本发明涉及一种脑细胞外间隙给药的方法， 特别是利用药物在脑细 胞外间隙内的自扩散（Self-diffusion delivery, 简称 SDD)到达脑组织内 的相应靶区， 从而发挥作用。 本发明还涉及实施脑细胞外间隙给药的装 置， 以实现脑细胞外间隙给药的方法。 背景技术

在急性缺血性脑卒的治疗中， 给药的有效性是非常关键的。 从二十 世纪五十年代， 人们开始研究将胞二磷胆碱作为神经保护药物 ， 日本武 田公司首次开发出尼可林 (Nicholin , Citicoline), 用于治疗意识障碍获得 成功。 2002年， Davalos等人用循证医学的方法分析了口服胞二� �胆碱 治疗缺血性脑卒中的疗效。 2005年， Hurtado等人用雄性成年 Fischer 大鼠制成局灶性脑缺血模型， 在阻断大脑中动脉前 1 小时， 向 Fischer 鼠腹腔内注射胞二磷胆碱。结果发现不同剂量 的胞二磷胆碱（如 0.5 g/kg、 1 g/kg和 2 g/kg )， 均可縮小新紋状体梗死体积。 2008年， Hurtado等人 又证实在局灶性脑缺血 Fischer大鼠栓塞 4小时后， 以 2 g/kg剂量腹腔 注射胞二磷胆碱， 48小时的脑梗死体积与对照组相比， 体积縮小有显著 差异。 以上所述临床研究和动物实验， 均证实胞二磷胆碱具有神经保护 功能。 机制研究也表明， 胞二磷胆碱主要通过稳定细胞膜、 抑制自由脂 肪酸释放、 减少自由基生成和抑制细胞凋亡等途径， 发挥脑缺血保护和 损伤治疗的作用。

在治疗脑实质疾病时， 由于血脑屏障 （简称 BBB) 的存在， 大分子 和极性分子很难由血液进入脑组织结构中， 因此， 经血管途径给药的吸 收和利用率有限， 治疗效果不理想。 以脑缺血损伤所导致的神经元死亡 为例， 尽管缺血下神经元损伤和死亡的分子和细胞水 平的机制非常明确 而清楚， 并且针对脑缺血损伤各个病理生理环节， 各国投入大量资金开 发了各种神经保护药物， 但治疗效果均不理想。

尽管胞二磷胆碱属于小分子， 分子量仅为 510.31道尔顿， 但其极性 较强， 难以通过血脑屏障。 研究结果显示， 胞二磷胆碱经口服和经静脉 给药的脑组织摄取量极低。 动物实验也发现， 经口服给药的脑组织对胞 二磷胆碱及其代谢产物的摄取量仅为 0.5%，经静脉给药其摄取量可提高 至 2 %， 但仍然很低。 由于胞二磷胆碱的神经保护作用存在剂量依赖 性， 因此脑组织对其的摄取量是决定疗效的关键因 素之一。

除了血脑屏障的阻挡作用以外， 脑微血管占脑总容积的容积比较小， 仅占全脑总容积的 3%， 加之血管再通之前的低灌注状态， 也使得药物难 以运送至梗死部位。 即使药物能够到达梗死部位， 最终因血脑屏障的阻 挡也会使胞二磷胆碱的有效浓度降低。

为了增加胞二磷胆碱的摄取， 通常采用增加药物剂量、 使用脂质体 增加血脑屏障通透性的方法，这使得脑组织对 药物的摄取量提高至 23%。 由于胞二磷胆碱可分解合成兴奋性神经递质 -乙酰胆碱， 大剂量的胞二磷 胆碱致使过量乙酰胆碱的生成， 从而导致神经肌肉超兴奋。 另外， 添加 脂质体等外来药物增加血脑屏障通透性或选择 性打开血脑屏障， 也无形 中增加了副作用及治疗并发症出现的可能性。 迄今， 血脑屏障使大部分 神经保护药物失效。

美国专利 5,720,720 提供了一种可以对流加强的给药方式 ( Convection-enhanced delivery of drug , 下文件简称 CED)， 以避免血 脑屏障的阻碍作用。 CED给药方式认为脑组织是一个固态 （solid ) 的介 质， 而药物在固态介质中只有通过压力的驱动才能 前进和运动到达的靶 区， CED是一种脑内直接药物注射的给药方式， 它利用外在压力注射药 物， 药物在注入点以一定的速度持续几十分钟甚至 几个小时注入脑组织 中， 使药物在注入点与的靶区之间形成并维持一个 压力梯度， 这样药物 可以沿着梯度压力的方向运动到达靶区。

虽然， CED方法可以避免血脑屏障的限制， 提高药物的利用率， 但 在这种给药方法中， 需要在一定在压力下持续给药， 对给药的位置 （即 穿刺给药点）、给药总量、给药速度等的要求 都非常严格。 CED适用于大 分子药物的给药， 穿刺位置一般离靶区较远， 因此为了保持靶区的药物 浓度， 通常需要注射大量的药物。 例如， 如果以 0.5-15 L/min的速度连 续给药， 注入的药物总体积最多可达 600 μίο

虽然 CED方法在肿瘤治疗中取得了一定的效果，但近 年来的医学研 究表明， 脑组织并非是一个完全的固态介质， 长时间大剂量地注射药物 可能会对脑组织造成治疗以外的损伤， 如造成脑间质水肿， 脑组织体积 增大， 存在脑疝等危险。 另外， 在这种 CED给药方法中， 给药的压力较 大、 速度也较高， 需要解决药物逆流的问题。 同时， 这种大剂量、 长时 间的连接给药方式， 无疑大大提高了治疗成本。 各种不利因素的存在， 大大限制了 CED方法在临床上的推广和普及。 发明内容

本发明旨在提供一种脑细胞外间隙给药方法， 它利用药物在细胞外 间隙中的自扩散作用， 可以在无需外加压力、 低速度、 微小剂量的情况 下将药物导入脑部相对安全区域的细胞外间隙 ， 从而减少给药时间， 降 低给药剂量， 减轻注射压力及药物对正常脑组织的损伤， 并大大降低治 疗费用。

本发明还旨在提供一种进行脑细胞外间隙给药 的装置， 它能够准确 确定药物导入的脑区位置， 并借助病人脑部的动态影像， 实时监控脑细 胞外间隙给药的过程， 从而实现对病人脑部疾患准确、 及时、 有效的治 疗。

为此本发明提供了一种细胞外间隙给药方法， 该方法是将病人脑部 置于成像装置中， 随后利用成像装置形成病人脑部的动态影像， 根据病 人脑部的这个动态影像， 将药物导入病人的脑细胞外间隙， 最后导入的 药物在浓度梯度的自扩散作用下运动到脑病治 疗有效的靶区。

在本发明细胞外间隙给药方法的再一种具体实 施方式中， 供入的药 物由脑穿刺注入病人的脑细胞外间隙。

在本发明细胞外间隙给药方法的另一种具体实 施方式中， 供入的药 物为胞二磷胆碱。

在本发明细胞外间隙给药方法的又一种具体实 施方式中， 成像装置 为磁共振成像装置。

本发明还提供了一种脑细胞外间隙给药装置， 该装置包括一个成像 装置、 一个给药装置和一个控制装置。 成像装置用于摄取病人脑组织的 动态影像， 给药装置用于将药物导入病人的脑细胞外间隙 ， 控制装置与 成像装置和给药装置相连。 成像装置包括一个控制单元和一个监视单元。 控制单元可以接收成像装置发出的影像信号， 同时控制单元与给药装置 相连， 用于控制给药速度与给药总量； 监视单元与控制单元相连， 可以 显示成像装置监测到的影像。

在本发明脑细胞外间隙给药装置的再一种具体 实施方式中， 给药装 置包括一个穿刺针和一个给药泵。 给药泵与穿刺针相连， 用以将给药泵 中的药物供给穿刺针， 穿刺针再将药物注入病人的脑细胞外间隙。

在本发明脑细胞外间隙给药装置的另一种具体 实施方式中还包括一 个脑立体定位装置， 该定位装置用于固定病人脑部在成像装置中的 位置， 穿刺针可架设在脑立体定位装置中。 脑立体定位装置可以由黄铜等抗磁 材料制成。

在本发明脑细胞外间隙给药装置的又一种具体 实施方式中， 控制装 置中还包括一个输入单元， 以便输入对成像装置和给药装置的控制信号。

由于本发明采用的是细胞外间隙给药， 它利用细胞外间隙及组织间 液作为药物的扩散介质， 相对小分子量的药物， 不需要通过外加压力的 帮助， 仅依靠药物的自扩散作用即可到达作用的靶区 ， 并发挥药物的作 用。

与 CED或是其他的传统方法相比，在本发明的方法 中只需要微量的 药物， 即可达到治疗效果， 从而减低了对靶组织及输送途径组织的损伤， 并降低了治疗费用。

同时由于本发明的脑细胞外间隙给药装置采用 了病人脑部的动态监 测， 因此， 无论是给药的位置、 给药剂量、 治疗过程以及治疗结果都得 以监控， 从而可以起到安全的预防及治疗脑部疾患 （如脑梗死） 的作用。 附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释， 并不限定本发明的范围， 其中：

图 1 (a) 是假手术组大鼠实验 12小时后的 TTC染色脑片； 图 1 ( b) 是对照组大鼠实验 12小时后的 TTC染色脑片；

图 1 (c) 是腹腔给药组大鼠实验 12小时后的 TTC染色脑片； 图 1 (d )是细胞外间隙给药组大鼠实验 12小时后的 TTC染色脑片； 图 2是大鼠脑缺血 12小时后， 对照组、腹腔给药组和细胞外间隙给 药组的大鼠脑片经 TTC染色显示的脑梗死体积比之间的关系；

图 3是一种脑细胞外间隙给药装置的示意图； 图 5 (a) 是腹腔给药组大鼠实验 12 小时后的磁共振 T1 加权像 (T1WI ) 影像；

图 5 (b)是脑细胞外间隙给药组的磁共振 T1加权像（T1WI )影像; 图 6 (a) 是腹腔给药组大鼠实验 12 小时后的磁共振 T2 加权像 (T2WI ) 影像；

图 6 (b)是脑细胞外间隙给药组的磁共振 T2加权像（T2WI )影像; 图 7 (a) 是腹腔给药组大鼠实验 12 小时后的磁共振扩散加权像 ( DWI ) 影像；

图 7 (b)是脑细胞外间隙给药组的磁共振扩散加权像 （DWI )影像; 图 8 (a) 是示踪剂注入大鼠脑部尾状核区时的 MRI图像；

图 8 (b) 是示踪剂注入两小时后的 MRI图像；

图 9是示踪剂注射前后大鼠脑部的皮层区和丘脑� �中 MRI信号强度 随时间的变化曲线；

图 10 (a)为闭塞大鼠大脑中动脉后造成脑缺血后脑 TTC染色脑片； 图 10 (b) 采用细胞外间隙给药后的大鼠 TTC染色脑片。 最佳实施方式

为了对本发明的技术特征、 目的和效果有更加清楚的理解， 现对照 附图说明本发明的具体实施方式。

图 1 (a) 至图 1 (d) 显示了以不同的方式向大鼠给药后的 TTC染 色脑片。 在该实验中， 大鼠分为四组：

第一实验组是假手术组 （sham group), 包括大鼠六只；

第二实验组是对照组 （control group), 包括大鼠七只， 导入的是生 理盐水； 第三实验组是腹腔给药组（i.p. group), 包括大鼠六只， 从腹腔注入 胞二磷胆碱， 药物剂量是 2 g/kg _;

第四实验组是细胞外间隙给药组（i.e. group), 包括大鼠七只， 胞二 磷胆碱从大鼠的脑细胞外间隙注入， 药物剂量是 0.0025 g/kg， 给药速度 为 0.3μΙ_ΛτΗη， 给药体积为 5 μΙ_， 给药完成后留针 5 min。

各实验组均在给药 2小时后， 采用线栓法制备大鼠永久性脑缺血模 型， 运用 MRI成像等技术对脑缺血进程和梗死范围进行监 测。 同时， 在 各实验组的大鼠缺血 12小时后取脑， 每隔 2毫米切取脑片， 共 5片。运 用 2,3,5-三苯基氯化四氮唑（TTC)染色法对脑片进� �染色以确定梗死范 围， 从而验证脑细胞外间隙给药的有效性， 并将 TTC 染色法的结果与 MRI的监测结果进行比对。

图 1 (a) 是假手术组的大鼠在缺血 12小时后对脑片 TTC染色法的 图片， 图中显示大鼠无脑梗死发生。

图 1 ( b) 是对照组大鼠在缺血 12小时后对大鼠脑片 TTC染色法的 图片， 在图中虚线所示的区域中， 大鼠出现了累及皮层的较大面积脑梗 死， 梗死部分占脑部总体积的 27.7±10.5%。

图 1 (c) 是腹腔给药组大鼠在缺血 12小时后对大鼠脑片 TTC染色 法图片， 这组大鼠腹腔注入胞二磷胆碱的注射剂量是 2 g/kg, 在图中虚 线所示的区域中， 虽然脑梗死的区域要略小于生理盐水对照组， 大鼠同 样出现了较大范围的脑梗死， 梗死部分占脑部总体积的 24.0±10.4%。

图 1 (d ) 是脑细胞外间隙组药组大鼠在缺血 12小时后对大鼠脑片 TTC染色法图片。 在这个实验中， 胞二磷胆碱以约 0.3 μΙ_ΛτΗη的速率注 入这组大鼠的脑细胞外间隙， 给药时间约为 15 min， 给药体积为 5 μΙ_， 胞二磷胆碱的剂量是 0.0025 g/kg， 给药完成后留针 5 min。 如图 1 (d ) 所示， 脑梗死只发生在很小的区域中， 脑梗死发生的范围只占脑部总体 积 4.1±2.0%， 脑梗死的范围小于生理盐水对照组和腹腔给药 组。

图 2显示了脑缺血 12小时后对照组、腹腔给药组和细胞外间隙给� �� 组的大鼠脑片经 TTC染色显示的脑梗死体积比之间的关系。 根据图 1中 所示的检测结果， 生理盐水对照组的脑梗死发生范围是 27.7±10.5%， 胞 二磷胆碱腹腔给药组的脑梗死发生范围是 24.0±10.4%， 而胞二磷胆碱脑 细胞外间隙给药组的脑梗死发生范围只有 4.1±2.0%， 各组之间脑梗死体 积比差异有着明显的区别。根据统计学的计算 单因素方差分析（ANOVA) 伴随 Dunnett's 检验， 胞二磷胆碱经细胞外间隙给药组的脑梗死体积 比 与经腹腔给药的差异值 P O.01， 在统计学上被认为是具有 "极显著性"。

本发明的结果显示， 脑细胞外间隙存在于脑间质组织中， 细胞膜之 间不规则且相互连通的狭窄空隙被组织间液所 填充。 细胞外间隙形成了 血管和细胞之间基本物质交换的通道。 业已发现， 在正常脑组织中细胞 外间隙的容积占脑组织的大约为 20%， 而脑微血管仅占脑组织 3%。 由 于脑细胞外间隙与脑组织的接触范围较大， 且完全避开了血脑屏障。 因 此， 通过脑细胞外间隙给药可以提高药物的摄取量 ， 这样可以降低给药 剂量、 从而减轻药物的副作用。

在药物注入病人的脑细胞外间隙后， 细胞外间隙中组织间液将药物 经扩散到达作用的靶点或靶区， 从而发挥治疗作用。 在本发明给药方法 的一种具体实施方式中， 注入的药物为胞二磷胆碱 （包括胞磷胆碱、 胞 苷 -5-二磷酸胆碱或者 CDP-胆碱）， 它是一种维持生命活动的必需物质， 可从食物中获取， 并可在脑中转化。 胞二磷胆碱的分子量虽小 （仅为 510.31道尔顿）， 但极性较强， 难以通过血脑屏障。经口服和经静脉给药 的脑组织摄取量极低， 治疗效果不理解。 但如图 2所示， 采用本发明的 给药方法， 胞二磷胆碱对脑梗死的治疗效果有了显著提高 。 当然本领域 技术人员可以理解， 如果注入药物的浓度、 分子量、 空间构象与极性等 性质与脑细胞间隙相适应， 并不会对脑组织成结构和功能性的损伤或破 坏， 其他药物也可以适用本发明的给药方法。

图 3显示了一种可用于脑细胞外间隙给药的装置� � 如图所示， 需要 进行脑部疾病治疗的病人 10随检查床 12进入到成像装置 20中，成像装 置可以是 CT、 MRI等各种成像装置中的一种。 成像装置 20与一个控制 装置 40相连接。

控制装置 40中包括一个控制单元 42、一个监视单元 44和一个输入 单元 46。 在成像装置 20中形成的影像 （如 MRI影像） 可以经控制单元 42显示在监视单元 44上， 以利操作者随时观察处于成像装置 20中的病 人的状况。

给药装置 30可以如图 3所示包括一个穿刺针 32和一个给药泵 34， 但本领域技术人员可以理解， 也可采用其他方法将药物导入细胞外间隙， 如鼻腔滴入或吸入性给药等等。采用非穿刺方 法给药时， 成像装置 20在 监视器 44上形成的图像， 同样可以提供操作者随时观察药物到达的位置 和相应的浓度。

在使用穿刺方法给药的情况下，病人 10的脑部可以设置在一个脑立 体定位装置 50中，脑立体定位装置 50可以定位病人 10脑部的不同区域， 并协助给药装置 30将药物注入到正确的预定位置，脑立体定位� ��置可以 采用适宜的市售产品，只要能保证脑立体定位 装置 50既不会与成像装置 20产生相互作用， 也不会影响病人 10脑部的成像质量即可， 例如脑立 体定位装置可以采用黄铜等抗磁性材料制造。

穿刺针 32固定在脑立体定位装置 50上，操作者可以根据监视器 44 上显示的病人 10的脑部图像， 在脑立体定位仪 50上确定正确的穿刺位 置， 这样， 借助成像装置 20和脑立体定位仪 50的作用， 穿刺针 32的针 头可以刺入病人 10脑细胞外间隙的正确位置。 穿刺针 32可以采用任何 适宜的市售产品， 只要确保穿刺针 32不与成像装置 20产生相互作用、 不影响成像质量、 不会造成病人的脑细胞损伤即可。如穿刺针 32可以采 用中国国家标准 GB/T 3280-2007中牌号为 022Cr17Ni12Mo2Ti的不锈 钢 （美国 ASTM标准为 316L不锈钢） 制造。

穿刺针 32的尾端与给药泵 34相连，给药泵 34与控制装置 40相连， 这样控制装置 40可以控制给药泵 34中药物的给药速度和给药总量， 从 而精确控制经穿刺针 32供入病人脑细胞外间隙的给药速度和给药剂� ��。

在本发明的给药装置中， 控制装置 40与给药泵 34及成像设备 20 相连接， 这样成像设备 20 所形成的病人脑部的状况可以显示在监视器 44上， 供操作者观察。 控制单元 42可以预先储存的给药信息或是由操 作者从输入单元 46输入的给药信息， 如控制给药泵 34的给药速度和给 药总量， 并且操作者可以从监视器 44上实时观测给药后病人 10脑部的 状况， 实现给药过程的动态监控， 以达到最佳的治疗效果。

图 4是将穿刺针刺入大鼠脑部的 MRI影像， 其中虚线圆圈内箭头所 指的位置即为穿刺针达到的位置。

图 5 (a)是腹腔给药组大鼠磁共振 T1加权像（T1 weighted imaging, T1WI ) 的动态图像， 从该影像中可以看出， 腹腔给药组大鼠的脑部尾状 核大部及丘脑区表现为 T1WI低信号， 表明这些区域发生了脑梗死。 图 5

( b) 显示了脑细胞外间隙给药组大鼠的 MRI 影像， 从图中可以看到， 脑细胞外间隙给药组大鼠的脑部仅在丘脑区表 现为 T1WI 低信号， 表明 仅丘脑区发生了脑梗死。

图 6 (a)是腹腔给药组大鼠磁共振 T2加权像（T2 weighted imaging, T2WI ) 的动态图像。 从该影像中可以看出， 腹腔给药组大鼠的脑部尾状 核大部及丘脑区表现为 T2WI高信号， 表明这些区域发生了脑梗死。 图 6 ( b) 显示了脑细胞外间隙给药组大鼠的 MRI 影像， 从图中可以看到， 脑细胞外间隙给药组大鼠的脑部仅在丘脑区表 现为 T2WI 高信号， 表明 仅丘脑区发生了脑梗死。

图 7 (a) 是腹腔给药组大鼠磁共振扩散加权像 （diffusion weighted imaging, DWI ) 的动态图像。 从图中可以看出， 腹腔给药组大鼠的脑部 尾状核大部及丘脑区表现为 DWI高信号， 表明这些区域发生了脑梗死。 图 7 ( b)显示了脑细胞外间隙给药组大鼠的 MRI影像，从图中可以看到， 脑细胞外间隙给药组大鼠的脑部仅在丘脑区表 现为 DWI高信号， 表明仅 丘脑区发生了脑梗死。

以上各图中 MRI的监测结果与图 1所示的 TTC染色体脑片的结构是 一致的。

为了进一歩说明本发明的细胞外间隙给药方法 中药物的扩散过程， 可以在大鼠脑部注入示踪剂进行观察。 图 8 (a) 是示踪剂注入大鼠脑部 尾状核区时的 MR图像， 图中黑点所示为示踪剂 Gd-DTPA的注射位置。 图 8 ( b) 是示踪剂注入大鼠脑部尾状核区两小时后的 MR图像， 从图 8 ( b) 中可以看出： 在虚线所示的丘脑区内， MR图像的信号强度没有显 示强化， 说明在这一区域中示踪剂没有达到一定的浓度 ； 而实线所示的 皮层区内， MR图像的信号强度明显增强，表明对比剂在这� ��区域中维持 在一定浓度下。

图 9是示踪剂 Gd-DTPA注射前后， 大鼠脑部的皮层区和丘脑区中 MRI信号强度随时间的变化曲线。 对比剂与图 8 ( b) 所示的结果相似： 虚线所示的丘脑区的 MR信号强度在注射后 1 小时略有增强， 然后即开 始下降， 在提供的实际例子中， 药物导入后 2小时时， 其增强的程度较 低， 信号强度只增加了 50左右； 而实线所示的皮层区的 MR信号强度， 从注射后便迅速增加， 并在较长时间内维持一个较高水平， 在导入对比 剂后 2小时时， 对比剂在皮层区的信号强度约 140， 增量将近为丘脑区 的 3倍， 提示药物在皮层区的浓度是丘脑区浓度的 3倍左右。

图 10 (a)为闭塞大鼠大脑中动脉后造成脑缺血后脑 TTC染色结果， 梗死灶表现为 TTC染色白色， 可见丘脑区、 皮层区大部均已梗死。

图 10 ( b) 为采用本发明的细胞外间隙给药方法的大鼠脑 TTC染色 结果， 在这一过程中， 先将神经保护药物胞二磷胆碱导入大鼠右脑尾 状 核中心的脑细胞外间隙， 经过 2小时后再闭塞大鼠大脑中动脉造成脑缺 血， TTC染色显示皮层并未发生梗死。 与图 9所显示的示踪剂的扩散情 形相似， 在脑缺血发生前 2小时导入脑细胞外间隙的药物扩散到了皮层 区 （如图 9中的实线所示）， 并且保持了较高的浓度， 从而保护脑组织免 受缺血伤害； 而在下丘脑区域， 由于该区域内药物浓度在短暂上升后迅 速下降（如图 9中的虚线所示）， 结果该区域的脑组织未获保护， 发生了 梗死。

由于本发明可以借助 MRI等成像装置， 可在动态监测下准确将药物 注入病人某一脑区的脑细胞外间隙， 无论是在将药物注入病人脑细胞外 间隙过程中、 还是药物从脑细胞外间隙注入后的自扩散至靶 区的情况都 得以监测， 并可以根据监测到的药物作用情况。