新型靶向脑部的3-正丁基苯酞前药治疗缺血性脑卒中的研究

研究团队与发表信息

本研究由四川大学华西药学院、高分子科学与工程学院、教育部靶向药物与递药系统重点实验室、四川省植物源药物工程实验室及四川省药物精准工业技术研究中心的Honglin Xiang、Qiang Zhang、Yikun Han、Lan Yang、Yan Zhang、Qiang Liu、Zhirong Zhang*和Ling Zhang*共同完成，发表于Journal of Controlled Release（2021年6月1日在线发表，卷335，页码498-514）。

学术背景

缺血性脑卒中（ischemic stroke）是全球致残和致死的主要原因，占所有卒中病例的87%。目前，仅重组组织型纤溶酶原激活剂（rt-PA）被FDA批准用于治疗急性缺血性脑卒中，但其治疗时间窗窄且可能导致再灌注损伤。3-正丁基苯酞（3-n-butylphthalide, NBP）是一种天然产物，2002年被中国国家药品监督管理局（CFDA）批准用于缺血性脑卒中治疗，具有减少梗死体积、抑制神经元死亡和保护血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）等多种生物活性。然而，NBP存在生物利用度低、水溶性差及BBB穿透能力弱等问题，限制了其临床应用。

本研究旨在通过将NBP与不同叔氨基（tertiary amino groups）结构结合，设计一系列前药（prodrugs），以改善其BBB穿透能力和治疗效果。

研究流程

1. 前药设计与合成

研究团队合成了6种NBP前药（DB-1至DB-6），分别修饰了不同的线性、环状及双分子叔氨基结构（图1a）。合成步骤包括：
- NBP经甲醇/氢氧化钠水解生成羟基中间体（1）；
- 与乙酰氯反应生成酯（2）；
- 在HATU和DMAP条件下与不同叔胺缩合，形成目标前药；
- 通过柱层析纯化，并通过核磁共振（1H NMR、13C NMR）和高分辨质谱（HRMS）确认结构。

2. 理化性质测定

• 水溶性：前药（除DB-4外）的溶解度显著高于NBP（表1），DB-1的溶解度达7.88 mmol/L（NBP为0.56 mmol/L）。
  
• 分配系数（log P）：所有前药的log P值均高于NBP，表明其细胞膜亲和力更强。
  
• 解离常数（pKa）：前药显示弱碱性（pKa 7.44–8.81），符合叔氨基修饰特性。
  

3. 体外稳定性

前药在磷酸盐缓冲液（PBS）中相对稳定，但在碱性条件（pH 8.4）下降解更快。在血浆和脑匀浆中，前药因酯酶作用在8小时内几乎完全降解，其中DB-5在脑匀浆中稳定性最高（图1b-i）。

4. 细胞摄取机制

• 浓度与时间依赖性：除DB-4外，前药的细胞摄取显著高于NBP，且呈浓度依赖性（图2b-c）。
  
• 能量依赖性：低温或NaN3处理显著抑制前药摄取（除DB-4外），表明其依赖主动转运（图2d-e）。
  
• 转运机制：前药摄取被吡拉明（pyrilamine）、普萘洛尔（propranolol）和丙咪嗪（imipramine）抑制，提示其通过吡拉明敏感阳离子转运体（pyrilamine cationic transporters）介导（图3a-g）。
  
• pH依赖性：碱性环境（pH 8.4）促进摄取，酸性环境（pH 6.4）抑制摄取（图3h）。
  

5. BBB穿透能力

• 体外BBB模型：使用bEnd.3细胞建立模型，跨内皮电阻（TEER）>250 Ω·cm²。前药（除DB-4外）的累积渗透体积和表观渗透系数（Papp）显著高于NBP，DB-1的渗透量是NBP的3倍（图4b-c）。
  
• BBB完整性：前药未破坏BBB完整性（图4d）。
  

6. 体内分布与药代动力学

• 组织分布：静脉注射后，前药在脑中的浓度显著高于NBP（5分钟时DB-5的脑积累量是NBP的21.5倍）（图4e-f）。
  
• 药代动力学：前药（除DB-4外）的血浆半衰期（t1/2）和曲线下面积（AUC0-t）均高于NBP，显示更长的循环时间（表2）。
  

7. 治疗效果评估

• 脑梗死体积：前药（尤其是DB-1和DB-5）显著减少梗死体积（图5d-e）。
  
• 脑水肿：前药降低脑水含量（图5f）。
  
• 神经功能恢复：前药组在改良神经功能缺损评分（mNSS）和胶带移除测试中表现优于NBP组（图6a-c）。
  
• 抗氧化作用：前药（如DB-1、DB-3、DB-5）显著提高CAT、SOD、GSH-Px活性，降低MDA水平（图7c-f）。
  

8. 安全性评估

• 溶血试验：前药的溶血率%，符合注射要求（图S6）。
  
• 急性毒性：DB-1的LD50为69.73 mg/kg，与NBP（67.02 mg/kg）无显著差异（表S4-S5）。
  

主要结果与结论

1. 前药设计成功：叔氨基修饰显著提高了NBP的溶解度、BBB穿透能力和脑靶向性。
   
2. 转运机制明确：前药通过吡拉明敏感阳离子转运体介导的主动转运进入脑部。
   
3. 治疗效果增强：前药（尤其是DB-1、DB-3、DB-5）在减少梗死体积、改善神经功能和抗氧化方面优于NBP。
   
4. 安全性良好：前药未增加毒性，适合进一步临床开发。
   

研究亮点

1. 创新性修饰策略：首次将叔氨基结构用于NBP前药设计，解决了NBP的BBB穿透难题。
   
2. 高效脑靶向：DB-5的脑积累量达NBP的21.5倍，为迄今报道的最高值。
   
3. 多效治疗作用：前药兼具神经保护、抗氧化和抗水肿功能。
   
4. 转化潜力：前药合成工艺简单，安全性高，具备临床转化基础。
   

研究价值

该研究为缺血性脑卒中提供了新型治疗候选药物，同时为其他中枢神经系统疾病的靶向递药系统设计提供了参考。前药的临床开发有望突破现有治疗的时间窗限制，改善患者预后。