薬物分子を脳に送り込むには、防御的な血液脳関門を越える必要がある。 アンソニー・キングが、脳の要塞に化学者がどのように潜入しているかを調査する
運動や食事などの日常的な活動は、私たちの血液組成をかなり劇的に変化させます。 例えば、血中カリウムが増加したり、脂質やアミノ酸の含有量が大きく変化したりすることがあります。 神経細胞に有害な代謝物が血流に入ることさえある。
幸いなことに、血液脳関門は、血液中の浮遊物や浮遊物が脳内に侵入するのを防いでくれます。 脳の神経細胞のシグナル伝達は、電気信号と微細な化学信号に依存しており、正確に制御された微小環境が必要なため、血液から入ってくる分子によって簡単に乱されてしまうのです。
「胃や腸など体内の他の部位で起こるかもしれないことによって、コミュニケーションセンターが乱されるのは困りますね。 寝ているときでも、虎に追われているときでも、通信センターが安定して完璧に機能するようにしたいのです」と、米国ダルースにあるミネソタ大学のレスター・ドリューズ氏は説明します。 血液脳関門（BBB）は、脳の血管を覆っている内皮細胞から構成されている。 この要塞のような細胞は非常に強固に接着されており、他の臓器や組織とは対照的に、血液を介した物質が脳組織に漏れる隙間はないのである。
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血液脳関門は、脳の毛細血管の400マイル以上を守っています
この防御は脳腫瘍やその他の神経疾患の治療に本当に頭を悩ませるところです。 BBBによって異物分子として扱われた薬物は、通過することができない。 実際、95％以上の薬物は脳内で有用な活性を示さず、多くはBBBの透過性に劣ることが分かっている。 高分子の薬物の多くは通過できず、バイオテクノロジーの製品である組換えタンパク質、モノクローナル抗体、RNA干渉薬などを包含している。
米国カリフォルニア大学ロサンゼルス校の血液脳関門研究所のウィリアム・パードリッジ所長は、アルツハイマー病やその他の脳疾患に対する医薬品開発の使命は、中枢神経系の薬物発見に焦点を当て、薬物送達には目をつぶってきたために、苦しくなったと信じています。 同氏によれば、現在、世界の大手製薬会社でBBB薬物標的プログラムを持っているところはありません。 アルコール、コカイン、ヘロインなど、乱用される薬物のほとんどは親油性である。 しかし、欠点もある。「親油性のものを作ると、体内のあらゆる臓器や細胞に浸透してしまうので、大量に使わなければならない。 他の臓器や組織に悪い副作用が出る可能性があれば、それは起こるでしょう』とドゥルーズ氏は言っている。
パーキンソン病の治療に使われるL-DOPAなどの小型の薬物は、天然の「栄養輸送システム」を介して運ばれてきますが、このアプローチには、患者のトランスポーターが異なる効率を持つため、正しい投与方法を見つける上で複雑さがあります。 また、脂溶性の薬物は脳内皮細胞膜に入るが、排出トランスポーターによってすぐに排出される可能性がある。
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重要な分子が関門を通過するためのメカニズムはいくつか存在し、いくつかは薬によって利用することができます
「生物学は脳へのドラッグデリバリーに本当に反対なので、賢い戦略が必要です」と、英国キングス・カレッジ・ロンドンの神経科学者ジョーン・アボット氏は言います。 過去には、大手製薬会社は、適切な化学的性質を持ち、排出トランスポーターを避けた低分子に固執することによって、物事を単純化していました」と述べています。 最近の重要な見識の一つは、脂溶性が高ければ良いというものではないということです。ほとんどの薬剤では、脳内の『遊離結合』濃度が重要であり、親油性の薬剤は脂質膜を含む脳内の他の構造物に付着する傾向があるのです」。 会社の薬品化学者は、このことをよく理解している」とアボットは付け加えている。
しかし、最近の企業は、より少ない副作用でより特異的な薬を作るために、よりインテリジェントな薬が必要であることに気づいている。 そのため、新しい化学的性質、新しい送達手段、さらには薬物が侵入した後にBBBを一時的に開いて再び閉じる技術などを探求しようとしているのです」とAbbottは言います。
一時的な入り口
脳から始まる腫瘍は、最も攻撃的で致死的な癌のひとつですが、BBBによって治療の選択肢が制限されています。 昨年の夏、台湾の研究者たちは、集束超音波を使ってこのバリアを破壊することに成功したと報告した（Chemistry World, September 2010, p24参照）。 長庚大学のKuo-Chen Weiが率いる研究グループは、化学療法剤でコーティングした磁性ナノ粒子をラットに注射した。 彼らは、超音波を使ってBBBの小さな領域を開き、磁場を使って粒子を脳内の正確な位置に誘導したのである1。
Source: 超音波はバリアーを破壊し、磁性粒子を誘導することができます
超音波はアルツハイマー病やパーキンソン病などの症状にも役立つ可能性があると、超音波とマイクロバブルで同様の研究を行ったカナダ、トロント大学医学部のKullervo Hynynen氏は述べています。 超音波の正確な物理的、生物学的メカニズムはわかっていないと彼は指摘する。 気泡が超音波によって膨張・収縮していることは分かっていますし、いくつかの高速顕微鏡実験では、小さな血管が-少なくとも試験管内では-気泡によって膨張・収縮していることが分かっています。 したがって、内皮細胞は引き伸ばされるのです』。
電子顕微鏡は、内皮細胞を横切るいくらかの活発な液胞輸送も誘発されるが、障壁細胞の物理的伸張というこの考えを支持していると、Hynynen氏は指摘する。 BBBを破壊する方法の潜在的なリスクは、油断してしまうことである。 破壊中に分子が脳内に侵入しますが、脳の限られた部分しか露出しないので、このリスクは小さいです。 超音波の難しさは、安全性、有効性、タイムスケール（バリアが開いている時間など）に関連する要因とともに、超音波が機能するメカニズムに関する知識の欠如に関連するものである。
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内皮細胞は血管をしっかり包んで排除する
もうひとつの破壊的アプローチは、頸動脈に高浸透圧液（周囲の細胞より溶質濃度の高いもの）を注入してBBBを一時的に開放する方法です。 この方法は、米国ポートランドのオレゴン健康科学大学のEdward Neuweltが数年前から提唱しているものである。 血管を流れる液体は高浸透圧なので、内皮細胞から水分を引き出して、細胞を収縮させます」とドリューズ教授は説明する。 これがタイトジャンクションを引き離し、隙間や空間を形成するのです」とドリューズ氏は説明する。 抗腫瘍剤を血流に乗せると、脳内に拡散して腫瘍の中に入っていくことがあります」。 細胞は徐々に膨らんで元の大きさに戻るので、効果は一過性である。
脳に発生するがんは比較的まれであるが、体の他の場所で始まったがんから脳腫瘍になる人はその10倍もいるのである。 BBBは、体内の他の場所で作用する最新のがん治療法を妨げている。 しかし、米国の研究者たちは最近、勃起不全治療薬を使って、この分野に一石を投じた。 ロサンゼルスのシダーズ・サイナイ・メディカル・センターのジュリア・リュビモヴァとその同僚たちは、ホスホジエステラーゼ5（PDE5）と呼ばれる酵素を阻害するバイアグラ（シルデナフィル）と
レビトラ（バルデナフィル）が血液脳関門の透過性を高めることを発見したのである。 マウスモデルを用いて、これらの薬剤が、肺がんや乳がんの治療に用いられる大型モノクローナル抗体であるハーセプチンのBBBを通過する量を増やし、脳内での抗腫瘍効果を高めることを示しました2
Piggy-backing on the BBB
Beverly Davidson, the neurologist at University of Iowa, US has been searching a therapy for children who suffer a lysosomal storage disease, caused by a particular brain enzyme lack to the …米アイオワ大学の神経学者は、ある特定の脳酵素がないことで発症する「リソソーム貯蔵病」に苦しむ子どもたちの治療法を模索しています。 酵素を単に血液中に送り込んで脳に到達させることはできないので、この問題を克服する方法を考案しようとしているのです」と彼女は説明する。 彼女のグループは、バリア内皮細胞を用いて、不足している酵素を産生し、それを脳内に分泌するように操作した3。『本質的には、我々はBBBを敵ではなく味方に変えているのです』。
酵素を産生する組換えDNAは、研究者らが病気の脳内皮に付着するよう改良したウイルスベクターを用いて内皮細胞に送り込まれた。 デイビッドソン博士は、この新しい遺伝物質が何年にもわたって内皮に留まることを期待している。 少なくともネズミの場合、これらの細胞が分裂しているという証拠はありませんから、一回の遺伝子治療で何十年も効果が持続する可能性があります」と彼女は説明する。 この治療法はマウス・モデルの脳全体の酵素活性を回復させた。次のステップは、この病気の大型動物モデルに移行することである。
カナダのAngioChem社は、自身の輸送受容体を利用して、障壁を越えて治療薬を忍び込ませる別の方法を開発した。 リポタンパク質受容体関連タンパク質（LRP-1）のようなこれらの受容体は、通常、グルコース、インスリン、成長ホルモンのような必須物質が脳に入ることを可能にします。 ドゥルーズは言う、『腫瘍を攻撃するものを送り込むことに初めて成功したようです。 そのことに興奮し、より一般的なドラッグデリバリーシステムに発展させようとしています』。
Delivery vehicles and Trojan horses
Another area of real growth is in artificial constructs, or engineered delivery vehicles, Abbott said: ‘over the next 10 years I’m expecting lots of those’. ナノ粒子やさまざまなポリマーは、薬物を結合させるのに適した特徴を持ち、さらに脳内皮細胞の受容体を認識するように設計することができるので、バリアを越えて運ばれるようになるのです。 ポリマーの利点の一つは化学的に調整できることである、と英国ノッティンガム大学小児脳腫瘍研究センターのマーチン・ガーネットは指摘している。
Ljubimova氏は、ナノメディシンはがん治療に大きな飛躍をもたらし、治療の毒性を減らすことで患者の生活の質を向上させると考えている。 臨床試験中のものがたくさんあり、「5～10年後には」大きな利益が得られると予測しています」と彼女は言う。 しかし、Abbott氏はこのようなドラッグビークルに関して注意を促している。 難しいのはBBBのトランスポーターと同じです。 ある薬物がデリバリー・ビークルを通してどのくらい脳に入るかを計算するのは非常に難しいのです。 ほとんどのエビデンスは、正しいターゲットに到達する量は非常に少ないことを示唆しているので、本当に活性の高い薬剤を使わなければならないのです』。
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A molecular Trojan Horse can sneak drugs like GDNF across the barrier
A troyan horse method, which connects therapeutic agents to molecules that normally transit the barrier, is championed by Pardridge.は、関門通過時に治療薬を分子と結びつける方法を提唱しています。 彼は、グリア由来神経栄養因子（GDNF）を分子トロイの木馬として再構築した。 GDNFは強力なニューロトロフィンで、パーキンソン病の動物モデルで損傷した神経を蘇らせることができる。また、脳卒中や薬物中毒の治療薬としても期待されているが、BBBを通過することはない。
移植された薬物リザーバーと心室カテーテル（いずれも侵襲的な処置）を使って、研究者たちは、投与したGDNFが生物学的に活性だが臨床効果はないことを突き止めた。 問題は分布で、カテーテルの正確な位置が必要で、これはすべての臨床試験で達成されたわけではありません。 PardridgeのTrojanは、ヒトのインスリン受容体に対するモノクローナル抗体であり、BBBを越えてGDNFを送達できる。4 アカゲザルを用いた試験では、抗体-GDNF融合タンパク質の大量投与に伴う有害事象は確認されていない。
研究室からの脱却
アボットは、BBBドラッグデリバリーの進展が遅れている理由の1つとして、産業界からの資金提供や関心の低さを指摘している。 彼女は、大手製薬会社は脳化学や薬物送達の側面からほとんど撤退してしまったと説明しています。なぜなら、彼らは生産的でないことが判明したプログラムに多くの資金を投入してしまったからです。 現在では、より慎重に、より悲観的に、あるいはより成功の可能性の高い分野に注力しています。 企業によっては、BBBが問題となる脳内ターゲットを追求する能力がないとさえ感じているかもしれない。 その複雑な化学的性質が、予測可能性をより困難にしているのです。
Source: © JULIA LJUBINOV
脳の腫瘍は特に問題で、通常のほとんどの抗がん剤がバリアを通過できないからです
しかし、明るい兆候もあります。 薬物透過性アッセイに必要なバリアのin vitro細胞培養モデルは、ここ数年で改良されてきました。 陽電子放射断層撮影法（PET）や磁気共鳴画像法（MRI）などのイメージング技術は、BBBが何をしているのか、どの薬が十分な濃度で正しいターゲットに到達するのかを示すのに役立っています。
研究者たちは、バリアが静的な防御構造ではないことを理解するようになったので、これは非常に重要なことです。 それは活動的で、規制され、調節されたインターフェースです。例えば、脳卒中後の損傷部位やその周辺では変化しているのです。 Neuwelt によれば、脳腫瘍、てんかん、アルツハイマー病、パーキンソン病はすべて、「正常な BBB の乱れが病態に寄与している」5
特定の患者におけるバリアの状態に関する情報は、適切な治療法を考案し改良するために必要であろう。 例えば、心的外傷後ストレス損傷などでは、治療を調整するためにバリアがどうなっているかを知る必要があると認識されつつある、とAbbottは言う。 数ヶ月から数週間にわたって治療を調整する必要があるかもしれません。
ガーネットは、これまで製薬会社はドラッグデリバリーシステムよりも低分子薬に集中してきたが、今はそれが変わってきていると考えているという。 さらに、大学や研究機関の中には、超音波、トロイの木馬融合タンパク質、ポリマーコンストラクト、その他、障害を乗り越えて治療が必要な場所に治療を届ける手段を研究する活発な研究コミュニティが存在します。
アボットは、BBBとそれを越える治療法への取り組みについて、明るい評価で締めくくっています。 過去5年間に多くの進展がありました。 基本的な理解という点では、物事はとても良い方向に進んでいると思います。 しかし、イノベーションの多くは小さな会社から生まれているというのが事実でしょう。これらの会社の中には、大企業と提携したり、大企業に買収されたりしている会社もあります。 伝統的な大手製薬会社は、脳内に物質を取り込む新しい方法の試みにまだかなり慎重ですが、これは変わりつつあります」。
アンソニー・キングは、アイルランドのダブリンを拠点とするフリーランスのサイエンスライターである。