Att bryta igenom barriären

För att få in läkemedelsmolekyler i hjärnan måste man passera den defensiva blod-hjärnbarriären. Anthony King undersöker hur kemister infiltrerar hjärnans fästning

Ordinära aktiviteter som att träna eller äta kan ändra vår blodsammansättning ganska dramatiskt. Kaliumhalten i blodet kan till exempel öka, och det kan ske betydande förändringar i dess innehåll av lipider och aminosyror. Metaboliter som är giftiga för nervceller kan till och med komma in i blodet.

Blod-hjärnbarriären blockerar tack och lov flotta och strössel i vårt blod från att passera in i våra hjärnor. Detta är avgörande eftersom neuronsignalering i hjärnan är beroende av elektriska signaler och fina kemiska signaler, som kräver en exakt reglerad mikromiljö, och detta kan lätt störas av molekyler som kommer in från blodet.

”Du vill inte att ditt kommunikationscentrum ska störas av saker som kan hända i magen, tarmen eller andra delar av kroppen. Du vill att det ska vara stabilt och fungera perfekt oavsett om du sover eller blir jagad av en tiger”, förklarar Lester Drewes vid University of Minnesota i Duluth, USA. Blod-hjärnbarriären, eller BBB, består av de endotelceller som kantar blodkärlen i hjärnan. Dessa fästningsceller sitter mycket tätt ihop, och till skillnad från andra organ och vävnader finns det inga sprickor mellan dem där blodburna ämnen kan läcka in i hjärnvävnaden.

Detta försvar är en riktig huvudvärk vid behandling av hjärntumörer och andra neurologiska sjukdomar. Läkemedel, som behandlas som främmande molekyler av BBB, kan inte passera. Faktum är att över 95 procent av läkemedlen inte visar någon användbar aktivitet i hjärnan och många visar dålig penetration av BBB. En stor andel av läkemedlen med stora molekyler passerar inte, vilket omfattar alla biotekniska produkter: rekombinanta proteiner, monoklonala antikroppar och RNA-interferensläkemedel.

William Pardridge, chef för Blood-Brain Barrier Research Laboratory vid University of California Los Angeles, USA, anser att uppdraget att utveckla läkemedel mot Alzheimers sjukdom och andra hjärnsjukdomar har lidit av att man har fokuserat på att hitta läkemedel för det centrala nervsystemet samtidigt som man har blundat för läkemedelstillförsel. Han säger att inget stort läkemedelsföretag i världen i dag har ett program för att rikta läkemedel mot BBB.

Slipiga kunder

En tidig strategi för att ta sig över barriären var att göra läkemedel mer lipidlösliga, vilket gjorde det möjligt för dem att tränga in i de lipidälskande endotelcellerna i hjärnan. De flesta missbruksdroger, såsom alkohol, kokain och heroin, är lipofila. Men det finns en nackdel: ”Om man gör något lipofilt kommer det att tränga in i alla organ och celler i kroppen och därför måste man använda stora mängder. Om det kan få en dålig bieffekt på ett annat organ eller en annan vävnad kommer det att inträffa”, säger Drewes.

En del små läkemedel – t.ex. L-DOPA som används för att behandla Parkinsons sjukdom – kan transporteras in med hjälp av naturliga ”näringstransportsystem”, men detta tillvägagångssätt medför komplikationer när det gäller att hitta rätt dosering, eftersom patienternas transportörer har olika effektivitet. Även om lipidlösliga läkemedel kan ta sig in i hjärnans endotelcellsmembran kan de lika snabbt slängas ut av effluxtransportörer.

”Biologin är verkligen emot läkemedelstillförsel till hjärnan, så det behövs smarta strategier”, säger Joan Abbott, neurovetenskapsman vid King’s College i London, Storbritannien. Tidigare har de stora läkemedelsföretagen förenklat saker och ting genom att hålla sig till små molekyler med rätt kemi och undvika effluxtransportörerna. För de flesta läkemedel är det den ”fria obundna” koncentrationen i hjärnan som är viktig, medan lipofila läkemedel tenderar att fastna på andra strukturer i hjärnan, inklusive lipidmembran. ”Företagens läkemedelskemister tar nu till sig detta”, tillägger Abbott.

Hursomhelst inser företagen numera att de behöver mycket mer intelligenta läkemedel för att göra dem mer specifika med färre biverkningar. Det är därför som de försöker utforska nya kemier, nya leveransfordon och till och med tekniker för att kortvarigt öppna BBB och sedan stänga den igen efter att ett läkemedel har trängt in, säger Abbott.

Temporära portaler

Tumörer som börjar i hjärnan är bland de mest aggressiva och dödliga cancerformerna, men behandlingsalternativen begränsas av BBB. I somras rapporterade forskare i Taiwan att de lyckades bryta barriären med hjälp av fokuserat ultraljud (se Chemistry World, september 2010, s24). Under ledning av Kuo-Chen Wei vid Chang Gung-universitetet injicerade gruppen magnetiska nanopartiklar, belagda med ett kemoterapiläkemedel, i råttor. De använde ultraljud för att öppna ett litet område av BBB och ett magnetfält för att styra partiklarna till en exakt plats i hjärnan.1

Ultraljud skulle också kunna vara till hjälp vid sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons, säger Kullervo Hynynynen från University of Toronto Medical School i Kanada, som har gjort liknande arbete med ultraljud och mikrobubblor. Den exakta fysiska och biologiska mekanismen för ultraljud är inte känd, påpekar han. Vi vet att bubblorna expanderar och drar ihop sig med ultraljudsvågen, och vissa snabba mikroskopiexperiment har visat att de små blodkärlen – åtminstone in vitro – expanderar och drar ihop sig med bubblan. Därför sträcks endotelcellerna.

Elektronmikroskopi har stött denna idé om fysisk sträckning av barriärcellerna, även om en viss aktiv vakuoltransport över endotelcellerna också induceras, konstaterar Hynynynen. Den potentiella risken med alla metoder för att störa BBB är att man släpper ner garden. Molekyler kommer att tränga in i hjärnan under uppbrottet, men denna risk är liten eftersom endast ett definierat område av hjärnan exponeras. Svårigheterna med ultraljudet har att göra med bristen på kunskap om den mekanism genom vilken det fungerar, tillsammans med faktorer som rör säkerhet, effektivitet och tidsramar (t.ex. hur länge barriären är öppen).

En annan störande metod är att injicera en hyperosmotisk lösning (en lösning som har en högre koncentration av lösta ämnen än de omgivande cellerna) i halspulsådern för att öppna BBB för en tid. Edward Neuwelt vid Oregon Health and Science University i Portland, USA, har sedan några år tillbaka förespråkat denna metod. Den vätska som strömmar genom blodkärlen är hyperosmotisk och drar därför ut vatten ur endotelcellerna, vilket gör att de krymper”, förklarar Drewes. Detta drar isär de täta korsningarna och bildar klyftor och mellanrum. Om man ger ett antitumörläkemedel till blodomloppet kan det diffundera in i hjärnan och in i tumören”. Cellerna sväller gradvis tillbaka till sin vanliga storlek, så effekten är övergående.

Men cancer som utvecklas i hjärnan är relativt sällsynt. 10 gånger så många människor utvecklar hjärntumörer från cancer som börjar någon annanstans i kroppen. BBB hindrar moderna cancerterapier som verkar på andra ställen i kroppen. Amerikanska forskare gav dock nyligen fältet ett lyft med hjälp av läkemedel mot erektil dysfunktion. Julia Ljubimova vid Cedars-Sinai Medical Centre i Los Angeles och hennes kollegor fann att Viagra (sildenafil) och

Levitra (vardenafil), som hämmar ett enzym som kallas fosfodiesteras 5 (PDE5), ökade blod-hjärnbarriärens genomsläpplighet. Med hjälp av en musmodell visade de att dessa läkemedel kan öka mängden Herceptin, en stor monoklonal antikropp som används för att behandla lung- och bröstcancer, som passerar BBB och ökar dess antitumöreffekt i hjärnan.2

Piggy-backing på BBB

Beverly Davidson, neurolog vid University of Iowa i USA, har letat efter en terapi för barn som lider av lysosomal lagringssjukdom, som orsakas av avsaknaden av ett visst enzym i hjärnan. Vi vet att vi inte bara kan leverera enzymet till blodet och få det att nå hjärnan, så vi försöker hitta metoder för att övervinna detta problem”, förklarar hon. Hennes grupp tog endotelceller i barriären och konstruerade dem så att de producerade det saknade enzymet och utsöndrade det i själva hjärnan.3 ”I huvudsak gör vi barriären till vår vän i stället för vår fiende”.

Det rekombinanta DNA som producerar enzymet levererades in i endotelcellerna med hjälp av en viral vektor som forskarna hade modifierat för att kunna hitta de sjuka endotelcellerna i hjärnan. Davidson hoppas att det nya genetiska materialet kommer att finnas kvar i endotelcellerna i många år. Vi har inga bevis för att dessa celler delar sig överhuvudtaget, åtminstone inte hos gnagare, förklarar hon, så en enda omgång genterapi kan pågå i årtionden. Behandlingen återställde enzymaktiviteten i hela hjärnan i en musmodell; nästa steg är att gå över till en stor djurmodell av sjukdomen.

Det kanadensiska företaget AngioChem har utvecklat ett annat sätt att smyga terapier över barriären – genom att utnyttja sina egna transportreceptorer. Dessa receptorer, som lipoproteinreceptorrelaterat protein (LRP-1), tillåter normalt att viktiga ämnen som glukos, insulin och tillväxthormoner kommer in i hjärnan. De ser vad som verkar vara de första framgångarna när det gäller att leverera något som angriper en tumör”, säger Drewes. Det är en viss entusiasm över detta och de försöker utveckla det till ett mer allmänt system för läkemedelstillförsel.

Leveransfordon och trojanska hästar

Ett annat område med verklig tillväxt är konstgjorda konstruktioner, eller konstruerade leveransfordon, säger Abbott: ”Under de kommande tio åren förväntar jag mig en hel del sådana”. Nanopartiklar och olika polymerer kan konstrueras så att de har rätt egenskaper för att binda läkemedel men också för att känna igen receptorer på hjärnans endotelceller så att de tas över barriären. En fördel med polymerer är att man kan ställa in dem kemiskt, konstaterar Martin Garnett vid Children’s Brain Tumor Research Centre vid universitetet i Nottingham, Storbritannien, som har börjat arbeta med polymera nanopartiklar.

Ljubimova tror att nanomedicin kommer att innebära ett stort steg framåt för cancerbehandling och förbättra patienternas livskvalitet genom att minska giftigheten hos behandlingarna. Det finns många saker i kliniska prövningar som förutspår stora vinster ”om fem till tio år”, säger hon. Abbott ger dock ett ord av försiktighet när det gäller sådana läkemedelsfordon. ”Svårigheten är densamma som med transportörer i BBB. Det är ganska svårt att beräkna hur mycket av ett läkemedel som kommer in i hjärnan via leveransfordon. De flesta bevisen tyder på att den mängd som når rätt mål är ganska liten, så man måste satsa på riktigt aktiva medel.

En metod med trojanska hästar, där terapeutiska medel kopplas till molekyler som normalt passerar barriären, förespråkas av Pardridge. Han har återskapat glial-derived neurotrophic factor (GDNF) som en molekylär trojansk häst. GDNF är ett kraftfullt neurotrofin som kan återuppliva skadade nerver i djurmodeller av Parkinsons sjukdom; det är också en potentiell terapi för stroke och drogberoende, men det passerar inte BBB.

Med hjälp av implanterade läkemedelsbehållare och ventrikelkatetrar – båda invasiva förfaranden – upptäckte forskarna att GDNF som de levererade var biologiskt aktivt men saknade klinisk effekt. Problemet var distributionen; det krävdes en mycket exakt placering av katetrarna, och detta uppnåddes inte i alla kliniska prövningar. Pardridges Trojan är en monoklonal antikropp mot den mänskliga insulinreceptorn, som kan leverera GDNF genom BBB.4 I försök med rhesusapor har han inte sett några biverkningar i samband med administrering av stora doser av fusionsproteinet antikropp-GDNF.

Att komma ut ur laboratoriet

Abbott menar att en av anledningarna till att framstegen när det gäller läkemedelsleveranser via BBB har varit långsamma är bristen på finansiering och intresse från industrin. Hon förklarar att de stora läkemedelsbolagen i stort sett har dragit sig tillbaka från aspekter av hjärnans kemi och läkemedelstillförsel eftersom de har lagt mycket pengar på program som har visat sig inte vara produktiva. De är nu mer försiktiga, mer pessimistiska eller fokuserar på områden med större chanser till framgång. Vissa företag kanske till och med anser att de inte är kompetenta att driva mål i hjärnan där BBB är en utmaning. Dess komplexa kemi gör förutsägbarhet svårare.

Det finns dock positiva tecken. In vitro-cellodlingsmodeller av barriären – som behövs för tester av läkemedelsgenomsläpplighet – har förbättrats under de senaste åren. Bildteknik som positronemissionstomografi (PET) och magnetisk resonanstomografi (MRT) hjälper till att visa vad BBB gör och vilka läkemedel som når rätt måltavlor i tillräcklig koncentration.

Detta är avgörande eftersom forskarna har insett att barriären inte är en statisk försvarsstruktur. Det är ett aktivt, reglerat och reglerande gränssnitt; det förändras på och runt skadestället efter till exempel en stroke. Enligt Neuwelt är hjärntumörer, epilepsi, Alzheimers sjukdom och Parkinsons sjukdom alla förknippade med ”störningar i det normala BBB som bidrar till deras patologi. ”5

Information om barriärens status hos en viss patient kan vara nödvändig för att utforma och förfina lämpliga terapier. Vid till exempel posttraumatiska stressskador erkänns det alltmer att man måste veta vad barriären gör för att anpassa behandlingen, säger Abbott. Man kan behöva justera behandlingen under en period av månader eller veckor.

Garnett säger att läkemedelsföretagen hittills har koncentrerat sig på små läkemedelsmolekyler snarare än på system för läkemedelstillförsel, men han tror att detta nu håller på att förändras. Dessutom finns det ett aktivt forskarsamhälle inom universitet och forskningsinstitut som tittar på ultraljud, trojanska fusionsproteiner, polymerkonstruktioner och andra sätt att övervinna barriären och få behandlingen dit den behövs.

Abbott avslutar med en optimistisk bedömning av BBB och ansträngningarna för att få terapier över den: Det har gjorts många framsteg under de senaste fem åren. Vi ser alla möjliga saker som nu är möjliga – så när det gäller den grundläggande förståelsen tycker jag att det ser riktigt bra ut. Men det är förmodligen sant att en stor del av innovationen kommer från små företag. En del av dem samarbetar med eller har tagits över av större företag. De traditionella stora läkemedelsbolagen är fortfarande ganska försiktiga när det gäller att pröva nya sätt att få in saker i hjärnan, även om detta håller på att förändras.

Anthony King är frilansande vetenskapsskribent i Dublin, Irland

.