很多靶向脊髓的药物，需要将药物递送到硬膜外或鞘内。这种局部应用于脊髓的药物有一些独特的特征，包括使用小体积和高浓度将药物输送到一个小空间中，以及鞘内脑脊液不能混合效果较差（poorly mixed）。这些变量增加了局部毒性的风险。

 

开发用于脊髓递送药物的合理性包括：i）药物作用于脊髓靶点，并发挥生物学作用；ii）全身给药的神经轴吸收不符合预期；iii）足够的神经轴吸收，但同样剂量下不能引起非脊髓不良反应。脊髓治疗范围包括疼痛和痉挛、神经退行性疾病和脊髓病理，包括神经轴癌以及细菌和真菌感染。脊髓生物学的快速发展导致了很多新靶点和药物递送方式的出现。

 

脊髓

 

脊髓解剖学——脊髓从髓质尾部延伸到骶髓和末梢神经根。它位于椎体（椎管）的管腔内，由脑膜覆盖，如软脑膜（紧贴在脊髓上的单层细胞）、蛛网膜（细胞层）以及相邻的硬脑膜（成纤维细胞胶原基质）。蛛网膜和软脑膜之间是蛛网膜下腔（SAS），一个充满脑脊液（CSF）的空间。脊柱间隙包含来自椎动脉和神经根动脉的复杂动脉网络。硬膜外，脊髓被一个大的流入奇静脉的静脉丛包围。感觉神经根和运动神经根离开脊髓时，会穿过硬膜。硬膜在神经根的出口处会形成一个袖套状结构（dural sleeve），神经根通过这个袖套离开脊髓。神经根穿过椎间孔（即根孔）时，硬膜袖套会终止，神经根进入椎旁区域，此时不再被硬膜覆盖。

 

脑脊液（CSF）——脑脊液是一种相对无细胞、低蛋白、富含葡萄糖的介质，类似于血浆超滤液。不过，脑脊液的电解质成分与血浆不同。过去，CSF被认为仅来自颅内脉络丛。然而，有证据表明，在胚胎出生的第一个月，即脉络丛形成之前，神经管内腔中的CSF就已经存在，表明CSF可能来自其他结构，如脑毛细血管和室管膜上皮。尽管如此，在成年人中，大约70%的CSF产生发生在侧脑室的脉络丛以及第三和第四脑室的脉络膜端。CSF的分泌是基于梯度压力的被动血浆过滤和渗透梯度的主动ATP依赖性酶促过程共同产生的，该渗透梯度将水转移到蛛网膜下腔。颅内CSF沿着心室系统流到脑池，在脑池中通过大脑凸起，被矢状窦的蛛网膜下腔颗粒吸收到静脉流出液中。它还用于填充颅外（脊髓）SAS。

 

脊髓药物递送

 

药物可以通过注射到硬膜空间中实现递送到脊髓的目的，或者通过经皮放置的针和/或通过这些针放置的导管（通常在腰部水平）而直接递送到SAS中。硬膜外药物必须通过脑膜才能进入SAS。一旦进入SAS，具有脊髓靶点的药物必须从SAS扩散到脊髓实质。这些代表了药物到达靶部位之前需要跨越的特定屏障。硬脑膜代表一种分子过滤器，允许小分子随时通过。蛛网膜提供了一个更容易被小的亲脂性分子穿过的扩散屏障。软脑膜对小分子来讲是中等屏障，但阻碍了较大溶质（如大分子和腺病毒）进入脊髓实质。

 

脊髓递送的药物分布特点

 

Rostrokaudal运动——鞘内空间有限且鞘液混合不良。因此，递送到鞘内空间的药物倾向于停留在注射部位的近端。通过增加给药体积和输注速率可增强药物的分布。不过，给药的体积受鞘内空间所限。

 

药物清除——脑脊液在矢状窦的蛛网膜下腔颗粒中通过再吸收而被清除，或者一部分在可能发生淋巴引流的根袖中被清除。以鞘内注射方式递送的药物先在局部CSF中被初始稀释，随后在CSF中进行第二阶段清除。第二阶段的浓度下降反映了：i）溶质的局部稀释；ii）通过移动到邻近的脑膜（其中亲脂性化合物结合在蛛网膜层和硬膜外脂肪的富含脂质的环境中）而从CSF中清除；iii）进入脊髓实质；iv）除吸收到细胞中外，分子还移动到脉管系统中进入系统循环被清除。极性分子（吗啡）、大分子（齐考诺肽、白蛋白）或颗粒（腺病毒）在注射后从局部CSF中清除的速度慢于中等脂溶性的小分子（如芬太尼），这一特性反映在脂溶性分子在血液中出现较快。

 

鞘内药物制剂

 

制剂通常是水溶性（water-based）的，渗透压在300mOsM的范围内，pH在5-7之间，并避免使用表面活性剂、抗氧化剂或抗菌剂等辅料。表面活性剂/清洁剂（吐温、聚乙二醇）或增溶剂（如二甲基甲酰胺或二甲基亚砜）通常被认为与脊髓递送不太相容。如果使用这些辅料进行脊髓治疗，安全性方面必须考虑制剂对组织的直接影响。此外，一些溶剂（DMSO）可以与用于药物递送用的塑料材料发生相互作用。环糊精被广泛应用于鞘内药物制剂中，可提高溶解度并改变其他水不溶性物质的分布。此外，也有其他制剂在开发，如脂质体、微球和纳米颗粒，允许大剂量递送，降低峰值浓度，延长药物作用时间。

 

神经轴药物毒性

 

神经轴毒性的例子——从鞘内给药的最初几天起，就会出现组织毒性问题，包括局部麻醉后CSF白细胞增多症和背根神经节尼氏染色的变化。分享两个与脊髓相关的毒性例子：i）局部麻醉神经根损伤和ii）吗啡诱导的肉芽肿。

 

先是局部麻醉剂。自20世纪90年代以来，据报道，在通过小孔导管持续数小时至数天进行脊髓麻醉（马尾综合征）后，出现了以会阴感觉丧失、下肢无力、膀胱和肠道功能障碍为特征的症状。这反映了对脊神经根的损伤。临床前研究表明，几种麻醉剂的单次给药产生了浓度依赖性的病理异常发生率，其特征是轴突变性、灰质空泡化、巨噬细胞浸润和髓鞘变性。在兔子和狗中观察到相似的结果。可能的神经损伤机制包括：i）谷氨酸释放增加； ii）对背根神经节细胞的直接作用，增加游离钙； iii）形成胶束，对脂质膜产生洗涤剂样作用。

 

再看下阿片类药物。在豚鼠、狗、绵羊和人中鞘内输注吗啡对脊髓实质没有影响，但在鞘内空间中产生由邻近的硬脑膜-蛛网膜引起的占位性肿块。在临床前模型中，通过连续（但不是推注）递送几种（吗啡、氢吗啡酮）但不是所有阿片类药物（芬太尼）在2-3周内产生肿块。组织病理学显示肿块主要由成纤维细胞和胶原基质组成。肿块的来源尚不确定，但可通过肥大细胞稳定剂减少。可能的机制是，肥大细胞的阿片受体非依赖性脱颗粒、成纤维细胞活化产物的释放以及导管附近形成的对成纤维细胞胶原的反应。

 

临床前安全性评价

 

上述两个案例毒性的出现取决于给药途径、局部药物浓度和药物在脊髓的暴露持续时间。将一些脊髓给药安全性评价的通用原则分享如下：

 

首先，用于神经轴递送的药物必须开展适当给药途径（硬膜外/鞘内）的临床前安全性评估，递送模式（例如单次推注、重复推注与持续输注）和预期临床拟用方案相匹配，比如短暂疼痛（例如术后急性疼痛）与慢性疼痛（例如癌症、慢性背痛）的药物递送方式就会有所区别。鞘内给药后，骨髓实质和root药物暴露量最大。通常，硬膜外给药需要大的给药体积和给药剂量。硬膜外用药应同时考虑鞘内途径，因硬膜外给药可能会将药物意外递送至鞘内。

 

其次，药物递送的持续时间受到所选择种属可达到的暴露量所限。一般来说，根据目前的技术和导管特性，啮齿类动物可能长达1个月，大型（非啮齿类）动物模型可能长达1-6个月。主要限制因素是递送药物的导管与组织之间的相互作用。还有一种说法是啮齿类和兔鞘内导管给药不超过14-21天，更长时间会出现纤维化和/或occlusion（不太确定指什么，个人理解为导管的堵塞？）。尤其大鼠，最常用的给药持续时间是7-14天。同样，大鼠硬膜外放置导管给药，在7-14天就会出现纤维化。而纤维化会改变递送药物的分布，所以大鼠不适合开展长期的脊髓安全性评价。所以，大部分鞘内、硬膜外给药的长期安全性评价通常采用大动物开展。大动物用的最多的是犬，其次是羊和非人灵长类。目前，没有证据证明大动物中哪一种种属，包括非人灵长类，比另外一种种属在评估鞘内或硬膜外给药方面更具优势。

 

虽然小动物模型对机制研究和一些药理学作用研究是有用的，但大动物更能反映与人体鞘内体积的缩放和不同大小椎管内的动力学差异，及药物局部组织暴露情况。下表罗列了不同动物脑脊液体积和鞘内注射体积等信息。

 

影响药物局部毒性的主要变量是浓度与剂量的关系。围绕这一情况，非临床研究供试品的给药浓度必须达到或最好超过人体拟用浓度。另外，我们可以通过将动物中递送的剂量除以估计的CSF体积来估计推注递送后的相对局部暴露，如上表所示。举个例子，在犬体内以0.5mL给药20 mg/mL，剂量除以估计的犬CSF体积（16mL）将得到0.625 mg/mL的浓度。对人进行相同计算（20 mg/mL *1/130=0.15 mg/mL）时，犬体内的相对浓度是人的4.2倍，这表明，按剂量/CFS折算，犬脊髓的暴露量将是人脊髓的4.2倍。不过，这一数字需要谨慎对待，因为以上计算的前提假设是药物在整个CSF中重新分布。这些体积考量的是总神经轴，而不仅仅是脊髓，脊髓可能仅占了1/3的总鞘内体积。此外，如前所述，脊柱间隙混合不均匀，大多数注射物以梯度下降的形式不对称分布，峰值则靠近给药导管的头部。因此，局部脊髓暴露的浓度高于基于总CSF体积计算所得出的浓度。当药物以小体积或低速输送时，鞘内分布限制就更加明显，这一问题就会更加突出。由于局部毒性与局部药物浓度暴露直接相关，临床前毒理研究中，可以考虑检测CSF中药物浓度，否则就只能按照上表中数据进行理论浓度测算。

 

如果有可能获得明确的PD指标，例如镇痛、肌肉松弛、靶分子减少等，则可以获得动物的最大耐受剂量和治疗剂量的倍数关系。这有助于确定供试品的剂量/浓度上限。

 

供试品要求、对照组溶媒选择（常用生理盐水）、组别设置等与其他给药途径类似，不再赘述。

 

脊髓给药也可能需要考虑系统安全性风险。脊髓给药的药物最终会通过系统循环消除，因此应评估对系统的作用和血药浓度，以证明系统安全性。

 

总之，药物给药方式（推注与输注）、药物递送体积或速率、制剂（pH/渗透压/离子或辅料含量）和浓度的变化都是产生潜在毒性的变量。过往鞘内给药（如阿片类药物和局麻药）的经验显示，以上变量对制剂的安全性有明显影响。

 

 

来源：药理毒理开发

关键词： 药物椎管内给药