Cell | 攻破大脑“绝对防线”:利用颅骨骨髓“策反”免疫细胞,这一巧妙策略如何改写脑病治疗格局?

引言

在生命科学与医学的漫长征途中,中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)疾病的药物开发始终面临着一道难以逾越的“叹息之墙”——血脑屏障(Blood-Brain Barrier, BBB)。这道由内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞足突紧密编织的防线,在保护大脑免受毒素侵袭的同时,也无情地将98%以上的小分子药物和几乎所有大分子药物拒之门外。数十年来,无数新药在临床试验中折戟沉沙,归根结底,往往不是药物本身无效,而是药物根本无法抵达“战场”。

为了跨越这道屏障,研究人员尝试过极端的手段,从高剂量的静脉注射到侵入性的脑内注射,但往往伴随着严重的全身副作用或组织损伤。
1月16日,《Cell》的研究报道“Nanoparticles hijack calvarial immune cells for CNS drug delivery and stroke therapy”,为我们提供了一个颠覆性的视角:如果我们不再试图强行“攻城”,而是利用大脑家门口的“卫兵”——颅骨骨髓中的免疫细胞,作为特洛伊木马,将药物神不知鬼不觉地运送进大脑,结局会如何?
这项研究不仅在小鼠模型中实现了令人惊叹的治疗效果,更令人振奋的是,研究团队已经完成了首例人体临床试验(First-in-human trial),验证了这一策略的临床可行性与安全性。
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灯下黑:沉睡在大脑“天灵盖”下的秘密通道

长期以来,解剖学教科书告诉我们,头骨仅仅是一个保护大脑的坚硬盔甲。但在神经免疫学的前沿视野中,颅骨(Calvaria)绝非死骨一块。它是一个充满活力的免疫壁龛(Immune Niche),其骨髓中储备着大量的免疫细胞。

更为关键的是,近年来的研究揭示了一个解剖学上的惊人秘密:在颅骨骨髓和脑膜(Meninges)之间,存在着成千上万条微小的通道,被称为颅骨-脑膜通道”(Skull-Meninges Channels, SMCs)。这些通道就像是紫禁城地下的密道,允许颅骨骨髓中的免疫细胞在不经过外周血液循环的情况下,直接迁移到脑膜,监视并响应大脑的免疫状态。

本研究的研究人员敏锐地捕捉到了这一点。他们思考:既然在中枢神经系统发生炎症或损伤(如中风)时,颅骨骨髓中的髓系细胞(Myeloid Cells)会通过这些微通道迅速驰援大脑,那么,我们是否可以“劫持”这些细胞,让它们在赶赴战场时顺便带上我们的“武器”——药物?

这是一个非常大胆且巧妙的构想。它绕过了极其复杂的体外细胞工程(如CAR-T疗法的繁琐流程),试图在体内原位(In situ)完成“药物装载”和“定向输送”。

特洛伊木马行动:原位“劫持”免疫大军

要实现这一构想,第一个挑战是如何让颅骨骨髓里的免疫细胞乖乖地吞下药物。研究人员设计了一种白蛋白纳米颗粒(Albumin Nanoparticles, NPs)。选择白蛋白并非偶然,作为一种临床批准的材料,它具有极佳的生物相容性,且能够通过补体介导的调理作用(Complement-mediated opsonization)引发髓系细胞的吞噬。

为了验证这一策略,研究人员开发了一种名为颅骨骨内注射”(Intracalvariosseous injection, ICO)的技术。这听起来可能有些吓人,但实际上是在头骨外板上打一个小孔,直接将药物递送到板障(Diploic space)内的骨髓腔中。

实验数据给出了强有力的支撑。研究人员在小鼠模型上进行ICO注射后,利用高分辨率的体外X射线计算机断层扫描(CT)和共聚焦显微镜观察发现,纳米颗粒首先在骨髓腔内分布,并迅速与驻留的髓系细胞相互作用。流式细胞术(Flow Cytometry)的定量分析显示,在注射后2小时,大量的纳米颗粒就被颅骨内的免疫细胞“吃”了进去。

更令人惊讶的是这种“劫持”的特异性和效率。在脂多糖(LPS)诱导的神经炎症模型中,研究人员发现,吞噬了纳米颗粒的细胞主要是中性粒细胞(Neutrophils)和Ly6C高表达的单核细胞(Ly6Chi Monocytes)。数据显示,在炎症状态下,这两种细胞吞噬纳米颗粒的比例分别飙升到了 70.1% 和 76.1%。相比之下,如果采用传统的静脉注射(IV),外周血液中的同类细胞仅有极少部分(约12.6%和8.3%)能够摄取纳米颗粒。

这一组数据证明了ICO注射策略的高效性:它在源头上(颅骨骨髓)就完成了对“运输车队”的极高比例装载,而没有让药物在全身血液循环中被稀释或被肝脾清除。

借船出海:沿着微通道的精准突击

装载了药物的免疫细胞,是否真的会按照预想的路线,通过颅骨-脑膜通道(SMCs)进入大脑呢?

为了看清这一过程,研究人员使用了先进的组织透明化技术(Tissue Clearing)配合光片显微镜成像。在正常小鼠中,只能观察到零星的细胞迁移。然而,一旦小鼠大脑发生炎症(如LPS处理或中风),情况发生了戏剧性的变化。

成像结果清晰地展示了“大军压境”的壮观景象:大量负载着纳米颗粒的Gr1阳性髓系细胞(Gr1+ Myeloid Cells)沿着微通道集结,并穿过颅骨内板的微孔,直接涌入脑膜。定量的图像分析显示,在炎症组中,微通道沿线的信号密度和分布比例均显著高于对照组。

这种迁移不仅仅是简单的扩散,而是一种具有生物学主动性的趋化运动。因为研究人员发现,这些细胞最终并没有停留在脑膜,而是深入到了脑实质(Brain Parenchyma)内部,特别是受损的区域。

在中大脑动脉闭塞(Middle Cerebral Artery Occlusion, MCAO)导致的急性缺血性中风模型中,这一现象尤为明显。在中风发生24小时后,缺血半脑(Ipsilateral hemibrain)中积累的纳米颗粒荧光信号显著高于对侧健康的半脑。流式细胞术进一步证实,在受损脑组织中,负载纳米颗粒的中性粒细胞和单核细胞数量急剧增加。

这里有一个非常值得深思的细节:相比于静脉注射,ICO注射后的药物在全身主要器官(脾、肺、肾)的分布极低,但在脑部的富集程度却极高。这意味着,通过利用免疫细胞的趋向性,我们不仅实现了药物的“脑靶向”,还顺便解决了化疗药物常见的全身毒性难题。这正是“师夷长技以制夷”在生物医学层面的完美演绎。

惊人的效能比:1/15剂量创造的奇迹

如果仅仅是药物进去了,但没有治疗效果,那么一切都只是花拳绣腿。为了验证这一策略的实战价值,研究人员选用了一种名为Nerinetide(Tat-NR2B9c,简称NA1)的神经保护肽。这种药物在临床三期试验中曾因能否有效穿透血脑屏障而备受争议。

研究人员将NA1通过静电吸附装载到白蛋白纳米颗粒上(NA1-NPs),然后在小鼠中风模型(MCAO)上进行了疗效对比。结果令人咋舌。

首先是剂量的对比。通常,为了在脑内达到有效浓度,静脉注射需要相当大的剂量。但在本研究中,通过ICO途径注射NA1纳米颗粒,仅需要传统静脉注射剂量的 1/15,就能达到甚至超过同等的治疗效果。

具体的数据令人印象深刻:在中风发生24小时后,经TTC染色(一种检测脑梗死体积的方法)分析,ICO注射NA1纳米颗粒组的小鼠,其脑梗死体积相比对照组减少了至少 25.6%。即便与全剂量静脉注射组相比,1/15低剂量的ICO组在减少梗死面积和改善神经功能评分方面也表现出了额外的优势(梗死面积进一步减少了 26.7%)。

这种高效能不仅体现在急性期。在长达28天的长期观察中,接受ICO治疗的小鼠在转棒实验(Rotarod test,测试运动协调能力)、水迷宫和物体识别任务(测试认知记忆功能)中的表现均显著优于其他组。磁共振成像(MRI)和弥散张量成像(DTI)也证实,ICO治疗组的小鼠脑萎缩程度最轻,甚至部分小鼠的脑白质纤维束结构保持了惊人的完整性,与健康小鼠几乎无异。

为什么效果会这么好?除了绕过血脑屏障,研究人员还揭示了一个关键机制:接触介导的药物传递。通过超高分辨率显微镜观察,他们发现负载了纳米颗粒的中性粒细胞会与受损的神经元建立直接的物理接触。在这种“亲密接触”中,中性粒细胞将吞噬的纳米颗粒“转交”给了神经元。这就像快递员不仅把包裹送到了小区门口,还亲自送到了业主的家门口并交到了手中。这种细胞间的相互作用,极大地提高了药物在靶细胞(神经元)内的生物利用度。

从实验台到手术台:首例人体临床试验的突破

绝大多数发表在顶级期刊上的研究都止步于动物模型,而这项研究最令人钦佩之处在于,研究团队真正跨越了转化医学的鸿沟,开展了代号为“SOLUTION”的首个前瞻性、随机、开放标签的临床试验(NCT05849805)。

这项临床试验招募了20名患有恶性大脑中动脉梗死(mMCAI)的患者。这是一类极其凶险的脑卒中,死亡率和致残率极高。患者被随机分为两组,一组接受最佳药物治疗(BMT),另一组在BMT的基础上接受为期3天的ICO药物注射(使用的是一种名为Y-3的神经保护剂)。

很多人可能会担心:在人的头骨上打洞注射,这安全吗?操作复杂吗?

研究详细披露了手术流程,这对于理解其临床可行性至关重要。整个ICO注射过程分为五步:定位、切皮暴露、钻孔、注药、骨蜡封闭。关键在于钻孔步骤,医生只需要钻透颅骨的外板,进入板障空间,而不需要钻透内板,这意味着完全不接触脑膜和脑组织,极大降低了感染和损伤的风险。

数据显示,整个操作过程(含钻孔)的中位时间仅为 32分钟,而后续的维持注射仅需 22分钟。这对于分秒必争的中风救治来说,是完全可以接受的时间成本。

安全性方面,90天的随访结果显示,ICO组与对照组在不良事件发生率上没有统计学差异。没有发生因钻孔导致的板障穿透或药物泄漏,也没有观察到严重的颅内感染。

虽然这是一项以安全性为主要终点的先导试验,但初步的有效性数据已经显现出曙光。在治疗第14天,ICO组患者的美国国立卫生研究院卒中量表(NIHSS)评分的中位改善值为 -5分,而对照组仅为 -2分。更值得注意的是,在ICO组中,有 60% 的患者NIHSS评分减少超过4分,而对照组仅有一名患者达到这一标准。尽管由于样本量较小,部分统计学差异尚未达到显著(p=0.057),但这强烈的趋势无疑为后续的大规模临床试验注入了强心剂。

不仅仅是给药,更是范式的转换

顺势而为的智慧

传统的药物递送思维是“对抗性”的:我们要设计能够穿透BBB的分子,要制造能够骗过内皮细胞的载体。这实际上是在与亿万年进化形成的精密生物屏障做对抗。而这项研究采用了“顺势而为”的策略。炎症发生时,免疫细胞本就要去大脑,这是进化的本能。我们不改变这一本能,而是利用这一本能。这种策略从根本上规避了血脑屏障的限制,将“阻力”变成了“动力”。

原位细胞工程的魅力

目前的细胞疗法(如CAR-T)大多依赖于“体外循环”:抽血、分离细胞、体外转染/培养、回输。这一过程昂贵、耗时且存在污染风险。本研究提出的“原位构建”(In situ construction)概念,通过简单的骨内注射,让机体自己的骨髓成为“细胞加工厂”。这种极简主义的思路,极大地降低了技术门槛和治疗成本,为细胞疗法的普及化应用指明了方向。

神经血管单元(NVU)的新理解

过去我们治疗中风,往往盯着血管(溶栓)或神经元(神经保护)。这项研究强调了免疫系统在NVU中的核心地位。免疫细胞不仅是炎症的参与者,也可以是治疗的载体。中性粒细胞,这个在传统观念中往往被视为造成再灌注损伤的“破坏者”,在这里摇身一变,成为了救死扶伤的“快递员”。这提示我们,在疾病治疗中,没有绝对的“坏细胞”,只有未被正确引导的细胞。

局限性与未来的挑战

当然,我们也必须看到当前的局限性。首先,该策略高度依赖于“炎症趋化”。也就是说,必须要有CNS的炎症信号(如中风、脑外伤),颅骨骨髓的免疫细胞才会大量迁移。对于那些非炎症性或慢性神经退行性疾病(如早期的阿尔茨海默病),这种“顺风车”是否还搭得上,需要进一步验证。其次,尽管临床试验证明了操作的可行性,但如何在人类厚实的头骨板障中确保药物均匀扩散,以及如何开发微创甚至无创的注射设备(如微针阵列),将是推向广泛应用的关键技术壁垒。最后,虽然研究中未发现严重的免疫排斥,但长期反复刺激颅骨骨髓是否会耗竭免疫储备或引发局部病变,仍需更长周期的观察。

结语

从“攻破”血脑屏障到“绕过”血脑屏障,这一字之差,体现了人类在生命科学探索中的认知升维。这项发表于 Cell 的研究,不仅用扎实的数据证明了“颅骨-脑膜-大脑”这一免疫通路的治疗潜力,更用临床实践展示了其转化为现实疗法的可能。

也许在不久的将来,治疗严重的脑部疾病不再需要开颅手术,也不再需要全身大剂量给药,医生只需在患者头皮下轻轻一注,那些被“策反”的自身免疫细胞,就会带着治愈的希望,穿过骨缝,跨越屏障,去唤醒沉睡的大脑。

这不仅是技术的胜利,更是思维的胜利。




参考文献


Gao X, Liu X, Wang N, Cui C, Liu W, Yang M, Li Q, Ou Y, Ning A, Wei X, Zhang M, Qiu S, Lei Y, Fu D, Li H, Sun L, Lu M, Zhang M, Wang Y. Nanoparticles hijack calvarial immune cells for CNS drug delivery and stroke therapy. Cell. 2026 Jan 16:S0092-8674(25)01421-7. doi: 10.1016/j.cell.2025.12.008. Epub ahead of print. PMID: 41547354.