體給藥
曾有報道將胰島素受體作為中樞神經系統給藥的靶位點，使用直接作用于胰島素受體的抗體進行給藥[21]。如使用83-14鼠單克隆抗體作用于人類胰島素受體，相較于普通靜脈注射后3 h每克腦組織0.04%的攝取量，其在獼猴腦組織中顯示單克隆抗體總攝取量為4%[22]。作用于胰島素受體的83-14抗體的嵌合抗體與完全人類化形式都已被制造出來，且實驗表明其能夠轉運一個聯合/結合的分子穿過血腦屏障[23]。
通過靶向作用于轉鐵蛋白受體與胰島素受體使藥物穿越血腦屏障的方法包括抗體或配體包被藥物，其具體的方法曾被報道[18]并提出了不同融合方法及結合蛋白種類，包括：舒血管腸肽結合轉鐵蛋白受體單克隆抗體、腦源性神經營養因子結合人類胰島素受體單克隆抗體、成纖維細胞生長因子-2結合人類胰島素受體單克隆抗體、表皮生長因子結合轉鐵蛋白受體單克隆抗體、淀粉β1-40肽結合轉鐵蛋白受體單克隆抗體、核酸肽（siRNA）-人胰島素受體單克隆抗體、β-牛乳糖-轉鐵蛋白受體單克隆抗體、IDUA-人胰島素受體融合、神經營養因子-人胰島素受體融合。但是對于運用單克隆抗體及其特異性受體協助藥物穿越血腦屏障的方法，仍然存在著一些問題。比如Moos等[24]提出OX26主要在腦毛細血管內皮細胞濃聚而非在腦實質間隙。通過在動物模型中使用抗轉鐵蛋白受體單克隆抗體可以證實，盡管在中樞神經系統內總的藥物濃度在靜脈注射融合分子后較高，但是大多數藥物僅與腦毛細血管內皮細胞結合并未進入實質內[25]。由于抗體高度相似，分離抗體的特異性受體也具一定難度。另外，這些受體在外周的高度表達也限制了其中樞神經系統特異性給藥的能力，尤其是胰島素受體抗體，其尚可能增加復合物的額外毒性。
3.2.3 脂質體被靶向分子包被（如抗體）形成特洛伊脂質體（THL）給藥
THL可攜帶非病毒質粒DNA跨越血腦屏障并表達干擾RNA（shRNA）。質粒DNA被包封在約100 nm的脂質體內，再將相對分子質量為2 000的聚乙二醇涂于脂質體的表面。在聚乙二醇最后1%～2%的部分結合受體-特殊單克隆抗體（胰島素受體或轉鐵蛋白受體）。含有能夠表達酪氨酸水解酶的質粒的轉鐵蛋白受體單克隆抗體-靶向THL在大鼠的帕金森病模型的治療中有效。這一方法可被用來運送針對表皮生長因子受體的shRNA并使表皮生長因子受體的表達下降，提高顱內接種腦瘤的小鼠生存率[26]。
3.2.4 低密度脂蛋白受體相關蛋白（LRP）
LRP是一種多功能的、具有胞吞作用的受體。其由多種代謝途徑介導配體的內化與降解[27]。LRP是一個多配體的脂蛋白受體，其通過多種細胞質內因子及支架蛋白激活信號轉導通路并介導分泌蛋白及細胞固有表面分子（如載脂蛋白E，組織型纖維蛋白溶解酶原激活因子、纖維蛋白溶解酶原抑制因子-1等）的胞吞作用。LRP由4 個假定的配體結合域組成，分別標記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。LRP在中樞神經系統以及多種組織中表達。在小腦，LRP廣泛且散在地存在于顆粒細胞層的神經元。在神經元表達的LRP的功能與其他細胞型相似，都結合并介導配體胞吞。在星形膠質細胞LRP也存在中等的表達[28]。LRP在惡性星形膠質瘤中過度表達，尤其在膠質母細胞瘤中過度表達[29]。類似于轉鐵蛋白受體及胰島素受體，LRP-1與LRP-2被用作中樞神經系統靶向給藥的位點。作為中樞神經系統的給藥途徑之一，納米粒跨細胞轉運的明確機制目前尚未闡明[30]，并仍存在爭議。可能的機制是包被聚氰基丙烯酸正丁酯的聚山梨醇酯80納米粒在靜脈注射后從血流中吸收載脂蛋白E與載脂蛋白B，而后利用LRP穿越血腦屏障[31]。
受體結合蛋白（RAP）可以有效地穿過血腦屏障進入中樞神經系統[32]。RAP位于內質網內，并作為低密度脂蛋白受體家族的分子伴侶，包括LRP-1與LRP-2，其可以促進LRP-1與LRP-2等轉運至細胞表面，并避免其與內源性配體相接觸[33]。目前將RAP用作藥物穿越血腦屏障的載體，可將其與抗癌藥物結合給藥[34]。
血管肽家族可以高效地利用LRP穿過血腦屏障，被設計為運載藥物穿越血腦屏障的新的肽類載體。血管肽類是一個有19 個氨基酸組成其結構域的肽家族[35]，其顯示出利用LRP-1[36]高效跨細胞轉運的特性。
該技術平臺可以用來轉運（0.5～150）×103大小的分子（包括抗體），使用氰（Cy）染色熒光cy5.5標記血管肽-2，可以證實標記物質能夠非常迅速的穿入腦實質，這可以由在體影像學檢查及腦切片熒光分析中測得。在實驗中可以發現血管肽-2-cy5.5在注射1 h后清晰地出現在腦實質且靠近腦神經元細胞核[37]。而將血管肽-7的賴氨酸殘基替換為不與LRP-1作用的精氨酸時其不會轉運入中樞神經系統。另外有數據可以證實在血管肽-2原位腦灌注后其在大鼠腦實質中的轉運作用也非常高效，也可以證實之前的結果[38]。目前，血管肽技術已經進行了治療惡性膠質瘤及腦轉移瘤的Ⅰ期臨床試驗，并取得了很好的效果。
3.3 吸附中介的跨細胞轉運（AME）
吸附中介的胞吞（以及跨細胞轉運）是由吞噬小泡吞噬帶電荷物質。其類似于受體介導的機制，但是并不使用特殊的機制。有著基本的等電點肽類與蛋白質與血管內皮細胞膜接觸時，可以誘發吸附胞吞。攝取的肽可由原代培養的牛腦血管內皮細胞通過實驗追蹤。對肽的穩定的攝取是溫度相關性的，而且攝取在丹（磺）酰戊二胺出現時會顯著減少。精蛋白與復合左旋賴氨酸，這二者可以中和質膜的電荷從而抑制肽的結合。在培養的牛腦血管內皮細胞實驗中分子的C-末端結構及堿性是AME系統攝取最重要的決定因素[39]，而非構成肽的氨基酸數量。以下為該原理的運用。
蛋白轉導域，例如反式激活轉導蛋白（TAT）、syn-B等，是典型的位于轉錄因子的氨基酸片段，其允許大分子轉運穿過細胞膜。將多柔比星與synB1或synB3載體耦合，可顯著加大其中樞神經系統攝取并可以避開P-gp[40]。
運用有生物活性外殼或內核的納米粒，將TAT分子錨定于其表面，已被成功地合成以用于將藥物穿過血腦屏障[41]。環丙沙星是納米粒轉載的模式抗生素。納米粒表面的TAT可加大其在人類微血管內皮的攝取，TAT-PEG-b-chol納米粒可以穿過血腦屏障并進入神經元的細胞質中。
運用殼聚糖納米粒，將其包被多胺與抗淀粉抗體F（ab’）段，可以形成智能納米載體用于向中樞神經系統轉運。但這種方法向腦運載藥物數量的效率尚有待證實[42]。
有報道運用來自狂犬病毒糖蛋白的29肽與siRNA混合使siRNA穿越血腦屏障進入中樞神經系統，狂犬病毒糖蛋白可以特異性結合神經元細胞表達的乙酰膽堿受體。而肽復合精氨酸結合siRNA，并加大其在中樞神經系統的分布，這可能通過siRNA介導的吸附胞吞[43]。
但吸附中介的跨細胞轉運缺乏組織選擇性，靜脈給藥后可能的血腦屏障破壞導致的毒性加大是限制肽在中樞神經系統使用的重要因素。聚陽離子物質結合血管質膜的負電荷會產生胞吞，在使用納米粒時可觀察到該過程效率不高且可能損傷血腦屏障[44]。
4 結語
目前藥物穿越血腦屏障的方法包括直接灌注或注射藥物進入腦內、腦室或腦脊液，或使用物理方法打開血腦屏障，但藥物在腦實質的分布濃度并不理想。運用轉運體轉運藥物或利用受體跨越構成血腦屏障的內皮細胞能夠使藥物在中樞神經系統內均勻分布，并可使藥物隨后均勻迅速地與神經細胞接觸。最有前景的技術包括使用生理學方法改造藥物從而利用內源性受體給藥，以及使用新型材料穿越血腦屏障。目前利用腦細胞所必需的營養物質受體，或者激素受體結合受體的單克隆抗體，血管肽結合LRP-1受體均可以獲得較好的跨血腦屏障效果。但目前仍然無一種公認的安全、有效的方法使藥物能夠完全穿越血腦屏障。
血腦屏障分隔了血液和中樞神經系統的觀點在100多年前首次由Ehrlich [1]提出，他發現除腦和脊髓外大多數器官可以被靜脈注射的染料所染色。目前一般認為血腦屏障由中樞神經系統的連續毛細血管內皮及其細胞間緊密連接、完整的基膜、周細胞以及星形膠質細胞腳板圍成的神經膠質膜構成。其中最主要的組成部分是中樞神經系統毛細血管內皮細胞間的緊密連接，其由細胞黏附分子所形成，不同于其他器官的內皮細胞，因為中樞神經系統毛細血管內皮細胞間緊密連接的存在故其表現出能夠限制血液與中樞神經系統間的分子運動的特點，即相對不通透性。這一特點為腦與脊髓抵御循環毒物和病原微生物提供了天然屏障，同時中樞神經系統內皮細胞也具有一些備用的轉運途徑，如窗孔、跨內皮細胞特殊通道、胞飲小泡等，且其高度表達活躍的流出轉運蛋白（流出泵），包括p-糖蛋白（P-gp）、多重耐藥蛋白-1（MRP-1）、乳腺癌耐藥蛋白（BCRP）。此外，血腦屏障還存在著一些有保護中樞神經系統作用的酶，大量表達于具有豐富線粒體和高代謝的內皮細胞內外的降解酶對穿過細胞膜的溶質具有降解作用，從而保護中樞神經系統。
一些具有脂溶性、一定分子質量及電荷的小分子物質能夠直接從血液擴散穿越血腦屏障進入中樞神經系統。但是更多的小分子物質（相對分子質量＞500）、蛋白和肽類不能直接穿過血腦屏障。曾有報道指出大約98%的小分子物質和幾乎全部的大分子物質（相對分子質量＞1 000），如重組蛋白或者基因藥物等都不能穿過血腦屏障[2]。因此，為了進入中樞神經系統，大多數物質必須通過與血管內皮細胞腔面細胞膜上所表達的特殊轉運體和（或）受體相互作用從而穿過血腦屏障。目前已知的穿越血腦屏障的機制主要包括以下幾種：① 水溶性小分子物質，如氨基酸、葡萄糖以及其他維持神經細胞生存所必需的營養物質，通過血管內皮細胞血管腔面與基底側上所表達的轉運體轉運穿過血腦屏障；② 相對分子質量更大的和（或）親水的物質，如激素、轉鐵蛋白、胰島素和脂蛋白利用血管內皮細胞的管腔側高度表達的特殊受體進行轉運，這些受體的作用是介導化合物經過胞吞或跨細胞轉運穿過血腦屏障；③ 小的脂溶性分子可經被動擴散穿過血腦屏障進入中樞神經系統內，但其會與形成血腦屏障的血管內皮細胞管腔側所表達的排出泵（如P-gp、MRP、 BCRP等）接觸而被泵出，并且其在穿入中樞神經系統之前會與血管內皮細胞細胞質存在的降解酶接觸而被降解。
盡管經過了數十年的研究，如何使藥物高效地穿越血腦屏障依然是中樞神經系統疾病藥物研發的關鍵瓶頸。目前主要有3種方法，可使藥物穿過血腦屏障并進入中樞神經系統內，即物理方法、藥理學方法、生理學方法。以下分別進行討論。
1 物理方法
1.1 有創性物理方法
有創性物理方法主要包括一些物理性操作技術，如腦室內灌注（ICV）、對流增強給藥（CED）、高分子聚合物或微芯片系統植入中樞神經系統直接釋放藥物。
1.1.1 ICV
Blasberg等[3]曾報道，灌注后在距離腦表面1～2 mm的腦組織內的藥物濃度僅為腦脊液中藥物濃度的1%～2%，且藥物最終會隨腦脊液循環進入體循環，而后再跨越血腦屏障進入中樞神經系統。這一結果類似于緩慢的靜脈滴注，而非直接進行中樞神經系統內給藥[4]，但如果藥物的靶受體（如鴉片肽）臨近室管膜表面，則在ICV給藥后很快可以觀察到藥物的作用 [5]，其特點為擴散入腦實質的藥物量非常少，除非藥物靶位點距離腦室很近，故其并非是一種有效的給藥方法。
1.1.2 CED
CED的主要原理為在立體定向引導下將小口徑導管植入腦實質并通過導管由輸液泵將藥物泵入，從而使藥物能夠到達細胞間隙，持續灌注數日后行床旁拔管。較之于藥物單純擴散所僅能達到的數毫米的距離，CED在實驗中可以在僅2 h的持續灌注中將高分子質量的蛋白轉運入距離注射位點2 cm的腦實質內[6]。成功的CED實施有賴于精確的導管植入及對灌注參數的調節是否恰當。其缺陷在于腦的一些部位很難被溶液達到飽和，特別是腦室周圍的滲透組織，且有一定的操作難度[7]。
1.1.3 顱內注射或使用植入物
無論是使用化療藥物的顱內快速濃注還是在腫瘤切除后的空腔內植入化療藥物飽和的、可生物降解的高分子聚合物或微芯片系統，其原理都是通過被動擴散作用使藥物滲透入中樞神經系統。Fung等[8]曾觀察到在聚合物（含0.5～3.5 mmol/L的卡氮芥；0.2～1.0 mmol/L的紫杉醇）植入猴腦后，立即在距離植入點3 mm處出現高濃度藥物，而在植入（含0.4 μmmol/L的卡氮芥；0.6 μmmol/L的紫杉醇）30 d后，相當濃度的藥物出現在距離植入點5 cm處。該方法藥物在腦內分布依靠被動擴散，藥物濃度隨距離增加呈指數級下降。若想取得較好效果，必須精確標記注射或植入位置，并同時解決藥物在腦實質內擴散能力的相關問題。
1.2 無創性物理方法
該方法可以通過使腦毛細血管內皮細胞間的緊密連接產生裂隙從而打開血腦屏障，為血液中的藥物進入中樞神經系統打開通道。目前主要有以下幾種技術用于開放緊密連接[9]。
1.2.1 滲透性破壞
通過滲壓震擾使血管內皮細胞皺縮從而打開內皮細胞間的緊密連接。如在頸動脈內給入高滲的甘露醇溶液使腦毛細血管內皮細胞皺縮后再給入藥物可將腦內及腦腫瘤組織內的藥物濃度提升至治療濃度。
1.2.2 MRI引導的聚焦超聲血腦屏障破壞技術
超聲波已被證實可以打開血腦屏障。該技術在MRI引導下使用聚焦超聲聯合微泡（由超聲對比劑預先制成微泡，選擇其中直徑在2～6 μm者在應用超聲之前注入血流），當應用超聲時，微泡會膨脹和收縮。氣泡運動所產生的力導致形成血腦屏障的腦毛細血管內皮細胞暫時分離，使藥物到達中樞神經系統。在小鼠模型中這項技術被觀察到可以使得腦組織中的曲妥珠單抗濃度提升達50%[10]。
1.2.3 使用緩激肽類似物（RMP-7賽羅帕提，ALKERMES公司）
有證據顯示其可以由一些鈣介導的機制激活緩激肽B2受體，從而打開腦毛細血管內皮細胞間的緊密連接[11]。但是這項技術由于在第2和第3期實驗中與卡鉑混合給藥時效果不佳而被放棄。必須注意的是，上述技術可能會因血腦屏障的開放而加劇腫瘤擴散，且血液中的某些有害物質可能會使神經元遭到永久性損害。
2 藥理學方法
2.1 藥物的化學改造
通過對藥物進行化學改造穿越血腦屏障的方法是基于觀察到如乙醇、尼古丁及苯二氮類等物質可以自由進入中樞神經系統內，這種被動穿過血腦屏障的能力取決于相對分子質量（＜500）、電荷（與氫結合能力弱）以及脂溶性（與脂溶性呈正比）[12]。其方法包括:① 通過藥物化學技術用已知對中樞神經系統靶位點敏感的物質改造藥物，使藥物易于穿過血腦屏障；② 通過化學改造減少藥物極性基團的相對數量，從而加強藥物通過血腦屏障的能力；③ 利用脂性分子作為載體進行藥物的化學改造，脂肪酸類如二十二碳六烯酸與小分子藥物結合可以提高藥物在中樞神經系統的攝取[13]。
但為達到穿透血腦屏障的目的所進行的藥物改造常常同時帶來藥物應有的中樞活性降低，且通過增加藥物脂溶性提高轉運的同時會使其成為流出P-gp的底物而加大藥物的泵出使穿透血腦屏障的效率降低。
2.2 增加藥物在血漿中的溶解度及穩定性而增加其中樞神經系統內分布
將小分子質量的藥物加入聚醚膠束可以提升藥物的溶解度和穩定性，同時也可以提升藥物的藥物代謝動力學作用與生物學分布[14]。聚醚膠束現被用作將中樞神經系統藥物轉運穿過血腦屏障的載體，以及抗腫瘤藥物的腫瘤特異性給藥載體。雙親性殼聚糖基復合物（相對分子質量＜20×103）在低濃度時會在水溶液中與藥物自動組裝而產生大小介于100～300 nm的膠束簇。靜脈用麻醉藥物丙泊酚是它的一種模型藥物。有報道使用其制成的糖丙泊酚所獲得的催眠時間可達到使用丙泊酚的10倍。且在其注射期末動物已經睡著，以致翻正反射的時間不能被記錄，這都表明中樞活性藥物的穿過血腦屏障分布的快速與高效[15]。但這些基于特殊納米粒載體穿越血腦屏障的確切機制尚不明確，且可能存在的機制包括誘導血腦屏障漏出的增加與抑制流出泵，將納米粒應用于大分子的親水性治療藥物的效果尚未得知。
3 生理學方法
中樞神經系統需要營養物質及激素等以維持自身代謝及功能，如葡萄糖、胰島素、生長激素、低密度脂蛋白等，這些物質通過一些特殊的方式穿越血腦屏障進入中樞神經系統，如經特異性受體識別轉運或存在特殊轉運機制。由于腦毛細血管的間隔距離小（平均40 μm）且灌注率極高，所以幾乎每個神經元都由其自身的毛細血管灌注[2]。因此神經活性藥物進入中樞最有效的方式是經特殊轉運體轉運或經某些毛細血管上特異性受體介導的內吞作用。
藥物可經改造利用天然營養物質的血腦屏障轉運系統進行轉運，或與能夠特異性識別形成血腦屏障的毛細血管內皮細胞上所表達受體的配體結合，經由受體介導的跨細胞轉運而穿過血腦屏障。生理學方法被科學界公認為最有可能成功穿透血腦屏障的方法之一。
3.1 轉運體中介轉運
肽與小分子營養物質可能利用位于腦毛細血管內皮細胞管腔側與基底側表達的特殊轉運體轉運入中樞神經系統。目前，至少已有8 種不同的營養物質轉運系統被確定，其中每一種都可以轉運一組結構相似的營養物質。只有高度模擬轉運系統底物的藥物才會被攝取并轉運入中樞。藥物可利用載體介導的轉運系統進入中樞。使用直接靶向作用于轉運體的藥物穿越血腦屏障，可以避免將藥物改造如與抗體結合[16]。利用血腦屏障轉運蛋白如膽堿轉運體和氨基酸轉運體穿越血腦屏障在一些藥物已經成功實現。例如，大分子中性氨基酸載體被用于轉運多巴胺代謝前體左旋多巴，這使得帕金森病患者在臨床治療上明顯受益，因為多巴胺本身并不能穿透血腦屏障。但利用血腦屏障上的轉運蛋白作為中樞神經系統給藥的載體，必須考慮很多因素，包括：① 轉運藥物在動力學上是否可行；② 轉運體對配體的結構要求；③ 治療藥物需進行改造從而使得其可以結合轉運體，但這個過程必須維持藥物在體內的活性；④ 藥物分子必須真正轉運進入中樞神經系統內而非僅僅與轉運體結合。
3.2 受體介導的跨細胞轉運
神經系統維持正常生理功能所必需的大分子物質是由特殊受體轉運入大腦的。這些受體在形成血腦屏障的腦毛細血管內皮細胞上高度表達。其中包括胰島素受體、轉鐵蛋白受體、低密度脂蛋白受體及其相關蛋白等。
受體介導的跨細胞轉運主要有以下3個步驟：① 在腦毛細血管內皮細胞管腔端（血液側）被轉運物質被受體介導的胞吞作用所攝取；② 被轉運物質穿過腦毛細血管內皮細胞的細胞質；③ 在腦毛細血管內皮細胞的基底端（中樞側）由胞吐作用排出被轉運物質。物質通過跨胞作用穿越有極性的腦毛細血管內皮細胞的確切機制目前尚未被確定。某些因子可能參與了穿越血腦屏障的跨細胞轉運并使被轉運物質免于被細胞質中溶酶體降解。通過該方法轉運藥物穿越血腦屏障的方案包括使用特殊配體或抗體修飾藥物，靶向作用于血腦屏障上的受體。藥物在結合或聯合了這些特殊的配體或抗體后經受體介導的跨細胞轉運穿越血腦屏障[17]。此外，也可使用經特殊配體修飾的治療性脂質體給藥方法。
3.2.1 轉鐵蛋白受體給藥
轉鐵蛋白受體的主要作用是為細胞提供鐵。目前可使用將藥物結合于內源性轉鐵蛋白或結合于直接作用于轉鐵蛋白受體的抗體獲得靶向作用于轉鐵蛋白受體的藥物。但轉鐵蛋白在血漿內的高內源性濃度限制了前者的使用，轉鐵蛋白作為一種細胞鐵轉運所必須的蛋白，在血漿中以毫克/毫升級的數量出現。運用將藥物結合于轉鐵蛋白受體的抗體的方法給藥，具有受體特異性的單克隆抗體與腦毛細血管內皮細胞上的受體結合，并允許其結合的藥物部分由受體介導的跨胞作用穿越血腦屏障[18]。對于使用轉鐵蛋白受體抗體，在小鼠中進行的研究已經設計出了單克隆抗體OX26，其可與轉鐵蛋白受體的一個確切的抗原表位結合，可被用作中樞神經系統內給藥的載體[19]。
人血清白蛋白納米粒與轉鐵蛋白或轉鐵蛋白受體單克隆抗體共價結合用于轉運咯哌丁胺穿過血腦屏障。吸附于納米粒的咯哌丁胺本身不能穿越血腦屏障。其被用作模式藥物，運用后可以觀察到顯著的抗疼痛作用，證實了該方法對增加藥物穿透血腦屏障的價值[20]。但該技術在運載大分子藥物與其他小分子藥物穿越血腦屏障的應用仍需證實。
3.2.2 胰島素受體給藥
曾有報道將胰島素受體作為中樞神經系統給藥的靶位點，使用直接作用于胰島素受體的抗體進行給藥[21]。如使用83-14鼠單克隆抗體作用于人類胰島素受體，相較于普通靜脈注射后3 h每克腦組織0.04%的攝取量，其在獼猴腦組織中顯示單克隆抗體總攝取量為4%[22]。作用于胰島素受體的83-14抗體的嵌合抗體與完全人類化形式都已被制造出來，且實驗表明其能夠轉運一個聯合/結合的分子穿過血腦屏障[23]。
通過靶向作用于轉鐵蛋白受體與胰島素受體使藥物穿越血腦屏障的方法包括抗體或配體包被藥物，其具體的方法曾被報道[18]并提出了不同融合方法及結合蛋白種類，包括：舒血管腸肽結合轉鐵蛋白受體單克隆抗體、腦源性神經營養因子結合人類胰島素受體單克隆抗體、成纖維細胞生長因子-2結合人類胰島素受體單克隆抗體、表皮生長因子結合轉鐵蛋白受體單克隆抗體、淀粉β1-40肽結合轉鐵蛋白受體單克隆抗體、核酸肽（siRNA）-人胰島素受體單克隆抗體、β-牛乳糖-轉鐵蛋白受體單克隆抗體、IDUA-人胰島素受體融合、神經營養因子-人胰島素受體融合。但是對于運用單克隆抗體及其特異性受體協助藥物穿越血腦屏障的方法，仍然存在著一些問題。比如Moos等[24]提出OX26主要在腦毛細血管內皮細胞濃聚而非在腦實質間隙。通過在動物模型中使用抗轉鐵蛋白受體單克隆抗體可以證實，盡管在中樞神經系統內總的藥物濃度在靜脈注射融合分子后較高，但是大多數藥物僅與腦毛細血管內皮細胞結合并未進入實質內[25]。由于抗體高度相似，分離抗體的特異性受體也具一定難度。另外，這些受體在外周的高度表達也限制了其中樞神經系統特異性給藥的能力，尤其是胰島素受體抗體，其尚可能增加復合物的額外毒性。
3.2.3 脂質體被靶向分子包被（如抗體）形成特洛伊脂質體（THL）給藥
THL可攜帶非病毒質粒DNA跨越血腦屏障并表達干擾RNA（shRNA）。質粒DNA被包封在約100 nm的脂質體內，再將相對分子質量為2 000的聚乙二醇涂于脂質體的表面。在聚乙二醇最后1%～2%的部分結合受體-特殊單克隆抗體（胰島素受體或轉鐵蛋白受體）。含有能夠表達酪氨酸水解酶的質粒的轉鐵蛋白受體單克隆抗體-靶向THL在大鼠的帕金森病模型的治療中有效。這一方法可被用來運送針對表皮生長因子受體的shRNA并使表皮生長因子受體的表達下降，提高顱內接種腦瘤的小鼠生存率[26]。
3.2.4 低密度脂蛋白受體相關蛋白（LRP）
LRP是一種多功能的、具有胞吞作用的受體。其由多種代謝途徑介導配體的內化與降解[27]。LRP是一個多配體的脂蛋白受體，其通過多種細胞質內因子及支架蛋白激活信號轉導通路并介導分泌蛋白及細胞固有表面分子（如載脂蛋白E，組織型纖維蛋白溶解酶原激活因子、纖維蛋白溶解酶原抑制因子-1等）的胞吞作用。LRP由4 個假定的配體結合域組成，分別標記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。LRP在中樞神經系統以及多種組織中表達。在小腦，LRP廣泛且散在地存在于顆粒細胞層的神經元。在神經元表達的LRP的功能與其他細胞型相似，都結合并介導配體胞吞。在星形膠質細胞LRP也存在中等的表達[28]。LRP在惡性星形膠質瘤中過度表達，尤其在膠質母細胞瘤中過度表達[29]。類似于轉鐵蛋白受體及胰島素受體，LRP-1與LRP-2被用作中樞神經系統靶向給藥的位點。作為中樞神經系統的給藥途徑之一，納米粒跨細胞轉運的明確機制目前尚未闡明[30]，并仍存在爭議。可能的機制是包被聚氰基丙烯酸正丁酯的聚山梨醇酯80納米粒在靜脈注射后從血流中吸收載脂蛋白E與載脂蛋白B，而后利用LRP穿越血腦屏障[31]。
受體結合蛋白（RAP）可以有效地穿過血腦屏障進入中樞神經系統[32]。RAP位于內質網內，并作為低密度脂蛋白受體家族的分子伴侶，包括LRP-1與LRP-2，其可以促進LRP-1與LRP-2等轉運至細胞表面，并避免其與內源性配體相接觸[33]。目前將RAP用作藥物穿越血腦屏障的載體，可將其與抗癌藥物結合給藥[34]。
血管肽家族可以高效地利用LRP穿過血腦屏障，被設計為運載藥物穿越血腦屏障的新的肽類載體。血管肽類是一個有19 個氨基酸組成其結構域的肽家族[35]，其顯示出利用LRP-1[36]高效跨細胞轉運的特性。
該技術平臺可以用來轉運（0.5～150）×103大小的分子（包括抗體），使用氰（Cy）染色熒光cy5.5標記血管肽-2，可以證實標記物質能夠非常迅速的穿入腦實質，這可以由在體影像學檢查及腦切片熒光分析中測得。在實驗中可以發現血管肽-2-cy5.5在注射1 h后清晰地出現在腦實質且靠近腦神經元細胞核[37]。而將血管肽-7的賴氨酸殘基替換為不與LRP-1作用的精氨酸時其不會轉運入中樞神經系統。另外有數據可以證實在血管肽-2原位腦灌注后其在大鼠腦實質中的轉運作用也非常高效，也可以證實之前的結果[38]。目前，血管肽技術已經進行了治療惡性膠質瘤及腦轉移瘤的Ⅰ期臨床試驗，并取得了很好的效果。
3.3 吸附中介的跨細胞轉運（AME）
吸附中介的胞吞（以及跨細胞轉運）是由吞噬小泡吞噬帶電荷物質。其類似于受體介導的機制，但是并不使用特殊的機制。有著基本的等電點肽類與蛋白質與血管內皮細胞膜接觸時，可以誘發吸附胞吞。攝取的肽可由原代培養的牛腦血管內皮細胞通過實驗追蹤。對肽的穩定的攝取是溫度相關性的，而且攝取在丹（磺）酰戊二胺出現時會顯著減少。精蛋白與復合左旋賴氨酸，這二者可以中和質膜的電荷從而抑制肽的結合。在培養的牛腦血管內皮細胞實驗中分子的C-末端結構及堿性是AME系統攝取最重要的決定因素[39]，而非構成肽的氨基酸數量。以下為該原理的運用。
蛋白轉導域，例如反式激活轉導蛋白（TAT）、syn-B等，是典型的位于轉錄因子的氨基酸片段，其允許大分子轉運穿過細胞膜。將多柔比星與synB1或synB3載體耦合，可顯著加大其中樞神經系統攝取并可以避開P-gp[40]。
運用有生物活性外殼或內核的納米粒，將TAT分子錨定于其表面，已被成功地合成以用于將藥物穿過血腦屏障[41]。環丙沙星是納米粒轉載的模式抗生素。納米粒表面的TAT可加大其在人類微血管內皮的攝取，TAT-PEG-b-chol納米粒可以穿過血腦屏障并進入神經元的細胞質中。
運用殼聚糖納米粒，將其包被多胺與抗淀粉抗體F（ab’）段，可以形成智能納米載體用于向中樞神經系統轉運。但這種方法向腦運載藥物數量的效率尚有待證實[42]。
有報道運用來自狂犬病毒糖蛋白的29肽與siRNA混合使siRNA穿越血腦屏障進入中樞神經系統，狂犬病毒糖蛋白可以特異性結合神經元細胞表達的乙酰膽堿受體。而肽復合精氨酸結合siRNA，并加大其在中樞神經系統的分布，這可能通過siRNA介導的吸附胞吞[43]。
但吸附中介的跨細胞轉運缺乏組織選擇性，靜脈給藥后可能的血腦屏障破壞導致的毒性加大是限制肽在中樞神經系統使用的重要因素。聚陽離子物質結合血管質膜的負電荷會產生胞吞，在使用納米粒時可觀察到該過程效率不高且可能損傷血腦屏障[44]。
4 結語
目前藥物穿越血腦屏障的方法包括直接灌注或注射藥物進入腦內、腦室或腦脊液，或使用物理方法打開血腦屏障，但藥物在腦實質的分布濃度并不理想。運用轉運體轉運藥物或利用受體跨越構成血腦屏障的內皮細胞能夠使藥物在中樞神經系統內均勻分布，并可使藥物隨后均勻迅速地與神經細胞接觸。最有前景的技術包括使用生理學方法改造藥物從而利用內源性受體給藥，以及使用新型材料穿越血腦屏障。目前利用腦細胞所必需的營養物質受體，或者激素受體結合受體的單克隆抗體，血管肽結合LRP-1受體均可以獲得較好的跨血腦屏障效果。但目前仍然無一種公認的安全、有效的方法使藥物能夠完全穿越血腦屏障。