Aközponti idegrendszer (CNS) több részből áll, beleértve a cerebrospinális folyadékot (CSF), az agyi parenchymát, a kamrákat és az agyhártyát. A központi idegrendszeren belül a neuronok sűrű hálózata végzi az információ továbbítását, tárolását és feldolgozását, elősegítve a különféle mentális tevékenységeket és az állatok minden viselkedését. A szervezetben bekövetkező lokális változások – például pH-ingadozás, anyagcserezavarok vagy mikrovérzés –, valamint a perifériás keringési rendszer változásai (pl. bakteriális vagy vírusfertőzések) és egyéb szervi elváltozások (pl. funkcionális károsodás, biológiai szabályozási zavar vagy gyulladás) finom eltolódások a központi idegrendszer mikrokörnyezetében. Ezek a változások jelentősen befolyásolják a központi idegrendszer működését, ami a kognitív képességek, érzelmek és viselkedés megváltozását eredményezi. Az agy a test központi vezérlőrendszereként szolgál, szabályozza az összes kognitív és fiziológiai funkciót.
Az elmúlt években az olyan neurológiai rendellenességek, mint az Alzheimer-kór, a depresszió, a skizofrénia és a Parkinson-kór növekvő elterjedése a központi idegrendszeri gyógyszerfejlesztést a gyógyszerkutatás fókuszpontjává tette. Azonban a központi idegrendszeri gyógyszerfejlesztés magas sikertelenségi aránya olyan tényezőknek tudható be, mint a tisztázatlan betegségmechanizmusok, a vér-agy gát (BBB) és a neuronok pótolhatatlansága. Ez a cikk áttekintést nyújt a központi idegrendszeri gyógyszerszűrésről és -értékelésről a következő szemszögbőlgyógyszeranyagcsere és farmakokinetika (DMPK) .
Kihívások a központi idegrendszer kezelésében
Az agy mikroszerkezetére vonatkozó tanulmányok kimutatták, hogy az agy kapilláriságyában szoros kapcsolódási pontok találhatók az agy endotélsejtek között (BEC), minimális nagy sejtszabályozó vezikulákkal vagy intracelluláris ablakokkal. Ezenkívül szoros csomópontokat azonosítottak a plexus choroidban, ami megerősíti a vér-CSF gát létezését. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az agyba belépő vegyületek legalább két gáton találkoznak: a kis artériák-kapillárisok-kis vénák szintjén lévő BBB-vel és a plexus choroid plexusban található vér-CSF gáttal. Mindkét gát akadályozza a vegyületek szabad diffúzióját a központi idegrendszerbe.
1.1 Vér-agy gát (BBB)
A BBB az agyszövet és a kapillárisok között helyezkedik el, és jelentős akadályt jelent számos gyógyszermolekula számára a keringési rendszerből az agyba való behatolásában, így ez a központi idegrendszeri gyógyszerfejlesztés első akadálya. A BBB jellemzően lipidmembránként nyilvánul meg. A kisméretű lipofil anyagok könnyen bejuthatnak a központi idegrendszerbe, míg sok hidrofil gyógyszer – különösen azok, amelyek nagy töltetűek vagy amelyek szorosan kötődnek a szérumfehérjékhez – nem tud átjutni.
Az agy fiziológiai jellemzői közé tartozik egy sűrű kapilláris hálózat a kéreg alatt, körülbelül 650 km hosszúságban, amelynek vaszkuláris felülete körülbelül 15-20 négyzetméter. Ennek a nagy felületnek köszönhetően a BBB-t gyakran a plazma kismolekulák felvételének elsődleges útvonalának tekintik. Az érett központi idegrendszeri endotélsejtek létrehozzák a BBB-t, hogy megvédjék az idegszövetet a vérkomponensek ingadozásától, kizárják a toxinokat és fenntartsák az ionos homeosztázist. A BBB szorosan összetömörödött agyi kapilláris endothel sejtekből és gliasejtekből áll, gátat képezve, amely megakadályozza a molekuláris transzportot a vérből a perineuronális szövetbe, és rezisztenciát hoz létre a transzmembrán folyamatokkal szemben. A BBB szigorúan korlátozhatja az összes vegyület bejutását, kivéve a kisméretű, nem poláris vegyületeket, ami megnehezíti a központi idegrendszeri rendellenességek kezelését.
1.2 Vér-cerebrospinális folyadékgát (BCSFB)
A CSF-keringés a kamrákban kezdődik a choroid plexuson keresztül, és kiterjed a koponyaoldalra és a spinalis arachnoideára. A BCSFB egy másik elsődleges akadály; A véráramból származó vegyületek közvetlenül behatolhatnak a BCSFB-be, vagy átjuthatnak a BBB-n, mielőtt diffúzión vagy konvekción keresztül elérnék a CSF-et, szabályozva a különböző anyagok be- és kilépését a gerincvelőbe. Ennek a gátnak viszonylag kis felülete, alacsony diffúziós sebessége és gyors kiürülési sebessége van, hatékonyan megakadályozva a nagyobb molekulák, fehérjék és peptidek bejutását.
A központi idegrendszeren belüli fő transzportfolyamatokat a mellékelt ábra szemlélteti. Az agyszövet intersticiális folyadékból (ISF) és agysejtekből áll, amelyeket CSF vesz körül. Tudományosan a gyógyszerek koncentrációja az intracelluláris folyadékban (ICF) elsődleges fontosságú (különösen annak szabad koncentrációja). A jelenlegi technológiák azonban ezt nem tudják közvetlenül mérni. Az ISF elméleti indikátorként szolgál, és biológiai gátként – a sejtmembrán – létezik az ISF és az ICF között. A fehérjék, például az albumin jelen vannak az ISF-ben, és kötődhetnek a gyógyszerekhez, ami kihívást jelent a közvetlen mérésben (bár erre mikrodialízissel lehet következtetni). Az ISF és az ICF általában ideális körülmények között egyensúlyban van. A CSF-ben lévő gyógyszerek koncentrációját gyakran körülbelül egyenlőnek tekintik az ISF-ben lévő szabad hatóanyag-koncentrációval, így ez az agy permeabilitás értékelésének általános közege.
A BBB és a BCSFB jelentős akadályokat képez a vegyületek szabad diffúziója előtt a központi idegrendszerbe. A szabad gyógyszer koncentrációja a plazmában a transzporter által közvetített transzport hiányában megközelítőleg megegyezik az ISF-ben és a CSF-ben lévő szabad koncentrációkkal.
2.1 Paraméterek a BBB permeabilitás értékeléséhez
A központi idegrendszeri gyógyszer-agy expozícióját befolyásoló tényezők és az értékeléshez használt módszerek megértése kritikus a gyógyszerfejlesztés szempontjából. A szűréshez és optimalizáláshoz szükséges kulcsfontosságú paraméterek azonosítása az agyi expozíció fokozását, az efflux transzporterek szubsztrátjainak elkerülését és a szisztémás kiürülési sebesség csökkentését célozza, biztosítva, hogy elegendő gyógyszer jusson el a célhelyre ahhoz, hogy kifejtse hatását. A BBB átlépésével járó kihívások miatt létfontosságú a megfelelő paraméterek vagy mutatók kiválasztása standardként az értékeléshez.
Néhány általános referenciamutató a BBB permeabilitás értékeléséhez:
2.2 Általános módszerek a BBB permeabilitás értékelésére
A kismolekulájú permeabilitás sokrétű mechanizmusa miatt az elterjedt módszerek elsősorban a BBB-permeabilitással, a gyógyszerek agyban való eloszlásával, a szabad gyógyszerek agyi koncentrációjával és a transzporterek BBB-re gyakorolt hatásával foglalkoznak. Ez a rész a gyógyszerkutatás során általánosan használt módszereket tárgyalja.
3.1. A szabad gyógyszer koncentrációjának mérése az agyban
Az állatkísérletek a legközvetlenebb és leghatékonyabb módja annak, hogy meghatározzuk a hatóanyag koncentrációját az agyszövetben, a cerebrospinalis folyadékban és a plazmában. A farmakokinetikai (PK) szűréshez használt fajoknak általában összhangban kell lenniük a hatékonysággal és a toxicitással. Az adagolás módját a fejlesztési célok alapján kell meghatározni. Az eljárások hasonlóak a standard PK-tesztekhez, különös figyelmet kell fordítani az agyszövet vagy a CSF gyűjtési módszereire. A vizsgálati eredményeket a vegyület in vitro meghatározott fu-értékeihez kell kalibrálni a plazmában és az agyszövetben, mivel a CSF alacsony fehérjetartalma nem teszi szükségessé a korrekciót. A Kp, uu a vegyület azon képességét értékeli, hogy behatol a BBB-be, míg az AUCCSF és az AUCp,u a BCSFB-n keresztüli eloszlási jellemzőket értékeli, jelezve, hogy a CSF helyettesítő paraméterként szolgálhat-e az agyszövetben lévő szabad hatóanyag-koncentrációk tanulmányozásában.
A szabad gyógyszer hipotézis alapján ideális esetben az agy szabad gyógyszerkoncentrációja tükrözi a legközvetlenebbül az aktív hatóanyag koncentrációját; gyakorlati körülmények között azonban kihívást jelent a szabad gyógyszerkoncentráció mérése az agyszövet sejtjeiben. Jelentős transzporter hatások hiányában a plazmában, a CSF-ben vagy az agyszövet intersticiális folyadékában lévő szabad hatóanyag-koncentrációk helyettesítő paraméterként szolgálnak.
3.1.1 Az agyszövetek eloszlásának mérése
A Kp,brain kiszámításához egyetlen vagy több mintavételi pontot használnak:
Kp,brain viszonylag könnyen beszerezhető, de ez a paraméter torzítást okozhat a vegyület megértésében. A plazmában és az agyszövetben lévő vegyületek szabad frakciójának különbségei miatt előfordulhat, hogy a magas vér-plazma aránnyal rendelkező vegyületeknek nincs magas szabad koncentrációja az agyban; fordítva, az alacsonyabb vér-plazma aránnyal rendelkező vegyületek kiváló jelöltek lehetnek. Így ez a paraméter csak nagyjából tudja kizárni a nagyon alacsony összagyi koncentrációjú vegyületeket, így alkalmatlan az optimális jelöltek kiválasztására.
3.1.2 Agy-plazma gyógyszermentes arány módszer
A Kp, uu az agy-plazma szabad gyógyszer arányt jelenti, amely kulcsfontosságú paraméter a vegyületek vér és agy közötti eloszlási egyensúlyának értékeléséhez. Átfogóan tükrözi a passzív diffúziós és transzporter akciókat.
A plazmában és az agyszövetben lévő szabad frakciókat elsősorban a standard PK paraméterek szabad gyógyszerparaméterekké történő átalakítására használják. Önmagában nézve a magasabb szabad hatóanyag-frakció általában magasabb hatásos gyógyszerkoncentrációt jelez. Holisztikus szempontból azonban a megnövekedett szabad gyógyszerfrakciók a plazmában fokozott metabolizmushoz vagy kiválasztási sebességhez vezethetnek, míg az agyszövetben lévő szabad hatóanyag-frakciók megnövekedett mennyisége akadályozhatja a passzív diffúziót az agyba. Következésképpen a fu általában nem szolgálhat elsődleges paraméterként az optimalizáláshoz, és értéke nem kapcsolódik eredendően a gyógyszer hatékonyságához.
Amikor a Kp, uu megközelíti az 1-et, az ideális vegyület jellemzőket tükröz, ami jó permeabilitást és nem szubsztrátot jelez a transzporterek számára; ilyen körülmények között a plazma szabad gyógyszerkoncentráció helyettesítő indikátorként szolgálhat. Ezzel szemben, ha a Kp, uu szignifikánsan kisebb, mint 1, ez arra utal, hogy a vegyület a transzporterek szubsztrátja lehet, vagy gyenge permeabilitással rendelkezik, ami szerkezeti módosításokat tesz szükségessé a vegyület jellemzőinek javítása érdekében. Ha a Kp, uu meghaladja az 1-et, az aktív transzporterek részvételére utalhat a transzmembrán transzportfolyamatokban.
3.1.3. CSF mérési módszer
A CSF-ben lévő gyógyszerek koncentrációját gyakran körülbelül egyenlőnek tekintik az ISF-ben lévő szabad hatóanyag-koncentrációval, így ez az agy permeabilitás értékelésének általános mátrixa. Általában a CSF fehérjekoncentrációja elhanyagolható. A CSF-koncentrációk in vivo kimutatása technikai kihívásokat jelent, elsősorban a korlátozott mintamennyiség (pl. a patkány teljes CSF-keringése csak 250 μL), a gyűjtés során a vérszennyeződésre való érzékenysége és a jellemzően alacsony koncentrációk (csak szabad gyógyszerkoncentrációk) miatt.
3.2 Vér-agy gát áteresztőképessége
3.2.1 Mesterséges membrán technológia
A PAMPA modell "szendvics" struktúrát alkalmaz: alul donorpuffer, amely a vizsgált anyagot tartalmazza, középen mesterséges lipidmembrán, felette pedig receptorpuffer. Ez a modell transzportfehérjéket nem tartalmazó mesterséges lipidmembránt használ, amely alkalmas passzív diffúziós mechanizmussal rendelkező gyógyszerek értékelésére, de nem tudja pontosan megjósolni azokat, amelyek aktív transzportra szorulnak. Mivel a legtöbb vegyület passzív diffúzión keresztül jut be az agyszövetbe, a BBB passzív permeabilitása kritikus a gyógyszertervezésben. Egy nagy áteresztőképességű PAMPA-BBB modellt fejlesztettek ki a gyógyszer BBB-n keresztüli passzív permeabilitásának felmérésére.
3.2.2 In situ agyperfúziós módszer
A BBB permeabilitás értékelésének arany standardja az in situ agyperfúziós módszer; azonban technikai igényei és megvalósíthatósági kihívásai miatt ritkán használják összetett szűrésre. Jelenleg a legelterjedtebb módszer a plazma és az agyszövet homogenizálása, valamint az egyensúlyi dialízis alkalmazása a méréshez. A magas fehérjeszintekhez jelentős nem specifikus kötődésű vegyületek esetében előfordulhat, hogy a kísérleti egyensúlyi időt módosítani kell a valódi egyensúly biztosítása érdekében, elkerülve ezzel az eredmények eltéréseit. Alternatív módszerek közé tartozik a Transil vagy a lépcsőzetes egyensúlyi dialízis. Tanulmányok kimutatták, hogy az agyszövet kötődési sebessége független a fajtól és az agyszöveti régiótól, ami lehetővé teszi, hogy az emberi agyszövet kötődési sebességét egyetlen fajra vonatkozó adatokból lehessen levezetni. További módszerek közé tartozik az ultracentrifugálás, a mikrodialízis és az agyszövet metszete.
3.3 P-glikoprotein (Pgp) kiáramlási transzportaktivitás
A BBB jobb szimulálására és a tesztvegyületek BBB-n keresztüli permeabilitásának értékelésére agyi eredetű vagy nem agyi eredetű sejtmodelleket (MDCK sejtmodell, MDCK-MDR1 sejtmodell, Caco{5}} sejtmodell) fejlesztettek ki. . A PAMPA-BBB módszerekkel összehasonlítva a sejtmodellek alkalmasabbak BBB transzporterek tanulmányozására. Döntő fontosságú annak felmérése, hogy egy vegyület a Pgp szubsztrátja-e, és hogy kifolyik-e, mivel a Pgp továbbra is jelentős transzporter, amely megakadályozza a gyógyszerek agyba jutását. A Pgp efflux aktivitás szűrése létfontosságú a központi idegrendszeri terápia szempontjából. Az MDCK-MDR1 vagy Caco{9}} sejtmodellek képesek felmérni a Pgp efflux aktivitást, és irányítani tudják a szerkezeti módosításokat a Pgp által közvetített efflux leküzdése és a permeabilitás fokozása érdekében.
Prisys Biotech tapasztalt DMPK-csoporttal rendelkezik, amely in vivo PK-val és in vitro ADMET-tel kapcsolatos kísérleteket hozott létre az új gyógyszerfejlesztés preklinikai szakaszaihoz, beleértvefarmakokinetikai vizsgálatokcyno makákókban, akut toxicitási vizsgálatok éstoxikokinetika. Támogatjuk a többféle oldószer, a különböző beadási módok és a változatos szövetmintavételi módszerek alkalmazását. A Prisys Biotech testreszabott in vivo és in vitro kísérleteket kínál, kiváló farmakokinetikai szolgáltatásokat nyújtva az új gyógyszerek fejlesztéséhez.
