综述：靶向中枢生物钟的纳米颗粒：在神经系统疾病中的潜在应用

《Advanced Drug Delivery Reviews》：Nanoparticles targeting the central circadian clock: Potential applications for neurological disorders

这篇综述聚焦于神经系统疾病与生物钟（CC）功能障碍的关联。文中探讨了 CC 在神经系统疾病中的作用机制，分析了现有治疗 CC 功能障碍药物的局限。重点阐述纳米颗粒（NPs）增强脑递送的优势，及其在时辰给药系统中的应用潜力，为神经系统疾病治疗提供新思路。

　　

1. 引言

在漫长的进化过程中，生物体为适应昼夜 24 小时的节律变化，逐渐发展出了生物钟（Circadian Clocks，CC）。生物钟就像一个精密的内部时钟，它依据外界的信号，尤其是光照，对众多生物过程进行调控。从维持体温稳定、调节血压，到控制激素分泌和血糖水平，生物钟的影响无处不在。例如，甲状腺刺激激素（TSH）水平的变化会促进休息和活动模式的形成；胰岛素和甘油三酯水平的峰值会跟随进食和禁食的时间表出现；褪黑素则在夜晚分泌，帮助人们进入睡眠状态 。

1984 年，首个时钟基因的发现，为人们理解哺乳动物的生物钟机制打开了新的大门。时钟基因在几乎所有细胞中都有表达，它们通过相互关联的反馈回路，驱动信号通路，形成了细胞自主的外周时钟。而位于下丘脑前部视交叉上核（Supra-chiasmatic Nucleus，SCN）的中枢起搏器，更是整个生物钟系统的核心，它就像一个指挥官，协调着外周时钟，让全身的生理节奏保持一致。

然而，越来越多的研究表明，中枢 CC 起搏器功能障碍与多种疾病的发生和发展密切相关，这使得 CC 成为了极具潜力的治疗靶点。尽管科研人员已经开发出一些用于治疗 CC 功能障碍的小分子药物，像褪黑素受体激动剂、酪蛋白激酶 1（CK1）抑制剂等，但这些药物在临床试验中的效果并不理想。主要原因包括靶点特异性不足、难以穿透血脑屏障（Blood-Brain Barrier，BBB）以及给药时间问题未得到有效解决。

时辰给药，作为一种新兴的治疗策略，通过将药物的给药时间与患者的生物节律同步，在治疗与 CC 相关的疾病方面展现出了良好的前景。而纳米技术的不断进步，尤其是基于纳米颗粒（Nanoparticles，NPs）的药物递送系统（Drug Delivery Systems，DDSs）的发展，更为时辰给药带来了新的机遇。NPs 具有独特的优势，它可以改善药物的靶向性，增强药物穿透 BBB 的能力，优化给药方案，有望更有效地治疗与 CC 相关的疾病。本文将重点探讨基于 NPs 的制剂如何增强生物钟重新同步分子在大脑中的分布和对 SCN 的靶向性，并研究其在时辰定制 DDSs 中的应用潜力，为神经系统疾病的治疗提供新的思路和方法。

2. 中枢生物钟功能障碍

2.1 中枢生物钟功能障碍在神经系统疾病中的表现

在现代生活中，夜间工作、时差反应以及长期暴露在人造光下等情况日益普遍，这些因素都增加了生物钟紊乱、失眠和昼夜节律失调的发生几率。越来越多的证据显示，CC 功能障碍与多种疾病相关，尤其是神经系统疾病，如精神障碍和神经退行性疾病（Neurodegenerative Diseases，NDs）。

在精神障碍方面，CC 功能障碍在重度抑郁症（Major Depressive Disorders，MDDs）、焦虑症和双相情感障碍（Bipolar Disorders，BDs）中起着关键作用。在 MDD 患者中，高达 90% 的人会出现睡眠障碍，并且抑郁症状会随昼夜变化而波动，严重时早晨症状会加重。这背后是 CC 调节的异常，包括基因表达的改变和基因关系的紊乱，这些变化不仅导致了抑郁发作的反复发作，还使得治疗后容易复发。同样，在 BDs 患者中，CC 功能障碍也很明显，相位提前更容易诱发躁狂发作，而相位延迟则倾向于诱发抑郁发作。

对于神经退行性疾病，衰老作为主要的风险因素，常常伴随着 CC 节律的紊乱。老年人睡眠质量下降，睡眠时间缩短、效率降低，夜间觉醒次数增加，白天嗜睡。在阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease，AD）患者中，CC 功能障碍十分常见，高达 66% 的患者在临床诊断前就出现了睡眠障碍，且多表现为相位延迟，这也是日落综合征的一个重要预测指标。此外，AD 患者大脑中淀粉样 β（Aβ）斑块的积累与 CC 功能障碍之间存在双向关系，CC 功能障碍会减少 Aβ 在夜间的清除，而 Aβ 的积累又会导致 BMAL1 的降解，进一步破坏 CC 功能。

帕金森病（Parkinson’s Disease，PD）患者也深受 CC 功能障碍的困扰，约 80% 的患者存在睡眠 - 觉醒障碍，还可能出现血压节律反转、褪黑素水平异常等情况。而且，PD 与快速眼动睡眠行为障碍密切相关，甚至可以作为 PD 的诊断生物标志物。

2.2 生物钟功能障碍的靶点和治疗方法

目前，针对 CC 功能障碍的治疗主要有三类：一是通过行为改变来训练生物钟，恢复正常的进食 / 禁食或睡眠 / 觉醒节律；二是直接针对 CC 的某个成分进行药物干预；三是选择合适的时间给药，以提高药物的治疗效率。虽然行为训练对整体健康有一定的积极影响，但对于严重和慢性疾病，如 NDs，其效果有限，因此开发药物来调节生物钟至关重要。

然而，尽管在临床前研究中，不同类别的药物展现出了一定的效果，但它们在临床应用中的转化却受到了限制。这主要是因为 CC 信号通路十分复杂，导致难以确定最佳的治疗靶点。一些药物缺乏对 SCN 调节因子的特异性，例如 REV-ERB 激动剂，由于其与肝脏 X 受体 α 的非特异性结合，在体内治疗中枢 CC 功能障碍的效果不佳。同时，部分药物的药代动力学（Pharmacokinetic，PK）特性较差，像褪黑素受体激动剂口服生物利用度低，orexin 受体拮抗剂和 REV-ERB 及 VPAC2 调节剂消除速率快，这些都限制了它们的临床应用。此外，药物的配方也面临挑战，一些药物需要特定的给药时间，且不同时间给药效果差异较大，这增加了实验设计和剂量方案确定的难度，也降低了患者的依从性。

3. 用于增强脑递送的纳米颗粒

3.1 血脑屏障的生理学

血脑屏障（BBB）由内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞终足组成，它就像一道坚固的防线，限制了大多数药物进入大脑。BBB 的内皮细胞形成紧密、连续且无窗孔的屏障，阻止分子的自由扩散；周细胞调节内皮紧密连接的表达和脑血流量；星形胶质细胞终足则控制废物清除、脑血流和血管功能。

物质穿越 BBB 主要有三种机制：被动扩散，适用于小的脂溶性化合物、离子、水和气体；主动运输，用于大的亲水性分子；外排转运，通过 ATP 结合盒（ABC）转运蛋白将异物、离子等泵回血液循环。

值得注意的是，BBB 的功能并非一成不变，它与 CC 密切相关，具有昼夜开闭模式。例如，紧密连接蛋白的表面表达会随时间波动，影响组织的通透性；ABC 转运蛋白的表达也会在活动期和休息期发生变化，从而影响废物清除和药物积累。CC 还调节着 BBB 中周细胞对内皮细胞的覆盖，CC 功能障碍会破坏 BBB 的完整性，导致更多神经毒性化合物进入大脑，影响废物清除，这在 NDs 中表现得尤为明显。

3.2 克服血脑屏障的策略

为了让药物能够有效穿透 BBB，科研人员采取了多种策略。一方面，通过修饰药物结构来增强其扩散能力、减少外排并利用载体转运体，但这种方法可能会影响药物的特异性、效力或消除速率。另一方面，发展了多种脑药物递送策略，可分为侵入性和非侵入性两类。

侵入性方法包括局部药物递送和 BBB 开放技术。局部药物递送如鞘内给药或颅内植入，虽可用于治疗危及生命的疾病，但存在痛苦、需要专业医疗设施且有感染、出血等风险，不适合常规治疗 CC 功能障碍相关的神经系统疾病。BBB 开放技术如动脉内注射高渗溶液、聚焦超声联合微泡或热疗等，虽能暂时破坏 BBB 增强药物渗透，但长期安全性数据不足，且存在神经毒性风险。

非侵入性方法则包括鼻内给药和通过血液循环穿越 BBB。鼻内给药可直接将药物输送到大脑，避免首过代谢，与 NPs 结合能进一步增强药物转运，但存在酶降解、黏液纤毛清除和药物吸收变异性等问题。而 NPs 凭借其小尺寸、良好的生物相容性和可调节性，能够改善药物的生物分布、组织穿透和 BBB 穿越能力，成为极具潜力的药物递送载体。

3.3 纳米颗粒到达大脑的机制与挑战

NPs 因其独特的优势，在药物递送领域备受关注。它可以通过被动扩散和主动运输机制穿越 BBB，还能保护药物免受外排机制的影响，提高药物在大脑中的浓度，改善药物的 PK 特性。根据组成材料的不同，NPs 主要可分为聚合物和蛋白质基 NPs、脂质基 NPs 和无机 NPs 三类。

聚合物和蛋白质基 NPs 由天然或合成聚合物或蛋白质合成，具有良好的生物相容性，已获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准；脂质基 NPs 由不同脂质组成，生物相容性好，封装效率高，是 FDA 批准最多的 NP 类别；无机 NPs 则具有独特的物理、电学、磁学和光学性质，可用于药物递送、诊断、成像和光热疗法，但存在毒性和积累问题。

为了提高 NPs 在大脑中的分布效果，需要对其物理化学特性进行精细调控。尺寸方面，小于 10nm 的 NPs 易被肾脏快速清除，大于 200nm 的 NPs 会触发补体系统被脾脏过滤，50 - 100nm 的 NPs 易在肝脏积累，而约 100nm 的 NPs 循环时间较长，更有利于组织外渗。电荷方面，正电荷 NPs 可通过吸附介导的转胞吞作用增强脑穿透，但中性或略带负电荷的 NPs 能减少蛋白质吸附，延长循环时间，增加脑积累。形状上，盘状和棒状 NPs 比球形 NPs 与内皮细胞的接触面积更大，更有利于脑穿透，但这种影响与尺寸有关，需要协同优化。弹性方面，软 NPs 循环时间长，但内皮细胞摄取差，硬 NPs 则相反，需要平衡两者以实现最佳效果。此外，表面修饰能有效减少 NPs 的调理作用，聚乙二醇（PEG）是常用的涂层材料，但因其可能引发免疫原性和过敏反应，科研人员正在探索其他替代材料。

为了进一步提高 NPs 穿越 BBB 的能力，常对其表面进行功能化修饰，连接能与 BBB 内皮细胞上特定受体或转运体结合的配体，触发主动运输机制。常见的功能化基团包括针对转铁蛋白受体（TfR）的转铁蛋白、针对低密度脂蛋白受体（LDL-R）的载脂蛋白 E（ApoE）等。然而，这种策略面临着诸多挑战，如蛋白质冠会覆盖靶向基团，影响其与受体的结合；靶向肽易被蛋白酶降解；靶向 NPs 还需与内源性配体竞争受体结合位点；而且 NP - 靶向制剂的工业化发展面临着可扩展性和功能化复杂性等问题。目前，虽有一些改善策略，但仍需进一步研究优化，以推动靶向 NPs 的临床应用。

NPs 在解决 CC 功能障碍治疗药物的递送和 PK 问题上具有巨大潜力。例如，封装 VPAC2 受体激动剂可延长其循环时间，减少剂量；使用 NPs 能提高 PHD2 抑制剂的脑穿透性，降低治疗剂量，减少外周副作用；还能避免某些 CK1 抑制剂使用可能引发过敏反应的辅料。不过，目前这些药物的纳米封装研究还较少，有待进一步探索。

4. 时辰药物治疗

在治疗 CC 功能障碍时，药物的给药时间至关重要，合适的给药时间不仅能增强 CC 调节效果，还能优化药物在大脑中的分布，减少外周副作用。这是因为药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄等 PK 参数都受到 CC 的调控。例如，药物在胃肠道的吸收会因转运体和外排转运体的昼夜节律表达而呈现时间依赖性变化；药物在中枢神经系统的分布也会随 BBB 通透性的昼夜变化而改变，夜间 BBB 通透性增加，有利于药物进入大脑 。

4.1 及时给药

及时给药是实现时辰给药的常见方法，已在多种与 CC 相关的疾病治疗中得到应用，如高血压、炎症性关节疾病、癌症等。然而，这种方法面临着患者依从性差的问题，尤其是对于多药治疗的患者和慢性病或神经系统疾病患者。此外，定时给药的后勤安排在医疗机构和门诊化疗中也存在困难。

NPs 可以通过多种途径增强药物吸收，改善细胞内穿透和大脑分布，还能调节药物释放曲线，实现持续释放。对于 SCN 相关治疗，目前还不确定褪黑素激动剂是立即释放还是持续释放制剂更有效，需要进一步研究。为了解决夜间给药的困难，脉冲式药物递送系统（Pulsatile Drug Delivery Systems，PDDSs）应运而生，它能在预定的滞后时间后快速释放药物，与 NPs 结合有望改善 CC 靶向化合物的生物分布和给药时间。

4.2 脉冲式纳米药物递送系统

PDDSs 通过模仿人体自然的昼夜节律释放药物，优化了时辰治疗效果。根据触发药物释放的技术不同，可分为三类：与外部信号无关的 PDDSs、由内源性信号触发的 PDDSs 和由外源性信号触发的 PDDSs。

与外部信号无关的 PDDSs 具有预定的滞后时间，其滞后时间由系统自身决定。主要采用渗透、储库和基质系统等技术，可用于口服给药，也可用于 NPs 的时辰递送。目前市场上已有一些基于这些技术的产品，如 OROS?、PULSINCAP? 等。不过，将 NPs 纳入此类 PDDSs 的研究还较少，例如 Particles Uniformly Liquified and Sealed to Encapsulate Drugs（PULSED）系统，利用 3D 打印的 PLGA 微结构实现了药物的长时间释放，但在这方面仍有很大的研究空间。

由内源性信号触发的 PDDSs 能根据疾病相关的生物信号释放药物，实现个性化治疗。例如，利用 pH、氧化还原或分子信号等化学信号，开发响应性 NPs。pH 响应性 NPs 可根据胃肠道、皮肤和泌尿系统等部位的昼夜节律 pH 变化释放药物；氧化还原信号可在肿瘤细胞等氧化环境中触发药物释放。此外，温度虽与 CC 同步，但由于人体温度变化幅度小且易受多种因素影响，不太适合作为触发信号。未来，开发响应 CC 信号（如褪黑素或皮质醇水平）的 PNDDSs 可能为治疗开辟新途径，但需要先建立有效的 CC 评估方法。

由外源性信号触发的 PDDSs 能精确控制药物释放时间，患者可远程控制，有望提高患者依从性。例如，胰岛素泵可根据患者需求编程给药，未来还可扩展到其他治疗领域。热诱导药物递送通过局部热疗增强药物在肿瘤和大脑等组织中的分布和释放，但可能对周围组织造成热损伤，需要进一步优化。光触发 PDDSs 可实现按需、顺序性药物释放，但目前依赖的 UV 光组织穿透性有限，且难以实现脉冲式释放，主要应用于眼部治疗。

总之，NPs 单独或与 PDDSs 结合，在治疗与 CC 功能障碍相关的神经系统疾病方面具有显著优势。NPs 可优化药物的物理化学性质，实现靶向递送和精准的药物释放调控。但目前将 CC 靶向药物、NPs 和时辰给药相结合的研究还比较缺乏，需要更多的创新和深入研究，以充分发挥其在临床治疗中的潜力。