Esteen läpäiseminen

Lääkemolekyylien saaminen aivoihin tarkoittaa veri-aivoesteen ylittämistä. Anthony King tutkii, miten kemistit tunkeutuvat aivojen linnoitukseen

Ordinaaliset toiminnot, kuten liikunta tai syöminen, voivat muuttaa veremme koostumusta melko dramaattisesti. Veren kaliumpitoisuus voi esimerkiksi nousta, ja sen rasva- ja aminohappopitoisuudessa voi tapahtua merkittäviä muutoksia. Verenkiertoon voi jopa päästä hermosoluille myrkyllisiä aineenvaihduntatuotteita.

Veri-aivoeste estää onneksi veressämme olevan roskasakin kulkeutumisen aivoihin. Tämä on ratkaisevan tärkeää, koska aivojen hermosolujen signalointi perustuu sähköisiin signaaleihin ja hienojakoisiin kemiallisiin signaaleihin, jotka vaativat tarkoin säädellyn mikroympäristön, ja tämä voi helposti häiriintyä verestä tulevien molekyylien vaikutuksesta.

”Et halua, että viestintäkeskuksesi häiriintyy asioista, joita voi tapahtua vatsassa, suolistossa tai muualla elimistössä. Haluat, että se on vakaa ja toimii täydellisesti riippumatta siitä, nukutko vai jahtaako tiikeri sinua”, Lester Drewes Minnesotan yliopistosta Duluthissa Yhdysvalloissa selittää. Veri-aivoeste koostuu aivojen verisuonia reunustavista endoteelisoluista. Nämä linnoitussolut ovat liimautuneet toisiinsa hyvin tiiviisti, ja toisin kuin muissa elimissä ja kudoksissa, niiden välissä ei ole rakoja, joista verestä peräisin olevat aineet voisivat vuotaa aivokudokseen.

Tämä puolustus on todellista päänvaivaa aivokasvainten ja muiden neurologisten sairauksien hoidossa. BBB:n vieraina molekyyleinä käsittelemät lääkkeet eivät pääse läpi. Itse asiassa yli 95 prosentilla lääkkeistä ei ole hyödyllistä vaikutusta aivoissa, ja monet niistä läpäisevät BBB:n huonosti. Suuri osa suurimolekyylisistä lääkkeistä ei läpäise BBB:tä, mikä koskee kaikkia bioteknologian tuotteita: rekombinanttiproteiineja, monoklonaalisia vasta-aineita ja RNA-interferenssilääkkeitä.

William Pardridge, Kalifornian yliopiston veri-aivoesteen tutkimuslaboratorion johtaja Los Angelesissa, Yhdysvalloissa, uskoo, että Alzheimerin taudin ja muiden aivosairauksien lääkekehitystehtävä on kärsinyt siitä, että on keskitytty keskushermostolääkkeiden keksimiseen, kun taas lääkeaineiden levittämistä on sivuutettu. Hänen mukaansa yhdelläkään suurella lääkeyrityksellä maailmassa ei nykyään ole BBB:hen kohdistuvaa lääkeohjelmaa.

Liukkaat asiakkaat

Varhainen strategia esteen ylittämiseksi oli tehdä lääkkeistä lipidiliukoisempia; tämä mahdollisti niiden tunkeutumisen aivojen lipidejä rakastaviin endoteelisoluihin. Useimmat väärinkäyttöhuumeet, kuten alkoholi, kokaiini ja heroiini, ovat lipofiilisiä. Tässä on kuitenkin haittapuolensa: ”Jos jostakin aineesta tehdään lipofiilinen, se tunkeutuu elimistön kaikkiin elimiin ja soluihin, joten sitä on käytettävä suuria määriä. Jos sillä voi olla huono sivuvaikutus johonkin toiseen elimeen tai kudokseen, se tapahtuu”, Drewes sanoo.

Joitakin pieniä lääkkeitä – kuten Parkinsonin taudin hoidossa käytettävää L-DOPA:ta – voidaan kuljettaa sisään luonnollisten ”ravintoaineiden kuljetusjärjestelmien” avulla, mutta tähän lähestymistapaan liittyy vaikeuksia oikean annostelujärjestelmän löytämisessä, koska potilaiden kuljetusjärjestelmien tehokkuus vaihtelee. Vaikka lipidiliukoiset lääkkeet pääsevätkin aivojen endoteelisolukalvoon, effluksikuljettajat voivat heittää ne sieltä yhtä nopeasti pois.

”Biologia todella vastustaa lääkkeiden kulkeutumista aivoihin, joten tarvitaan nokkelia strategioita”, sanoo brittiläisessä King’s Collegessa Lontoossa työskentelevä neurotieteilijä Joan Abbott. ”Aiemmin suuret lääkeyhtiöt ovat yksinkertaistaneet asioita pitäytymällä pienissä molekyyleissä, joilla on oikea kemia ja jotka välttävät efflux-kuljettajia. Yksi tärkeä viimeaikainen oivallus on se, että suurempi lipidiliukoisuus ei välttämättä ole parempi; useimmilla lääkkeillä on merkitystä aivojen vapaan sitoutumattoman aineen pitoisuudella, kun taas lipofiilisillä lääkkeillä on taipumus kiinnittyä aivojen muihin rakenteisiin, kuten lipidikalvoihin. Yritysten lääkekemistit ottavat tämän nyt huomioon”, Abbott lisää.

Yhtiöt kuitenkin ymmärtävät nykyään, että ne tarvitsevat paljon älykkäämpiä lääkkeitä, jotta ne olisivat spesifisempiä ja niillä olisi vähemmän sivuvaikutuksia. Siksi ne pyrkivät tutkimaan uusia kemiallisia menetelmiä, uusia jakelukanavia ja jopa tekniikoita, joilla BBB:tä voidaan avata hetkeksi ja sulkea se uudelleen lääkkeen päästyä sinne, Abbott sanoo.

Väliaikaiset portit

Aivoista alkavat kasvaimet kuuluvat aggressiivisimpiin ja tappavimpiin syöpiin, mutta BBB rajoittaa hoitovaihtoehtoja. Viime kesänä taiwanilaiset tutkijat raportoivat onnistuneesta esteen murtamisesta fokusoidun ultraäänen avulla (ks. Chemistry World, syyskuu 2010, s. 24). Chang Gungin yliopiston Kuo-Chen Wein johtama ryhmä ruiskutti rotille magneettisia nanohiukkasia, jotka oli päällystetty kemoterapialääkkeellä. He käyttivät ultraääntä avatakseen pienen alueen BBB:stä ja magneettikenttää ohjatakseen hiukkaset tarkkaan paikkaan aivoissa.1

Ultraääni voisi auttaa myös Alzheimerin ja Parkinsonin taudin kaltaisissa sairauksissa, sanoo Kullervo Hynynen Toronton yliopiston lääketieteellisestä tiedekunnasta, Kanadasta, ja hän on tehnyt samankaltaisia töitä ultraäänen ja mikrokuplien kanssa. Ultraäänen tarkkaa fysikaalista ja biologista mekanismia ei tunneta, hän huomauttaa. Tiedämme, että kuplat laajenevat ja supistuvat ultraääniaallon mukana, ja jotkut nopeat mikroskooppikokeet ovat osoittaneet, että pienet verisuonet – ainakin in vitro – laajenevat ja supistuvat kuplan mukana. Siksi endoteelisolut venyvät.

Elektronimikroskopia on tukenut tätä ajatusta sulkusolujen fysikaalisesta venymisestä, vaikka jonkin verran aktiivista tyhjiökuljetusta endoteelisolujen läpi myös indusoituu, toteaa Hynynen. Kaikkien BBB:tä häiritsevien menetelmien potentiaalinen riski on se, että varuilleen päästetään. Molekyylejä pääsee aivoihin häirinnän aikana, mutta tämä riski on pieni, koska vain tietty alue aivoista altistuu. Ultraäänen vaikeudet liittyvät siihen, ettei sen toimintamekanismia tunneta, sekä turvallisuuteen, tehokkuuteen ja aikajänteeseen (esimerkiksi siihen, kuinka kauan este on auki) liittyviin tekijöihin.

Toinen häiritsevä lähestymistapa on ruiskuttaa hyperosmoottista liuosta (liuosta, jonka liuospitoisuus on korkeampi kuin ympäröivien solujen pitoisuus) kaulavaltimoihin BBB:n avaamiseksi jonkin aikaa. Tätä menetelmää on jo muutaman vuoden ajan ajanut Edward Neuwelt Oregon Health and Science Universitystä Portlandissa, Yhdysvalloissa. Verisuonten läpi virtaava neste on hyperosmoottista, joten se vetää vettä pois endoteelisoluista ja saa ne kutistumaan”, Drewes selittää. Tämä irrottaa tiiviit liitokset toisistaan, jolloin syntyy aukkoja ja tiloja. Jos verenkiertoon annostellaan kasvainvastaista lääkettä, se voi diffundoitua aivoihin ja kasvaimeen. Solut turpoavat vähitellen takaisin tavanomaiseen kokoonsa, joten vaikutus on ohimenevä.

Aivoihin kehittyvät syövät ovat suhteellisen harvinaisia; 10 kertaa useammalle ihmiselle kehittyy aivokasvain muualla kehossa alkavista syövistä. BBB jarruttaa nykyaikaisia syöpähoitoja, jotka toimivat muualla kehossa. Yhdysvaltalaiset tutkijat antoivat hiljattain alalle kuitenkin piristysruiskeen erektiohäiriölääkkeiden avulla. Julia Ljubimova Cedars-Sinai Medical Centeristä Los Angelesista kollegoineen havaitsi, että Viagra (sildenafiili) ja

Levitra (vardenafiili), jotka estävät fosfodiesteraasi 5 (PDE5) -nimistä entsyymiä, lisäävät veri-aivoesteen läpäisevyyttä. He osoittivat hiirimallilla, että nämä lääkkeet voivat lisätä keuhko- ja rintasyövän hoidossa käytettävän suuren monoklonaalisen vasta-aineen, Herceptinin, määrää BBB:n läpi ja lisätä sen kasvainvastaista vaikutusta aivoissa.2

Piggy-backing on the BBB

Beverly Davidson, neurologi Iowan yliopistossa Yhdysvalloissa, on etsinyt terapiaa lapsille, jotka sairastavat lysosomaalista varastoitumissairautta, joka aiheutuu aivojen tietyn entsyymin puuttumisesta . Tiedämme, ettemme voi yksinkertaisesti antaa entsyymiä vereen ja saada sitä pääsemään aivoihin, joten yritämme kehittää menetelmiä tämän ongelman ratkaisemiseksi, hän selittää. Hänen ryhmänsä otti endoteelisoluja ja muokkasi ne tuottamaan puuttuvaa entsyymiä ja erittämään sitä itse aivoihin.3 ”Pohjimmiltaan teemme BBB:stä ystävämme vihollisemme sijaan”.

Entsyymiä tuottava rekombinantti-DNA toimitettiin endoteelisoluihin virusvektorilla, jonka tutkijat olivat muokanneet niin, että se asettui sairaisiin aivojen endoteeleihin. Davidson toivoo, että uusi perintöaines säilyy endoteeleissa useita vuosia. Meillä ei ole todisteita siitä, että nämä solut jakautuvat lainkaan, ainakaan jyrsijöillä, hän selittää, joten yksi geeniterapiakierros voi kestää vuosikymmeniä. Hoito palautti entsyymin toiminnan koko hiirimallin aivoissa, ja seuraavaksi on tarkoitus siirtyä taudin suureen eläinmalliin.

Kanadalainen AngioChem-yritys on kehittänyt toisenlaisen tavan salakuljettaa hoitoja esteen yli – valjastamalla omat kuljetusreseptorit. Nämä reseptorit, kuten lipoproteiinireseptoriin liittyvä proteiini (LRP-1), päästävät normaalisti välttämättömät aineet, kuten glukoosin, insuliinin ja kasvuhormonien, aivoihin. ”Näyttää siltä, että ensimmäistä kertaa onnistutaan toimittamaan kasvaimeen vaikuttavia aineita”, Drewes sanoo. Tämä on jännittävää, ja sitä yritetään kehittää yleisemmäksi lääkkeenjakelujärjestelmäksi”, sanoo Drewes.

Kuljetusvälineet ja troijalaiset hevoset

Toinen todellinen kasvualue on keinotekoiset rakennelmat eli keinotekoiset kuljetusvälineet, sanoo Abbott: ”Seuraavien 10 vuoden aikana odotan niitä olevan paljon.” ”Ensi vuoden aikana niitä on odotettavissa paljon. Nanohiukkasia ja erilaisia polymeerejä voidaan muokata niin, että niillä on oikeat ominaisuudet sitoa lääkkeitä mutta myös tunnistaa aivojen endoteelisolujen reseptorit, jotta ne pääsevät esteen läpi. Yksi polymeerien eduista on se, että niitä voidaan virittää kemiallisesti, toteaa Martin Garnett Nottinghamin yliopiston lasten aivokasvainten tutkimuskeskuksesta Yhdistyneessä kuningaskunnassa, joka on aloittanut työtä polymeeristen nanohiukkasten parissa.

Ljubimova uskoo, että nanolääketiede tuo suuren harppauksen eteenpäin syövän hoidossa ja parantaa potilaiden elämänlaatua vähentämällä hoitojen toksisuutta. Kliinisissä kokeissa on paljon asioita, joista ennustetaan suuria saavutuksia ”viiden tai kymmenen vuoden kuluttua”, hän sanoo. Abbott kuitenkin varoittaa tällaisista lääkeajoneuvoista. ”Vaikeus on sama kuin BBB:ssä olevien kuljettajien kohdalla. On melko vaikeaa laskea, kuinka paljon lääkettä pääsee aivoihin kuljetusvälineiden kautta. Suurin osa todisteista viittaa siihen, että oikeaan kohteeseen pääsevä määrä on melko pieni, joten on käytettävä todella aktiivisia aineita.

Troijalainen hevonen -menetelmää, jossa terapeuttiset vaikuttavat aineet kytketään molekyyleihin, jotka normaalisti kulkevat esteen läpi, puolustaa Pardridge. Hän on kehittänyt uudelleen glial-derived neurotrophic factorin (GDNF) molekyylitroijalaiseksi hevoseksi. GDNF on voimakas neurotrofiini, joka voi elvyttää vaurioituneita hermoja Parkinsonin taudin eläinmalleissa; se on myös potentiaalinen hoito aivohalvaukseen ja huumeriippuvuuteen, mutta se ei läpäise BBB:tä.

Käyttämällä istutettuja lääkesäiliöitä ja kammiokatetreja – molemmat invasiivisia toimenpiteitä – tutkijat havaitsivat, että heidän toimittamansa GDNF oli biologisesti aktiivinen, mutta sillä ei ollut kliinistä tehoa. Ongelmana oli jakelu; katetrien erittäin tarkka sijoittaminen oli tarpeen, eikä sitä saavutettu kaikissa kliinisissä tutkimuksissa. Pardridgen Trojan on ihmisen insuliinireseptoria vastaan suunnattu monoklonaalinen vasta-aine, joka voi toimittaa GDNF:ää BBB:n läpi.4 Rhesusapinoilla tehdyissä kokeissa hän ei ole havainnut haittatapahtumia, jotka liittyisivät vasta-aineen ja GDNF-fuusioproteiinin suurten annosten antamiseen.

Labrasta ulos

Abbott arvelee, että yksi syy siihen, että BBB:n kautta tapahtuvan lääkkeensiirron edistyminen on ollut hidasta, on rahoituksen ja teollisuuden kiinnostuksen puute. Hän selittää, että suuret lääketehtaat ovat pitkälti vetäytyneet aivokemian ja lääkkeiden toimittamisen osa-alueilta, koska ne ovat laittaneet paljon rahaa ohjelmiin, jotka eivät ole osoittautuneet tuottaviksi. Ne ovat nyt varovaisempia, pessimistisempiä tai keskittyvät aloihin, joilla on paremmat mahdollisuudet menestyä. Jotkut yritykset saattavat jopa kokea, etteivät ne ole päteviä tavoittelemaan aivokohteita, joissa BBB on haaste. Sen monimutkainen kemia vaikeuttaa ennustettavuutta.

Myönteisiä merkkejä kuitenkin on. Esteen in vitro -soluviljelymalleja – joita tarvitaan lääkkeiden läpäisevyyskokeita varten – on parannettu viime vuosina. Positroniemissiotomografian (PET) ja magneettikuvauksen (MRI) kaltaiset kuvantamismenetelmät auttavat osoittamaan, mitä BBB tekee ja mitkä lääkkeet pääsevät oikeisiin kohteisiin riittävinä pitoisuuksina.

Tämä on ratkaisevan tärkeää, sillä tutkijat ovat ymmärtäneet, että este ei ole staattinen puolustusrakenne. Se on aktiivinen, säännelty ja säädelty rajapinta; se muuttuu esimerkiksi aivohalvauksen jälkeisessä vammakohdassa ja sen ympärillä. Neuweltin mukaan aivokasvaimiin, epilepsiaan, Alzheimerin tautiin ja Parkinsonin tautiin liittyy ”häiriöitä normaalissa BBB:ssä, jotka osaltaan vaikuttavat niiden patologiaan. ”5

Tietoa esteen tilasta tietyllä potilaalla saatetaan tarvita tarkoituksenmukaisten hoitomuotojen suunnittelemiseksi ja tarkentamiseksi. Yhä useammin esimerkiksi traumaperäisissä stressivammoissa tunnustetaan, että hoidon mukauttamiseksi on tiedettävä, miten este toimii, sanoo Abbott. Hoitoa saatetaan joutua säätämään kuukausien tai viikkojen aikana.

Garnett sanoo, että lääkeyhtiöt ovat tähän asti keskittyneet pieniin lääkemolekyyleihin eikä lääkkeiden jakelujärjestelmiin, mutta hän uskoo, että tämä on nyt muuttumassa. Lisäksi yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa on aktiivinen tutkimusyhteisö, joka tutkii ultraääntä, troijalaisia fuusioproteiineja, polymeerirakenteita ja muita keinoja, joilla esteet voidaan ylittää ja saada hoito sinne, missä sitä tarvitaan.

Abbott esittää lopuksi optimistisen arvion BBB:stä ja pyrkimyksistä saada hoitoja sen yli: ”Viimeisten viiden vuoden aikana on tapahtunut paljon edistystä. Näemme kaikenlaisia asioita, jotka ovat nyt mahdollisia, joten perusymmärryksen kannalta asiat näyttävät mielestäni todella hyvältä. Todennäköisesti on kuitenkin totta, että suuri osa innovaatiosta tulee pieniltä yrityksiltä; jotkin näistä ovat tehneet kumppanuuksia isompien yritysten kanssa tai ne ovat siirtyneet isompien yritysten omistukseen. Perinteiset suuret lääketehtaat ovat edelleen melko varovaisia kokeilemaan uusia tapoja saada lääkkeitä aivoihin, vaikka tämä onkin muuttumassa.

Anthony King on Dublinissa, Irlannissa työskentelevä freelance-tiedekirjailija

.