BREAKING THROUGH THE BBB: Some researchers are engineering bispecific antibodies (yellow and green molecules), with one arm serving to help the molecule cross the blood-brain barrier (BBB) while the other arm dictates the drug’s function in the brain.
COURTESY OF RYAN WATTS/GENENTECH. FROM SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICINE VOL 3, ISSUE 84 (25 MAY 2011). REPRINTED WITH PERMISSION FROM AAAS.

Когда невролог Ryan Watts говорит о рецепторами обеспечиваемом трансцитозе, то сравнивает его с музыкальным произведением. Он полагает, что прохождение молекулы через клеточную мембрану посредством ассистируемого рецептором пузырька является видом искусства и, что более важно, путём в головной мозг.

В 2004 Watts организовал программу по разработке антител против белкового фрагмента amyloid beta, компонента бляшек в головном мозге, ассоциированных с болезнью Alzheimer's. Его антитела были обнаружены, как захваченные blood-brain barrier (BBB), сетью плотных соединений между специализированными эндотелиальными клетками, выстилающими капилляры головного мозга, которые не позволяют чужеродным частицам проникать в головной мозг .

В действительности антитела могут проникать в головной мозг, но не очень эффективно. На каждую тысячу антител, инъецированных в кровь только одно может проникнуть в головной мозг, скорее всего, проскальзывая незамеченным в пузырьки, пересекающие барьер. К сожалению, такое драматическое снижение концентрации не позволяет исследователям разработать эффективное лекарство, поскольку использование высоких доз должно вызывать вредные эффекты в остальной части тела. "Мы нуждаемся в пути проникновения большего количества антител в головной мозг," говорит Watts.

Некоторые маленькие, растворимые в липидах лекарства пересекают BBB просто с помощью диффузии через клеточную мембрану, а др., подобно кофеину, проникают успешно посредством специализированных транспортных белков. Большинство более крупных молекул, таких как антитела и энзимы, однако, не могут проходить барьер за исключением использования иглы или катетра для прокалывания BBB с помощью грубой силы. Неудивительно, что такие методы часто приводят к опасным осложнениям, таким как инфекции и повреждения тканей. Итак, Watts вместе с Genentech биохимиком Mark Dennis, разработали более подходящее утонченное решение, позволяющее антителам пересекать BBB-рецепторами обеспечиваемый трансцитоз. Их успех удивил нейробиологов и привлек внимание фармакологической индустрии, которая прониклась страстным желанием идентифицировать новые пути проникновения через BBB.



"Two years ago, if you talked about the blood-brain barrier, you'd hear, 'Eh, okay, another failure.' People criticized all sorts of approaches, showing no interest," говорит Jean-Paul Castaigne, CEO of AngioChem, a Montreal-based биотехнолог компании, разрабатывающей лечение для болезней головного мозга. Сегодня, однако, "we are seeing a major shift," заявляет он. "As often happens, one starts and the others follow."

Ранние достижения Genentech's по прорыву BBB приоткрыли шлюзы. На сегодня пересечение барьера стало популярным для многочисленных компаний и академических подразделений придумывать разнообразные, созидательные и иногда откровенно психованные пути взламывания окошка с головной мозг. Действуя таким образом, они надеются доставлять лекарства, которые смогут лечить болезнь Альцгеймера, множественный склероз, болезнь Паркинсона и многие заболевания головного мозга, которые сегодня не поддаются.



A WEB OF VESSELS: The brain is replete with blood vessels-some 500 miles of them-but getting drugs from the blood into brain tissue is limited by the blood-brain barrier (BBB), comprised of tight junctions between the endothelial cells lining brain capillaries.

Чтобы успешно проникать в головной мозг для лечения болезни, Watts и Dennis чтобы одно плечо их антител тайком протаскивало лекарство в головной мозг путем соединения с transferrin рецептором эндотелиальных клеток BBB , которые обычно позволяют проходить железу. Оказавшись внутри головного мозга второе плечо антитла соединяется и ингибирует ?-secretase (BACE1), энзим, которые преобразует предшественник amyloid beta, тем самым выключает продукцию вредного фрагмента белка.

Но первые антитела, которые они разрабатывали, чтобы связывать рецепторы transferrin, были недостаточно успешными в пересечении барьера. Антитела оказывались задержанными внутри капилляров BBB, почти достигнув головного мозга, но неспособные отсоединиться от рецепторов, чтобы завершить свое терапевтическое предназначение-как если бы лифт, доставивший пассажиров на вершину лыжного склона, оказался неспособным открыться.

Исследователи были удивлены, что антитела с высоким сродством к рецепторам transferrin могут создавать проблемы. Что если, подумали они, антитела связывать с рецепторами более рыхло, так чтобы они могли свободно проходить и проникать в головной мозг? Они тестировали вращающиеся низкого сродства антитела и установили, что стратегия работает. Сегодня, антитела запрыгивают на верхушку подъемника для горнолыжников.

Сегодня Genentech, член Roche Group, проводит первичные исследования антител с двумя плечами и Watts надеется вскоре предложить терапию для клинических испытаний. "It looks really interesting," говорит он с непринужденным ликованием в голосе. "That's all I can say."

Также в поисках проходов через BBB находится AngioChem, которая разрабатывает др. подход, базирующийся на рецепторами обеспечиваемом трансцитозе. Вместо использования рецептора transferrin, однако, технология AngioChem's использует рецептор в BBB, наз. lipoprotein receptor-related protein, или LRP-1, разнородный белок, который соединяется более чем с 40 лигандами и может транспортировать молекулы до 700 kilodaltons по мол. весу-примерно в 4 раза размер больший антител -через BBB. Анализируя некоторые из LRP-1's лигандов, компания идентифицировала последовательность из 19 аминокислот, которые подобно почтовому коду, направляет посылку к месту предназначения. Сегодня компания добавляет последовательность zip-code к белкам и терапевтическим средствам, чтобы доставлять их посредством LRP-1 двери в головной мозг. Опытно экспериментальная установка компании-лечение рака головного мозга, которое комбинирует paclitaxel, часто используемое лекарство при раке головного мозга с пептидом почтового кода -сегодня находится в Phase 2 испытаний.

Нидерландская биотехнологическая компания в отношении BBB предпринимает др. рецепторный подход: сокрытие лекарств в небольшие шарики из липидов, наз. липосомами, затем декорируют эти липосомы молекулами glutathione (GSH), пептид с тремя зубцами, который быстро проникает в головной мозг посредством специализированных транспортеров. Характеристики этих транспортеров пока неизвестны, заявляет глава компании научн. сотр., Pieter Gaillard, но они эффективно транспортируют GSH-покрытые липосомы через BBB. Компания использует для лечения раковых опухолей головного мозга широко применяемое лекарство doxorubicin, которое недавно вступило в Phase 2 испытаний, и также активно пытается лечить множественный склероз и инсульты. "There's no limit of what you can get into a liposome," заявляет Gaillard. "We've gotten whole antibodies, enzymes, and other large molecules inside."

SPRINGING A LEAK: One strategy for allowing drugs to penetrate brain tissue is to create a semipermeable window into the brain by using nasal mucosa to patch a surgically introduced hole in the BBB. Here, fluorescent microscopic images of mouse brains demonstrate the increase in area and intensity of uptake of a fluorescent marker following the surgical procedure. PLoS ONE 8(4): e61694

Специалист по хирургии синусов из Massachusetts Eye and Ear Infirmary and Harvard Medical School in Boston, Benjamin Bleier часто ассистирует коллегам, которые проводятся для извлечения через нос опухолей головного мозга. Для этого он делает отверстие в выстилке головного мозга, через как BBB's сеть из кровеносных сосудов, так и через защитный барьер для спинномозговой жидкости, непосредственно выше полости синуса. "That part is easy. It's always easy to destroy tissue," говорит Bleier. "The part that is difficult is to close the hole." Однако в последние 7 лет Bleier с коллегами оптимизировали технику закрытия, используя для этого носовую выстилку самих пациентов, чтобы закрыть отверстие после извлечения опухоли.

В то же самое время исследование Bleier по доставке лекарств через нос показало, что носовая выстилка высоко проницаема для лекарств. Большинство местных и аэрозольных воздействий достигает кровотока через нос, включая лекарства от боли и тошноты и даже инсулин.

Однажды Bleier сложил два и два вместе. "On one hand, we had this very permeable barrier that allows a lot of drugs through in a very efficient matter. And here we are putting this barrier directly against the brain" чтобы залатать полость, говорит он. "We'd essentially created a large window in the blood-brain barrier. So could we use that to deliver drugs to the brain?"

В публикации этого года Bleier с коллегами осуществили носовую хирургию у мышей и затем вводили молекулы величиной до 500 kilodaltons-в 1,000 раз более крупные, чем те, что проникают через интактный BBB-через носовую выстилку. Теперь они осуществляют ту же самую процедуру на мышах, моделирующих болезнь Паркинсона, осуществляя экспериментальное лечение для нарушений двигательных нейронов.

Скептики опасаются, что создание постоянного отверстия в BBB подвергнет головной мозг риску инфекции, но Bleier замечает, что носовая выстилка вооружена иммунными клетками, чтобы защищаться от захватчиков, таких как бактерии и вирусы, и что мембраны, выстилающие клетки активно активно откачивают токсины, которые диффундируют в клетки. "It's a very active barrier, not just a fence," говорит он. Поэтому участки носовой выстилки не увеличивают для головного мозга риска инфекции. В самом деле, хирурги репарируют хирургические разрезы в головном мозге носовой выстилкой в течение многих лет и у пациентов не отмечается послеоперационных менингитов или др. инфекций головного мозга.