一、复合小分子化合物生物材料在神经修复再生中的应用

神经系统疾病包括两类：神经精神类别神经系统疾病和其他类别神经系统疾病。神经精神分类中的神经紊乱包括癫痫、阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化和偏头痛。其他类别的神经系统疾病包括脑血管疾病、神经感染、神经系统损伤性疾病。目前神经系统疾病是死亡的重要原因，占全球总死亡人数的12%。在神经系统疾病中，阿尔茨海默症和其他原因相关的痴呆症占死亡总数的2.84%，而2005年发达国家脑血管疾病占死亡总数的比例约为8%。因此，寻找有效治疗策略是治疗神经系统疾病的重要前提。

神经元丢失是多种神经退行性疾病如帕金森病、脊髓损伤、卒中和亨廷顿舞蹈病（HD）的常见特征。受损区域的细胞替代疗法为人类神经疾病提供了强有力的新治疗策略。许多干细胞可以向神经分化。利用小分子诱导获得神经相关细胞近几年得到长足发展。

（一）小分子化合物联合生物材料促进干细胞神经方向定向分化

由于细胞移植后存活率低，科学家试图通过使用天然和合成的生物材料支架来越过这一障碍。支架不仅能够填补缺损，连接损伤区域两端，还可作为ECM模拟原有组织环境，以提供合适的引导信号，改善细胞活力并分化为特定细胞。各种天然及合成聚合物，包括聚己内酯（PCL）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、胶原和明胶等均被应用到神经组织工程中。在细胞与生物支架相结合基础上，利用外源性小分子化合物诱导进一步增加神经分化及转分化效率，如此将大大减少初始细胞用量。PCL具有良好的机械性能、生物降解性和生物相容性，已被证明有助于促进干细胞的定向分化。小分子化合物LY294002能够通过PI3K/AKT/GSK-3信号通路显著促进PCL/胶原纳米纤维支架上hEn-SC向运动神经元样细胞分化。

（二）小分子化合物联合生物材料直接修复神经损伤

随着人类对神经退行性疾病发生机制的深入研究，细胞替代疗法并非唯一治疗手段。音猬因子（Shh）信号是中枢神经系统发育过程中的重要信号分子。而大脑中Shh信号失调与孤独症谱系障碍、抑郁症、痴呆、卒中、帕金森病、亨廷顿病、运动缺陷、癫痫、脱髓鞘疾病、神经病以及脑肿瘤等神经系统疾病的发生密切相关。因此，Shh信号通路调节剂对上述神经系统疾病的治疗具有重大意义。多种相关小分子化合物被开发出来，下面是一些代表性的Shh信号通路调节剂。

1.神经系统疾病治疗相关的小分子化合物

氯苯并噻吩（chlorobenzothiophene）、SAG能够通过与Patched1（Ptch1）受体下游的Smo结合而正向调节Shh途径。它通过上调神经胶质瘤致病因子（Gli）mRNA的表达而保护神经元并诱导神经发生。SAG能够改善胶质细胞和神经元的增殖，且没有神经毒性。口服SAG刺激齿状回颗粒下区的神经元增殖。另外，SAG通过上调Gli1蛋白丰度，增加组装抑制蛋白1（profilin 1）蛋白水平，来诱导海马神经元的轴突延长，借此改善Ts65Dn小鼠的海马突触可塑性和NMDA受体功能，改善学习和记忆功能。此外，SAG下调成年C57B1/6小鼠的纹状体中的Gli3和神经胶质细胞系来源的神经营养因子（GDNF）表达，维持黑质纹状体中的神经化学和细胞稳态。

嘌吗啡胺（purmorphamine），Smo激动剂，一种2，6，9-三取代嘌呤衍生物直接结合并刺激 Smo。据报道，嘌吗啡胺能够诱导不同区域分化为特定的前脑神经元亚型，包括GABA中间神经元、纹状体中棘神经元和谷氨酸能神经元，可用于治疗基于神经元损伤的神经系统疾病。另外，它已被证明能够保护海马神经元对抗过氧化氢诱导的氧化损伤。静脉注射嘌吗啡胺可以恢复受损神经，并对卒中后小鼠的神经具有保护作用。嘌吗啡胺还能上调组织型纤溶酶原激活物（tPA）在受损的神经元中的表达和减少细胞凋亡，降低血-脑屏障（BBB）通透性，减弱反应性星形胶质细胞增生和炎症，并增加缺血区域神经元的新生。此外，嘌吗啡胺还能够通过促进Gli1的表达提高人纹状体神经干细胞（STROC05）分化成DARPP-32⁺神经元的效率。

芬戈莫德（fingolimod）是用于治疗多发性硬化的鞘氨醇1-磷酸（S1P）受体调节剂，具有亲脂性，能够自由穿过BBB，并直接作用于少突胶质细胞，诱导髓鞘再生。在自身免疫性脑脊髓炎期间，芬戈莫德治疗（0.3mg/kg）显著增加小鼠脑和脊髓白质中少突胶质细胞祖细胞的增殖。此外，用芬戈莫德治疗的自身免疫性脑脊髓炎小鼠，其Shh及其受体Smo和下游效应物Gli1在脑白质中的水平上调。

三碘甲腺原氨酸（triiodothyronine），一种甲状腺激素，可显著上调成年大鼠脑内对角线带、皮质层V和纹状体外侧区中Shh mRNA的表达。此外，它还上调了扣带皮质、皮质层V、侧面纹状体、内侧纹状体和齿状回中的Ptch1mRNA表达。此外，三碘甲状腺原氨酸给药后，Smo受体在成年大鼠脑皮质、脑室下区和齿状回中的表达水平显著上调，且临床症状皆有改善。

糖皮质激素、哈西奈德、氟替卡松、氯倍他索和氟轻松也已被报道为Smo激动剂并激活Hh信号传导。它们与Smo结合，促进其内化，激活Gli，刺激原代神经元前体细胞增殖以及与Shh蛋白发挥协同作用。

2.神经系统输送小分子化合物的生物材料

中枢神经系统是身体最微妙的微环境之一，由于BBB的屏障作用，其稳态得到保护。BBB是一种高度复杂的结构，紧密地调节有限数量小分子的离子运动，甚至限制从血液到脑组织的大分子的数量，从而保护其免受伤害和疾病。因此，BBB也显著阻碍了向脑组织的药物输送，从而妨碍了一些神经疾病的治疗。上述小分子需要适当的载体才能够实现脑内运输。目前已有相应的策略来应对BBB的上述限制，以达到治疗目的。近年来，随着纳米医学的出现，纳米粒子（NP）技术正在迅速发展。NP大小在1～100nm，兼具化学和生物稳定性，掺入亲水性和疏水性药物的可行性，以及能够通过多种途径实现药物输送，包括口服、吸入和肠胃外。而且，NP可以通过共价缀合至各种配体、抗体或蛋白质以靶向特定组织。

目前已经有多种能够穿透BBB的纳米生物材料。首先是脂质体纳米材料，是纳米颗粒药物输送系统的第一代，由两亲性脂质构成的单层或双层囊泡构成，限定了内部的水性腔。脂质体根据它们的尺寸和片层的数量分类如下：①尺寸高达100nm的单层小囊泡（SUV）；②尺寸大于100nm的大单层囊泡（LUV）和一个双层；③多层囊泡（MLV），可以达到几微米的大小，由许多同心脂质双层结构组成。脂质体主要用于脑部药物输送来治疗脑缺血和脑肿瘤。脂质体纳米材料分为许多类型，包括阳离子脂质体、固体脂质纳米粒。其中阳离子脂质体，是最初的转染载体，能包裹核酸（例如DNA）形成脂质体复合体，后由吸附介导的内吞和内化转移到细胞中，避免了溶酶体的消化。最常用的阳离子脂类是 1，2-二油酰基-3-三甲胺-丙烷（DOTAP）与二油酰基磷脂酰乙醇胺（DOPE）的混合。在进行酸化后（pH 5～6），DOPE融合破坏细胞内脂膜的稳定性，将其内容物释放到细胞质中。因此，药物可以进入内皮细胞，类似于DNA，增强了它们穿越屏障并进入神经元。研究显示，脂质体复合物转染神经元SH-SY5Y细胞，其效率远高于脂质体转染。另外，具有光反应特性的阳离子脂质体可以明显改善啮齿动物体内紫杉醇的脑内输送，增强对胶质母细胞瘤的细胞毒性作用。

固体脂质纳米粒（SLN）是一种稳定的基于脂质的纳米载体，具有固体疏水性脂质核心，药物可以溶解其中。SLN的优势在于其生物相容性，药物包封率比其他NP高，并且持续释放。此外，SLN可以通过控制其表面特性来控制药物只被单核-巨噬细胞系统摄取。已经有SLN介导的脑给药的报道。例如，啮齿动物体内静脉注射SLN携带钙通道阻滞剂药物，与直接注射药物组相比，前者的药物脑内吸收率更高，并能长时间维持较高的药物浓度。另外，使用SLN包裹3’，5-二辛酰基5-氟-2-脱氧尿苷（DO-FUdR），与单纯使用FUdR相比，前者具有约2倍的脑内靶向效率。因此SLN能够有效提高药物穿透BBB的能力，是一种很有前途的治疗中枢神经系统疾病的药物靶向系统。

聚合物纳米颗粒（polymer-based nanoparticle）是以多聚物为基础的纳米材料，主要包括聚合物纳米粒、高分子胶束、树突状聚合物3种类型。其中，聚合物纳米颗粒由药物可嵌入的核心聚合物基质组成，尺寸通常在60～200nm。最受欢迎的是聚乳酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚酸酐、聚氰基丙烯酸酯和聚己内酯。尽管开发了各种合成和半合成聚合物，但也可以使用天然聚合物如壳聚糖。用PLGA包裹抗结核药物（利福平、异烟肼、吡嗪酰胺、安那非布坦）制成的NP用于小鼠的脑给药，能够维持血浆中高药物浓度5～8天。另外，聚氰基丙烯酸丁酯（PBCA）NP被成功地用于将功能性蛋白质运输到神经元和神经元细胞系中。

聚合物胶束由两亲性共聚物形成，其在水性介质中的聚集导致具有亲水性壳和疏水性核的球形结构，并具有良好稳定性。稳定性可以通过壳或核心链之间的交联而得到改善。聚合物胶束的另外一个可调节特征是它能够响应外部刺激（pH、光、温度、超声波等），以达到对药物的控释。最常用的聚合物之一是普鲁洛尼克型（Pluronic型），基于环氧乙烷和环氧丙烷的嵌段共聚物。已有相关文献报道将该聚合物作为载体进行脑内给药。壳聚糖偶联的Pluronic纳米载体与大脑的特定靶肽（狂犬病毒糖蛋白；RVG29）注射小鼠后，结果显示与纳米载体缀合的量子点荧光团或加载到载体中的蛋白质在大脑中聚集。

树枝状聚合物（dendrimers）是分支聚合物，具有树的结构。典型的树枝状聚合物围绕核心对称，当充分延伸时，通常在水中采用球形三维形态。中心核在结构上可以识别为具有至少两个相同的化学官能团；从这些基团开始，可以衍生出具有至少一个分支连接点的其他分子的重复单元。链条和分支不断重复形成径向同心层。因此，树状大分子外围紧密排列，核心松散排列，在树状大分子捕获药物能力中起关键作用。聚酰胺-胺（PAMAM）是合成树状大分子中最著名的分子。PAMAM的核心是二胺（通常是乙二胺），其与丙烯酸甲酯反应，然后与乙二胺反应以形成0代PAMAM，连续的反应产生更高的世代。Albertazzietal等研究显示PAMAMs树枝状大分子能够快速地在中枢神经系统中扩散，并能够透过神经元。另外，Kannan等研究表明，系统性给与聚酰胺胺树枝状聚合物后，其能够特定靶向到脑瘫部位的小胶质细胞和星形胶质细胞中，为临床治疗神经炎性疾病提供机会。

当然，针对不同的神经系统疾病需使用不同的治疗策略。脊髓损伤（SCI）是导致部分或完全瘫痪的重要原因。SCI患者目前尚无法治愈。脊髓损伤治疗中，诱导轴突再生十分必要。目前已经有几种不同类型的生物材料，能够指导轴突再生，并将生物材料与蛋白质或小分子化合物相复合来提高移植干细胞的生存力。水凝胶支架是最常用的生物支架，但其在脊髓损伤修复中缺乏定向诱导再生轴突穿透损伤部位的能力。因此，水凝胶支架目前的应用是限制继发性损伤并改善损伤后的神经元活性。由于水凝胶支架本身不具备渗透性，所以通常将其制作成包含小分子化合物的载体，以此来减轻SCI的症状。已有研究证实水凝胶负载小分子化合物在脊髓损伤动物模型中的功效。由透明质酸和甲基纤维素（HAMC）制成的复合材料，进一步负载释放神经营养因子-3（NT-3）的纳米颗粒继而制成的水凝胶注射到成年大鼠的SCI模型中发现，与无药物HAMC水凝胶空载组和空白治疗组相比，NT-3释放组损伤病灶显著减小。且Taylor研究团队也进一步通过NT-3-纤维蛋白水凝胶系统证实该结论。

此外，静电纺丝能够提供纳米级直径的纤维以模仿天然ECM，这对于神经组织工程应用来说具有巨大优势。电纺纳米纤维具有较大的表面积和较高的孔隙度，这表明电纺纳米纤维支架提供了一个与周围组织细胞融合的基质环境，适合有效的养分输送和细胞通讯。已经证实静电纺丝能够促进轴突再生。若药物可溶于聚合物溶剂中，且不会在静电纺丝过程中发生变化，则可通过乳液静电纺丝的方法将药物掺入纤维内。Schaub和Gilbert使用乳液静电纺丝法将小分子抗代谢药物6-氨基烟酰胺（6AN）掺入电纺PLLA纤维中，能显著降低星形胶质细胞的代谢活性。另外，该方法也可以用于脊髓损伤模型中。然而，乳剂静电纺丝的局限性在于药物包裹体改变了纤维的物理性质，特别是纤维排列和直径。纤维排列和直径的变化直接影响了神经突延伸和细胞沿纤维的迁移速率。咯利普兰（rolipram）是一种小分子药物，具有减轻炎症和促进突起生长的能力。Zhu等将咯利普兰负载在PLLA/PLGA电纺纤维表面。该支架植入大鼠脊髓半切模型后，再生较单纯纤维植入组明显增强，功能恢复明显改善。

因此，小分子化合物与生物材料相互结合将给神经系统疾病的治疗提供具有前景的治疗手段。