医学工程论文
科学家们正在运用分子生物学工具撬开人体内最后的生物化学屏障———血脑屏障。哪种方法是最成功的，或许取决于哪种类型的分子进入大脑……故事已经发生，请开卷一览。当神经学家赖安·瓦特斯（Ryan Watts）在谈论受体介导穿胞作用时，就像一位乐团指挥一般描述着他最喜欢的音乐篇章。 对他来说，分子在受体辅助囊泡运输下穿越细胞膜是一种艺术形式，更重要的是，它是一种进入大脑的方式。
2004 年，瓦特斯在制药公司基因泰克组织了一个项目小组，针对一种与阿尔兹海默氏症相关的大脑血小板组分 β 淀粉状蛋白抗体进行研发。 不久后， 瓦特斯与以前的许多同行一样受到了挫折：抗体被血脑屏障捕获。 血脑屏障是位于大脑毛细血管内皮细胞之间的紧密连接网状结构，其功能是预防外来粒子进入大脑。
事实上，抗体是可以进入大脑的，只是效率不高而已。在每 1 000 个注射的血液抗体中，只有一个可以找到进入大脑的途径———可能是不经意间滑入穿越屏障的囊泡内。 不幸的是，浓度上的反差使研究人员无法研发有效的治疗药物，因为使用更高的剂量会导致对人体其他部位的有害后果。瓦特斯说：“我们需要一种使更多抗体进入大脑的方法。 ”
一些微小的脂溶性药物只要借助细胞膜扩散作用就可以进入血脑屏障，其他的如咖啡因通过特异化的输送蛋白也可以进入血脑屏障。然而，许多大分子如抗体和酶，就不能进入，除非通过外力，用针或导管将其穿刺入血脑屏障。 但是，这样的方法经常会导致危险的并发症， 比如感染和组织损伤。为此， 瓦特斯和生物化学家马克·丹尼斯（Mark Dennis） 设计了一种使抗体穿越血脑屏障的方案――受体介导穿胞。 他们的成功使神经学家们为之一惊，同时也引起了制药界的注意，都希望了解这种破入血脑屏障的新方法。
蒙特利尔 AngioChem 生物技术公司的 CEO 吉恩－保罗·卡斯泰因（Jean-Paul Castaigne）说：“两年前，如果你谈到血脑屏障，就会听到‘唉，又是一次失败。 ’但在今天，我们正在看到巨大的改变，按惯例，一个人成功了，其他人就会跟进。 事实上，基因泰克的早期成就已经打开了一道道闸门。 这些天来，大量公司和学术机构设计了各种创新性的、或稀奇古怪的方法试图打开进入大脑的窗户，他们的目标很明确：向大脑输送药物，治疗阿尔兹海默氏症、帕金森氏症和许多目前非常棘手的与大脑有关的疾病。
颅骨上的“雪橇”为了治疗阿尔兹海默氏症，瓦特斯和丹尼斯设计将抗体的一条臂与血脑屏障内皮细胞上的铁传递蛋白受体结合 (这种受体一般是用来传递铁的)。一旦进入大脑，抗体的第二条臂就与一种加工 β 淀粉样蛋白前体的 β 分泌酶（BACE1）结合并抑制其作用，从而切断有害蛋白质片断的生产。但是，他们设计用来与铁传递蛋白结合的第一条臂并没有穿越屏障，抗体被血脑屏障毛细血管所捕获，到达大脑却不能从受体上自由分离完成其治疗任务。 就如同缆车将游客运送到滑雪场坡顶，游客却不能跳下缆车一样。
瓦特斯和丹尼斯怀疑问题可能出在抗体对铁传递蛋白受体的高亲和力上，于是试着降低抗体的亲和力，结果这种策略奏效了。 如今，基因泰克作为罗氏集团的一员，正在对双臂抗体进行灵长类动物模型研究，瓦特斯希望尽快将该治疗方法推进到临床试验。
AngioChem 公司也在寻找透过血脑屏障的方法。 与靶向铁传递蛋白受体不同的是, AngioChem是利用血脑屏障内一种称为脂蛋白受体相关蛋白(LRP-1)的受体通过血脑屏障。 通过分析多种 LRP-1 分子的配基，该公司鉴定出一种由 19 个氨基酸组成的序列，可以指导将药物“邮寄”到目的地。 现在，该公司正在将这一序列加入到蛋白和治疗药物上，用于穿越 LRP-1 之门进入大脑。荷兰生物技术公司 to-BBB 则采用了另外一种受体方法：将药物埋藏在脂质小体内，然后用谷胱甘肽分子将脂质小体伪装成一种三枝叶形状的肽分子，在运载蛋白引导下快速地吸收进入大脑。 该公司一种基于脑癌治疗的常用化疗药物 doxoru-bicin， 最近进入了二期临床试验 ， 同 时还在积极研究多发性硬化症和中风的治疗药物。
开启另一个窗口波士顿哈佛/麻省眼耳科医院的窦外科专家本杰明·布莱尔（Benjamin Bleier），经常通过鼻腔手术切除大脑肿瘤：在大脑衬里切开一个小洞，穿破血脑屏障内的血管网和脑脊液屏障两层壁垒。 经过七年不断的优化， 布莱尔已经建立了一种圆融技术，即通过病人自己的鼻衬里覆盖了洞口。
同时， 结合通过鼻腔向脑部输送药物的研究，布莱尔了解到鼻衬里对药物是高度可渗透的，许多局部气溶胶治疗药都是通过鼻腔输送到血流中，包括疼痛治疗药和眩晕治疗药，甚至包括胰岛素。 “我们已经拥有了渗透屏障的能力，可以通过这种方式使药物穿过屏障直接进入大脑，”他说，“本质上，我们已经在血脑屏障里面开启了一个窗口，难道我们就不能用来治疗大脑其他的疾病？ ”
在一篇循证研究论文中，布莱尔和同事在小鼠身上进行了鼻外科手术，然后将 500 千道尔顿分子量的药物通过鼻衬里输送，这个量比穿过完整血脑屏障的分子大 1 000 倍。目前，他们正在患帕金森氏症的小鼠模型实施了同种方法，输送了一种运动神经元疾病的实验性治疗药物。
在血脑屏障上“戳个洞”会将大脑暴露在感染的风险之下？ 面对种种疑问，布莱尔认为，鼻衬里本身具有很多可以抵御入侵物的免疫细胞， 包括鼻衬细胞膜可以将渗入细胞的毒素泵出去。 “它是一种非常活跃的屏障，不仅仅是一种栅栏。 ”事实上， 外科医生们已经用鼻衬里修复进入大脑的外科切口多年了， 病人并不会术后患上脑膜炎或其他大脑感染疾病， 这种技术有显著的安全痕迹记录。
穿越血脑屏障在纽约城的哥伦比亚大学， 生物工程师埃丽莎·科诺法巩（Elisa Konofagou）正在利用现有的超声波和微泡技术展开血脑屏障的研究 （微泡，由脂质外壳和气体内核组成，被注入血流后用声微激发其扩散和融合）。 快速的超声波脉冲可以对某种器官如心脏进行成像，而较长的超声波脉冲已经作为癌症的一种治疗方法被用来摧毁肿瘤组织。
2012 年，科诺法巩观察到微泡运动产生的力会导致血脑屏障的内皮细胞暂时分离，铸成一种随时开放的可渗透屏障，她说：“如果计算好脉冲数和压强，药物便可以在屏障关闭前进入。 ”在实验室，她运用这种方法将脑源性神经营养因子（BDNF）输入小鼠大脑，导致小鼠下丘脑神经元吸收药物并激活下游信号通路。 科诺法巩希望这一疗法在未来的两年内进入临床试验。
在穿越血脑屏障技术创新研究方面， 约翰·霍普金斯大学的纳米医学研究者 R·坎南（R.Kannan）和苏加莎·坎南（Sujatha Kannan），针对大脑麻痹或阿尔兹海默氏症等导致血脑屏障受损症状，开发了一种微小的树状合成纳米粒子（树突粒子，每个大约为 4 纳米），用于上述疾病的治疗。
出于一些未知的原因，这些粒子能够在大脑内移动并到达被激活的炎症细胞。 在 2012 年的一篇论文中，他们将树突粒子粘贴在一种称为 N 乙酰 L半胱氨酸（NAC）上，成功地对兔大脑麻痹模型进行了治疗———兔模型在协调和运动控制方面大有改善，最近达到了健康控制的运动技能水平。
为使较大的药物分子进入大脑，台湾大学的一个研究小组通过聚焦超声波连接，证明了一种常用的抗凝剂肝素可以改善分子穿越大脑屏障时的输送质量。 在辛辛那提儿童医学中心，研究人员将脂肪性蛋白质载脂蛋白（apoE）碎片粘贴在血脑屏障内皮细胞上的脂肪受体上，同时将一种酶输入小鼠的神经元，缓解了其溶酶体贮存性疾病，尽管只是平息了相关综合症。 在约翰·霍普金斯医学院，分子生物学家们证明，一种在大脑血管排列中起重要作用的小卷发蛋白 4（frizzled-4，位于血脑屏障内皮细胞表面的蛋白质）， 在突变后导致被戳破的血脑屏障成为一种不破坏整体的屏障。
故事还在延伸。 哪种方法是最成功的，或将取决于什么类型的分子进入大脑。 瓦特斯说：“这是一片肥沃的土地，有大量很酷的事情正在发生，我能成为这一领域中的一员，真是其乐无穷。 ”