Molecular mechanisms of transport of substances across the blood-brain barrie as targets for pharmacological action. Part 2. Modern methods of delivery of pharmacological agents to the central nervous system

Full Text

СОКРАЩЕНИЯ:

АГ – алкилглицеролы; ГЭБ – гематоэнцефалический барьер; КИ – клинические испытания; ЛП – лекарственный препарат; ЦНС – центральная нервная система.

ВВЕДЕНИЕ

Самыми распространенными видами патологии центральной нервной системы (ЦНС) в мире являются: болезнь Альцгеймера, эпилепсия, паркинсонизм, рассеянный энцефаломиелит, детский церебральный паралич. Современными американскими исследователями установлено, что только на долю болезни Альцгеймера приходится около 60% всех случаев слабоумия (деменции) в странах ЕС и Северной Америки. Общемировая заболеваемость на 2006 год этим типом слабоумия составляла 26,6 млн человек, а к 2050 году число больных может вырасти вчетверо. По данным Росстата (2017) в Российской Федерации количество пациентов неврологического профиля, в том числе с заболеваниями центральной нервной системы, с начала XXI века практически не изменилось.

Население Земли ежедневно увеличивается более, чем на 250 тысяч человек, при этом, по данным Центра демографии и экологии человека, люди старше 60 лет – самая быстрорастущая группа населения. Устойчивая тенденция увеличения больных с актуальной патологией ЦНС в странах с высокой продолжительностью жизни населения является важным фактором ускорения разработок и получения инновационных лекарственных препаратов для неврологии и психиатрии. Вместе с тем, в медицине наблюдается несколько парадоксальная ситуация, когда количество перспективных фармакологических агентов, способных корригировать расстройства нервно-психической сферы человека в пожилом и старческом возрасте, непрерывно растет, в то время как число лекарственных препаратов, оказывающих выраженный терапевтический эффект на течение хронических заболеваний ЦНС существенно, не увеличивается.

Одним из препятствий на пути повышения результативности лечения пациентов психоневрологического профиля, является нерешенность проблемы лекарственного преодоления гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). ГЭБ – это морфофункциональная система, отделяющая структуры ЦНС от крови и содержащихся в ней веществ (в том числе лекарств). Барьер имеет сложную морфофункциональную организацию и обладает высокой транспортной избирательностью, что существенно ограничивает возможности лекарственной терапии заболеваний спинного и головного мозга (Марьянович А. Т., 2014; 2020; Трофимов А. Н., Литвинова М. А., Шварц А. П. и др., 2022). Многолетние попытки исследователей создать оптимальную систему доставки лекарств в ЦНС завершились признанием того, что в настоящее время проблема фармакотерапии патологии ЦНС – создание лекарственных препаратов, преодолевающих ГЭБ или вызывающих лечебные эффекты в ЦНС без участия этого барьера (в обход), далека от своего разрешения [1].

В настоящее время в мире проводятся комплексные научно-исследовательские и конструкторские разработки, направленные на создание лекарственных форм и систем, обеспечивающих доставку сложных молекулярных фармакологических агентов в различные структуры ЦНС. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты в таких биофармацевтических компания как Biogen. Был создан Адуканумаб – первый препарат в США за последние 18 лет, одобренный FDA для лечения болезни Альцгеймера. Российская биофармацевтическая компания Биокад интенсивно работает в направлении получения оригинальных препаратов для лечения этого вида патологии. Однако по-прежнему большинство инновационных препаратов не доходят до конца клинических исследований (Соланезумаб (Eli Lilly), Бапинейзумаб (Pfizer), Гантенерумаб (Johnson&Johnson, Roche), Верубецестат (AstraZeneca) и многие другие).

Основные этапы решения проблемы доставки ЛС в ЦНС. Интенсивные разработки систем доставки лекарств в мозг ведутся с начала 80-х годов прошлого столетия. Были созданы первые инвазивные методы введения препаратов в ткань мозга, а также физические методы повышения проницаемости ГЭБ для лекарственных средств [2]. Для доставки препаратов в ЦНС использовали внутримозговые имплантаты, в том числе полимеры или генноинженерные фибробласты, которые защищают нейроны от гибели, вызванной механизмами, подобные тем, которые, как считается, возникают при нейродегенеративных расстройствах человека [3]. Применялись абсорбтивные методы доставки лекарств – катионные векторы, с помощью которых катионизированный альбумин, в отличие от нативного белка, быстро поступал в спинномозговую жидкость (ЦСЖ) из крови. В качестве еще одной системы доставки был предложен рецептор-опосредованный трансцитоз рецепторных лигандов через ГЭБ. Клетки имеют большое количество рецепторов для захвата лиганд различных молекул, включая гормоны, факторы роста, энзимы и белки плазмы. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз играет важную роль в транспортных функциях ГЭБ и работает селективно для определенных веществ, например, инсулина, лептина и других веществ.

Первые нанотехнологические разработки в области систем доставки лекарств в мозг были связаны с липосомами, наночастицами, а также с дендримерами – полимерами с контролируемыми физическими и химическими параметрами. С целью повышения проницаемости ГЭБ для микропузырьков использовали фокусированные ультразвуковые воздействия (ФУЗ). Временное повышение проницаемости ГЭБ у человека было достигнуто путем внутрикаротидного введения гипертонических растворов маннитола [3] или аналогов брадикинина [4] в сонную артерию (внутрикаротидная инъекция). Однако в силу повышенной опасности такой манипуляции и невозможности многократного применения этот метод в клинической практике себя не нашел.

Современные фармакологические стратегии прямого преодоления ГЭБ. В начале текущего столетия вновь предпринимались попытки воздействовать на структуры ЦНС для прямого преодоления ГЭБ или каким-либо альтернативным способом (в обход этой структуры).

Доставка лекарств в мозг с нарушением структуры гематоэнцефалического барьера. Для преодоления ГЭБ были созданы системы, обеспечивающие непродолжительное проникновение ЛС в ЦНС. В их основу были положены химические и физические воздействия, которые изменяли структурно-функциональную организацию барьера в направлении повышения его проницаемости для лекарств.

Химические воздействия на гематоэнцефалический барьер осуществляли внутрикаротидным (через сонные артерии) введение веществ (лейкотриен С4, брадикинин и др.), аналогов медиаторов воспаления. Общим эффектом медиаторов воспаления является их способность временно повышать проницаемость ГЭБ. Учитывая это, становится ясно, почему разработка синтетических производных этих биомолекул представляет интерес для доставки лекарств в ЦНС. Компания Alkermes разработала пептидное производное брадикинина (RMP-7 (Cereport)), которое нацелено на рецептор брадикинина B2. Благодаря особенностям своего химического строения и неионным амфифильным свойствам, RMP-7 быстро встраиваются в мембрану эндотелиальных клеток микрососудов мозга, вызывая повышенную проницаемость ГЭБ в течение 3–15 мин. С помощью другого химического агента – пептида кининовой группы – брадикинина, посредством лиганд-рецепторного взаимодействия (В2-рецептор) на клетках эндотелия микрососудов мозга, вызывалась непродолжительная активацию NO-синтазы. Увеличение концентрации оксида азота в сосудистой стенке сопровождалось ее расслаблением и повышением проницаемости для ЛС.

Однако в клинической практике этот и другие подобные методы не нашли своего применения, поскольку синтетический аналог брадикинина (КМР-7), имея более продолжительный период полураспада, не подтвердил устойчивый эффект на стадии доклинических испытаний. Исключение составляют системы КМР-7 доставки препаратов, которые используются при глиоме головного мозга.

Физические воздействия. В результате многочисленных исследований эффективности и безопасности физических воздействий (лазера, ультразвука, магнитного поля и вибрации) на ГЭБ предпочтение было отдано воздействиям сфокусированного ультразвука [5].

Сфокусированный ультразвук – это метод, в котором используются звуковые волны для механического или теплового воздействия на целевую ткань без необходимости облучения или хирургического вмешательства. Ультразвук как фактор повышения проницаемости ГЭБ был впервые применен в середине прошлого века. В текущем столетии именно ультразвуковые системы доставки лекарств в ЦНС стали центром внимания исследователей. В многочисленных экспериментах на различных видах лабораторных животных, а также по результатам клинических исследований создатели ультразвуковых систем пришли к выводу об их перспективности для оптимизации процессов доставки лекарств в ЦНС [6–9]. В настоящее время прецизионные механизмы, лежащие в основе опосредованного ультразвуком повышения проницаемости ГЭБ, остаются неясными. Полагают, что в качестве ведущего фактора, изменяющего морфофункциональную структуру барьера, являются биомеханические воздействия ультразвука (Рис. 2.)

 

Рис. 1. Способы доставки веществ через гематоэнцефалический барьер / Fig. 1. Methods of drug delivery through the blood-brain barrier

 

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] / Fig. 2. Mechanism of modulation of the blood-brain barrier by focused ultrasound. Schematic representation of several mechanisms of BBB destruction: stable cavitation causes the mechanism of pushing (a) and pulling (b) microflows (c), which can safely cross the blood-brain barrier. Inertial cavitation causes microjet (d) fragmentation (e) and shock wave (e), which can increase the risk of damage to the BBB [10]

 

Выраженность нарушений структуры и функции ГЭБ в значительной степени зависело от параметров ультразвука. При использовании повышенной мощности ультразвуковых волн на головной мозг отмечались: точечный выхода эритроцитов за пределы стенки микрососудов (экстравазации), внутримозговые кровоизлияния, а также грубые повреждения мозговой ткани (отек, гибель нейронов и др.) [11, 12]. Основным патогенетическим фактором повреждающего действия ультразвука было образование в жидких средах мозга большого количества нестабильных микропузырьков. В результате нестабильной кавитации (иннерционной) микропузырьки интенсивно разрушаются («взрываются»), оказывая механическое воздействие на эндотелий микрососудов (экстравазация) жидкой части крови, повреждение мембран эритроцитов и лейкоцитов в микрососудах мозга. В связи с относительной безопасностью ультразвуковой технологии повышения проницаемости ГЭБ для ЛС этот подход дальнейшего развития пока не получил [5].

Таким образом, в настоящее время системы доставки лекарств в ЦНС с использованием химических и физических факторов воздействия на ГЭБ применения в клинической практике не получили. Оба метода имеют серьезные побочные эффекты: при физическом воздействии возможны кровоизлияния, апоптоз нейронов, при использовании химических факторов очевидна опасность отека головного мозга. Дополнительными факторами, сдерживающими использование методов физического воздействия в клинике, являются приобретение специальной аппаратуры, подготовка медико-технического персонала, а также соблюдение мер безопасности для больных и персонала.

Системы доставки лекарств в ЦНС без нарушений ГЭБ. Отсутствие успеха в транспорте лекарств через ГЭБ с помощью физических и химических воздействий послужило стимулом для развития новых методов доставки лекарств в мозг без нарушений морфофункциональной организации ГЭБ (малые молекулы, липосомы, экзосомы). Особый интерес исследователей вызывает поиск методов и агентов, способных обеспечить целевую («адресную») доставку лекарственного средства. Внимание к малым молекулам как средствам доставки было обусловлено их способностью проникать сквозь липидные слои клеточной мембраны, чтобы достичь внутриклеточных мишеней. Не меньший интерес вызвали и наночастицы, размер которых находится в пределах от 10 до 1000 нм. Исследователей привлекла идея присоединения лекарственных препаратов к природоподобным нанотранспортерам, что позволяло направленно доставлять фармакологические агенты к органам-мишеням. Такой механизм способствует повышению биодоступности лекарственной формы, улучшая растворимость и обеспечивая преодоление гематоэнцефалического барьера, позволяет целенаправленно воздействовать на поврежденную область. Немаловажным дополнительным преимуществом является возможность создания препаратов пролонгированного действия.

Малые молекулы – это химические соединения, то есть низкомолекулярные вещества, обладающие биологической активностью. Наиболее важными свойствами для этого являются: малый размер молекул (не более 40 kDa), липофильность и незаряженность молекулы. Благодаря физическим и химическим свойствам они могут проникать через ГЭБ и оказывать лечебный эффект (пролин, аланин) или выступать в качестве способа доставки (наночастицы). На фармацевтическом рынке лекарственные препараты-малые молекулы до сих пор преобладают, составляя около 90% из всех наименований современных лекарств. Эти лекарственные формы не являются исключением для лечения заболеваний ЦНС. Известными низкомолекулярными препаратами являются Леводопа (Тева), Гопантеновая кислота (Biotech), соли Магния (Верофарм), Финголимод (Новартис), Церебролизин (Эвер Фарма Йена ГмбХ) и др.

Оценка эффективности более 6000 препаратов в базе данных Комплексной медицинской химии, показала, что только 6% препаратов активны в ЦНС. Кроме того, эти препараты обычно применяются при лечении непсихотических расстройств (бессонницы и др.) [13]. Основной причиной такого количества лекарств, действующих на ЦНС, заключается в том, что малые молекулы, проникающие через ГЭБ посредством свободной диффузии, должны обладать двумя необходимыми свойствами: молекулярная масса менее 450 Да и структура, которая образует менее восьми водородных связей.

Подавляющее большинство потенциальных низкомолекулярных лекарственных средств не обладает данными молекулярными свойствами, поэтому они не могут быть использованы в нативном виде для лечения заболеваний ЦНС. Чтобы сделать молекулы возможными для использования в терапии, осуществляют модификацию молекул, например, лиофилизация путем ацетилирования или алкилирования для замены водорода у соединений. Одним из таких препаратов для ЦНС является диметилфумарат (Biogen), применяемый для лечения рассеянного склероза (РС). Фумарат представляет собой дикарбоновую кислоту, не проникающую через ГЭБ. Метиловая этерификация обеих карбоксильных групп снижает гидрофильность исходного фумарата и делает возможным его преодоление ГЭБ. Вторым подходом к модификации для увеличения прохождения через ГЭБ является применение ряда гидрофобных носителей. Одним из гидрофобных носителей является дигидропиридин (ДГП). Гидрофильный препарат, непроникающий через ГЭБ, был конъюгирован с носителем ДГП. Однако этот подход не блокирует функциональные группы, образующие водородные связи на самом фармацевтическом агенте, и транспорт ГЭБ может не усиливаться при конъюгации с ДГП.

Таким образом, использование химических модификаций малых молекул для блокирования полярных функциональных групп в гидрофильных препаратах-кандидатах, конъюгация гидрофильных препаратов с липидными носителями не позволяют повысить способность препаратов проникать в ЦНС через ГЭБ. Они не решают проблему преодоления ГЭБ с помощью новых и эффективных препаратов-кандидатов для лечения заболеваний ЦНС.

Клеточно-опосредованный транспорт. Клеточно-опосредованный транспорт осуществляется за счет специальных клеток, это могут быть иммуноциты, лимфоциты, нейтрофилы и стволовые клетки. Такие системы доставки обладают следующими преимуществами: адресная транспортировка лекарств к очагам заболевания; длительный период полувыведения препарата; контролируемое по времени высвобождение лекарства; сниженные профили иммуногенности и цитотоксичности препарата. Несмотря на такие преимущества, успех пока ограничен по нескольким причинам. Во-первых, концентрация лекарственного средства в клеточных носителях низкая. Во-вторых, существуют ограничения из-за способности иммуноцитов и стволовых клеток эффективно разрушать и выводить захваченные терапевтические агенты и, наконец, все используемые препараты должны быть безопасными как для клеточного носителя, так и для организма.

Многие из этих ограничений могут быть устранены путем включения лекарств в защитные полимерные наноносители (липосомы, мицеллы, твердые наночастицы и др.). Низкомолекулярные препараты не имеют тканевой и органной специфичности, быстро выводятся из организма in vivo и часто сопровождаются многими побочными эффектами. Использование системы-носителя может помочь повысить специфичность и безопасность терапевтических, диагностических или профилактических средств и еще больше повысить их эффективность.

Экзосомы. Отсутствие успеха в доставке лекарств в мозг с помощью вышеперечисленных методов привело к развитию новых потенциальных подходов в качестве путей доставки лекарств в мозг [13].

Экзосомы – пузырьки диаметром 30–100 нм, выделяемые клетками в межклеточное пространство. Экзосомы продуцируются клетками большинства тканей и обнаружены в биологических жидкостях (кровь, спинномозговая жидкость, моча, слюна, грудное молоко). Функции экзосом разнообразны: межклеточная коммуникация, участие в секреции белков, облегчение иммунного ответа, участие в регенерации и процессах старения (рис. 3.) [14]. Экзосомы применяются в медицине для ранней диагностики различных заболеваний (например, онкологических патологий), поскольку они переносят специфические биомаркеры состояния продуцирующих их клеток.

 

Рис. 3. Межклеточные взаимодействия посредством экстравезикул [14] / Fig. 3. Intercellular interactions through extravesicles [14]

 

Исследования последних лет продемонстрировали, что экзосомы могут использоваться не только для диагностики, но и как средство доставки лекарственных средств для таргетной терапии. Экзосомы с точки зрения метода доставки лекарств обладают несколькими преимуществами. Они имеют небольшой размер для проникновения в ткани, сходство с клеточными мембранами, что позволяет экзосомам преодолевать физиологические барьеры (в том числе гематоэнцефалический), а также некоторые экзосомы не подвергаются разрушающему действию со стороны клеток иммунной системы (низкая иммуногенность) [15].

В настоящее время идет интенсивная разработка систем доставки лекарств в клетки органов и тканей с помощью экзосом. Была разработана экзосомальная система доставки антиоксидантного фермента каталазы (ExoCAT) для терапии болезни Паркинсона [16]. На моделях болезни Паркинсона in vitro и in vivo установлено, что ExoCAT легко захватывается клетками нейронов, обеспечивает значительное нейропротекторное действие. Показано, что экзосомальная система на основе каталазы обладает хорошим потенциалом для разработки универсальной стратегии лечения воспалительных и нейродегенеративных расстройств.

Тем не менее существует много проблем в понимании возможности использования экзосом как элементов систем транспорта терапевтических средств в организме. Одна из них заключается в разработке и создании технологии выделения и разделения экзосом с высокой степенью чистоты в промышленных масштабах. Процесс инкапсуляции лекарств в экзосомы требует высокотехнологичных и дорогостоящих процедур (электропорация и др.). Кроме того, до сих пор неизвестна стабильность экзосом. Многие терапевтические средства могут вытекать из экзосом при хранении, подобно выходу лекарств из липосом, поэтому нет ни одного препарата на рынке, применяемого для лечения заболеваний ЦНС [17].

Стволовые клетки как лечебные и транспортные системы через ГЭБ. Стволовая клетка – недифференцированная клетка, способная к самообновлению и дифференцировке в различных направлениях. Стволовые клетки способны образовывать новые стволовые клетки, делиться и дифференцироваться в специализированные клетки, то есть превращаться в клетки различных органов и тканей (рис. 4.). Стволовые клетки имеют преимущества легкого культивирования in vitro, индуцирования для дифференцировки в специализированные клетки при определенных условиях. Эти свойства стволовых клеток делают их многообещающими кандидатами для адресной доставки лекарств.

 

Рис. 4. Стволовые клетки в период внутриутробного развития / Fig. 4. Stem cells during fetal development

 

Для лечения неврологических заболеваний используются различные стволовые клетки (эмбриональные, мезенхимальные и др.) [18]. Исследования показывают, что терапия стволовыми клетками представляет собой многообещающий метод лечения регенерации и восстановления тканей при многих заболеваниях центральной нервной системы или нейродегенеративных заболеваниях. В одной из экспериментальных работ стволовые клетки вводили внутривенно через 1–6 недель после моделирования ушиба спинного мозга. Авторы Yvonne Cashinn Chia и его коллеги не нашли доказательств, что стволовые клетки проходят через ГЭБ, как это обсуждалось в их обзоре [19]. В работе Brian W Soper et. al. (2010), изучавших распределение стволовых клеток в головном мозге после внутривенной инъекции, было показано, что хотя стволовые клетки проникают в мозговые оболочки, где нет ГЭБ, они не обнаруживаются в паренхиме головного мозга [20]. На сегодняшний день клинических технологий лечения заболеваний головного мозга с помощью стволовых клеток не существует.

Искусственные наноразмерные транспортеры лекарств. Создание препаратов на основе наноразмерных транспортеров является одним из перспективных направлений современной медицины. Наночастицы обладают рядом несомненных преимуществ: защищают клетки организма от токсического действия лекарственных веществ, пролонгируют действие введенного в организм лекарственного препарата, защищают ЛВ от деградации, способствуют проявлению нацеленной специфичности за счет селективного проникновения из крови в ткани, что приводит к избирательной их концентрации в зоне очага поражения; изменяют фармакокинетику лекарственных препаратов, повышая их фармакологическую эффективность.

В настоящее время выделяют три обширных класса наночастиц: наночастицы на основе полимеров, которые включают полимерные наночастицы, дендримеры, мицеллы и белковые наночастицы (например, альбумина); наночастицы на основе липидов, которые включают липосомы с водной внутренней частью и твердыми липидными наночастицами, у которых отсутствует водная внутренняя часть; не полимерные наночастицы, которые включают углеродные нанотрубки (УНТ), фуллерены или квантовые точки из оксида графена (ОО) и металлические наночастицы [5].

Наноразмерность частиц, многофункциональность и модифицируемость делают их привлекательными агентами для нацеливания на ЦНС. Наночастицы можно использовать в качестве визуализирующих агентов для получения изображений опухолей с более высоким разрешением, определения границ опухоли, а также мониторинга доставки лекарств и терапевтического ответа. Результаты исследований на животных демонстрируют перспективность наночастиц для улучшения результатов у пациентов, страдающих опухолями головного мозга, и необходимы дальнейшие исследования, чтобы воплотить эти результаты в рутинную практику [21].

Наночастицы активно изучаются для доставки лекарств в мозг. Например, фармацевтический агент APH-1105 (новый модулятор альфа-секретазы) находится на 2 фазе клинических испытаний для пациентов с болезнью Альцгеймера легкой и средней степени тяжести. Из-за малого количества заявок на исследования новых лекарств с наночастицами, нацеленными на мозг, эти системы доставки лекарств не подвергались тщательным доклиническим фармакологическим и токсикологическим исследованиям безопасности надлежащей лабораторной практики. Несмотря на активную разработку препаратов на основе наночастиц за последние 30 лет FDA не было одобрено ни одного лекарственного средства для лечения заболеваний ЦНС [22]. Полагают, что эффективность применения наночастиц для доставки препаратов в ЦНС может повышаться в комбинации с другими стратегиями доставки: использовании сфокусированного ультразвука, внутримозговой доставки с усиленной конвекцией диффузией или трансназальной доставки [5].

Липосомы. Среди нанотранспортеров лекарственных средств наиболее изученными являются липосомы. Липосомы представляют собой наночастицы (от 100 нм), образованные из липидов с водной внутренней частью [5]. Липосомы привлекают к себе много внимания, т.к. обладают высокой биосовместимостью и способностью к биологическому разложению, а также минимальной токсичностью, целенаправленной доставкой лекарств и контролируемым высвобождением лекарств. Поверхность липосом может быть дополнительно изменена путем добавления макромолекул, таких как полимеры, полисахариды, пептиды или антитела для усиления кровообращения и специфической доставки в мозг [23]. Благодаря своим свойствам, перечисленным выше, липосомы интересны в качестве кандидатов для доставки лекарств через ГЭБ.

В настоящее время установлено два механизма преодоления ГЭБ – клеточно-опосредованный трансцитоз и прямое проникновение (Рис. 5). При клеточно-опосредованном трансцитозе липосома связывается рецептором, затем происходит ее интернализация и проникновение в мозг. Ведущая роль в процессе интернализации (внедрения) липосом принадлежит пептидам, проникающим в клетку положительно заряженным аминокислотам, обеспечивающим эндоцитоз за счет взаимодействия с отрицательно заряженной мембраной эндотелиальных клеток. Оказавшись в головном мозге, многофункциональные липосомы могут быть направлены на соответствующую мишень (например, белок тау или амилоиды при болезни Альцгеймера).

 

Рис. 5. Перспективные транспортные механизмы липосом для преодоления ГЭБ / Fig. 5. Promising transport mechanisms of liposomes to overcome the BBB

 

Несмотря на преимущества липосом, которые включают в себя безопасность и биосовместимость, их основным недостатком в качестве наноносителей является их нестабильность в плазме. Когда липосомы попадают в кровоток, селективные сывороточные белки (опсонины) связываются с их поверхностью, сигнализируя об их присутствии. Этот сигнал распознается макрофагами, которые захватывают липосомы и удаляют их из кровотока. В целом, более крупные липосомы выводятся из кровотока быстрее, чем более мелкие, а отрицательно заряженные липосомы имеют более короткий период полураспада в кровотоке, чем нейтральные липосомы.

С теоретической точки зрения липосомы преодолевают ГЭБ, однако данные, получаемые из статей современных исследователей, являются противоречивыми. Об одном из первых исследований доставки лекарств в мозг с помощью липосом сообщалось в конце прошлого века. Липосомы фосфатидилхолина/холестерина были приготовлены и введены в сонную артерию крыс с внутричерепной глиомой. Липосомы не проникали в здоровое полушарие мозга, что указывало на то, что липосомы не пересекают ГЭБ в нормальном физиологическом состоянии, но при этом наблюдалось поглощение липосом опухолью. Использовать внутривенный способ введения невозможно, т.к. липосомы быстро выводятся из крови [5]. Более поздние исследования показывают неоднозначные результаты. Липосомы в настоящее время не используются в клинической практике для доставки лекарств, специфичных для мозга [24].

Альтернативные стратегии воздействия на структуры ЦНС (обход ГЭБ). Интраназальный путь (ИН) доставки лекарственных средств в структуры головного мозга, минуя ГЭБ, представляет собой стратегию, которая является альтернативой рассмотренных выше трансбарьерных методов поступления фармакологических агентов в ЦНС. Эту стратегию нельзя отнести к неизвестной ранее. Одним из пионеров ИН доставки лекарств в ЦНС является Фрей [1989], который использовал этот путь для транспортировки нейротрофических факторов роста в структуры головного мозга [25, 26]. Интраназальная технология фармакотерапии патологии головного мозга вызвала большой интерес исследователей. Она выглядела очень привлекательной для клинического использования, поскольку априори имела целый ряд очевидных преимуществ при лечении заболеваний ЦНС по сравнению с другими инвазивными методами фармакотерапии. Было показано, что ИН введение лекарств позволяет достигать необходимого лечебного эффекта при патологии ЦНС без необходимости преодоления ГЭБ. Оказалось, что многие препараты для ЦНС при системном приеме уступали неинвазивному ИН введению, поскольку этот путь напрямую связан с ЦНС [26].

Интраназальная доставка начинается со всасывания лекарства на поверхности слизистой оболочки носа. На рис. 6 представлены общие ключевые элементы механизма интраназального транспорта веществ. Полагают, что фармакологические средства, доставляемые интраназально, попадают в ЦНС через обонятельные пути и нейроны тройничного нерва. Полость носа иннервируется как обонятельным, так и тройничным нервами, напрямую связанными со стволовыми структурами ЦНС. Когда-то даже считалось, что обонятельный путь отвечает за прямую доставку лекарств из носа в мозг [27]. В последнее время появились сведения, свидетельствующие о том, что в системе транспорта веществ при ИН фармакотерапии важная роль принадлежит нервным волокнам тройничного нерва, особенно в направлении каудальных отделов головного и спинного мозга [28]. Доставка лекарственных веществ со слизистой оболочки в ЦНС осуществляется по двум путям – внеклеточному и внутриклеточному. Внеклеточный путь осуществляет связь с субарахноидальным пространством головного мозга. При внеклеточном механизме лекарственные средства транспортируются непосредственно в спинномозговую жидкость, последовательно проходя парацеллюлярное пространство, а затем, через периневральное пространство, в субарахноидальное пространство головного мозга. При внутриклеточном пути ключевую роль в переносе лекарств отводят аксональному транспорту (Рис. 7) [29].

 

Рис. 6. Внеклеточный механизм доставки веществ при интраназальном введении / Fig. 6. Extracellular mechanism of drug delivery during intranasal administration

 

Рис. 7. Внутриклеточный механизм доставки веществ при интраназальном введении / Fig. 7. Intracellular mechanism of substance delivery during intranasal administration

 

Единой точки зрения ученых о путях и механизмах доставки лекарств в ЦНС при ИН введении препаратов не сложилось. Вместе с тем, в литературе появляются факты, которые свидетельствуют, что волокна, иннервирующие слизистую носа, могут участвовать в доставке полисахаридов и белков в структуры ЦНС при их интраназальном введении. В экспериментах на мелких лабораторных животных J. J. Lochhead et. al. [30], сравнили интенсивность проникновения декстрана (3 кДа) с иммунофлуоресцентной меткой в ЦНС при интраназальном и внутриартериальном введении полисахарида. Показано, что после интраназального введения течение 20 мин метка декстрана выявлялась в периваскулярном пространстве мозга у 80% животных. Наиболее значительная флуоресценция обнаружена на вентральной и латеральной поверхностях головного мозга, в том числе в точках входа обонятельных (обонятельная луковица) и тройничного (мост) нервов. Флюоресцентного сигнала на поверхности головного мозга после внутриартериального введения меченого полисахарида выявлено не было [30]. Схожие результаты были получены при исследовании распределения белков, меченных I¹²⁵, в ЦНС после ИН введения в экспериментах на крысах и обезьянах. Метки белков обнаруживались в окончаниях волокон обонятельного и тройничного нервов эпителиальной выстилки носа, а также в структурах обонятельной луковицы и ствола головного мозга [31].

По мере изучения механизмов и эффектов перспективность ИН пути доставки лекарств в ЦНС неуклонно возрастает. На животных моделях болезни Альцгеймера было показано, что нейродегенерация, тау-патология, накопление амилоида и потеря памяти уменьшаются нейротрофическим фактором после интраназального введения. Установлено, что ИН введение белков, повышающих выживаемость нейронов (нейтротрофинов) вызывало торможение процесса нейродегенерации в ЦНС и улучшало когнитивные функции животных в мышиной модели болезни Альцгеймера. В настоящее время данный нейротрофический фактор с его пептидным фрагментом изучается в рамках II фазы клинических исследований в качестве потенциального средства для лечения болезни Альцгеймера и легких психических нарушений.

Интраназальное введение 6-ГДА широко применяется при моделировании паркинсонизма у мышей и крыс [32]. Показано, что повреждающие нейроны эффекты при интраназальном методе моделирования нейродегенерации начинают проявляться уже в первые минуты после введения. Комбинация интраназального пути введения фармакологических агентов с другими методами доставки лекарств в головной мозг также оказалась эффективной. Так, установлено, что ИН введение ривастигмина [33] или липосом галантамина (применяемые при деменции) является перспективным методом повышения биодоступности лекарств в головном мозге. Интраназальное введение липосом, содержащих кверцетин (антиоксидант), также показало эффективность такого метода доставки лекарства в ЦНС [34]. Выявлено, что использование липосом кверцетина уменьшает окислительный стресс нейронов, который является важным фактором нейропатогенеза болезни Альцгеймера.

Таким образом, интраназальный путь доставки лекарств является перспективным направлением для разработки и создания систем транспортировки фармакологических агентов в структуры ЦНС при различных видах патологии нервной системы. При этом способе введения лекарств наблюдается синергизм в достижении ЦНС веществами, проникающими и не проникающими через ГЭБ. Данный путь доставки лекарств заслуживает отдельного внимания и продолжения его изучения с целью разработки лекарственных препаратов для лечения заболеваний ЦНС. В пользу такого суждения свидетельствуют многочисленные клинические исследования препаратов, вводимых интраназально. В первую очередь, это относится к группе препаратов, действующих на эффекты инсулина при болезне Альцгеймера: рекомбинантный человеческий инсулин в интраназальной сокристалической форме – humulin RU-100 (NIH), разработанный компанией «Metabolic Solutions» и другие [35].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Каждая система доставки лекарственных препаратов в органы и ткани организма имеет свои преимущества и недостатки при их клиническом использовании. Одним из первых применяемых методов оптимизации транспорта лекарств через ГЭБ в ЦНС явилось химическое воздействие на стенку сосудов головного мозга. Факторы воспаления, составляющие основу таких препаратов, повышали проницаемости ГЭБ, что облегчало попадание лекарственных веществ в структуры ЦНС. Однако у данного метода были выявлены существенные недостатки (инвазивность, низкий период полураспада, опасные для жизни пациента побочные эффекты и др.), а также четкий мониторинг при проведении процедуры, что резко ограничило область его применения. Альтернативой химическому воздействию стало использование физических факторов на ГЭБ, прежде всего ультразвуковых технологий. Однако физические воздействия не позволили достичь желаемых результатов и избавиться от нежелательных эффектов (инициация апоптоза, точечные и локальные кровоизлияния).

Последние 20 лет активно исследуют методы доставки с применением транспортеров относительно небольших размеров – малые молекулы, наночастицы, липосомы. Они являются неинвазивными, биосовместимыми, обладают низкой иммуногенностью, но распределяются неоднородно и быстро выводятся из организма.

Сильной стороной экзосом является нацеленность на мишень за счет наличия лигандов, но малый выход при получении данной формы, отсутствие стандартной изоляции и протокола очистки значительно затрудняет их масштабирование и промышленное производство. Стволовые клетки обладают низкой иммуногенностью и высокой биосовместимостью, однако, как и экзосомы, имеют трудности в получении и масштабировании производства и, самое главное, они повышают риск онкологических заболеваний головного мозга.

Одним из наиболее эффективных и перспективных для практической медицины методов является система доставки лекарств в мозг посредством интраназального введения. Этот метод имеет многочисленные преимущества по сравнению с вышеперечисленными технологиями доставки лекарств в мозг – неинвазивность и удобство применения. Его использование не требует стационарных условий для пациента, лекарства начинают быстро действовать на ЦНС и обладают повышенной биодоступностью, резко сокращается количество побочных нежелательных эффектов. Однако ИН также имеет и недостатки – возможна деградация лекарств через слизистые ферменты и сложность дозирования. Исследования на ранних стадиях в целом дают перспективные результаты, но отсутствие эффективности на более поздних фазах испытаний и прекращение исследований указывают на необходимость более систематического, стандартизированного подхода к дизайну проведения исследований в этой области.

About the authors

Maria V. Litvinova

Saint Petersburg Chemical and Pharmaceutical University of the Ministry of Health of the Russian Federation; Institute of Experimental Medicine

Author for correspondence.
Email: litvinova-masha@bk.ru

Ph.D. Student at the S.V. Anichkov Department of Neuropharmacology, Laboratory Assistant at the Department of Physiology and Pathology

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Alexander N. Trofimov

Saint Petersburg Chemical and Pharmaceutical University of the Ministry of Health of the Russian Federation; Institute of Experimental Medicine

Email: alexander.n.trofimov@gmail.com

Ph.D. of Biological Sciences, Senior Researcher at the I.P. Pavlov Department of Physiology, Associate Professor at the Department of Physiology and Pathology

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Petr D. Shabanov

Institute of Experimental Medicine

Email: pdshabanov@mail.ru

Dr. of Med. Sci. (Pharmacology), Professor and Head, S. V. Anichkov Dept. of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

Andrei A. Lebedev

Institute of Experimental Medicine

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

Dr. Biol. Sci. (Pharmacol-ogy), Professor, Leading Researcher, S. V. Anichkov Dept. of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

Evgeny R. Bychkov

Institute of Experimental Medicine

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

PhD (Biochemistry), Senior Re-searcher, S. V. Anichkov Dept. of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

Nikolay А. Arseniev

Saint Petersburg Chemical and Pharmaceutical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

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

Ph.D, Biology, docent, docent of the Department to Physiology and Pathology

Russian Federation, Saint Petersburg

Alexander I. Tyukavin

Saint Petersburg Chemical and Pharmaceutical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

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

Dr. of Medicine (MD), Professor, Head of the Department to Physiology and Pathology

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files