借助激光和纳米颗粒打开血-脑屏障

血-脑屏障（blood–brain barrier, BBB）是大脑的“守门人”，在允许必要营养物质输送的基础上，阻止有害分子进入大脑。然而，血-脑屏障的选择性同时也阻碍了药物的输送，阻挡了约98%的小分子药物输送至大脑，大大影响了这些药物的效力。

如今，研究人员开发出了一种技术，能够打开血-脑屏障的大门，从而使药物进入大脑。借助光脉冲和金纳米颗粒，能够短暂打开血-脑屏障中被称为“紧密连接”的血管通道，打开持续时间不到一秒（文章见：Nano Letters, doi: 10.1021/acs.nanolett.1c02996)。

图1 血-脑屏障是由星形胶质细胞的特殊经细胞的“末端”所介导的，它在保护大脑免受有害物质侵害的同时也阻挡了药物的进入。美国德克萨斯大学达拉斯分校研究人员所领导的团队开发了一种方法，借助激光和金纳米颗粒在血脑屏障上打开一条通道，成功输送药物

“这种新技术具有时空分辨率高、可逆和安全等优点。”美国德克萨斯大学达拉斯分校机械工程助理研究员、本篇论文的合作作者Qi Cai说。“我们已经证明，用光激活血脑屏障通透性并不会破坏神经血管系统的健康，因此这一方法将最小化对大脑营养供应造成的风险，同时也将脆弱脑组织的伤害降到最低。”

金纳米粒子疗法

这项新技术建立在以往金纳米粒子生物医学研究的基础上。金纳米粒子可通过光来操控，光可加热其周围水分子或产生微小的机械波，这一效应在诊断、成像和治疗方面有广泛应用。

图1 研究人员专门合成了针对血脑屏障“紧密连接”的金纳米粒子，并证明了静脉注射后经颅皮秒激光刺激纳米颗粒可以增加血脑屏障的通透性

德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员领导的一个小组因此想到，同样的方法是否可以用于血脑屏障的控制。为此，研究小组首先将金纳米颗粒注入到了老鼠的血液中。使用持续一万亿分之一秒的激光脉冲引导，研究人员发现他们可以诱导纳米颗粒产生一种微小的机械力，在血脑屏障的特定点上打开一条缝隙。

这种影响是暂时的——激光脉冲停止后屏障间隙随之关闭，血脑屏障随之恢复了正常功能，对血脑屏障不会产生持久的有害影响。但这一短暂的屏障打开已经足够让免疫球蛋白、腺相关病毒载体和脂质体等分子进入大脑。

打开大脑屏障

目前为止，大多数设法使药物透过血脑屏障的技术，都会给整个大脑带来影响。少数不会影响整个大脑的方法（如超声波），则会受到骨骼结构的阻挡。这一新技术不仅不会受到复杂骨骼结构的阻碍，而且还可以瞄准某一特定区域。通过改变激光脉冲计数、强度和金纳米粒子的大小，可以调整渗透水平。

初步的研究结果让研究人员充满了希望，这项技术不仅可为脑肿瘤和肌萎缩性侧索硬化症（Lou Gehrig’s disease）等脑部疾病输送治疗药物，还可以帮助中风患者恢复和进行基因治疗；但是在用于人类大脑之前，仍然需要进行更多的测试。

“免疫球蛋白、腺相关病毒载体和脂质体的成功传递，为中枢神经系统的药物筛选和治疗干预开辟了新的途径。” 德克萨斯大学达拉斯分校机械工程副教授、本文共同作者Zhenpeng Qin博士说。