Факторы фармакокинетики (ФК) препаратов для лечения заболеваний центральной нервной системы (ЦНС)

В последние годы, с ростом распространенности неврологических расстройств, таких как болезнь Альцгеймера, депрессия, шизофрения и болезнь Паркинсона, разработка препаратов для ЦНС привлекла значительное внимание. Однако из-за неясных механизмов заболевания и проблем, таких как гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), уровень успеха разработки лекарств для ЦНС остается низким. В этой статье будет представлен обзор соответствующих теоретических знаний и методологий исследования препаратов для ЦНС с фармакокинетической (ФК) точки зрения.

Как показано ниже, ГЭБ состоит из плотно упакованных эндотелиальных клеток капилляров головного мозга и нейроглиальных клеток, которые почти полностью блокируют проникновение соединений через параклеточные пути или эндоцитоз. ГЭБ также экспрессирует транспортеры оттока, такие как гликопротеин P- (P-gp) и белок устойчивости к раку молочной железы (BCRP), которые перекачивают большинство субстратов обратно в кровоток. Следовательно, большинство малых молекул проникают в мозг преимущественно посредством пассивной диффузии через липидные мембраны. Кроме того, еще одним важным барьером является гемато-ликворный барьер (BCSFB). Соединения в крови могут напрямую проникать через BCSFB или, после пересечения ГЭБ, диффундировать или переноситься в спинномозговую жидкость (СМЖ). Однако P-gp, экспрессируемый в BCSFB, может перекачивать соединения обратно в кровь, ограничивая воздействие на мозг.

Учитывая сложность пересечения ГЭБ, решающее значение приобретает скрининг соединений с благоприятным проникновением в ЦНС в исследованиях in vitro или на животных. Ключевым моментом является выбор подходящих параметров, которые будут служить критериями оценки. Обычно используемые параметры включают концентрацию несвязанного лекарства в головном мозге (Cbu), соотношение несвязанного лекарства в мозгу-/-плазме (Kpuu или Cbu/Cpu), соотношение общей концентрации лекарства в мозге-/-плазме (соотношение B/P), фракцию несвязанного лекарства (fu), проницаемость ГЭБ (Papp) и коэффициент выведения (ER).

Согласно гипотезе свободного лекарства, концентрация несвязанного лекарства в мозге лучше всего отражает эффективную концентрацию лекарства. Однако в практических условиях трудно напрямую измерить концентрацию несвязанного лекарства в клетках головного мозга. При отсутствии значительных эффектов переносчика в качестве замещающих параметров часто используются концентрации несвязанного препарата в плазме, спинномозговой жидкости или интерстициальной жидкости головного мозга.

Kpuu — ключевой параметр, отражающий равновесие распределения соединений между кровью и мозгом, объединяющий пассивную диффузию и активность транспортера. Когда Kpuu приближается к 1, это указывает на желательные характеристики соединения, такие как хорошая проницаемость и отсутствие субстратов-переносчиков. В этом случае суррогатным показателем может служить концентрация несвязанного препарата в плазме. Когда Kpuu значительно меньше 1, соединение может быть субстратом-переносчиком или иметь плохую проницаемость, что требует структурных модификаций. Kpuu больше 1 может указывать на участие активных переносчиков в процессе трансмембранного транспорта.

Хотя соотношение B/P легко получить, оно может ввести в заблуждение в понимании проникновения соединения в мозг. Из-за различий в несвязанных фракциях в плазме и мозге высокое соотношение B/P не обязательно означает высокую концентрацию несвязанного препарата в мозге, и наоборот. Отношение B/P полезно только для грубой стратификации, исключающей соединения с чрезвычайно низкой общей концентрацией в мозге, но не для выбора более эффективных соединений в ЦНС.

Несвязанная фракция в плазме и тканях головного мозга используется для преобразования стандартных ФК-параметров в несвязанные параметры лекарственного средства. Хотя более высокие несвязанные фракции могут указывать на более высокие эффективные концентрации лекарственного средства, увеличение несвязанных фракций в плазме может также привести к более высокому метаболизму или скорости выведения. Аналогичным образом, более высокие несвязанные фракции в тканях головного мозга могут препятствовать пассивной диффузии в мозг. Следовательно, fu обычно не может служить основным параметром оптимизации, и его значение не связано напрямую с эффективностью.

Papp представляет собой скорость пассивной диффузии соединения через ГЭБ. Однако сам по себе этот параметр не является решающим при определении проникновения в мозг. Оно просто отражает скорость достижения равновесия между плазмой и мозгом, но не подразумевает высокую абсолютную концентрацию несвязанного лекарства в мозге. Поэтому Папп можно использовать только для устранения соединений с крайне плохой проницаемостью ГЭБ.

ER отражает силу активности эффлюксного транспортера во время проникновения ГЭБ. Хотя он не указывает напрямую на концентрацию соединения в тканях головного мозга, он может служить критерием исключения. В идеале препараты для ЦНС не должны быть субстратами эффлюксных переносчиков, таких как P-gp или BCRP, поскольку они препятствуют доставке лекарств к целевым участкам и увеличивают клиническую вариабельность фармакокинетики. Это особенно проблематично для соединений с узкими терапевтическими окнами, что создает риски и усложняет развитие.

Исследования на животных являются наиболее прямым и эффективным способом получения концентраций in vivo в тканях головного мозга, спинномозговой жидкости и плазме. В целом виды, используемые для фармакокинетического скрининга, должны соответствовать видам, используемым для исследований эффективности и токсичности. Путь введения определяется целями развития. Процедура аналогична обычным ФК-исследованиям, с дополнительным вниманием к сбору ткани головного мозга или спинномозговой жидкости. Результаты следует корректировать с использованием значений fu для плазмы и ткани головного мозга, определенных in vitro, поскольку СМЖ имеет низкое содержание белка и не требует коррекции. Соотношение AUCbu/AUCpu представляет собой Kpuu, которое оценивает способность соединения пересекать ГЭБ. Сравнение AUCcsf с AUCpu оценивает распределение соединения по BCSFB, а сравнение AUCbu/AUCcsf показывает, может ли CSF служить показателем концентрации несвязанного лекарства в ткани головного мозга, оптимизируя процесс исследования. Обратной стороной исследований ФК головного мозга является относительно частое использование животных и низкая производительность скрининга.

По сравнению с другими лекарствами, исследования транспортеров играют более важную роль в исследованиях лекарств для ЦНС из-за широкой субстратной специфичности отходящих транспортеров, таких как P-gp и BCRP, которые значительно ограничивают проникновение в мозг. В исследованиях in vitro часто используются трансфицированные клеточные линии с высокой экспрессией P-gp или BCRP (например, MDCK-MDR1 или MDCK-BCRP) для скрининга с высокой-пропускной способностью и разумными значениями отсечения-на основе количества соединений и стратегии скрининга. Однако видовые различия в переносчиках могут привести к расхождениям между данными о переносчиках человека in vitro и исследованиями на животных in vivo, что иногда приводит к необходимости использования нокаутных животных моделей (например, мышей MDR1a/1b или мышей BCRP KO), хотя этот подход является дорогостоящим и менее предсказуемым для активности переносчика человека.

Золотым стандартом изучения проницаемости ГЭБ является перфузия головного мозга in situ, но из-за технических требований и низкой производительности скрининга этот метод редко используется для скрининга соединений. Обычно используемые методы включают анализы in vitro, такие как PAMPA-BBB или исследования транспорта однослойных клеток, которые напоминают традиционные исследования абсорбционной проницаемости, но в большей степени отражают характеристики BBB. В исследованиях на ранней- стадии также можно использовать вычислительные модели, основанные на физико-химических свойствах, для прогнозирования проницаемости ГЭБ, что способствует оптимизации состава.

Наиболее распространенным методом определения связывания с белками является равновесный диализ гомогенатов плазмы и ткани головного мозга. Для соединений с сильным не-специфическим связыванием необходимо скорректировать время равновесия эксперимента, чтобы достичь истинного баланса и избежать систематической ошибки. Альтернативные методы включают Транзил и прогрессивный равновесный диализ. Исследования показали, что связывание с тканями головного мозга не зависит от вида или участка мозга, а это означает, что данные о связывании тканей головного мозга человека можно экстраполировать на основе данных одного-вида. Другие методы, такие как ультрацентрифугирование, микродиализ и методы срезов ткани головного мозга, также доступны в зависимости от конкретных потребностей.

Понимание факторов, влияющих на воздействие препаратов на ЦНС на мозг, и применение соответствующих исследовательских методологий имеют решающее значение для их разработки. Определение ключевых параметров для скрининга и оптимизации может помочь увеличить воздействие на мозг, избежать субстратов-переносчиков оттока и снизить системный клиренс, гарантируя, что лекарственное средство достигнет целевых участков в достаточном количестве для оказания терапевтического эффекта. Тем не менее, клиническая трансляция ФК препарата для ЦНС остается сложной, и будущие достижения могут опираться на более механистические модели, основанные на транспортерах ГЭБ и физиологических структурах, чтобы помочь в разработке лекарств для ЦНС.

Свяжитесь с Prisys Biotech