血脑屏障通过限制化合物进入中枢神经系统而维持神经系统内环境的相对稳定，并保护神经细胞免受有害物质侵害。但同时血脑屏障也限制了血液所运载的化合物与正常新陈代谢所必需的营养物质到达中枢神经系统所需的通路。这种严格限制的存在导致药物难以进入中枢神经系统，这成为当前中枢神经系统疾病药物治疗的关键瓶颈。因此，人们研发出了许多提升中枢神经系统内药物浓度的新方法。现就用于提高血液中药物穿透血脑屏障效率的物理方法、药理学方法以及生理学方法研究进展作一综述。
引用本文： 王焱超, 梁锐超, 方芳. 中枢神经系统药物穿透血脑屏障的研究进展. 华西医学, 2015, 30(7): 1351-1356. doi: 10.7507/1002-0179.20150391 复制
血脑屏障分隔了血液和中枢神经系统的观点在100多年前首次由Ehrlich [1]提出，他发现除脑和脊髓外大多数器官可以被静脉注射的染料所染色。目前一般认为血脑屏障由中枢神经系统的连续毛细血管内皮及其细胞间紧密连接、完整的基膜、周细胞以及星形胶质细胞脚板围成的神经胶质膜构成。其中最主要的组成部分是中枢神经系统毛细血管内皮细胞间的紧密连接，其由细胞黏附分子所形成，不同于其他器官的内皮细胞，因为中枢神经系统毛细血管内皮细胞间紧密连接的存在故其表现出能够限制血液与中枢神经系统间的分子运动的特点，即相对不通透性。这一特点为脑与脊髓抵御循环毒物和病原微生物提供了天然屏障，同时中枢神经系统内皮细胞也具有一些备用的转运途径，如窗孔、跨内皮细胞特殊通道、胞饮小泡等，且其高度表达活跃的流出转运蛋白（流出泵），包括p-糖蛋白（P-gp）、多重耐药蛋白-1（MRP-1）、乳腺癌耐药蛋白（BCRP）。此外，血脑屏障还存在着一些有保护中枢神经系统作用的酶，大量表达于具有丰富线粒体和高代谢的内皮细胞内外的降解酶对穿过细胞膜的溶质具有降解作用，从而保护中枢神经系统。
一些具有脂溶性、一定分子质量及电荷的小分子物质能够直接从血液扩散穿越血脑屏障进入中枢神经系统。但是更多的小分子物质（相对分子质量＞500）、蛋白和肽类不能直接穿过血脑屏障。曾有报道指出大约98%的小分子物质和几乎全部的大分子物质（相对分子质量＞1 000），如重组蛋白或者基因药物等都不能穿过血脑屏障[2]。因此，为了进入中枢神经系统，大多数物质必须通过与血管内皮细胞腔面细胞膜上所表达的特殊转运体和（或）受体相互作用从而穿过血脑屏障。目前已知的穿越血脑屏障的机制主要包括以下几种：① 水溶性小分子物质，如氨基酸、葡萄糖以及其他维持神经细胞生存所必需的营养物质，通过血管内皮细胞血管腔面与基底侧上所表达的转运体转运穿过血脑屏障；② 相对分子质量更大的和（或）亲水的物质，如激素、转铁蛋白、胰岛素和脂蛋白利用血管内皮细胞的管腔侧高度表达的特殊受体进行转运，这些受体的作用是介导化合物经过胞吞或跨细胞转运穿过血脑屏障；③ 小的脂溶性分子可经被动扩散穿过血脑屏障进入中枢神经系统内，但其会与形成血脑屏障的血管内皮细胞管腔侧所表达的排出泵（如P-gp、MRP、 BCRP等）接触而被泵出，并且其在穿入中枢神经系统之前会与血管内皮细胞细胞质存在的降解酶接触而被降解。
尽管经过了数十年的研究，如何使药物高效地穿越血脑屏障依然是中枢神经系统疾病药物研发的关键瓶颈。目前主要有3种方法，可使药物穿过血脑屏障并进入中枢神经系统内，即物理方法、药理学方法、生理学方法。以下分别进行讨论。
1 物理方法
1.1 有创性物理方法
有创性物理方法主要包括一些物理性操作技术，如脑室内灌注（ICV）、对流增强给药（CED）、高分子聚合物或微芯片系统植入中枢神经系统直接释放药物。
1.1.1 ICV
Blasberg等[3]曾报道，灌注后在距离脑表面1～2 mm的脑组织内的药物浓度仅为脑脊液中药物浓度的1%～2%，且药物最终会随脑脊液循环进入体循环，而后再跨越血脑屏障进入中枢神经系统。这一结果类似于缓慢的静脉滴注，而非直接进行中枢神经系统内给药[4]，但如果药物的靶受体（如鸦片肽）临近室管膜表面，则在ICV给药后很快可以观察到药物的作用 [5]，其特点为扩散入脑实质的药物量非常少，除非药物靶位点距离脑室很近，故其并非是一种有效的给药方法。
1.1.2 CED
CED的主要原理为在立体定向引导下将小口径导管植入脑实质并通过导管由输液泵将药物泵入，从而使药物能够到达细胞间隙，持续灌注数日后行床旁拔管。较之于药物单纯扩散所仅能达到的数毫米的距离，CED在实验中可以在仅2 h的持续灌注中将高分子质量的蛋白转运入距离注射位点2 cm的脑实质内[6]。成功的CED实施有赖于精确的导管植入及对灌注参数的调节是否恰当。其缺陷在于脑的一些部位很难被溶液达到饱和，特别是脑室周围的渗透组织，且有一定的操作难度[7]。
1.1.3 颅内注射或使用植入物
无论是使用化疗药物的颅内快速浓注还是在肿瘤切除后的空腔内植入化疗药物饱和的、可生物降解的高分子聚合物或微芯片系统，其原理都是通过被动扩散作用使药物渗透入中枢神经系统。Fung等[8]曾观察到在聚合物（含0.5～3.5 mmol/L的卡氮芥；0.2～1.0 mmol/L的紫杉醇）植入猴脑后，立即在距离植入点3 mm处出现高浓度药物，而在植入（含0.4 μmmol/L的卡氮芥；0.6 μmmol/L的紫杉醇）30 d后，相当浓度的药物出现在距离植入点5 cm处。该方法药物在脑内分布依靠被动扩散，药物浓度随距离增加呈指数级下降。若想取得较好效果，必须精确标记注射或植入位置，并同时解决药物在脑实质内扩散能力的相关问题。
1.2 无创性物理方法
该方法可以通过使脑毛细血管内皮细胞间的紧密连接产生裂隙从而打开血脑屏障，为血液中的药物进入中枢神经系统打开通道。目前主要有以下几种技术用于开放紧密连接[9]。
1.2.1 渗透性破坏
通过渗压震扰使血管内皮细胞皱缩从而打开内皮细胞间的紧密连接。如在颈动脉内给入高渗的甘露醇溶液使脑毛细血管内皮细胞皱缩后再给入药物可将脑内及脑肿瘤组织内的药物浓度提升至治疗浓度。
1.2.2 MRI引导的聚焦超声血脑屏障破坏技术
超声波已被证实可以打开血脑屏障。该技术在MRI引导下使用聚焦超声联合微泡（由超声对比剂预先制成微泡，选择其中直径在2～6 μm者在应用超声之前注入血流），当应用超声时，微泡会膨胀和收缩。气泡运动所产生的力导致形成血脑屏障的脑毛细血管内皮细胞暂时分离，使药物到达中枢神经系统。在小鼠模型中这项技术被观察到可以使得脑组织中的曲妥珠单抗浓度提升达50%[10]。
1.2.3 使用缓激肽类似物（RMP-7赛罗帕提，ALKERMES公司）
有证据显示其可以由一些钙介导的机制激活缓激肽B2受体，从而打开脑毛细血管内皮细胞间的紧密连接[11]。但是这项技术由于在第2和第3期实验中与卡铂混合给药时效果不佳而被放弃。必须注意的是，上述技术可能会因血脑屏障的开放而加剧肿瘤扩散，且血液中的某些有害物质可能会使神经元遭到永久性损害。
2 药理学方法
2.1 药物的化学改造
通过对药物进行化学改造穿越血脑屏障的方法是基于观察到如乙醇、尼古丁及苯二氮类等物质可以自由进入中枢神经系统内，这种被动穿过血脑屏障的能力取决于相对分子质量（＜500）、电荷（与氢结合能力弱）以及脂溶性（与脂溶性呈正比）[12]。其方法包括:① 通过药物化学技术用已知对中枢神经系统靶位点敏感的物质改造药物，使药物易于穿过血脑屏障；② 通过化学改造减少药物极性基团的相对数量，从而加强药物通过血脑屏障的能力；③ 利用脂性分子作为载体进行药物的化学改造，脂肪酸类如二十二碳六烯酸与小分子药物结合可以提高药物在中枢神经系统的摄取[13]。
但为达到穿透血脑屏障的目的所进行的药物改造常常同时带来药物应有的中枢活性降低，且通过增加药物脂溶性提高转运的同时会使其成为流出P-gp的底物而加大药物的泵出使穿透血脑屏障的效率降低。
2.2 增加药物在血浆中的溶解度及稳定性而增加其中枢神经系统内分布
将小分子质量的药物加入聚醚胶束可以提升药物的溶解度和稳定性，同时也可以提升药物的药物代谢动力学作用与生物学分布[14]。聚醚胶束现被用作将中枢神经系统药物转运穿过血脑屏障的载体，以及抗肿瘤药物的肿瘤特异性给药载体。双亲性壳聚糖基复合物（相对分子质量＜20×103）在低浓度时会在水溶液中与药物自动组装而产生大小介于100～300 nm的胶束簇。静脉用麻醉药物丙泊酚是它的一种模型药物。有报道使用其制成的糖丙泊酚所获得的催眠时间可达到使用丙泊酚的10倍。且在其注射期末动物已经睡着，以致翻正反射的时间不能被记录，这都表明中枢活性药物的穿过血脑屏障分布的快速与高效[15]。但这些基于特殊纳米粒载体穿越血脑屏障的确切机制尚不明确，且可能存在的机制包括诱导血脑屏障漏出的增加与抑制流出泵，将纳米粒应用于大分子的亲水性治疗药物的效果尚未得知。
3 生理学方法
中枢神经系统需要营养物质及激素等以维持自身代谢及功能，如葡萄糖、胰岛素、生长激素、低密度脂蛋白等，这些物质通过一些特殊的方式穿越血脑屏障进入中枢神经系统，如经特异性受体识别转运或存在特殊转运机制。由于脑毛细血管的间隔距离小（平均40 μm）且灌注率极高，所以几乎每个神经元都由其自身的毛细血管灌注[2]。因此神经活性药物进入中枢最有效的方式是经特殊转运体转运或经某些毛细血管上特异性受体介导的内吞作用。
药物可经改造利用天然营养物质的血脑屏障转运系统进行转运，或与能够特异性识别形成血脑屏障的毛细血管内皮细胞上所表达受体的配体结合，经由受体介导的跨细胞转运而穿过血脑屏障。生理学方法被科学界公认为最有可能成功穿透血脑屏障的方法之一。
3.1 转运体中介转运
肽与小分子营养物质可能利用位于脑毛细血管内皮细胞管腔侧与基底侧表达的特殊转运体转运入中枢神经系统。目前，至少已有8 种不同的营养物质转运系统被确定，其中每一种都可以转运一组结构相似的营养物质。只有高度模拟转运系统底物的药物才会被摄取并转运入中枢。药物可利用载体介导的转运系统进入中枢。使用直接靶向作用于转运体的药物穿越血脑屏障，可以避免将药物改造如与抗体结合[16]。利用血脑屏障转运蛋白如胆碱转运体和氨基酸转运体穿越血脑屏障在一些药物已经成功实现。例如，大分子中性氨基酸载体被用于转运多巴胺代谢前体左旋多巴，这使得帕金森病患者在临床治疗上明显受益，因为多巴胺本身并不能穿透血脑屏障。但利用血脑屏障上的转运蛋白作为中枢神经系统给药的载体，必须考虑很多因素，包括：① 转运药物在动力学上是否可行；② 转运体对配体的结构要求；③ 治疗药物需进行改造从而使得其可以结合转运体，但这个过程必须维持药物在体内的活性；④ 药物分子必须真正转运进入中枢神经系统内而非仅仅与转运体结合。
3.2 受体介导的跨细胞转运
神经系统维持正常生理功能所必需的大分子物质是由特殊受体转运入大脑的。这些受体在形成血脑屏障的脑毛细血管内皮细胞上高度表达。其中包括胰岛素受体、转铁蛋白受体、低密度脂蛋白受体及其相关蛋白等。
受体介导的跨细胞转运主要有以下3个步骤：① 在脑毛细血管内皮细胞管腔端（血液侧）被转运物质被受体介导的胞吞作用所摄取；② 被转运物质穿过脑毛细血管内皮细胞的细胞质；③ 在脑毛细血管内皮细胞的基底端（中枢侧）由胞吐作用排出被转运物质。物质通过跨胞作用穿越有极性的脑毛细血管内皮细胞的确切机制目前尚未被确定。某些因子可能参与了穿越血脑屏障的跨细胞转运并使被转运物质免于被细胞质中溶酶体降解。通过该方法转运药物穿越血脑屏障的方案包括使用特殊配体或抗体修饰药物，靶向作用于血脑屏障上的受体。药物在结合或联合了这些特殊的配体或抗体后经受体介导的跨细胞转运穿越血脑屏障[17]。此外，也可使用经特殊配体修饰的治疗性脂质体给药方法。
3.2.1 转铁蛋白受体给药
转铁蛋白受体的主要作用是为细胞提供铁。目前可使用将药物结合于内源性转铁蛋白或结合于直接作用于转铁蛋白受体的抗体获得靶向作用于转铁蛋白受体的药物。但转铁蛋白在血浆内的高内源性浓度限制了前者的使用，转铁蛋白作为一种细胞铁转运所必须的蛋白，在血浆中以毫克/毫升级的数量出现。运用将药物结合于转铁蛋白受体的抗体的方法给药，具有受体特异性的单克隆抗体与脑毛细血管内皮细胞上的受体结合，并允许其结合的药物部分由受体介导的跨胞作用穿越血脑屏障[18]。对于使用转铁蛋白受体抗体，在小鼠中进行的研究已经设计出了单克隆抗体OX26，其可与转铁蛋白受体的一个确切的抗原表位结合，可被用作中枢神经系统内给药的载体[19]。
人血清白蛋白纳米粒与转铁蛋白或转铁蛋白受体单克隆抗体共价结合用于转运咯哌丁胺穿过血脑屏障。吸附于纳米粒的咯哌丁胺本身不能穿越血脑屏障。其被用作模式药物，运用后可以观察到显著的抗疼痛作用，证实了该方法对增加药物穿透血脑屏障的价值[20]。但该技术在运载大分子药物与其他小分子药物穿越血脑屏障的应用仍需证实。
3.2.2 胰岛素受体给药
曾有报道将胰岛素受体作为中枢神经系统给药的靶位点，使用直接作用于胰岛素受体的抗体进行给药[21]。如使用83-14鼠单克隆抗体作用于人类胰岛素受体，相较于普通静脉注射后3 h每克脑组织0.04%的摄取量，其在猕猴脑组织中显示单克隆抗体总摄取量为4%[22]。作用于胰岛素受体的83-14抗体的嵌合抗体与完全人类化形式都已被制造出来，且实验表明其能够转运一个联合/结合的分子穿过血脑屏障[23]。
通过靶向作用于转铁蛋白受体与胰岛素受体使药物穿越血脑屏障的方法包括抗体或配体包被药物，其具体的方法曾被报道[18]并提出了不同融合方法及结合蛋白种类，包括：舒血管肠肽结合转铁蛋白受体单克隆抗体、脑源性神经营养因子结合人类胰岛素受体单克隆抗体、成纤维细胞生长因子-2结合人类胰岛素受体单克隆抗体、表皮生长因子结合转铁蛋白受体单克隆抗体、淀粉β1-40肽结合转铁蛋白受体单克隆抗体、核酸肽（siRNA）-人胰岛素受体单克隆抗体、β-牛乳糖-转铁蛋白受体单克隆抗体、IDUA-人胰岛素受体融合、神经营养因子-人胰岛素受体融合。但是对于运用单克隆抗体及其特异性受体协助药物穿越血脑屏障的方法，仍然存在着一些问题。比如Moos等[24]提出OX26主要在脑毛细血管内皮细胞浓聚而非在脑实质间隙。通过在动物模型中使用抗转铁蛋白受体单克隆抗体可以证实，尽管在中枢神经系统内总的药物浓度在静脉注射融合分子后较高，但是大多数药物仅与脑毛细血管内皮细胞结合并未进入实质内[25]。由于抗体高度相似，分离抗体的特异性受体也具一定难度。另外，这些受体在外周的高度表达也限制了其中枢神经系统特异性给药的能力，尤其是胰岛素受体抗体，其尚可能增加复合物的额外毒性。
3.2.3 脂质体被靶向分子包被（如抗体）形成特洛伊脂质体（THL）给药
THL可携带非病毒质粒DNA跨越血脑屏障并表达干扰RNA（shRNA）。质粒DNA被包封在约100 nm的脂质体内，再将相对分子质量为2 000的聚乙二醇涂于脂质体的表面。在聚乙二醇最后1%～2%的部分结合受体-特殊单克隆抗体（胰岛素受体或转铁蛋白受体）。含有能够表达酪氨酸水解酶的质粒的转铁蛋白受体单克隆抗体-靶向THL在大鼠的帕金森病模型的治疗中有效。这一方法可被用来运送针对表皮生长因子受体的shRNA并使表皮生长因子受体的表达下降，提高颅内接种脑瘤的小鼠生存率[26]。
3.2.4 低密度脂蛋白受体相关蛋白（LRP）
LRP是一种多功能的、具有胞吞作用的受体。其由多种代谢途径介导配体的内化与降解[27]。LRP是一个多配体的脂蛋白受体，其通过多种细胞质内因子及支架蛋白激活信号转导通路并介导分泌蛋白及细胞固有表面分子（如载脂蛋白E，组织型纤维蛋白溶解酶原激活因子、纤维蛋白溶解酶原抑制因子-1等）的胞吞作用。LRP由4 个假定的配体结合域组成，分别标记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。LRP在中枢神经系统以及多种组织中表达。在小脑，LRP广泛且散在地存在于颗粒细胞层的神经元。在神经元表达的LRP的功能与其他细胞型相似，都结合并介导配体胞吞。在星形胶质细胞LRP也存在中等的表达[28]。LRP在恶性星形胶质瘤中过度表达，尤其在胶质母细胞瘤中过度表达[29]。类似于转铁蛋白受体及胰岛素受体，LRP-1与LRP-2被用作中枢神经系统靶向给药的位点。作为中枢神经系统的给药途径之一，纳米粒跨细胞转运的明确机制目前尚未阐明[30]，并仍存在争议。可能的机制是包被聚氰基丙烯酸正丁酯的聚山梨醇酯80纳米粒在静脉注射后从血流中吸收载脂蛋白E与载脂蛋白B，而后利用LRP穿越血脑屏障[31]。
受体结合蛋白（RAP）可以有效地穿过血脑屏障进入中枢神经系统[32]。RAP位于内质网内，并作为低密度脂蛋白受体家族的分子伴侣，包括LRP-1与LRP-2，其可以促进LRP-1与LRP-2等转运至细胞表面，并避免其与内源性配体相接触[33]。目前将RAP用作药物穿越血脑屏障的载体，可将其与抗癌药物结合给药[34]。
血管肽家族可以高效地利用LRP穿过血脑屏障，被设计为运载药物穿越血脑屏障的新的肽类载体。血管肽类是一个有19 个氨基酸组成其结构域的肽家族[35]，其显示出利用LRP-1[36]高效跨细胞转运的特性。
该技术平台可以用来转运（0.5～150）×103大小的分子（包括抗体），使用氰（Cy）染色荧光cy5.5标记血管肽-2，可以证实标记物质能够非常迅速的穿入脑实质，这可以由在体影像学检查及脑切片荧光分析中测得。在实验中可以发现血管肽-2-cy5.5在注射1 h后清晰地出现在脑实质且靠近脑神经元细胞核[37]。而将血管肽-7的赖氨酸残基替换为不与LRP-1作用的精氨酸时其不会转运入中枢神经系统。另外有数据可以证实在血管肽-2原位脑灌注后其在大鼠脑实质中的转运作用也非常高效，也可以证实之前的结果[38]。目前，血管肽技术已经进行了治疗恶性胶质瘤及脑转移瘤的Ⅰ期临床试验，并取得了很好的效果。
3.3 吸附中介的跨细胞转运（AME）
吸附中介的胞吞（以及跨细胞转运）是由吞噬小泡吞噬带电荷物质。其类似于受体介导的机制，但是并不使用特殊的机制。有着基本的等电点肽类与蛋白质与血管内皮细胞膜接触时，可以诱发吸附胞吞。摄取的肽可由原代培养的牛脑血管内皮细胞通过实验追踪。对肽的稳定的摄取是温度相关性的，而且摄取在丹（磺）酰戊二胺出现时会显著减少。精蛋白与复合左旋赖氨酸，这二者可以中和质膜的电荷从而抑制肽的结合。在培养的牛脑血管内皮细胞实验中分子的C-末端结构及碱性是AME系统摄取最重要的决定因素[39]，而非构成肽的氨基酸数量。以下为该原理的运用。
蛋白转导域，例如反式激活转导蛋白（TAT）、syn-B等，是典型的位于转录因子的氨基酸片段，其允许大分子转运穿过细胞膜。将多柔比星与synB1或synB3载体耦合，可显著加大其中枢神经系统摄取并可以避开P-gp[40]。
运用有生物活性外壳或内核的纳米粒，将TAT分子锚定于其表面，已被成功地合成以用于将药物穿过血脑屏障[41]。环丙沙星是纳米粒转载的模式抗生素。纳米粒表面的TAT可加大其在人类微血管内皮的摄取，TAT-PEG-b-chol纳米粒可以穿过血脑屏障并进入神经元的细胞质中。
运用壳聚糖纳米粒，将其包被多胺与抗淀粉抗体F（ab’）段，可以形成智能纳米载体用于向中枢神经系统转运。但这种方法向脑运载药物数量的效率尚有待证实[42]。
有报道运用来自狂犬病毒糖蛋白的29肽与siRNA混合使siRNA穿越血脑屏障进入中枢神经系统，狂犬病毒糖蛋白可以特异性结合神经元细胞表达的乙酰胆碱受体。而肽复合精氨酸结合siRNA，并加大其在中枢神经系统的分布，这可能通过siRNA介导的吸附胞吞[43]。
但吸附中介的跨细胞转运缺乏组织选择性，静脉给药后可能的血脑屏障破坏导致的毒性加大是限制肽在中枢神经系统使用的重要因素。聚阳离子物质结合血管质膜的负电荷会产生胞吞，在使用纳米粒时可观察到该过程效率不高且可能损伤血脑屏障[44]。
4 结语
目前药物穿越血脑屏障的方法包括直接灌注或注射药物进入脑内、脑室或脑脊液，或使用物理方法打开血脑屏障，但药物在脑实质的分布浓度并不理想。运用转运体转运药物或利用受体跨越构成血脑屏障的内皮细胞能够使药物在中枢神经系统内均匀分布，并可使药物随后均匀迅速地与神经细胞接触。最有前景的技术包括使用生理学方法改造药物从而利用内源性受体给药，以及使用新型材料穿越血脑屏障。目前利用脑细胞所必需的营养物质受体，或者激素受体结合受体的单克隆抗体，血管肽结合LRP-1受体均可以获得较好的跨血脑屏障效果。但目前仍然无一种公认的安全、有效的方法使药物能够完全穿越血脑屏障。
血脑屏障分隔了血液和中枢神经系统的观点在100多年前首次由Ehrlich [1]提出，他发现除脑和脊髓外大多数器官可以被静脉注射的染料所染色。目前一般认为血脑屏障由中枢神经系统的连续毛细血管内皮及其细胞间紧密连接、完整的基膜、周细胞以及星形胶质细胞脚板围成的神经胶质膜构成。其中最主要的组成部分是中枢神经系统毛细血管内皮细胞间的紧密连接，其由细胞黏附分子所形成，不同于其他器官的内皮细胞，因为中枢神经系统毛细血管内皮细胞间紧密连接的存在故其表现出能够限制血液与中枢神经系统间的分子运动的特点，即相对不通透性。这一特点为脑与脊髓抵御循环毒物和病原微生物提供了天然屏障，同时中枢神经系统内皮细胞也具有一些备用的转运途径，如窗孔、跨内皮细胞特殊通道、胞饮小泡等，且其高度表达活跃的流出转运蛋白（流出泵），包括p-糖蛋白（P-gp）、多重耐药蛋白-1（MRP-1）、乳腺癌耐药蛋白（BCRP）。此外，血脑屏障还存在着一些有保护中枢神经系统作用的酶，大量表达于具有丰富线粒体和高代谢的内皮细胞内外的降解酶对穿过细胞膜的溶质具有降解作用，从而保护中枢神经系统。
一些具有脂溶性、一定分子质量及电荷的小分子物质能够直接从血液扩散穿越血脑屏障进入中枢神经系统。但是更多的小分子物质（相对分子质量＞500）、蛋白和肽类不能直接穿过血脑屏障。曾有报道指出大约98%的小分子物质和几乎全部的大分子物质（相对分子质量＞1 000），如重组蛋白或者基因药物等都不能穿过血脑屏障[2]。因此，为了进入中枢神经系统，大多数物质必须通过与血管内皮细胞腔面细胞膜上所表达的特殊转运体和（或）受体相互作用从而穿过血脑屏障。目前已知的穿越血脑屏障的机制主要包括以下几种：① 水溶性小分子物质，如氨基酸、葡萄糖以及其他维持神经细胞生存所必需的营养物质，通过血管内皮细胞血管腔面与基底侧上所表达的转运体转运穿过血脑屏障；② 相对分子质量更大的和（或）亲水的物质，如激素、转铁蛋白、胰岛素和脂蛋白利用血管内皮细胞的管腔侧高度表达的特殊受体进行转运，这些受体的作用是介导化合物经过胞吞或跨细胞转运穿过血脑屏障；③ 小的脂溶性分子可经被动扩散穿过血脑屏障进入中枢神经系统内，但其会与形成血脑屏障的血管内皮细胞管腔侧所表达的排出泵（如P-gp、MRP、 BCRP等）接触而被泵出，并且其在穿入中枢神经系统之前会与血管内皮细胞细胞质存在的降解酶接触而被降解。
尽管经过了数十年的研究，如何使药物高效地穿越血脑屏障依然是中枢神经系统疾病药物研发的关键瓶颈。目前主要有3种方法，可使药物穿过血脑屏障并进入中枢神经系统内，即物理方法、药理学方法、生理学方法。以下分别进行讨论。
1 物理方法
1.1 有创性物理方法
有创性物理方法主要包括一些物理性操作技术，如脑室内灌注（ICV）、对流增强给药（CED）、高分子聚合物或微芯片系统植入中枢神经系统直接释放药物。
1.1.1 ICV
Blasberg等[3]曾报道，灌注后在距离脑表面1～2 mm的脑组织内的药物浓度仅为脑脊液中药物浓度的1%～2%，且药物最终会随脑脊液循环进入体循环，而后再跨越血脑屏障进入中枢神经系统。这一结果类似于缓慢的静脉滴注，而非直接进行中枢神经系统内给药[4]，但如果药物的靶受体（如鸦片肽）临近室管膜表面，则在ICV给药后很快可以观察到药物的作用 [5]，其特点为扩散入脑实质的药物量非常少，除非药物靶位点距离脑室很近，故其并非是一种有效的给药方法。
1.1.2 CED
CED的主要原理为在立体定向引导下将小口径导管植入脑实质并通过导管由输液泵将药物泵入，从而使药物能够到达细胞间隙，持续灌注数日后行床旁拔管。较之于药物单纯扩散所仅能达到的数毫米的距离，CED在实验中可以在仅2 h的持续灌注中将高分子质量的蛋白转运入距离注射位点2 cm的脑实质内[6]。成功的CED实施有赖于精确的导管植入及对灌注参数的调节是否恰当。其缺陷在于脑的一些部位很难被溶液达到饱和，特别是脑室周围的渗透组织，且有一定的操作难度[7]。
1.1.3 颅内注射或使用植入物
无论是使用化疗药物的颅内快速浓注还是在肿瘤切除后的空腔内植入化疗药物饱和的、可生物降解的高分子聚合物或微芯片系统，其原理都是通过被动扩散作用使药物渗透入中枢神经系统。Fung等[8]曾观察到在聚合物（含0.5～3.5 mmol/L的卡氮芥；0.2～1.0 mmol/L的紫杉醇）植入猴脑后，立即在距离植入点3 mm处出现高浓度药物，而在植入（含0.4 μmmol/L的卡氮芥；0.6 μmmol/L的紫杉醇）30 d后，相当浓度的药物出现在距离植入点5 cm处。该方法药物在脑内分布依靠被动扩散，药物浓度随距离增加呈指数级下降。若想取得较好效果，必须精确标记注射或植入位置，并同时解决药物在脑实质内扩散能力的相关问题。
1.2 无创性物理方法
该方法可以通过使脑毛细血管内皮细胞间的紧密连接产生裂隙从而打开血脑屏障，为血液中的药物进入中枢神经系统打开通道。目前主要有以下几种技术用于开放紧密连接[9]。
1.2.1 渗透性破坏
通过渗压震扰使血管内皮细胞皱缩从而打开内皮细胞间的紧密连接。如在颈动脉内给入高渗的甘露醇溶液使脑毛细血管内皮细胞皱缩后再给入药物可将脑内及脑肿瘤组织内的药物浓度提升至治疗浓度。
1.2.2 MRI引导的聚焦超声血脑屏障破坏技术
超声波已被证实可以打开血脑屏障。该技术在MRI引导下使用聚焦超声联合微泡（由超声对比剂预先制成微泡，选择其中直径在2～6 μm者在应用超声之前注入血流），当应用超声时，微泡会膨胀和收缩。气泡运动所产生的力导致形成血脑屏障的脑毛细血管内皮细胞暂时分离，使药物到达中枢神经系统。在小鼠模型中这项技术被观察到可以使得脑组织中的曲妥珠单抗浓度提升达50%[10]。
1.2.3 使用缓激肽类似物（RMP-7赛罗帕提，ALKERMES公司）
有证据显示其可以由一些钙介导的机制激活缓激肽B2受体，从而打开脑毛细血管内皮细胞间的紧密连接[11]。但是这项技术由于在第2和第3期实验中与卡铂混合给药时效果不佳而被放弃。必须注意的是，上述技术可能会因血脑屏障的开放而加剧肿瘤扩散，且血液中的某些有害物质可能会使神经元遭到永久性损害。
2 药理学方法
2.1 药物的化学改造
通过对药物进行化学改造穿越血脑屏障的方法是基于观察到如乙醇、尼古丁及苯二氮类等物质可以自由进入中枢神经系统内，这种被动穿过血脑屏障的能力取决于相对分子质量（＜500）、电荷（与氢结合能力弱）以及脂溶性（与脂溶性呈正比）[12]。其方法包括:① 通过药物化学技术用已知对中枢神经系统靶位点敏感的物质改造药物，使药物易于穿过血脑屏障；② 通过化学改造减少药物极性基团的相对数量，从而加强药物通过血脑屏障的能力；③ 利用脂性分子作为载体进行药物的化学改造，脂肪酸类如二十二碳六烯酸与小分子药物结合可以提高药物在中枢神经系统的摄取[13]。
但为达到穿透血脑屏障的目的所进行的药物改造常常同时带来药物应有的中枢活性降低，且通过增加药物脂溶性提高转运的同时会使其成为流出P-gp的底物而加大药物的泵出使穿透血脑屏障的效率降低。
2.2 增加药物在血浆中的溶解度及稳定性而增加其中枢神经系统内分布
将小分子质量的药物加入聚醚胶束可以提升药物的溶解度和稳定性，同时也可以提升药物的药物代谢动力学作用与生物学分布[14]。聚醚胶束现被用作将中枢神经系统药物转运穿过血脑屏障的载体，以及抗肿瘤药物的肿瘤特异性给药载体。双亲性壳聚糖基复合物（相对分子质量＜20×103）在低浓度时会在水溶液中与药物自动组装而产生大小介于100～300 nm的胶束簇。静脉用麻醉药物丙泊酚是它的一种模型药物。有报道使用其制成的糖丙泊酚所获得的催眠时间可达到使用丙泊酚的10倍。且在其注射期末动物已经睡着，以致翻正反射的时间不能被记录，这都表明中枢活性药物的穿过血脑屏障分布的快速与高效[15]。但这些基于特殊纳米粒载体穿越血脑屏障的确切机制尚不明确，且可能存在的机制包括诱导血脑屏障漏出的增加与抑制流出泵，将纳米粒应用于大分子的亲水性治疗药物的效果尚未得知。
3 生理学方法
中枢神经系统需要营养物质及激素等以维持自身代谢及功能，如葡萄糖、胰岛素、生长激素、低密度脂蛋白等，这些物质通过一些特殊的方式穿越血脑屏障进入中枢神经系统，如经特异性受体识别转运或存在特殊转运机制。由于脑毛细血管的间隔距离小（平均40 μm）且灌注率极高，所以几乎每个神经元都由其自身的毛细血管灌注[2]。因此神经活性药物进入中枢最有效的方式是经特殊转运体转运或经某些毛细血管上特异性受体介导的内吞作用。
药物可经改造利用天然营养物质的血脑屏障转运系统进行转运，或与能够特异性识别形成血脑屏障的毛细血管内皮细胞上所表达受体的配体结合，经由受体介导的跨细胞转运而穿过血脑屏障。生理学方法被科学界公认为最有可能成功穿透血脑屏障的方法之一。
3.1 转运体中介转运
肽与小分子营养物质可能利用位于脑毛细血管内皮细胞管腔侧与基底侧表达的特殊转运体转运入中枢神经系统。目前，至少已有8 种不同的营养物质转运系统被确定，其中每一种都可以转运一组结构相似的营养物质。只有高度模拟转运系统底物的药物才会被摄取并转运入中枢。药物可利用载体介导的转运系统进入中枢。使用直接靶向作用于转运体的药物穿越血脑屏障，可以避免将药物改造如与抗体结合[16]。利用血脑屏障转运蛋白如胆碱转运体和氨基酸转运体穿越血脑屏障在一些药物已经成功实现。例如，大分子中性氨基酸载体被用于转运多巴胺代谢前体左旋多巴，这使得帕金森病患者在临床治疗上明显受益，因为多巴胺本身并不能穿透血脑屏障。但利用血脑屏障上的转运蛋白作为中枢神经系统给药的载体，必须考虑很多因素，包括：① 转运药物在动力学上是否可行；② 转运体对配体的结构要求；③ 治疗药物需进行改造从而使得其可以结合转运体，但这个过程必须维持药物在体内的活性；④ 药物分子必须真正转运进入中枢神经系统内而非仅仅与转运体结合。
3.2 受体介导的跨细胞转运
神经系统维持正常生理功能所必需的大分子物质是由特殊受体转运入大脑的。这些受体在形成血脑屏障的脑毛细血管内皮细胞上高度表达。其中包括胰岛素受体、转铁蛋白受体、低密度脂蛋白受体及其相关蛋白等。
受体介导的跨细胞转运主要有以下3个步骤：① 在脑毛细血管内皮细胞管腔端（血液侧）被转运物质被受体介导的胞吞作用所摄取；② 被转运物质穿过脑毛细血管内皮细胞的细胞质；③ 在脑毛细血管内皮细胞的基底端（中枢侧）由胞吐作用排出被转运物质。物质通过跨胞作用穿越有极性的脑毛细血管内皮细胞的确切机制目前尚未被确定。某些因子可能参与了穿越血脑屏障的跨细胞转运并使被转运物质免于被细胞质中溶酶体降解。通过该方法转运药物穿越血脑屏障的方案包括使用特殊配体或抗体修饰药物，靶向作用于血脑屏障上的受体。药物在结合或联合了这些特殊的配体或抗体后经受体介导的跨细胞转运穿越血脑屏障[17]。此外，也可使用经特殊配体修饰的治疗性脂质体给药方法。
3.2.1 转铁蛋白受体给药
转铁蛋白受体的主要作用是为细胞提供铁。目前可使用将药物结合于内源性转铁蛋白或结合于直接作用于转铁蛋白受体的抗体获得靶向作用于转铁蛋白受体的药物。但转铁蛋白在血浆内的高内源性浓度限制了前者的使用，转铁蛋白作为一种细胞铁转运所必须的蛋白，在血浆中以毫克/毫升级的数量出现。运用将药物结合于转铁蛋白受体的抗体的方法给药，具有受体特异性的单克隆抗体与脑毛细血管内皮细胞上的受体结合，并允许其结合的药物部分由受体介导的跨胞作用穿越血脑屏障[18]。对于使用转铁蛋白受体抗体，在小鼠中进行的研究已经设计出了单克隆抗体OX26，其可与转铁蛋白受体的一个确切的抗原表位结合，可被用作中枢神经系统内给药的载体[19]。
人血清白蛋白纳米粒与转铁蛋白或转铁蛋白受体单克隆抗体共价结合用于转运咯哌丁胺穿过血脑屏障。吸附于纳米粒的咯哌丁胺本身不能穿越血脑屏障。其被用作模式药物，运用后可以观察到显著的抗疼痛作用，证实了该方法对增加药物穿透血脑屏障的价值[20]。但该技术在运载大分子药物与其他小分子药物穿越血脑屏障的应用仍需证实。
3.2.2 胰岛素受体给药
曾有报道将胰岛素受体作为中枢神经系统给药的靶位点，使用直接作用于胰岛素受体的抗体进行给药[21]。如使用83-14鼠单克隆抗体作用于人类胰岛素受体，相较于普通静脉注射后3 h每克脑组织0.04%的摄取量，其在猕猴脑组织中显示单克隆抗体总摄取量为4%[22]。作用于胰岛素受体的83-14抗体的嵌合抗体与完全人类化形式都已被制造出来，且实验表明其能够转运一个联合/结合的分子穿过血脑屏障[23]。
通过靶向作用于转铁蛋白受体与胰岛素受体使药物穿越血脑屏障的方法包括抗体或配体包被药物，其具体的方法曾被报道[18]并提出了不同融合方法及结合蛋白种类，包括：舒血管肠肽结合转铁蛋白受体单克隆抗体、脑源性神经营养因子结合人类胰岛素受体单克隆抗体、成纤维细胞生长因子-2结合人类胰岛素受体单克隆抗体、表皮生长因子结合转铁蛋白受体单克隆抗体、淀粉β1-40肽结合转铁蛋白受体单克隆抗体、核酸肽（siRNA）-人胰岛素受体单克隆抗体、β-牛乳糖-转铁蛋白受体单克隆抗体、IDUA-人胰岛素受体融合、神经营养因子-人胰岛素受体融合。但是对于运用单克隆抗体及其特异性受体协助药物穿越血脑屏障的方法，仍然存在着一些问题。比如Moos等[24]提出OX26主要在脑毛细血管内皮细胞浓聚而非在脑实质间隙。通过在动物模型中使用抗转铁蛋白受体单克隆抗体可以证实，尽管在中枢神经系统内总的药物浓度在静脉注射融合分子后较高，但是大多数药物仅与脑毛细血管内皮细胞结合并未进入实质内[25]。由于抗体高度相似，分离抗体的特异性受体也具一定难度。另外，这些受体在外周的高度表达也限制了其中枢神经系统特异性给药的能力，尤其是胰岛素受体抗体，其尚可能增加复合物的额外毒性。
3.2.3 脂质体被靶向分子包被（如抗体）形成特洛伊脂质体（THL）给药
THL可携带非病毒质粒DNA跨越血脑屏障并表达干扰RNA（shRNA）。质粒DNA被包封在约100 nm的脂质体内，再将相对分子质量为2 000的聚乙二醇涂于脂质体的表面。在聚乙二醇最后1%～2%的部分结合受体-特殊单克隆抗体（胰岛素受体或转铁蛋白受体）。含有能够表达酪氨酸水解酶的质粒的转铁蛋白受体单克隆抗体-靶向THL在大鼠的帕金森病模型的治疗中有效。这一方法可被用来运送针对表皮生长因子受体的shRNA并使表皮生长因子受体的表达下降，提高颅内接种脑瘤的小鼠生存率[26]。
3.2.4 低密度脂蛋白受体相关蛋白（LRP）
LRP是一种多功能的、具有胞吞作用的受体。其由多种代谢途径介导配体的内化与降解[27]。LRP是一个多配体的脂蛋白受体，其通过多种细胞质内因子及支架蛋白激活信号转导通路并介导分泌蛋白及细胞固有表面分子（如载脂蛋白E，组织型纤维蛋白溶解酶原激活因子、纤维蛋白溶解酶原抑制因子-1等）的胞吞作用。LRP由4 个假定的配体结合域组成，分别标记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。LRP在中枢神经系统以及多种组织中表达。在小脑，LRP广泛且散在地存在于颗粒细胞层的神经元。在神经元表达的LRP的功能与其他细胞型相似，都结合并介导配体胞吞。在星形胶质细胞LRP也存在中等的表达[28]。LRP在恶性星形胶质瘤中过度表达，尤其在胶质母细胞瘤中过度表达[29]。类似于转铁蛋白受体及胰岛素受体，LRP-1与LRP-2被用作中枢神经系统靶向给药的位点。作为中枢神经系统的给药途径之一，纳米粒跨细胞转运的明确机制目前尚未阐明[30]，并仍存在争议。可能的机制是包被聚氰基丙烯酸正丁酯的聚山梨醇酯80纳米粒在静脉注射后从血流中吸收载脂蛋白E与载脂蛋白B，而后利用LRP穿越血脑屏障[31]。
受体结合蛋白（RAP）可以有效地穿过血脑屏障进入中枢神经系统[32]。RAP位于内质网内，并作为低密度脂蛋白受体家族的分子伴侣，包括LRP-1与LRP-2，其可以促进LRP-1与LRP-2等转运至细胞表面，并避免其与内源性配体相接触[33]。目前将RAP用作药物穿越血脑屏障的载体，可将其与抗癌药物结合给药[34]。
血管肽家族可以高效地利用LRP穿过血脑屏障，被设计为运载药物穿越血脑屏障的新的肽类载体。血管肽类是一个有19 个氨基酸组成其结构域的肽家族[35]，其显示出利用LRP-1[36]高效跨细胞转运的特性。
该技术平台可以用来转运（0.5～150）×103大小的分子（包括抗体），使用氰（Cy）染色荧光cy5.5标记血管肽-2，可以证实标记物质能够非常迅速的穿入脑实质，这可以由在体影像学检查及脑切片荧光分析中测得。在实验中可以发现血管肽-2-cy5.5在注射1 h后清晰地出现在脑实质且靠近脑神经元细胞核[37]。而将血管肽-7的赖氨酸残基替换为不与LRP-1作用的精氨酸时其不会转运入中枢神经系统。另外有数据可以证实在血管肽-2原位脑灌注后其在大鼠脑实质中的转运作用也非常高效，也可以证实之前的结果[38]。目前，血管肽技术已经进行了治疗恶性胶质瘤及脑转移瘤的Ⅰ期临床试验，并取得了很好的效果。
3.3 吸附中介的跨细胞转运（AME）
吸附中介的胞吞（以及跨细胞转运）是由吞噬小泡吞噬带电荷物质。其类似于受体介导的机制，但是并不使用特殊的机制。有着基本的等电点肽类与蛋白质与血管内皮细胞膜接触时，可以诱发吸附胞吞。摄取的肽可由原代培养的牛脑血管内皮细胞通过实验追踪。对肽的稳定的摄取是温度相关性的，而且摄取在丹（磺）酰戊二胺出现时会显著减少。精蛋白与复合左旋赖氨酸，这二者可以中和质膜的电荷从而抑制肽的结合。在培养的牛脑血管内皮细胞实验中分子的C-末端结构及碱性是AME系统摄取最重要的决定因素[39]，而非构成肽的氨基酸数量。以下为该原理的运用。
蛋白转导域，例如反式激活转导蛋白（TAT）、syn-B等，是典型的位于转录因子的氨基酸片段，其允许大分子转运穿过细胞膜。将多柔比星与synB1或synB3载体耦合，可显著加大其中枢神经系统摄取并可以避开P-gp[40]。
运用有生物活性外壳或内核的纳米粒，将TAT分子锚定于其表面，已被成功地合成以用于将药物穿过血脑屏障[41]。环丙沙星是纳米粒转载的模式抗生素。纳米粒表面的TAT可加大其在人类微血管内皮的摄取，TAT-PEG-b-chol纳米粒可以穿过血脑屏障并进入神经元的细胞质中。
运用壳聚糖纳米粒，将其包被多胺与抗淀粉抗体F（ab’）段，可以形成智能纳米载体用于向中枢神经系统转运。但这种方法向脑运载药物数量的效率尚有待证实[42]。
有报道运用来自狂犬病毒糖蛋白的29肽与siRNA混合使siRNA穿越血脑屏障进入中枢神经系统，狂犬病毒糖蛋白可以特异性结合神经元细胞表达的乙酰胆碱受体。而肽复合精氨酸结合siRNA，并加大其在中枢神经系统的分布，这可能通过siRNA介导的吸附胞吞[43]。
但吸附中介的跨细胞转运缺乏组织选择性，静脉给药后可能的血脑屏障破坏导致的毒性加大是限制肽在中枢神经系统使用的重要因素。聚阳离子物质结合血管质膜的负电荷会产生胞吞，在使用纳米粒时可观察到该过程效率不高且可能损伤血脑屏障[44]。
4 结语
目前药物穿越血脑屏障的方法包括直接灌注或注射药物进入脑内、脑室或脑脊液，或使用物理方法打开血脑屏障，但药物在脑实质的分布浓度并不理想。运用转运体转运药物或利用受体跨越构成血脑屏障的内皮细胞能够使药物在中枢神经系统内均匀分布，并可使药物随后均匀迅速地与神经细胞接触。最有前景的技术包括使用生理学方法改造药物从而利用内源性受体给药，以及使用新型材料穿越血脑屏障。目前利用脑细胞所必需的营养物质受体，或者激素受体结合受体的单克隆抗体，血管肽结合LRP-1受体均可以获得较好的跨血脑屏障效果。但目前仍然无一种公认的安全、有效的方法使药物能够完全穿越血脑屏障。