Farmakokinetiske (PK) overvejelser for lægemidler til centralnervesystemet (CNS).

I de senere år, med den stigende udbredelse af neurologiske lidelser såsom Alzheimers sygdom, depression, skizofreni og Parkinsons sygdom, har udviklingen af ​​CNS-lægemidler fået betydelig opmærksomhed. Men på grund af uklare sygdomsmekanismer og udfordringer såsom blod-hjernebarrieren (BBB), er succesraten for CNS-lægemiddeludvikling fortsat lav. Denne artikel vil give et overblik over den relevante teoretiske viden og forskningsmetodologier for CNS-lægemidler fra et farmakokinetisk (PK) perspektiv.

Som vist nedenfor er BBB sammensat af tætpakkede hjernekapillære endotelceller og neurogliaceller, som næsten helt blokerer forbindelser i at krydse via paracellulære veje eller endocytose. BBB udtrykker også efflux-transportører såsom P-glycoprotein (P-gp) og brystkræftresistensprotein (BCRP), som pumper de fleste substrater tilbage i blodbanen. Derfor trænger de fleste små molekyler ind i hjernen primært gennem passiv diffusion over lipidmembranerne. Derudover er blod-cerebrospinalvæskebarrieren (BCSFB) en anden væsentlig barriere. Forbindelser i blodet kan direkte krydse BCSFB eller, efter at have krydset BBB, diffundere eller føres ind i cerebrospinalvæsken (CSF). Imidlertid kan P-gp udtrykt ved BCSFB pumpe forbindelser tilbage i blodet, hvilket begrænser hjerneeksponering.

I betragtning af vanskeligheden ved at krydse BBB, bliver screening af forbindelser med gunstig CNS-penetration i in vitro- eller dyreforsøg afgørende. At vælge passende parametre til at tjene som evalueringskriterier er nøglen. Almindeligt anvendte parametre omfatter ubundet lægemiddelkoncentration i hjernen (Cbu), hjernens-til-plasma ubundet lægemiddelforhold (Kpuu eller Cbu/Cpu), hjernens-til-total lægemiddelkoncentrationsforhold (B/P-forhold), ubundet lægemiddelfraktion (fu), permeabilitet (Papp) og effluxforhold (ER).

Baseret på hypotesen om frit lægemiddel afspejler den ubundne lægemiddelkoncentration i hjernen bedst den effektive lægemiddelkoncentration. Det er imidlertid vanskeligt direkte at måle den ubundne lægemiddelkoncentration i hjerneceller under praktiske forhold. I fravær af signifikante transporteffekter bruges ubundne lægemiddelkoncentrationer i plasma, CSF eller hjerneinterstitiel væske ofte som erstatningsparametre.

Kpuu er en nøgleparameter, der afspejler fordelingsligevægten af ​​forbindelser mellem blod og hjerne, der integrerer passiv diffusion og transportøraktivitet. Når Kpuu nærmer sig 1, indikerer det ønskelige sammensatte egenskaber, såsom god permeabilitet og ikke-transportørsubstrater. I dette tilfælde kan plasmakoncentrationen af ​​ubundet lægemiddel tjene som en surrogatindikator. Når Kpuu er signifikant mindre end 1, kan forbindelsen være et transportørsubstrat eller have dårlig permeabilitet, hvilket nødvendiggør strukturelle modifikationer. En Kpuu større end 1 kan indikere involvering af aktive transportører i den transmembrane transportproces.

Selvom det er let at opnå, kan B/P-forholdet vildlede forståelsen af ​​en forbindelses hjernepenetration. På grund af forskelle i de ubundne fraktioner mellem plasma og hjerne, betyder et højt B/P-forhold ikke nødvendigvis en høj koncentration af ubundet lægemiddel i hjernen og omvendt. B/P-forholdet er kun nyttigt til grov stratificering, hvilket eliminerer forbindelser med ekstremt lave samlede hjernekoncentrationer, men ikke til at vælge overlegne CNS-forbindelser.

Den ubundne fraktion i plasma og hjernevæv bruges til at konvertere standard PK-parametre til ubundne lægemiddelparametre. Mens højere ubundne fraktioner kan indikere højere effektive lægemiddelkoncentrationer, kan øgede plasma ubundne fraktioner også føre til højere metabolisme eller eliminationshastigheder. Tilsvarende kan højere ubundne fraktioner i hjernevæv hindre passiv diffusion ind i hjernen. Derfor kan fu typisk ikke fungere som en primær optimeringsparameter, og dens værdi er ikke direkte forbundet med effektivitet.

Papp repræsenterer hastigheden af ​​passiv diffusion af en forbindelse over BBB. Denne parameter alene er dog ikke afgørende for at bestemme hjernepenetration. Det afspejler blot den hastighed, hvormed ligevægt mellem plasma og hjerne opnås, men indebærer ikke en høj absolut koncentration af ubundet lægemiddel i hjernen. Derfor kan Papp kun bruges til at fjerne forbindelser med ekstrem dårlig BBB-permeabilitet.

ER afspejler styrken af ​​effluxtransportøraktivitet under BBB-penetration. Selvom det ikke direkte indikerer koncentrationen af ​​en forbindelse i hjernevæv, kan det tjene som et udelukkelseskriterium. Ideelt set bør CNS-lægemidler ikke være substrater for efflux-transportører som P-gp eller BCRP, da de hindrer lægemiddellevering til målsteder og øger den kliniske PK-variabilitet. Dette er især problematisk for forbindelser med snævre terapeutiske vinduer, hvilket udgør risici og komplicerer udvikling.

Dyreforsøg er det mest direkte og effektive middel til at opnå in vivo-koncentrationer i hjernevæv, CSF og plasma. Generelt bør de arter, der anvendes til PK-screening, stemme overens med dem, der anvendes til undersøgelser af effektivitet og toksicitet. Administrationsvejen er bestemt af udviklingsmålene. Proceduren ligner konventionelle farmakokinetiske undersøgelser, med yderligere opmærksomhed på opsamling af hjernevæv eller CSF. Resultater bør korrigeres ved hjælp af in vitro-bestemte fu-værdier for plasma og hjernevæv, da CSF har lavt proteinindhold og ikke kræver nogen korrektion. AUCbu/AUCpu-forholdet repræsenterer Kpuu, som evaluerer en forbindelses evne til at krydse BBB. Sammenligning af AUCcsf med AUCpu vurderer forbindelsens fordeling på tværs af BCSFB, mens AUCbu/AUCcsf sammenligningen indikerer, om CSF kan tjene som en proxy for ubundet lægemiddelkoncentration i hjernevæv, hvilket optimerer forskningsprocessen. Ulempen ved hjerne-PK-undersøgelser er den relativt høje dyreanvendelse og lave screeningsgennemstrømning.

Sammenlignet med andre lægemidler spiller transportørundersøgelser en mere signifikant rolle i CNS-lægemiddelforskning på grund af den brede substratspecificitet af effluxtransportører som P-gp og BCRP, som signifikant begrænser hjernepenetration. In vitro-undersøgelser bruger ofte transficerede cellelinjer med høje P-gp- eller BCRP-ekspression (f.eks. MDCK-MDR1 eller MDCK-BCRP) til screening med høj-gennemstrømning, med rimelige cut--værdier baseret på stoffets antal og screeningsstrategi. Imidlertid kan artsforskelle i transportører føre til uoverensstemmelser mellem in vitro humane transportørdata og in vivo dyreforsøg, hvilket lejlighedsvis nødvendiggør brugen af ​​knockout-dyremodeller (f.eks. MDR1a/1b eller BCRP KO-mus), selvom denne tilgang er dyr og mindre forudsigelig for menneskelig transportøraktivitet.

Guldstandarden for undersøgelse af BBB-permeabilitet er in situ hjerneperfusion, men på grund af tekniske krav og lav screeninggennemstrømning bruges denne metode sjældent til sammensat screening. Almindelig anvendte metoder omfatter in vitro-assays såsom PAMPA-BBB eller enkeltlags-celletransportundersøgelser, som minder om konventionelle absorptionspermeabilitetsundersøgelser, men som mere afspejler BBB-karakteristika. Undersøgelser i tidlige-stadier kan også bruge beregningsmodeller baseret på fysisk-kemiske egenskaber til at forudsige BBB-permeabilitet, hvilket hjælper sammensætningsoptimering.

Den mest almindelige metode til bestemmelse af proteinbinding er ligevægtsdialyse af plasma- og hjernevævshomogenater. For forbindelser med stærk ikke-specifik binding er det nødvendigt at justere eksperimentets ligevægtstid for at opnå ægte balance og undgå bias. Alternative metoder omfatter Transil og progressiv ligevægtsdialyse. Undersøgelser har vist, at hjernevævsbinding er uafhængig af arter eller hjerneregioner, hvilket betyder, at menneskelig hjernevævsbindingsdata kan ekstrapoleres fra enkelt-artsdata. Andre metoder såsom ultracentrifugering, mikrodialyse og hjernevævsskivemetoder er også tilgængelige baseret på specifikke behov.

Forståelse af de faktorer, der påvirker hjerneeksponering af CNS-lægemidler, og anvendelse af passende forskningsmetoder er afgørende for deres udvikling. Identifikation af nøgleparametre til screening og optimering kan hjælpe med at øge hjerneeksponering, undgå effluxtransportersubstrater og reducere systemisk clearance, hvilket sikrer, at tilstrækkeligt med lægemiddel når målsteder til at udøve terapeutiske effekter. Imidlertid er den kliniske oversættelse af CNS-lægemiddel PK fortsat udfordrende, og fremtidige fremskridt kan stole på mere mekanistiske modeller baseret på BBB-transportører og fysiologiske strukturer for at hjælpe CNS-lægemiddeludviklingen.

Kontakt Prisys Biotech