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这篇综述聚焦于利用聚合物纳米载体跨越血脑屏障（BBB）运输治疗性生物大分子。详细阐述了 BBB 的生理病理、跨越策略，介绍多种聚合物纳米载体，探讨临床转化现状与挑战，展望了鼻内给药、体外模型及人工智能在该领域的应用前景。
1. 引言
在过去三十年，神经系统疾病的全球发病率和死亡率大幅上升，成为全球范围内发病和死亡的主要原因之一。常见的神经系统疾病包括神经退行性疾病（如阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）等）、自身免疫性疾病（如多发性硬化症（MS））、脑癌（如多形性胶质母细胞瘤（GBM））、脑血管意外（如缺血性中风）等。目前基于小分子药物的治疗方法存在诸多局限性，如治疗剂量大、需长期侵入性注射等，临床效果不佳。
生物大分子（如寡肽、单克隆抗体、生长因子、抗氧化酶和核酸等）作为新型治疗手段，具有更高的特异性，能减少脱靶效应，受到广泛关注。然而，生物大分子在生理环境中易降解或变性，且难以穿过血脑屏障（BBB），无法有效到达中枢神经系统（CNS）发挥治疗作用。
纳米技术为解决这些问题提供了新途径，其中聚合物纳米载体因具有降低免疫原性、增加稳定性和可重复性等优势，成为研究热点。本文重点综述了近年来用于制备能跨越 BBB 的聚合物纳米载体的先进架构，以及封装治疗性生物大分子的方法，同时探讨了其临床转化现状、面临的挑战及未来发展方向。
2. 血脑屏障在治疗设计中的问题
2.1 血脑屏障的生理学
血脑屏障是一种保护性的半透膜，能精确调节血液与中枢神经系统之间营养物质、氧气和离子的交换，阻止外源性物质、毒素和病原体的侵入。它是一个由内皮细胞、神经细胞和免疫细胞组成的复杂网络，称为神经血管单元。
内皮细胞是血脑屏障的主要组成部分，形成脑毛细血管壁的内层，具有极化的负表面电荷且无窗孔，通过紧密连接（TJs）和黏附连接相互连接，形成强大的物理屏障。基底膜位于内皮细胞下方，包含多种细胞外基质蛋白。周细胞覆盖大部分毛细血管床，对维持血管直径、调节内皮细胞基因表达和 BBB 完整性至关重要。星形胶质细胞与内皮细胞和神经元紧密相连，能增强 TJs，调节血管功能、物质转运等。小胶质细胞则作为中枢神经系统的巨噬细胞，参与免疫反应，维持中枢神经系统的稳态。
2.2 病理条件下血脑屏障的破坏
在多种神经系统疾病中，血脑屏障会发生显著变化。其病理过程涉及结构、分子和功能的改变，导致屏障的生理完整性和功能受损。多数疾病会使血脑屏障的通透性增加，表现为内皮细胞收缩、TJs 蛋白丢失、分子转运增强等。同时，血脑屏障的破坏还伴随着基底膜的丧失、白细胞活性增强、周细胞退化和星形胶质细胞脱离等现象，并且会释放炎症介质，进一步加重病情。
2.3 跨越血脑屏障的策略
- 物理和化学破坏血脑屏障：外部刺激介导的方法可调节血脑屏障的通透性，包括物理和生化方法。物理方法如聚焦超声、磁共振成像、高脉冲电场、激光和电针等，可通过特定的物理作用使血脑屏障暂时开放，促进治疗药物的递送。化学方法则使用各种化学试剂，如高渗剂（甘露醇、甘油等）、血管活性化合物（组胺、缓激肽等）和化学化合物（油酸、十二烷基硫酸钠等），通过不同的作用机制破坏血脑屏障的完整性，实现药物递送，但这些方法存在非特异性、神经毒性等缺点。
- 侵入性策略：包括直接注射 / 植入、脑室内给药和鞘内给药。直接注射或植入可将治疗药物局部递送至大脑，用于治疗癌症、中风等疾病；脑室内给药是将药物输送到脑脊液中，通过泵维持药物浓度，用于治疗脑癌、神经系统疾病等；鞘内给药则是将药物直接注入脊髓周围的空间，通过脑脊液输送到中枢神经系统实质，已被批准用于治疗脊髓性肌萎缩等疾病。
- 非侵入性策略：依赖于利用内源性转运机制增强血脑屏障通透性的药理学方法，如化学修饰治疗药物、使用运输载体、嵌合肽、纳米载体和特洛伊木马策略等。其中，特洛伊木马策略通过模仿自然生物过程和结构，利用抗体、肽、细胞和纳米颗粒等作为特洛伊木马，靶向血脑屏障的内源性受体，实现治疗性生物大分子的跨膜运输。例如，抗体特洛伊木马利用基因工程将治疗药物与针对转铁蛋白受体（TfR）或人胰岛素受体（HIR）的单克隆抗体融合；肽特洛伊木马如 Angiopep - 2 肽可增强药物的血脑屏障穿透能力；纳米载体功能化后可作为特洛伊木马，如脂质体和聚合物纳米颗粒经修饰后用于药物递送；细胞载体则利用免疫细胞等作为运输工具，将治疗药物输送到大脑。
3. 基于聚合物的纳米载体跨越血脑屏障
根据架构不同，聚合物纳米载体可分为生物可降解固体纳米颗粒、纳米凝胶、树状聚合物和自组装纳米颗粒等，它们具有不同的物理化学性质和功能，在跨越血脑屏障运输治疗性生物大分子方面发挥着重要作用。
3.1 生物可降解固体纳米颗粒
生物可降解固体纳米颗粒主要由脂肪族聚酯制备，如聚（ε - 己内酯）（PCL）、聚（乳酸）（PLA）及其与乙交酯的共聚物（PLGA）。这些纳米颗粒具有生物相容性和可降解性，已被广泛用于制备脑靶向药物递送系统，可负载多种货物，如治疗神经退行性疾病的药物、酶、小干扰 RNA（siRNA）等。
PLGA 纳米颗粒等在作为生物大分子纳米载体时具有诸多优势，如商业可得、易于制造、可调节物理化学和机械性质等。其分子量、共聚单体组成和比例会影响聚合物的粘度、溶解度、玻璃化转变温度（Tg）、结晶度和相行为等。无定形基质有助于活性化合物的均匀分布，提高降解速率。在制备过程中，常用的方法有双乳液法和纳米沉淀法，可控制纳米颗粒的结构、物理化学性质和包封效率。
然而，生物可降解固体纳米颗粒也存在一些局限性。例如，降解产生的酸性副产物可能降低局部 pH 值，影响大脑环境和封装生物大分子的完整性；多数聚酯缺乏聚合物主链上的功能基团，限制了进一步的功能化；制备过程中使用的有机溶剂和高剪切应力可能损害生物大分子的活性。此外，目前大多数基于聚酯的纳米载体仍处于实验室规模，临床转化面临挑战。
3.2 纳米凝胶
纳米凝胶是一种柔软的材料，能将治疗性小分子和生物大分子容纳在其三维交联结构中。它具有模块化尺寸、多样的化学组成、可调节的机械和物理化学性质、高吸水性和高生物相容性等优点。
纳米凝胶的响应性可根据目标应用和局部环境条件进行定制，通过使用不同的不稳定化学键，可制备对 pH、温度、氧化还原环境和酶等刺激响应的纳米凝胶。例如，pH 敏感纳米凝胶可在肿瘤细胞附近的酸性环境中释放药物；热敏感纳米凝胶可在体温变化时发挥作用；氧化还原敏感纳米凝胶可在细胞内的还原环境中释放药物。
纳米凝胶在保护生物大分子活性方面表现出色，可作为人工伴侣维持蛋白质的三维结构。为提高纳米凝胶对生物大分子的负载率，开发了多种原位形成纳米凝胶的方法，如 UV 聚合、原子转移自由基聚合（ATRP）等。一些纳米凝胶制剂还显示出在脑靶向药物递送方面的潜力，通过修饰纳米凝胶的表面，如引入两性离子基团、靶向配体等，可增强其对血脑屏障的穿透能力和细胞摄取效率。
尽管纳米凝胶具有诸多优势，但也存在一些问题。例如，其生物降解性有限，可能在体内长时间循环，导致药物在非靶部位释放；对刺激的响应窗口较宽，可能引发不必要的副作用。不过，在治疗神经系统疾病时，血脑屏障的破坏可使纳米凝胶更快地在靶部位积累，且生物大分子作为治疗剂在靶组织外释放的副作用相对较小，因此纳米凝胶仍是治疗中枢神经系统疾病的有前途的聚合物纳米颗粒。
3.3 树状聚合物
树状聚合物（DPs）在脑靶向研究中受到广泛关注，因其具有跨越血脑屏障的能力、高包封效率和易于表面修饰等特点。众多生物大分子，如 pDNA、蛋白质、microRNA 和 siRNA 等，已通过树状聚合物靶向输送到大脑，显示出高脑摄取和积累、快速脑肿瘤消退和高基因表达等效果。
树状聚合物具有树状结构，其中树枝状大分子具有独特的性质，如紧凑的球形拓扑结构、高度对称的结构、明确的分子量、可控的尺寸和高密度的表面功能基团。其合成方法包括收敛法和发散法，但传统合成方法存在一些局限性，如难以获得高分子量结构、多分散性较高、成本较高等。
为实现生物大分子向大脑的高效非侵入性运输，树状聚合物通常会进行修饰，引入静电带电功能基团、靶向配体、荧光染料和增溶剂等。例如，聚（酰胺胺）（PAMAM）是一种阳离子树枝状大分子，其表面的正电荷可用于与基因形成复合物，运输负电荷的货物，但高正电荷密度可能导致细胞毒性。因此，常对 PAMAM 进行修饰以调节其生物相容性。此外，通过修饰树状聚合物表面的靶向配体，可增强其对血脑屏障内皮细胞上特定受体的亲和力，促进跨膜运输。树状聚合物的多价效应也可增强其与细胞的相互作用，促进细胞摄取和血脑屏障的渗透。
3.4 自组装聚合物纳米颗粒
自组装纳米载体是受生物学启发，结合超分子化学和纳米技术制备的，通过分子的自发相互作用形成有序结构。本文重点介绍了三种自组装聚合物纳米载体：基于两亲性嵌段和接枝共聚物的聚合物纳米颗粒、聚合物囊泡和层层（LbL）胶囊。
两亲性嵌段和接枝共聚物在水溶液中可自组装形成聚合物胶束，其具有核 - 壳纳米结构，由生物相容性、非免疫原性和可生物降解的嵌段组成。这些聚合物胶束易于功能化，可通过静脉和鼻内给药实现脑靶向，但实现对特定脑区域的靶向仍具有挑战性。例如，Pluronic? 嵌段共聚物可抑制血脑屏障上的药物外排转运蛋白，增强药物递送。
聚合物囊泡是由两亲性嵌段共聚物形成的合成囊泡，具有比聚合物胶束更复杂的结构和更厚的双层膜，能容纳亲水性和疏水性货物，在癌症纳米医学和药物递送系统中具有优势。一些聚合物囊泡经修饰后可成功跨越血脑屏障，如功能化的聚合物囊泡可通过与特定配体的相互作用，促进其在脑内的递送和积累。
LbL 胶囊通过交替沉积带相反电荷的聚合物在模板上制备，可精确控制表面性质和尺寸，已被用于多种生物医学应用，包括药物和生物大分子的递送。一些 LbL 纳米颗粒经修饰后可有效跨越血脑屏障，如表面功能化的 LbL 纳米颗粒可通过特定机制促进其在脑内的转运和积累。然而，目前对自组装纳米颗粒用于携带生物大分子跨越血脑屏障的研究相对较少，仍需进一步探索不同的配方和表面化学，以充分发挥其潜力。
3.5 其他聚合物载体
基于天然聚合物（如多糖或蛋白质）的纳米颗粒也被探索用于靶向血脑屏障和递送治疗性生物大分子。这些天然聚合物具有生物相容性好、毒性低等优点，其表面的功能基团可用于调节纳米颗粒的物理化学性质，增强生物分子的结合和靶向受体的能力。
- 壳聚糖：壳聚糖（CS）是一种天然阳离子聚合物，具有良好的生物相容性，被 FDA 认定为 “一般认为安全”（GRAS）。CS 纳米颗粒可通过多种方法制备，用于负载多种药物治疗中枢神经系统疾病。其正表面电荷使其对内皮细胞具有高亲和力，可通过吸附介导的内吞作用（AMT）增强脑递送和细胞吸附。通过对 CS 进行修饰，如甲基碘化和烷基甘油基修饰，可提高其性能。此外，CS 纳米颗粒还可与 PEG 结合，并进一步功能化靶向抗体，实现通过受体介导的内吞作用（RMT）进行靶向递送。
- 海藻酸盐：海藻酸盐是一种线性阴离子多糖，具有良好的生物相容性，广泛应用于药物和基因递送等领域。可通过多种方法制备 pH 响应性海藻酸盐纳米颗粒，用于治疗脑退行性疾病、抑郁症等。例如，海藻酸盐与壳聚糖结合可用于递送神经生长因子相关的小肽，促进神经元分化；海藻酸盐纳米颗粒还可用于制备鼻内给药载体，提高药物向脑组织的递送效率。
- 透明质酸：透明质酸（HA）是一种水溶性、生物相容性好的线性多糖，其结构中的功能基团可用于化学修饰。HA 对 CD44 受体具有亲和力，可用于制备纳米载体，用于药物递送和治疗癌症等疾病。例如，HA 与壳聚糖结合可用于递送姜黄素和神经球蛋白，用于治疗 GBM 和中风；多种 HA 修饰的纳米平台已被开发用于抗癌治疗和克服化学耐药性。
- 明胶：明胶在生物大分子向大脑的递送中应用广泛。合成明胶纳米颗粒的方法包括乳化溶剂蒸发、去溶剂化、纳米沉淀和微流控装置方法等。为克服明胶的局限性，常使用交联剂进行处理。通过阳离子细胞穿透肽介导的内吞作用策略，可使明胶纳米颗粒跨越血脑屏障，用于 RNA、生长因子等的递送，治疗缺血性中风、帕金森病等疾病。
- 人血清白蛋白：人血清白蛋白（HSA）常用于改善疏水性药物的溶解性和跨血脑屏障运输能力。药物 - 白蛋白复合物可增加药物稳定性和延长循环时间。HSA 纳米颗粒可通过化学、物理和自组装等方法制备，经功能化修饰后可靶向内皮细胞，增强血脑屏障穿透能力。例如，功能化的 HSA 纳米颗粒可在脑肿瘤模型中有效抑制肿瘤生长。此外，天然配体 / 蛋白质（如 Tf、乳铁蛋白等）修饰的纳米颗粒可通过与内皮细胞上的受体相互作用，改善血脑屏障的跨膜运输。
虽然天然聚合物纳米载体具有许多优点，但也存在一些挑战，如机械强度低、稳定性差、药物泄漏、快速清除、批次间差异和潜在的免疫原性等，在设计用于促进药物跨血脑屏障运输的策略时需要仔细考虑这些因素。
4. 临床翻译
基础和应用神经科学的发展带来了新的技术和治疗干预措施，为克服中枢神经系统疾病带来了希望。生物大分子药物因其能靶向特定途径、减少副作用和实现个性化治疗而受到关注。然而，在将这些药物从实验室研究转化为体内研究和临床应用时，仍面临诸多挑战，如血脑屏障的阻碍导致生物利用度低、临床试验因严重不良反应或疾病进展改善不明显而失败等。
目前市场上的治疗性生物大分子大多为抗体，用于治疗 MS、AD、脑癌等疾病。同时，纳米颗粒在临床应用中的研究相对较少，主要集中在金属纳米颗粒和脂质体。尽管如此，随着生物大分子药物的发展趋势，预计未来聚合物纳米载体负载生物大分子的应用将增加，以克服生物大分子固有的物理化学性质缺陷。目前有多项临床试验正在进行，探索纳米颗粒在治疗中枢神经系统疾病和脑癌中的应用，但仍需进一步研究和开发，以提高其疗效和安全性。
5. 陷阱和未来展望
靶向纳米颗粒在克服血脑屏障方面显示出潜力，但存在在非靶部位积累和释放货物导致全身副作用的问题。鼻内给药作为一种非侵入性给药途径，可绕过肝脏首过代谢，实现药物的快速起效和较高的患者依从性，在脑靶向药物递送中具有潜在应用价值。然而，鼻 - 脑运输的分子和细胞机制仍存在科学争议，需要进一步研究开发临床相关的体外和体内模型，以筛选最有前途的原型药物。
体外模型的发展是当前研究的重点之一。现有的二维模型虽然简单，但在模拟血脑屏障的形态和功能方面存在局限性。微流控技术的应用为开发更符合临床实际的血脑屏障模型提供了可能，通过创建三维环境、共培养多种细胞类型和模拟生理条件，可更好地研究药物的跨膜运输和筛选治疗药物。此外，细胞自组装形成的三维血管架构模型也显示出与体内情况相似的基因表达谱和通透性，为研究血脑屏障提供了新的思路。
聚合物纳米载体的开发目前主要基于试错法，这限制了其从实验室到临床的转化。人工智能（AI）和机器学习（ML）技术的应用为解决这些问题提供了新途径。AI 和 ML 可用于预测递送系统的组成和配方，提高靶向效率。“自动驾驶实验室”（SDL）结合了实验室自动化、机器人技术和 ML 的进步，可加速材料和化合物的发现，为理解高效载体设计的基本方面提供了有前途的方法。此外，AI 和 ML 在中枢神经系统疾病的诊断、药物重新定位和治疗效果预测等方面也有广泛应用，有望改善医疗实践，提高患者护理水平<
