黑磷在中樞神經系統疾病中載藥的應用

趙文昕 綜述 孫挺 審校

1.暨南大學口腔醫學院，廣東 廣州 510632；

2.佛山科學技術學院附屬口腔醫院·佛山市口腔醫院，廣東 佛山 528000

神經系統疾病是全球致殘最主要的原因，也是全世界第二大死亡原因[1]。然而，由于血腦屏障的阻礙，針對中樞神經系統疾病的藥物難以發揮預期的臨床療效。隨著納米醫學的發展，許多納米載體被發現可以通過功能化穿越血腦屏障，從而實現將藥物靶向運輸到中樞神經系統[2]。黑磷是一種繼石墨烯后新興的二維納米材料，出色的光學吸收能力、較大的比表面積、良好的生物相容性及生物降解性賦予了其在生物醫學領域一定的應用前景。近年來的研究表明，黑磷在穿越血腦屏障方面有著獨特的優勢，這意味著黑磷在神經系統疾病的治療中具有極大的潛力。現就黑磷作為藥物載體在中樞神經系統疾病中的應用研究予以綜述。

1 黑磷及其性質

黑磷(black phosphorus，ΒP)是一種新興的二維納米材料，它是白磷和紅磷之外的磷單質的另一種同素異形體，也是其中最穩定的一種形態[3]。黑磷為片層狀結構，與石墨烯不同，黑磷同一層內的原子并不在同一平面上，而呈一種蜂窩狀的褶皺排列。層內P 原子與周圍的3個原子通過3p雜化軌道相連，s-p軌道雜化使得褶皺層狀結構十分穩定。層內原子之間由較強的共價鍵相連，層與層之間靠較弱的范德華力連接。因此，黑磷很容易被剝離為單層或超薄的納米片[4]。黑磷獨特的褶皺結構使它展現出有別于其他二維納米材料的優異性質。然而，黑磷在含有水和氧氣的環境中會很快地降解，這一特性是黑磷在實際應用中最大的障礙。這是因為黑磷納米片表面有孤對電子，氧與黑磷表面磷原子的長電子對反應形成的磷酸鹽可被水分子快速地溶解，溶解的磷酸鹽從黑磷表面解離，導致黑磷重新暴露于環境中繼續氧化過程[5]。此外，光也是影響黑磷降解性的另一重要因素，研究表明光可以加速黑磷在周圍環境中的降解。總之，黑磷的降解速率受到水、氧氣、光的共同調控，并與黑磷的厚度呈反向相關，越薄的黑磷納米片降解越快。生理環境是一種富含有水、氧及其他很多生物分子的復雜環境，這對于黑磷在體內的應用十分不利。但從生物相容性的角度來看，黑磷的降解產物為對人體無害的磷酸鹽和水，這意味著黑磷可以在體內無毒地降解[6-7]。與其相比，大多數二維納米材料因不易降解，在體內積累，容易產生系統毒性。因此，無毒的生物降解性賦予了黑磷更高的生物安全性與應用潛力。總體而言，黑磷出色的光學吸收能力、較大的比表面積、良好的生物相容性及生物降解性使其在生物醫學領域表現出極大的應用前景。目前，黑磷已被廣泛地應用于骨組織再生、抗菌及腫瘤治療等領域。此外，黑磷還具有穿透血腦屏障的能力，這使其可能成為新一代的治療中樞神經系統疾病的藥物載體。

2 黑磷作為藥物載體在中樞神經系統疾病中的優勢及應用

2.1 黑磷穿越血腦屏障(blood-brain barrier)的優勢 血腦屏障是大腦和血液循環化合物之間的一道重要屏障。它由腦毛細血管內皮及其細胞間的緊密連接、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。它將血漿中的神經毒性物質、細胞和病原體排除在大腦之外，從而保持腦組織內環境的基本穩定。ΒΒΒ 的存在對維持中樞神經系統正常的生理狀態具有重要的生物學意義，同時，它也為藥物進入大腦設置了壁壘，這對神經系統疾病的治療提出了巨大的挑戰[8-9]。雖然已有許多藥物被研發來對抗中樞神經系統疾病，但由于無法有效穿過ΒΒΒ、生物學穩定性差、降解速度快、釋放不充分、藥代動力學特性不佳等問題，大多數傳統藥物未能在臨床應用中發揮顯著療效[10]。隨著納米醫學的迅速發展，各種納米載體被開發來保護和靶向運輸這些藥物分子。納米載體具有分子量小、載藥率高、易于改性、可以通過不同的途徑跨越ΒΒΒ等優點，已被廣泛應用于腦靶向的藥物運輸[11]。但目前仍需要解決一些挑戰：(1)納米載體的生物降解和生物相容性是生物醫學應用的關鍵因素，可直接決定其臨床轉化進展。(2)設計載藥量高、加工簡單，可控釋放的藥物載體是一個重大的挑戰。過于繁瑣的功能化方式不但會提高藥物的成本，也進一步限制了其在臨床上的應用。此外，理想的納米藥物載體除了需要對所負載藥物具有較強結合作用外，還需要具有在靶向病理區域可控釋放藥物的能力。(3)功能性納米載體應盡量避免被免疫系統吸收。當納米粒子進入血液循環時，它們的外表會和血液中許多種類的蛋白質發生非特異性的相互作用，形成一個生物分子冠稱為蛋白冠，其會進一步激活免疫系統中的免疫細胞，包括單核細胞和巨噬細胞，隨后誘導納米粒子的吞噬和清除。因此，當前開發出適合用于中樞神經系統疾病藥物運輸且具有臨床轉化價值的功能性納米載體迫在眉睫。得益于其褶皺狀的結構，單層及少層黑磷納米片具有比平面二維納米材料更高的比表面積，這一性質賦予了黑磷納米片更高效載藥的能力。此外，黑磷無毒的生物降解性，生物相容性，可控性的藥物釋放能力使其被廣泛的開發作為藥物載體用于骨組織再生和腫瘤治療等領域[12-13]。最近的研究表明，黑磷在靶向中樞神經系統的藥物運輸方面，也表現出令人滿意的結果。通常，納米載體穿過血腦屏障的方式包括：胞旁和胞外的擴散轉運、轉運蛋白介導的轉運、受體介導的轉運、吸附介導的轉運和細胞介導的轉運[12]。然而，與其他常見的二維納米材料需要復雜的功能化及修飾才能穿過血腦屏障相比，黑磷基納米載體通過光熱效應可逆性地打開血腦屏障緊密連接的性能為其成為中樞神經系統疾病藥物運輸的功能性納米載體奠定了無可比擬的基礎。它不但能夠在無修飾的情況下跨越血腦屏障，同時兼具無機材料特有的高效載藥性及生物材料的無毒的降解性[14]。因此，黑磷已經成為靶向中樞神經系統疾病藥物運輸研究的新興材料。大量的研究表明，腦部局部高溫可以暫時性的增加血腦屏障的通透性[15-16]。黑磷納米片具有優異的光熱轉化效應，在NIR 輻照下，黑磷可產生局部高溫，提高ΒΒΒ 的滲透率。CHEN等[14]的報告表明，在808 nm激光照射3 min后，無黑磷的溶液溫度僅升高了4°C，而黑磷溶液的溫度增加了23°C。之后，以bEnd3 單層細胞作為體外ΒΒΒ模型，對黑磷納米片提高ΒΒΒ滲透性的可行性進行了調查。與沒有激光照射的組相比，在NIR 輻照后，從上腔轉移到下腔的黑磷納米片的百分比顯著增加了6 倍，這表明黑磷納米片的光熱效應提高了ΒΒΒ的滲透率。同樣地，在體內研究中，埃文斯藍色染色和NIR 熒光成像技術的結果都表明黑磷納米片的光熱效應提高了ΒΒΒ的滲透性。

2.2 黑磷作為藥物載體在中樞神經系統疾病治療中的應用 最近，已有一些基于黑磷的納米材料作為藥物載體被研發用于中樞神經系統疾病的治療。例如，JIN等[17]設計了一種基于黑磷的藥物遞送系統，并證明了它對抑郁癥的治療效果。以經典抗抑郁藥物氟西汀(Fluxetine，Prozac)為模型藥物，通過靜電效應與黑磷相結合。隨后的實驗結果表明：Flu 以700%的載藥量成功地被加載到黑磷表面。在近紅外光照射30 min 后，近90%的Flu 可以被釋放。兩周后，與NIR-ΒP 組及ΒP-Flu 組相比，ΒP-Flu-NIR 組小鼠抑郁癥樣的行為得到了極大緩解。值得注意的是，經過四周的治療后，Flu 和ΒP-Flu-NIR 組都顯示出預期的抗抑郁作用。這表明ΒP-Flu-NIR 的應用大大縮短了抑郁癥的治療時間。此外，ΒP基納米載體還表現出良好的生物相容性。典型器官(例如心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟)的蘇木精-伊紅染色結果表明：在治療4周后未觀察到明顯的靶器官損傷。通過檢測P元素在小鼠體內的生物分布，研究者發現未經808 nm激光照射組的黑磷主要沉積在腦和肝內，而ΒP-Flu-NIR 組在治療后，黑磷幾乎完全排出體外。這進一步表明：在NIR 的輔助下，黑磷可以迅速從小鼠體內排出。這項研究表明黑磷除了具有優異的藥物負載能力及良好的生物相容性外，與其他材料相比，還具有在NIR照射下可控釋放藥物及無毒性降解的能力。在另一項研究中，黑磷基納米載體的腦藥代動力學行為得到了分析。XIONG等[18]利用含有腦靶向配體乳鐵蛋白(Lf)的黑磷納米片及芍藥苷(Pae)構建了Lf-ΒP-Pae 納米復合物。其中，乳鐵蛋白(Lf)可以作為一種強效的腦靶向配體，使該納米復合物可以通過腦毛細血管內皮細胞的胞飲作用穿過血腦屏障來靶向治療帕金森綜合征。實驗結果表明：Lf-ΒP-Pae+NIR組小鼠腦內Pae濃度在尾靜脈給藥4 h 后達到峰值。與Pae 組相比，Lf-ΒP-Pae+NIR組小鼠腦內藥物最大濃度增加約2.25 倍，腦中藥物半衰期升高至(4.09±0.20)h，是Pae組的3.82倍。這些數據表明Lf-ΒP-Pae 納米平臺顯著提高了Pae 的生物利用度。總而言之，黑磷作為靶向中樞神經系統的藥物載體，其優勢主要表現在3方面：(1)超強的藥物負載與控釋能力；(2)良好的生物相容性與無毒的生物降解性；(3)穿透血腦屏障的能力。因此，黑磷有希望成為新一代靶向中樞神經系統藥物運輸的功能性納米載體。

2.3 當前面臨的挑戰 黑磷在進入實際應用之前，仍需克服許多挑戰。通常而言，降解性是黑磷在實際生產與應用中最常見的問題，然而關于黑磷的鈍化政策已經得到了廣泛的研究，在此不再贅述[19-21]。除此之外，黑磷作為腦靶向藥物載體，還有以下一些問題需要解決：黑磷的非活性表面使得其改性較為困難，限制了其載藥的方式。因為黑磷在水中帶負電，因此只有帶正電的藥物分子可以通過靜電相互作用被加載于它的表面或者通過聚合物包裹藥物。另外，黑磷的表面電荷在跨越血腦屏障的過程中起著矛盾的作用。研究表明，納米粒子表面帶陽性電荷更有利于其跨越血腦屏障，因為內皮細胞上具有與其互補的負電荷。然而與陽性納米顆粒相比，陰離子或中性的納米顆粒的毒性更低，體內循環時間更長[22-24]。此外，黑磷基納米材料作為一種外源性藥物傳遞系統，很容易被免疫系統識別。這對幾乎所有的納米載體來說都是一個巨大的挑戰。當納米粒子進入血液循環時，血液中許多種類的蛋白質會非特異地吸附在其表面，形成一個蛋白冠，蛋白冠的存在會進一步吸引免疫細胞，包括單核細胞和巨噬細胞的注意，隨后誘導吞噬和清除[25-26]。目前，克服單核吞噬細胞系統吸收的主要策略是用親水性聚合物覆蓋納米粒子的表面[27]。例如，聚乙二醇化可以減少納米粒子與蛋白的相互作用。在許多用于癌癥治療的黑磷納米載體中，ΒP-PEG已被證明在延長血液循環時間、提高血清穩定性、降低免疫原性和防止與非靶細胞的相互作用方面取得成功[28]。此外，仿生納米材料的開發也越來越受到腦靶向藥物運輸領域的重視。例如，LUO等[29]設計了一種基于間充質干細胞(MSC)的聚乳酸-羥基乙酸/黑磷量子點(PLGA/ΒPQDs)納米復合物，用于膠質瘤的靶向光熱治療。實驗結果表明：與其他組相比，MSC PLGA/ΒPQD組具有更高的腫瘤內藥物濃度和更長的體內藥物循環時間。類似地，使用一些天然的囊泡，如脂質體、外泌體、紅細胞膜等包裹納米載體也可以幫助其逃離免疫系統[30]。

3 展望

由于血腦屏障的存在，中樞神經系統疾病的藥物治療一直是一個難點。近年來隨著生物納米技術的發展，許多納米材料被開發作為藥物載體來穿越血腦屏障。黑磷作為一種新興的二維納米材料，其優異的藥物負載能力、穿透血腦屏障的能力及良好的生物降解性使其有希望作為新一代靶向中樞神經系統的藥物運輸載體。但對于黑磷基納米材料靶向中樞神經系統的具體機制及影響因素，仍需更多研究深入探討，為開發新一代的腦靶向黑磷基藥物運輸平臺提供參考。