Przełamywanie bariery

Wprowadzanie cząsteczek leków do mózgu oznacza przekraczanie obronnej bariery krew-mózg. Anthony King bada, w jaki sposób chemicy przenikają do twierdzy mózgu

Czynności ordynarne, takie jak ćwiczenia czy jedzenie, mogą dość drastycznie zmienić skład naszej krwi. Potas we krwi może wzrosnąć, na przykład, i może być znaczące zmiany w zawartości lipidów i aminokwasów. Metabolity toksyczne dla komórek nerwowych mogą nawet dostać się do krwiobiegu.

Bariera krew-mózg, na szczęście, blokuje flotsam lub jetsam w naszej krwi z traversing do naszych mózgów. Jest to kluczowe, ponieważ sygnalizacja neuronów w mózgu opiera się na sygnałach elektrycznych i drobnych sygnałach chemicznych, które wymagają precyzyjnie regulowanego mikrośrodowiska, a to może być łatwo zakłócone przez cząsteczki wchodzące z krwi.

’Nie chcesz, żeby twoje centrum komunikacyjne zostało zakłócone przez rzeczy, które mogą dziać się w żołądku, jelitach lub innym obszarze ciała. Chcesz, aby był stabilny i działał bez zarzutu, niezależnie od tego, czy śpisz, czy goni cię tygrys” – wyjaśnia Lester Drewes z Uniwersytetu Minnesoty w Duluth (USA). Bariera krew-mózg, czyli BBB, składa się z komórek śródbłonka wyściełających naczynia krwionośne w mózgu. Te komórki-twierdze są bardzo ściśle ze sobą sklejone i, w przeciwieństwie do innych organów i tkanek, nie ma między nimi szczelin, przez które materiały przenoszone przez krew mogłyby przedostawać się do tkanki mózgowej.

Ta obrona to prawdziwy ból głowy przy leczeniu guzów mózgu i innych schorzeń neurologicznych. Leki, traktowane jako obce cząsteczki przez BBB, nie są w stanie przejść. W rzeczywistości, ponad 95 procent leków nie wykazują użytecznej aktywności w mózgu, a wiele z nich wykazuje słabą penetrację BBB. Duża część leków o dużej cząsteczce nie przekracza BBB, co obejmuje wszystkie produkty biotechnologii: białka rekombinowane, przeciwciała monoklonalne i leki interferujące RNA.

William Pardridge, dyrektor Laboratorium Badań Bariery Krew-Mózg na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, USA, uważa, że misja rozwoju leków na chorobę Alzheimera i inne zaburzenia mózgu ucierpiała przez skupienie się na odkrywaniu leków na centralny układ nerwowy, podczas gdy przymknięto oko na dostarczanie leków. On mówi, że żadna duża firma farmaceutyczna w świecie dzisiaj ma BBB lek-targeting program.

Śliskie klientów

Wczesna strategia przekraczania bariery było zrobić leki bardziej rozpuszczalne w tłuszczach; to pozwoliło im przeniknąć lipidów kochających komórek śródbłonka w mózgu. Większość narkotyków, takich jak alkohol, kokaina i heroina, jest lipofilna. Jest jednak pewien minus: „Jeśli zrobisz coś lipofilnego, przeniknie to do każdego organu i komórki ciała, więc musisz użyć dużych ilości. Jeśli może to mieć złe skutki uboczne dla innego narządu lub tkanki, to tak się stanie” – mówi Drewes.

Niektóre małe leki – takie jak L-DOPA stosowane w leczeniu Parkinsona – mogą być przewożone na naturalnych „systemów transportowych składników odżywczych”, ale to podejście ma komplikacje w znalezieniu odpowiedniego reżimu dawkowania, ponieważ transportery pacjentów mają różną wydajność. Ponadto, chociaż rozpuszczalne w tłuszczach leki mogą dostać się do błony komórkowej śródbłonka mózgu, mogą one zostać wyrzucone tak samo szybko przez transportery efflux.

’Biologia jest naprawdę przeciwna dostarczaniu leków do mózgu, więc potrzebne są sprytne strategie’ – mówi Joan Abbott, neurobiolog z King’s College London w Wielkiej Brytanii. W przeszłości duże firmy farmaceutyczne upraszczały sprawy, trzymając się małych cząsteczek, które miały odpowiednią chemię i unikały transporterów efflux. Jednym z ważnych ostatnich spostrzeżeń jest to, że zwiększona rozpuszczalność w lipidach niekoniecznie jest lepsza; dla większości leków ważne jest stężenie „wolnego niezwiązanego” w mózgu, podczas gdy leki lipofilne mają tendencję do przyklejania się do innych struktur w mózgu, w tym błon lipidowych. Chemicy zajmujący się lekami w firmach biorą to teraz pod uwagę” – dodaje Abbott.

Jednakże w dzisiejszych czasach firmy zdają sobie sprawę, że potrzebują znacznie bardziej inteligentnych leków, aby uczynić je bardziej specyficznymi z mniejszą ilością skutków ubocznych. Dlatego starają się badać nowe technologie chemiczne, nowe środki transportu, a nawet techniki krótkiego otwierania BBB, a następnie zamykania go ponownie po wprowadzeniu leku” – mówi Abbott.

Tymczasowe portale

Twory, które zaczynają się w mózgu, należą do najbardziej agresywnych i śmiertelnych nowotworów, jednak możliwości leczenia są ograniczone przez BBB. Ostatniego lata naukowcy z Tajwanu donieśli o udanym przerwaniu bariery za pomocą zogniskowanych ultradźwięków (patrz Chemistry World, wrzesień 2010, str. 24). Prowadzona przez Kuo-Chen Wei z Chang Gung University grupa wstrzyknęła szczurom magnetyczne nanocząsteczki pokryte lekiem chemioterapeutycznym. Wykorzystali ultradźwięki, aby otworzyć niewielki obszar BBB, oraz pole magnetyczne, aby skierować cząsteczki w precyzyjne miejsce w mózgu.1

Ultrasound could also help in conditions such as Alzheimer’s and Parkinson’s, says Kullervo Hynynen from the University of Toronto Medical School, Canada who has done similar work with ultrasound and microbubbles. Jak podkreśla, dokładny fizyczny i biologiczny mechanizm działania ultradźwięków nie jest znany. 'Wiemy, że pęcherzyki rozszerzają się i kurczą wraz z falą ultradźwiękową, a niektóre szybkie eksperymenty mikroskopowe wykazały, że małe naczynia krwionośne – przynajmniej in vitro – rozszerzają się i kurczą wraz z pęcherzykiem. Dlatego komórki śródbłonka są rozciągane.

Mikroskopia elektronowa poparła ten pomysł fizycznego rozciągania komórek bariery, chociaż jakiś aktywny transport wakuoli przez komórki śródbłonka jest również indukowany, zauważa Hynynen. Potencjalne ryzyko wszelkich metod zakłócenia BBB polega na tym, że pozwalasz, by twoja garda była opuszczona. Cząsteczki przedostaną się do mózgu w trakcie przerwania ciągłości, ale ryzyko to jest niewielkie, ponieważ eksponowany jest tylko określony obszar mózgu. Trudności z ultradźwiękami wiążą się z brakiem wiedzy na temat mechanizmu ich działania, a także czynników związanych z bezpieczeństwem, skutecznością i skalą czasową (np. jak długo bariera jest otwarta).

Innym podejściem zakłócającym jest wstrzyknięcie hiperosmotycznego roztworu (takiego, który ma wyższe stężenie solutu niż otaczające go komórki) do tętnic szyjnych, aby na pewien czas otworzyć BBB. Metoda ta od kilku lat jest propagowana przez Edwarda Neuwelta z Oregon Health and Science University w Portland, USA. 'Płyn przepływający przez naczynia krwionośne jest hiperosmotyczny, a więc wyciąga wodę z komórek śródbłonka, powodując ich kurczenie się’ – wyjaśnia Drewes. 'To rozciąga ścisłe połączenia, tworząc szczeliny i przestrzenie. Jeśli podamy do krwiobiegu lek przeciwnowotworowy, może on dyfundować do mózgu i do guza”. Komórki stopniowo puchną, wracając do swoich normalnych rozmiarów, więc efekt jest przejściowy.

Choć nowotwory, które rozwijają się w mózgu są stosunkowo rzadkie; 10 razy tyle osób rozwija guzy mózgu z nowotworów, które zaczynają się w innym miejscu w organizmie. BBB hamuje nowoczesne terapie przeciwnowotworowe, które działają w innych częściach ciała. Naukowcy amerykańscy ostatnio podnieśli tę dziedzinę, wykorzystując jednak leki na zaburzenia erekcji. Julia Ljubimova z Cedars-Sinai Medical Centre w Los Angeles i jej koledzy odkryli, że Viagra (sildenafil) i

Levitra (vardenafil), które hamują enzym zwany fosfodiesterazy 5 (PDE5), zwiększył przepuszczalność bariery krew-mózg. Wykorzystując model mysi, wykazali, że leki te mogą zwiększyć ilość Herceptyny, dużego przeciwciała monoklonalnego stosowanego w leczeniu raka płuc i piersi, przekraczając BBB i zwiększając jego działanie przeciwnowotworowe w mózgu.2

Piggy-backing na BBB

Beverly Davidson, neurolog na Uniwersytecie Iowa, USA, szukała terapii dla dzieci, które cierpią na lizosomalną chorobę spichrzeniową, spowodowaną brakiem konkretnego enzymu mózgowego . 'Wiemy, że nie możemy po prostu dostarczyć enzymu do krwi i mieć go w mózgu, więc staramy się opracować metody, aby przezwyciężyć ten problem’, wyjaśnia. Jej grupa wzięła komórki śródbłonka bariery i zaprojektowała je tak, aby produkowały brakujący enzym i wydzielały go do samego mózgu.3 'Zasadniczo zmieniamy BBB w naszego przyjaciela, a nie wroga’.

Rekombinowane DNA, które produkuje enzym, zostało dostarczone do komórek śródbłonka za pomocą wektora wirusowego, który badacze zmodyfikowali tak, by trafiał do chorych śródbłonków mózgu. Davidson ma nadzieję, że nowy materiał genetyczny pozostanie w śródbłonku przez wiele lat. Nie mamy dowodów na to, że te komórki w ogóle się dzielą, przynajmniej u gryzoni”, wyjaśnia, więc pojedyncza runda terapii genowej może trwać przez dziesięciolecia. Leczenie przywróciło aktywność enzymu w całym mózgu w modelu mysim; następnym krokiem jest przejście do dużego zwierzęcego modelu choroby.

Kanadyjska firma AngioChem opracowała inny sposób na przemycenie terapii przez barierę – poprzez wykorzystanie własnych receptorów transportowych. Receptory te, takie jak białko związane z receptorem lipoproteinowym (LRP-1), normalnie pozwalają niezbędnym substancjom, takim jak glukoza, insulina i hormony wzrostu, dostać się do mózgu. 'Widzą to, co wydaje się być pierwszym sukcesem w dostarczaniu czegoś, co zaatakuje guza’, mówi Drewes. Są podekscytowani tym faktem i próbują rozwinąć to w bardziej ogólny system dostarczania leków”.

Nośniki i konie trojańskie

Innym obszarem prawdziwego wzrostu są sztuczne konstrukcje lub skonstruowane nośniki, mówi Abbott: „W ciągu najbliższych 10 lat spodziewam się wielu z nich. Nanocząsteczki i różne polimery mogą być zaprojektowane tak, aby miały odpowiednie cechy do wiązania leków, ale także do rozpoznawania receptorów na komórkach śródbłonka mózgu, więc są one podejmowane przez barierę. Jedną z zalet polimerów jest możliwość ich chemicznego dostrojenia, zauważa Martin Garnett z Children’s Brain Tumour Research Centre na Uniwersytecie w Nottingham w Wielkiej Brytanii, który rozpoczął prace nad nanocząsteczkami polimerowymi.

Ljubimova uważa, że nanomedycyna przyniesie duży skok naprzód w leczeniu raka i poprawi jakość życia pacjentów poprzez zmniejszenie toksyczności zabiegów. Jest wiele rzeczy w próbach klinicznych, które przewidują duże zyski „za pięć do dziesięciu lat”, mówi. Jednak Abbott oferuje słowo ostrożności dotyczące takich pojazdów leków. 'Trudność jest taka sama jak w przypadku transporterów w BBB. Obliczenie, ile leku dostaje się do mózgu za pośrednictwem pojazdów dostawczych jest dość trudne. Większość dowodów wskazuje na to, że ilość docierająca do właściwego celu jest dość mała, więc trzeba sięgać po naprawdę aktywne środki.

Metoda konia trojańskiego, która łączy środki terapeutyczne z cząsteczkami, które normalnie przechodzą przez barierę, jest propagowana przez Pardridge’a. On ponownie skonstruował glejowo-pochodny czynnik neurotroficzny (GDNF) jako molekularnego konia trojańskiego. GDNF jest silną neurotrofiną, która może ożywić uszkodzone nerwy w zwierzęcych modelach choroby Parkinsona; jest również potencjalną terapią w przypadku udaru i uzależnienia od narkotyków, ale nie przekracza BBB.

Używając wszczepionych zbiorników z lekiem i cewników komorowych – obie procedury inwazyjne – badacze odkryli, że GDNF, który dostarczyli, był biologicznie aktywny, ale brakowało mu skuteczności klinicznej. Problemem była dystrybucja; potrzebna była bardzo precyzyjna lokalizacja cewników, a tego nie udało się osiągnąć we wszystkich próbach klinicznych. Trojan Pardridge’a to przeciwciało monoklonalne przeciwko ludzkiemu receptorowi insulinowemu, które może dostarczać GDNF przez BBB.4 W badaniach na małpach Rhesus nie zaobserwował on żadnych zdarzeń niepożądanych związanych z podawaniem dużych dawek białka fuzyjnego przeciwciało-GDNF.

Wychodzenie z laboratorium

Abbott sugeruje, że jednym z powodów powolnego postępu w zakresie dostarczania leków przez BBB jest brak finansowania i zainteresowania ze strony przemysłu. Wyjaśnia, że big pharma w dużej mierze wycofała się z aspektów chemii mózgu i dostarczania leków, ponieważ włożyli dużo pieniędzy w programy, które okazały się nie być produktywne. Są teraz bardziej ostrożni, bardziej pesymistyczni lub skupiają się na obszarach o większych szansach na sukces. Niektóre firmy mogą nawet uważać, że nie mają kompetencji do zajmowania się celami związanymi z mózgiem, w których BBB stanowi wyzwanie. Jego złożona chemia sprawia, że przewidywalność jest trudniejsza.

Są jednak pozytywne oznaki. Modele kultury komórkowej in vitro bariery – potrzebne do badań przepuszczalności leków – zostały ulepszone w ciągu ostatnich kilku lat. Techniki obrazowania, takie jak pozytronowa tomografia emisyjna (PET) i rezonans magnetyczny (MRI) pomagają pokazać, co robi BBB i które leki dostają się do właściwych celów w wystarczającym stężeniu.

To jest krytyczne, ponieważ naukowcy doszli do świadomości, że bariera nie jest statyczną strukturą obronną. Jest to aktywny, regulowany i regulacyjny interfejs; jest on zmieniony w i wokół miejsca urazu po udarze, na przykład. Według Neuwelt, guzy mózgu, padaczka, choroba Alzheimera i choroba Parkinsona są związane z „perturbacjami w normalnym BBB, które przyczyniają się do ich patologii. „5

Informacje na temat statusu bariery u konkretnego pacjenta mogą być niezbędne do opracowania i udoskonalenia odpowiednich terapii. Coraz częściej, na przykład w urazach pourazowych, uznaje się, że trzeba wiedzieć, co robi bariera, aby dostosować leczenie, mówi Abbott. Konieczne może być dostosowanie leczenia w ciągu kilku miesięcy lub tygodni.

Garnett mówi, że firmy farmaceutyczne do tej pory koncentrowały się raczej na małych cząsteczkach leków niż na systemach dostarczania leków, ale wierzy, że to się teraz zmienia. Co więcej, istnieje aktywna społeczność badawcza na uniwersytetach i w instytutach badawczych, która zajmuje się ultradźwiękami, białkami fuzyjnymi Trojana, konstrukcjami polimerowymi i innymi sposobami pokonywania barier i dostarczania terapii tam, gdzie jest potrzebna.

Abbott konkluduje z optymistyczną oceną na BBB i wysiłkach by dostać terapie przez to: 'W ciągu ostatnich pięciu lat nastąpił duży postęp. Widzimy różnego rodzaju rzeczy, które są teraz możliwe – więc jeśli chodzi o podstawowe zrozumienie, myślę, że sprawy wyglądają naprawdę dobrze. Prawdopodobnie jednak prawdą jest, że większość innowacji pochodzi z małych firm; niektóre z nich współpracują z większymi firmami lub zostały przez nie przejęte. Tradycyjna big pharma jest nadal dość ostrożna w próbowaniu nowych sposobów wprowadzania leków do mózgu, choć to się zmienia.

Anthony King jest niezależnym pisarzem naukowym z siedzibą w Dublinie, Irlandia

.