Elsistema nervioso central (SNC) El sistema nervioso central (SNC) está formado por varios compartimentos, entre los que se incluyen el líquido cefalorraquídeo (LCR), el parénquima cerebral, los ventrículos y las meninges. En el SNC, una densa red de neuronas funciona para transmitir, almacenar y procesar información, lo que facilita diversas actividades mentales y controla todos los comportamientos en los animales. Los cambios locales en el cuerpo, como las fluctuaciones del pH, los trastornos metabólicos o las microhemorragias, así como los cambios circulatorios periféricos (p. ej., infecciones bacterianas o víricas) y otras alteraciones orgánicas (p. ej., deterioro funcional, desregulación biológica o inflamación) pueden provocar cambios sutiles en el microambiente del SNC. Estos cambios afectan significativamente la funcionalidad del SNC, lo que da lugar a alteraciones de las capacidades cognitivas, las emociones y los comportamientos. El cerebro actúa como el sistema de control central del cuerpo, regulando todas las funciones cognitivas y fisiológicas.
En los últimos años, la creciente prevalencia de trastornos neurológicos como la enfermedad de Alzheimer, la depresión, la esquizofrenia y la enfermedad de Parkinson ha convertido al desarrollo de fármacos para el SNC en un punto focal de la investigación farmacéutica. Sin embargo, las altas tasas de fracaso en el desarrollo de fármacos para el SNC se atribuyen a factores como los mecanismos poco claros de la enfermedad, la barrera hematoencefálica (BHE) y la irreemplazabilidad de las neuronas. Este artículo presenta una descripción general de la detección y evaluación de fármacos para el SNC desde la perspectiva deMetabolismo y farmacocinética de fármacos (DMPK) .
Desafíos en el tratamiento del SNC
Estudios de la microestructura cerebral han revelado que el lecho capilar cerebral presenta uniones estrechas entre células endoteliales cerebrales (CEC), con mínimas vesículas grandes reguladoras de células o ventanas intracelulares. Además, se han identificado uniones estrechas en el plexo coroideo, lo que confirma la existencia de la barrera sangre-LCR. Estos hallazgos indican que los compuestos que ingresan al cerebro encuentran al menos dos barreras: la BHE a nivel de pequeñas arterias-capilares-venas pequeñas y la barrera sangre-LCR ubicada en el plexo coroideo. Ambas barreras impiden la libre difusión de compuestos al SNC.
1.1 Barrera hematoencefálica (BHE)
La BHE se encuentra entre el tejido cerebral y los capilares, lo que representa un obstáculo importante para que muchas moléculas de fármacos penetren desde el sistema circulatorio hasta el cerebro, lo que la convierte en el primer obstáculo en el desarrollo de fármacos para el SNC. La BHE se manifiesta típicamente como una membrana lipídica. Las sustancias lipofílicas pequeñas pueden ingresar fácilmente al SNC, mientras que muchos fármacos hidrófilos, especialmente aquellos con alta carga o los que se unen firmemente a las proteínas séricas, no pueden atravesarla.
Las características fisiológicas del cerebro incluyen una densa red capilar debajo de la corteza, de aproximadamente 650 km de longitud, con una superficie vascular de aproximadamente 15-20 metros cuadrados. Debido a esta gran superficie, la BHE se considera a menudo la vía principal para la captación de pequeñas moléculas plasmáticas. Las células endoteliales maduras del SNC establecen la BHE para proteger el tejido neuronal de las fluctuaciones de los componentes sanguíneos, excluir toxinas y mantener la homeostasis iónica. La BHE consiste en una capa de células endoteliales capilares cerebrales y células gliales muy compactas, que forman una barrera que impide el transporte molecular desde la sangre al tejido perineuronal y crea resistencia a los procesos transmembrana. La BHE puede limitar estrictamente la entrada de todos los compuestos, excepto los compuestos pequeños no polares, lo que complica el tratamiento de los trastornos del SNC.
1.2 Barrera hematoencefálica (BCSFB)
La circulación del LCR comienza en los ventrículos a través del plexo coroideo y se extiende hasta el lado craneal y la aracnoides espinal. La BCSFB es otra barrera primaria; los compuestos del torrente sanguíneo pueden penetrar directamente en la BCSFB o cruzar la BHE antes de llegar al LCR a través de la difusión o convección, lo que regula la entrada y salida de varias sustancias en la médula espinal. Esta barrera tiene una superficie relativamente pequeña, tasas de difusión bajas y tasas de depuración rápidas, lo que impide eficazmente la entrada de moléculas más grandes, proteínas y péptidos.
Los principales procesos de transporte dentro del SNC se ilustran en la figura adjunta. El tejido cerebral está formado por líquido intersticial (LCI) y células cerebrales, rodeadas de LCR. Desde el punto de vista científico, la concentración de fármacos en el líquido intracelular (LIC) es de interés primordial (en particular su concentración libre). Sin embargo, las tecnologías actuales no pueden medirla directamente. El LCI sirve como indicador teórico y existe una barrera biológica (la membrana celular) entre el LCI y el LCI. En el LCI hay proteínas como la albúmina que pueden unirse a los fármacos, lo que dificulta la medición directa (aunque se puede inferir mediante microdiálisis). En general, se considera que el LCI y el LCI están en equilibrio en condiciones ideales. La concentración de fármacos en el LCR suele considerarse aproximadamente igual a la concentración de fármaco libre en el LCI, lo que lo convierte en un medio común para evaluar la permeabilidad cerebral.
La BHE y la BCSFB crean barreras significativas para la libre difusión de compuestos en el SNC. Se cree que la concentración de fármaco libre en el plasma, en ausencia de transporte mediado por transportadores, es aproximadamente igual a las concentraciones libres en el LCI y el LCR.
2.1 Parámetros para evaluar la permeabilidad de la BHE
Comprender los factores que influyen en la exposición cerebral a fármacos del sistema nervioso central y las metodologías utilizadas para la evaluación es fundamental para el desarrollo de fármacos. La identificación de parámetros clave para la detección y la optimización tiene como objetivo mejorar la exposición cerebral, evitar los sustratos para los transportadores de eflujo y reducir las tasas de depuración sistémica, asegurando que una cantidad suficiente de fármaco llegue al sitio de destino para ejercer sus efectos. Dados los desafíos que supone cruzar la barrera hematoencefálica, es vital seleccionar parámetros o indicadores apropiados como estándares para la evaluación.
Algunos indicadores de referencia comunes para evaluar la permeabilidad de la BHE incluyen:
2.2 Métodos comunes para evaluar la permeabilidad de la BHE
Debido a los diversos mecanismos de permeabilidad de las moléculas pequeñas, los métodos más comunes abordan principalmente la permeabilidad de la barrera hematoencefálica, la distribución de fármacos en el cerebro, la concentración de fármacos libres en el cerebro y el impacto de los transportadores en la barrera hematoencefálica. En esta sección se analizan los métodos más utilizados durante el descubrimiento de fármacos.
3.1 Medición de la concentración de fármaco libre en el cerebro
Los estudios en animales son el medio más directo y eficaz para obtener concentraciones de fármacos en el tejido cerebral, el LCR y el plasma. Normalmente, las especies utilizadas para la detección farmacocinética (PK) deben alinearse con la eficacia y la toxicidad. La vía de administración debe determinarse en función de los objetivos de desarrollo. Los procedimientos son similares a las pruebas farmacocinéticas estándar, y se requiere atención para los métodos de recolección de tejido cerebral o LCR. Los resultados de las pruebas deben calibrarse con los valores fu determinados in vitro del compuesto en plasma y tejido cerebral, ya que el bajo contenido proteico del LCR no necesita corrección. Kp, uu evalúa la capacidad de un compuesto para penetrar la BHE, mientras que AUCCSF y AUCp, u evalúan las características de distribución a través de la BCSFB, lo que indica si el LCR puede servir como parámetro sustituto para estudiar las concentraciones de fármacos libres en el tejido cerebral.
Según la hipótesis del fármaco libre, lo ideal sería que la concentración del fármaco libre en el cerebro refleje de forma más directa la concentración del fármaco activo; sin embargo, en condiciones prácticas, resulta complicado medir las concentraciones del fármaco libre en las células del tejido cerebral. En ausencia de efectos transportadores significativos, las concentraciones del fármaco libre en el plasma, el LCR o el líquido intersticial del tejido cerebral sirven como parámetros sustitutos.
3.1.1 Medición de la distribución del tejido cerebral
Se utilizan puntos de muestreo únicos o múltiples para calcular Kp,brain:
El valor de Kp,brain es relativamente fácil de obtener, pero este parámetro puede introducir sesgos en la comprensión de los compuestos. Debido a las diferencias en la fracción libre de compuestos en el plasma y el tejido cerebral, los compuestos con una alta proporción sangre-plasma pueden no tener altas concentraciones libres en el cerebro; por el contrario, los compuestos con una proporción sangre-plasma más baja pueden ser candidatos superiores. Por lo tanto, este parámetro solo puede excluir de manera aproximada los compuestos con concentraciones cerebrales totales muy bajas, lo que lo hace inadecuado para seleccionar candidatos óptimos.
3.1.2 Método de la relación fármaco libre plasma-cerebro
Kp, uu representa la relación fármaco libre entre el cerebro y el plasma, un parámetro clave para evaluar el equilibrio de distribución de compuestos entre la sangre y el cerebro. Refleja de forma integral la difusión pasiva y las acciones de los transportadores.
Las fracciones libres en el plasma y el tejido cerebral se utilizan principalmente para convertir los parámetros farmacocinéticos estándar en parámetros de fármaco libre. Si se considera de forma aislada, una fracción de fármaco libre más alta generalmente indica una concentración de fármaco eficaz más alta. Sin embargo, desde una perspectiva holística, el aumento de las fracciones de fármaco libre en el plasma puede conducir a un aumento del metabolismo o de las tasas de excreción, mientras que las fracciones de fármaco libre elevadas en el tejido cerebral podrían obstaculizar la difusión pasiva en el cerebro. En consecuencia, el fu no suele servir como parámetro principal para la optimización y su valor no está vinculado de forma inherente a la eficacia del fármaco.
Cuando Kp, uu se acerca a 1, refleja características ideales del compuesto, lo que indica una buena permeabilidad y que no es un sustrato para los transportadores; en estas condiciones, la concentración plasmática del fármaco libre puede servir como un indicador sustituto. Por el contrario, cuando Kp, uu es significativamente menor que 1, sugiere que el compuesto puede ser un sustrato para los transportadores o tener una permeabilidad deficiente, lo que requiere modificaciones estructurales para mejorar las características del compuesto. Cuando Kp, uu supera 1, puede indicar la participación de transportadores activos en los procesos de transporte transmembrana.
3.1.3 Método de medición del LCR
La concentración de fármacos en el LCR suele considerarse aproximadamente igual a la concentración de fármaco libre en el LCI, lo que la convierte en una matriz común para evaluar la permeabilidad cerebral. En general, las concentraciones de proteínas en el LCR son insignificantes. La detección de concentraciones de LCR in vivo plantea desafíos técnicos, principalmente debido a los volúmenes de muestreo limitados (p. ej., la circulación total del LCR de una rata es de solo 250 μL), la susceptibilidad a la contaminación de la sangre durante la recolección y las concentraciones típicamente bajas (solo concentraciones de fármaco libre).
3.2 Permeabilidad de la barrera hematoencefálica
3.2.1 Tecnología de membranas artificiales
El modelo PAMPA emplea una estructura de "sándwich": un tampón donante que contiene la sustancia de prueba en la parte inferior, una membrana lipídica artificial en el medio y un tampón receptor encima. Este modelo utiliza una membrana lipídica artificial que carece de proteínas de transporte, adecuada para evaluar fármacos con mecanismos de difusión pasiva pero incapaz de predecir con precisión aquellos que dependen del transporte activo. Como la mayoría de los compuestos ingresan al tejido cerebral a través de la difusión pasiva, la permeabilidad pasiva de la BHE es fundamental en el diseño de fármacos. Se ha desarrollado un modelo PAMPA-BHE de alto rendimiento para evaluar la permeabilidad pasiva de un fármaco a través de la BHE.
3.2.2 Método de perfusión cerebral in situ
El método de perfusión cerebral in situ es el método de referencia para evaluar la permeabilidad de la barrera hematoencefálica; sin embargo, debido a sus exigencias técnicas y a los desafíos de viabilidad, rara vez se utiliza para la detección de compuestos. Actualmente, el método más común consiste en homogeneizar el plasma y el tejido cerebral y aplicar una diálisis de equilibrio para la medición. En el caso de compuestos con una unión no específica significativa a niveles elevados de proteínas, es posible que sea necesario ajustar el tiempo de equilibrio experimental para garantizar un equilibrio verdadero, evitando así discrepancias en los resultados. Los métodos alternativos incluyen Transil o diálisis de equilibrio por pasos. Los estudios han descubierto que las tasas de unión al tejido cerebral son independientes de la especie y de la región del tejido cerebral, lo que permite obtener las tasas de unión al tejido cerebral humano a partir de datos de una sola especie. Otros métodos incluyen la ultracentrifugación, la microdiálisis y el seccionamiento del tejido cerebral.
3.3 Actividad de transporte de eflujo de la glicoproteína P (Pgp)
Para simular mejor la BHE y evaluar la permeabilidad de los compuestos de prueba a través de la BHE, se han desarrollado modelos celulares derivados o no del cerebro (modelo celular MDCK, modelo celular MDCK-MDR1, modelo celular Caco-2). En comparación con los métodos PAMPA-BHE, los modelos celulares son más adecuados para estudiar los transportadores de la BHE. Evaluar si un compuesto es un sustrato para Pgp y si experimenta eflujo es crucial, ya que Pgp sigue siendo un transportador significativo que evita que los medicamentos ingresen al cerebro. La detección de la actividad de eflujo de Pgp es vital para la terapia del SNC. Los modelos celulares MDCK-MDR1 o Caco-2 pueden evaluar la actividad de eflujo de Pgp y guiar las modificaciones estructurales para superar el eflujo mediado por Pgp y mejorar la permeabilidad.
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