脂质和聚合物纳米载体用于小干扰RNA向大脑递送 - 创新药物

亮点

•小干扰RNA向大脑递送受限于其不稳定性及血脑屏障。
•封装小干扰RNA的纳米载体是脑部药物递送的有前景平台。
•延长循环时间和表面工程可提高纳米载体将小干扰RNA递送入脑的能力。
•仿生混合纳米载体与聚焦超声结合，对高效血脑屏障小干扰RNA递送展现出巨大潜力。

摘要

脑部疾病是指任何损害大脑正常功能的病理状况。这些疾病主要包括神经退行性疾病、脑损伤和恶性肿瘤。研究人员已探索了多种治疗方法来应对这些疾病，近年来基因调控因其能够解决疾病根本原因的潜力而备受关注。一种有前景的方法是将小干扰RNA用作脑部疾病的治疗剂。大多数关于小干扰RNA向大脑递送的临床前研究都采用了侵入性颅内方法来靶向特定脑区，这给临床转化带来了重大挑战。颅内递送途径相关的挑战突显了对更安全、更实用和患者依从性更高的替代方案（如系统性递送）的需求。然而，系统性小干扰RNA递送面临障碍，这是由于其在循环中的固有不稳定性以及血脑屏障(BBB)的限制性。纳米载体已成为克服这些挑战的有前景策略。这些纳米载体可以由各种天然、合成或生物材料制成，其中聚合物和脂质因具有生物相容性、易于表面修饰以实现靶向、可控药物释放和改进的稳定性而被最广泛使用。在本综述中，我们讨论了基于脂质和聚合物的纳米技术策略，旨在克服小干扰RNA递送的挑战并增强其治疗潜力，以治疗各种脑部疾病。

引言

脑部疾病是指任何影响大脑正常功能的病理状况。最常见的脑部疾病包括各种情况，如神经退行性疾病、脑损伤和恶性脑肿瘤。帕金森病、阿尔茨海默病、亨廷顿病、肌萎缩侧索硬化症和额颞叶痴呆是最普遍的神经退行性疾病。尽管这些疾病的发病机制不同，如不同的蛋白质聚集体和基因变异，但它们的特征都是神经元结构或功能的进行性丧失[1]。此外，其他常见脑部疾病包括由脑血流中断引起的中风；以及多形性胶质母细胞瘤(GBM)，一种高度侵袭性和恶性的脑肿瘤，以其快速生长和不良预后而闻名。

目前，可用的治疗方法只能缓解一些症状，但无法完全治愈这些疾病[2]。然而，对神经退行性疾病发病机制中涉及的分子途径的广泛研究，加上疾病相关基因的识别和基因治疗技术的进步，已经为开发有效和有前景的治疗方法取得了显著进展[3]。最有前景的治疗策略之一是小干扰RNA介导的RNA干扰[4,5]。理论上，小干扰RNA可用于特异性沉默任何基因的表达[6]。在过去二十年中，由于以下几个原因，它在生物学领域获得了广泛认可。首先，小干扰RNA可以沉默任何疾病相关基因的表达，包括传统上被认为"不可成药"的基因[7]。其次，小干扰RNA效率高，意味着可以用较低浓度实现治疗效果。第三，小干扰RNA比传统药物更容易合成。

鉴于小干扰RNA技术的显著优势，许多研究人员开发了基于小干扰RNA的脑部疾病治疗方法也就不足为奇了。然而，由于酶降解和血脑屏障(BBB)等几种生物屏障，将小干扰RNA有效且安全地递送到大脑仍然具有挑战性[7]。纳米技术的最新进展已经克服了其中一些挑战，使小干扰RNA更适用于治疗脑部疾病。例如，细胞外囊泡已被用作小干扰RNA递送的载体，因为它们具有低免疫原性和高生物相容性[8]。然而，它们面临几个限制，包括低产量、有限的载荷容量以及大规模制造的挑战。此外，其固有的异质性和质量控制困难进一步阻碍了临床转化。无机纳米颗粒，包括金属纳米颗粒和半导体纳米颗粒，也显示出用于向大脑递送药物的潜力[[9],[10],[11]]。其中，硒化铜纳米颗粒特别有吸引力，因为它们具有独特的化学和物理特性，能够有效穿透血脑屏障，特别是与聚焦超声结合或用靶向配体和细胞膜功能化时[[10],[11],[12],[13]]。然而，在扩大高质量无机纳米颗粒的生产规模以及确保其生物相容性和长期安全性方面仍然存在挑战[11]。相比之下，有机纳米载体如基于脂质和聚合物的系统提供了更优越的生物相容性、一致性、可扩展性和工程灵活性[14]。它们可以被精确工程化以穿透生物膜并包封各种有效载荷，包括小分子和大分子[15,16]。它们的物理化学性质，包括大小、形状、电荷和其他表面特性，可以轻松修改以适应特定目的[17]。因此，它们代表了FDA批准的纳米药物中最常见的类别[18]。这些基于聚合物和脂质的纳米载体为系统性小干扰RNA向大脑递送提供了更实用的解决方案，减轻了与侵入性局部给药相关的风险和挑战。然而，与所有递送系统一样，由于血脑屏障的高度选择性，这些纳米载体在穿过血脑屏障时面临重大挑战。实现向大脑的选择性递送尤其具有挑战性，即使在穿过血脑屏障后，将纳米载体定位并集中在所需脑区域仍然是一个挑战。

基于脂质和聚合物的纳米载体的安全性在很大程度上取决于其组成，生物降解性和生物相容性是确保其安全使用的关键因素。常用的聚合物材料，如PLGA[19]、PLA[20,21]、PCL[22,23]和壳聚糖[24]，是可生物降解的，主要通过泌尿系统排出，并表现出低毒性。值得注意的是，PLGA、PLA和PCL已获得FDA批准用于各种药物递送系统。同样，基于脂质的纳米载体的组分如磷脂和胆固醇通常具有生物相容性，并能有效地从体内清除。理想情况下，这些纳米载体应该是可生物降解的、生物相容的，并且能够高载药量，以确保安全性和有效性。它们还必须在循环和细胞外基质中表现出稳定性，仅在到达目标位点时释放其有效载荷。尽管已对使用小干扰RNA治疗脑部疾病进行了广泛研究[[25],[26],[27],[28],[29]]，但提供该领域全面概述的综述文章相对较少。与之前的综述[7,30]不同，我们不仅强调了针对血脑屏障和脑实质细胞的靶向策略，还研究了新兴策略，如延长循环的搭便车方法和增强脂质/聚合物纳米载体血脑屏障穿透的聚焦超声(FUS)。本综述对脑部疾病的系统性小干扰RNA递送策略进行了全面分析，重点介绍了这一快速发展领域的最新进展、当前挑战和未来方向。

小干扰RNA治疗脑部疾病的挑战

一旦小干扰RNA进入循环系统（图1），就会面临几个挑战。小干扰RNA容易被血液中的RNase降解。由于其尺寸小，仅有21-23个核苷酸长，分子量约为14 kDa，它们很容易通过肾小球过滤并随尿液排出[7]。免疫系统将小干扰RNA识别为外来物质，并被吞噬细胞（如巨噬细胞和单核细胞）清除。这一过程构成了显著的免疫学挑战。

跨血脑屏障的运输方式

通过细胞间隙穿过血脑屏障内皮细胞的物质运输受到紧密连接的存在限制[32]。然而，在某些疾病如多发性硬化症(MS)、帕金森病(PD)、癫痫和某些类型的脑癌中，血脑屏障的完整性可能会受损。在这种情况下，据报道纳米药物可以通过被动扩散进入大脑。例如，一项研究表明，不同尺寸的PEG包被PLGA纳米颗粒可以通过这种方式进入大脑。

利用疾病诱导的血脑屏障变化以改善运输

血脑屏障不是静态屏障，而是一个动态结构，其渗透性和运输特性在神经疾病中发生深刻变化[[70],[71],[72],[73]]。包括阿尔茨海默病、亨廷顿病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症和多发性硬化症在内的疾病通常与由于紧密连接破坏和内皮退化导致的血脑屏障通透性增加相关。这些病理变化不仅损害了保护功能...