Farmakokinetické (PK) úvahy pre lieky na centrálny nervový systém (CNS).

V posledných rokoch so zvyšujúcou sa prevalenciou neurologických porúch, ako je Alzheimerova choroba, depresia, schizofrénia a Parkinsonova choroba, si vývoj liekov na CNS získal významnú pozornosť. Avšak v dôsledku nejasných mechanizmov ochorenia a problémov, ako je hematoencefalická{1} bariéra (BBB), miera úspešnosti vývoja liekov na CNS zostáva nízka. Tento článok poskytne prehľad relevantných teoretických poznatkov a metodológií výskumu liekov CNS z farmakokinetického (PK) hľadiska.

Ako je uvedené nižšie, BBB sa skladá z tesne zbalených mozgových kapilárnych endotelových buniek a neurogliálnych buniek, ktoré takmer úplne blokujú prechod zlúčenín cez paracelulárne dráhy alebo endocytózu. BBB tiež exprimuje efluxné transportéry, ako je P-glykoproteín (P-gp) a proteín rezistencie na rakovinu prsníka (BCRP), ktoré pumpujú väčšinu substrátov späť do krvného obehu. Preto väčšina malých molekúl preniká do mozgu primárne pasívnou difúziou cez lipidové membrány. Okrem toho je ďalšou významnou bariérou krv-cerebrospinálna bariéra (BCSFB). Zlúčeniny v krvi môžu priamo prechádzať cez BCSFB alebo po prechode cez BBB difundovať alebo byť prenášané do cerebrospinálnej tekutiny (CSF). Avšak P-gp vyjadrený v BCSFB môže pumpovať zlúčeniny späť do krvi, čím obmedzuje expozíciu mozgu.

Vzhľadom na ťažkosti pri prechode cez BBB sa skríning zlúčenín s priaznivou penetráciou do CNS v štúdiách in vitro alebo na zvieratách stáva kľúčovým. Kľúčový je výber vhodných parametrov, ktoré budú slúžiť ako hodnotiace kritériá. Bežne používané parametre zahŕňajú koncentráciu neviazaného liečiva v mozgu (Cbu), pomer mozgu -k-neviazanému liečivu v plazme (Kpuu alebo Cbu/Cpu), pomer celkovej koncentrácie liečiva v mozgu-k-v plazme (pomer B/P), frakciu neviazaného liečiva (fu), permeabilitu BBB (Papp) a pomer efluxu (ER).

Na základe hypotézy voľného liečiva, koncentrácia neviazaného liečiva v mozgu najlepšie odráža účinnú koncentráciu liečiva. V praktických podmienkach je však ťažké priamo merať koncentráciu neviazaného liečiva v mozgových bunkách. Pri absencii významných transportných účinkov sa ako náhradné parametre často používajú koncentrácie neviazaného liečiva v plazme, CSF alebo mozgovej intersticiálnej tekutine.

Kpuu je kľúčový parameter odrážajúci rovnováhu distribúcie zlúčenín medzi krvou a mozgom, integruje pasívnu difúziu a transportnú aktivitu. Keď sa Kpuu blíži k 1, znamená to požadované vlastnosti zlúčeniny, ako je dobrá priepustnosť a netransportné substráty. V tomto prípade môže plazmatická koncentrácia neviazaného liečiva slúžiť ako náhradný indikátor. Keď je Kpuu výrazne menšie ako 1, zlúčenina môže byť transportným substrátom alebo môže mať slabú priepustnosť, čo si vyžaduje štrukturálne modifikácie. Kpuu väčšie ako 1 môže naznačovať zapojenie aktívnych transportérov do procesu transmembránového transportu.

Hoci sa dá ľahko získať, pomer B/P môže zavádzať v chápaní penetrácie zlúčeniny do mozgu. V dôsledku rozdielov v neviazaných frakciách medzi plazmou a mozgom vysoký pomer B/P nemusí nevyhnutne znamenať vysokú koncentráciu neviazaného liečiva v mozgu a naopak. Pomer B/P je užitočný len pre hrubú stratifikáciu, elimináciu zlúčenín s extrémne nízkymi celkovými koncentráciami v mozgu, ale nie pre výber vynikajúcich zlúčenín CNS.

Neviazaná frakcia v plazme a mozgovom tkanive sa používa na premenu štandardných PK parametrov na neviazané parametre liečiva. Zatiaľ čo vyššie nenaviazané frakcie môžu indikovať vyššie účinné koncentrácie liečiva, zvýšené neviazané frakcie v plazme môžu tiež viesť k vyššej rýchlosti metabolizmu alebo eliminácie. Podobne vyššie neviazané frakcie v mozgovom tkanive môžu brániť pasívnej difúzii do mozgu. Preto fu nemôže typicky slúžiť ako primárny optimalizačný parameter a jeho hodnota nie je priamo spojená s účinnosťou.

Papp predstavuje rýchlosť pasívnej difúzie zlúčeniny cez BBB. Tento parameter sám o sebe však nie je rozhodujúci pri určovaní penetrácie do mozgu. Odráža iba rýchlosť, ktorou sa dosiahne rovnováha medzi plazmou a mozgom, ale neznamená vysokú absolútnu koncentráciu neviazaného liečiva v mozgu. Preto sa Papp môže použiť iba na odstránenie zlúčenín s extrémne zlou priepustnosťou BBB.

ER odráža silu aktivity efluxného transportéra počas penetrácie BBB. Aj keď priamo neuvádza koncentráciu zlúčeniny v mozgovom tkanive, môže slúžiť ako vylučovacie kritérium. V ideálnom prípade by lieky CNS nemali byť substrátmi efluxných transportérov, ako je P-gp alebo BCRP, pretože bránia dodaniu liečiva do cieľových miest a zvyšujú klinickú variabilitu PK. Toto je obzvlášť problematické pre zlúčeniny s úzkymi terapeutickými oknami, ktoré predstavujú riziká a komplikujú vývoj.

Štúdie na zvieratách sú najpriamejším a najúčinnejším prostriedkom na získanie koncentrácií in vivo v mozgovom tkanive, CSF a plazme. Vo všeobecnosti by sa druhy použité na PK skríning mali zhodovať s druhmi používanými na štúdie účinnosti a toxicity. Spôsob podávania je určený rozvojovými cieľmi. Postup je podobný ako pri konvenčných farmakokinetických štúdiách s dodatočnou pozornosťou na odber mozgového tkaniva alebo CSF. Výsledky by sa mali korigovať pomocou hodnôt fu stanovených in vitro pre plazmu a mozgové tkanivo, keďže CSF má nízky obsah bielkovín a nevyžaduje žiadnu korekciu. Pomer AUCbu/AUCpu predstavuje Kpuu, ktorý hodnotí schopnosť zlúčeniny prechádzať cez BBB. Porovnanie AUCcsf s AUCpu hodnotí distribúciu zlúčeniny v BCSFB, zatiaľ čo porovnanie AUCbu/AUCcsf ukazuje, či CSF môže slúžiť ako náhrada koncentrácie neviazaného liečiva v mozgovom tkanive, čím sa optimalizuje výskumný proces. Nevýhodou mozgových PK štúdií je relatívne vysoké využitie na zvieratách a nízka priepustnosť skríningu.

V porovnaní s inými liekmi zohrávajú štúdie transportérov významnejšiu úlohu vo výskume liekov CNS kvôli širokej substrátovej špecifickosti efluxných transportérov ako P-gp a BCRP, ktoré významne obmedzujú penetráciu do mozgu. Štúdie in vitro často používajú transfekované bunkové línie s vysokou expresiou P-gp alebo BCRP (napr. MDCK-MDR1 alebo MDCK-BCRP) na vysoko-výkonný skríning s primeranými hraničnými-hodnotami založenými na počte zlúčenín a stratégii skríningu. Druhové rozdiely v transportéroch však môžu viesť k nezrovnalostiam medzi údajmi o ľudských transportéroch in vitro a štúdiami na zvieratách in vivo, čo si občas vyžaduje použitie knockoutovaných zvieracích modelov (napr. myši MDR1a/1b alebo BCRP KO), hoci tento prístup je nákladný a menej predvída aktivitu ľudského transportéra.

Zlatým štandardom na štúdium permeability BBB je perfúzia mozgu in situ, ale kvôli technickým požiadavkám a nízkej priepustnosti skríningu sa táto metóda zriedka používa na skríning zlúčenín. Bežne používané metódy zahŕňajú testy in vitro, ako sú PAMPA-BBB alebo jednovrstvové štúdie bunkového transportu, ktoré sa podobajú konvenčným štúdiám absorpčnej permeability, ale viac odrážajú charakteristiky BBB. Štúdie v ranom štádiu- môžu tiež použiť výpočtové modely založené na fyzikálno-chemických vlastnostiach na predpovedanie priepustnosti BBB, čo napomáha optimalizácii zlúčeniny.

Najbežnejšou metódou na stanovenie väzby na proteíny je rovnovážna dialýza homogenátov plazmy a mozgového tkaniva. Pre zlúčeniny so silnou nešpecifickou väzbou je potrebné upraviť rovnovážny čas experimentu, aby sa dosiahla skutočná rovnováha a zabránilo sa skresleniu. Alternatívne metódy zahŕňajú Transil a progresívnu rovnovážnu dialýzu. Štúdie ukázali, že väzba mozgového tkaniva je nezávislá od druhu alebo oblastí mozgu, čo znamená, že údaje o väzbe ľudského mozgového tkaniva možno extrapolovať z údajov o jednom-druhoch. Na základe špecifických potrieb sú k dispozícii aj iné metódy, ako je ultracentrifugácia, mikrodialýza a metódy rezov mozgového tkaniva.

Pochopenie faktorov ovplyvňujúcich vystavenie mozgu liekom CNS a aplikácia vhodných metodológií výskumu sú rozhodujúce pre ich vývoj. Identifikácia kľúčových parametrov pre skríning a optimalizáciu môže pomôcť zvýšiť expozíciu mozgu, vyhnúť sa efluxným transportným substrátom a znížiť systémový klírens, čím sa zabezpečí, že dostatočné množstvo liečiva dosiahne cieľové miesta na uplatnenie terapeutických účinkov. Klinická translácia PK liečiva CNS však zostáva náročná a budúci pokrok sa môže opierať o mechanickejšie modely založené na transportéroch BBB a fyziologických štruktúrach, ktoré pomôžu vývoju liečiva CNS.

Kontaktujte Prisys Biotech