随着人口老龄化的加剧，中枢神经系统疾病的发病率不断提高。针对中枢神经系统疾病的药物研发成为关注的热点。然而中枢神经系统药物研发的成功率却很低，仅有约8%，其中最主要问题之一就是药物如何有效地通过血脑屏障(blood-brainbarrier，BBB)，血脑屏障(BBB)通过调节物质进出大脑的运输，精确地控制着大脑微环境和神经活动，几乎阻挡了100%的大分子药物及大于98%的小分子药物[1]。因此探讨血脑屏障的结构特点，并通过各种手段提高药物穿越血脑屏障的能力，进入脑组织发挥药效，一直是研究者重点关注的方向。
通过经颅给药、经鼻给药、BBB阻断、内源性BBB转运体等给药的广泛研究正在进行中。本文介绍的几种改善化合物血脑屏障通透性的策略包括：渗透性开放血脑屏障、增加药物的脂溶性、减少氢键供体、简化结构、前药策略、减少主动外排等。
一、血脑屏障的结构特点
血脑屏障(BBB)通过调节物质进出大脑，在维持高度精确的脑微环境中起着至关重要的保护作用。BBB的结构基础是具有紧密连接的脑毛细血管内皮细胞、活跃的外排转运体和主要促进调节超家族蛋白2a(Mfsd2a)，它们共同赋予BBB极低的细胞旁通透性和跨细胞通透性。
紧密的连接封闭了内皮细胞旁的间隙，导致高的细胞跨内皮电阻和有限的细胞旁转运。跨膜紧密连接蛋白包括Claudins蛋白、Occludin蛋白和连接粘附分子，它们都通过膜相关蛋白（如Occludins-1蛋白)附着在细胞内肌动蛋白细胞骨架上。主动外排转运蛋白包括P-糖蛋白(Pgp)、乳腺癌耐药蛋白(BCRP)和多药耐药蛋白（MRPs）。Mfsd2a通过向BBB内皮细胞转运溶血磷脂酰胆碱酯化二十二碳六烯酸，介导独特的BBB内皮脂质组成，以限制小泡介导的跨细胞囊泡的形成。此外，内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞共同组成神经血管单位，并通过分泌多种因子相互作用调节BBB微循环的发育和功能。以上这些特性使BBB不断受到生理和病理因素的动态调节[2]。
图1 血脑屏障的结构基础
二、血脑屏障的转运机制
由于血脑屏障独特的精细结构和高选择性，气体分子如O2、CO2、N2和液体可溶性物质(<400-500DA)可以在BBB上被动扩散。ATP结合盒(ABC)转运体的主动外排限制了药物和外源性物质的进入。由于营养的需要，载体介导的转运(CMT)可以通过与受体结合促进葡萄糖和某些氨基酸的摄取，而受体介导的转运(RMT)可以将胰岛素和转铁蛋白转运到中枢神经系统。大量携带Na+、K+、Cl-、Ca2+等离子的离子转运体与维持脑内离子稳态有关[3]。
图2 通过血脑屏障的潜在机制
三、评价血脑屏障的常用参数
明确了解CNS和非CNS药物之间的物理化学和结构差异可能有助于这两个研究领域。与非中枢神经系统药物相比,氢键、脂溶性和分子大小等理化性质较大地影响化合物的血脑屏障通透能力[4],如：
①中枢神经系统药物脂溶性一般较高,其LogP在2～5之间;
②分子质量通常小于450Da;
③多为中性或弱碱性分子,pKa在7.5～10.5之间;
④较少的氢键供体数目(HBD),一般小于3;
⑤较低的氢键结合能力,△LogP通常小于2;
⑥较低的分子极性表面积(PSA),一般低于90Å2;
⑦多为球形分子,增加支链会降低透过血脑屏障的能力;
⑧分子柔性较低,可旋转键数目少。
许多实验参数常被用来描述候选药物血脑屏障通透能力的不同方面，如：脑内未结合药物与血浆未结合药物的比值（Kp,uu or Cb,u/Cp,u）、脑与血浆中全药浓度的比值 (B/P)、血浆或脑中未结合分数（ƒu）、BBB被动渗透系数（Papp）、外排率 (ER)等[4]。
四、改善化合物透过血脑屏障的策略
1、渗透性开放血脑屏障
颈动脉或椎动脉内灌注25%高渗甘露醇可导致血管扩张，内皮细胞收缩，随后紧密连接松动和分离，导致短暂和可逆的BBB开放。渗透性BBB开放可使药物穿透增加100倍，这一策略已经被转化为临床，以提高脑肿瘤的化疗效率，渗透BBB开放导致的紧密连接打开窗口在人类中可以持续数小时。其他高渗剂也包括阿拉伯糖，内酰胺，生理盐水，尿素和射线造影剂等。渗透性BBB开放通常是非选择性的，不受控制地流入整个脑区，如神经毒性血液成分（如白蛋白），导致水肿、神经毒性、癫痫、失语和偏瘫等[2]。
2、增加药物的脂溶性
脂溶性高的化合物更易透过血脑屏障, 且能较快地达到分布平衡。因此,在改善血脑屏障透过性质时, 可以通过引入脂溶性基团 (如氟、氯)、替换大极性基团等策略增加化合物的脂溶性[5]。
化合物(S)-4(RG1678)是Roche公司报道的第一个选择性GlyT1抑制剂,用于精神分裂症的治疗。向化合物1引入氟后,化合物2的脂溶性及脑通透性均有一定的提高,其cLogP由3.92提高至4.13,B/P由1.10提升至1.15。引入极性的吡啶环时,化合物3的脂溶性下降,cLogP由3.92降为2.82,B/P由1.10降低至0.2;然而,再次引入脂溶性的氟原子,获得了活性和脑通透性质均更好的化合物4。
3、减少氢键供体
化合物5是通过高通量筛选获得的GPR139激动剂,该化合物B/P仅为0.03。采用生物电子等排策略,引入亚甲基替换胺基,减少氢键供体数目,同时规避了易被P-糖蛋白识别的脲结构,得到衍生物6,其B/P值升高到2.8,是化合物5的93倍。
4、简化结构
如化合物7具有较好的mGlu4受体正向变构调节活性,但是其脑通透性较差,B/P不足0.1;而结构简化的合物8和9的脑通透性则大大提高,尤其是化合9的B/P值可达到4.1,有效地改善了化合物的脑通透性。Jones等通过进一步的结构修饰,最终获得活性和脑通透性均适中的化合物10(ML182),用作mGlu4受体正向变构调节剂工具分子,在氟哌啶醇介导的肌肉僵直模型中表现出较好的疗效。
5、前药策略
通过对化合物进行前药修饰是中枢神经系统药物研发的常用策略之一。前药修饰策略通常包括酯化、酰化、酰胺化和拼合等。
图6 化学递送系统示意图
将γ-分泌酶抑制剂11与N-甲基二氢吡啶片段拼合,形成化学递送系统前药12。其给药后,2h脑浓度可达到345ng·g−1,约为化合物41(240ng·g−1)的1.5倍。因此,通过化学递送系统前药修饰, 可以有效改善化合物的脑通透性, 增加了化合物的脑内浓度。
6、减少主动外排
主动外排转运体是血脑屏障的选择性守门人，与紧密连接合作调节物质进出大脑的运输。病理生理过程和药物干预通过增强这些外排转运体的表达和活性进一步加剧外排效应。因此，靶向BBB外排转运蛋白的调节途径是一种有效的脑内给药途径。BBB外排转运蛋白包括Pgp、BCRP和MRPs。尽管其他外排转运蛋白的作用可能被低估，但具有多个结合域的Pgp被认为是最主要的BBB外排转运蛋白。
6.1直接抑制转运体蛋白
Pgp活性可以使用特异性竞争抑制剂直接抑制，如维拉帕米。在体脑微透析技术可直接测定脑内游离药物浓度，以研究药物与Pgp可能的相互作用。例如，通过大鼠脑微透析，已经表明Pgp抑制提高了Pgp底物头孢曲松和塞立昔布的脑浓度。通过小鼠脑内微透析评价，使用吉非替尼调节Pgp可增强拓扑替康在胶质瘤中的渗透[2]。
图8 直接抑制外排转运蛋白策略
6.2含有NH杂环的结构优化
化合物13是Merck公司发现的OX1/OX2双重抑制剂的先导化合物,用于睡眠失调治疗药物的研发。尽管化合物13具有较好的生物活性,但是对其SAR研究发现化合物13和14都是P-糖蛋白的底物,其外排率高达6.8和13。他们通过N-甲基化,封闭了P-糖蛋白的识别的杂环NH,使化合物15和16外排明显下降(ER=2),提高了脑内化合物含量。
五、中枢神经系统药物的化学组成
中枢神经系统药物的关键亚结构元素列于表3。 这些亚结构在中枢神经系统药物中的出现率≥5%。单独的出现率可能对中枢神经系统药物的设计或优化有帮助。表中每个片段在非CNS药物中的出现百分比，可能是有用的次要参数。 在中枢神经系统药物中频繁出现而在非中枢神经系统药物中较少出现的片段可能是一个明确的选择。尽管苯环是中枢神经系统药物的理想选择，但它不可能是唯一的亚结构，因为它需要满足其他物理化学要求，更重要的是它应该与生物靶标有足够的结合亲和力[6]。
六、总结
血脑屏障的存在，使神经系统疾病的药物治疗受到严重的限制。尽管目前提高药物血脑屏障透过率的方法有很多，但都存在不同程度的问题，如安全性、靶向性、组织相容性等，离临床广泛应用仍有一定的距离。随着人们对血脑屏障认识的不断深入以及医药技术的进一步提高，脑靶向给药以及神经系统疾病的治疗一定会取得更大的进展。
相关阅读：
参考文献：
[1]崔冬雪. 改善药物血脑屏障通透性方法的研究进展[J]. 军事医学, 2012, 36(9):3.
[2]Han Liang. Modulation of the Blood–Brain Barrier for Drug Delivery to Brain[J]. Pharmaceutics,2021,13(12).
[3]Zhao Yibin,Gan Lin,Ren Li,Lin Yubo,Ma Congcong,Lin Xianming. Factors influencing the blood-brain barrier permeability.[J]. Brain research,2022,1788.
[4]Di Li,Rong Haojing,Feng Bo. Demystifying brain penetration in central nervous system drug discovery. Miniperspective.[J]. Journal of medicinal chemistry,2013,56(1).
[5]洪玉,周宇,王江,柳红.先导化合物结构优化策略(四)——改善化合物的血脑屏障通透性[J].药学学报,2014,49(06):789-799.DOI:10.16438/j.0513-4870.2014.06.018.
[6]Ghose Arup K,Herbertz Torsten,Hudkins Robert L,Dorsey Bruce D,Mallamo John P. Knowledge-Based, Central Nervous System (CNS) Lead Selection and Lead Optimization for CNS Drug Discovery.[J]. ACS chemical neuroscience,2012,3(1).
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