Sfondare la barriera

Far entrare molecole di droga nel cervello significa attraversare la barriera difensiva sangue-cervello. Anthony King indaga su come i chimici si stanno infiltrando nella fortezza del cervello

Attività ordinarie come fare esercizio o mangiare possono alterare la composizione del nostro sangue in modo abbastanza drammatico. Il potassio nel sangue può aumentare, per esempio, e ci possono essere spostamenti significativi nel suo contenuto di lipidi e aminoacidi. I metaboliti tossici per le cellule nervose possono persino entrare nel flusso sanguigno.

La barriera emato-encefalica, fortunatamente, blocca i frammenti o i getti nel nostro sangue dall’attraversare nel nostro cervello. Questo è cruciale perché la segnalazione dei neuroni nel cervello si basa su segnali elettrici e sottili segnali chimici, che richiedono un microambiente regolato con precisione, e questo può essere facilmente disturbato da molecole provenienti dal sangue.

“Non vuoi che il tuo centro di comunicazione sia disturbato da cose che possono accadere nello stomaco, nell’intestino o in altre aree del corpo. Vuoi che sia stabile e funzioni perfettamente sia che tu stia dormendo o che tu sia inseguito da una tigre”, spiega Lester Drewes dell’Università del Minnesota a Duluth, negli Stati Uniti. La barriera emato-encefalica, o BBB, consiste nelle cellule endoteliali che rivestono i vasi sanguigni del cervello. Queste cellule fortezza sono incollati insieme molto strettamente e, a differenza di altri organi e tessuti, non ci sono fessure tra di loro per materiali trasportati dal sangue di perdere nel tessuto cerebrale.

Questa difesa è un vero mal di testa per il trattamento dei tumori al cervello e altre condizioni neurologiche. I farmaci, trattati come molecole estranee dalla BBB, non riescono a passare. Infatti, oltre il 95% dei farmaci non mostrano attività utile nel cervello e molti mostrano una scarsa penetrazione della BBB. Un’alta percentuale di farmaci a grande molecola non attraversa, il che comprende tutti i prodotti della biotecnologia: proteine ricombinanti, anticorpi monoclonali e farmaci di interferenza RNA.

William Pardridge, direttore del Blood-Brain Barrier Research Laboratory all’Università di California Los Angeles, USA, ritiene che la missione di sviluppo di farmaci per il morbo di Alzheimer e altri disturbi cerebrali abbia sofferto concentrandosi sulla scoperta di farmaci per il sistema nervoso centrale, mentre si è chiuso un occhio sulla consegna dei farmaci. Dice che nessuna grande azienda farmaceutica nel mondo ha oggi un programma di targeting dei farmaci per la BBB.

Clienti scivolosi

Una prima strategia per attraversare la barriera era quella di rendere i farmaci più lipidi solubili; questo ha permesso loro di penetrare le cellule endoteliali amanti dei lipidi nel cervello. La maggior parte delle droghe d’abuso, come l’alcol, la cocaina e l’eroina, sono lipofile. Ma c’è un lato negativo: “Se fai qualcosa di lipofilo, penetrerà in ogni organo e cellula del corpo e quindi devi usare grandi quantità. Se può avere un cattivo effetto collaterale su un altro organo o tessuto, si verificherà”, dice Drewes.

Alcuni piccoli farmaci – come la L-DOPA usata per trattare il Parkinson – possono essere trasportati su “sistemi di trasporto di nutrienti” naturali, ma questo approccio ha complicazioni nel trovare il giusto regime di dosaggio, poiché i trasportatori dei pazienti hanno efficienze diverse. Inoltre, anche se i farmaci liposolubili possono entrare nella membrana delle cellule endoteliali del cervello, possono essere buttati fuori altrettanto rapidamente dai trasportatori di efflusso.

‘La biologia è davvero contro la consegna dei farmaci al cervello, quindi sono necessarie strategie intelligenti’, dice Joan Abbott, un neuroscienziato del King’s College di Londra, Regno Unito. In passato, le grandi compagnie farmaceutiche avevano semplificato le cose attenendosi a piccole molecole che avevano la giusta chimica ed evitavano i trasportatori di efflusso. Un’importante intuizione recente è che una maggiore solubilità lipidica non è necessariamente migliore; per la maggior parte dei farmaci è importante la concentrazione ‘libera non legata’ nel cervello, mentre i farmaci lipofili tendono ad attaccarsi ad altre strutture nel cervello, comprese le membrane lipidiche. I chimici dei farmaci aziendali stanno prendendo in considerazione questo fatto”, aggiunge Abbott.

Tuttavia, in questi giorni le aziende si rendono conto che hanno bisogno di farmaci molto più intelligenti per renderli più specifici con meno effetti collaterali. Ecco perché stanno cercando di esplorare nuovi prodotti chimici, nuovi veicoli di consegna e anche tecniche per aprire brevemente la BBB e poi richiuderla dopo che il farmaco è entrato”, dice Abbott.

Portali temporanei

I tumori che iniziano nel cervello sono tra i più aggressivi e letali, ma le opzioni di trattamento sono limitate dalla BBB. La scorsa estate, i ricercatori di Taiwan hanno riferito di aver interrotto con successo la barriera utilizzando ultrasuoni focalizzati (vedi Chemistry World, settembre 2010, p24). Guidato da Kuo-Chen Wei della Chang Gung University, il gruppo ha iniettato nanoparticelle magnetiche, rivestite con un farmaco chemioterapico, nei ratti. Hanno usato gli ultrasuoni per aprire una piccola area della BBB e un campo magnetico per guidare le particelle in una posizione precisa nel cervello.1

Gli ultrasuoni potrebbero anche aiutare in condizioni come l’Alzheimer e il Parkinson, dice Kullervo Hynynen dell’Università di Toronto Medical School, Canada che ha fatto un lavoro simile con ultrasuoni e microbolle. L’esatto meccanismo fisico e biologico degli ultrasuoni non è noto, sottolinea. ‘Sappiamo che le bolle si espandono e si contraggono con l’onda degli ultrasuoni, e alcuni esperimenti di microscopia veloce hanno dimostrato che i piccoli vasi sanguigni – almeno in vitro – si espandono e si contraggono con la bolla. Pertanto le cellule endoteliali sono allungate”.

La microscopia elettronica ha sostenuto questa idea di stiramento fisico delle cellule della barriera, anche se viene indotto anche un certo trasporto attivo dei vacuoli attraverso le cellule endoteliali, nota Hynynen. Il rischio potenziale di qualsiasi metodo di interruzione della BBB è quello di abbassare la guardia. Le molecole entreranno nel cervello durante la rottura, ma questo rischio è piccolo perché solo un’area definita del cervello è esposta. Le difficoltà con gli ultrasuoni riguardano la mancanza di conoscenza del meccanismo con cui funziona, insieme a fattori relativi alla sicurezza, all’efficacia e ai tempi (come il tempo in cui la barriera è aperta).

Un altro approccio dirompente è quello di iniettare una soluzione iperosmotica (una soluzione che ha una concentrazione di soluto più alta delle cellule circostanti) nelle arterie carotidi per aprire la BBB per un certo tempo. Questo metodo è stato sostenuto da alcuni anni da Edward Neuwelt della Oregon Health and Science University di Portland, negli Stati Uniti. Il fluido che scorre attraverso i vasi sanguigni è iperosmotico e attira l’acqua dalle cellule endoteliali, causandone il restringimento”, spiega Drewes. Questo distrugge le giunzioni strette, formando vuoti e spazi. Se si somministra un farmaco antitumorale nel flusso sanguigno, questo può diffondersi nel cervello e nel tumore”. Le cellule tornano gradualmente alle loro dimensioni abituali, quindi l’effetto è transitorio.

Mentre i tumori che si sviluppano nel cervello sono relativamente rari; 10 volte più persone sviluppano tumori al cervello da tumori che iniziano in altre parti del corpo. La BBB ostacola le moderne terapie contro il cancro che funzionano in altre parti del corpo. Ricercatori statunitensi hanno recentemente dato il campo un ascensore, tuttavia, utilizzando farmaci per la disfunzione erettile. Julia Ljubimova del Cedars-Sinai Medical Centre di Los Angeles e i suoi colleghi hanno scoperto che il Viagra (sildenafil) e

Levitra (vardenafil), che inibiscono un enzima chiamato fosfodiesterasi 5 (PDE5), hanno aumentato la permeabilità della barriera sangue-cervello. Usando un modello di topo, hanno dimostrato che questi farmaci possono aumentare la quantità di Herceptin, un grande anticorpo monoclonale usato per trattare i tumori ai polmoni e al seno, attraversando la BBB e aumentando il suo effetto antitumorale nel cervello.2

Piggy-backing sulla BBB

Beverly Davidson, una neurologa dell’Università dell’Iowa, USA, ha cercato una terapia per i bambini che soffrono della malattia da accumulo lisosomiale, causata dall’assenza di un particolare enzima del cervello. Sappiamo che non possiamo semplicemente consegnare l’enzima nel sangue e farlo accedere al cervello, quindi cerchiamo di escogitare metodi per superare questo problema”, spiega. Il suo gruppo ha preso le cellule endoteliali della barriera e le ha ingegnerizzate per produrre l’enzima mancante e secernerlo nel cervello stesso.3 ‘Essenzialmente stiamo trasformando la BBB nel nostro amico invece che nel nostro nemico’.

Il DNA ricombinante che produce l’enzima è stato consegnato nelle cellule endoteliali utilizzando un vettore virale che i ricercatori hanno modificato per concentrarsi sugli endoteli del cervello malato. Davidson spera che il nuovo materiale genetico rimanga negli endoteli per molti anni. Non abbiamo alcuna prova che queste cellule si dividano, almeno nei roditori”, spiega, quindi un singolo ciclo di terapia genica potrebbe durare per decenni. Il trattamento ha ricostituito l’attività dell’enzima in tutto il cervello di un modello di topo; il prossimo passo è quello di passare a un grande modello animale della malattia.

L’azienda canadese AngioChem ha sviluppato un modo diverso per far passare le terapie attraverso la barriera – sfruttando i propri recettori di trasporto. Questi recettori, come la proteina correlata al recettore delle lipoproteine (LRP-1), normalmente permettono a sostanze essenziali come glucosio, insulina e ormoni della crescita di entrare nel cervello. Stanno vedendo quello che sembra essere il primo successo sulla consegna di qualcosa che attaccherà un tumore”, dice Drewes. C’è un po’ di eccitazione per questo e stanno cercando di svilupparlo in un sistema di consegna della droga più generale”.

Veicoli di consegna e cavalli di Troia

Un’altra area di reale crescita è quella dei costrutti artificiali, o veicoli di consegna ingegnerizzati, dice Abbott: ‘Nei prossimi 10 anni me ne aspetto molti’. Nanoparticelle e vari polimeri possono essere progettati per avere le caratteristiche giuste per legare i farmaci, ma anche per riconoscere i recettori sulle cellule endoteliali del cervello in modo che vengano presi attraverso la barriera. Un vantaggio dei polimeri è che si può sintonizzare chimicamente, nota Martin Garnett del Children’s Brain Tumour Research Centre dell’Università di Nottingham, Regno Unito, che ha iniziato alcuni lavori sulle nanoparticelle di polimeri.

Ljubimova crede che la nanomedicina farà un grande balzo in avanti nel trattamento del cancro e migliorerà la qualità della vita dei pazienti riducendo la tossicità dei trattamenti. Ci sono molte cose nei test clinici, che prevedono grandi guadagni “tra cinque o dieci anni””, dice. Tuttavia, Abbott offre una parola di cautela riguardo a tali veicoli di farmaci. La difficoltà è la stessa dei trasportatori nella BBB. Calcolare quanto di un farmaco entra nel cervello attraverso i veicoli di consegna è abbastanza difficile. La maggior parte delle prove suggerisce che la quantità che raggiunge l’obiettivo giusto è abbastanza piccola, quindi devi andare per agenti veramente attivi’.

Un metodo di cavallo di Troia, che collega agenti terapeutici a molecole che normalmente transitano la barriera, è sostenuto da Pardridge. Egli ha reingegnerizzato il fattore neurotrofico di derivazione gliale (GDNF) come un cavallo di Troia molecolare. GDNF è una potente neurotrofina che può far rivivere i nervi danneggiati in modelli animali del morbo di Parkinson; è anche una potenziale terapia per l’ictus e la tossicodipendenza, ma non attraversa la BBB.

Utilizzando serbatoi di droga impiantati e cateteri ventricolari – entrambe le procedure invasive – i ricercatori hanno scoperto che il GDNF consegnato era biologicamente attivo ma mancava di efficacia clinica. Il problema era la distribuzione; era necessaria una localizzazione molto precisa dei cateteri, e questo non è stato raggiunto in tutti gli studi clinici. Il Trojan di Pardridge è un anticorpo monoclonale contro il recettore umano dell’insulina, che può consegnare il GDNF attraverso la BBB.4 Nelle prove con le scimmie Rhesus, non ha visto eventi avversi associati alla somministrazione di grandi dosi della proteina di fusione anticorpo-GDNF.

Uscendo dal laboratorio

Abbott suggerisce che uno dei motivi per cui i progressi sulla consegna di farmaci nella BBB sono stati lenti è la mancanza di finanziamenti e di interesse da parte dell’industria. Spiega che Big Pharma si è in gran parte ritirata dagli aspetti della chimica del cervello e della somministrazione di farmaci perché ha investito molti soldi in programmi che si sono rivelati non produttivi. Ora sono più cauti, più pessimisti, o si stanno concentrando su aree con maggiori possibilità di successo. Alcune aziende possono anche ritenere di non essere competenti per perseguire obiettivi cerebrali in cui la BBB è una sfida. La sua chimica complessa rende la prevedibilità più difficile.

Ci sono però segnali positivi. I modelli di coltura cellulare in vitro della barriera – necessari per i saggi di permeabilità dei farmaci – sono stati migliorati negli ultimi anni. Tecniche di imaging come la tomografia a emissione di positroni (PET) e la risonanza magnetica (MRI) aiutano a mostrare cosa fa la BBB e quali farmaci raggiungono gli obiettivi giusti in concentrazione sufficiente.

Questo è fondamentale, poiché i ricercatori hanno capito che la barriera non è una struttura difensiva statica. È un’interfaccia attiva, regolamentata e regolata; è alterata al sito di lesione dopo un ictus e intorno ad esso, per esempio. Secondo Neuwelt, i tumori cerebrali, l’epilessia, il morbo di Alzheimer e il morbo di Parkinson sono tutti associati a “perturbazioni della normale BBB che contribuiscono alla loro patologia”.5

Informazioni sullo stato della barriera in un particolare paziente possono essere necessarie per ideare e perfezionare terapie appropriate. Sempre più spesso, per esempio nelle lesioni da stress post-traumatico, si riconosce che è necessario sapere cosa sta facendo la barriera per regolare il trattamento, dice Abbott. Potrebbe essere necessario regolare il trattamento per un periodo di mesi o settimane.

Garnett dice che le aziende farmaceutiche, fino ad ora, si sono concentrate su piccole molecole di farmaci piuttosto che su sistemi di consegna dei farmaci, ma crede che questo stia cambiando. Inoltre, c’è una comunità di ricerca attiva all’interno delle università e degli istituti di ricerca che guarda agli ultrasuoni, alle proteine di fusione Trojan, ai costrutti polimerici e ad altri mezzi per superare la barriera e portare la terapia dove è necessaria.

Abbott conclude con una valutazione ottimistica sulla BBB e gli sforzi per ottenere terapie attraverso di essa: ‘Ci sono stati molti progressi negli ultimi cinque anni. Vediamo tutti i tipi di cose che ora sono possibili – quindi in termini di comprensione di base, penso che le cose siano davvero buone. Ma è probabilmente vero che gran parte dell’innovazione proviene da piccole aziende; alcune di queste sono partner o sono state acquisite da aziende più grandi. La big pharma tradizionale è ancora piuttosto cauta nel provare nuovi modi di far entrare le cose nel cervello, anche se questo sta cambiando”.

Anthony King è uno scrittore scientifico freelance con sede a Dublino, Irlanda

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