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很多靶向脊髓的藥物，需要將藥物遞送到硬膜外或鞘內(nèi)。這種局部應(yīng)用于脊髓的藥物有一些獨(dú)特的特征，包括使用小體積和高濃度將藥物輸送到一個(gè)小空間中，以及鞘內(nèi)腦脊液不能混合效果較差（poorly mixed）。這些變量增加了局部毒性的風(fēng)險(xiǎn)。

開(kāi)發(fā)用于脊髓遞送藥物的合理性包括：i）藥物作用于脊髓靶點(diǎn)，并發(fā)揮生物學(xué)作用；ii）全身給藥的神經(jīng)軸吸收不符合預(yù)期；iii）足夠的神經(jīng)軸吸收，但同樣劑量下不能引起非脊髓不良反應(yīng)。脊髓治療范圍包括疼痛和痙攣、神經(jīng)退行性疾病和脊髓病理，包括神經(jīng)軸癌以及細(xì)菌和真菌感染。脊髓生物學(xué)的快速發(fā)展導(dǎo)致了很多新靶點(diǎn)和藥物遞送方式的出現(xiàn)。

脊髓

脊髓解剖學(xué)——脊髓從髓質(zhì)尾部延伸到骶髓和末梢神經(jīng)根。它位于椎體（椎管）的管腔內(nèi)，由腦膜覆蓋，如軟腦膜（緊貼在脊髓上的單層細(xì)胞）、蛛網(wǎng)膜（細(xì)胞層）以及相鄰的硬腦膜（成纖維細(xì)胞膠原基質(zhì)）。蛛網(wǎng)膜和軟腦膜之間是蛛網(wǎng)膜下腔（SAS），一個(gè)充滿腦脊液（CSF）的空間。脊柱間隙包含來(lái)自椎動(dòng)脈和神經(jīng)根動(dòng)脈的復(fù)雜動(dòng)脈網(wǎng)絡(luò)。硬膜外，脊髓被一個(gè)大的流入奇靜脈的靜脈叢包圍。感覺(jué)神經(jīng)根和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)根離開(kāi)脊髓時(shí)，會(huì)穿過(guò)硬膜。硬膜在神經(jīng)根的出口處會(huì)形成一個(gè)袖套狀結(jié)構(gòu)（dural sleeve），神經(jīng)根通過(guò)這個(gè)袖套離開(kāi)脊髓。神經(jīng)根穿過(guò)椎間孔（即根孔）時(shí)，硬膜袖套會(huì)終止，神經(jīng)根進(jìn)入椎旁區(qū)域，此時(shí)不再被硬膜覆蓋。

腦脊液（CSF）——腦脊液是一種相對(duì)無(wú)細(xì)胞、低蛋白、富含葡萄糖的介質(zhì)，類(lèi)似于血漿超濾液。不過(guò)，腦脊液的電解質(zhì)成分與血漿不同。過(guò)去，CSF被認(rèn)為僅來(lái)自顱內(nèi)脈絡(luò)叢。然而，有證據(jù)表明，在胚胎出生的第一個(gè)月，即脈絡(luò)叢形成之前，神經(jīng)管內(nèi)腔中的CSF就已經(jīng)存在，表明CSF可能來(lái)自其他結(jié)構(gòu)，如腦毛細(xì)血管和室管膜上皮。盡管如此，在成年人中，大約70%的CSF產(chǎn)生發(fā)生在側(cè)腦室的脈絡(luò)叢以及第三和第四腦室的脈絡(luò)膜端。CSF的分泌是基于梯度壓力的被動(dòng)血漿過(guò)濾和滲透梯度的主動(dòng)ATP依賴性酶促過(guò)程共同產(chǎn)生的，該滲透梯度將水轉(zhuǎn)移到蛛網(wǎng)膜下腔。顱內(nèi)CSF沿著心室系統(tǒng)流到腦池，在腦池中通過(guò)大腦凸起，被矢狀竇的蛛網(wǎng)膜下腔顆粒吸收到靜脈流出液中。它還用于填充顱外（脊髓）SAS。

脊髓藥物遞送

藥物可以通過(guò)注射到硬膜空間中實(shí)現(xiàn)遞送到脊髓的目的，或者通過(guò)經(jīng)皮放置的針和/或通過(guò)這些針?lè)胖玫膶?dǎo)管（通常在腰部水平）而直接遞送到SAS中。硬膜外藥物必須通過(guò)腦膜才能進(jìn)入SAS。一旦進(jìn)入SAS，具有脊髓靶點(diǎn)的藥物必須從SAS擴(kuò)散到脊髓實(shí)質(zhì)。這些代表了藥物到達(dá)靶部位之前需要跨越的特定屏障。硬腦膜代表一種分子過(guò)濾器，允許小分子隨時(shí)通過(guò)。蛛網(wǎng)膜提供了一個(gè)更容易被小的親脂性分子穿過(guò)的擴(kuò)散屏障。軟腦膜對(duì)小分子來(lái)講是中等屏障，但阻礙了較大溶質(zhì)（如大分子和腺病毒）進(jìn)入脊髓實(shí)質(zhì)。

脊髓遞送的藥物分布特點(diǎn)

Rostrokaudal運(yùn)動(dòng)——鞘內(nèi)空間有限且鞘液混合不良。因此，遞送到鞘內(nèi)空間的藥物傾向于停留在注射部位的近端。通過(guò)增加給藥體積和輸注速率可增強(qiáng)藥物的分布。不過(guò)，給藥的體積受鞘內(nèi)空間所限。

藥物清除——腦脊液在矢狀竇的蛛網(wǎng)膜下腔顆粒中通過(guò)再吸收而被清除，或者一部分在可能發(fā)生淋巴引流的根袖中被清除。以鞘內(nèi)注射方式遞送的藥物先在局部CSF中被初始稀釋?zhuān)S后在CSF中進(jìn)行第二階段清除。第二階段的濃度下降反映了：i）溶質(zhì)的局部稀釋?zhuān)籭i）通過(guò)移動(dòng)到鄰近的腦膜（其中親脂性化合物結(jié)合在蛛網(wǎng)膜層和硬膜外脂肪的富含脂質(zhì)的環(huán)境中）而從CSF中清除；iii）進(jìn)入脊髓實(shí)質(zhì)；iv）除吸收到細(xì)胞中外，分子還移動(dòng)到脈管系統(tǒng)中進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)被清除。極性分子（嗎啡）、大分子（齊考諾肽、白蛋白）或顆粒（腺病毒）在注射后從局部CSF中清除的速度慢于中等脂溶性的小分子（如芬太尼），這一特性反映在脂溶性分子在血液中出現(xiàn)較快。

鞘內(nèi)藥物制劑

制劑通常是水溶性（water-based）的，滲透壓在300mOsM的范圍內(nèi)，pH在5-7之間，并避免使用表面活性劑、抗氧化劑或抗菌劑等輔料。表面活性劑/清潔劑（吐溫、聚乙二醇）或增溶劑（如二甲基甲酰胺或二甲基亞砜）通常被認(rèn)為與脊髓遞送不太相容。如果使用這些輔料進(jìn)行脊髓治療，安全性方面必須考慮制劑對(duì)組織的直接影響。此外，一些溶劑（DMSO）可以與用于藥物遞送用的塑料材料發(fā)生相互作用。環(huán)糊精被廣泛應(yīng)用于鞘內(nèi)藥物制劑中，可提高溶解度并改變其他水不溶性物質(zhì)的分布。此外，也有其他制劑在開(kāi)發(fā)，如脂質(zhì)體、微球和納米顆粒，允許大劑量遞送，降低峰值濃度，延長(zhǎng)藥物作用時(shí)間。

神經(jīng)軸藥物毒性

神經(jīng)軸毒性的例子——從鞘內(nèi)給藥的最初幾天起，就會(huì)出現(xiàn)組織毒性問(wèn)題，包括局部麻醉后CSF白細(xì)胞增多癥和背根神經(jīng)節(jié)尼氏染色的變化。分享兩個(gè)與脊髓相關(guān)的毒性例子：i）局部麻醉神經(jīng)根損傷和ii）嗎啡誘導(dǎo)的肉芽腫。

先是局部麻醉劑。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，據(jù)報(bào)道，在通過(guò)小孔導(dǎo)管持續(xù)數(shù)小時(shí)至數(shù)天進(jìn)行脊髓麻醉（馬尾綜合征）后，出現(xiàn)了以會(huì)陰感覺(jué)喪失、下肢無(wú)力、膀胱和腸道功能障礙為特征的癥狀。這反映了對(duì)脊神經(jīng)根的損傷。臨床前研究表明，幾種麻醉劑的單次給藥產(chǎn)生了濃度依賴性的病理異常發(fā)生率，其特征是軸突變性、灰質(zhì)空泡化、巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)和髓鞘變性。在兔子和狗中觀察到相似的結(jié)果?？赡艿纳窠?jīng)損傷機(jī)制包括：i）谷氨酸釋放增加； ii）對(duì)背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的直接作用，增加游離鈣； iii）形成膠束，對(duì)脂質(zhì)膜產(chǎn)生洗滌劑樣作用。

再看下阿片類(lèi)藥物。在豚鼠、狗、綿羊和人中鞘內(nèi)輸注嗎啡對(duì)脊髓實(shí)質(zhì)沒(méi)有影響，但在鞘內(nèi)空間中產(chǎn)生由鄰近的硬腦膜-蛛網(wǎng)膜引起的占位性腫塊。在臨床前模型中，通過(guò)連續(xù)（但不是推注）遞送幾種（嗎啡、氫嗎啡酮）但不是所有阿片類(lèi)藥物（芬太尼）在2-3周內(nèi)產(chǎn)生腫塊。組織病理學(xué)顯示腫塊主要由成纖維細(xì)胞和膠原基質(zhì)組成。腫塊的來(lái)源尚不確定，但可通過(guò)肥大細(xì)胞穩(wěn)定劑減少?？赡艿臋C(jī)制是，肥大細(xì)胞的阿片受體非依賴性脫顆粒、成纖維細(xì)胞活化產(chǎn)物的釋放以及導(dǎo)管附近形成的對(duì)成纖維細(xì)胞膠原的反應(yīng)。

臨床前安全性評(píng)價(jià)

上述兩個(gè)案例毒性的出現(xiàn)取決于給藥途徑、局部藥物濃度和藥物在脊髓的暴露持續(xù)時(shí)間。將一些脊髓給藥安全性評(píng)價(jià)的通用原則分享如下：

首先，用于神經(jīng)軸遞送的藥物必須開(kāi)展適當(dāng)給藥途徑（硬膜外/鞘內(nèi)）的臨床前安全性評(píng)估，遞送模式（例如單次推注、重復(fù)推注與持續(xù)輸注）和預(yù)期臨床擬用方案相匹配，比如短暫疼痛（例如術(shù)后急性疼痛）與慢性疼痛（例如癌癥、慢性背痛）的藥物遞送方式就會(huì)有所區(qū)別。鞘內(nèi)給藥后，骨髓實(shí)質(zhì)和root藥物暴露量最大。通常，硬膜外給藥需要大的給藥體積和給藥劑量。硬膜外用藥應(yīng)同時(shí)考慮鞘內(nèi)途徑，因硬膜外給藥可能會(huì)將藥物意外遞送至鞘內(nèi)。

其次，藥物遞送的持續(xù)時(shí)間受到所選擇種屬可達(dá)到的暴露量所限。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)目前的技術(shù)和導(dǎo)管特性，嚙齒類(lèi)動(dòng)物可能長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月，大型（非嚙齒類(lèi)）動(dòng)物模型可能長(zhǎng)達(dá)1-6個(gè)月。主要限制因素是遞送藥物的導(dǎo)管與組織之間的相互作用。還有一種說(shuō)法是嚙齒類(lèi)和兔鞘內(nèi)導(dǎo)管給藥不超過(guò)14-21天，更長(zhǎng)時(shí)間會(huì)出現(xiàn)纖維化和/或occlusion（不太確定指什么，個(gè)人理解為導(dǎo)管的堵塞？）。尤其大鼠，最常用的給藥持續(xù)時(shí)間是7-14天。同樣，大鼠硬膜外放置導(dǎo)管給藥，在7-14天就會(huì)出現(xiàn)纖維化。而纖維化會(huì)改變遞送藥物的分布，所以大鼠不適合開(kāi)展長(zhǎng)期的脊髓安全性評(píng)價(jià)。所以，大部分鞘內(nèi)、硬膜外給藥的長(zhǎng)期安全性評(píng)價(jià)通常采用大動(dòng)物開(kāi)展。大動(dòng)物用的最多的是犬，其次是羊和非人靈長(zhǎng)類(lèi)。目前，沒(méi)有證據(jù)證明大動(dòng)物中哪一種種屬，包括非人靈長(zhǎng)類(lèi)，比另外一種種屬在評(píng)估鞘內(nèi)或硬膜外給藥方面更具優(yōu)勢(shì)。

雖然小動(dòng)物模型對(duì)機(jī)制研究和一些藥理學(xué)作用研究是有用的，但大動(dòng)物更能反映與人體鞘內(nèi)體積的縮放和不同大小椎管內(nèi)的動(dòng)力學(xué)差異，及藥物局部組織暴露情況。下表羅列了不同動(dòng)物腦脊液體積和鞘內(nèi)注射體積等信息。

影響藥物局部毒性的主要變量是濃度與劑量的關(guān)系。圍繞這一情況，非臨床研究供試品的給藥濃度必須達(dá)到或最好超過(guò)人體擬用濃度。另外，我們可以通過(guò)將動(dòng)物中遞送的劑量除以估計(jì)的CSF體積來(lái)估計(jì)推注遞送后的相對(duì)局部暴露，如上表所示。舉個(gè)例子，在犬體內(nèi)以0.5mL給藥20 mg/mL，劑量除以估計(jì)的犬CSF體積（16mL）將得到0.625 mg/mL的濃度。對(duì)人進(jìn)行相同計(jì)算（20 mg/mL *1/130=0.15 mg/mL）時(shí)，犬體內(nèi)的相對(duì)濃度是人的4.2倍，這表明，按劑量/CFS折算，犬脊髓的暴露量將是人脊髓的4.2倍。不過(guò)，這一數(shù)字需要謹(jǐn)慎對(duì)待，因?yàn)橐陨嫌?jì)算的前提假設(shè)是藥物在整個(gè)CSF中重新分布。這些體積考量的是總神經(jīng)軸，而不僅僅是脊髓，脊髓可能僅占了1/3的總鞘內(nèi)體積。此外，如前所述，脊柱間隙混合不均勻，大多數(shù)注射物以梯度下降的形式不對(duì)稱(chēng)分布，峰值則靠近給藥導(dǎo)管的頭部。因此，局部脊髓暴露的濃度高于基于總CSF體積計(jì)算所得出的濃度。當(dāng)藥物以小體積或低速輸送時(shí)，鞘內(nèi)分布限制就更加明顯，這一問(wèn)題就會(huì)更加突出。由于局部毒性與局部藥物濃度暴露直接相關(guān)，臨床前毒理研究中，可以考慮檢測(cè)CSF中藥物濃度，否則就只能按照上表中數(shù)據(jù)進(jìn)行理論濃度測(cè)算。

如果有可能獲得明確的PD指標(biāo)，例如鎮(zhèn)痛、肌肉松弛、靶分子減少等，則可以獲得動(dòng)物的最大耐受劑量和治療劑量的倍數(shù)關(guān)系。這有助于確定供試品的劑量/濃度上限。

供試品要求、對(duì)照組溶媒選擇（常用生理鹽水）、組別設(shè)置等與其他給藥途徑類(lèi)似，不再贅述。

脊髓給藥也可能需要考慮系統(tǒng)安全性風(fēng)險(xiǎn)。脊髓給藥的藥物最終會(huì)通過(guò)系統(tǒng)循環(huán)消除，因此應(yīng)評(píng)估對(duì)系統(tǒng)的作用和血藥濃度，以證明系統(tǒng)安全性。

總之，藥物給藥方式（推注與輸注）、藥物遞送體積或速率、制劑（pH/滲透壓/離子或輔料含量）和濃度的變化都是產(chǎn)生潛在毒性的變量。過(guò)往鞘內(nèi)給藥（如阿片類(lèi)藥物和局麻藥）的經(jīng)驗(yàn)顯示，以上變量對(duì)制劑的安全性有明顯影響。