Literature Review: Investigating Drug Transport at the Blood-Brain Barrier and the Effects of P-glycoprotein on the Brain Distribution of Drugs.

The blood-brain barrier (BBB) is a unique barrier that strictly regulates the entry of endogenous substrates and xenobiotics into the brain. This is due to its tight junctions and the array of transporters and metabolic enzymes that are expressed. The determination of brain concentrations in vivo is difficult, laborious and expensive which means that there is interest in developing predictive tools of brain distribution. Predicting brain concentrations is important even in early drug development to ensure efficacy of central nervous system (CNS) targeted drugs and safety of non-CNS drugs. The literature review covers the most common current in vitro, in vivo and in silico methods of studying transport into the brain, concentrating on transporter effects. The consequences of efflux mediated by p-glycoprotein, the most widely characterized transporter expressed at the BBB, is also discussed. The aim of the experimental study was to build a pharmacokinetic (PK) model to describe p-glycoprotein substrate drug concentrations in the brain using commonly measured in vivo parameters of brain distribution. The possibility of replacing in vivo parameter values with their in vitro counterparts was also studied. All data for the study was taken from the literature. A simple 2-compartment PK model was built using the Stella™ software. Brain concentrations of morphine, loperamide and quinidine were simulated and compared with published studies. Correlation of in vitro measured efflux ratio (ER) from different studies was evaluated in addition to studying correlation between in vitro and in vivo measured ER. A Stella™ model was also constructed to simulate an in vitro transcellular monolayer experiment, to study the sensitivity of measured ER to changes in passive permeability and Michaelis-Menten kinetic parameter values. Interspecies differences in rats and mice were investigated with regards to brain permeability and drug binding in brain tissue. Although the PK brain model was able to capture the concentration-time profiles for all 3 compounds in both brain and plasma and performed fairly well for morphine, for quinidine it underestimated and for loperamide it overestimated brain concentrations. Because the ratio of concentrations in brain and blood is dependent on the ER, it is suggested that the variable values cited for this parameter and its inaccuracy could be one explanation for the failure of predictions. Validation of the model with more compounds is needed to draw further conclusions. In vitro ER showed variable correlation between studies, indicating variability due to experimental factors such as test concentration, but overall differences were small. Good correlation between in vitro and in vivo ER at low concentrations supports the possibility of using of in vitro ER in the PK model. The in vitro simulation illustrated that in the simulation setting, efflux is significant only with low passive permeability, which highlights the fact that the cell model used to measure ER must have low enough paracellular permeability to correctly mimic the in vivo situation.

Veri-aivoeste säätelee tarkasti sekä endogeenisten aineiden että vierasaineiden pääsyä aivoihin tiiviiden liitosten sekä erikoistuneiden kuljetinproteiinien ja metaboliaentsyymien avulla. Koska lääkeainepitoisuuksien määrittäminen aivoissa on työlästä ja kallista, on pyritty kehittämään menetelmiä, joiden avulla pitoisuuksia voisi ennustaa. Jo lääkekehityksen alkuvaiheessa on tärkeää ennustaa pitoisuuksia, jotta keskushermostoon vaikuttavien lääkkeiden teho ja muualle elimistöön kohdennettujen lääkkeiden turvallisuus voidaan varmistaa. Kirjallisuuskatsaus kuvaa yleisimmät käytössä olevat in vitro, in vivo ja in silico -menetelmät, joiden avulla lääkeaineiden kulkeutumista aivoihin ja erityisesti aktiivista kuljetusta veri-aivoesteessä tutkitaan. Katsauksessa tarkastellaan myös p-glykoproteiinin, veri-aivoesteen tunnetuimman kuljetinproteiinin, mahdollisia vaikutuksia lääkehoitoon. Erikoistyön tavoite oli rakentaa farmakokineettinen (PK) malli kuvaamaan p-glykoproteiinin substraattien pitoisuuksia aivoissa. Mallissa käytettiin yleisesti mitattuja parametreja, jotka kuvaavat yhdisteiden jakautumista aivoihin. Työssä tutkittiin myös mahdollisuutta korvata in vivo -parametriarvoja vastaavilla in vitro -arvoilla. Kaikki tutkimuksessa käytetty data otettiin kirjallisuudesta. Yksinkertainen 2-tilamalli rakennettiin STELLA™-ohjelmalla. Mallilla simuloitiin morfiinin, loperamidin ja kinidiinin pitoisuuksia aivoissa ja tuloksia verrattiin julkaistuihin tutkimuksiin. Eri tutkimuksissa mitattujen in vitro -efluksisuhteiden (efflux ratio, ER) arvoja vertailtiin ja tutkittiin korrelaatiota in vitro ja in vivo mitattujen ER-arvojen välillä. Toinen STELLA™-malli rakennettiin jäljittelemään in vitro -permeabiliteettikoetta ja sitä käytettiin arvioimaan mitatun ER:n herkkyyttä passiivisen permeabiliteetin ja efluksin Michaelis-Menten parametriarvojen vaihtelulle. Lajien välisiä eroja tarkasteltiin lääkeaineiden aivopermeabiliteetin ja aivokudokseen sitoutumisen osalta. PK malli onnistui kuvaamaan kaikkien kolmen lääkeaineen pitoisuus-aikaprofiilien muodon sekä aivoissa että plasmassa. Morfiinin aivopitoisuuksien ennustus oli hyvä, mutta malli yliarvioi loperamidin ja aliarvioi kinidiinin pitoisuudet aivoissa. Koska lääkeaineen pitoisuuksien suhde aivoissa ja veressä on riippuvainen ER-arvosta, epäonnistumisen yksi mahdollinen syy on ER-arvon epätarkkuus, sillä siitä on esitetty vaihtelevia arvioita kirjallisuudessa. Jotta voitaisiin vetää lisää johtopäätöksiä, on mallia validoitava laajemmalla yhdistejoukolla. In vitro ER-arvojen korrelaatio tutkimusten välillä oli vaihtelevaa, mikä viittaa koeolosuhteiden, kuten lääkeaineen pitoisuuden, vaikutukseen. Kaiken kaikkiaan erot olivat kuitenkin pieniä. Korrelaatio in vivo ja pienillä pitoisuuksilla määritetyn in vitro ERarvon välillä oli hyvä, mikä puoltaa in vitro –arvojen mahdollista käyttöä PK mallissa tämän parametrin osalta. In vitro -simulaatio osoitti, että tässä simulaatiossa efluksin vaikutus oli merkittävä vain kun passiivinen permeabiliteetti on pieni. Tämä korostaa sitä, että ER-arvon määrittämiseen käytettävän solumallin tulee olla riittävän tiivis, jotta tulos vastaisi in vivo tilannetta.