פיתוח טיפול תרופתי למחלות מערכת העצבים המרכזית – מחסום דם-מוח

שוק התרופות לטיפול במחלות של מערכת העצבים המרכזית מוערך בכ-59 מיליארד דולר. למרות גודלו, שוק זה קטן באופן משמעותי משוק התרופות למחלות קארדיווסקולריות (כ-20% משוק התרופות הקרדיווסקולריות). הסיבה העיקרית לכך היא שאין בנמצא טיפול תרופתי טוב לחלק ניכר מהמחלות הנוירולוגיות השכיחות, כדוגמת אלצהיימר, פרקינסון ושבץ מוחי.
המכשול העיקרי בפיתוח תרופות חדשות לטיפול במחלות של מערכת העצבים המרכזית נובע בין היתר מהצורך בהבנה מנגנונית טובה יותר של תהליכי המחלה ושיפור ניכר ביכולת ההחדרה של תרופות למוח. למרות ההתקדמות המהותית במחקר הבסיסי, קיים קושי באיתור אנזימים, קולטנים, נשאים וחלבוני מטרה חדשים שיהוו מטרה לתרופות עתידיות. מכשול נוסף הוא הקושי בהחדרה משמעותית של תרופות קיימות למוח. כיום, רק אחוז קטן מכלל התרופות הנמצאות בשימוש יכול להגיע לריכוזים תרפויטיים במוח. בנוסף, כ-95%-98% מהחומרים החדשים הנמצאים בתהליכי פיתוח אינם חודרים דרך המחסום דם-מוח בצורה משמעותית. כתוצאה מכך, אנו מנצלים כיום רק חלק קטן מהפוטנציאל התרופתי הקיים ומתקשים לתרגם את הידע החדש הנצבר על מחלות אלו לתרופות חדשות.

מחסום דם-מוח (Blood-brain barrier)

מחסום-דם-מוח הינו מנגנון תאי ייחודי המצוי על הנימיות של כלי הדם המוחיים ומורכב מתאי אנדותל, תאי pericytes, סיומות של תאי עצב, תאי תמך ( (astrocyteואזורי חיבור ייחודיים (tight junctions). שטח הפנים של מחסום דם-מוח הוא של כ-20m2 ואורך הנימיות כ-600 מטר. מבנה זה יוצר מחסום אנטומי שאינו מאפשר מעבר בין-תאי. מערכת תמך זו ייחודית גם מבחינה ביוכימית, מפני שהיא מבטאת ביתר קולטנים, אנזימים ונשאים המאפשרים קיום סביבה ביוכימית שונה במוח, סביבה הנדרשת לתפקוד עצבי תקין.

תמונה 1:
השוואה בין תאי אנדותל של מחסום דם-מוח ממקור עכברי (תמונה עליונה שמאלית) לבין תאים נוירונליים (תמונה עליונה ימנית). נימיות של מחסום דם-מוח שהופקו ובודדו ממוח של פרה (תמונה תחתונה) [PharmaSeed Ltd.]

מחסום דם-מוח – היבטים ופיתוחים

פיתוח תרופות חדשות למחלות של מערכת העצבים המרכזית הוא תהליך מורכב, הכולל הטמעה של שיטות מתקדמות מתחומי הביולוגיה המולקולרית, שימוש בספריות כימיות וירטואליות (in silico methods), סנתוז ואפיון תרכובות חדשות במערכות תאיות וכו'. תהליך זה זהה בחלקו לתהליך הפיתוח של תרופות המיועדות למחלות קרדיווסקולריות, זיהומיות וכד'. אבל בשונה מתרופות אלו, בפיתוח תרופות המיועדות לטיפול במחלות של מערכת העצבים המרכזית יש להתחשב גם בתכונת החדירות הנדרשת להעברתן דרך המחסום דם-מוח. אפיון זה נעשה מרמת התכנון הראשוני עפ"י תכונות רצויות (טבלה(1 , בדיקה במערכות ביוכימיות (זיקה למערכות efflux כדוגמת PgP , קישור לחלבוני פלסמה וכו'), מערכות תאיות, והערכת חדירה in vivo במכרסמים.

טבלה 1: תכונות רצויות לתרופה המשמשת לטיפול במחלות של מערכת העצבים המרכזית (7):

תכונות ביולוגיות

Potent activity: low to sub-nanomolar

No significant CYP2D6 metabolism

Not a potent CYP3A4 inducer

Not an efficient P-glycoprotein substrate

Not a high-affinity serum albumin ligand

Not a membrane perturbant

Not genotoxic

תכונות פיזיקליות-כימיות

Molecular weight < 400

Minimal hydrophobicity (CLOGP < 5)

Number of H-bond donors < 3

Number of H-bond acceptors < 7

Neutral or basic with pKa 7.5 – 10.5

היבט פיתוחי נוסף הינו הכנסת שינויים כימים בתרופות קיימות, וזאת במטרה שהשינוי ישפר בצורה משמעותית את חדירתן של תרופות אלו למוח. באופן אופטימלי, שינויים אלו מתוכננים כך שעקב השינוי לא תיפגע פעילות התרכובת בצורה משמעותית, או שהשינוי יהיה הפיך (pro-drugs) והשייר המורכב יוסר ע"י מערכות אינזימטיות או אחרות לאחר השלמת תהליך ההחדרה למוח.

את השינויים ניתן לחלק לשתי קבוצות עיקריות:

א. שינוים בפורמולציה, או לחלופין פיתוח פורמולציות בעלות תכונות החדרה דרך המחסום דם-מוח (מערכות, ליפוזומליות, מערכות ננו וכו').
ב. שינויים על התרכובת הפעילה:

שיפור תכונות הידרופוביות: שינויים בתכונות הפיזיו-כימיות של התרכובת הגורמים להעלאה ניכרת בשיעור החדירה הפסיבית.
חיבור לקבוצה פונקציונאלית ההופכת את התרכובת לסובסטראט למערכות החדרה אקטיביות, המצויות על פני ממברנת האנדותל של מחסום דם-מוח (רצפטורים, נשאים ותהליכי מעבר תלויי מטען).

הגדלת הזמינות למוח של תרופות הידרופיליות – שינוים בזיקת החומר לרקמה שומנית

על פי בדיקות של התמוססות יחסית במדיום מימי ובמדיום שומני (כדוגמת מים/ אוקטנול), ניתן היה להראות כי עד גודל מולקולארי של כ-Da400-500 קיימת קורלציה בין הידרופוביות החומר לבין שיעור כניסתו למוח (כפי שנמדד במודלים פרא-קליניים).
לפיכך, אחת הדרכים המקובלות לשיפור החדרה של תרופות הידרופיליות היא ע"י הגדלת ההידרופוביות של תרכובות אלו. לשם כך ניתן לחבר לתרכובת שייר הידרופובי שומני או לחלופין "למסך" קבוצות הידרופיליות ע"י הגבת קבוצות אלו עם שיירים הידרופוביים כדוגמת acetyl(כדוגמה ניתן לציין את השיפור המשמעותי בשיעור ההחדרה של מורפין למוח לאחר די-אצטליזציה). פיתוח נוסף הוא שימוש במערכות CDS chemical delivery System. מערכות אלו מבוססות על התמרת התרכובת הפעילה בתרכובת "targetor", כדוגמת1-methyl-1,4-dihydronicotinate , שהינו הידרופובי בפלסמה אך לאחר מעבר למוח הוא עובר תהליך של יוניזציה לחנקן רבעוני וכתוצאה מכך הופך להידרופילי ו"נכלא" במוח (תמונה 2)

תמונה 2:

דוגמה למערכת "כליאה" כימית של התרופה האנטי-ויראלית (1)AZT :

המגבלה העיקרית של האסטרטגיה ההידרופובית היא שהשינוי בשיעור ההידרופוביות משליך בצורה משמעותית על התכונות הפרמקוקינטיות של התרופה ומשפיע על שיעור הפינוי, הפיזור לרקמות שומן ושיעור החדירות התאית. כתוצאה מכך, למרות השיפור היחסי ביכולת החדירה דרך המחסום דם-מוח לאחר התמרה הידרופובית, עקב שינויים אפשריים בזמינות הביולוגית (ירידה משמעותית), לא ניתן יהיה להראות עלייה בכמות החומר ברקמת המוח. בנוסף, שינויים אלו עלולים לפגוע בפעילות הפרמקודינמית של החומר הפעיל ומבחינה רגולטורית, במקרים מסוימים, דורשים תהליך פיתוח הזהה לתהליך פיתוח של תרופה אתית חדשה על כל המשמעויות הנגזרות (זמן פיתוח ועלות). יש לציין ששינויים בזיקת החומר לרקמה שומנית עשויים להשפיע על חדירות למוח של תרכובות קטנות בלבד, ואין ביכולתם להשפיע בצורה משמעותית על חדירות תרכובות גדולות כדוגמת פפטידים, חלבונים, נוגדנים וכדומה.

הגדלת הזמינות למוח של תרופות על ידי ניצול נשאים וקולטנים המתבטאים ביתר על פני ממברנת האנדותל של מחסום דם-מוח

שימוש במנגנונים פיזיולוגיים אקטיביים הינה אסטרטגיה נוספת המשמשת להעברת תרופות למוח. בעיקרון, קיימים שלושה מנגנוני מעבר:

ניצול קולטנים המתבטאים ביתר, כדוגמת הקולטן ל-transferrin או הקולטן ל-insulin growth factor. מנגנון ההחדרה מבוסס על תהליך (RMT) receptor-mediated transcytosis , תהליך תלוי אנרגיה, שבו לאחר קשירת הקומפלקס ליגנד אנדוגני-תרופה לרצפטור, עובר הקומפלקס אינטרנליזציה לתא ולאחר מכן משתחררת התרופה לתוך רקמת המוח. הפיתוח המשמעותי ביותר של טכנולוגיה זו נעשה באוניברסיטת UCLA, בה פותח נוגדן מונוקלונאלי כנגד הקולטן ל-transferring (OX-26) , ובאמצעותו ניתן היה להראות שיפור משמעותי בהחדרת תרכובות למוח, ללא תלות בגודלן, תוך שימור פעילותן . לשיטה זו, המכונה גם שיטת "הסוס הטרויאני", יש מגבלות משמעותיות (כדוגמת העלות והמורכבות של יצירת הקומפלקס תרופה-נוגדן), המציבות בסימן שאלה את הישימות הטכנולוגית של הנוגדן המונוקלונאלי כווקטור להחדרה תוך-מוחית. פיתוח אלטרנטיבי המבוסס על מנגנון זה הוא פיתוח המבוסס על הפפטיד .p97 פפטיד זה, למרות דמיונו ל-,transferring ככל הנראה אינו סובסטראט לקולטן של ,transferrin והינו סובסטראט לקולטן ממשפחת ה-low-density lipoprotein receptor protein family.(3)
מנגנון נוסף הוא זה המבוסס על מטען חשמלי. דפנות ממברנת המחסום דם-מוח עשירות בחלבונים הטעונים מטען שלילי, וכתוצאה מכך תרכובות בעלות מטען חיובי נקשרות לדופן הממברנה האנדותליאלי ויכולות לעבור החדרה במנגנון של absorptive mediated transcytosis (AMT). הישימות הטכנולוגית של אסטרטגיה זו הודגמה ע"י החברה הצרפתית Synt:em, אשר פיתחה וקטור פפטידי טעון מטען חיובי ((Syn1001, ששימש להעברתMorphine 6 glucoronide (אנלוג של מורפין שאינו חודר את המחסום דם-מוח) במודלים פרא-קליניים (4), ובניסוי קליני למוחם של מתנדבים בריאים.
בדומה לשיטות המבוססות על זיקה לקולטן, גם שיטות המבוססות על החדרה באמצעות שינויי מטען לוקות בסלקטיביות יחסית וגורמות לשינוי בתכונות הפרמקוקינטיות של התרופה המותמרת. כמו כן, חומרים קטיוניים עלולים לגרום לשפעול המערכת החיסונית, במיוחד לאחר חשיפה ממושכת, ולתופעות לוואי אחרות.
שימוש בנשאים כדוגמת (LAT1) Large Amino Acid Transporter. ניצול נשאים המתבטאים ביתר על דפנות המחסום דם-מוח כדוגמת GLUT1, LAT1, MCT1, CAT1הוא מנגנון נוסף להעברת תרופות דרך מחסום דם-מוח. הדוגמה המוכרת ביותר היא העברת L-DOPA דרך הנשא LAT1 למוח, שם, באמצעות האנזיםL-aromatic acid decarboxyase , הופך ה-L-DOPA לחומר הפעיל Dopamine. דוגמה נוספת היא התרופה ההידרופילית האנטי-אפילפטית Gabapentin. גם היא מועברת למוח ע"י הנשא LAT1.
המגבלה העיקרית של מנגנון זה היא בצורך בהתאמה/ דמיון מרחבי בין התרופה לליגנד האנדוגני. בנוסף, קיים קושי בצימוד ליגנדים אנדוגניים לתרופות קיימות (בדומה למנגנון המיושם לגבי transferrin), והצימוד תרופה-ליגנד אנדוגני (לנשאים אלו) פוגע, לעתים בצורה משמעותית, בשיעור המעבר למוח.

חסימת מנגנוני Efflux

דרך נוספת להעלאת זמינות של תרופות למוח היא ע"י חסימת מנגנוני פינוי. חלק מהחומרים המשמשים לטיפול במחלות של מערכת העצבים המרכזית הם סובסטראטים למנגנוני פינוי המתבטאים על פני דפנות מחסום הדם-מוח (כדוגמת החלבון P- glycoprotein (Pgp)). בשל כך, ע"י חסימתם של מנגנוני הפינוי, ניתן באופן עקיף להעלות בצורה משמעותית את ריכוז התרופות המפונות על ידם. בניסויים פרא-קליניים הודגמה יעילות טכנולוגיה זו לצורך העלאת רמות התרופה הכימו-תרפויטית Paclitaxel שהינה סובסטראט של Pgp. מתן בו-זמני של תרופה זו ו-GF120918 שהינו חסםPgp גרם לעלייה משמעותית בריכוז Paclitaxel במוח (5). המגבלה העיקרית של גישה זו היא שהשינוי בפיזור החומר אינו ייחודי למוח ונמדדת עלייה משמעותית בריכוז החומר באברים אחרים המבטאים תעלות אלו (כדוגמת הכבד). בנוסף, יש להתאים את הפרופיל הפרמקוקינטי של חוסם התעלה/ות עם התרופה, בכדי שריכוז החסם יהיה אופטימלי בזמן מתן התרופה.

שימוש בננוטכנולוגיה לצורך העברת תרופות למוח
שימוש בפורמולציות המבוססות על מערכות ננוקולואידליות הינה שיטה נוספת להחדרת תרופות למוח. הישימות הטכנולוגית הודגמה על מספר חומרים (ראו טבלה 2) במספר מערכות מודל.

טבלה 2: דוגמאות להחדרת תרופות או סמנים למוח בעקבות שימוש במערכות ננו

Results	NP Size (nm)	Surfactant type	Polymer/Stabilizer	NP type	Drug Tested
Increased brain AUC 10.4 fold	196.8	Poloxamer 188	Soybean oil	Solid lipid NP	Camphotericin
27-fold increase in transport across in-vitro BBB model	60	Lipid coating-dipalmitoyl phosphatidylcholine	maltodextrin	Polysaccharide core	Albumin
Levels ~1/4 of plasma after 4 hr vs. zero in brain without NP carrier	90	Epikuron 200	Stearic acid	Solid lipid NP	Doxorubicin
~6 mg/g (brain) at 2-5 hr, vs. zero without carrier	270	Polysorbate-80	Butylcyanoacrylate/ dextran 70 kDa	Solid NP	Doxorubicin

בנוסף ליכולת חלקיקי הננו למסך ולהעביר תרופות דרך מחסום דם-מוח, לחלקיקים אלו יתרון נוסף בכך שהם מאפשרים שחרור מושהה של התרופה מתוך חלקיק הננו לרקמת המוח, ובכך מקטינים בצורה משמעותית את החשיפה הפריפריאלית ואת תופעות הלוואי הנגזרות מחשיפה זו.

מנגנון ההחדרה של חלקיקי הננו הוא, ככל הנראה, RMT, כתוצאה מספיחת apolipoprotein E (apoE) על פני שטח הפנים של החלקיק. לאחר הספיחה, חלקיק הננו עובר transcytosis למוח באמצעות קולטני low density lipoprotein (LDL). המגבלה העיקרית של טכנולוגיה זו היא ספיחה בלתי ספציפית של חלקיקי הננו למערכת ה-Reticuloendothelial system (RES), המקטינה באופן משמעותי את זמינות החלקיקים לאחר מתן סיסטמי.

החדרת תרופות באמצעות פתיחה זמנית של מחסום דם-מוח

דרך נוספת להחדרת תרופות למוח הינה באמצעות פתיחה בלתי סלקטיבית של המחסום דם-מוח ע"י:

פתיחה אוסמוטית באמצעות נוזל היפראוסמוטי כדוגמת מניטול
פתיחה באמצעים כימיים המשפעלים קולטנים ע"פ דופן האנדותל

נמצא שתמיסות היפרטוניות(hypertonic solutions) המוזרקות לכלי הדם המוחיים, גורמות לכיווץ תאי האנדותל של דפנות המחסום דם-מוח וכתוצאה מכך להגדלת החדירות. שיטה זו משמשת בניסויים קליניים לצורך העברת חומרים אנטי-סרטניים לטיפול בגידולי מוח. התמיסה המקובלת היא תמיסת מניטול(mannitol) היפראוסמוטית, הגורמת לפתיחת המחסום דם-מוח (ראו תמונה 3). בשיטה זו ניתן לפתוח את המרווח הבין-תאי עד למרווח של כ-200A למשך פרק זמן של כ-10-20 דקות (6). המגבלות העיקריות של שיטה זו הן בצורך בפרוצדורה חודרנית (הזרקה לכלי הדם המוחיים הראשיים כדוגמת הקארוטיד) הדורשת אשפוז ומעקב. גם זמן הפתיחה קצר יחסית, כך שזמן החשיפה לתרופה מוגבל.

שיטה אלטרנטיבית נוספת לפתיחה בלתי בררנית של המחסום דם-מוח הינה ע"י שימוש באגוניסט ל-Bradykinin,Lobradimil (RMP-7) , אשר גורם להגדלה זמנית בחדירות מחסום דם-מוח עקב הפעלת הקולטנים מסוג B2 . טכנולוגיה זו לא הוכחה כיעילה בניסויים קליניים בהם שימשה להעברת תרופות אנטי-סרטניות כדוגמת carboplatin לחולים הסובלים מגידול במוח glioblastoma multiforme.

בהכללה, ניתן לציין ששיטות פתיחה שאינן בררניות הן בעייתיות, כיוון שבנוסף לתרופה, עשויים לחדור אנזימים, נוגדנים וחומרים נוספים שעלולים לפגוע במוח. כמו כן, פעילות תקינה של המערכות העצביות מותנית בשמירה על תנאים ייחודיים, שבחלקם מתקיימים כתוצאה מפעילות תקינה של המחסום דם-מוח. פתיחה בלתי בררנית עשויה לפגוע בתנאים אלו.

תמונה 3:

פתיחה סלקטיבית של מחסום דם-מוח לצבען Evans Blue, בעקבות הזרקת מניטול לקרוטיד של חולדה. [PharmaSeed Ltd.]

החדרת תרופות למוח בטכנולוגיות עוקפות מחסום דם-מוח

קיימות מספר טכנולוגיות המשמשות להעברת תרופות למוח, העוקפות את המחסום דם-מוח (למעט השימוש באולטראסאונד – ראה להלן 6) שאינן במרכז סקירה טכנולוגית זו. טכנולוגיות אלו כוללות בין השאר:

החדרת תרופות דרך ה-olfactory epithelium (intranasal administration)
החדרה של תרופות למוח ע"י הזרקה ישירה לרקמת המוח או לחדרי המוח (תמונה 4) (intracerebroventicular injection, convention-enhanced delivery
הזרקה לנוזל השדרה (intrathecal administration)
השתלת מערכות פולימריות לשחרור מושהה של תרופות במוח ((slow polymer release systems
השתלת תאים המפרישים פקטורי גדילה, ציטוקינים וכד'(cell transplantation)
שימוש באולטראסאונד כדרך לפריצה ממוקדת של המחסום דם-מוח.

השימוש בטכנולוגיות אלו ברובו ניסיוני ולכל אחת משיטות ההחדרה המצוינות מגבלות משמעותיות.

תמונה 4: הזרקה סטריאוטקטית ישירה של תרכובת אנטיסנס לרקמת המוח גורמת לירידה משמעותית סלקטיבית בכמות ה-mRNA של חלבון המטרה באזור ההזרקה.

סיכום

מחסום דם-מוח מהווה אתגר משמעותי בתהליך הפיתוח של טיפולים תרופתיים למחלות של מערכת העצבים המרכזית. כיום נעשית פעילות מחקרית ענפה, שמטרתה לשפר את יכולת ההחדרה של תרופות ומוצרים ביוטכנולוגיים למוח. מגוון השיטות והפיתוחים העתידיים עשויים לאפשר התאמה של טכנולוגיית מעבר לאופי הטיפול ולסוג המחלה. חברת פארמאסיד עוסקת בפיתוח ובבחינת פתרונות להעברת תרכובות דרך מחסום הדם מוח. כמו כן, החברה מתמחה באפיון ופיתוח ראשוני של תרכובות לטיפול במחלות של מערכת העצבים המרכזית וגידולים סרטניים. לאחרונה חתמה החברה על הסכם שיתוף פעולה עם חברת קרנלביופארמה על שימוש בטכנולוגיה חדשנית המבוססת על חומצות גרעין מוצמדות פפטיד החודרות את מחסום הדם מוח ומונעות ביטוי חלבונים במוח. טכנולוגיה זו תשמש את פארמאסיד לאפיון גנים חדשים
(functional genomics) העשויים להיות "גני מטרה" לתרופות עתידיות.

המחקר מתבצע ע"י היחידה הפראקלינית ( (pharmaseed bioservices המספקת שירותי מחקר ופיתוח לחברות ביוטכנולוגיה, פארמה ומכשור רפואי.

הכותב: דר' יצחק למנסדורף, מנכ"ל PharmaSeed Ltd.
itschak@pharmaseedltd.com

מקורות:

Marcus et al., Evaluation of a Brain-Targeting Zidovudine Chemical Delivery System in Dogs Antmic. Agen.Chemo; 41: 122-128, 1997
Granholm et al., A non-invasive system for delivering neural growth factors across the blood-brain barrier: a review. Rev Neurosci; 9: 31-55, 1998
Demeule et al., High transcytosis of melanotransferrin (P97) across the blood-brain barrier Journal of Neurochemistry; 83: 924, 2002
Temsamani et al., Improved brain uptake and pharmacological activity profile of morphine-6-glucuronide using a peptide vector-mediated strategy. J Pharmacol Exp Ther; 13: 712-719, 2005
Kemper et al., Increased Penetration of Paclitaxel into the Brain by Inhibition of P-Glycoprotein. Clinical Cancer Research; 9: 2849-2855, 2003
Stanley I. Rapoport. Osmotic Opening of the BloodBrain Barrier: Principles, Mechanism, and Therapeutic Applications Cellular and Molecular Neurobiology; 20: 217-230, 2000
Modified by TJ Raub from C Lipinski, Drew Univ Med Chem Special Topics Course, July 1999

באותו נושא:

מאמרים נוספים

פיתוח טיפול תרופתי למחלות מערכת העצבים המרכזית - מחסום דם-מוח

שוק התרופות לטיפול במחלות של מערכת העצבים המרכזית מוערך בכ-59 מיליארד דולר. למרות גודלו, שוק זה קטן באופן משמעותי משוק התרופות למחלות קארדיווסקולריות (כ-20%...