BBB 구조와 대뇌 약물전달... 비강내 투여 2023 네이처

[문형철]

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The blood–brain barrier: Structure, regulation and drug delivery

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• Published: 25 May 2023

The blood–brain barrier: Structure, regulation and drug delivery

• Di Wu, 
• Qi Chen, 
• Xiaojie Chen, 
• Feng Han, 
• Zhong Chen & 
• Yi Wang 

Signal Transduction and Targeted Therapy volume 8, Article number: 217 (2023) Cite this article

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Abstract

Blood–brain barrier (BBB) is a natural protective membrane that prevents central nervous system (CNS) from toxins and pathogens in blood. However, the presence of BBB complicates the pharmacotherapy for CNS disorders as the most chemical drugs and biopharmaceuticals have been impeded to enter the brain. Insufficient drug delivery into the brain leads to low therapeutic efficacy as well as aggravated side effects due to the accumulation in other organs and tissues. Recent breakthrough in materials science and nanotechnology provides a library of advanced materials with customized structure and property serving as a powerful toolkit for targeted drug delivery. In-depth research in the field of anatomical and pathological study on brain and BBB further facilitates the development of brain-targeted strategies for enhanced BBB crossing. In this review, the physiological structure and different cells contributing to this barrier are summarized. Various emerging strategies for permeability regulation and BBB crossing including passive transcytosis, intranasal administration, ligands conjugation, membrane coating, stimuli-triggered BBB disruption, and other strategies to overcome BBB obstacle are highlighted. Versatile drug delivery systems ranging from organic, inorganic, and biologics-derived materials with their synthesis procedures and unique physio-chemical properties are summarized and analyzed. This review aims to provide an up-to-date and comprehensive guideline for researchers in diverse fields, offering perspectives on further development of brain-targeted drug delivery system.

혈액-뇌 장벽(BBB)은 

혈액 내 독소와 병원체로부터 중추 신경계(CNS)를 보호하는 

자연적인 보호막입니다. 

그러나 

BBB의 존재는 

대부분의 화학 약물과 생물학적 제제가 뇌로 들어가는 것을 방해하기 때문에 

CNS 장애의 약물 치료를 복잡하게 만듭니다. 

뇌로의 약물 전달 부족은 

치료 효과 저하뿐만 아니라 

다른 장기 및 조직에 축적되어 부작용이 악화되는 문제를 초래합니다. 

재료 과학 및 나노기술 분야의 최근 혁신은 

맞춤형 구조와 특성을 갖춘 고급 재료 라이브러리를 제공하여 

표적 약물 전달을 위한 강력한 도구 키트로 작용합니다. 

뇌와 BBB의 해부학적 및 병리학적 연구에 대한 심층적 연구는 

BBB 통과를 개선하기 위한 뇌 표적 전략 개발을 더욱 촉진합니다. 

이 리뷰에서는 

이 장벽을 구성하는 생리적 구조와 다양한 세포에 대해 요약합니다. 

BBB 투과성 조절 및 투과를 위한 다양한 신흥 전략, 

즉 수동적 트랜스사이토시스, 

비강 내 투여, 

리간드 결합, 

막 코팅, 

자극 유발 BBB 파괴, 

기타 BBB 장벽 극복 전략이 강조됩니다. 

passive transcytosis,

intranasal administration,

ligands conjugation,

membrane coating,

stimuli-triggered BBB disruption, and

other strategies to overcome BBB obstacle are highlighted

유기물, 무기물, 생물학적 유래 재료로 구성된 

다양한 약물 전달 시스템의 합성 절차와 독특한 물리화학적 특성을 요약하고 분석합니다. 

이 리뷰는 

다양한 분야의 연구자들에게 최신 정보를 제공하며, 

뇌 표적 약물 전달 시스템의 추가 개발에 대한 전망을 제시하는 포괄적인 지침을 목표로 합니다.

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Introduction

Blood–brain barrier (BBB) is a semi-permeable barrier encompassing microvasculature of central nervous system (CNS). In the capillaries, the wedged endothelial cells line in the interior vessels forming extensive tight junctions.1,2,3 Together with an ensemble of receptors, transporters, efflux pumps and other cellular components, the barrier takes control of entrance and expulsion of the molecules in vascular compartment to the brain. The intact BBB impedes the influx of most blood-borne substances from entering the brain. But it should be noted that at meantime of brain protection, BBB also excludes more than 98% of small-molecule drugs and all macromolecular therapeutics from access to the brain.4,5 The tight gap allows only passive diffusion of lipid-soluble drugs at a molecular weight lower than 400-600 Da. Increasing lipophilicity of the therapeutic agents is a feasible method to improve the BBB permeability. For example, Crizotinib, an oral selective small-molecular tyrosine kinase inhibitor, is an effective anti-cancer medicine but with poor activity against brain tumor metastases due to its low BBB penetration.6 Structural modification of conjugation of a fluoroethyl moiety increases the lipophilicity of Crizotinib and results in enhanced brain permeability.7 However, increasing lipophilicity is not a universal strategy as it may inhibit the biological activity of drugs of interest. Further, therapeutic drugs with high liposolubility have longer retention and duration of action in non-target peripheral organs, causing considerable side effects. In addition, due to the presence of P-glycoprotein (referred to as multidrug resistance associated membrane protein), drugs could be transported back into the blood by ATP-dependent efflux pumps.8,9 Thus, it is urging to address the issue of brain-targeted therapeutics by developing effective and safe delivery strategies.

소개

혈액-뇌 장벽(BBB)은

중추 신경계(CNS)의 미세 혈관을 둘러싸고 있는 반투과성 장벽입니다.

semi-permeable barrier

모세혈관 내벽에는

내벽에 밀착된 내피 세포가 밀집되어 광범위한 밀접 연결을 형성합니다.1,2,3 

수용체, 운반체, 배출 펌프 및 기타 세포 구성 요소와 함께

이 장벽은 혈관 공간에서 뇌로 들어가는 분자의 출입을 조절합니다.

정상적인 BBB는

대부분의 혈액 내 물질이 뇌로 유입되는 것을 차단합니다.

그러나

뇌 보호 과정에서 BBB는

98% 이상의 소분자 약물과 모든 고분자 치료제를

뇌로 접근하지 못하게 차단한다는 점을 유의해야 합니다.4,5 

밀접한 틈새는

분자량 400-600 Da 미만의

지용성 약물의 수동 확산만 허용합니다.

아스피린 - 180달톤

카페인 - 194달톤

치료제의 지용성을 증가시키는 것은

BBB 투과성을 개선하는 가능한 방법입니다.

https://www.mdpi.com/1422-0067/25/11/5601

예를 들어,

경구용 선택적 소분자 티로신 키나제 억제제인 Crizotinib은 효과적인 항암제이지만,

낮은 BBB 투과성으로 인해

뇌 종양 전이에는 효과가 낮습니다.6 

플루오로에틸 기단의 결합 구조를 수정하면

크리조티닙의 지용성이 증가하여

뇌 투과성이 향상됩니다.7 

그러나

지용성을 증가시키는 것은 보편적인 전략이 아닙니다.

이는

관심 약물의 생물학적 활성을 억제할 수 있기 때문입니다.

또한 지용성이 높은 치료제는

비표적 주변 장기에서 체내 머무는 시간과 작용 시간이 길어져

심각한 부작용을 유발할 수 있습니다.

또한 P-글리코프로틴(다약제 내성 관련 막 단백질)의 존재로 인해

약물이 ATP 의존성 배출 펌프를 통해 혈액으로 재흡수될 수 있습니다.8,9 

따라서

효과적이고 안전한 전달 전략을 개발하여

뇌 표적 치료제의 문제를 해결하는 것이 시급합니다.

Spurred by recent development of materials science and nanotechnology, various strategies for regulation of BBB permeability were developed as well as a library of brain-targeted drug delivery systems. Transport routes of the drug molecules across the BBB occurs via the pathways including paracellular and transcellular diffusion, receptor-mediated transcytosis, cell-mediated transcytosis, transporter-mediated transcytosis, and adsorptive mediated transcytosis (Fig. 1a).10 Many efforts have been made in response to each process of the drug transportation, which have also been accompanied by reviews of latest progress in this field, but most of literature emphasize the BBB breakdown in specific brain disorders,11,12,13,14 or give a general review of delivery strategies concentrating on the barrier physiology.15,16 On the basis of these strategies, functional materials with small size, tailored architecture and therapeutic motifs that facilitate the targeted drug delivery are widely engineered. They can be constructed by using a wide range of substrates including organic (e.g., liposomes, micelles, hydrogels, etc.),17,18,19 inorganic (e.g., metal/metal oxide particles, silica nanoparticles, quantum dots, etc.),20,21 and biomass-derived materials (e.g., exosomes, cells, bacteria, etc.).22,23,24 

재료 과학 및 나노기술의 최근 발전에 힘입어

BBB 투과성 조절을 위한 다양한 전략이 개발되었으며,

뇌 표적 약물 전달 시스템의 라이브러리도 구축되었습니다.

약물 분자의 BBB를 통한 전달 경로는

세포 간 확산, 세포 내 확산,

수용체 매개 전세포 이동,

세포 매개 전세포 이동,

운반체 매개 전세포 이동,

흡착 매개 전세포 이동 등

다양한 경로를 통해 발생합니다(그림 1a).10

paracellular and transcellular diffusion,

receptor-mediated transcytosis,

cell-mediated transcytosis,

transporter-mediated transcytosis, and

adsorptive mediated transcytosis

각 약물 운반 과정에 대응하기 위한 많은 연구가 진행되었으며,

이 분야의 최신 진전에 대한 검토도 동반되었지만,

대부분의 문헌은 특정 뇌 질환에서의 BBB 파괴에 초점을 맞추거나,11,12,13,14

장벽 생리학에 집중한 전달 전략의 일반적인 검토를 제공합니다.15,16

이러한 전략을 기반으로,

표적 약물 전달을 촉진하는

작은 크기, 맞춤형 구조, 치료 모티프를 갖춘 기능성 재료가 널리 개발되고 있습니다.

이러한 재료는

유기(예: 리포좀, 미셀, 하이드로겔 등),17,18,19

무기(예: 금속/금속 산화물 입자, 실리카 나노입자, 퀀텀 도트 등),20,21 및

생물质 유래 재료(예: 엑소좀, 세포, 세균 등)를 포함한

다양한 기질을 사용하여 제조될 수 있습니다.22,23,24

a wide range of substrates including organic (e.g., liposomes, micelles, hydrogels, etc.),17,18,19

 inorganic (e.g., metal/metal oxide particles, silica nanoparticles, quantum dots, etc.),20,21 

and biomass-derived materials (e.g., exosomes, cells, bacteria, etc.)

Improved performance of brain-targeted drug delivery was proved thanks to these materials with obvious advantages including non-invasive delivery, high drug loading, good biocompatibility, prolonged blood circulation, and importantly brain targeting effect. Over the past few years, we have witnessed the booming advances in exploiting materials science and nanotechnology in brain-targeted drug delivery. Brain disorder therapy utilizing tailored systems has been a benefactor of this emergence, yet a timely and comprehensive review is lacking. In the light of excellent performance of BBB crossing strategies for enhanced drug delivery, we will first summarize the structure and different cells contributing to the integrity of BBB (Fig. 1b). Further, main BBB crossing strategies derived are highlighted with relevant transcytosis mechanisms as well as their interactions at barrier interface (Fig. 1c). Specifically, we addressed the issues of different pathways from passive transcytosis, intranasal administration, ligands conjugation for brain targeting, membrane coating for brain targeting, to stimuli-mediated BBB disruption. Then, the updated progress of customized materials was overviewed and how they were fabricated and utilized for the treatment of brain disorders was summarized (Fig. 1d). The discussion of potential translational trials and the remaining challenging in this field will also be presented. This review will be of great interest to those working in materials science, nanotechnology, and especially to those in biomedical engineering and translational medicine, which will not only serve as an up-to-date compilation of achievements in this area, but also provide a generalized guideline for BBB regulation and rational design of targeted drug delivery systems.

이러한 재료는

비침습적 전달, 높은 약물 부하량, 우수한 생체 적합성, 장시간 혈액 순환, 그리고

무엇보다도 뇌 표적화 효과 등 명확한 장점을 통해

뇌 표적 약물 전달의 성능이 향상되었음이 입증되었습니다.

최근 몇 년간

재료 과학과 나노기술을 뇌 표적 약물 전달에 활용하는 분야에서

급속한 발전이 이루어졌습니다.

맞춤형 시스템을 활용한 뇌 장애 치료는

이 분야의 발전으로 인해 혜택을 받았지만,

시기적절하고 포괄적인 검토가 부족합니다.

BBB 통과 전략의 우수한 성능을 고려해,

우리는 먼저 BBB의 구조와 BBB의 무결성에 기여하는

다양한 세포를 요약합니다(그림 1b).

이어 주요 BBB 통과 전략을

관련 트랜스사이토시스 메커니즘 및 장벽 인터페이스에서의

상호작용과 함께 강조합니다(그림 1c).

구체적으로,

수동적 트랜스사이토시스,

비강 투여,

뇌 표적화를 위한 리간드 결합,

뇌 표적화를 위한 막 코팅,

자극 매개 BBB 파괴 등 다양한 경로의 문제를 다루었습니다.

passive transcytosis,

intranasal administration,

ligands conjugation for brain targeting,

membrane coating for brain targeting,

to stimuli-mediated BBB disruption

이후 맞춤형 재료의 최신 진전 상황을 개괄하고,

이를 뇌 장애 치료에 활용하기 위해

어떻게 제조 및 활용되었는지 요약했습니다(그림 1d).

이 분야의 잠재적 임상 시험과 남은 도전 과제에 대한 논의도 제시될 것입니다.

이 리뷰는

재료과학, 나노기술, 특히 생체공학 및 전환 의학 분야 연구자들에게

큰 관심을 끌 것으로 예상됩니다.

이는 해당 분야의 최신 성과를 종합적으로 정리하는 동시에

BBB 조절 및 표적 약물 전달 시스템의 합리적 설계에 대한

일반적인 지침을 제공할 것입니다.

Fig. 1

Strategies and materials for BBB regulation and brain-targeted drug delivery. 

a Schematic diagram of different mechanisms for BBB crossing. 

b Schematic diagram of BBB structure. 

c Engineered materials for brain-targeted drug delivery. 

d Various non-invasive strategies for BBB crossing

BBB 조절 및 뇌 표적 약물 전달을 위한 전략 및 재료.

a BBB 통과 메커니즘의 다양한 방식에 대한 개념도.

b BBB 구조의 개념도.

c 뇌 표적 약물 전달을 위한 공학적으로 설계된 재료.

d BBB 통과를 위한 다양한 비침습적 전략

BBB structure and physiology

Anatomical structure of the BBB

The existence of the BBB was first found by Paul Ehrlich and proved by Edwin Goldmann.25,26 BBB is a spacious, multicellular, and dynamic semi-permeable membrane that isolates the foreign substances in the blood from the CNS.27 The presence of BBB avoids the brain from damage by keeping a stable environment.28,29 But it also limits the drugs that enter into the CNS for treating brain diseases such as neurodegenerative diseases and brain cancer.30,31 Capillaries are the major site of the BBB. Because the neural cell is close to a capillary no further than 25 µm, passaging the BBB for drug delivery is a favored route when compared to another by-passed route which is relatively longer.32 This case pushes researchers to develop effective strategies to regulate BBB permeability and targeted delivery systems to overcome the BBB limits. Some reviews have discussed the BBB recognition which is one of the key steps for enhanced brain-targeted delivery.33,34,35 For a deeper understating of the interaction between delivery systems and the brain, how the BBB is constructed should be clarified.

From the physiological point of view, endothelial cells, astroglia, pericytes, and junctional complexes including tight junctions and adherens junctions compose the BBB basically.36,37,38,39 In this section, we focus on the five constituents mentioned above and others are not covered here.

BBB 구조 및 생리학

BBB의 해부학적 구조

BBB의 존재는

Paul Ehrlich에 의해 처음 발견되었으며

Edwin Goldmann에 의해 증명되었습니다.25,26 

BBB는

넓고 다세포적이며 동적인 반투과성 막으로,

혈액 내의 이물질이 중추신경계(CNS)로 들어가는 것을 차단합니다.27 

BBB의 존재는

뇌를 안정된 환경으로 유지하여 손상을 방지합니다.28,29 

그러나 이는

신경퇴행성 질환이나 뇌암과 같은 뇌 질환 치료를 위해

CNS로 들어가는 약물의 투과를 제한합니다.30,31

 모세혈관은

BBB의 주요 부위입니다.

신경 세포는

모세혈관으로부터 25µm 이내에 위치하기 때문에,

다른 우회 경로에 비해 상대적으로 짧은 경로를 통해

BBB를 통과하는 약물 전달은 선호되는 방법입니다.32 

이로 인해 연구자들은

BBB 투과성을 조절하고

BBB 한계를 극복하기 위한 표적 전달 시스템을 개발하는

효과적인 전략을 모색하게 되었습니다.

일부 리뷰에서는

뇌 표적 전달을 향상시키는 핵심 단계 중 하나인

BBB 인식에 대해 논의했습니다.33,34,35 

전달 시스템과 뇌 간의 상호작용을 더 깊이 이해하기 위해서는

BBB의 구조가 명확히 규명되어야 합니다.

생리학적 관점에서 BBB는

내피 세포, 아스트로글리아, 페리사이트, 그리고 밀착 결합과 접착 결합을 포함한

결합 복합체로 구성됩니다.36,37,38,39 

이 섹션에서는 위에서 언급된 다섯 가지 구성 요소에 초점을 맞추며,

기타 구성 요소는 다루지 않습니다.

Endothelial cells

Endothelial cells are considered as the BBB’s core anatomical structure for lining the cerebral blood vessels and interacting with different types of cells in the CNS.40,41 The endothelial cells in the BBB differ from peripheral endothelial cells in morphology and function.42,43 The barrier performance is not the innate properties of endothelial cells.44,45 For morphology, the endothelial cells in the BBB are fastened by both tight junctions and adherens junctions, resulting in distinct lumenal and abluminal membrane compartments.46 They further present with no fenestrations, also known as small transcellular pores, which greatly limit free diffusion and the rapid exchange of molecules between brain tissue and blood.47 Besides, the amounts of mitochondria in endothelial cells in the BBB are higher than in peripheral endothelial cells, which means more energy is needed for transport.48,49 For function, first, they display a net negative surface charge, refusing to accept negatively charged compounds, as well as quite low degrees of leukocyte adhesion molecules, hampering the entry of the number of immune cells.50,51,52 Second, they show designated transporters for regulating the inflow and outflow of specific substrates.53 Third, they show a restriction on the number of transcellular vesicles through the vessel wall due to the high transendothelial electrical resistance.54,55 Because of the existence of the local environment, endothelial cells can together form and maintain the BBB.

내피 세포

내피 세포는

중추 신경계(CNS)의 뇌 혈관을 덮고 다양한 세포와 상호작용하는

BBB의 핵심 해부학적 구조로 간주됩니다.40,41

BBB의 내피 세포는

주변 내피 세포와 형태 및 기능에서 차이가 있습니다.42,43

장벽 기능은

내피 세포의 선천적 특성이 아닙니다.44,45

형태학적으로,

BBB의 내피 세포는 밀접 결합과 접착 결합

tight junctions and adherens junctions 으로 고정되어 있어,

내강과 외강 막 구획이 명확히 구분됩니다.46

For morphology, the endothelial cells in the BBB are fastened by

both tight junctions and adherens junctions, resulting in

distinct lumenal and abluminal membrane compartments

또한, 작은 세포 간 구멍(fenestrations)이 없어,

뇌 조직과 혈액 사이의 자유로운 확산과 분자 교환이 크게 제한됩니다.47

또한 BBB 내 내피 세포의 미토콘드리아 수는

주변 내피 세포보다 높으며,

이는 운송에 더 많은 에너지가 필요함을 의미합니다.48,49

기능 측면에서

첫째,

그들은 음전하를 가진 화합물을 거부하는 순 음전하 표면 전하를 나타내며,

백혈구 부착 분자의 낮은 수준으로 면역 세포의 침입을 방해합니다.50,51,52

둘째,

특정 기질의 유입과 유출을 조절하는

지정된 운반체를 가지고 있습니다.53

셋째,

혈관 벽을 통해 세포 간 소포의 수를 제한하는

높은 내피 세포 전기 저항으로 인해

세포 간 소포의 이동이 제한됩니다.54,55

이러한 국소 환경의 존재로 인해

내피 세포는 함께 BBB를 형성하고 유지합니다.

Astrocytes

Astrocytes, also known as astroglia, are the most numerous glial cells, expressing polarized and complex morphology, which are heterogeneous throughout the brain.56 In tradition, they are divided into two categories, that one is protoplasmic which locates in the well-vascularized gray matter, and the other one is fibrous which locates in the less vascular white matter.57,58,59 Their end feet link them with the basement membrane, via the binding of a set of proteins (aquaporin IV and the dystroglycan-dystrophin complex) with the proteoglycan agrin.60,61 In the CNS, they play a major role in dynamic signaling such as clearing waste, tuning brain blood flow, regulating vascular function, ion hemostasis and balancing neuroimmune responses.62,63,64,65,66 However, the exact role of astrocytes in BBB function is still controversial.67,68,69 Some studies considered astrocytes can arise barrier behaviors in cerebral, other endothelial cells, and related epithelial, while other studies thought the BBB goes first before the appearance of astrocytes. In this regard, there is no doubt that the BBB exists primarily through the coordination between cells, and astrocytes are a type of neural cells that together with pericytes surround blood vessels in the brain, serving as the interface between neurons and endothelial cells.70,71 Moreover, for invertebrates that lack a vascularized circulatory system, astrocytes are the main components of the barrier separating humoral fluids from the CNS.72

아스트로사이트

아스트로사이트(astroglia)는

가장 많은 수의 글리아 세포로,

극성 및 복잡한 형태를 나타내며

뇌 전체에 걸쳐 이질적으로 분포합니다.56 

전통적으로

두 가지 유형으로 구분됩니다.

하나는 혈관이 풍부한 회백질에 위치한 원형질형이며,

다른 하나는 혈관이 적은 백질에 위치한 섬유형입니다.57,58,59 

one is protoplasmic which locates in the well-vascularized gray matter,

and the other one is fibrous which locates in the less vascular white matte

https://www.frontiersin.org/journals/neuroscience/articles/10.3389/fnins.2015.00114/full

https://www.nature.com/articles/s41392-023-01628-9

그들의 말단 발은

아쿠아포린 IV와 디스트로글리칸-디스트로핀 복합체와 결합하는

프로테오글리칸 아그린을 통해 기저막과 연결됩니다.60,61

중추신경계(CNS)에서 그들은

폐기물 제거,

뇌 혈류 조절,

혈관 기능 조절,

이온 균형 유지 및

신경면역 반응 균형과 같은 동적 신호 전달에 주요 역할을 합니다.62,63,64,65,66 

그러나

아스트로사이트가 BBB 기능에 미치는 정확한 역할은

여전히 논란의 대상입니다.67,68,69 

일부 연구는 아스트로사이트가 뇌 내 장벽 행동을 유발할 수 있다고 주장하는 반면,

다른 연구는 BBB가 아스트로사이트의 출현 전에 먼저 형성된다고 주장합니다.

이와 관련하여,

BBB는 주로 세포 간의 협응력을 통해 존재하며,

성상 세포는 뇌의 혈관을 둘러싸고 있는 신경 세포의 일종으로,

신경 세포와 내피 세포 사이의 인터페이스 역할을 합니다.70,71 

또한, 혈관 순환계가 없는 무척추동물에서 성상 세포는

체액과 중추 신경계를 분리하는 장벽의 주요 구성 요소입니다.72

Pericytes

Pericytes are mural cells presenting at intervals along the walls of the capillary blood vessels.73 They are embedded in the basement membrane and lie abluminal to the endothelial cells.74 The length that pericytes covering the CNS endothelium approaches 100%.75 It should be noted that pericytes are central to the neurovascular unit function.76,77,78 Because of the physical apposition, pericytes and endothelial cells are in close communicate with each other. For example, the PDGF-B signaling pathway is one such communication.79,80 Endothelial cells secrete the PDGF-B to bind PDGFRβ on pericytes, which recruits pericytes to blood vessels.81,82 In turn, pericytes also can release signaling factors to affect endothelial cells by determining the numbers of tight junctions and polarizing the end feet of astrocytes.83 If the amounts of pericytes reduce, the tight junctions between endothelial cells will also be reduced.84 Except for modulating and maintaining the BBB, pericytes also have functions in adjusting cerebral blood flow, vascular development and maintenance, and neuroinflammation.85,86,87

페리사이트

페리사이트는

모세혈관 혈관 벽에 간격으로 분포하는

벽세포입니다.73 

이들은 기저막에 내장되어 있으며

내피세포의 아블루민 측에 위치합니다.74 

CNS 내피를 덮는 페리사이트의 길이는

100%에 접근합니다.75 

페리사이트는

신경혈관 단위 기능에 중심적 역할을 한다는 점을 주목해야 합니다.76,77,78 

물리적 접촉으로 인해 페리사이트와 내피 세포는

서로 밀접하게 소통합니다.

예를 들어,

PDGF-B 신호 전달 경로는 이러한 소통의 한 예입니다.79,80 

내피 세포는

PDGF-B를 분비하여 페리사이트의 PDGFRβ에 결합하며,

이는 페리사이트를 혈관으로 모집합니다.81,82 

반대로 페리사이트는

신호 인자를 분비하여 내피 세포에 영향을 미치며,

이는 밀접 결합의 수를 조절하고 아스트로사이트의 말단 발을 극성화합니다.83 

페리사이트의 양이 감소하면

내피 세포 간의 밀접 결합도 감소합니다.84 

BBB의 조절과 유지 외에도 페리사이트는

뇌 혈류 조절, 혈관 발달 및 유지,

신경염증 조절 등 다양한 기능을 수행합니다.85,86,87

Tight junctions

In the BBB, tight junctions are the main functional components in sustaining the permeability barrier and controlling tissue homeostasis.88,89,90,91 They are also known as occluding junctions or zonulae occludes which can restrict the cross of hydrophilic molecules and macromolecules.92 They reside between endothelial cells, seal the interendothelial cleft, and work as gates and fences to limit paracellular permeability and the lateral diffusion of integral membrane proteins and lipids, thus maintaining cell polarization.93,94 There are many transmembrane and cytoplasmic proteins involved in forming tight junctions. Claudins and occludins that situate in two-cell contacts are the major tight junction proteins.95,96 Claudins display essential barrier function and occludins ensure the tightness of the tight junctions.97 Tricellulin and the lipolysis-stimulated lipoprotein receptor that reside in three-cell contacts are also the major tight junction proteins.98,99 Besides, more like junction adhesion molecules, calcium/calmodulin-dependent serine protein kinase, monoclonal antibody 7H6, and heterotrimeric G protein also contribute to the constitution of tight junctions.100,101,102,103 Junction adhesion molecules mediate the early attachment in the BBB developmental processes.104,105 Kinase-like proteins modulate the blood–brain barrier permeability.106 Interactions among these proteins provide physical support for the complex of tight junctions.107 Downregulation of tight junction-related proteins will loss of the BBB phenotype.108

밀접 연결

BBB에서 밀접 연결은

투과 장벽을 유지하고 조직 항상성을 조절하는

주요 기능적 구성 요소입니다.88,89,90,91

이들은 수분 친화성 분자와 대분자의 이동을 제한하는 차단 연결 또는

zonulae occludes로도 알려져 있습니다.92

이들은 내피 세포 사이에 위치해 '

내피 세포 간 틈을 밀봉하며,

게이트와 울타리 역할을 하여

세포 간 투과성과 통합 막 단백질 및 지질의 측면 확산을 제한함으로써

세포 극성을 유지합니다.93,94

밀접 접합을 형성하는 데 관여하는

많은 막을 관통하는 단백질과 세포질 단백질이 존재합니다.

두 세포 접촉부에 위치한 클라우딘과 오클루딘은

주요 밀접 접합 단백질입니다.95,96

클라우딘은

필수적인 장벽 기능을 수행하며,

오클루딘은

밀접 접합의 밀폐성을 보장합니다.97

세 세포 접촉부에 위치한 트리셀린과 리포리시스 자극 리포단백질 수용체도

주요 밀접 접합 단백질입니다.98,99

또한

접합 부착 분자와 유사한 칼슘/칼모듈린 의존성 세린 단백질 키나제,

단일클론 항체 7H6,

이종 삼량체 G 단백질도 밀접 접합의 구성에 기여합니다.100,101,102,103

접합 부착 분자는

BBB 발달 과정에서의 초기 부착을 매개합니다.104,105

키나제 유사 단백질은

혈액-뇌 장벽의 투과성을 조절합니다.106

이러한 단백질 간의 상호작용은

밀접 접합 복합체의 물리적 지원을 제공합니다.107

밀접 접합 관련 단백질의 발현 감소는

BBB 형질의 상실을 초래합니다.108

Adherens junctions

Adherens junction is extra crucial for the BBB structural integrity and appropriate assembly of proteins of tight junctions.109,110 At cellular interfaces, they build spatially, chemically, and mechanically discrete microdomains.111 In common with tight junctions, adherens junctions are linked to the cytoskeleton and consisted of transmembrane and cytoplasmic plaque proteins.112,113 Vascular endothelial-cadherin, scaffolding proteins catenins, scaffolding proteins p120, plakoprotein are the main components of adherens junctions.114,115 Vascular endothelial-cadherin primarily is associated with cell-to-cell adhesion.116,117 It is a homo-dimeric transmembrane protein whose extracellular domain can connect with the other same molecules of neighboring endothelial cells in the paracellular cleft, and the cytoplasmic domain can interact with the actin filaments via scaffolding proteins.2 In the meantime, catenins, p120, plakoprotein are responsible for supporting physics and regulating junctions by forming a bridge that interacts with zonula occludens-1 (tight junctions proteins) and the actin filaments.118,119 Besides, other proteins, such as platelet and endothelial cell adhesion molecule 1, CD99, and nectin, have been reported that might be related to the adherens junction.120,121,122 Totally, adherens junctions are fundamental for the integrity of BBB, any change of adherens junctions may disrupt inter-endothelial cell connections.123

접착 접합부

접착 접합부는

BBB의 구조적 안정성과 밀접 접합 단백질의 적절한 조립에 특히 중요합니다.109,110 

세포 간 경계에서 이들은 공간적, 화학적, 기계적으로 분리된 미세 영역을 형성합니다.111 

밀접 접합과 마찬가지로,

접착 접합은 세포 골격과 연결되어 있으며,

막을 관통하는 단백질과 세포질 플라크 단백질로 구성됩니다.112,113 

혈관 내피-카데린, 구조 단백질 카테닌, 구조 단백질 p120, 플라코프로틴은

접착 접합의 주요 구성 요소입니다.114,115 

혈관 내피-카데린은

주로 세포 간 접착과 관련이 있습니다.116,117 

이는 동형 이량체 막을 관통하는 단백질로,

세포 외 도메인은 인접한 내피 세포의 동일한 분자와 파라셀룰러 틈새에서 연결될 수 있으며,

세포질 도메인은 스캐폴딩 단백질을 통해 액틴 필라멘트와 상호작용합니다.2 

한편, 카테닌, p120, 플라코프로틴은 존울라 오클루덴스-1(밀접 접합 단백질)과 액틴 필라멘트와 상호작용하는 다리를 형성하여 물리적 지지와 접합 조절을 담당합니다.118,119 또한, 혈소판 및 내피 세포 접착 분자 1, CD99, 네크틴과 같은 다른 단백질들이 접착 접합과 관련될 수 있다는 보고가 있습니다.120,121,122 

전체적으로,

접착 접합은 BBB의 무결성에 필수적이며,

접착 접합의 변화는 내피 세포 간 연결을 방해할 수 있습니다.123

Physiology of the BBB

The existence of BBB provides a controlled microenvironment by regulating the exchange of ions and molecules between the bloodstream and brain tissue. Numerous studies have revealed the physiological functions of the BBB such as brain protection. In addition to physical restriction of the potentially harmful substances, the BBB also plays multiple roles in maintaining homeostasis,124,125 facilitating transport of the essential molecules,126 regulating inflammation127,128 and so forth. The BBB maintains the brain homeostasis by regulating the specific ions channels and transporters. For example, Na+, K+, Ca2+, Cl− are the major ions in the CNS, which should be kept at an optimal level for neural and synaptic signaling functions. These ions are asymmetrically distributed between luminal and abluminal membranes, of which efflux and influx were mainly dependent on the ion transporters on BBB. For example, the influx of Na+ and the efflux of K+ are regulated by abluminal Na-K-ATPase against the concentration gradient for maintenance of the electrochemical gradient across the cell membrane.129 Meanwhile, cotransporters such as NKCC1 regulate the ion balance by transporting Na+, K+, Cl−.130 The dysfunction of the ion transporters may induce the pathological alterations. Other BBB transporters such as solute carriers and ATP-binding case families control the transport of other essential molecules, metabolites and nutrients, maintaining the brain homeostasis.131 Intriguingly, pathways through the junctional complex or across the cells actively that participate in transport of ions, nutrients and other molecules could also be potential routes for drug delivery, which is discussed in detail in Section 3.1.

BBB의 생리학

BBB의 존재는

혈류와 뇌 조직 사이의 이온 및 분자 교환을 조절함으로써

통제된 미세 환경을 제공합니다.

수많은 연구에서

BBB의 생리적 기능,

예를 들어 뇌 보호 기능이 밝혀졌습니다.

유해 물질의 물리적 차단 외에도

BBB는 항상성 유지,124,125 

필수 분자 운반 촉진,126 

염증 조절,127,128 등 다양한 역할을 수행합니다.

BBB는

특정 이온 채널과 운반체를 조절하여 뇌의 항상성을 유지합니다.

예를 들어,

CNS에서 주요 이온인 Na+, K+, Ca2+, Cl−는

신경 및 시냅스 신호 전달 기능을 위해 최적 수준으로 유지되어야 합니다.

이러한 이온은

내막과 외막 사이에 비대칭적으로 분포되어 있으며,

이들의 유출과 유입은 주로 BBB의 이온 운반체에 의존합니다.

예를 들어,

Na+의 유입과 K+의 유출은 세포막을 가로지르는 전기화학적 농도 차이를 유지하기 위해

농도 차이에 반해 아블루민 Na-K-ATPase에 의해 조절됩니다.129 

한편, NKCC1과 같은 공동 수송체는

Na+, K+, Cl−를 수송하여

이온 균형을 조절합니다.130 

이온 수송체의 기능 장애는

병리적 변화를 유발할 수 있습니다.

BBB의 다른 운반체(solute carriers)와 ATP 결합 케이스 가족(ATP-binding case families)은

필수 분자, 대사산물 및 영양소의 운반을 조절하여

뇌의 항상성을 유지합니다.131 

흥미롭게도,

접합 복합체나 세포를 통해 이온, 영양소 및 기타 분자의 운반에 참여하는 경로는

약물 전달의 잠재적 경로로도 작용할 수 있으며,

이는 제3.1절에서 자세히 논의됩니다.

Strategies for BBB regulation and crossing

Brain tumors, cerebrovascular diseases, and neurodegenerative diseases, including Parkinson’s disease, Alzheimer’s disease, and multiple sclerosis, are serious CNS diseases.132 However, therapies for these challenging diseases are limited, because of the lack of effective methods, to enable drugs surpass natural protective hindrances to maintain homeostasis within the brain for preventing the entry of drug molecules to the CNS.133 A number of drugs are routinely administrated by invasive strategies for the management of these diseases and symptom control. For instance, intrathecal drug administration is a typical method for drug delivery into the entire ventricular system without passing through the BBB.134,135 It has been approved to deliver anti-sense oligonucleotides for the treatment of spinal muscular atrophy.136 Other invasive strategies including convection-enhanced delivery,137,138 intracranial implantation,139,140 and deep-brain stimulation were developed for brain drug delivery.141,142 Recent development of microneedle and polymeric wafers with minimal invasiveness provides sustained drug release for CNS disease management which circumvent the BBB.143,144,145,146 But the potential risks from brain exposure and damage of these invasive strategies limited their applications for long-term use. In order to efficiently deliver drugs into the brain with safety and precision, various non-invasive strategies to overcome BBB have been exploited. These strategies include BBB penetration via passive transcytosis, intranasal administration, ligands conjugation, membrane coating, and the BBB disruption using light, focused ultrasound, biochemical reagents, and radiation.

BBB 조절 및 통과 전략

뇌종양, 뇌혈관 질환, 파킨슨병, 알츠하이머병, 다발성 경화증 등

중추신경계 질환은

심각한 CNS 질환입니다.132 

그러나 이러한 난치성 질환의 치료법은 효과적인 방법이 부족하여

약물이 뇌 내 항상성을 유지하기 위해

자연적 보호 장벽을 극복하고

CNS로 약물 분자가 침투하는 것을 방지하는 데 한계가 있습니다.133 

이러한 질환의 관리 및 증상 완화를 위해 침습적 전략을 통해 여러 약물이 일상적으로 투여됩니다. 예를 들어, 뇌실 내 약물 투여는 BBB를 통과하지 않고 전체 뇌실 시스템에 약물을 전달하는 대표적인 방법입니다.134,135 이는 척추 근육 위축증 치료를 위해 반감체 올리고뉴클레오티드를 전달하는 데 승인되었습니다.136 기타 침습적 전략으로는 대류 강화 투여,137,138 뇌내 이식,139,140 및 심부 뇌 자극이 뇌 약물 전달을 위해 개발되었습니다.141,142 최근 개발된 최소 침습성 미세 바늘과 폴리머 웨이퍼는 BBB를 우회하여 CNS 질환 관리에 지속적 약물 방출을 제공합니다.143,144,145,146 그러나 이러한 침습적 전략의 뇌 노출 및 손상 위험은 장기적 사용에 제한을 가했습니다. 안전성과 정밀성을 갖춘 뇌 내 약물 전달을 위해 BBB를 극복하기 위한 다양한 비침습적 전략이 탐구되었습니다.

이러한 전략에는

수동적 트랜스사이토시스, 비강 내 투여, 리간드 접합, 막 코팅, 빛, 집중 초음파, 생화학 시약 및 방사선을 이용한

BBB 파괴가 포함됩니다.

Passive transcytosis

Passive transcytosis, also known as non-specific transfers, has two possible routes across the microvascular endothelial layer, via paracellular and transcellular.147

The paracellular pathway is the principal route blocked by the tight junctions of cell gaps, restricting ions, polar solutes, and most macromolecules.148 But the tight junctions are not perfect, small and soluble substances could sufficiently cross through the paracellular pathway.149 Typically, BBB is destroyed in some brain diseases. One strategy for therapeutics to use the paracellular pathway is by downregulating the expression‎ of tight junction proteins. For example, a modulator called minoxidil sulfate (MS) that anchored the potassium channel, enhances shipping by attenuating the tight junction proteins.150 Zhou et al. developed brain tumor-targeting ligand-modified nanoparticles named CTX-mHph2-III-62%, inside which co-encapsulation of three modulators, minoxidil, lexiscan, and NECA.151 If without further engineering, the ability of terpolymer III-62% to penetrate the BBB is limited. Through co-encapsulation, such nanoparticles could release BBB modulators in the local tumor site, which adjust the permeability of BBB in the paracellular pathway to ensure more nanoparticles in the same area. Besides, Han et al. developed M@H-NPs using hyaluronic acid-based nanoparticles to load minoxidil, which can target brain metastatic tumors.152 Hyaluronic acid can specially target cell surface receptor CD44, which is highly expressed in breast cancer.153 With the help of the CD44 target and MS boost, M@H-NPs could penetrate blood–brain tumor barrier (BTB), internalizing into brain metastatic tumor cells (BMTCs), blunting drug efflux at BMTCs, and producing effective treatment which can extend the median survival time in breast cancer brain metastases models.

The transcellular pathway is the preferable route for carriers to enter and transport therapeutic compounds, when compared to the paracellular pathway. In brief, the molecules can partition into the cellular membranes from the top to the bottom lateral side through carrier-mediated and receptor-mediated transcytosis.154 In particular, lipophilic carriers and some other known carrier systems like cationic amino acids are mainly transported via the transcellular pathway. For instance, Allan et al. showed targeting is possible in intracerebral hemorrhage (ICH) using lipid nanoparticles.155 They fabricated a liposome HSPC:CHOL: DSPE-PEG2000 and injected them into ICH mice. Brain liposome accumulation was measured via radioisotope and optical detection methods, in order to investigate the kinetics of the liposome across the brain. From their results, after injection, the entry of liposome amounts peaked at 3 h and 48 h, which provided evidence that by utilizing transcellular pathways, liposomes can gather at the lesion site through self-diffusion. Gu et al. modified OX26 antibody to the surface of PEGylated cationic lipid nanoparticles to load baicalin, which was known as OX26-PEG-CSLN.156 OX26-PEG-CSLN not only can deliver drugs across BBB but also can adjust the changes of extracellular amino acids. OX26-PEG-CSLN showed a stronger effect than the baicalin solution., which might be attributed to the more enhanced ability to penetrate the BBB and prolong the valid time of the drugs.

The tightness of the BBB precludes the entrance of most pharmaceuticals into the brain via passive transcytosis, except for hydrophilic compounds which have a mass lower than 150 Da and highly hydrophobic compounds which have a mass lower than 400–600 Da.157,158 For this reason, if passive transcytosis is demanded to realize the delivery of the drugs at higher molecular weight, some strategies to enhance the BBB permeability or break BBB temporarily will be desired.

수동적 트랜스사이토시스

비특이적 전달이라고도 알려진 수동적 트랜스사이토시스는

미세혈관 내피층을 통과하는 두 가지 경로,

즉 세포 간 및 세포 간 경로를 통해 이루어질 수 있습니다.147

세포 간 틈새의 밀접 결합에 의해 차단되는 세포 간 경로는

이온,

극성 용질,

대부분의 대분자를 제한합니다.148

그러나

밀접 결합은 완벽하지 않아 작은 용해성 물질은

세포 간 경로를 통해 충분히 통과할 수 있습니다.149

일반적으로

뇌 질환에서

BBB는 파괴됩니다.

치료를 위해 세포 간 경로를 활용하는 한 전략은

밀접 결합 단백질의 발현을 억제하는 것입니다.

예를 들어, 칼륨 채널에 결합하는 조절제인 미노시딜 황산염(MS)은 밀접 결합 단백질의 활성을 억제하여 이온의 이동을 촉진합니다.150 Zhou 등 연구진은 뇌 종양 표적화 리간드 수정 나노입자 CTX-mHph2-III-62%를 개발했으며, 이 나노입자 내부에 미노시딜, 레키스칸, NECA 세 가지 조절제를 공동 캡슐화했습니다.151 추가 공학 없이 테르폴리머 III-62%의 BBB 침투 능력은 제한적입니다. 공동 캡슐화를 통해 이러한 나노입자는 종양 부위에서 BBB 조절제를 방출하여 세포 간 경로를 통해 BBB의 투과성을 조절해 동일한 영역에 더 많은 나노입자가 집중되도록 합니다. 또한 한 등(Han et al.)은 히알루론산 기반 나노입자를 사용하여 미노시딜을 탑재한 M@H-NPs를 개발했으며, 이는 뇌 전이 종양을 표적화할 수 있습니다.152 히알루론산은 유방암에서 고도로 발현되는 세포 표면 수용체 CD44를 특이적으로 표적화합니다.153 CD44 표적화와 MS 증강을 통해 M@H-NPs는 혈액-뇌 종양 장벽(BTB)을 침투해 뇌 전이 종양 세포(BMTCs) 내로 내재화되며, BMTCs에서의 약물 배출을 억제해 유방암 뇌 전이 모델에서 중간 생존 시간을 연장하는 효과적인 치료를 제공합니다.

세포 간 경로는 세포 간 경로와 비교할 때

치료 화합물을 운반하고 전달하는 데 선호되는 경로입니다.

간단히 말해,

분자들은 운반체 매개 및 수용체 매개 세포 간 이동을 통해

세포막의 상단에서 하단 측면으로 분배됩니다.154

특히,

지용성 운반체와 양이온성 아미노산과 같은 일부 알려진 운반체 시스템은

주로 세포 간 경로를 통해 운반됩니다.

예를 들어, Allan 등(Allan et al.)은 지질 나노입자를 사용하여 뇌내 출혈(ICH)에서 표적화가 가능함을 보여주었습니다.155 그들은 지질 소포체 HSPC:CHOL: DSPE-PEG2000을 제조하고 ICH 마우스에 주입했습니다. 뇌 내 지질 소포체 축적은 방사성 동위 원소 및 광학 검출 방법을 통해 측정되어 지질 소포체의 뇌 내 이동 동학을 조사했습니다. 그 결과, 주사 후 리포좀의 침투량은 3시간과 48시간에 정점을 보였으며, 이는 트랜스셀룰러 경로를 활용해 리포좀이 자체 확산을 통해 병변 부위에 집적될 수 있음을 입증했습니다. Gu 등 연구진은 OX26 항체를 PEG화 양이온성 지질 나노입자 표면에 수정하여 바이칼린을 탑재한 OX26-PEG-CSLN을 개발했습니다.156 OX26-PEG-CSLN은 BBB를 통해 약물을 전달할 뿐만 아니라 세포외 아미노산 변화를 조절할 수 있습니다. OX26-PEG-CSLN은 바칼린 용액보다 더 강한 효과를 보여주었으며, 이는 BBB를 침투하는 능력과 약물의 유효 시간을 연장하는 능력이 더 향상되었기 때문일 수 있습니다.

BBB의 밀폐성은 대부분의 약물이 수동적

전세포 이동을 통해 뇌로 들어가는 것을 차단합니다.

단,

분자량이 150 Da 미만의 친수성 화합물과

분자량이 400–600 Da 미만의 고도로 친유성 화합물은 예외입니다.157,158

이 때문에 분자량이 높은 약물의 전달을 위해 수동적 전세포 이동이 필요할 경우,

BBB 투과성을 향상시키거나 일시적으로 BBB를 파괴하는 전략이 요구됩니다.

Intranasal administration

Intranasal administration is a non-invasive route, allowing rapid brain targeting from nose to brain, when compared to direct injection by intraventricular and intraparenchymal into brain tissue.159 Except for those cleared drug molecules by mucociliary clearance, the remains of drugs entered the nasal cavity via neuronal pathway and systemic circulation. As depicted in Fig. 2a, the perineural and perivascular regions of the olfactory and trigeminal nerves are major contributors to the process of the target after intranasal administration.

There are three nose-to-brain pathways:

(1) Olfactory nerve-olfactory bulb-brain;

(2) Trigeminal nerve-brain; and

(3) Lungs/ Gastrointestinal tract-blood–brain.160 

Among them, (1) and (2) are the major routes through neuronal pathways while (3) is the minor route through the systemic circulation. Specifically, (1) is the shortest and most direct route. It has been used advantageously to deliver drugs at high speed. It was possible to complete the delivery within the time window of 1.5-6 h, and even the route via olfactory epithelial cells takes only a few minutes.161 (2) is also a direct route of drug delivery, because the trigeminal nerve locates in not only the respiratory region but also the olfactory region. The trigeminal nerve has three branches, each of them joined to the brain stem and olfactory bulb, mainly liable for sensating pain and temperature.162 (3) is an indirect route connected to the systemic circulation involving the gastrointestinal and respiratory systems. It belongs to systematic circulation, which may cause extensive drug metabolism. To sum up, the amount of indirect delivery of drugs, when compared to direct delivery, is probably less, due to unexpected elimination in the body.

비강 내 투여

비강 내 투여는 비침습적 경로로,

뇌실 내 또는 뇌 실질 내 직접 주사보다

코에서 뇌로 빠르게 표적화됩니다.159 

점막-섬모 청소로 제거되지 않은 약물 분자를 제외하고,

약물의 잔여물은 신경 경로를 통해

비강 내로 들어가 전신 순환계로 이동합니다.

그림 2a에 표시된 바와 같이,

비강 내 투여 후 표적화 과정에 주요 기여를 하는 부위는

후각 신경과

삼차 신경의 신경 주위 및

혈관 주위 지역입니다.

코에서 뇌로 이어지는 세 가지 경로가 있습니다:

(1) 후각 신경-후각 구-뇌;

(2) 삼차 신경-뇌; 및

(3) 폐/위장관-혈액-뇌.160 

There are three nose-to-brain pathways:

(1) Olfactory nerve-olfactory bulb-brain;

(2) Trigeminal nerve-brain; and

(3) Lungs/ Gastrointestinal tract-blood–brain

• •뇌로의 약물 전달을 위한 비강 내 투여 관련 최신 연구 결과 정리
• •약물이 비강에서 뇌로 이동하는 메커니즘
• •직접적인 비강-뇌 약물 전달의 임상 적용 장애물
• •비강 내 경로를 통해 뇌로의 효율적인 약물 전달을 위한 새로운 전략
• •알츠하이머 병에 대한 항알츠하이머 활성을 가진 생물활성 물질, 펩타이드 또는 기타 치료제

초록

알츠하이머 협회 보고서(2017)에 따르면, 알츠하이머 병(AD)은 미국에서 6번째 주요 사망 원인이며, 약 550만 명에게 영향을 미치고 있습니다. 2017년 alone, 미국에서의 AD 치료 비용은 $259억으로 보고되었습니다. 이 통계는 미국에서의 질병의 심각성을 보여줍니다. 이는 전 세계적으로 유사한 수준입니다. 반면, 치료 방법은 FDA 승인을 받은 몇 가지 전통적인 경구용 약물에 한정되어 있습니다. 이 약물들은 주로 경증에서 중등도의 AD에 대해 표면적으로 작용합니다. 약물의 치료 효과는 뇌 내 농도 감소(혈액-뇌 장벽(BBB) 존재로 인해)뿐만 아니라 낮은 뇌 투과성으로 인해 영향을 받습니다.

이 맥락에서, 약물을 뇌로 전달하는 경로로 전신 투여(경구 및 정맥 투여) 대신 비강 내(IN) 투여 경로가 대안으로 부상했습니다.

IN 경로를 통해 약물을 전달하는 것은 전신 투여 시스템에 비해 다양한 장점을 제공합니다.

이는 약물을 후각 경로를 통해 뇌로 직접 전달하기 때문입니다.

후각 구역에 약물이 존재하면

뇌 내 약물 생체 이용률이 증가하고

약물 분해 및 전신 정화 통한 약물 손실이 감소합니다.

그러나 IN 경로는 비강 점막을 통한 약물 투과성 저하 및 점막-섬모 정화 등 일부 한계가 존재합니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 전략(나노 약물 운반체 시스템, 콜로이드 운반체, 점막 부착 장치, 제어 투여 시스템, 전구체 약물, 등)을 활용한 투여 시스템이 개발되었습니다. 그러나 모든 연구 결과에도 불구하고, 충분한 임상 증거 부족으로 인해 항알츠하이머 약물의 코-뇌 약물 전달 시스템 중 시장 승인을 받은 사례는 매우 드뭅니다. Onzetra Xsail®은 뇌 장애인 편두통 치료를 위해 비강 투여용으로 승인된 상업용 제제입니다. 특허 분야에서도 임상 안전성 프로파일을 뒷받침할 충분한 실험적 결과를 제시할 수 있는 연구는 발견되지 않았습니다. 이는 알츠하이머 병 치료제의 비강-뇌 전달 관련 연구가 대부분 전임상 연구 단계에 머물러 있음을 강조합니다. 이 리뷰 논문에서는 다양한 알츠하이머 병 치료제를 함유한 다양한 신개념 제형에 대한 최신 연구를 논의했습니다. 이 치료제에는 갈란타민, 데페록사민, 타크린, 타렌플루빌, 리바스티그민, 리스페리돈, 커큐민, 퀘르세틴, 피페린, 인슐린, 등 및 알츠하이머 병 치료를 위한 유망한 IN 약물 전달 시스템 개발을 위한 다양한 펩타이드가 포함됩니다. 이 리뷰 논문을 통해 우리는 이 분야 연구자들의 관심을 알츠하이머 병 치료를 위한 IN 투여 방식의 실용적 적용에 따른 도전 과제와 장애물에 집중시키기를 바랍니다. 또한 임상 연구에 대한 관심은 알츠하이머 병 치료제 via IN 경로를 통한 투여 승인 절차를 간소화하는 데 기여할 것입니다.

이 중 (1)과 (2)는 신경 경로를 통해 주요 경로이며,

(3)은 전신 순환을 통해 부차적 경로입니다.

특히 (1)은 가장 짧고 직접적인 경로입니다.

이 경로는 약물을 고속으로 전달하는 데 유리하게 활용되었습니다.

1.5~6시간의 시간 창 내에서 전달을 완료할 수 있었으며,

후각 상피 세포를 통해 전달되는 경로조차 몇 분만에 완료됩니다.161 

(2)는 삼차 신경이 호흡 영역뿐 아니라

후각 영역에도 위치하기 때문에 약물 전달의 직접적인 경로입니다.

삼차신경은 세 개의 분지로 나뉘며,

각각 뇌간과 후각 구에 연결되어 주로 통증과 온도 감각을 담당합니다.

https://www.frontiersin.org/journals/drug-delivery/articles/10.3389/fddev.2023.1247162/full

(3)는 소화계와 호흡계를 통해

전신 순환계와 연결된 간접 경로입니다.

이는 전신 순환계에 속하며, 광범위한 약물 대사 가능성을 초래할 수 있습니다.

결론적으로,

간접 전달된 약물의 양은 직접 전달에 비해

예상치 못한 체내 제거로 인해 아마도 더 적을 것입니다.

Fig. 2

Intranasal administration allows rapid brain targeting from nose to brain. a Schematic illustration of the routes from the nasal cavity to the brain. b Transmission electron microscopy and structure schematic images of LENK nanoparticles. c The change of concentration of LENK in the olfactory bulb and cerebrum after the administration of nanopeptide or as the peptide alone. b, c Reproduced with permission. Copyright 2017, Elsevier. d Dynamics of fluorescence in rat trigeminal nerve. e Fluorescence intensity in the trigeminal nerve. f CSF concentration of Alexa-dextran. g Dynamics of MPEGePCLeTat complex in brain tissue. Reproduced with permission. d–g Reproduced with permission. Copyright 2013, Elsevier

Full size image

비강 내 투여는 코에서 뇌까지 신속한 뇌 표적화를 가능하게 합니다.

a 비강에서 뇌까지의 경로에 대한 개략도.

b LENK 나노입자의 투과전자현미경 및 구조 개략 이미지.

c 나노펩타이드 또는 펩타이드 단독 투여 후 후각구 및 대뇌에서의 LENK 농도 변화.

b, c 허가를 받아 재현함. Copyright 2017, Elsevier. d 쥐 삼차신경에서의 형광 동역학. e 삼차신경 내 형광 강도. f 뇌척수액 내 Alexa-dextran 농도. g 뇌 조직 내 MPEGePCLeTat 복합체의 동역학. 허가를 받아 재생산함. d–g 허가를 받아 재생산함. Copyright 2013, Elsevier

Intranasal drug delivery systems, as one of the important brain-targeted systems, possess the ability to pass through the BBB using above discussed nose-to-brain pathways. Uchegbu et al. constructed a nano-peptitde with a 30–60 nm particle size, encapsulating leucine5-enkephalin hydrochloride (LENK), and proved this nanoparticle was able to transport LENK through intranasal administration (Fig. 2b, c).163 The results presented that after administered, LENK was found in the olfactory bulb, but into the brain it was hard to find them. But using the formulations of nanoparticles, the brain distribution of LENK was facilitated, with no peripheral exposure, and within the thalamus and cortex, nanoparticle localization can be observed. Similarly, in another study, Seta et al. developed nano micelles MPEG-PCL-Tat for intranasal administration using a cell-penetrating peptide (Tat), who is derived from HIV, to modify nano micelles, which were comprised of polyethylene glycol-polycaprolactone polymers (Fig. 2d–g).164 Functionally, this system played an important role to deliver siRNA to the brain. The authors harvested nasal olfactory mucosa or olfactory bulb, and prepared frozen samples of that, demonstrating the pathway of nucleic acid transfer using the system, focusing on the major nose-to-brain pathways involving olfactory nerve and trigeminal nerve.

Due to the unique anatomical relationship between the CNS and the nasal cavity, relatively quick along with easy access for nanodrugs to the brain could be realized via intranasal administration. However, there are also some limitations, including the difference in the shape of respective nasal cavities, the exact dosing of intranasal drugs, the mucociliary elimination, and the drainage to the pharynx or to the lower part.165 Moreover, the health status of the body also needs to think, otherwise, maybe someone occurs conditions such as allergies or colds, which is not suited for intranasal administration. It appears the outcomes of delivery by the nasal route differ widely between the studies.166 Thus, the nasal route to deliver drugs into the brain is rather immature and more high-quality drug delivery systems should note to solve the above-motioned limitations.

중요 뇌 표적 전달 시스템 중 하나인 비강 내 약물 전달 시스템은

앞서 논의된 비강-뇌 경로를 통해

혈뇌 장벽(BBB)을 통과할 수 있는 능력을 지닙니다.

Uchegbu 등은 30–60nm 입자 크기의 나노펩타이드를 구축하여 류신5-엔케팔린 염산염(LENK)을 캡슐화했으며, 이 나노입자가 비강 내 투여를 통해 LENK를 전달할 수 있음을 입증했다(그림 2b, c). 163 결과에 따르면, 투여 후 LENK는 후각구에서 발견되었으나 뇌 내에서는 검출이 어려웠다. 그러나 나노입자 제형을 사용하면 LENK의 뇌 분포가 촉진되었으며, 말초 노출 없이 시상 및 피질 내에서 나노입자 국소화가 관찰될 수 있었다. 비슷하게, 다른 연구에서 Seta 등은 HIV 유래 세포 침투 펩타이드(Tat)를 사용하여 폴리에틸렌글라이콜-폴리카프로락톤 폴리머로 구성된 나노 미셀을 변형하여 비강 내 투여용 MPEG-PCL-Tat 나노 미셀을 개발했습니다(그림 2d–g). 164 기능적으로, 이 시스템은 siRNA를 뇌로 전달하는 데 중요한 역할을 했습니다. 저자들은 비강 후각 점막 또는 후각구를 채취하여 냉동 시료를 준비하고, 후각 신경과 삼차 신경이 관여하는 주요 비강-뇌 경로를 중심으로 이 시스템을 이용한 핵산 전달 경로를 입증했습니다.

중추신경계와 비강의 독특한 해부학적 관계로 인해

비강 내 투여를 통해 나노 약물이 뇌에 비교적 빠르고 쉽게 접근할 수 있다.

그러나

각 개인의 비강 형태 차이, 비강 내 약물 정확한 투여량, 점액섬모청소작용, 인두 또는 하부로의 유출 등

몇 가지 한계점도 존재한다.165

또한 신체 건강 상태도 고려해야 하며,

알레르기나 감기 같은 증상이 있는 경우

비강 내 투여가 적합하지 않을 수 있다.

연구마다

비강 경로 투여 결과가 크게 상이한 것으로 나타난다.166

따라서

뇌로 약물을 전달하는 비강 경로는 아직 미성숙한 단계이며,

상기 제한점을 해결하기 위해 더 우수한 약물 전달 시스템이 개발되어야 한다.

Ligands conjugation for brain targeting

Ligands conjugation is an active targeting strategy using ligands that have high specificity toward the receptor expressed on the brain endothelial cells.167 As shown in Fig. 3a, here we take transferrin receptors, insulin receptors, low-density lipoprotein receptors, and folate receptors as examples.

뇌 표적화를 위한 리간드 접합

리간드 접합은

뇌 내피 세포에 발현된 수용체에 대한 높은 특이성을 지닌 리간드를 활용하는 능동적 표적화 전략이다.167 

그림 3a에서 볼 수 있듯이,

여기서는 트랜스페린 수용체, 인슐린 수용체, 저밀도 지단백질 수용체, 엽산 수용체를

예시로 제시한다.

Fig. 3

Ligands conjugation is an active targeting strategy using ligands that have high specificity toward the receptor on the endothelial cells of the brain. a Schematic illustration of receptor-mediated drug delivery using ligands conjugated nanoparticles to the brain. b The MRI images of the brain of glioma-bearing mouse. The photo and micrograph image of glioma which was removed from U87-MG glioma nude mice. c Real-time imaging of the U87-MG glioma nude mice. b, c Reproduced with permission. Copyright 2020, Ivyspring International Publisher. d Microscopic visualization of nanoconjugates after permeating the BBB. Scale bar: 20 μm. Reproduced with permission. Copyright 2022, American Chemical Society. e Biodistribution results of NIR-797-labeled NP-5N and NP-5N-FRα-FA in ICR mice. Reproduced with permission. Copyright 2019, American Chemical Society

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그림 3

리간드 접합은 뇌 내피 세포의 수용체에 대한 높은 특이성을 지닌 리간드를 이용한 능동적 표적화 전략이다. 

a 뇌로 전달되는 리간드 접합 나노입자를 이용한 수용체 매개 약물 전달의 개념도. 

b 교모세포종 이식 마우스의 뇌 MRI 영상. U87-MG 교모세포종 누드 마우스에서 제거된 교모세포종의 사진 및 현미경 이미지. 

c U87-MG 교모세포종 누드 마우스의 실시간 영상. 

b, c 허가를 받아 재현함. 저작권 2020, Ivyspring International Publisher. d 혈뇌 장벽(BBB) 투과 후 나노접합체의 현미경 시각화. 스케일 바: 20μm. 허가를 받아 재현함. 저작권 2022, 미국 화학학회. e ICR 생쥐에서 NIR-797 표지된 NP-5N 및 NP-5N-FRα-FA의 생체 분포 결과. 허가를 받아 재생산함. 저작권 2019, 미국 화학학회

Transferrin receptor as a glycoprotein, has two subunits of 90 kDa linked by a disulfide bridge, participating in the transcytosis of cellular iron by each subunit is capable of binding to one molecule of transferrin.168 There have been a lot of studies undertaken using transferrin ligands. Rao et al. formulated a di-block polymer of Poly-lactic-co-glycolic acid (PLGA) and hetero bi-functional COOH-PEG-NH2, embedded with an imidazotetrazine alkylating agent (TMZ), and conjugated to a ligand (polysorbate-80/transferrin) and a stem cell targeting moiety (anti-nestin antibody).169 Such nanocomposites having targeting ligands could deliver TMZ to intracerebral glioblastoma xenografts and present favorable pharmacokinetics and anti-cancer potential. Qi et al. used RI7217, a monoclonal antibody from mouse, which shows high selectivity and sensitivity for the transferrin receptor, to modify long-circulating liposomes (Fig. 3b, c).170 In their research, hCMEC/D3 cells and U87-MG glioma cells were used to eval‎uate the uptake and mechanism of the targeted liposomes, and intracranial U87-MG glioma was used to test the capacity of the targeted liposomes to cross the BBB and anti-tumor. They concluded that RI7217 antibody decoration is a promising strategy to make a drug delivery system towards brains at the end. Xie et al. optimized dual-mediated liposomes with transferrin and cell-penetrating peptide.171 Firstly, in order to construct the rational dual-mediated liposomes, they screened the different PEG molecular weight which is used for connecting transferrin and cell-penetrating peptide (CPP) with liposomes and the densities of ligands. Then, they eval‎uated the permeability for the BBB of the liposomes to confirm‎ the role of transferrin, and the behaviors of cellular internalization and lysosomal escape to confirm‎ the role of CPP. Meanwhile, nude mice were used as models to trace Tf-CPP-SSL in vivo, demonstrating this drug delivery system performed well in brain targeting and prolonged circulation. However, it should be noted that ligands could not be easily separated from the transferrin receptor and the internalization by endo/lysosomes also compromised the detaching. For this reason, Gao and his group developed a series of nanoplatforms on the basis of acidic cleavable ligand modification.172,173 For example, acid-sensitive imine linker (DAK) was conjugated with D-T7 peptide on the nanoparticle surface, which would break up in acidic environment, facilitating the endo/lysosomal escape.174 The system was demonstrated to have significant BBB transcytosis enhancement and was employed for further use in the treatment of autism spectrum disorder. Such responsive strategy mitigates the defects of transferrin receptor-mediated transcytosis.

당단백질인 트랜스페린 수용체는

이황화 결합으로 연결된 90kDa의 두 서브유닛으로 구성되며,

각 서브유닛은 하나의 트랜스페린 분자와 결합할 수 있어

세포 내 철의 트랜스사이토시스(transcytosis)에 관여한다.168 

트랜스페린 리간드를 이용한 많은 연구가 수행되어 왔다.

Rao 등은 폴리락트산-코-글리콜산(PLGA)과 이종 이기능성 COOH-PEG-NH₂로 구성된 이중 블록 중합체를 제조하고, 여기에 이미다조테트라진 알킬화제(TMZ)를 내포시킨 후 리간드(폴리소르베이트-80/트랜스페린) 및 줄기세포 표적 모이어티(항네스틴 항체)를 접합하였다 .169 이러한 표적 리간드를 가진 나노 복합체는 뇌내 교모세포종 이종이식편에 TMZ를 전달할 수 있으며, 유리한 약동학 및 항암 잠재력을 나타냈다. Qi 등은 트랜스페린 수용체에 대한 높은 선택성과 민감도를 보이는 마우스 유래 단일클론 항체인 RI7217을 사용하여 장순환 리포좀을 개조하였다(그림 3b, c). 170 연구에서 hCMEC/D3 세포와 U87-MG 교모세포종 세포를 사용하여 표적 리포좀의 흡수 및 메커니즘을 평가했으며, 두개내 U87-MG 교모세포종을 사용하여 표적 리포좀의 혈뇌장벽(BBB) 통과 능력과 항종양 효과를 시험했다. 연구진은 RI7217 항체 장식이 궁극적으로 뇌를 향한 약물 전달 시스템을 구축하는 유망한 전략이라고 결론지었다. Xie 등은 트랜스페린과 세포 침투 펩타이드를 이용한 이중 매개 리포좀을 최적화했다.171 먼저, 합리적인 이중 매개 리포좀을 구축하기 위해, 그들은 트랜스페린과 세포 침투 펩타이드(CPP)를 리포좀에 연결하는 데 사용되는 다양한 PEG 분자량과 리간드의 밀도를 선별했다. 그런 다음, 그들은 트랜스페린의 역할을 확인하기 위해 리포좀의 BBB 투과성을 평가하고, CPP의 역할을 확인하기 위해 세포 내화 및 리소좀 탈출의 거동을 평가했다. 한편, 누드 마우스를 모델로 사용하여 생체 내에서 Tf-CPP-SSL을 추적한 결과, 이 약물 전달 시스템이 뇌 표적화와 장기간 순환에서 우수한 성능을 보인다는 것을 입증했다. 그러나 리간드가 트랜스페린 수용체로부터 쉽게 분리되지 않으며, 내포체/리소좀에 의한 내포 역시 분리를 방해한다는 점에 유의해야 한다. 이러한 이유로 Gao 연구팀은 산성 분해성 리간드 수정을 기반으로 한 일련의 나노플랫폼을 개발하였다.172,173 예를 들어, 나노입자 표면에 D-T7 펩타이드와 산에 민감한 이미인 링커(DAK)를 접합시켰는데, 이는 산성 환경에서 분해되어 엔도/리소좀 탈출을 용이하게 한다.174 이 시스템은 혈뇌장벽(BBB) 전세포이동(transcytosis)을 현저히 향상시키는 것으로 입증되었으며, 자폐 스펙트럼 장애 치료에 추가 활용되었다. 이러한 반응성 전략은 트랜스페린 수용체 매개 전세포이동의 결함을 완화한다.

Insulin receptors are highly expressed in the brain, not only in the hypothalamus, olfactory bulb, hippocampus, and striatum, but also in cerebral cortex, and cerebellum.175 Insulin could bind to the α-subunits of insulin receptors which locate outside of the cells, inducing the β-subunits which locate in the inside of the cells dimerization and autophosphorylation.176 When compared to insulin, insulin-like growth factor 1 (IGF1) showed relative lower binding affinity to insulin receptors.177 Similar intracellular signaling pathways could be initiated by both insulin and IGF1 receptors. Jörg et al. employed human serum albumin (HSA) nanoparticles to couple insulin or an anti-insulin receptor monoclonal antibody covalently.178 They used loperamide as delivered drugs inside HSA and eval‎uated the potential of loperamide across the BBB. Loperamide-loaded and insulin-modified HSA presented an increase in size because of the existence of insulin agglomeration on the surface, demonstrating the successful preparation of such insulin-targeting nanoparticles using NHS-PEG-MAL5000 crosslinker. After being injected through the tails of ICR (CD-1) mice, the NP showed significant antinociceptive effects which means loperamide was able to be transported across BBB. Frey II et al. investigated the delivery of IGF1 to CNS, confirm‎ing they reached CNS target sites of rats by administering a mixture of [125I]-labeled IGF1.179 The results from high-resolution phosphor imaging autoradiography established the specific binding of IGF1 and binding sites. Further, they proved IGF1 could activate different signaling pathways in diverse CNS areas.

인슐린 수용체는

뇌에서 고도로 발현되며,

시상하부, 후각구, 해마, 선조체뿐만 아니라 대뇌 피질과 소뇌에서도 발견된다.175 

인슐린은 세포 외부에 위치한 인슐린 수용체의 α-서브유닛에 결합하여,

세포 내부에 위치한 β-서브유닛의 이량체화와 자가인산화를 유도한다. 176 

인슐린과 비교했을 때,

인슐린 유사 성장 인자 1(IGF1)은 인슐린 수용체에 상대적으로 낮은 결합 친화성을 보였습니다.177 

인슐린과 IGF1 수용체 모두

유사한 세포 내 신호 전달 경로를 시작할 수 있습니다.

Jörg 등은 인슐린 또는 항인슐린 수용체 단일클론 항체를 공유 결합하기 위해 인간 혈청 알부민(HSA) 나노입자를 사용했습니다.178 그들은 HSA 내부에 전달 약물로 로페라미드를 사용하고, 혈뇌 장벽을 통과하는 로페라미드의 잠재력을 평가했습니다. 인슐린으로 수정한 HSA에 로페라미드를 탑재한 입자는 표면에 인슐린 응집체가 존재하여 크기가 증가했으며, 이는 NHS-PEG-MAL5000 가교제를 사용한 인슐린 표적 나노입자의 성공적인 제조를 입증했다. ICR(CD-1) 마우스 꼬리를 통해 주입된 후, 이 나노입자는 유의미한 항통각 효과를 나타냈으며, 이는 로페라미드가 BBB를 통과할 수 있음을 의미한다. Frey II 등은 [125I]표지 IGF1 혼합물 투여를 통해 쥐의 중추신경계(CNS) 표적 부위에 도달함을 확인하며 CNS로의 IGF1 전달을 연구하였다.179 고해상도 인광 영상 자동방사선 촬영 결과는 IGF1의 특이적 결합 및 결합 부위를 입증하였다. 또한 IGF1이 다양한 CNS 영역에서 서로 다른 신호 전달 경로를 활성화할 수 있음을 증명하였다.

Low-density lipoprotein receptor-related protein (LRP) as a transmembrane glycoprotein can mediate the uptake of cholesterol-rich low-density lipoprotein, including cholesterol, tocopherol, and Apos.180 The family of LRP has a lot of members, such as LRP-1, low-density lipoprotein (LDL) receptor-related protein 1B, megalin/LRP-2, apolipoprotein E receptor 2, sortilin-related receptor, LRP-5, and LRP-6.33 Previously, our group has reported an angiopep-2 (a dual-targeting ligand towards LRP-1) modified nanogel for targeted delivery of anti-epileptic drugs.181,182 The brain accumulation of electro-responsive nanogels was significantly improved by the functionalization. Interestingly, although the mechanism remains to be explored, the nanogel was found to distribute at temporal lobe which is the common brain region of epileptic focus. Chung et al. synthesized nanoparticles conjugated with angiopep-2 which have core-shell structure, to target and treat glioma.183 They proved the decoration of angiopep-2 can improve selective glioma targeting for the amounts of cellular uptake of nanoparticles by C6 glioma cells were higher than that by L929 fibroblasts. Besides, when to contrast the control group, intravenous injection of these angiopep-2 decorated nanoparticles could achieve a 10-fold diminution in tumor volume. Holler and co-wokers reported six peptide vectors were attached to a poly(β-l-malic acid)-trileucine polymer (Fig. 3d).184 These peptides could act the specific targeting function, aiming at low-density lipoprotein receptor-related protein-1, transferrin receptor, bee venom-derived ion channel, and Aβ/LRP-1 related transcytosis complex. They studied the ability of nanoconjugates to cross the BBB extensively, including tumor-bearing brains, Alzheimer’s disease-like brains, and healthy brains. What’s more, they conducted molecular mechanisms about regulating cross-talks between transcytosis pathways.

저밀도 지단백 수용체 관련 단백질(LRP)은

막을 통과하는 당단백질로서 콜레스테롤, 토코페롤, 아포단백질 등을 포함한

콜레스테롤이 풍부한 저밀도 지단백질의 흡수를 매개할 수 있다.180 

LRP 계열에는

LRP-1, 저밀도 지단백(LDL) 수용체 관련 단백질 1B, 메갈린/LRP-2, 아포지단백질 E 수용체 2,

소르틸린 관련 수용체, LRP-5, LRP-6 등이 있다.33 

본 연구팀은 이전에 항경련제 표적 전달을 위한 안지오펩-2(LRP-1을 이중 표적하는 리간드) 변형 나노겔을 보고한 바 있다.181,182 이 기능화를 통해 전기 반응성 나노겔의 뇌 축적 효율이 현저히 향상되었다. 흥미롭게도, 그 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았지만, 이 나노겔은 간질 초점의 일반적인 뇌 영역인 측두엽에 분포하는 것으로 밝혀졌습니다. Chung 등은 교모세포종을 표적화하고 치료하기 위해 코어-쉘 구조를 가진 안지오펩-2 접합 나노입자를 합성했습니다.183 그들은 안지오펩-2의 접합이 C6 교모세포에 의한 나노입자의 세포 내 흡수량이 L929 섬유아세포에 의한 것보다 더 높다는 점에서 선택적 교모세포 표적화를 향상시킬 수 있음을 입증했습니다. 또한 대조군과 비교했을 때, 이러한 안지오펩-2가 부착된 나노입자를 정맥 주사했을 때 종양 부피가 10배 감소하는 효과를 달성할 수 있었다. Holler와 공동 연구자들은 6개의 펩타이드 벡터가 폴리(β-l-말산)-트릴루신 중합체에 부착된 것을 보고했습니다(그림 3d).184 이 펩타이드들은 저밀도 지단백 수용체 관련 단백질-1, 트랜스페린 수용체, 꿀벌 독 유래 이온 채널, Aβ/LRP-1 관련 트랜스사이토시스 복합체를 표적으로 하는 특정 표적 기능을 수행할 수 있습니다. 그들은 종양이 있는 뇌, 알츠하이머병과 유사한 뇌, 건강한 뇌를 포함하여 BBB를 광범위하게 통과하는 나노접합체의 능력을 연구했습니다. 더 나아가, 그들은 트랜스사이토시스 경로 간의 교차 통신을 조절하는 분자 메커니즘에 대해 연구했습니다.

Folate receptors, high-affinity receptors, could mediate the cell uptake of folate or folic acid (FA), anticipating DNA synthesis and nutrient provision.185 They are in relatively common use in the design of drug delivery systems. Zhang et al. demonstrated a grapefruit-derived nanovector (GNV) coated with folic acid to carry miR17 for treating the GL-26 brain tumors which is one kind of the folate receptor-positive tumors.186 They found GNV reduces the toxicity of the polyethylenimine, which was used for the load of RNA, and FA-GNVs show better targeting behavior than GNVs with rapid movement into the brain within 1.5 h. Shu et al. constructed a folate-modified polymeric micellar delivery system using the thin-film hydration method.187 The delivery drug was pterostilbene (Pt) and the main structure of this system was contributed by mPEG-PCL. Compared to free Pt/mPEG-PCL, FA-Pt/mPEG-PCL showed enhanced toxicity toward folate receptors-overexpressing A172 cells, which proves folate anticipated in the condensation of Pt in A172 cells through folate receptor-mediated route. Additionally, in vivo, they analyzed the BBB penetration value and drug targeting index, illustrating the developed delivery system had great potential for brain delivery. Sosnik et al. produced poly(ethylene glycol)-b-poly(ε-caprolactone) block polymers and functioned them in the edge with folate receptor alpha (FRα) and FA (Fig. 3e).188 Modified nanoparticles showed better compatibility and greater internalized extent by primary human choroid plexus epithelial cells. After intravenous administration, the biodistribution of unmodified nanoparticles and FRα-FA-modified nanoparticles was tested. As results showed from the systemic circulation, the introduction of FRα and FA to the surface of nanoparticles promote brain accumulation.

고친화성 수용체인 엽산 수용체는

엽산 또는 엽산(FA)의 세포 흡수를 매개하여

DNA 합성과 영양 공급을 촉진할 수 있다.185

이들은 약물 전달 시스템 설계에 비교적 흔히 사용된다.

장(Zhang) 등은 포리산으로 코팅된 자몽 유래 나노벡터(GNV)가 엽산 수용체 양성 종양의 일종인 GL-26 뇌종양 치료를 위해 miR17을 운반함을 입증했다.186 그들은 GNV가 RNA 적재에 사용된 폴리에틸렌이미드의 독성을 감소시키고, 또한 FA-GNV는 GNV 대비 우수한 표적화 특성을 보이며 1.5시간 이내에 뇌로 신속히 이동하는 것으로 나타났다. Shu 등은 박막 수화법을 이용해 엽산 변형 고분자 미셀 전달 시스템을 구축하였다.187 전달 약물은 프테로스틸벤(Pt)이었으며, 이 시스템의 주요 구조는 mPEG-PCL이 담당하였다. 자유 Pt/mPEG-PCL 대비 FA-Pt/mPEG-PCL은 엽산 수용체 과발현 A172 세포에 대한 독성이 향상되었으며, 이는 엽산 수용체 매개 경로를 통해 A172 세포 내 Pt 응집에 엽산이 관여함을 입증한다. 또한 생체 내 혈뇌장벽 투과율 및 약물 표적 지수를 분석한 결과, 개발된 전달 시스템이 뇌 전달에 큰 잠재력을 지닌 것으로 나타났다. Sosnik 등은 폴리에틸렌글라이콜-b-폴리에틸렌카프로락톤 블록 중합체를 제조하고 엽산 수용체 알파(FRα) 및 FA로 표면 기능화하였다(그림 3e).188 개질된 나노입자는 1차 인간 뇌실막 상피세포에 대해 더 나은 생체 적합성과 더 큰 내부화 정도를 보였다. 정맥 투여 후, 미수정 나노입자와 FRα-FA 수정 나노입자의 생체 분포를 시험하였다. 전신 순환 결과에서 나타난 바와 같이, 나노입자 표면에 FRα와 FA를 도입하면 뇌 축적이 촉진된다.

Membrane coating for brain targeting

Recently, cell membranes as a new root of materials have gained wide focus. They have unique characteristics coming from their parent cells, including the natural functionalities and transmitting information networks that could conquer many obstacles confronted in vivo.23 Thanks to the multiple molecular interactions (hydrogen binding, electrostatic interaction, π interaction, etc.) and specific receptor recognition, between the membranes and potential substrates, the membranes of interest could be serve as the outer layer of the delivery systems.189,190,191 For this reason, many drug delivery systems based on different cells’ membrane coating, such as red cell membrane, brain tumor cell membrane, immune cell membrane, and so on, could endow the brain targeting abilities (Fig. 4a).192,193,194

뇌 표적화를 위한 막 코팅

최근 세포막은

새로운 재료 원천으로 광범위한 관심을 받고 있다.

모세포로부터 유래된 고유한 특성,

즉 생체 내에서 직면하는 많은 장벽을 극복할 수 있는 자연적 기능성과 정보 전달 네트워크를 지닌다.23

막과 잠재적 기질 사이의 다중 분자 상호작용(수소 결합, 정전기적 상호작용, π 상호작용 등) 및

특정 수용체 인식 덕분에, 관심 있는 막은

전달 시스템의 외층으로 활용될 수 있다. 189,190,191

이러한 이유로

적혈구 막, 뇌종양 세포막, 면역 세포막 등 다양한 세포막 코팅을 기반으로 한

다수의 약물 전달 시스템이 뇌 표적 능력을 부여받을 수 있다(그림 4a).192,193,194

Fig. 4

Cell membranes donate drug delivery systems with the brain targeting abilities. a Schematic illustration of examples of cell membrane coating strategies. b The fluorescence images of orthotopic U87-Luc glioblastoma tumor. c In vivo pharmacokinetics. d Quantification in different organs and tumor of (doxorubicin) DOX accumulation. b–d Reproduced with permission. Copyright 2018, Wiley-VCH. e The analysis of PD-1 levels on different phenotypes of macrophages. f The analysis of the PD-1+ cell ratio in different types of macrophages. g The fluorescence images pictured in groups of PLGA/DiR and PD-1-MM@PLGA/DiR. h Immunohistochemistry staining images. Scale bar: left 1 mm; right 50 μm. e–h Reproduced with permission. Copyright 2022, American Chemical Society. i Schematic illustration of the process of NK@AIEdots to inhibit the growth of the brain tumor. Reproduced with permission. Copyright 2020, American Chemical Society

그림 4

세포막은 뇌 표적 능력을 가진 약물 전달 시스템을 제공합니다. a 세포막 코팅 전략의 예시 도식화. b 동종 이식 U87-Luc 교모세포종 종양의 형광 이미지. c 생체 내 약동학. d (독소루비신) DOX 축적의 다양한 장기 및 종양 내 정량화. b–d 허가를 받아 재생산함. 저작권 2018, Wiley-VCH. e 다양한 대식세포 표현형에서의 PD-1 수준 분석. f 다양한 유형의 대식세포에서 PD-1+ 세포 비율 분석. g PLGA/DiR 및 PD-1-MM@PLGA/DiR 그룹의 형광 이미지. h 면역조직화학 염색 이미지. 척도 막대: 왼쪽 1 mm; 오른쪽 50 μm. e–h 허가를 받아 재현함. 저작권 2022, American Chemical Society. i NK@AIEdots가 뇌종양 성장을 억제하는 과정의 개략도. 허가를 받아 재현함. 저작권 2020, American Chemical Society

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Red blood cells, or erythrocytes, have been exploited as delivery systems due to the advantages of prolonging the life span of drugs in circulation and preventing drugs from immune clearance for many years.195 They are easy to obtain and have uniformed size and shape. CD47 proteins rich on the red cell membrane ensure red cell membrane-coated systems can circulate almost 100–120 days without being cleared by macrophages.196 Lu et al. used a facile method of avidin-biotin chemistry to modify the red blood cell membrane with CDX peptide, which shows high bond towards nicotinic acetylcholine receptors.197 They demonstrated successful preparation of the modified blood cell membrane-coated systems and loading of DOX. And they verified the red cell membrane coating could improve the circulation time of the systems and locate them close to tumor vessels. Both targeting and therapeutic efficiency studies in cells and in animals illustrated that red blood cell membrane-peptide-coated systems not only had the capability to traverse the BBB, displaying exceptional brain targeting effect, but also could release DOX and prolong the survival of mice. Shi’s group developed a biomimetic nanoparticles by modifying angiopep-2 to the surface of red blood cell membranes to camouflage polymer which was pH-sensitive and coload with anti-cancer drug DOX and BBB regulator lexiscan (Fig. 4b–d).198 The system with low immunogenicity and systemic toxicity improved blood cycle time and tumor accumulation in U87MG glioblastoma tumor-bearing nude mice.

Brain tumor cell membrane, originated from brain tumor cells, tend to have homotypic targeting, long-time circulation, and BBB crossing abilities.199 Specific membrane proteins, such as focal adhesion proteins, integrin, focal adhesion kinase, and ras homologous family proteins, contribute to the functions of brain tumor cell membrane-coated systems.200 Liu et al. fabricated lanthanide-doped nanoparticles with the coating of brain tumor cell membrane, which can be used for brain tumor visualization and surgical navigation in the window from 1500 nm to 1700 nm in near-infrared-IIb.201 Because of the existence of the cell membrane from the brain tumor, this nanoparticle could easily home to the tumor site. They compared the particle with indocyanine green which is a clinically approved imaging agent, and discovered this particle had a superior resolution with lower background signals, offering a clear view of the location of the tumor.

Immune cell membranes, like their mother immune cells, are a promising choice for constructing drug delivery systems, showing great biocompatibility and unnoticeable adverse effects to normal cells.202

적혈구(적혈구)는

순환 중 약물의 수명을 연장하고

면역 제거로부터 약물을 보호하는 장점 덕분에 수년간 전달 시스템으로 활용되어 왔다.195

적혈구는 쉽게 얻을 수 있으며

균일한 크기와 형태를 지닌다.

적혈구 막에 풍부하게 존재하는 CD47 단백질은

적혈구 막으로 코팅된 시스템이 대식세포에 의해 제거되지 않고

거의 100–120일 동안 순환할 수 있도록 보장한다.

196 Lu 등은

아비딘-비오틴 화학을 이용한 간편한 방법으로

적혈구 막을 니코틴성 아세틸콜린 수용체에 대한 높은 결합력을 보이는

CDX 펩타이드로 변형시켰다.197

그들은 변형된 혈구막 코팅 시스템의 성공적인 제조와 DOX 적재를 입증했다. 또한 적혈구막 코팅이 시스템의 순환 시간을 개선하고 종양 혈관 근처에 위치시킬 수 있음을 확인했다. 세포 및 동물 모델에서의 표적화 및 치료 효율 연구 결과, 적혈구 막-펩타이드 코팅 시스템은 혈뇌 장벽(BBB)을 통과할 수 있을 뿐만 아니라 탁월한 뇌 표적화 효과를 보였으며, DOX를 방출하고 생쥐의 생존 기간을 연장할 수 있음을 보여주었다. Shi 연구팀은 적혈구 막 표면에 Angiopep-2를 수정한 생체모방 나노입자를 개발하여 pH 감응성 폴리머를 위장하고 항암제 DOX 및 BBB 조절제 Lexiscan을 동시 적재하였다(그림 4b–d). 198 이 시스템은 낮은 면역원성과 전신 독성을 보이며 U87MG 교모세포종 종양 이식 누드 마우스에서 혈액 순환 시간과 종양 축적도를 개선하였다.

뇌종양 세포막은 뇌종양 세포에서 유래되어 동종 타겟팅, 장시간 순환 및 BBB 통과 능력을 가지는 경향이 있다.199 초점 접착 단백질, 인테그린, 초점 접착 키나제 및 ras 동족 단백질과 같은 특정 막 단백질은 뇌종양 세포막 코팅 시스템의 기능에 기여한다. 200 Liu 등은 뇌종양 세포막으로 코팅된 란타나이드 도핑 나노입자를 제작하여, 근적외선 IIb 영역인 1500nm에서 1700nm 사이에서 뇌종양 시각화 및 수술 내비게이션에 사용할 수 있게 했다.201 뇌종양 세포막이 존재하기 때문에, 이 나노입자는 종양 부위로 쉽게 귀소할 수 있었다. 이들은 임상적으로 승인된 영상제인 인도시아닌 그린과 이 입자를 비교한 결과, 이 입자가 더 낮은 배경 신호로 우수한 분해능을 보여 종양 위치를 선명하게 볼 수 있음을 발견했습니다.

모세포와 마찬가지로 면역 세포막은 약물 전달 시스템 구축에 유망한 선택지이며, 뛰어난 생체 적합성과 정상 세포에 대한 미미한 부작용을 보여줍니다.202

Macrophages play important part in the physiological microenvironment and the polarization of their phenotypes affects tumor progression and metastasis directly. In response to neuroinflammation, macrophages could be activated into anti-inflammatory state, serving as protectors digesting cell debris and pathogens, as well as releasing anti-inflammatory factors and activating other immune cells. Thus, the macrophage-based strategy for drug delivery harnesses the prolonged circulation time, abundant surface receptors, and active targeting ability of macrophages under specific phenotype.203 Wang et al. enhanced programmed cell death-1 expression‎ on macrophage membranes and coated them onto rapamycin (RAPA)-loaded PLGA core to fabricate a novel nano-platform (PD-1-MM@PLGA/RAPA) (Fig. 4e-h).204 Macrophage membranes help the nano-platform to travel across the BBB in response to multiple chemokines. Programmed cell death-1 expression‎ on macrophage membranes optimized the efficacy of immunotherapy, due to the PD-1/PD-L1 signal axis blockade. RAPA, as model drug, could induce cancer cell death and complement immunotherapy. This novel nano-platform provided an anti-glioblastoma multiforme (GBM) strategy through the combination of chemotherapy and immunotherapy. Their results showed more tumor-infiltrating immune-stimulatory cells, especially CD8+ cytotoxic T-lymphocyte, were recruited and triggered the release of anti-tumor cytokines, magnifying the anti-tumor effect. Sun et al. attached rabies virus glycoprotein and triphenylphosphine cation molecules on the macrophages membrane and coated them to solid lipid nanoparticles (SLNs), constructing RVG/TPP-MASLNs for delivering natural antioxidants Genistein (GS) to neuronal mitochondria which is a new curative target for Alzheimer’s disease.205 The MA membranes provided RVG/TPP-MASLNs with favorable biocompatibility and reticuloendothelial system evasion behaviors. In addition, the combination of MA membranes and functional ligands endowed RVG/TPP-MASLNs with the capabilities for double targeting including neuronal targeting and mitochondria targeting.

대식세포는

생리적 미세환경에서 중요한 역할을 하며,

그 표현형의 분극화는 종양 진행과 전이에 직접적인 영향을 미칩니다.

신경염증에 반응하여

대식세포는 항염증 상태로 활성화될 수 있으며,

세포 잔해물과 병원체를 소화하는 보호자 역할을 할 뿐만 아니라

항염증 인자를 방출하고 다른 면역 세포를 활성화합니다.

따라서

특정 표현형 하에서 대식세포 기반 약물 전달 전략은

대식세포의 연장된 순환 시간, 풍부한 표면 수용체 및 능동적 표적 능력을 활용합니다.203 

Wang 등은 대식세포 막에서 프로그램된 세포사멸-1(PD-1) 발현을 증강시키고, 이를 라파마이신(RAPA)을 함유한 PLGA 코어에 코팅하여 새로운 나노 플랫폼(PD-1-MM@PLGA/RAPA)을 제작하였다(그림 4e-h).204 대식세포 막은 나노 플랫폼이 여러 케모카인에 반응하여 혈뇌 장벽(BBB)을 통과하는 데 도움을 준다. 대식세포 막상의 PD-1 발현은 PD-1/PD-L1 신호 축 차단을 통해 면역치료 효능을 최적화했다. 모델 약물인 RAPA는 암세포 사멸을 유도하여 면역치료를 보완할 수 있다. 이 새로운 나노 플랫폼은 화학요법과 면역치료의 결합을 통해 다형성 교모세포종(GBM) 치료 전략을 제시했다. 그들의 결과는 더 많은 종양 침윤 면역 자극 세포, 특히 CD8+ 세포독성 T 림프구가 모집되어 항종양 사이토카인 방출을 유발함으로써 항종양 효과를 증폭시켰음을 보여주었다. Sun 등은 광견병 바이러스 당단백질과 트리페닐포스핀 양이온 분자를 대식세포 막에 부착하고 이를 고체 지질 나노입자(SLNs)에 코팅하여 알츠하이머병의 새로운 치료 표적인 신경 세포 미토콘드리아에 천연 항산화제 제니스테인(GS)을 전달하기 위한 RVG/TPP-MASLN을 구축하였다.205 MA 막은 RVG/TPP-MASLN에 우수한 생체 적합성과 망상 내피계 회피 특성을 부여하였다. 또한, MA 막과 기능성 리간드의 결합은 RVG/TPP-MASLNs에 신경 표적화와 미토콘드리아 표적화를 포함한 이중 표적화 능력을 부여했습니다.

Neutrophils are the main type of white blood cells defensing against the pathogens and could migrate from circulation to injured brain region by crossing the BBB. Upon recruitment, the membrane adhesion proteins such as intercellular adhesion molecule-1 on endothelial cells are up-regulated, and the proteins including integrin β2, macrophage-1 antigen, and lymphocyte function-associated antigen 1 are overexpressed on the neutrophil membrane, together facilitating the transmigration.206 Chen et al. proposed a “nanobuffer”, (LA-NM-NP/CBD), that has a clear structure.201 The inner core consists of PLGA nanoparticles and reactive oxygen species (ROS)-scavenging cannabidiol (CBD). The neutrophil membrane serves as the shell to orient to the infarct core while α-lipoic acid (LA) serves as the corona to scavenge ROS. They used LA-NM-NP/CBD to change the adverse environment of the brain and take care of the salvageable penumbra for the therapy of ischemic stroke.

호중구는

병원체에 대항하는 백혈구의 주요 유형으로,

순환계에서 BBB를 통과하여 손상된 뇌 영역으로 이동할 수 있습니다.

유입 시, 내피 세포의 세포간 접착 분자-1과 같은 막 접착 단백질이 상향 조절되고,

인테그린 β2, 대식세포-1 항원 및 림프구 기능 관련 항원 1을 포함한 단백질이

호중구 막에서 과발현되어 함께 전이 이동을 촉진합니다.206

Chen 등은 명확한 구조를 가진 “나노버퍼”, (LA-NM-NP/CBD)를 제안했는데, 이는 명확한 구조를 지닌다.201 내부 코어는 PLGA 나노입자와 활성산소종(ROS) 제거제인 칸나비디올(CBD)로 구성된다. 호중구 막은 심근경색 부위로 향하는 방향을 잡는 껍질 역할을 하며, 알파-리포산(LA)은 ROS를 제거하는 코로나 역할을 한다. 연구진은 LA-NM-NP/CBD를 활용해 뇌의 불리한 환경을 개선하고, 허혈성 뇌졸중 치료를 위해 구제 가능한 반음영 영역을 관리했다.

Natural killer (NK) cells are large granular lymphocytes and can naturally undergo immunosurveillance of diseased/stressed cells.207 With the assistance of inhibitory and activating receptors on the cell surface such as LAF-1 and VLA-4, they could efficient target specific cells, providing the potential of brain-targeted delivery. They can directly bind to cancer cells via receptors and kill them without prior sensitization. Tang and co-workers developed nanorobots by coating an aggregation-induced emission-active polymeric endoskeleton with a membrane from NK cells to mimic NK cells (Fig. 4i).208 The mechanistic studies demonstrated that receptors from NK cells to the surface of the nanorobots, play a major duty in BBB traversing and tumor identification. Besides, with help of a laser, the AIE-active conjugated polymer could be a tight junction modulator, helping to disrupt the tight junction and making this nanorobot cross the BBB easier.

자연살해(NK) 세포는

대형 과립 림프구로, 병변/스트레스 세포에 대한 자연적 면역 감시 기능을 수행한다.207

세포 표면의 LAF-1, VLA-4 등 억제성/활성화 수용체의 도움으로

특정 세포를 효율적으로 표적화하여

뇌 표적 전달 가능성을 제공한다.

수용체를 통해 암세포에 직접 결합하여

사전 감작 없이도 사멸시킬 수 있다.

Tang과 공동 연구진은 응집 유도 발광 활성 고분자 내골격을 NK 세포 막으로 코팅하여 NK 세포를 모방한 나노로봇을 개발하였다(그림 4i).208 기전 연구에 따르면, 나노로봇 표면의 NK 세포 수용체가 혈뇌장벽(BBB) 통과 및 종양 식별에 주요 역할을 하는 것으로 나타났다. 또한 레이저의 도움으로 AIE 활성 공액 폴리머는 단단한 접합 조절제 역할을 하여 단단한 접합을 파괴하고 이 나노로봇이 BBB를 더 쉽게 통과하도록 돕습니다.

External stimuli-mediated BBB disruption

To regulate the BBB permeability, external stimuli-mediated BBB disruption based on the energy conversion materials has been widely explored. Such strategies can be manipulated with various external stimulations, such as light, ultrasound, electroacupuncture, etc.

외부 자극 매개 BBB 파괴

BBB 투과성을 조절하기 위해

에너지 변환 물질을 기반으로 한

외부 자극 매개 BBB 파괴가 광범위하게 연구되어 왔습니다.

이러한 전략은

빛, 초음파, 전기침술 등 다양한 외부 자극으로 조작될 수 있다.

Light has been widely used due to its advantages, such as spatiotemporal precision, minimized scattering and domestic nonlinear absorption.27 As mentioned in the above chapter, light could help to open the BBB, inducing specific changes in the integrity of BBB. This phenomenon is temporary and could recover. In 1990, Eggert et al. investigated the Nd:YAG laser irradiation.209 They found laser irradiation immediately caused BBB breakdown which looked to be associated with structural damaged regions of brain microvessels. Besides, it suggested that laser-induced BBB abnormality or impairment is monophasic. After irradiation, the BBB dysfunction peaked at 2 h and persisted for 24 h approximately. However, the effects on brain from the irradiation is highly dependent on power intensity, irradiation time and distance between laser source and targeted area, which in all contributed to the temperature elevation. Thanks to the development of temperature measurement technology, researchers are able to monitor the temperature in a non-contact manner. Among all, near-infrared light (NIR) at the wavelength from 700 to 1600 nm has attracted great attention in this field due to its deep tissue penetration.210,211,212 In recent studies, NIR irradiation for BBB permeability regulation was applied under infrared thermal monitoring and the head temperature was kept lower than 43 °C. At this power intensity, the irradiation caused negligible brain damage confirmed by histological staining.213,214 The reduced transendothelial electrical resistance of cellular monolayer induced by irradiation could recover within 10 min.215 In 2011, Choi et al. reported without compromising vascular integrity, the ultrashort pulsed laser could induce transient leakage of blood plasma.216 They combined the ultrashort pulsed laser with a systemic injection to deliver target molecules to brain cortex and different other tissues. This strategy allowed invasive local delivery to an extremely small extent. In 2018, Guo and co-workers demonstrated that 2D black phosphorus nanosheets that possess excellent photothermal effects can be a new neuroprotective platform to selectively capture Cu2+ for treating neurodegenerative disorders.214 Under near-infrared irradiation, local hyperthermia for five minutes with the temperature at 41–43 °C increased the generation of tiny mechanical waves thus increasing the BBB permeability. Their results showed that the power density of light could be kept over 37% of the original value and the depth could be ~1.3–2.6 mm for the mouse brain. In addition, they studied the risk of cerebral thrombosis using nuclear magnetic resonance imaging and found no obvious cerebral thrombosis, which means the black phosphorus nanosheets have great potential in future clinical applications. In 2019, Wang and co-workers also designed black phosphorus nanosheets-based drug delivery system for loading with the antidepressant drug, Fluoxetine.217 They conducted the release ability of fluoxetine and proved 90% of the drugs could be released under 30 min light irradiation. For in vivo studies, they reported, with near-infrared irradiation, the local temperature was kept at 41–43 °C for five minutes. Finally, they compared free fluoxetine and black phosphorus nanosheets loaded fluoxetine and got the conclusion that black phosphorus nanosheets loaded fluoxetine shorted the therapy time of depression with the help of light. In 2021, Qin et al. modulated BBB by using light boost of molecular targeted nanoparticles, the synthesized gold nanoparticles, which were conjugated with the antibody BV11.218 Their results showed after light stimulation of BV11 modified gold nanoparticles, tight junctions of BBB ameliorated, allowing particles like macromolecules and virus to cross. Brain microvasculature and parenchyma were also examined. There were no obvious disruptions in vast dynamics or neuronal injury. Recently, an electro-responsive dopamine-pyrrole hybrid system that improved the delivery efficiency of anti-epileptic drugs by improving the cross of BBB via the combination of receptor-mediated transcytosis and photothermal conversion of NIR were reported.215 This system was smart for epilepsy pharmacotherapy, showing enhanced conductivity and sensitivity in various seizure models, including acute seizure, continuous seizure, and spontaneous seizure. The authors realized two hours sustained and 30 s rapid release of phenytoin and reduced drug dosage.

빛은

시공간적 정밀도, 최소화된 산란, 국소 비선형 흡수 등의 장점으로

널리 사용되어 왔다.27

앞서 언급한 바와 같이,

빛은 BBB의 무결성에 특정 변화를 유도하여 BBB를 개방하는 데 도움을 줄 수 있다.

이 현상은 일시적이며 회복될 수 있다.

1990년 Eggert 등은 Nd:YAG 레이저 조사 효과를 연구하였다.209 그들은 레이저 조사가 뇌 미세혈관의 구조적 손상 부위와 연관된 것으로 보이는 BBB 파괴를 즉각적으로 유발함을 발견했다. 또한 레이저에 의한 BBB 이상 또는 손상은 단상적(monophasic)임을 시사하였다. 조사 후 BBB 기능 장애는 2시간에 정점에 달했으며 약 24시간 동안 지속되었다. 그러나 조사에 의한 뇌 영향은 출력 강도, 조사 시간, 레이저 소스와 표적 영역 간 거리 등에 크게 의존하며, 이 모든 요소가 온도 상승에 기여한다. 온도 측정 기술의 발전 덕분에 연구자들은 비접촉 방식으로 온도를 모니터링할 수 있게 되었다. 특히 700~1600nm 파장의 근적외선(NIR)은 깊은 조직 투과성으로 인해 이 분야에서 큰 관심을 받고 있다.210,211,212 최근 연구에서는 적외선 열 모니터링 하에 NIR 조사로 혈뇌장벽 투과성 조절을 적용했으며, 두부 온도는 43°C 미만으로 유지되었다. 이 출력 강도에서 조사로 인한 뇌 손상은 조직학적 염색을 통해 확인된 바 미미했습니다.213,214 조사로 유발된 세포 단일층의 혈관내피 전기 저항 감소는 10분 이내에 회복될 수 있었습니다.215 2011년, 최 등(Choi et al.)은 혈관 무결성을 손상시키지 않으면서 초단펄스 레이저가 혈장 일시적 누출을 유도할 수 있다고 보고하였다.216 그들은 초단펄스 레이저를 전신 주사와 결합하여 표적 분자를 대뇌 피질 및 다양한 다른 조직에 전달하였다. 이 전략은 극히 작은 범위에서 침습적 국소 전달을 가능하게 하였다. 2018년, Guo와 공동 연구진은 우수한 광열 효과를 지닌 2차원 흑인산 나노시트가 신경퇴행성 질환 치료를 위해 Cu2+를 선택적으로 포획하는 새로운 신경보호 플랫폼이 될 수 있음을 입증했다.214 근적외선 조사 하에서 41–43°C의 온도로 5분간 국소 고열 치료를 시행하면 미세 기계적 파동 생성이 증가하여 혈뇌장벽 투과성이 향상되었다. 그들의 결과에 따르면, 빛의 전력 밀도는 원래 값의 37% 이상으로 유지될 수 있으며, 쥐 뇌의 경우 깊이는 ~1.3–2.6 mm로 나타났습니다. 또한 핵자기공명영상(NMR)을 이용해 뇌혈전증 위험을 연구한 결과, 뚜렷한 뇌혈전증은 발견되지 않았으며, 이는 흑인산화물 나노시트가 향후 임상 적용에 큰 잠재력을 지닌다는 것을 의미합니다. 2019년 왕(Wang)과 공동 연구진은 항우울제인 플루옥세틴(Fluoxetine)을 탑재하기 위한 흑인산 나노시트 기반 약물 전달 시스템도 설계했다.217 그들은 플루옥세틴의 방출 능력을 실험하여 30분 광조사 하에서 약물의 90%가 방출될 수 있음을 입증했다. 생체 내 연구에서 그들은 근적외선 조사 시 국소 온도가 5분 동안 41~43°C로 유지된다고 보고했다. 최종적으로 자유 플루옥세틴과 흑인산 나노시트에 탑재된 플루옥세틴을 비교한 결과, 빛의 도움으로 흑인산 나노시트 탑재 플루옥세틴이 우울증 치료 시간을 단축시킨다는 결론을 얻었다. 2021년 Qin 등은 항체 BV11과 접합된 합성 금 나노입자라는 분자 표적 나노입자의 광 증강을 이용해 BBB를 조절했다.218 그들의 결과에 따르면 BV11 변형 금 나노입자에 대한 광 자극 후 BBB의 단단한 접합부가 개선되어 고분자 및 바이러스와 같은 입자가 통과할 수 있게 되었다. 뇌 미세혈관 및 실질도 검사되었다. 광역 역학이나 신경 세포 손상에 뚜렷한 교란은 없었습니다. 최근, 수용체 매개 전세포이동과 근적외선(NIR)의 광열변환을 결합하여 BBB 통과를 개선함으로써 항간질약 전달 효율을 향상시킨 전기 반응성 도파민-피롤 하이브리드 시스템이 보고되었다.215 이 시스템은 급성 발작, 지속성 발작, 자발적 발작 등 다양한 발작 모델에서 향상된 전도도와 민감도를 보여 간질 약물 치료에 적합한 스마트 시스템으로 입증되었다. 저자들은 페니토인의 2시간 지속 방출 및 30초 신속 방출을 실현하고 약물 용량을 감소시켰다.

Ultrasound is a technique that can noninvasively focus deep into the body using an ultrasound field.219 They are mechanical or elastic vibrations in a medium of a frequency above the range of human hearing (18–20 kHz).220 Since the 1940s, ultrasound has been noted for non-invasive ablation in the brain.221 For ultrasonic BBB disruption, varied sonication parameters can cause different impacts, including the threshold pressure, the magnitude, and the drug quantity for delivering.222 

초음파는

초음파장을 이용해 신체 깊숙이 비침습적으로 집중시킬 수 있는 기술이다.219 

이는 인간 청각 범위(18–20kHz) 이상의 주파수를 가진

매질 내 기계적 또는 탄성 진동이다. 220 

1940년대부터 초음파는

뇌 내 비침습적 절제술에 활용되어 왔다.221 

초음파를 이용한 혈뇌장벽(BBB) 파괴 시,

전달되는 약물의 역치 압력, 진폭, 양 등 다양한 초음파 처리 매개변수가

서로 다른 영향을 미칠 수 있다. 222 

In recent years, gas-filled microbubble has emerged as a contrast agent in conjunction with ultrasound for opening the BBB in an image-guided and targeted manner, ensuring the local delivery of drugs.223 Qin et al. constructed a microbubble delivery system, fixing quercetin-modified sulfur nanoparticles.224 In combination with ultrasound, this system could accumulate in the brain and promote drug delivery because of the transient opening of the BBB. Moreover, Qc@SNPs-MB effectively treated Alzheimer’s disease by protecting nerve cells and reducing endoplasmic reticulum stress which comes from oxidative stress, inflammatory response, calcium homeostasis imbalance, and neuronal apoptosis. Price’s group utilized gas-filled microbubbles for the selective transfection of endothelial cells of the cerebral vasculature.225 The negative mCherry plasmid was conjugated to cationic microbubbles. Such microbubbles have good stability. Their method through the oscillating of microbubbles under the ultrasound field could implement the transport of the gene product beyond the blood vessels without breaking the tight junctions and disrupting the BBB. To be noted, one highlight of this study is the experiments on cell identification and enrichment of whole-brain tissue samples, demonstrating their strategy achieved around 90% cell specificity of selective transfection with no extra use of a cell-specific promoter.

최근에는

가스 충전 미세 기포가 초음파와 결합된 영상 유도 및 표적 방식의 BBB 개방용 조영제로 부상하여

약물의 국소 전달을 보장하고 있다.223 

Qin 등은

케르세틴 변형 황 나노입자를 고정시킨 미세 기포 전달 시스템을 구축하였다.224 

초음파와 결합된 이 시스템은

BBB의 일시적 개방으로 인해 뇌에 축적되어 약물 전달을 촉진할 수 있었다.

또한 Qc@SNPs-MB는

신경세포 보호 및 산화 스트레스, 염증 반응, 칼슘 항상성 불균형, 신경세포 사멸로 인한 소포체 스트레스 감소를 통해

알츠하이머병을 효과적으로 치료하였다.

Price 연구진은 뇌혈관 내피세포의 선택적 형질전환을 위해 가스 충전 미세기포를 활용하였다.225 음성 mCherry 플라스미드를 양이온성 미세기포에 접합하였다. 이러한 미세 기포는 우수한 안정성을 지녔다. 초음파 장 아래에서 미세 기포의 진동을 이용한 그들의 방법은 혈관 외부의 유전자 산물 수송을 가능케 하였으며, 이 과정에서 밀착 연결을 파괴하거나 BBB를 교란시키지 않았다. 주목할 점은, 이 연구의 주요 성과 중 하나가 전뇌 조직 샘플의 세포 식별 및 농축 실험으로, 세포 특이적 프로모터의 추가 사용 없이도 선택적 형질 도입에서 약 90%의 세포 특이성을 달성했음을 입증했다는 것이다.

Electroacupuncture is a widely accepted complementary therapy through stimulating acupoints, although there is limited supporting information in modern anatomical studies.226 Studies found that electroacupuncture stimulation at certain parameters could improve the permeability of the BBB.227 Lin and co-workers found the Baihui and Shuigou acupoints are ideal regions to use for electroacupuncture for 40 min to open BBB.228 However, research on the application of nanomaterials in synergy with electroacupuncture in the brain has not yet been found. We believe there will be improvements in this cross-field in the future.

전기침은

경혈 자극을 통한 보완 요법으로 널리 인정받고 있으나,

현대 해부학 연구에서의 지지 정보는 제한적이다.226 

서론 및 배경

이 논문은 전기침 자극(electroacupuncture stimulation, ES)이 신체의 특정 부위(경혈점, acupoints)에서 원격 장기 기능을 조절하는 메커니즘을 탐구한다.

전통적으로 침술은 경락(meridian channels)을 통해 작용한다고 여겨졌으나,
현대 연구에서는 체성감각-자율신경 반사(somatosensory autonomic reflexes)가 핵심으로 밝혀졌다.

특히, 이 연구는 쥐 모델에서
후지 ST36 경혈점(Zusanli)에서의 저강도 ES가
미주신경-부신 축(vagal-adrenal axis)을 활성화하여
전신 염증을 억제하는 반면,

복부 ST25 경혈점(Tianshu)에서는 그렇지 않은 이유를
신경해부학적으로 밝히는 데 초점을 맞춘다.

연구자들은 PROKR2Cre-표지된 감각 뉴런(Prokineticin Receptor 2를 발현하는 DRG 뉴런)이 이 체성-미주-부신 반사의 핵심임을 가정하고 검증한다. PROKR2Cre 뉴런은 피부 표피가 아닌 깊은 근육-근막(fascia) 조직, 특히 사지 골막(periosteum)을 선택적으로 분포하며, 이는 경혈점의 선택성과 특이성(specificity)을 설명하는 기초가 된다.

연구 목적은 (1) PROKR2Cre 뉴런의 분포와 특징을 규명하고, (2) 이 뉴런이 저강도 ES를 통해 미주-부신 축을 구동하는 데 필수적임을 증명하며, (3) 광유전학(optogenetics)을 이용한 이득-기능 연구(gain-of-function)로 충분성을 확인하고, (4) 뉴런 분포 패턴으로 ES 효과를 예측하는 것이다.

이는
생체전자 자극(bioelectronic stimulation)의 최적화에
기여할 수 있다.

방법 연구는 유전자 조작 쥐 모델을 사용했다. Prokr2Adv-tdTomato 쥐에서 PROKR2Cre-표지된 뉴런(이하 PROKR2ADV 뉴런)의 분포를 형광 리포터(tdTomato)로 추적했다. 이 뉴런은 등척수절강(dorsal root ganglia, DRG)에서 주로 사지 수준(limb levels)에 풍부하며(예: L4-L5 DRG에서 16.7%), 흉부 수준(thoracic levels)보다 3배 많다. 면역조직화학(immunohistochemistry)과 역행성 추적(retrograde labeling)을 통해 피부 모낭(hair follicles) 주위와 깊은 사지 근막(periosteum, joint ligaments, interosseous membrane)을 침투하는 패턴을 확인했다. 특히, NEFHhigh(신경필라멘트 high) 아형이 사지 특이적이다.
기능 연구를 위해 Prokr2Adv-DTR 쥴되 diphtheria toxin(DTX)으로 PROKR2ADV 뉴런을 제거(ablated)한 PROKR2ADV-Abl 쥐를 사용해 필요성(necessity)을 테스트했다. ES는 ST36/ST25 경혈점에 0.5mA(저강도) 또는 3.0mA(고강도)로 적용했다. 미주-부신 축 활성화는 후뇌 미주 운동핵(dorsal motor nuclei of the vagus, DMV)의 Fos 발현(뉴런 활성화 마커), 부신 catecholamine(노르아드레날린, 아드레날린, 도파민) 방출, 그리고 LPS(세균 엔도톡신) 유발 전신 염증(혈청 TNF, IL-6 수준 및 생존율)으로 측정했다.
충분성(sufficiency)을 위해 Prokr2Adv-CatCh 쥐에서 광유전학 채널(CatCh)을 발현시켜 청색광으로 PROKR2ADV 섬유를 자극했다. 추가로, 비피부 깊은 신경의 역할을 확인하기 위해 common peroneal nerve(CPN) 또는 lateral cutaneous nerve(LCN) 절제(neurectomy) 모델을 사용했다.

주요 결과

1. PROKR2ADV 뉴런의 특징과 분포: 이 뉴런은 피부 표피가 아닌 깊은 사지 근막을 선택적으로 침투한다(예: tibia periosteum, tibialis anterior muscle 내 fascia). 복부 근막(peritoneum)에는 거의 분포하지 않아 ST36(후지)과 ST25(복부)의 차이를 설명한다. NEFHhigh 아형은 사지 DRG에 풍부하며, CGRP(통증 관련 펩타이드)와 공발현된다.
2. 저강도 ES의 미주-부신 축 구동 필요성: PROKR2ADV-Abl 쥐에서 ST36에서의 0.5mA ES가 DMV 뉴런 활성화, catecholamine 방출, LPS-유발 TNF/IL-6 억제(50% 감소), 생존율 향상(40% 증가)을 유발하지 못했다. 반면, 고강도 ES(3.0mA)로 유발되는 척수-교감 반사(spinal sympathetic reflexes)는 영향을 받지 않았다. ST25에서의 ES는 미주 축과 무관하며, PROKR2ADV 뉴런에 의존하지 않는다.
3. 충분성 확인: Prokr2Adv-CatCh 쥐에서 ST36 광자극이 DMV Fos 발현(3배 증가), 미주 신경 방전(15배 증가), catecholamine 방출을 유발했다. 이는 subdiaphragmatic vagotomy(미주 절제)로 차단되었으며, LPS-염증 억제와 생존율 향상을 보였다. 교감 반사는 유발되지 않았다.
4. 깊은 근막 신경의 역할: CPN 절제(CPX) 쥐에서 ST36 ES의 항염증 효과가 사라졌으나, 피부 신경(LCN) 절제(CLX)에서는 유지되었다. 이는 깊은 사지 근막 신경이 핵심임을 시사한다. 후지 BL56(피부 신경 근처)나 후방 근육(gastrocnemius, semitendinosus; 비경혈점)에서의 0.5mA ES는 효과가 없었다.
5. 예측 가능성: PROKR2ADV 뉴런 분포로 ES 효과를 예측했다. 전지 LI10(Shousanli)에서의 0.5mA ES가 항염증 효과를 보였으나, PROKR2ADV-Abl 또는 vagotomy 쥐에서 사라졌다.

결론 및 함의

이 연구는 경혈점의 선택성과 특이성이 PROKR2Cre-표지된 감각 뉴런의 깊은 사지 근막 분포에 기반함을 신경해부학적으로 입증한다.

저강도 ES는 이 뉴런을 통해 미주-부신 축을 선택적으로 구동하며,
고강도 ES는 교감 반사를 유발한다.

이는 침술의 과학적 기초를 제공하며, 사이토카인 폭풍(cytokine release syndromes) 같은 질환 치료를 위한 생체전자 의학 최적화에 기여할 수 있다. 그러나 인간 적용을 위한 추가 연구가 필요하며, 경혈점 특이성은 자극 강도, 깊이, 측정 결과에 따라 달라질 수 있다.

특정 매개변수에서의 전기침 자극이

혈뇌장벽 투과성을 향상시킬 수 있다는 연구 결과가 있다.227 

Lin 등은 백회(百會)와 수구(水溝) 경혈이 40분간 전기침을 시행해

혈뇌장벽을 개방하기에 이상적인 부위임을 발견했다.228 

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6287560/

서론 및 배경
이 논문은 전기침(electroacupuncture, EA)이 중대뇌동맥 폐색(middle cerebral artery occlusion, MCAO) 모델 쥐에서 회복기(3주 후) 동안 혈뇌장벽(blood-brain barrier, BBB)의 투과성을 증가시키는 효과를 탐구한다. 뇌졸중(stroke)은 전 세계적으로 높은 사망률과 장애율을 보이며, 뇌 약물 전달이 BBB로 인해 제한된다. BBB는 뇌 미세혈관 내피세포로 구성되어 대분자(>500 Da)의 통과를 막아 뇌 약물 농도를 제한한다. 기존 BBB 개방 방법(예: 리포솜, 나노입자)은 한계가 있어 비침습적 방법이 필요하다.

EA는 뇌졸중 보완 치료로 사용되며,
이전 연구에서 BBB 투과성을 증가시켜 신경성장인자(nerve growth factor, NGF) 같은 약물을
뇌로 전달하는 것으로 보고되었다.

본 연구는
EA 자극 시간에 따른 BBB 개방 효과의 시간 의존성(time-dependent effect)을 평가하고,
NGF 투과를 확인한다.

GV20(Baihui 백회혈)과 GV26(Shuigou 수구혈) 경혈점을 자극하며,
강도 2 mA, 주파수 100 Hz로 실험했다.

연구 목적:
(1) 정상 및 MCAO 쥐에서 EA 자극 시간(1~60분)에 따른 BBB 투과성 변화를 측정,
(2) 뇌부종(brain edema) 유무 확인,
(3) 최적 시간에서 NGF 뇌 농도 증가 여부 검증.

이는 뇌졸중 회복기 약물 전달 최적화에 기여할 수 있다.

방법 Sprague-Dawley(SD) 수컷 쥐(250-280g)를 사용하며, 실험은 NIH 동물 윤리 지침을 준수했다. MCAO 모델은 나일론 필라멘트로 오른쪽 중대뇌동맥을 60분 폐색 후 재관류(ischaemia-reperfusion, I/R)했다. 레이저 도플러 유량계(laser Doppler flowmetry, LDF)로 뇌혈류(cerebral blood flow, CBF) 감소(>45%)를 확인하고, Longa 점수(1-3점)로 신경 결손 평가, TTC 염색으로 경색 부피 확인했다. 회복기(3주 후) 실험.

주요 결과

MCAO 모델 확인: CBF 45% 이상 감소, TTC 염색에서 우반구 경색(회백색 영역) 확인. 신경 결손 점수 1-3점, 사망률 21.8%.
뇌 수분 함량(뇌부종): 모든 EA 시간에서 정상 및 MCAO 쥐의 뇌 수분 함량이 대조군과 유의 차이 없음(P>0.05). EA가 뇌부종 유발하지 않음.

BBB 투과성(EB 투과):

정상 쥐: EA 1/5/15분 그룹에서 EB 농도 증가(P<0.01), 5분에서 최대(다른 그룹 대비 P<0.01). LCM에서 5/15분 그룹 FIOD 증가(P<0.01), 5분이 15분보다 높음.
MCAO 쥐: EA 4/6/8/12분 그룹에서 EB 농도 증가(P<0.01), 8분에서 최대(6분 대비 P<0.05). 15/30/45분은 효과 감소.


NGF 투과: EA 8분 그룹에서 뇌 NGF 농도 모델군 및 가짜 수술군 대비 유의 증가(P<0.05). EA가 NGF BBB 통과 촉진.

결론 및 함의

전침 (GV20백회혈/GV26수구혈, 100 Hz, 2 mA)가 
MCAO 쥐 회복기 BBB 투과성을 시간 의존적으로 증가시키며, 
8분이 최적(EB/NGF 투과 최대). 

이는 뇌부종 없이 안전하며, 
NGF(신경성자인자) 같은 약물 전달에 유용하다. 

전침은 뇌졸중 치료에서 BBB 개방을 위한 비침습적 방법으로 잠재력 있음. 

이전 연구에서 EA가 ERK/HIF-1α 경로 활성화나 혈류 증가로 뇌 보호 효과를 보였으나, 
BBB 개방 기전은 불명확(추가 연구 필요). 

한계: 쥐 모델 한정, EA 매개변수 최적화 미완, 기전 미규명. 
이는 뇌졸중 약물 전달 전략 개발에 기여할 수 있음.

그러나

뇌에서 전기침술과 시너지 효과를 내는

나노물질 적용에 관한 연구는 아직 발견되지 않았다.

우리는

이 교차 분야에서 향후 발전이 있을 것으로 믿는다.

Other non-invasive strategies

Besides the widely used strategies that have been discussed before, among which active strategies for BBB regulation and crossing are summarized in Table 1, there are more strategies that people used to achieve the intention of brain-targeted drug delivery (Fig. 5a).

기타 비침습적 전략

앞서 논의된 널리 사용되는 전략들(그중 BBB 조절 및 통과를 위한 능동적 전략은 1표에 요약됨) 외에도,

뇌 표적 약물 전달을 달성하기 위해 사용된 더 많은 전략들이 존재한다(그림 5a).

Table 1 Active strategies for BBB regulation and crossing

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Fig. 5

Other strategies can achieve the intention of brain-targeted drug delivery. a Schematic illustration of examples of other strategies. b Fluorescence images using in vivo imaging system of isolated brains. c Schematic illustration of the weight drop-induced TBI model. d Time points of physically invaded BBB was studied. e Schematic illustration of the isolation of primary neuronal cells from mouse embryos. b–e Reproduced with permission. Copyright 2020, American Association for the Advancement of Science. f Ex vivo fluorescence images of primary organs of glioma-bearing mice. g Confocal images and corresponding fluorescence intensity of 3D tumor microspheres. f, g Reproduced with permission. Copyright 2022, Nature Publishing Group. h Eval‎uation of general toxicity, kidney function and liver function over time. Reproduced with permission. Copyright 2022, American Association for the Advancement of Science

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그림 5

기타 전략들도 뇌 표적 약물 전달의 목적을 달성할 수 있다.

a 기타 전략 예시들의 개략적 설명.

b 분리된 뇌의 생체 내 영상 시스템을 이용한 형광 이미지.

c 낙하 중량에 의한 외상성 뇌손상(TBI) 모델의 개략적 설명.

d 물리적으로 침투된 혈뇌장벽의 시간적 변화 연구.

e 생쥐 배아로부터 일차 신경세포를 분리하는 과정의 개략적 설명.

b–e 허가를 받아 재현함. 저작권 2020, 미국과학진흥협회(AAAS).

f 신경교종 이식 생쥐의 1차 장기 체외 형광 이미지.

g 3차원 종양 미세구체의 공초점 이미지와 대응하는 형광 강도.

f, g 허가를 받아 재현함.

저작권 2022, 네이처 퍼블리싱 그룹(NPG). h 시간 경과에 따른 일반 독성, 신장 기능 및 간 기능 평가. 허가를 받아 재현함. 저작권 2022, 미국과학진흥협회(AAAS)

Agents, such as metals, polysorbate-80 (PS-80), etc., are used to shrink the endothelial cells of the brain.229 Using this treatment, various drug delivery systems could bypass BBB. However, it has serious disadvantages, for example, compromising the integrity of BBB and further leading unwanted exogenous agents, including blood components, neurotoxic, and xenobiotics, to accumulate in cerebral tissue. For short, it is a non-patient-friendly method that may cause injury to the CNS. Joshi et al. reported a PLGA-based with different surface coatings platforms used for brain delivery of siRNA to treat traumatic brain injury (TBI; Fig. 5b–e).230 They tried a nonionic surfactant PS-80 coating among their formulations and proved drug delivery across BBB could be promoted by interacting with lipoprotein receptors. They euthanized mice after injection and extracted brains for observing the fluorescence signals labeled nanoparticles. PS-80 nanoparticles showed significantly superior fluorescence signals than other formulations. They pointed out in their manuscript that although the joint modulation of surface chemistry and PS-80 density, is a useful tool to adjust BBB penetration, functional or behavior eval‎uations, for instance, cell death, neuroinflammation, or larger animal models, are lacking in the study. Hence, biosafety and performance in clinical may still have questions.

금속, 폴리소르베이트-80(PS-80) 등과 같은 물질은

뇌 내피세포를 수축시키는 데 사용됩니다.229

이 치료법을 통해 다양한 약물 전달 시스템이

혈뇌장벽(BBB)을 우회할 수 있습니다.

그러나

중추신경계(CNS) 손상을 유발할 수 있는 환자 친화적이지 않은 방법이라는 심각한 단점이 있다.

즉, 혈액 성분, 신경독성 물질, 이종 생물체 등 원치 않는 외인성 물질이

뇌 조직에 축적되도록 BBB의 완전성을 훼손한다.

Joshi 등은 외상성 뇌손상(TBI) 치료를 위한 siRNA 뇌 전달에 사용되는 다양한 표면 코팅 플랫폼을 가진 PLGA 기반 시스템을 보고하였다(그림 5b–e).230 그들은 제형 중 비이온성 계면활성제 PS-80 코팅을 시도했으며, 지단백질 수용체와의 상호작용을 통해 BBB를 통한 약물 전달이 촉진될 수 있음을 입증하였다. 주사 후 생쥐를 안락사시키고, 형광 신호로 표지된 나노입자를 관찰하기 위해 뇌를 추출하였다. PS-80 나노입자는 다른 제형에 비해 현저히 우수한 형광 신호를 나타냈다. 저자들은 논문에서 표면 화학과 PS-80 밀도의 공동 조절이 BBB 투과성 조절에 유용한 도구임에도 불구하고, 세포 사멸, 신경염증 또는 대형 동물 모델과 같은 기능적·행동적 평가가 연구에서 누락되었다고 지적했다. 따라서 생물학적 안전성과 임상적 성능에는 여전히 의문이 있을 수 있다.

AAVs, presenting targeting ligands, could interact with specific molecules identified on the luminal surface of the BBB.231 The integrity of BBB could be breached by the intrinsic properties of the pathogens.232 Directed evolution and capsid engineering have been developed to engineer a number of BBB-crossing AAVs.233 Among the AAV family, a natural AAV9 capsid variant which was isolated from human liver tissue, has the ability to bypass BBB, becoming a star capsid for drug delivery into CNS.234 After intravenous injection, AAV9 mainly enriches the brain and liver.235 Bei et al. reported a rational design of two AAV9 variants for brain drug delivery.236 Confirmed by rodent and primate models, the variants prepared by insertion of cell-penetrating peptide enhanced both BBB transcytosis and cellular transduction. The authors claimed that these variants not only displayed increased BBB crossing, but also of greater importance maintained the neurotropism, paving the translational potential of neurological disorders treatment.

표적 리간드를 가진 AAV는

혈뇌장벽 내강 표면에 식별된 특정 분자와 상호작용할 수 있다.231 

병원체의 고유한 특성으로 인해 혈뇌장벽의 완전성이 훼손될 수 있다.232 

유도 진화와 캡시드 공학을 통해 다수의 혈뇌장벽 통과 AAV를 개발하였다.233 AAV 계열 중 인간 간 조직에서 분리된 자연 발생 AAV9 캡시드 변이체는 중추신경계(CNS)로의 약물 전달을 위한 스타 캡시드로 부상하였다.234 정맥 주사 후 AAV9는 주로 뇌와 간에 축적된다.235 Bei 등은 뇌 약물 전달을 위한 두 가지 AAV9 변이체의 합리적 설계를 보고하였다.236 설치류 및 영장류 모델을 통해 확인된 바에 따르면, 세포 침투 펩타이드 삽입으로 제작된 변이체들은 BBB 전세포이동 및 세포 내 전달 능력을 모두 향상시켰다. 저자들은 이 변이체가 혈뇌장벽 통과 능력이 향상되었을 뿐만 아니라, 더 중요한 것은 신경 친화성을 유지하여 신경계 질환 치료의 전환 가능성을 열었다고 주장했다.

Bacteria can go through the BBB and infect phagocytes.237 Researchers have proved the feasibility of adopting bacteria to build drug delivery systems to resist central nervous system diseases. For glioblastoma photothermal immunotherapy, Sun et al. developed a ‘Trojan bacteria’ consisting of two types of bacteria (Fig. 5f, g).238 They demonstrated that intravenously injected Trojan bacteria system could target and penetrate glioblastoma. The confocal images showed that 3D tumor microspheres could be penetrated with a depth of around 260 μm. With the help of a laser, bacterial cells and the adjacent tumor cells could be destructed by the heat from irradiation. The debris from bacteria and tumor cells also can act as antigens to promote cancer immunotherapy.

박테리아는

혈뇌장벽을 통과하여 식세포를 감염시킬 수 있다.237 

연구자들은 중추신경계 질환에 저항하는 약물 전달 시스템을 구축하기 위해

박테리아를 활용하는 가능성을 입증했다.

교모세포종 광열 면역치료를 위해 Sun 등은

두 종류의 박테리아로 구성된 '트로이 목마 박테리아'를 개발했다(그림 5f, g).238 

그들은

정맥 주사된 트로이 목마 박테리아 시스템이

교모세포종을 표적화하고 침투할 수 있음을 입증했다.

공초점 현미경 이미지는 3차원 종양 미세구체 내 약 260μm 깊이까지 침투 가능함을 보여주었다. 레이저를 통해 조사된 열로 박테리아 세포와 인접 종양 세포를 파괴할 수 있었다. 박테리아와 종양 세포의 잔해물은 항원 역할을 하여 암 면역치료를 촉진할 수도 있다.

BBB is also modulated by redox-sensitive systems and cytokine-mediated systems. The former is mainly developed for oxidative stress, which is the similarity between brain disease.239 The latter is mainly developed for the pro-inflammatory state, which is a common state in a number of CNS pathologies.240 Oxidative stress is incited by an imbalance of oxidants.241 These oxidants can further impact a variety of signaling pathways associated with pathological processes, resulting in BBB dysfunction eventually.242 Redox-sensitive systems could be designed in response to the high level of oxidants, for example, Kong et al. reviewed the related developments in nervine.243 They discussed the choice of ROS-responsive functional groups, including sulfides, selenide, ferrocene, amino acrylate, etc. Meanwhile, the pro-inflammatory state, a result of local oxidative stress, stimulates many cytokines, such as IL-1 and TNF-α. Thus, conducting cytokine-mediated systems is an optional method. Veiseh et al. reported a cytokine delivery platform as interleukin-2-producing cytokine factory organized with polymer and ARPE-19 cells which can be clinically translatable (Fig. 5h).244 They conducted this robust platform in peritoneal tumors in ovarian and colorectal mouse models and considered it could be addressed in other cancers including brain cancer. They found no significant deviations from healthy ranges using complete blood count and blood chemistry analysis, showing this system was well tolerated in nonhuman primates.

혈뇌장벽은

산화환원 감응 시스템과 사이토카인 매개 시스템에 의해 조절되기도 한다.

redox-sensitive systems and cytokine-mediated systems

전자는

주로 뇌 질환과의 유사점인 산화 스트레스를 대상으로 개발되었다.239

후자는

주로 다수의 중추신경계 병리에서 흔히 관찰되는 전염증 상태를 대상으로 개발되었다.240

산화 스트레스는

산화제의 불균형에 의해 유발된다.241

이러한 산화제는

병리 과정과 연관된 다양한 신호 전달 경로에 추가적인 영향을 미쳐

결국 혈뇌장벽 기능 장애를 초래한다. 242

산화제 고농도에 대응하는 산화환원 감응형 시스템이 설계될 수 있다.

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6464004/

예를 들어, Kong 등은 신경계 관련 개발 동향을 검토하였다.243 그들은 황화물, 셀레나이드, 페로센, 아미노 아크릴레이트 등 ROS 반응성 기능군의 선택에 대해 논의하였다.

한편, 국소적 산화 스트레스의 결과인 전염증 상태는

IL-1 및 TNF-α와 같은 다수의 사이토카인을 자극한다.

따라서 사이토카인 매개 시스템을 활용하는 것은 선택적 방법이다.

Veiseh 등은 임상 적용이 가능한 인터루킨-2 생산 사이토카인 공장으로, 폴리머와 ARPE-19 세포로 구성된 사이토카인 전달 플랫폼을 보고했다(그림 5h).244 그들은 이 견고한 플랫폼을 난소 및 대장 마우스 모델의 복막 종양에서 수행했으며, 뇌암을 포함한 다른 암에도 적용될 수 있다고 생각했다. 완전혈구수 및 혈액화학 분석을 통해 건강한 범위에서 유의미한 편차를 발견하지 못하여, 이 시스템이 비인간 영장류에서 잘 내약됨을 보여주었다.

Engineered brain-targeted drug delivery systems

To fight against the BBB, a growing number of advanced materials and technologies have been developed for enhanced brain-targeted drug delivery in CNS disorder treatment. By using the passive and/or active strategies for BBB regulation and crossing in a controlled and non-invasive manner, various drug delivery systems are engineered to facilitate the brain-targeted delivery of specific therapeutics including small-molecule drugs, proteins, genes, and other biopharmaceutics. Due to the requirement of both delivery efficiency and safety, the majority of drug delivery systems with the ability to cross BBB are designed at a nanoscale level with tailored chemical composition and surface properties (Table 2). Since the approval of DOX in liposomes (Doxil) for anti-cancer treatment nearly three decades ago, increasing numbers of drug delivery systems are studied in clinical trials and some formulations for enhanced drug delivery have entered to clinic.245,246,247

공학화된 뇌 표적 약물 전달 시스템

혈뇌장벽(BBB) 극복을 위해 중추신경계(CNS) 질환 치료에서

뇌 표적 약물 전달을 향상시키기 위한 첨단 소재 및 기술이 지속적으로 개발되고 있다.

수동적 및/또는 능동적 전략을 활용하여

BBB 조절 및 비침습적 방식으로 통제된 경로로 통과함으로써,

소분자 약물, 단백질, 유전자 및 기타 생물약제학 물질을 포함한

특정 치료제의 뇌 표적 전달을 용이하게 하는 다양한 약물 전달 시스템이 설계된다.

전달 효율과 안전성 모두를 요구하기 때문에, BBB를 통과할 수 있는 대부분의 약물 전달 시스템은 맞춤형 화학 조성 및 표면 특성을 가진 나노 규모 수준에서 설계됩니다(표 2). 약 30년 전 항암 치료용 리포좀 내 독소루비신(독실)이 승인된 이후, 점점 더 많은 약물 전달 시스템이 임상 시험에서 연구되고 있으며, 향상된 약물 전달을 위한 일부 제형이 임상 현장에 도입되었습니다.245,246,247

Table 2 Brain-targeted drug delivery systems engineered by various material types

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표 2 다양한 재료 유형으로 설계된 뇌 표적 약물 전달 시스템

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Liposomal formulations

Liposomes are the first generation of drug delivery systems and have been widely used since their discovery in 1965.248 They are composed of one or more lipid bilayers and hollow aqueous compartment, which endow them with loading versatility for both hydrophobic and hydrophilic therapeutic agents.249 Together with high biocompatibility, biodegradability and its intrinsic capability of BBB crossing, liposomes are considered as one of the most successful delivery systems with a great potential in translational medicine. In the past decade, research on liposomes has further substantially increased along with the advance of materials engineering and nanotechnology.250 Various types of functionalization strategies have been involved for the development of liposomal delivery system such as brain/tumor-targeting delivery, controlled drug release, imaging-guided delivery, etc.251 These strategies facilitate the development of liposomal formulations to improve brain-specific delivery.

Brain-targeted delivery of the liposomes could be enhanced by modification of targeting ligands including polymers, peptides, antibodies, and aptamers.252 For example, Zhan et al. functionalized liposomal surface with amyloid-β-derived peptide which has a highly specific binding affinity towards plasm apolipoproteins, giving a protein corona-modified liposomal system. Significant enhancement of the brain distribution of DOX-loaded liposomes as well as higher anti-tumor efficacy were found.253 Quan et al. developed transferrin receptor aptamer-functionalized liposomes to deliver acetylcholinesterase reactivator in brain (Fig. 6a).254 Compared with non-targeting liposomes, this functionalized system has higher BBB penetration efficiency confirmed by both in vitro BBB model and in vivo biodistribution study. Conjugation of brain-targeting peptide is also proved to be an effective method to improve the brain accumulation. Zhang et al. used RVG29, a 29 amino-acid peptide derived from rabies virus glycoprotein, as a targeting ligand in the liposome-based delivery system for treatment of Parkinson’s disease.254 But it begs for the question that how can targeting ligand-modified liposomes bypass through the BBB via receptor-mediated transcytosis. To give a vivid description, Lauritzen et al. characterized all steps of the liposome delivery routes into brain by using transferrin receptor-targeted liposomal nanoparticles as a model system.255 They revealed that post-capillary venules is the key site for transcytosis-mediated brain entry of nanoparticles.

리포좀 제형

리포솜은

1965년 발견 이후 널리 사용된

1세대 약물 전달 시스템이다.248

하나 이상의 지질 이중층과 중공 수성 구획으로 구성되어

친수성 및 소수성 치료제 모두에 대한

적재 유연성을 부여한다.249

높은 생체 적합성, 생분해성 및 혈뇌장벽(BBB) 통과 능력으로 인해,

리포솜은 전환 의학 분야에서

큰 잠재력을 지닌 가장 성공적인 전달 시스템 중 하나로 간주된다.

지난 10년간 재료 공학 및 나노기술의 발전과 함께

리포좀 연구는 더욱 크게 증가하였다.250

뇌/종양 표적 전달, 제어된 약물 방출, 영상 유도 전달 등

리포좀 전달 시스템 개발을 위해 다양한 기능화 전략이 적용되었다.251

이러한 전략들은 뇌 특이적 전달을 개선하기 위한

리포좀 제형 개발을 용이하게 한다.

폴리머, 펩타이드, 항체, 앱타머 등 표적 리간드의 변형을 통해

리포좀의 뇌 표적 전달을 향상시킬 수 있다.252

예를 들어, Zhan 등은

혈장 아포지단백질에 대한 높은 특이적 결합 친화성을 지닌

아밀로이드-β 유래 펩타이드로 리포좀 표면을 기능화하여

단백질 코로나 변형 리포좀 시스템을 구현하였다.

DOX를 탑재한 리포솜의 뇌 분포가 현저히 향상되고 항종양 효능도 높아진 것으로 확인되었습니다.253 Quan 등은 트랜스페린 수용체 아파타머로 기능화된 리포솜을 개발하여 아세틸콜린에스테라제 재활성제를 뇌에 전달했습니다(그림 6a). 254 비표적 리포좀과 비교하여, 이 기능화 시스템은 시험관 내 BBB 모델과 생체 내 생체 분포 연구를 통해 확인된 바와 같이 더 높은 BBB 투과 효율을 가집니다. 뇌 표적 펩타이드의 접합 또한 뇌 축적을 개선하는 효과적인 방법으로 입증되었습니다. 장(Zhang) 등은 파킨슨병 치료를 위한 리포좀 기반 전달 시스템에서 표적 리간드로 광견병 바이러스 당단백질 유래 29개 아미노산 펩타이드인 RVG29를 사용하였다.254 그러나 표적 리간드 변형 리포좀이 어떻게 수용체 매개 전세포이동을 통해 BBB를 통과할 수 있는지에 대한 의문이 제기된다. 생생한 설명을 위해 Lauritzen 등은 트랜스페린 수용체 표적 리포좀 나노입자를 모델 시스템으로 사용하여 뇌로의 리포좀 전달 경로의 모든 단계를 특성화하였다.255 그들은 모세관 후 소정맥이 나노입자의 트랜스사이토시스 매개 뇌 진입의 핵심 부위임을 밝혀냈다.

리포솜은 양친매성 구조, 생체 적합성, 친수성 및 친유성 생리활성 화합물 모두를 캡슐화할 수 있는 능력 덕분에 식품 산업에서 다용도 운반체로 부상했습니다. 비타민, 폴리페놀, 카로티노이드, 펩타이드, 오메가-3 지방산과 같은 식품 성분의 용해성과 생체 이용률을 향상시켜 유망한 이점을 제공합니다. 그러나 수성 형태의 리포솜은 종종 불안정성, 캡슐화된 화합물의 누출, 환경 조건에 대한 민감성 등의 문제를 겪습니다. 이러한 과제를 해결하기 위해 나노섬유, 입자, 캐스트 필름, 하이드로겔, 유화액 등 다양한 고체 또는 반고체 캡슐화 매트릭스에 리포솜을 통합한 하이브리드 전달 시스템이 개발되었습니다. 이러한 조합은 구조적 무결성 향상, 가공 및 저장 중 보호 기능 강화, 소화 조건 하에서의 서방형 방출 특성, 다양한 응용 분야에 걸친 다목적 적용성 등 시너지 효과를 제공할 수 있습니다. 본 리뷰는 식품 등급 성분에만 초점을 맞춰 리포좀 구조, 제조 방법 및 다양한 캡슐화 매트릭스 내 통합 방식을 포괄적으로 논의합니다. 특히 기능적 성능과 전달 효율성에 중점을 두고 식품 응용을 위해 맞춤화된 하이브리드 리포좀 기반 시스템의 최근 발전을 강조합니다. 전반적으로, 이러한 하이브리드 시스템은 향상된 건강 효능과 저장 안정성을 지닌 차세대 기능성 식품 개발에 큰 가능성을 제시한다.

Fig. 6

Liposomal formulations and polymeric materials for brain-targeted drug delivery. a Schematic illustration of synthesis of Apt-LP-LuH-6 liposomes and the structure characterization. Reproduced with permission. Copyright 2021, Elsevier. b Small-molecule-loaded ultrasound-controlled liposomal nanocarrier. Reproduced with permission. Copyright 2020, Nature Publishing Group. c Schematic illustration of synthesis of micelles by nanoprecipitation. Reproduced with permission. Copyright 2019, American Association for the Advancement of Science. d Schematic illustration of nanoprecipitation of peptide-modified PLGA and GALC CLEAs for the generation of enzyme delivery system. Reproduced with permission. Copyright 2021, Nature Publishing Group

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그림 6

뇌 표적 약물 전달을 위한 리포솜 제형 및 고분자 재료. 

a Apt-LP-LuH-6 리포솜 합성 및 구조 분석의 개략도. 허가를 받아 재생산. 저작권 2021, 엘스비어. 

b 소분자 적재 초음파 제어 리포솜 나노캐리어. 허가를 받아 재생산. Copyright 2020, Nature Publishing Group. 

c 나노침전법을 통한 미셀 합성 개념도. 허가를 받아 재생산함. Copyright 2019, American Association for the Advancement of Science. 

d 효소 전달 시스템 생성을 위한 펩타이드 변형 PLGA 및 GALC CLEA의 나노침전 개념도. 허가를 받아 재생산함. Copyright 2021, Nature Publishing Group

For brain tumor treatment in particular, the systems are required to have a capability of both BBB crossing and tumor targeting.256 Thus, dual targeting strategy in liposome functionalization becomes a possible solution for drug delivery in brain tumor therapy. For instance, a GBM-specific cell-penetrating peptide and an anti-GBM antibody were simultaneously anchored onto the liposome surface, giving the ability of BBB penetration.257 By incorporation of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) and DOX, the liposomes displayed a thermo-responsive drug release in an alternating magnetic field. Another example of dual functionalized liposomes was achieved by Singh’s group.258 Surface modification of transferrin and a cell-penetrating peptide was performed. Their liposome system thus showed around 12 and 3.3-fold increases of two chemotherapeutics (DOX and erlotinib) delivery, respectively compared to the free drugs. These strategies confirmed that ligand modification for BBB and tumor targeting could largely improve the drug delivery for brain tumor treatment. Interestingly, the liposome without any targeting ligands conjugation could also serve as an external stimuli-controlled nanosystem for brain-targeted drug delivery. As shown in Fig. 6b, Yanik et al. prepared drug-loaded liposomes tethered to lipid microbubbles containing perfluorobutane gas core.259 By applying two-component aggregation and uncaging focused ultrasound sequences at different stages, the drug-loaded liposomes could aggregate locally first and then uncage the cargo responsively to achieve high target specificity. The released drugs can cross the intact BBB without compromising the integrity.

Recently, some new types of liposomes with unique structures were reported for enhanced therapy of CNS diseases. Gomes et al. proposed a concept of exosome-like liposomes to overcome the limitations of large size and low productivity. A lipid film including DODAP (1,2-dioleoyl-3-dimethylammonium-propane) and DPPC (dipalmitoylphosphatidylcholine) was introduced in the preparation of the liposomes, giving the bilayer similar to the outer membrane of exosome.260 More liposome-based biomimetic nanomaterials for drug delivery will be emphasized in section 4.7.

특히 뇌종양 치료의 경우,

시스템은 혈뇌장벽(BBB) 통과 능력과 종양 표적화 능력을 모두 갖춰야 합니다.256

따라서

리포좀 기능화에 이중 표적화 전략을 적용하는 것이

뇌종양 치료에서의 약물 전달을 위한 가능한 해결책이 됩니다.

예를 들어, GBM 특이적 세포 침투 펩타이드와 항-GBM 항체를 동시에 리포좀 표면에 고정시켜 BBB 관통 능력을 부여하였다.257 초상자성 산화철 나노입자(SPIONs)와 DOX를 통합함으로써, 리포좀은 교번 자기장 내에서 열응답성 약물 방출을 나타냈다. 이중 기능화 리포좀의 또 다른 예는 Singh의 연구팀에 의해 달성되었습니다.258 트랜스페린과 세포 침투 펩타이드의 표면 수정이 수행되었습니다. 그리하여 이들의 리포좀 시스템은 두 화학요법제(DOX 및 얼로티닙)의 전달량을 각각 자유 약물 대비 약 12배 및 3.3배 증가시켰다. 이러한 전략들은 BBB 및 종양 표적화를 위한 리간드 수정이 뇌종양 치료를 위한 약물 전달을 크게 개선할 수 있음을 입증하였다. 흥미롭게도, 어떠한 표적화 리간드도 접합되지 않은 리포좀 역시 뇌 표적 약물 전달을 위한 외부 자극 제어 나노시스템으로 기능할 수 있었다. 그림 6b에서 볼 수 있듯이, Yanik 등은 퍼플루오로부탄 가스 코어를 포함한 지질 미세 기포에 결합된 약물 적재 리포좀을 제조하였다.259 서로 다른 단계에서 2성분 응집 및 언케이징 초음파 시퀀스를 적용함으로써, 약물 적재 리포좀은 먼저 국소적으로 응집된 후 반응적으로 화물을 언케이징하여 높은 표적 특이성을 달성할 수 있었다. 방출된 약물은 무결성을 손상시키지 않고 온전한 BBB를 통과할 수 있다.

최근 중추신경계 질환 치료 향상을 위해 독특한 구조를 가진 새로운 유형의 리포좀이 보고되었다. Gomes 등은 큰 크기와 낮은 생산성의 한계를 극복하기 위해 엑소좀 유사 리포좀 개념을 제안하였다. 리포좀 제조 시 DODAP(1,2-디오레오일-3-디메틸암모늄-프로판)과 DPPC(디팔미토일포스파티딜콜린)을 포함한 지질 막을 도입하여 엑소좀 외막과 유사한 이중층을 구현하였다.260 약물 전달을 위한 리포좀 기반 생체모방 나노물질에 대해서는 4.7절에서 더 자세히 다루겠다.

Polymeric drug delivery systems

Polymeric materials for brain-targeted delivery refer an extensive number of drug delivery systems.261 They have shown potentials in pre-clinical study in different animal models of CNS diseases demonstrating attractive properties for drug delivery including controlled drug release, cellular targeting and uptake, and the ability to avoid phagocytosis of reticuloendothelial system. PLGA is a typical Food and Drug Administration (FDA)-approved polymer used for the formulation of delivery systems in biomedicine.262 PLGA-based delivery system is qualified to encapsulate a wide range of therapeutic cargos including small-molecule drugs, genes, proteins, vaccines, ensuring high bioavailability by protecting them from degradation. The PLGA assembles without any functionalization have a high distribution up to 16.4% in the brain and can keep at the level for at least seven days.263 Moreover, the possibility of surface decoration of targeting ligands could further promote their penetration of biological barriers. A typical example was reported by Cecchini et al., demonstrating that PLGA polymers conjugated with different targeting peptides could be used for enzyme therapy of brain disorders such as Krabbe disease (Fig. 6c).264

Amphiphilic polymers are known for their advantage of self-assembly into micelles which has a hydrophobic core and a hydrophilic shell at a size of 2–300 nm. Such architecture thus enables high loading capacity and prolonged blood circulation of therapeutic agents, and its efficient accumulation in brain lesions. We recently proposed a micelle-based drug delivery nanosystem for febrile seizure control.265 The designed copolymer of poly(acrylamide coacrylonitrile)-methoxy polyethylene glycolsuccinimidyl carbonate could self-assemble into defined micelles. Because of the incomplete development of BBB in mice pups, the micelles could quickly accumulate in neonatal brain as early as five minutes. Anti-inflammatory small-molecular inhibitor CZL-80 was chosen as a model drug. After micelle encapsulation, therapeutic window of the drugs was significantly increased to at least 4 hours, whereas 20 min for injection of CZL-80 alone. Importantly, the nano-engineered micelle is gifted for an upper critical solution temperature of 39 °C, showing a thermos-sensitive drug release mechanism for on-demand therapy. To combat against drug-resistant gliomas, Saltzman et al. prepared a reduction-responsive polymeric nanoparticle for co-delivery of oxaliplatin (the third-generation platinum anti-cancer drug) and 56MESS (a cationic platinum DNA intercalator) (Fig. 6d).266 Oxaliplatin and 56MESS were encapsulated inside the nanoparticles through hydrophobic interaction and electrostatic complexation, respectively. Higher level of glutathione (GSH) in tumor reductive microenvironment could trigger the drug release due to the rupture of disulfide bonds in polymer backbones. The authors claimed that by using convection-enhanced delivery, the drugs could traverse the BBB and accumulate at the glioma region. Another case of micelle-based drug delivery system for CNS disease treatment without any brain-targeted functionalization was reported by Jiang’s group.267 They developed an microthrombus-targeted micelle-based system for ischemia stroke therapy. Due to the pathologically damaged BBB, microthrombus-targeted micelle could penetrate BBB efficiently and promoted RAPA delivery via hydrophobic interactions. These micelles are assembled by ROS-responsive and fibrin-binding polymer, giving extended drug retention and ROS-triggered drug release for neuroinflammation regulation. Micelle-based delivery systems is also effective in the treatment of those diseases with intact BBB structure. A brain and microglia dual targeting nanosystem was constructed by an targeting peptide derived from β-amyloid protein and ROS-responsive amphiphilic polymer.268 By mimicking the unregulated Aβ transportation, the micelles could target the Alzheimer’s disease microenvironment and release the model drug curcumin in response to excessive ROS generation in Alzheimer’s disease. Similar micelle-based strategies with surface modification of targeting ligands were performed for the synergistic chemotherapy of glioma,269 gene therapy of Alzheimer’s disease,270 and traumatic brain injury.230

Nanogel is formulated by three-dimensional crosslink of functional polymers and has a network capable of efficient drug encapsulation.271 Tunable properties such as deformability, nanoscale size and high hydrophilicity make nanogel a candidate for nose-to-brain delivery. Di Carlo et al. manufactured a poly(N-vinyl pyrrolidone)-based nanogel by e-beam irradiation and evidenced this nanogel-based system could provide nose-to-brain delivery of insulin.272 Compared with free insulin administration, the drug levels in the anterior and cerebellar regions were significantly increased within 60 minutes. The authors indicated this improvement could be resulted from intranasal delivery via olfactory and trigeminal nerve pathways. Another polymeric nanogel delivery system of teriflunomide-loaded lipid-based carbopol-gellan gum in situ gel was reported by Kokare and co-wokers.273 By balancing the interactions of gelling agents, mucoadhesive agents, the nanogel was formulated with lipophilic medicine and achieved two-fold enhancement of drug permeability. The same group further developed paliperidone palmitate poloxamer-guar gum nanogel for schizophrenia treatment by nasal delivery directly to the brain bypassing the BBB.274 Wang et al. fabricated calcium ions-triggered harmine in situ nanogel through coupling homogenization and spray-drying technology.275 The bioavailability of harmine administrated by nanogel was found to be 25-fold higher than that by oral administration. At the meantime, incorporation of brain targeting motifs allows nanogel transcytosis across the BBB for brain-targeted drug delivery. Morgenroth reported nanogel-based carrier for the intracellular delivery of radiophamaceuticals to brain tumor cells by functionalization of ligands of diphtheria toxin receptor overexpressed in abnormal cerebral blood vessels.276 The crosslinked network also contained matrix metalloproteinase substrate, permitting protease responsive drug release. Cell membrane-mimicked nanogel is another typical nanocarrier for BBB crossing. For example, Yu and his group utilized phosphorylcholine nanogels for enhanced GBM chemotherapy.277 The phosphorylcholine polymer exhibited long-lasting circulation and achieved higher accumulation in brain tumor tissue, serving as an effective tool for BBB crossing.

There are other polymers-enabled delivery platforms that have been proved for successful brain-targeted delivery including semiconducting polymers, polysaccharides, gelatin and other synthetic or natural polymers.278,279,280,281,282 Further investigations on bioavailability, degradability, and bio-interactions of polymers in vivo will facilitate the development in this field.

고분자 약물 전달 시스템

뇌 표적 전달용 고분자 재료는

광범위한 약물 전달 시스템을 지칭한다.261

이들은 중추신경계 질환의 다양한 동물 모델에서

전임상 연구를 통해 제어된 약물 방출, 세포 표적화 및 흡수, 망상내피계 식균작용 회피 능력 등

약물 전달에 매력적인 특성을 보여줌으로써 잠재력을 입증하였다.

PLGA는 생의학 분야에서 전달 시스템 제형화에 사용되는 전형적인 미국 식품의약국(FDA) 승인 폴리머이다.262 PLGA 기반 전달 시스템은 소분자 약물, 유전자, 단백질, 백신을 포함한 광범위한 치료적 화물을 캡슐화할 수 있으며, 이들 화물을 분해로부터 보호함으로써 높은 생체 이용률을 보장한다. 기능화 없이 조립된 PLGA는 뇌에서 최대 16.4%의 높은 분포율을 보이며 최소 7일 동안 이 수준을 유지할 수 있습니다.263 또한 표적 리간드의 표면 장식 가능성은 생물학적 장벽 침투를 더욱 촉진할 수 있습니다. Cecchini 등이 보고한 전형적인 사례에서는 다양한 표적 펩타이드와 접합된 PLGA 중합체가 크라베병(Krabbe disease)과 같은 뇌 질환의 효소 치료에 활용될 수 있음을 입증하였습니다(그림 6c).264

양친매성 폴리머는 2~300nm 크기의 소수성

코어와 친수성 쉘을 가진 미셀로 자가조립되는 장점으로 알려져 있다.

이러한 구조는 치료제의 높은 적재 용량과

혈액 내 장기 순환을 가능하게 하며,

뇌 병변 내 효율적인 축적을 실현한다.

우리는 최근 열성 경련 조절을 위한 미셀 기반 약물 전달 나노시스템을 제안하였다.265 설계된 폴리아크릴아미드-코아크릴로니트릴-메톡시 폴리에틸렌글리콜-숙시이미딜 카보네이트 공중합체는 정의된 미셀로 자가조립될 수 있었다. 생후 쥐 새끼의 혈뇌장벽(BBB)이 완전히 발달하지 않았기 때문에, 미셀은 조산아 뇌에 빠르면 5분 만에 신속히 축적될 수 있었다. 항염증 소분자 억제제 CZL-80을 모델 약물로 선정하였다. 미셀 캡슐화 후 약물의 치료적 유효 시간은 단독 CZL-80 주사의 20분 대비 최소 4시간으로 현저히 증가하였다. 특히, 나노공학화된 미셀은 39°C의 상한 임계 용액 온도를 지녀, 온도 감응형 약물 방출 메커니즘을 통해 필요 시 치료가 가능하다는 장점을 가진다. 약물 내성 신경교종에 대응하기 위해 Saltzman 등은 옥살리플라틴(3세대 백금계 항암제)과 56MESS(양이온성 백금계 DNA 삽입제)를 동시 전달하기 위한 환원 반응성 고분자 나노입자를 제조하였다(그림 6d). 266 옥살리플라틴과 56MESS는 각각 소수성 상호작용과 정전기적 복합체를 통해 나노입자 내부에 캡슐화되었다. 종양 환원성 미세환경에서 높은 수준의 글루타티온(GSH)은 폴리머 백본의 이황화 결합이 끊어짐에 따라 약물 방출을 유발할 수 있다. 저자들은 대류 강화 전달을 활용함으로써 약물이 혈뇌 장벽(BBB)을 통과하여 신경교종 부위에 축적될 수 있다고 주장했다. Jiang 연구진은 뇌 표적 기능화 없이 중추신경계 질환 치료를 위한 미셀 기반 약물 전달 시스템의 또 다른 사례를 보고하였다.267 그들은 허혈성 뇌졸중 치료를 위한 미세혈전 표적 미셀 기반 시스템을 개발하였다. 병리적으로 손상된 BBB로 인해 미세혈전 표적 미셀은 BBB를 효율적으로 투과하고 소수성 상호작용을 통해 RAPA 전달을 촉진할 수 있었다. 이 미셀들은 ROS 반응성 및 피브린 결합 폴리머로 조립되어 약물 유지 시간을 연장하고 신경염증 조절을 위한 ROS 유발 약물 방출을 가능케 한다. 미셀 기반 전달 시스템은 BBB 구조가 온전한 질환 치료에도 효과적이다. β-아밀로이드 단백질 유래 표적 펩타이드와 ROS 반응성 양친매성 고분자를 활용해 뇌 및 미세아교세포 이중 표적 나노시스템을 구축하였다.268 조절되지 않은 Aβ 수송을 모방함으로써, 미셀은 알츠하이머병 미세환경을 표적화하고 알츠하이머병에서 과도한 ROS 생성에 반응하여 모델 약물인 커큐민을 방출할 수 있었다. 표적 리간드의 표면 개질을 통한 유사한 미셀 기반 전략은 교모세포종의 시너지 화학요법,269 알츠하이머병의 유전자 치료,270 및 외상성 뇌손상 치료에 적용되었다.230

나노겔은 기능성 폴리머의 3차원 가교로 제조되며, 효율적인 약물 캡슐화가 가능한 네트워크를 갖는다.271 변형성, 나노 규모 크기, 높은 친수성과 같은 조절 가능한 특성으로 인해 나노겔은 코-뇌 전달의 후보 물질이다. Di Carlo 등은 전자빔 조사를 통해 폴리(N-비닐 피롤리돈) 기반 나노겔을 제조했으며, 이 나노겔 기반 시스템이 인슐린의 코-뇌 전달을 제공할 수 있음을 입증했습니다.272 자유 인슐린 투여와 비교했을 때, 전두엽 및 소뇌 영역의 약물 농도가 60분 이내에 현저히 증가했습니다. 저자들은 이러한 개선이 후각 및 삼차 신경 경로를 통한 비강 내 전달의 결과일 수 있다고 지적했다. Kokare와 공동 연구자들은 테리플루노마이드를 함유한 지질 기반 카보폴-겔란 검 현장 겔의 또 다른 고분자 나노겔 전달 시스템을 보고했다.273 겔화제와 점막 부착제의 상호작용을 균형 있게 조절함으로써, 이 나노겔은 친유성 약물과 함께 제형화되어 약물 투과성을 두 배로 향상시켰다. 동일 연구진은 BBB를 우회하여 뇌에 직접 비강 투여하는 정신분열증 치료용 팔리페리돈 팔미테이트 폴록사머-구아검 나노겔을 추가 개발하였다.274 왕(Wang) 등은 균질화 및 분무 건조 기술을 결합하여 칼슘 이온에 의해 활성화되는 하르민 현장형 나노겔을 제조하였다.275 나노겔 투여 시 하르민의 생체이용률은 경구 투여 대비 25배 높은 것으로 확인되었다. 동시에, 뇌 표적 모티프를 도입함으로써 나노겔의 BBB를 통한 트랜스사이토시스를 가능하게 하여 뇌 표적 약물 전달을 실현했다. Morgenroth는 비정상적 뇌혈관에서 과발현되는 디프테리아 독소 수용체의 리간드를 기능화하여 방사성 의약품을 뇌종양 세포 내로 전달하는 나노겔 기반 운반체를 보고했다.276 가교된 네트워크는 또한 매트릭스 메탈로프로테이나제 기질을 포함하여 프로테아제 반응성 약물 방출을 가능하게 했다. 세포막 모방 나노겔은 BBB 통과를 위한 또 다른 대표적인 나노운반체이다. 예를 들어, Yu 연구진은 GBM 화학요법 효과를 높이기 위해 포스포릴콜린 나노겔을 활용하였다.277 포스포릴콜린 중합체는 장기적인 순환 특성을 보이며 뇌종양 조직 내 높은 축적률을 달성하여 BBB 통과를 위한 효과적인 도구로 작용하였다.

반도체 고분자, 다당류, 젤라틴 및 기타 합성 또는 천연 고분자를 포함하여 성공적인 뇌 표적 전달이 입증된 다른 고분자 기반 전달 플랫폼이 존재한다.278,279,280,281,282 고분자의 생체 내 생체 이용률, 분해성 및 생체 상호작용에 대한 추가 연구는 이 분야의 발전을 촉진할 것이다.

Gold nanomaterials

Gold nanomaterials have a number of distinctive advantages over drug delivery for brain diseases.283,284 Inert surface chemistry of gold allows limited interactions at nano-bio interface and consequently leads to high cellular and tissue compatibility. They could enter the brain by crossing the brain endothelium in a size-dependent manner. In addition, it is comparatively simple to synthesize the gold nanomaterials with tailored structure and defined size. Although only smaller size (<10 nm) gold nanoparticles after intravenous injection was observed to be distributed in the brain slice.285 Sub-100-nm gold nanoparticles can extravasate through the damaged BBB under some pathological circumstance such as brain tumor, cerebral stroke, brain injury and epilepsy. Moreover, gold nanomaterials could be traced by using computed tomography imaging for imaging-guided therapy, eval‎uating their biodistribution and accumulation in the brain.286,287 A variety of applications based on gold nanoparticles have developed for brain disorders treatment thanks to their excellent properties. For example, some gold nanoparticles that have higher absorbance at near infrared biowindow are potential nanogents for photothermal therapy of brain tumor.288 In this section, we will focus on the discussion of the design and synthesis of gold nanomaterials-based delivery systems.

Functional ligands or drugs can be stably anchored onto the gold surface via gold-thiol bonding for enhanced drug delivery.289 Popovtzer developed insulin-coated gold nanoparticles as endogenous BBB transport system for delivering therapeutics into the brain regions, rich in insulin receptors.290 Prior to the modification, thiol-mPEG-COOH copolymer was attached onto the gold nanoparticles via gold-thiol interaction, leaving carboxylic groups for further EDC/NHS conjugation with insulin. They also proved the 20 nm of gold nanoparticles showed highest accumulation in the brain compared with 50 nm and 70 nm nanoparticles. Another example of maze tetrapeptide-anchored gold nanoparticles was confirmed by Guo’s group.291 The thiolated biomolecules were anchored onto the nanoparticle surface, achieving brain-targeted delivery and neuroprotection to prevent Alzheimer’s disease. As mentioned, the gold-thiol interaction between gold nanoparticles and functional ligand enabled a simple and effective strategy for nanoparticles functionalization.

More recently, chiral gold nanoparticles have received attention in both nanotechnology and biomedicine.292,293 Tang and co-workers firstly revealed that the BBB penetration of gold nanoparticles is clearly affected by their chirality (Fig. 7a, b).294 It is known that GSH transporters at high level in the brain promoted the BBB permeability of GSH-capped nanoparticles. In this work, the authors indicated that the D-GSH-stabilized gold nanoparticles at 3.3 nm (D3.3) possessed higher brain distribution compared to its enantiomer (L-GSH-stabilized nanoparticles, L3.3). Together with a larger binding affinity towards amyloid-β of D3.3, the introduction of chiral ligands endowed the nanoparticles with improved rescue of behavioral impairments in Alzheimer’s disease. This study undoubtfully provides a deeper understanding of nanotechnology-enabled BBB crossing by ligand functionalization.

금 나노물질

금 나노물질은

뇌 질환 치료제 전달에 있어 여러 가지 독특한 장점을 지닌다.283,284

금의 불활성 표면 화학적 특성은

나노-생체 경계면에서의 상호작용을 제한하여

높은 세포 및 조직 적합성을 유도한다.

이들은 크기 의존적 방식으로 뇌 내피를 통과하여 뇌로 진입할 수 있다.

또한, 맞춤형 구조와 정의된 크기를 가진 금 나노물질의 합성은 비교적 간단하다.

비록 정맥 주사 후 뇌 조직 슬라이스에서 관찰된 금 나노입자는 작은 크기(<10nm)에 불과했지만.285 100nm 미만의 금 나노입자는 뇌종양, 뇌졸중, 뇌손상, 간질과 같은 병리학적 상황에서 손상된 혈뇌장벽(BBB)을 통해 혈관외 유출될 수 있다. 또한, 컴퓨터 단층 촬영(CT) 영상화를 이용한 영상 유도 치료를 통해 금 나노물질의 뇌 내 생체 분포 및 축적을 평가하며 추적할 수 있습니다.286,287 금 나노입자의 우수한 특성 덕분에 뇌 질환 치료를 위한 다양한 응용 기술이 개발되었습니다. 예를 들어, 근적외선 생체 창에서 흡수율이 더 높은 일부 금 나노 입자는 뇌종양의 광열 치료에 잠재적인 나노 제제입니다.288 이 섹션에서는 금 나노 물질 기반 전달 시스템의 설계 및 합성에 대한 논의에 초점을 맞출 것입니다.

기능성 리간드나 약물은 금-티올 결합을 통해 금 표면에 안정적으로 고정되어 약물 전달 효율을 향상시킬 수 있다.289 Popovtzer는 인슐린 수용체가 풍부한 뇌 영역으로 치료제를 전달하기 위한 내인성 혈뇌장벽(BBB) 수송 시스템으로 인슐린 코팅 금 나노입자를 개발했다.290 개질 전, 티올-mPEG-COOH 공중합체가 금-티올 상호작용을 통해 금 나노입자에 부착되었으며, 카르복실기를 남겨 인슐린과의 추가적인 EDC/NHS 접합을 가능하게 했다. 또한 20nm 금 나노입자가 50nm 및 70nm 입자에 비해 뇌 내 최고 축적률을 보인다는 사실도 입증되었다. Guo 연구진은 미로 테트라펩타이드 고정 금 나노입자의 또 다른 사례를 확인하였다.291 티올화된 생체분자를 나노입자 표면에 고정시켜 알츠하이머병 예방을 위한 뇌 표적 전달 및 신경보호 효과를 달성하였다. 앞서 언급한 바와 같이, 금 나노입자와 기능성 리간드 간의 금-티올 상호작용은 나노입자 기능화를 위한 간단하고 효과적인 전략을 가능케 하였다.

최근에는 키랄 금 나노입자가 나노기술과 생의학 분야에서 주목받고 있다.292,293 Tang 연구진은 금 나노입자의 혈뇌장벽(BBB) 투과성이 키랄성에 의해 현저히 영향을 받는다는 점을 최초로 규명하였다(그림 7a, b).294 뇌 내 고농도의 GSH 수송체가 GSH 캡핑 나노입자의 BBB 투과성을 촉진한다는 사실은 이미 알려져 있다. 이 연구에서 저자들은 3.3nm 크기의 D-GSH 안정화 금 나노입자(D3.3)가 그 거울상 이성질체(L-GSH 안정화 나노입자, L3.3)에 비해 뇌 내 분포도가 더 높다는 점을 제시했습니다. D3.3의 아밀로이드-β에 대한 더 큰 결합 친화력과 함께, 키랄 리간드의 도입은 알츠하이머병의 행동 장애 개선 효과를 향상시켰다. 본 연구는 리간드 기능화를 통한 나노기술 기반 BBB 통과에 대한 깊은 이해를 제공함은 분명하다.

Fig. 7

Gold nanomaterials and carbon materials for brain-targeted drug delivery. a Simulated structures of Aβ17-36 with L- and b D-GSH-coated Au (111) surface obtained from molecular docking simulation. Reproduced with permission. Copyright 2020, Nature Publishing Group. c Schematic illustration of synthesis and d TEM images of mazindol-B6 peptide-PCB-S-curcumin-siRNA (MBPCS) and intermediate products. Reproduced with permission. Copyright 2019, Royal Society of Chemistry. e Structures and reactivity of the various nuclearities of Ru-CO clusters on GO, and f FTIR spectra of 1Ru-and 11Ru-CO. Reproduced with permission. Copyright 2018, Wiley-VCH. g Schematic illustration of synthesis of drug-loaded graphene quantum dots (GQD-D) and Cetuximab-labeled red blood cell membrane-coated GQD-D anchored inside the nanosponge (Ct-RBC@GQD-D/NS) and h their TEM images. Reproduced with permission. Copyright 2019, American Chemical Society

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그림 7

뇌 표적 약물 전달을 위한 금 나노물질 및 탄소 물질. 

a 분자 도킹 시뮬레이션으로 얻은 L- 및 b D-GSH로 코팅된 Au (111) 표면과 결합한 Aβ17-36의 시뮬레이션 구조. 허가를 받아 재현함. 저작권 2020, Nature Publishing Group. c 마진돌-B6 펩타이드-PCB-S-커큐민-siRNA(MBPCS) 및 중간 생성물의 합성 개략도 및 d TEM 이미지. 허가를 받아 재생산함. 저작권 2019, Royal Society of Chemistry. e GO 상 Ru-CO 클러스터의 다양한 핵수 구조 및 반응성, 그리고 f 1Ru- 및 11Ru-CO의 FTIR 스펙트럼. 허가를 받아 재생산함. 저작권 2018, Wiley-VCH. g 약물 적재 그래핀 양자점(GQD-D) 및 세툭시맙 표지 적혈구 막으로 코팅된 GQD-D가 나노스펀지 내부에 고정된 구조(Ct-RBC@GQD-D/NS)의 합성 개략도 및 h 해당 TEM 이미지. 허가를 받아 재생산함. 저작권 2019, 미국 화학학회(American Chemical Society)

Gold nanoparticle-based drug delivery systems in unconventional structure other than sphere particle have been designed for enhanced brain-targeted delivery. For example, a switchable nanoplatform for co-delivery of gene and chemical drugs was nano-fabricated by Zhang and his team (Fig. 7c, d).295 The modification of nanoparticles with B6 peptide, mazindol, β-thiother ester bonded-copolymer endowed the nanosystem with brain targeting ability, high affinity towards dopaminergic neurons, and ROS-response drug release, respectively. It significantly improved the targeted delivery of curcumin and small interfering RNA to accomplish a synergistic delivery overcoming the issue of Parkinson’s disease. Interestingly, the levodopa attached on the gold surface provides a Fe3+-enabled assembly in neurons for enhanced computed tomography. Microenvironment-mediated switching between self-assembly and disassembly by gold nanoparticles was developed for brain tumor treatment. The endogenous factors in brain tumor such as low pH and higher GSH could triggered the transition of assembly–disassembly state to improve theranostic efficacy.296,297 Moreover, hybrid nanoparticles that are composed of gold and other materials inherited the intrinsic properties of each component. Bimetallic nanoparticles (gold and palladium) modified with quercetin could serve as a potential inducer for the therapy of Alzheimer’s disease.298

Currently, some gold nanomaterials-based systems are undergoing pre-clinical and clinical trials. The limitations and strengths of these systems should be further investigated and summarized, provide a guidebook for the community. Comparative studies are required to explore the effects of shape, size, surface charge, and other factors on nano-bio interactions. In addition to the BBB crossing, research on the biodistribution and elimination of gold nanomaterials in the brain should be continued.

뇌 표적 전달 효율 향상을 위해 구형 입자 이외의 비전통적 구조를 가진 금 나노입자 기반 약물 전달 시스템이 설계되었다. 예를 들어, Zhang과 그의 팀은 유전자와 화학 약물을 함께 전달하기 위한 전환 가능한 나노 플랫폼을 나노 제작했습니다(그림 7c, d).295 B6 펩타이드, 마진돌, β-티오에스터 결합 공중합체로 나노 입자를 수정함으로써 나노 시스템에 각각 뇌 표적 능력, 도파민성 뉴런에 대한 높은 친화력, ROS 반응 약물 방출 능력을 부여했습니다. 이는 커큐민과 소형 간섭 RNA의 표적 전달을 현저히 개선하여 파킨슨병 문제를 극복하는 시너지 전달을 달성했다. 흥미롭게도 금 표면에 부착된 레보도파는 신경세포 내에서 Fe³⁺를 이용한 조립을 제공하여 컴퓨터 단층촬영(CT) 성능을 향상시켰다. 금 나노입자에 의한 자가조립과 분해 사이의 미세환경 매개 전환은 뇌종양 치료를 위해 개발되었다. 뇌종양 내부의 낮은 pH 및 높은 GSH와 같은 내인성 인자는 조립-분해 상태 전환을 유발하여 치료진단 효능을 향상시킬 수 있다.296,297 또한 금과 다른 물질로 구성된 하이브리드 나노입자는 각 구성 요소의 고유 특성을 계승한다. 케르세틴으로 개질된 이금속 나노입자(금과 팔라듐)는 알츠하이머병 치료의 잠재적 유도체 역할을 할 수 있다.298

현재 일부 금 나노물질 기반 시스템이 전임상 및 임상 시험을 진행 중이다. 이러한 시스템의 한계점과 장점을 추가로 조사·정리하여 학계에 지침서를 제공해야 한다. 형태, 크기, 표면 전하 등 요인이 나노-생체 상호작용에 미치는 영향을 규명하기 위한 비교 연구가 필요하다. 혈뇌장벽 통과 외에도 뇌 내 금 나노물질의 생체 분포 및 제거에 대한 연구를 지속해야 한다.

Carbon materials

Carbon materials including carbon dots (CDs), carbon nanotubes (CNTs), graphene, and graphene oxide have been considered as promising agents for biomedical applications.299,300,301 They are evolving as functional materials not only for drug delivery but also, in parallel, for imaging, diagnosis and other treatments while proving negligible side effects.302,303,304,305

CDs have been exploited as biocompatible nanocarriers for brain-targeted drug delivery due to their tunable properties, photostability, small size, and facial synthesis.306 Leblanc et al. successively reported the development of two CDs-based nanocarriers to treat glioblastoma brain tumor and Alzheimer’s disease.307,308 The CDs for brain tumor treatment were conjugated with transferrin, epirubicin, temozolomide via EDC/NHS reactions with carboxylic groups on CDs surface. And the CDs for Alzheimer’s disease treatment were fabricated by an ultrasonication-mediated strategy, producing amphiphilic yellow-emissive particles at a size of 3 nm. Such CDs with amphiphilicity could cross the BBB through passive fusion.

Graphene oxide (GO) and reduced GO (rGO) are two representative graphene-based materials.309 They were well known for their electro-mobility, and photothermal properties, high specific surface area, giving them great potentials in targeted drug delivery. Drug molecules could be conveniently loaded into graphene-based delivery system via non-covalent interactions (π-π stacking, hydrophobic interactions, hydrogen bonding, and electrostatic interactions).310 Further, the -OH and -COOH groups of GO and rGO provides a feasibility to conjugate with targeted molecules and material matrix. Interestingly, the graphene-based materials themselves have the potential therapeutic effects in treatment of CNS disorders. They have been used to inhibit misfolding and aggregation of amyloid-β protein. By loading dauricine, a dibenzyl tetrahydroisoquinoline alkaloid that alleviates brain inflammation, GO sheets were verified to possess the therapeutic effects for Alzheimer’s disease.311 In addition to small-molecule drugs, clusters such as RuII(CO)2 species could be absorbed onto GO (Fig. 7e, f).312 Under photothermal activation, carbon dioxide was released for the treatment of vascular diseases, like stroke remediation. Obviously, conjugation of functional ligands has been explored to facilitate the BBB transcytosis of graphene-based materials, such as lactoferrin, porphyrin, and transferrin.313,314,315,316 Physico-chemical properties such as size and surface charge also have impact on BBB penetration efficiency of GO and rGO.309 Graphene quantum dots at a size range from 2 to 4 nm have higher BBB permeability than GO at a size from 5 to 20 nm, indicating the crucial role of particle size in brain drug delivery.317 Due to the small size, graphene quantum dots could be encapsulated onto mesoporous nanostructure and mediate the theranostic penetrative delivery of drug and photolytics (Fig. 7g, h).318 her engineering of cell membrane onto the hybrid particles prolongated the blood circulation, leading to enhanced accumulation at brain tumors.

CNTs can been divided into two types, namely single-walled CNTs (SWCNTs) and multi-walled CNTs (MWCNTs) depending on the inner graphene layers. Unique surface chemistry and walled structure of CNTs permit drug loading and polymer conjugation for targeted delivery to brains.319 The CNTs for drug delivery were usually modified with functional groups such as -NH2 or -COOH, providing reactive sites. Raza developed PEGylated CNTs after -NH2 modification for delivery of mangiferin, a potential anti-cancer drug as a nanomedicine for brain tumor.320 Carboxylated SWCNTs were utilized for brain delivery of levodopa for the treatment of Parkinson’s disease.321 Chen et al. combined a mixture of brain targeting peptide, glioma targeting and polyethyleneimine with carboxylated MWCNTs to form nanomedicine for orthotopic brain tumors.322 The therapeutic agents could be loaded within the systems via either covalent conjugation or non-covalent bonding. However, it remains public concern for human health as exposure of CNTs may cause cytotoxicity in CNS,323,324 and more toxicological profiles are needed before they can be applied in clinical trials.

탄소 소재

탄소 도트(CDs), 탄소 나노튜브(CNTs), 그래핀, 그래핀 산화물 등 탄소 소재는 생의학적 응용을 위한 유망한 물질로 주목받고 있다.299,300,301 이들은 약물 전달뿐만 아니라 영상, 진단 및 기타 치료를 위한 기능성 소재로 발전하면서 동시에 무시할 만한 부작용을 입증하고 있다.302,303,304,305

CD는 조절 가능한 특성, 광안정성, 작은 크기, 그리고 쉬운 합성으로 인해 뇌 표적 약물 전달을 위한 생체 적합성 나노 캐리어로 활용되어 왔다.306 Leblanc 등은 교모세포종 뇌종양 및 알츠하이머병 치료를 위한 두 가지 CD 기반 나노 캐리어 개발을 연속적으로 보고하였다.307,308 뇌종양 치료용 CD는 CD 표면의 카르복실기와 EDC/NHS 반응을 통해 트랜스페린, CD 표면의 카르복실기와 EDC/NHS 반응을 통해 에피루비신, 테모졸로미드와 접합되었다. 알츠하이머병 치료용 CD는 초음파 매개 전략으로 제조되어 3nm 크기의 양친매성 황색 발광 입자를 생성했다. 이러한 양친매성 CD는 수동적 융합을 통해 혈뇌 장벽(BBB)을 통과할 수 있었다.

산화 그래핀(GO)과 환원된 GO(rGO)는 두 가지 대표적인 그래핀 기반 물질이다.309 이들은 전기 이동도, 광열 특성, 높은 비표면적로 잘 알려져 있어 표적 약물 전달에 큰 잠재력을 지닌다. 약물 분자는 비공유 결합 상호작용(π-π 스태킹, 소수성 상호작용, 수소 결합, 정전기적 상호작용)을 통해 그래핀 기반 전달 시스템에 편리하게 탑재될 수 있다.310 또한 GO와 rGO의 -OH 및 -COOH 그룹은 표적 분자 및 재료 매트릭스와 접합할 수 있는 가능성을 제공한다. 흥미롭게도 그래핀 기반 물질 자체는 중추신경계(CNS) 장애 치료에 잠재적 치료 효과를 지닌다. 이들은 아밀로이드-β 단백질의 변형 및 응집 억제에 활용되었습니다. 뇌 염증을 완화하는 디벤질 테트라하이드로이소퀴놀린 알칼로이드인 다우리신을 탑재함으로써, GO 시트가 알츠하이머병에 대한 치료 효과를 지닌다는 것이 입증되었습니다.311 소분자 약물 외에도 RuII(CO)2 종과 같은 클러스터도 GO에 흡착될 수 있습니다(그림 7e, f). 312 광열 활성화 하에서, 뇌졸중 치료와 같은 혈관 질환 치료를 위해 이산화탄소가 방출되었다. 그래핀 기반 물질의 혈뇌장벽(BBB) 전세포이동을 촉진하기 위해 락토페린, 포르피린, 및 트랜스페린과 같은 기능성 리간드의 접합이 탐구되어 왔다.313,314,315,316 크기 및 표면 전하와 같은 물리화학적 특성 또한 GO 및 rGO의 BBB 투과 효율에 영향을 미친다.309 2~4nm 크기의 그래핀 양자점은 5~20nm 크기의 GO보다 높은 BBB 투과성을 보이며, 이는 뇌 약물 전달에서 입자 크기의 결정적 역할을 시사한다. 317 작은 크기 덕분에 그래핀 양자점은 메조다공성 나노구조에 캡슐화되어 약물과 광분해제의 치료진단적 침투 전달을 매개할 수 있다(그림 7g, h).318 하이브리드 입자에 세포막을 공학적으로 접목함으로써 혈액 순환 시간이 연장되어 뇌종양 부위에서의 축적이 향상되었다.

탄소나노튜브(CNTs)는 내부 그래핀 층 수에 따라 단일벽 CNTs(SWCNTs)와 다중벽 CNTs(MWCNTs)로 구분된다. CNTs의 독특한 표면 화학과 다중벽 구조는 약물 부하 및 중합체 접합을 가능하게 하여 뇌 표적 전달을 실현한다.319 약물 전달용 CNTs는 일반적으로 -NH₂ 또는 -COOH와 같은 기능기로 개질되어 반응성 부위를 제공한다. 라자는 뇌종양용 나노의약품으로 잠재적 항암제인 망기페린 전달을 위해 -NH₂ 변형 후 PEG화 CNT를 개발하였다.320 카복실화 SWCNT는 파킨슨병 치료를 위한 레보도파의 뇌 전달에 활용되었다.321 천 등은 뇌 표적 펩타이드 혼합물, 교모세포종 표적화 및 폴리에틸렌이미드 혼합물을 카복실화 MWCNT와 결합하여 동종 이식 뇌종양용 나노의약품을 형성하였다.322 치료제는 공유 결합 또는 비공유 결합을 통해 시스템 내에 적재될 수 있다. 그러나 CNT 노출이 중추신경계(CNS)에서 세포 독성을 유발할 수 있다는 점323,324으로 인해 인간 건강에 대한 공중 보건 문제가 남아 있으며, 임상 시험 적용 전 더 많은 독성학적 프로파일 연구가 필요하다.

Iron oxide nanoparticles

Iron oxide nanoparticles (IONPs) are a class of widely used nanomaterials for biomedical applications including drug delivery, bioimaging, hyperthermia therapy, and magnetic separation.325,326,327 Magnetite (Fe3O4), hematite (α-Fe2O3) and maghemite (γ-Fe2O3) are three common IONPs, in which Fe3O4 nanoparticles received great interests. Of importance, customized IONPs with different size, shape, morphology, and surface chemistry could be synthesized in a controlled manner. Typically, administration of unmodified IONPs does not permit brain-targeted delivery. Their accumulation pattern in organs of rodent models was revealed as follows: spleen > blood > liver > kidney > lungs > heart > testis > brain.328 Covalent conjugation of targeting ligands, and/or polymeric materials such as PEG chains, carboxymethyl cellulose, dextran could distinctively facilitate the transport of IONPs across the BBB.329,330,331

Spherical IONPs or SPIONs could serve as carriers for brain-targeted delivery. For instance, IONPs synthesized by a mixture of L-aspartic acid, FeCl3·6H2O, and FeCl2·4H2O could be functionalized with carboxylic groups, paclitaxel, PEG polymer chain, and GSH step by step.332 The as-synthesized particles were proved to pass through the BBB with shuttle peptide and deliver the drug molecules into brain. Ni and co-authors fabricated brain-targeted IONPs for co-delivery of GSH peroxidase 4 and cisplatin for gene-chemotherapy.333 The small interfering RNA and the chemical drugs were loaded via EDC/NHS reaction and direct absorption, respectively. Small size IONPs were sometimes used as therapeutic agents other than the carriers. Guo developed an ultrasound-responsive nanoparticle for thrombolysis, by assembly of PLGA and targeting peptide dual-modified nanoparticles onto perfluorohexane nanodroplet (Fig. 8a–d).334 In another report, SPIONs, quantum dots, cilengitide were integrated into one nanoplatform, giving liposomal formulation for imaging-guided therapy. The hydrophilic cilengitide was encapsulated in the aqueous core, whereas SPIONs and quantum dots were concealed inside the lipid membrane. The SPIONs and the quantum dots used in the formulation have a size of ~20 nm and ~8 nm, respectively, and the hydrodynamic diameter of the final liposome was determined to be ~100 nm. The authors claimed the size change could promote the passive targeting via leaking vasculature (7–150 nm) and meanwhile prevent homogenous leakage of SPIONs into normal tissues.335

산화철 나노입자

산화철 나노입자(IONPs)는

약물 전달, 생체 영상, 고열 치료, 자기 분리를 포함한

생의학적 응용 분야에서 널리 사용되는 나노물질의 일종이다.325,326,327

자철석(Fe₃O₄), 헤마타이트(α-Fe₂O₃), 마그헤마이트(γ-Fe₂O₃)는

세 가지 일반적인 IONPs이며,

그중 Fe₃O₄ 나노입자가 큰 관심을 받았다.

중요한 점은 제어된 방식으로

다양한 크기, 형태, 구조 및 표면 화학을 가진 맞춤형 IONPs를 합성할 수 있다는 것이다.

일반적으로, 변형되지 않은 IONPs의 투여는 뇌 표적 전달을 허용하지 않습니다. 설치류 모델의 장기 내 축적 패턴은 다음과 같이 밝혀졌습니다: 비장 ＞＞ 혈액 ＞＞ 간 ＞＞ 신장 ＞＞ 폐 ＞＞ 심장 ＞＞ 고환 ＞＞ 뇌.328 표적화 리간드 및/또는 PEG 사슬, 카르복시메틸셀룰로오스, 덱스트란과 같은 고분자 물질의 공유 결합은 IONPs의 혈뇌장벽(BBB) 통과를 현저히 촉진할 수 있다.329,330,331

구형 IONPs 또는 SPIONs는 뇌 표적 전달을 위한 운반체로 활용될 수 있다. 예를 들어, L-아스파르트산, FeCl3·6H2O 및 FeCl2·4H2O의 혼합물로 합성된 IONPs는 카르복실기, 파클리탁셀, PEG 중합체 사슬 및 GSH로 단계적으로 기능화될 수 있습니다.332 이렇게 합성된 입자는 셔틀 펩타이드를 통해 BBB를 통과하여 약물 분자를 뇌로 전달하는 것으로 입증되었습니다. Ni와 공동 저자들은 유전자-화학요법을 위한 GSH 퍼옥시다제 4와 시스플라틴의 공동 전달을 위한 뇌 표적 IONPs를 제작했습니다.333 작은 간섭 RNA와 화학 약물은 각각 EDC/NHS 반응과 직접 흡수를 통해 적재되었습니다. 소형 IONPs는 때때로 운반체 이외의 치료제로 사용되기도 합니다. Guo는 PLGA와 표적 펩타이드 이중 변형 나노 입자를 퍼플루오로헥산 나노 액적에 조립하여 혈전 용해를 위한 초음파 반응성 나노 입자를 개발했습니다(그림 8a–d).334 또 다른 보고서에 따르면, SPION, 양자점, 실렌기타이드를 하나의 나노 플랫폼에 통합하여 영상 유도 치료를 위한 리포솜 제형을 만들었습니다. 친수성 실렌기타이드(cilengitide)는 수성 코어에 캡슐화되었으며, SPION과 양자점은 지질 막 내부에 숨겨졌습니다. 제형에 사용된 SPION과 양자점의 크기는 각각 약 20nm와 약 8nm이며, 최종 리포좀의 유체역학적 직경은 약 100nm로 측정되었습니다. 저자들은 이러한 크기 변화가 누출 혈관(7–150nm)을 통한 수동적 표적화를 촉진하는 동시에 SPION의 정상 조직으로의 균일한 누출을 방지할 수 있다고 주장했다.335

Fig. 8

Iron oxide nanoparticles, silica nanomaterials, biomimetic nanomaterials and Cas9/RNA nanoparticles for brain-targeted drug delivery. a Schematic illustration of synthesis of Fe3O4 nanoparticles-PLGA-perfluorohexane (PFH) nanoparticles with CREKA peptides and b, c representative TEM images of Fe3O4-PLGA-PFH-CREKA and PLGA-PFH-CREKA nanoparticles, and d their elemental mapping results. Reproduced with permission. Copyright 2019, American Chemical Society. e Schematic illustration of synthesis of HA-MMSN-1F12 nanoparticles and f particle size and g TEM images of HA-MMSN and HA-MMSN-1F12 nanoparticles. Reproduced with permission. Copyright 2022, Ivyspring International Publisher. h Schematic illustration of synthesis of cell membrane-coated nanostructures and its targeted synergistic therapy of glioblastoma. Reproduced with permission. Copyright 2022, Nature Publishing Group. i Schematic illustration of synthesis of CRISPR-Cas9 nanocapsules and j their TEM images and k size distribution. Reproduced with permission. Copyright 2022, American Association for the

그림 8

뇌 표적 약물 전달을 위한 산화철 나노입자, 실리카 나노물질, 생체모방 나노물질 및 Cas9/RNA 나노입자. 

a Fe3O4 나노입자-PLGA-퍼플루오로헥산(PFH) 나노입자의 CREKA 펩타이드 합성 개략도 및 b, c Fe3O4-PLGA-PFH-CREKA 및 PLGA-PFH-CREKA 나노입자의 대표 TEM 이미지, 그리고 d 원소 매핑 결과. 허가를 받아 재생산함. 저작권 2019, 미국화학회. e HA-MMSN-1F12 나노입자 합성 개략도 및 f 입자 크기, g HA-MMSN 및 HA-MMSN-1F12 나노입자의 TEM 이미지. 허가를 받아 재생산함. 저작권 2022, 아이비스프링 인터내셔널 퍼블리셔. h 세포막 코팅 나노구조 합성 개념도 및 교모세포종 표적 시너지 치료. 재생산 허가됨. 저작권 2022, Nature Publishing Group. i CRISPR-Cas9 나노캡슐 합성 개념도 및 j 해당 TEM 이미지 및 k 크기 분포. 재생산 허가됨. 저작권 2022, American Association for the

Advancement of Science

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Recently, IONPs with tailored structures or multi-component IONPs-based particles were developed for brain diseases. Zhou et al. provided gallic acid-coated magnetic nanoclovers for targeted delivery of nanomedicine to brain tumors.336 The clover-shaped nanoparticle was synthesized by a mixture of CoFe-oleate, oleic acid, and oleyl alcohol after an elongated reaction time. The authors indicated that these nanoclovers have greater heat induction efficiency than common IONPs, leading to enhanced magnetic hyperthermia-chemotherapy combination for brain tumor treatment. Paulmurugan and co-workers synthesized polyfunctional gold-iron oxide nanostars for microRNA delivery to combat against glioblastoma.337 The gold-iron oxide nanostars could be obtained by consecutive seed and growth steps, giving a uniform size distribution of around 34 nm. Further coating of hybrid polymer (β-cyclodextrin-chitosan) and decoration of PEG-T7 peptide enabled efficient cargo loading and brain tumor targeting.

IONPs are widely used in the clinic for diagnostic and/or prognostic applications. The development of IONPs-based drug delivery system enabled trackable delivery and imaging-guided therapy. Recent advances of magnetotherapy offer a new opportunity for combined therapy. Thus, future work on the construction of multi-functional nanoplatform, as well as the study on how to balance the interactions between each component for optimized efficacy should be conducted.

최근 뇌 질환 치료를 위해 맞춤형 구조를 가진 IONPs 또는 다성분 IONPs 기반 입자가 개발되었다. Zhou 등은 뇌종양에 나노의약품을 표적 전달하기 위해 갈산 코팅 자기성 나노클로버를 제시하였다.336 클로버 모양의 나노입자는 CoFe-올레이트, 올레산, 올레일 알코올을 혼합하여 연장된 반응 시간 후 합성되었다. 저자들은 이 나노클로버가 일반 IONPs보다 열 유도 효율이 높아 뇌종양 치료를 위한 자기 고열-화학요법 병용 효과를 향상시킨다고 밝혔다. Paulmurugan과 공동 연구자들은 교모세포종 퇴치를 위한 마이크로RNA 전달을 위해 다기능성 금-산화철 나노스타를 합성하였다.337 금-산화철 나노스타는 연속적인 시드 및 성장 단계를 통해 얻을 수 있으며, 약 34nm의 균일한 크기 분포를 보였다. 하이브리드 폴리머(β-사이클로덱스트린-키토산)의 추가 코팅과 PEG-T7 펩타이드 장식으로 효율적인 화물 적재 및 뇌종양 표적화가 가능해졌다.

IONPs는 진단 및/또는 예후 평가 목적으로 임상에서 널리 사용된다. IONPs 기반 약물 전달 시스템의 개발로 추적 가능한 전달과 영상 유도 치료가 가능해졌다. 최근 자성 치료법의 발전은 복합 치료를 위한 새로운 기회를 제공한다. 따라서 다기능 나노 플랫폼 구축 및 각 구성 요소 간 상호작용 균형을 통한 효능 최적화 연구가 향후 수행되어야 한다.

Silica nanomaterials

Silica nanoparticles are a type of stable, low toxic, and nanostructured bioceramics contributing their superlative properties and uses to biomedicine. Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) characterized by ordered distribution of mesopores at a pore size between 2 and 50 nm with high pore volume and surface area are ideal candidates of starting biomaterials, particularly as drug carrier.338,339 The presence of silanol groups at particle surface enables the production of multifunctional derivatives of MSNs system for targeted drug delivery in the treatment of brain diseases.

There are mainly two strategies to fabricate MSNs-based delivery system for BBB crossing. First, MSNs can be employed as a drug delivery system by direct drug absorption and surface ligand functionalization. Chen et al. conjugated cRGD peptide with the MSNs and simultaneously load antineoplastic DOX by mixing.340 They found that such system exhibited strong permeability across the BBB and then could induce cancer cells apoptosis by releasing drugs. The transport capability of MSNs at the sizes of 20, 40, and 80 nm were eval‎uated by the authors and were calculated to be 44.0%, 59.2%, and 38.6%, respectively, which were all higher than that of free drugs (32.8%), indicating a size-dependent penetration mechanism. Gómez-Ruiz and co-workers prepared a MSNs-based nanoplatform for delivery of a cocktail of agents (leptin and pioglitazone) to fight against amyotrophic lateral sclerosis.341 Leptin, a polypeptide hormone possessing neuroprotective effects, was conjugated with -NH2 of MSNs through EDC/NHS coupling, and pioglitazone, an anti-inflammatory agent, was loaded through adsorption. The surface area and the pore volume before and after the drug loading were determined to be 853 m2/g and 0.73 cm3/g, 512 m2/g and 0.47 cm3/g, respectively. These results demonstrated successful incorporation of both agents. Other nanoplatforms using iRGD peptide,342 lactoferrin,343 lipoic acid,344 Angiopep-2,345 lipid bilayer,346 as targeting ligands also demonstrated efficient drug loading and BBB crossing of MSNs-based delivery systems.

Moreover, MSNs were used as core substrates for further materials growth, or as the carrier shell coating on other functional nanostructures including those particles mentioned above. For example, a core-shell particle system was constructed by polymerization of tetraethyl orthosilicate grafting on magnetic Fe3O4 nanoparticles for both drug delivery and magnetic resonance imaging. Afterwards, the drug-loaded Fe3O4@MSNs particles were wrapped up by activated neutrophils, producing a biomimetic theranostic platform. The authors claimed the neutrophils not only have the native ability of BBB crossing, but also could act as “living” delivery system targeting inflammatory regions for maximizing the drug bioavailability.347 Similar magnetic core-shell particles were developed by Luo and co-workers (Fig. 8e–g).348 The Fe3O4@MSNs particles were modified with both amyloid-β antibody (1F12) and CD44-targeting ligand (hyaluronic acid). Thus, after BBB penetration enabled by hyaluronic acid, the particles could specifically remove amyloid-β oligomers. In their work, the particles size had a hydrodynamic size ranging from 413 to 478 nm which is not an ideal particle size for BBB crossing. However, the authors successfully settled the problem by conjugation of CD44-targeting ligand with MSNs. Karathanasis demonstrated the BBB permeability of Fe3O4@MSNs modified with NH2-PEG polymer and fibronectin-targeting peptide CREKA. Thanks to the magnetic cores, external low-power radiofrequency field could facilitate deep penetration of drugs across blood–brain tumor interface.349

Unique properties of silica nanomaterials have made them ideal candidates to be used as drug carriers. In particular, the superior surface chemistry and structural feature of the materials distinctively improve the drug loading capacity. Thus, efficient and standardized production protocols of silica materials should be developed to achieve reproducibility.

실리카 나노물질

실리카 나노입자는

안정적이고 독성이 낮은 나노구조 생체 세라믹으로,

탁월한 특성과 활용성을 바탕으로 생의학 분야에 기여한다.

2~50nm 크기의 메조공이 규칙적으로 분포되어 높은 공극률과 표면적을 지닌

메조다공성 실리카 나노입자(MSNs)는

특히 약물 운반체로서 이상적인 기초 생체재료 후보이다.338,339

입자 표면의 실라놀 그룹은

뇌 질환 치료를 위한 표적 약물 전달을 위한 MSNs 시스템의

다기능 유도체 생산을 가능하게 한다.

혈뇌장벽(BBB) 통과를 위한 MSN 기반 전달 시스템을 제작하는 데는

주로 두 가지 전략이 있습니다.

첫째, MSN을 직접 약물 흡수와 표면 리간드 기능화를 통해 약물 전달 시스템으로 활용할 수 있습니다.

Chen 등은 MSN에 cRGD 펩타이드를 접합하고 동시에 항암제 DOX를 혼합하여 적재했습니다.340 그들은 이러한 시스템이 BBB를 가로지르는 강력한 투과성을 나타내며, 약물 방출을 통해 암세포 사멸을 유도할 수 있음을 발견했습니다. 저자들은 20, 40, 80nm 크기의 MSNs 전달 능력을 평가한 결과 각각 44.0%, 59.2%, 38.6%로 계산되었으며, 이는 모두 자유 약물(32.8%)보다 높아 크기 의존적 침투 메커니즘을 시사한다. Gómez-Ruiz와 공동 연구진은 근위축성 측삭 경화증(ALS) 치료를 위한 복합 약제(렙틴과 피오글리타존) 전달을 위한 MSN 기반 나노 플랫폼을 제작하였다.341 신경 보호 효과를 지닌 폴리펩타이드 호르몬인 렙틴은 EDC/NHS 커플링을 통해 MSN의 -NH₂에 접합되었으며, 항염증제인 피오글리타존은 흡착을 통해 적재되었다. 약물 적재 전후의 표면적 및 기공 부피는 각각 1.0×10⁻⁶ cm³ EDC/NHS 커플링을 통해 MSNs의 -NH₂에 공액되었고, 항염증제인 피오글리타존은 흡착을 통해 적재되었다. 약물 적재 전후의 비표면적과 기공 부피는 각각 853 m²/g 및 0.73 cm³/g, 512 m²/g 및 0.47 cm³/g로 측정되었다. 이러한 결과는 두 약제의 성공적인 통합을 입증했다. iRGD 펩타이드,342 락토페린,343 리포산,344 안지오펩-2,345 지질 이중층,346 등을 표적 리간드로 사용하는 다른 나노 플랫폼들도 MSN 기반 전달 시스템의 효율적인 약물 적재 및 혈뇌 장벽 통과를 보여주었다.

또한, MSN은 추가적인 물질 성장을 위한 핵심 기질로 사용되거나, 위에서 언급한 입자를 포함한 다른 기능성 나노 구조체의 운반체 쉘 코팅으로 사용되었습니다. 예를 들어, 약물 전달과 자기공명영상(MRI)을 동시에 수행하기 위해 자성 Fe₃O₄ 나노입자에 테트라에틸 오르토실리케이트를 그래프팅하여 중합시켜 코어-쉘 입자 시스템을 구축하였다. 이후 약물을 탑재한 Fe₃O₄@MSNs 입자를 활성화된 호중구가 감싸 생체모방 치료진단 플랫폼을 생성하였다. 저자들은 호중구가 혈뇌장벽(BBB) 통과 본연의 능력을 지닐 뿐만 아니라, 약물 생체이용률을 극대화하기 위해 염증 부위를 표적하는 “생체 내” 전달 시스템으로 기능할 수 있다고 주장했다. 347 유사한 자기성 코어-쉘 입자는 Luo와 공동 연구진에 의해 개발되었다(그림 8e–g). 348 Fe₃O₄@MSNs 입자는 아밀로이드-β 항체(1F12)와 CD44 표적 리간드(히알루론산)로 동시에 개질되었다. 따라서 히알루론산에 의한 BBB 침투 후, 입자는 아밀로이드-β 올리고머를 특이적으로 제거할 수 있었다. 이들의 연구에서 입자 크기는 413~478nm의 유체역학적 크기를 보였는데, 이는 BBB 통과에 이상적인 입자 크기가 아니다. 그러나 저자들은 CD44 표적 리간드를 MSNs에 접합함으로써 이 문제를 성공적으로 해결했다. Karathanasis는 NH2-PEG 폴리머와 섬유연결단백질 표적 펩타이드 CREKA로 개질된 Fe3O4@MSNs의 BBB 투과성을 입증했다. 자기 코어 덕분에 외부 저전력 고주파장이 혈액-뇌종양 경계를 통한 약물의 깊은 침투를 용이하게 할 수 있었다.349

실리카 나노물질의 독특한 특성으로 인해 약물 전달체로 사용하기에 이상적인 후보 물질이 되었다. 특히, 이 물질의 우수한 표면 화학적 특성과 구조적 특징은 약물 적재 용량을 현저히 향상시킵니다. 따라서 재현성을 확보하기 위해 실리카 물질의 효율적이고 표준화된 생산 프로토콜을 개발해야 합니다.

Biomimetic drug delivery systems

Engineered materials could exert their therapeutic benefits in drug delivery as an enormous quantity of nanoparticles with customized physio-chemical properties according to the requirement in disease treatment. In the past decade, camouflaged drug delivery systems that using biomimetic materials were developed to traverse BBB for brain-targeted drug delivery.350,351,352 The earliest work can be traced back to twelve years ago that Zhang’s group demonstrate an erythrocyte membrane-camouflaged polymeric nanoparticle for drug delivery.353 Since then, in addition to membrane-enabled technology, alternative strategies including biomacromolecule-enabled strategy,354 exosome-mediated carrier,355 virus-inspired synthesis,356 extracellular vesicles bionic method,357 and bacteria bionic strategy358 have been adopted in preparation of custom-build nanocarriers. In terms of the synthesis process, the biomimetic nanomaterials for brain delivery can generally be categorized into two strategies, namely bottom-up and top-down strategies.

The bottom-up strategy for particle construction mainly includes the use of a massive number of targeting ligands derived from living systems. From small molecules, short peptides, nuclei acids, to various functional proteins, researchers have created a toolbox of targeting ligands for nanoparticles decoration. In addition to direct conjugation to nanoparticles that have been mentioned in previous sections, targeting ligands are also able to assemble into the nanostructures in assistance with polymers to accomplish the goals of targeted drug delivery. A synthetic protein nanoparticle assembled by HSA, cell-penetrating peptide (iRGD), reactive macromer (OEG) and siRNA against STAT3, a key factor related to tumor progression, was engineered by Lahann.359 Under the treatment of electrohydrodynamic jetting, the OEG macromer polymerized and covalently interacted with the lysine residues from albumin, giving nanoparticles at an average size of 115 nm. In vitro and in vivo study evidenced the BBB crossing and tumor accumulation of the protein-mediated nanoparticles. To improve the BBB permeability of cytotoxic T-lymphocyte associated antigen 4 (a-CTLA-4) and programmed cell death-1 (a-PD-1) for immunotherapy of brain glioma, Ljubimova and co-workers described a nanoscale immunoconjugate system.360 The immunoconjugate was obtained by covalently attaching antibodies (a-CTLA-4 IgG2b, or a-PD-1 IgG) to poly(β-L-malic acid) polymers, with pre-conjugation of anti-mouse transferrin receptor antibody, and trileucine. Some natural cell membranes such as exosomes without any functionalization have ability to cross the BBB.335,361 The delivery efficiency is mainly dependent on the lipid membrane and the active proteins which mediate the internalization between exosomes and target cells. In addition, some exosomes improved the drug delivery efficiency by increasing the BBB membrane fluidity. Interestingly, some natural exosomes not only could penetrate BBB, but also accumulate at brain tumor site362 or inflammatory region,363 serving as dual targeted delivery systems.

Biomimetic nanomaterials developed with top-down cell-engineered approach inherited complexity of their source cells, bypassing cumbersome synthesis process for particle construction. Cellular internalization and cell membrane coating as typical top-down strategies endow the nanoparticles with bionic communications with biological entities including membrane fusion, cell tropism, immune evasion, cell-cell recognition, which in all contributes to targeted drug delivery. Researchers have reported a variety of biomimetic nanomedicines by engineering whole cells for synthesis of whole-cell-based systems, and parts of cells for semi-biological biomimetic systems. Zhang developed a neutrophil-mediated drug delivery system by anti-cancer drug encapsulation into cationic liposomes, followed by internalization by tumor-associated neutrophils.364 The camouflaged delivery system maintained the physiological features, which could efficiently traverse BBB and migrate to inflammatory sites such as tumor parenchyma. Interestingly, the internalization by leukocytes could complete in vivo. Qin et al. prepared cRGD-modified liposomes and demonstrated their enhanced uptake by monocytes and neutrophils in vivo due to the high and specific binding affinity.365 As known, leukocytes are promptly recruited when neuroinflammation occurs in brain disorders. This cell-mediated delivery strategy could thus facilitate the migration of drug-loaded liposomes across BBB in vivo. Thanks to the homotypic recognition of membrane components, cell membrane coating is an alternative method to fabricate biomimetic delivery system. For example, cell membrane harvested from glioma U251 cells was used as a chaperon to increase brain tumor targeting of delivery system (Fig. 8h).366 The self-assembly nanoparticles composed of hemoglobin, lactate oxidase, chlorin e6, and chemiluminescence reagent were co-extruded with tumor cell membranes to produce membrane-coated nanoparticles. Such system displayed efficient BBB penetration and tumor-targeting capability. In some cases, due to similar amphiphilicity between cell membrane and liposome, the functional proteins from the membranes could be inserted inside the liposomal bilayer after protein fusion, generating proteolipid nanoparticles. Zheng et al. prepared biomimetic proteolipid nanoparticles by embedding glioma cell membrane proteins into indocyanine green-loaded liposomes.367 Unlike membrane-coated polymeric “hard” nanoparticles such as PLGA nanoparticles, these membrane-camouflaged nanoparticles were proved to be “soft” and the active proteins were easy to be inserted. Further study on platelet-camouflaged delivery system also confirmed the enhanced drug delivery in multiple tumor models including glioma, which was enabled by platelet membrane proteins.368 Such delivery systems largely improved the drug accumulation in brain tumor via homologous binding mechanism. To further optimize the membrane-mediated delivery with region-specific targeting, biomimetic systems could be labeled by targeting ligands via covalent or non-covalent conjugations. Ren and co-authors modified the exosome-based system with LDL peptide by simply co-incubation.369 The high binding affinity of the peptide and LDL receptor promoted the BBB penetration, glioma distribution and cellular uptake. Similar strategy was performed in a delivery system for brain tumor treatment by using conjugation of T7 peptide.339

생체모방 약물 전달 시스템

공학적으로 설계된 물질은 질병 치료 요구에 따라 맞춤형 물리화학적 특성을 지닌 대량의 나노입자로서 약물 전달에서 치료적 이점을 발휘할 수 있습니다. 지난 10년간, 생체모방 재료를 이용한 위장형 약물 전달 시스템이 뇌 표적 약물 전달을 위해 혈뇌 장벽(BBB)을 통과하도록 개발되었다.350,351,352 가장 초기의 연구는 12년 전 장(Zhang) 연구팀이 약물 전달을 위한 적혈구 막 위장 고분자 나노입자를 제시한 것으로 거슬러 올라간다. 353 그 이후로, 막 기반 기술 외에도 생체 거대 분자 기반 전략,354 엑소좀 매개 운반체,355 바이러스에서 영감을 얻은 합성,356 세포외 소포 생체 모방 방법,357 박테리아 생체 모방 전략358 등 대체 전략이 맞춤형 나노 운반체 제조에 채택되었습니다. 합성 과정 측면에서, 뇌 전달을 위한 생체 모방 나노 물질은 일반적으로 상향식(bottom-up) 및 하향식(top-down) 전략이라는 두 가지 전략으로 분류될 수 있습니다.

입자 구축을 위한 상향식 전략은 주로 생체 시스템에서 유래한 다량의 표적화 리간드 사용을 포함한다. 소분자, 짧은 펩타이드, 핵산부터 다양한 기능성 단백질에 이르기까지 연구자들은 나노입자 장식을 위한 표적화 리간드 도구 상자를 구축해왔다. 앞서 언급된 나노입자에의 직접적 접합 외에도, 표적화 리간드는 고분자의 도움을 받아 나노구조체로 조립되어 표적 약물 전달의 목표를 달성할 수 있다. 라한(Lahann)은 합성 단백질 나노입자를 설계했는데, 이는 HSA(인간 혈청 알부민), 세포 침투 펩타이드(iRGD), 반응성 거대단량체(OEG), 그리고 종양 진행과 관련된 핵심 인자인 STAT3를 표적으로 하는 siRNA로 조립되었다.359 전기수력학 분사법(EHD) 처리 하에서, OEG 거대머는 중합되어 알부민의 라이신 잔기들과 공유 결합을 형성하여 평균 크기 115nm의 나노입자를 생성하였다. 체외 및 생체 내 연구를 통해 단백질 매개 나노입자의 혈뇌장벽(BBB) 통과 및 종양 축적이 입증되었다. 뇌교종 면역치료를 위한 세포독성 T 림프구 연관 항원 4(a-CTLA-4) 및 프로그램된 세포사멸-1(a-PD-1)의 BBB 투과성 향상을 위해, Ljubimova와 공동 연구진은 나노 스케일 면역접합체 시스템을 기술하였다.360 이 면역접합체는 항-마우스 트랜스페린 수용체 항체와 트릴류신(trileucine)을 사전 접합한 폴리(β-L-말산) 중합체에 항체(a-CTLA-4 IgG2b 또는 a-PD-1 IgG)를 공유 결합하여 얻었다. 기능화되지 않은 엑소좀과 같은 일부 천연 세포막은 혈뇌장벽(BBB)을 통과할 수 있는 능력을 지녔다.335,361 전달 효율은 주로 지질막과 엑소좀과 표적 세포 사이의 내재화를 매개하는 활성 단백질에 의존한다. 또한 일부 엑소좀은 BBB 막 유동성을 증가시켜 약물 전달 효율을 향상시켰다. 흥미롭게도 일부 천연 엑소좀은 BBB를 관통할 뿐만 아니라 뇌종양 부위362 또는 염증 부위363에 축적되어 이중 표적 전달 시스템 역할을 한다.

탑다운 세포 공학적 접근법으로 개발된 생체모방 나노물질은 입자 구축을 위한 번거로운 합성 과정을 우회하면서도 원천 세포의 복잡성을 계승한다. 전형적인 탑다운 전략인 세포 내포 및 세포막 코팅은 나노입자에 생체막 융합, 세포 친화성, 면역 회피, 세포 간 인식 등 생물체와의 생체모방적 소통 능력을 부여하여 표적 약물 전달에 기여한다. 연구자들은 전체 세포 기반 시스템 합성을 위한 전체 세포 공학 및 반생물학적 생체모방 시스템 구축을 위한 부분 세포 공학을 통해 다양한 생체모방 나노의약품을 보고하였다. 장(Zhang)은 항암제를 양이온성 리포좀에 캡슐화한 후 종양 관련 호중구에 의한 내재화를 통해 호중구 매개 약물 전달 시스템을 개발하였다.364 위장된 전달 시스템은 생리학적 특성을 유지하여 혈뇌 장벽(BBB)을 효율적으로 통과하고 종양 실질과 같은 염증 부위로 이동할 수 있었다. 흥미롭게도 백혈구에 의한 내재화는 생체 내에서 완료될 수 있었다. 진(Qin) 등은 cRGD 변형 리포좀을 제조하여 높은 특이적 결합 친화력으로 인해 생체 내에서 단핵구 및 호중구에 의한 흡수 증강을 입증하였다.365 알려진 바와 같이, 뇌 질환에서 신경염증이 발생하면 백혈구가 신속히 모집된다. 따라서 이 세포 매개 전달 전략은 생체 내에서 약물 적재 리포좀의 BBB 횡단 이동을 촉진할 수 있다. 막 구성 요소의 동종 인식 덕분에 세포막 코팅은 생체 모방 전달 시스템을 제작하는 대체 방법입니다. 예를 들어, 신경교종 U251 세포에서 채취한 세포막을 운반체로 사용하여 전달 시스템의 뇌종양 표적성을 높였습니다(그림 8h).366 헤모글로빈, 젖산 산화효소, 클로린 e6 및 화학 발광 시약으로 구성된 자가 조립 나노 입자를 종양 세포막과 함께 압출하여 막으로 코팅된 나노 입자를 생산했습니다. 이러한 시스템은 효율적인 혈뇌장벽 투과 및 종양 표적 능력을 나타냈다. 일부 경우, 세포막과 리포좀 사이의 유사한 양친매성으로 인해, 단백질 융합 후 막의 기능성 단백질이 리포좀 이중층 내부에 삽입되어 단백질-지질 나노입자를 생성할 수 있었다. Zheng 등은 인디사이안 그린을 함유한 리포좀에 신경교종 세포막 단백질을 삽입하여 생체모방 단백질-지질 나노입자를 제조하였다.367 PLGA 나노입자와 같은 막으로 코팅된 고분자 “경질” 나노입자와 달리, 이러한 막 위장 나노입자는 “연질”인 것으로 입증되었으며 활성 단백질이 쉽게 삽입될 수 있었다. 혈소판 위장 전달 시스템에 대한 추가 연구에서도 혈소판 막 단백질에 의해 가능해진 뇌종양을 포함한 다중 종양 모델에서의 향상된 약물 전달이 확인되었다.368 이러한 전달 시스템은 동종 결합 메커니즘을 통해 뇌종양 내 약물 축적을 크게 개선하였다. 지역 특이적 표적화를 통한 막 매개 전달을 더욱 최적화하기 위해, 생체모방 시스템은 공유 또는 비공유 결합을 통해 표적 리간드로 표지될 수 있다. Ren과 공동 저자들은 LDL 펩타이드를 이용한 엑소좀 기반 시스템을 단순한 공동 배양으로 개량하였다.369 이 펩타이드와 LDL 수용체의 높은 결합 친화성은 혈뇌장벽(BBB) 투과, 신경교종 분포 및 세포 내 흡수를 촉진하였다. T7 펩타이드 접합을 이용한 뇌종양 치료 전달 시스템에서도 유사한 전략이 수행되었다.339

Other materials

In addition to the aforementioned nanomaterials, development of biotechnology and materials engineering offers other opportunities for BBB crossing. Black phosphorus (BP) is two-dimensional layered semiconducting material with high drug loading capacity, efficient photothermal conversion, and satisfactory biocompatibility.370 Chen prepared a BP-based delivery system consisted of brain targeting peptide lactoferrin and Paeoniflorin-loaded BP nanosheets.371 Elevated BBB permeability of the system was observed due to a combination of lactoferrin-mediated BBB transcytosis and photothermal effects. Some examples of metal or metal oxide-based materials (e.g., MnO2, MgO, TiO2) have been exploiting in carrier construction by taking advantages of their catalytic effects and imaging functions.372,373,374,375 More recently, variants of the AAV have been investigated for its potential use for BBB penetration. Nanocapsules containing single CRISPR-Cas9 and GSH-sensitive polymeric shell for glioblastoma gene therapy were designed by Shi and co-workers (Fig. 8i–k).376 The particle core of Cas9/sgRNA complexes were decorated with positively charged polymer via electrostatic interactions, as the particle size increased from 17 nm for naked Cas9/sgRNA to 31 nm.

기타 재료

앞서 언급된 나노물질 외에도, 생명공학 및 재료공학의 발전은 BBB 통과를 위한 다른 기회를 제공한다. 흑인(BP)은 높은 약물 적재 용량, 효율적인 광열 변환, 및 만족스러운 생체 적합성을 지닌 2차원 층상 반도체 소재이다.370 Chen은 뇌 표적 펩타이드 락토페린과 파에오니플로린을 함유한 BP 나노시트로 구성된 BP 기반 전달 시스템을 제조하였다.371 락토페린 매개 BBB 트랜스사이토시스 및 광열 효과의 조합으로 인해 시스템의 BBB 투과성 증가가 관찰되었다. 일부 금속 또는 금속 산화물 기반 물질(예: MnO₂, MgO, TiO₂)은 촉매 효과와 영상 기능을 활용하여 운반체 구축에 활용되어 왔다.372,373,374,375 최근에는 AAV 변이체가 BBB 투과 가능성에 대한 잠재적 활용을 위해 연구되고 있다. Shi와 공동 연구진은 교모세포종 유전자 치료를 위해 단일 CRISPR-Cas9과 GSH 민감성 고분자 쉘을 포함하는 나노캡슐을 설계하였다(그림 8i–k).376 Cas9/sgRNA 복합체의 입자 코어는 정전기적 상호작용을 통해 양전하를 띤 고분자로 장식되었으며, 입자 크기는 노출된 Cas9/sgRNA의 17nm에서 31nm로 증가하였다.

Conclusion and perspectives

BBB is a natural barrier protecting the brain from the entrance of toxins and pathogens. However, intact BBB consisted of endothelial cells and tight junctions impedes the brain permeability of therapeutic agents, which largely comprises their therapeutic efficacy of CNS diseases. Along with the rapid development of materials science and nanotechnology, various strategies for BBB regulation and crossing have been developed and engineered delivery systems with unique physio-chemical properties and multifunctional motifs were prepared for enhanced drug delivery via different BBB crossing pathways. This review introduced the basic information of BBB structure and physiology and discussed the different strategies to enhance BBB crossing in detail as well as the bypassing routes and mechanisms. Recent progress of various types of drug delivery systems and their distinguishing attributes for BBB crossing were summarized. The engineered drug delivery systems with appropriate physio-chemical properties, multi-functional modules, and good biocompatibility guaranteed excellent performance of BBB penetration for enhanced drug delivery.

Although extensive achievements have been made in this community with several FDA-approved trials, there is still a long way to go from clinical popularization and translational application. More efforts on both development of materials engineering and biomedicine are needed to bridge the gap. We list some pointel aspects for future research as following: (1) More appropriate in vitro and in vivo models for eval‎uation of BBB permeability. Currently, cell monolayer model (e.g., Transwell model) was widely used to verify the BBB crossing and calculate the penetration efficiency. Yet, a compliant three-dimensional BBB model is more preferred to investigate the role of blood flow and drug transport in BBB maintenance. Recent advances in 3D printing technology may provide an alternative approach to in vitro BBB study;377,378 (2) Targeted delivery with better spatial and temporal precision. Although abovementioned strategies provide means to improve brain targeting, none of them could complete brain region-specific delivery, which is crucial for treatment of brain disorders. Strategy of targeting ligand functionalization significantly relies on the receptor expression‎, and stimuli-triggered BBB disruption has limited resolution. Drug release in a time-controlled manner would also be highly favored. Treatment of paroxysmal disorders such as epilepsy required timely drug release. (3) Safety issues should be addressed before clinical translation. In addition to conventional acute and chronic toxicity eval‎uation in cellular, organ, tissue, and system levels, studies on distribution and metabolic fate of nanomaterials in a long-term period should be conducted. Even though most literature claimed satisfactory biocompatibility in their reports, toxicological studies on organic and inorganic drug delivery systems revealed neurotoxicity and inflammatory damages in the brain.379,380,381 Researches on integrity and function of BBB at molecular level after non-invasive regulation should also be performed to verify the biosafety. (4) The interactions between drug delivery systems, cargo drug molecules, and cells should be identified. A deeper understanding of complex interactions and computational modeling, including machine learning algorithms,382 could provide complementary insight on empirical design of drug delivery system. (5) Scalability and reproducibility should be guaranteed. New methodologies for carrier construction and drug loading will facilitate their practical uses. (6) In addition to drug delivery, a combinational delivery of other agents such as imaging probes and biosensors is anticipated to improve the therapeutic efficacy by fabricating theranostic nanoplatforms. Targeted drug delivery is a multi-disciplinary study involving biotechnology, chemistry, material science and medicine. Considered the promising results that shown in this field, we envision that further continuous interdisciplinary cooperation will build a broader platform for enhanced BBB crossing for the treatment of brain diseases in the future.

결론 및 전망

혈뇌장벽(BBB)은

독소와 병원체의 뇌 진입을 차단하는 자연적 장벽이다.

그러나

내피세포와 단단한 접합부로 구성된 완전한 BBB는 치료제의 뇌 투과성을 방해하며,

이는 중추신경계 질환 치료제의 효능을 크게 좌우한다.

재료과학과 나노기술의 급속한 발전과 함께,

BBB 조절 및 통과를 위한 다양한 전략이 개발되었으며,

독특한 물리화학적 특성과 다기능 모티프를 지닌 공학화된 전달 시스템이

다양한 BBB 통과 경로를 통한 향상된 약물 전달을 위해 준비되었다.

본 리뷰는

BBB 구조 및 생리학의 기본 정보를 소개하고,

BBB 통과를 향상시키기 위한 다양한 전략과 우회 경로 및 메커니즘을 상세히 논의하였다.

최근 다양한 유형의 약물 전달 시스템의 진전과 BBB 통과를 위한

그들만의 구별되는 특성을 요약하였다.

적절한 물리화학적 특성,

다기능 모듈 및 우수한 생체 적합성을 지닌 설계된 약물 전달 시스템은

향상된 약물 전달을 위한 BBB 침투의 탁월한 성능을 보장하였다.

이 분야에서 FDA 승인 임상시험을 포함한 상당한 성과가 있었음에도, 임상 보급 및 전환적 적용까지는 아직 갈 길이 멀다. 격차를 해소하기 위해 재료 공학 및 생의학 분야의 개발에 대한 더 많은 노력이 필요하다.

향후 연구를 위한 주요 방향은 다음과 같다:

(1) BBB 투과성 평가를 위한 보다 적절한 in vitro 및 in vivo 모델. 현재 세포 단일층 모델(예: Transwell 모델)이 BBB 통과 검증 및 투과 효율 계산에 널리 사용된다. 그러나 혈류와 약물 수송이 BBB 유지에 미치는 역할을 연구하기 위해서는 유연한 3차원 BBB 모델이 더 바람직하다. 3D 프린팅 기술의 최근 발전은 체외 BBB 연구에 대한 대안적 접근법을 제공할 수 있다;377,378 

(2) 향상된 공간적·시간적 정밀도를 갖춘 표적 전달. 상기 전략들은 뇌 표적성을 개선하는 수단을 제공하지만, 뇌 질환 치료에 핵심적인 뇌 영역 특이적 전달을 완성할 수 없다. 표적 리간드 기능화 전략은 수용체 발현에 크게 의존하며, 자극 유발 BBB 파괴는 해상도가 제한적이다. 시간 제어 방식의 약물 방출 역시 매우 선호될 것이다. 간질과 같은 발작성 장애 치료에는 시기적절한 약물 방출이 필요하다.

(3) 임상 적용 전 안전성 문제 해결이 필요하다. 세포, 장기, 조직, 시스템 수준에서의 기존 급성 및 만성 독성 평가 외에도, 장기적인 기간 동안 나노물질의 분포 및 대사 경로에 대한 연구가 수행되어야 한다. 대부분의 문헌이 생체 적합성이 양호하다고 보고했음에도 불구하고, 유기 및 무기 약물 전달 시스템에 대한 독성학 연구에서는 뇌 내 신경독성과 염증성 손상이 확인되었다.379,380,381 비침습적 조절 후 분자 수준에서 BBB의 완전성과 기능에 대한 연구도 수행되어 생물학적 안전성을 검증해야 한다.

(4) 약물 전달 시스템, 탑재 약물 분자 및 세포 간의 상호작용을 규명해야 한다. 기계 학습 알고리즘을 포함한 복잡한 상호작용과 계산 모델링에 대한 심층적 이해는 약물 전달 시스템의 경험적 설계에 보완적 통찰을 제공할 수 있다.

(5) 확장성과 재현성을 보장해야 한다. 운반체 구축 및 약물 적재에 대한 새로운 방법론은 실용적 활용을 촉진할 것이다.

(6) 약물 전달 외에도 영상 프로브 및 바이오센서와 같은 다른 물질의 복합 전달은 치료진단 나노플랫폼을 구축함으로써 치료 효능을 향상시킬 것으로 기대된다. 표적 약물 전달은 생명공학, 화학, 재료과학 및 의학을 아우르는 다학제적 연구이다.

이 분야에서 보여준 유망한 결과를 고려할 때, 지속적인 학제 간 협력을 통해 향후 뇌 질환 치료를 위한 강화된 BBB 통과를 위한 더 넓은 플랫폼이 구축될 것으로 전망한다.

References

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