Молекулярные механизмы транспорта веществ через гематоэнцефалический барьер как мишени для фармакологического воздействия. Часть 2. Современные способы доставки фармакологических агентов в центральную нервную систему

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Одной из нерешенных проблем на пути совершенствования фармакотерапии заболеваний ЦНС является разработка и создание технологий, позволяющих лекарствам преодолевать гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). В обзоре обсуждаются современные методы доставки лекарственных веществ в ЦНС. Показаны преимущества и недостатки основных фармакологических стратегий прямого преодоления ГЭБ и альтернатива этому. Рассмотрены новые методы доставки лекарств в мозг с повреждением (физические, химические и др.) и без нарушений структуры гематоэнцефалического барьера (малые молекулы, клеточно-опосредованный транспорт, стволовые клетки). Обсуждены перспективы использования искусственных наноразмерных транспортеров лекарств. Показана перспективность альтернативной стратегии фармакологического воздействия на структуры ЦНС (интраназальный путь). Рассмотрены возможные механизмы воздействия фармакологических агентов на структуры ЦНС в обход ГЭБ.

Об авторах

Мария Владимировна Литвинова

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации; Институт экспериментальной медицины

Автор, ответственный за переписку.
Email: litvinova-masha@bk.ru

аспирант отдела нейрофармакологии РАМН им. С. В. Аничкова, лаборант кафедры физиологии и патологии

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Александр Николаевич Трофимов

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации; Институт экспериментальной медицины

Email: alexander.n.trofimov@gmail.com

канд. биол. наук., старший научный сотрудник физиологического отдела им. И. П. Павлова, доцент кафедры физиологиии патологии

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Петр Дмитриевич Шабанов

Институт экспериментальной медицины

Email: pdshabanov@mail.ru

д-р мед. наук., профессор, заведующий отделом нейрофармакологии РАМН им. С. В. Аничкова

Россия, Санкт-Петербург

Андрей Андреевич Лебедев

Институт экспериментальной медицины

Email: aalebedev-iem@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-0297-0425
SPIN-код: 4998-5204

д-р биол. наук., профессор, заведующий лабораторией общей фармакологии, отдел нейрофармакологии им. академика РАМН им. С. В. Аничкова

Россия, Санкт-Петербург

Евгений Рудольфович Бычков

Институт экспериментальной медицины

Email: bychkov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8911-6805
SPIN-код: 9408-0799

канд. мед. наук., старший научный сотрудник отдела нейрофармакологии РАМН им. С. В. Аничкова

Россия, Санкт-Петербург

Николай Анатольевич Арсениев

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: nikolay.arseniev@pharminnotech.com
SPIN-код: 9038-7623

канд. биол. наук, доцент кафедры физиологии и патологии

Россия, Санкт-Петербург

Александр Иванович Тюкавин

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: alexander.tukavin@pharminnotech.com
SPIN-код: 8476-5366

д-р мед. наук, профессор, заведующий кафедрой физиологии и патологии

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Terstappen G. C., Meyer A. H., Bell R. D., Zhang W. Strategies for delivering therapeutics across the blood-brain barrier. Nat Rev Drug Discov. 2021 May;20 (5): 362–383. doi: 10.1038/s41573-021-00139-y. Epub 2021 Mar 1. PMID: 33649582.
  2. Gandhi K., Barzegar-Fallah A., Banstola A., Rizwan S. B., Reynolds J. N. J. Ultrasound-Mediated Blood-Brain Barrier Disruption for Drug Delivery: A Systematic Review of Protocols, Efficacy, and Safety Outcomes from Preclinical and Clinical Studies. Pharmaceutics. 2022 Apr 11;14(4):833. doi: 10.3390/pharmaceutics14040833. PMID: 35456667; PMCID: PMC9029131.
  3. Frim D. M., Uhler T. A., Galpern W. R., Beal M. F., Breakefield X. O., Isacson O. Implanted fibroblasts genetically engineered to produce brain-derived neurotrophic factor prevent 1-methyl-4-phenylpyridinium toxicity to dopaminergic neurons in the rat. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1994;91:5104–5108. doi: 10.1073/pnas.91.11.5104.
  4. Pardridge W. M. The Blood-Brain Barrier: Bottleneck in Brain Drug Development. NeuroRx. 2005;2:3–14. doi: 10.1602/neurorx.2.1.3. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] [Ref list]
  5. Aryal M., Arvanitis C. D., Alexander P. M., McDannold N. Ultrasound-mediated blood-brain barrier disruption for targeted drug delivery in the central nervous system. Adv. Drug Deliv. Rev. 2014;72:94–109. doi: 10.1016/j.addr.2014.01.008.
  6. Abrahao A., Meng Y., Llinas M., Huang Y., Hamani C., Mainprize T., Aubert I., Heyn C., Black S. E., Hynynen K., et al. First-in-human trial of blood-brain barrier opening in amyotrophic lateral sclerosis using MR-guided focused ultrasound. Nat. Commun. 2019;10:4373. doi: 10.1038/s41467-019-12426-9.
  7. Goldwirt L., Canney M., Horodyckid C., Poupon J., Mourah S., Vignot A., Chapelon J. Y., Carpentier A. Enhanced brain distribution of carboplatin in a primate model after blood-brain barrier disruption using an implantable ultrasound device. Cancer Chemother. Pharmacol. 2016;77: 211–216. doi: 10.1007/s00280-015-2930-5.
  8. Lipsman N., Meng Y., Bethune A. J., Huang Y., Lam B., Masellis M., Herrmann N., Heyn C., Aubert I., Boutet A., et al. Blood-brain barrier opening in Alzheimer’s disease using MR-guided focused ultrasound. Nat. Commun. 2018;9:2336. doi: 10.1038/s41467-018-04529-6.
  9. Mainprize T., Lipsman N., Huang Y., Meng Y., Bethune A., Ironside S., Heyn C., Alkins R., Trudeau M., Sahgal A., et al. Blood-Brain Barrier Opening in Primary Brain Tumors with Non-invasive MR-Guided Focused Ultrasound: A Clinical Safety and Feasibility Study. Sci. Rep. 2019;9:321. doi: 10.1038/s41598-018-36340-0.
  10. Dauba A., Delalande A., Kamimura H. A. S., Conti A., Larrat B., Tsapis N., Novell A. Recent Advances on Ultrasound Contrast Agents for Blood-Brain Barrier Opening with Focused Ultrasound. Pharmaceutics. 2020 Nov 21;12(11):1125. doi: 10.3390/pharmaceutics12111125. PMID: 33233374; PMCID: PMC7700476.
  11. Kovacs Z. I., Kim S., Jikaria N., Qureshi F., Milo B., Lewis B. K., Bresler M., Burks S. R., Frank J. A. Disrupting the blood-brain barrier by focused ultrasound induces sterile inflammation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2017;114: E75–E84. doi: 10.1073/pnas.1614777114.
  12. Tsai H. C., Tsai C. H., Chen W. S., Inserra C., Wei K. C., Liu H. L. Safety evaluation of frequent application of microbubble-enhanced focused ultrasound blood-brain-barrier opening. Sci. Rep. 2018; 8:17720. doi: 10.1038/s41598-018-35677-w.
  13. Morad G., Carman C. V., Hagedorn E. J., Perlin J. R., Zon L. I., Mustafaoglu N., Park T. E., Ingber D. E, Daisy C. C., Moses M. A. Tumor-Derived Extracellular Vesicles Breach the Intact Blood-Brain Barrier via Transcytosis. ACS Nano. 2019 Dec 24;13(12):13853–13865. doi: 10.1021/acsnano.9b04397. Epub 2019 Sep 10. PMID: 31479239; PMCID: PMC7169949.
  14. Патология / А. И. Тюкавин, А. Г. Васильев, Т. Д. Власов [и др.]. – Москва: Общество с ограниченной ответственностью «Научно-издательский центр ИНФРА-М», 2020. – 844 с. – (Высшее образование: Специалитет). – ISBN978-5-16-016260-7. – doi: 10.12737/1090595.
  15. Whelan R., Hargaden G. C., Knox A. J. S. Modulating the Blood-Brain Barrier: A Comprehensive Review. Pharmaceutics. 2021 Nov 22;13(11):1980. doi: 10.3390/pharmaceutics13111980. PMID: 34834395; PMCID: PMC8618722.
  16. Haney M. J., Zhao Y., Harrison E. B., Mahajan V., Ahmed S., He Z., Suresh P., Hingtgen S. D., Klyachko N. L., Mosley R. L., Gendelman H. E., Kabanov A. V., Batrakova E. V. Specific transfection of inflamed brain by macrophages: a new therapeutic strategy for neurodegenerative diseases. PLoS One. 2013 Apr 19;8(4): e61852. doi: 10.1371/journal.pone.0061852. PMID: 23620794; PMCID: PMC3631190.
  17. Patil S. M., Sawant S. S., Kunda N. K. Exosomes as drug delivery systems: A brief overview and progress update. Eur J Pharm Biopharm. 2020 Sep;154: 259–269. doi: 10.1016/j.ejpb.2020.07.026. Epub 2020 Jul 25. PMID: 32717385.
  18. Lo Furno D., Mannino G., Giuffrida R. Functional role of mesenchymal stem cells in the treatment of chronic neurodegenerative diseases. Journal of Cellular Physiology. 2018;233(5):3982–3999. doi: 10.1002/jcp.26192.; Salem N. A. Mesenchymal stem cell based therapy for Parkinson’s disease. International Journal of Stem Cell Research & Therapy. 2019;6(1): p. 62. doi: 10.23937/2469-570x/1410062
  19. Chia Y. C., Anjum C. E., Yee H. R., Kenisi Y., Chan M. K. S., Wong M. B. F., Pan S. Y. Stem Cell Therapy for Neurodegenerative Diseases: How Do Stem Cells Bypass the Blood-Brain Barrier and Home to the Brain? Stem Cells Int. 2020 Sep 4;2020:8889061. doi: 10.1155/2020/8889061. PMID: 32952573; PMCID: PMC7487096
  20. Soper B. W., Duffy T. M., Lessard M. D., Jude C. D., Schuldt A. J., Vogler C. A., Levy B., Barker J. E. Transplanted ER-MP12hi20–58med/hi myeloid progenitors produce resident macrophages from marrow that are therapeutic for lysosomal storage disease. Blood Cells Mol Dis. 2004 Jan-Feb;32(1):199–213. doi: 10.1016/j.bcmd.2003.09.003. PMID: 14757436.
  21. Bulbake U., Doppalapudi S., Kommineni N., Khan W. Liposomal Formulations in Clinical Use: An Updated Review. Pharmaceutics. 2017;9:12. doi: 10.3390/pharmaceutics9020012.
  22. Yetisgin A. A., Cetinel S., Zuvin M., Kosar A., Kutlu O. Therapeutic Nanoparticles and Their Targeted Delivery Applications. Molecules. 2020;25:2193. doi: 10.3390/molecules25092193.
  23. Teleanu R. I., Preda M. D., Niculescu A. G., Vladâcenco O., Radu C. I., Grumezescu A. M., Teleanu D. M. Current Strategies to Enhance Delivery of Drugs across the Blood-Brain Barrier. Pharmaceutics. 2022 May 4;14(5):987. doi: 10.3390/pharmaceutics14050987. PMID: 35631573; PMCID: PMC9145636.
  24. Loyse A., Thangaraj H., Easterbrook P., Ford N., Roy M., Chiller T., Govender N., Harrison T.S., Bicanic T. Cryptococcal meningitis: Improving access to essential antifungal medicines in resource-poor countries. Lancet Infect. Dis. 2013;13:629–637. doi: 10.1016/S1473-3099(13)70078-1.
  25. Yetisgin A. A., Cetinel S., Zuvin M., Kosar A., Kutlu O. Therapeutic Nanoparticles and Their Targeted Delivery Applications. Molecules. 2020; 25:2193. doi: 10.3390/molecules25092193.
  26. Hersh A. M., Alomari S., Tyler B. M. Crossing the Blood-Brain Barrier: Advances in Nanoparticle Technology for Drug Delivery in Neuro-Oncology. Int J Mol Sci. 2022 Apr 9;23(8):4153. doi: 10.3390/ijms23084153. PMID: 35456971; PMCID: PMC9032478
  27. Mitchell M. J., Billingsley M. M., Haley R. M., Wechsler M. E., Peppas N. A., Langer R. Engineering precision nanoparticles for drug delivery. Nat. Rev. Drug Discov. 2021;20:101–124. doi: 10.1038/s41573-020-0090-8.
  28. Thorne R. G., Pronk G. J., Padmanabhan V., Frey W. H. Delivery of insulin-like growth factor-I to the rat brain and spinal cord along olfactory and trigeminal pathways following intranasal administration. Neuroscience. 2004;127: 481–496. doi: 10.1016/j.neuroscience.2004.05.029.
  29. Mitusova K., Peltek O. O., Karpov T. E., Muslimov A. R., Zyuzin M. V., Timin A. S. Overcoming the blood-brain barrier for the therapy of malignant brain tumor: current status and prospects of drug delivery approaches. J Nanobiotechnology. 2022 Sep 15;20(1): 412. doi: 10.1186/s12951-022-01610-7. PMID: 36109754; PMCID: PMC9479308.
  30. Lochhead J. J., Wolak D. J., Pizzo M. E., Thorne R. G. Rapid transport within cerebral perivascular spaces underlies widespread tracer distribution in the brain after intranasal administration. J Cereb Blood Flow Metab. 2015 Mar;35(3):371–81. doi: 10.1038/jcbfm.2014.215. Epub 2014 Dec 10. PMID: 25492117; PMCID: PMC4348383.
  31. Lochhead J. J., Thorne R. G. Intranasal delivery of biologics to the central nervous system. Adv Drug Deliv Rev. 2012 May 15;64(7):614–28. doi: 10.1016/j.addr.2011.11.002. Epub 2011 Nov 15. PMID: 22119441.
  32. Knox E. G., Aburto M. R., Clarke G., Cryan J. F., O’Driscoll C. M. The blood-brain barrier in aging and neurodegeneration. Mol Psychiatry. 2022 Jun;27(6):2659–2673. doi: 10.1038/s41380-022-01511-z. Epub 2022 Mar 31. PMID: 35361905; PMCID: PMC9156404.
  33. National Center for Biotechnology Information PubChem Patent Summary for WO9107947-A1. [(accessed on 16 April 2022)]; Available online: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/patent/WO-9107947-A1. Дата обращения: ноябрь 2022 30.
  34. Costa C. P., Moreira J. N., Sousa Lobo J. M., & Silva A. C. (2021). Intranasal delivery of nanostructured lipid carriers, solid lipid nanoparticles and nanoemulsions: A current overview of in vivo studies. Acta pharmaceutica Sinica. B, 11(4), 925–940. https://doi.org/10.1016/j.apsb.2021.02.012
  35. Rompicherla S. K. L., Arumugam K., Bojja S. L., Kumar N., Rao C. M. Pharmacokinetic and pharmacodynamic evaluation of nasal liposome and nanoparticle based rivastigmine formulations in acute and chronic models of Alzheimer’s disease. NaunynSchmiedeberg’s Arch. Pharmacol. 2021;394:1737–1755. doi: 10.1007/s00210-021-02096-0.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Способы доставки веществ через гематоэнцефалический барьер

Скачать (167KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Механизм модуляции гематоэнцефалического барьера сфокусированным ультразвуком. Схематическое изображение нескольких механизмов разрушения ГЭБ: стабильная кавитация вызывает механизм выталкивания (а) и вытягивания (b) микропотоков (c), которые могут безопасно преодолевать гематоэнцефалический барьер. Инерционная кавитация вызывает микроструйное (г) дробление (д) и ударную волну (е), которые могут увеличить риск повреждения ГЭБ [10]

Скачать (252KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Межклеточные взаимодействия посредством экстравезикул [14]

Скачать (530KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Стволовые клетки в период внутриутробного развития

Скачать (286KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Перспективные транспортные механизмы липосом для преодоления ГЭБ

Скачать (244KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Внеклеточный механизм доставки веществ при интраназальном введении

Скачать (71KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Внутриклеточный механизм доставки веществ при интраназальном введении

Скачать (41KB)
Метаданные

© Литвинова М.В., Трофимов А.Н., Шабанов П.Д., Лебедев А.А., Бычков Е.Р., Арсениев Н.А., Тюкавин А.И., 2022

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах