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Eine wirklich naive Ansicht ist, dass die BBB nur eine Wand ist. Es ist eine ganze Reihe physikalischer Eigenschaften, die es den Gefäßen ermöglichen, zu kontrollieren, was zwischen Blut und Gehirn passiert.-Richard Daneman
University of California, San Diego

„Es war sehr aufregend“, sagt der Radiologieforscher Nathan McDannold, der das Therapeutische Ultraschalllabor am Brigham and Women’s Hospital in Boston leitet und an der Entwicklung der Technik mitgewirkt hat, mit der Mikrobläschen und Ultraschall die Blutgefäße sanft stören. Ärzte sind in der Regel auf das Kreislaufsystem angewiesen, um ein Medikament aus dem Darm oder einer Injektionsstelle in erkrankte Bereiche des Körpers zu transportieren, aber wenn es um das Gehirn und das Zentralnervensystem (ZNS) geht, wechselt das Gefäßsystem vom Verabreichungsweg zum Sicherheitssystem. Die Blutgefäße des ZNS sind anders als im Rest des Körpers. Ihre Grundeinheiten – Endothelzellen – sind mit einer Reihe einzigartiger Eigenschaften ausgestattet, die die Passage von mehr als 90 Prozent der niedermolekularen Medikamente und fast aller Biologika durch oder zwischen den Zellen verhindern. Bestimmte Proteine verschließen beispielsweise Räume zwischen Zellen, und Molekülpumpen verdrängen unerwünschte Moleküle, die in die Endothelzellen gelangen, bevor diese Substanzen durch die Blutgefäßzellen in das ZNS wandern können.

Mehr Sicherheit liegt direkt außerhalb des Gefäßsystems. Wie bei den meisten Blutgefäßen im ganzen Körper sind die Endothelzellen von einer Schicht extrazellulärer Matrixproteine umgeben und von Zellen, den sogenannten Perizyten, unterstützt, die die Entwicklung der Blutgefäße steuern. Aber im ZNS ist die Dichte der Perizyten fast 100 mal höher als anderswo im Körper. ZNS-Endothelzellen werden weiter von den Pseudopoden oder falschen Füßen von Nervenzellen bedeckt, die Astrozyten genannt werden. Sowohl Perizyten als auch Astrozyten bilden eine zusätzliche Barriere und beeinflussen die Expression von Genen, wie z. B. solchen, die für Komponenten von Tight Junctions kodieren, die ZNS-Blutgefäße so selektiv machen.

An diesem Tag im Sunnybrook Hospital erwies sich die fokussierte Ultraschalltechnik jedoch als erfolgreich, um diese gewaltige Barriere zu durchbrechen. „Wir haben 15 Jahre lang daran gearbeitet, Tierversuche durchzuführen, und wir sind an dem Punkt, an dem es bereit ist, in die Klinik zu gehen“, sagt McDannold.

PROBELAUF: Im Jahr 2015 unterzog sich die Hirntumorpatientin Bonny Hall (oben) einem experimentellen Verfahren, das darauf abzielte, das Chemotherapeutikum Doxorubicin direkt an einen Tumor in ihrem Gehirn abzugeben. Der Helm, der ihren Kopf umrahmte, lieferte Ultraschallimpulse an neun Stellen ihres Gehirns, unmittelbar nachdem Wissenschaftler (Yuexi Huang im Bild) mikroskopisch kleine Luftblasen in eine Vene in ihrer Hand injiziert hatten. Mit Gadolinium als Marker zeigten die resultierenden MRT-Scans (hier), dass der Ansatz erfolgreich war: Der Ultraschall ließ die Mikrobläschen oszillieren, dehnte die Blutgefäße in der Nähe von Halls Tumor aus und ermöglichte es der Chemotherapie, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden und in das Nervengewebe einzudringen.DOUG NICHOLSON / SUNNYBROOK

Obwohl Halls Verfahren ein Meilenstein war und den Weg für eine gezielte, nichtinvasive Arzneimittelabgabe an das Gehirn ebnen konnte, war es kaum das erste Mal, dass die BBB für einen medizinischen Zweck geöffnet wurde. Seit Jahrzehnten verwenden Ärzte hyperosmotische Lösungen, die dazu führen, dass Endothelzellen im gesamten gehirnnahen Gefäßsystem schrumpfen und Lücken öffnen, durch die Medikamente hindurchtreten können. Seit den 1990er Jahren werden auch Verfahren eingesetzt, die die BHS umgehen, indem ein Medikament mithilfe von Kathetern direkt in das Gehirngewebe oder in die Gehirn-Rückenmarksflüssigkeit (CSF) injiziert wird. Forscher wie McDannold suchen jedoch nach weniger invasiven und präziseren Wegen, um hineinzukommen. Einige möchten die BBB an bestimmten Orten und zu bestimmten Zeiten öffnen, um Erkrankungen wie Hirntumoren zu behandeln; andere zielen darauf ab, es intakt zu lassen und gleichzeitig tägliche Behandlungen für Krankheiten wie Alzheimer durchzuführen. Um diese Ziele zu erreichen, entwickeln Forscher eine Vielzahl von Strategien, von denen jede darauf abzielt, die einzigartigen Merkmale, die der BBB ihre Stärke und Selektivität verleihen, zu umgehen oder auszunutzen.

An den Wachen vorbeischleichen

Um Wege zu finden, die BBB zu durchbrechen, müssen Forscher sie zuerst verstehen. Der biomedizinische Ingenieur Peter Searson hat Jahrzehnte damit verbracht, die notwendigen Technologien und Methoden akribisch zu erwerben, um ein dreidimensionales Faksimile der menschlichen BHS mit Flüssigkeitsfluss zurückzuentwickeln, um die vom Blut gelieferte Scherkraft darzustellen. Er und sein Team an der Johns Hopkins University haben die Komplexität ihres Modells schrittweise erhöht, indem sie zunächst die erforderlichen Zelltypen aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen ableiten und dann die am besten geeigneten Zellkulturbedingungen bestimmen, um die gewünschten Phänotypen zu erreichen. Im Jahr 2015 haben sie zum Beispiel endlich einen Weg gefunden, menschliche Astrozyten in einer 3D-Gelmatrix zu kultivieren, ohne die Stressreaktion der Zellen zu aktivieren, was die Expression bestimmter Gene in den Astrozyten und anderen BBB-Zelltypen verändern würde.1 Der nächste Schritt besteht darin, stressfreie Astrozyten und Perizyten zusammen zu kultivieren.

Siehe „Entwerfen von In-vitro-Modellen der Blut-Hirn-Schranke“

„Wir sind gerade an dem Punkt angelangt, an dem wir anfangen können, alles, was wir gelernt haben, zu kombinieren“, sagt Searson. Dennoch glaubt er nicht, dass dieses komplexe Modell für mindestens ein oder zwei weitere Jahrzehnte vollständig sein wird. Das liegt daran, dass die BBB mehr als nur ein paar zusätzliche Schichten um Blutgefäße ist.“Eine wirklich naive Ansicht ist, dass die BBB nur eine Mauer ist“, stimmt Richard Daneman, Neurowissenschaftler an der University of California, San Diego, zu. „Es ist eine ganze Reihe physikalischer Eigenschaften, die es den Gefäßen ermöglichen, zu kontrollieren, was zwischen Blut und Gehirn passiert.“Eine der prominentesten dieser Eigenschaften ist das Vorhandensein von Tight Junctions, Proteinstrukturen, die die Membranen benachbarter Endothelzellen in der Nähe ihrer blutseitigen oder luminalen Enden zuknöpfen. In den meisten Bereichen des Körpers erreichen Nährstoffe Organe, indem sie zwischen Blutgefäßendothelzellen gleiten. Tight Junctions im Gehirngefäßsystem schränken den Fluss von Molekülen vom Blut zum ZNS ein. „Selbst Wassermoleküle schaffen es nicht durch diese Risse“, sagt Ronald Cannon, Molekularbiologe am National Cancer Institute.

Eine GEWALTIGE BARRIERE: Die Blut-Hirn-Schranke (BBB) ist eine Ansammlung spezialisierter Zellen und Proteine, die die Bewegung von Molekülen vom Blut zum Zentralnervensystem (ZNS) steuern. Die Blutgefäßendothelzellen der BBB sind durch Proteinstrukturen, die als Tight Junctions (1) bezeichnet werden, miteinander zementiert, wodurch die Diffusion der meisten Moleküle zwischen den Zellen verhindert wird. BBB-Endothelzellen weisen Transporter (2), Rezeptoren (3) und Kanäle (4) auf, die den selektiven Transport lebenswichtiger Nährstoffe in das ZNS erleichtern. Sie besitzen auch Effluxpumpen wie P-Glykoprotein, die die meisten kleinen, amphiphilen Moleküle ausstoßen, die im Blut und in Zelllipidmembranen löslich sind (5). Perizyten und Astrozyten-Pseudopoden dienen als zusätzliche physikalische Barriere zwischen Blutgefäß und Hirngewebe und unterstützen die Expression von Endothelzellgenen, die zur Aufrechterhaltung der BHS erforderlich sind.
Siehe vollständige Infografik: WEB | PDF© 2017, LISA clarkenge Verbindungen scheinen dort zu sein, wo Ultraschall und Mikroblasen ihre Magie entfalten. Im Jahr 2008 zeigten der Sunnybrook-Biophysiker Kullervo Hynynen und seine Kollegen an Ratten, dass fokussierte Ultraschallwellen in Gegenwart von Mikrobläschen nicht nur die Undichtigkeit in Gehirngefäßen für bis zu vier Stunden erhöhten, sondern auch die Häufigkeit der Tight-Junction-Proteine Occludin, Claudin-5 und Zona Occluding (ZO) -1 reduzierten. Infolgedessen begann ein großes Molekül namens Meerrettichperoxidase, das normalerweise nicht an der BHS vorbeikommt, zwischen Blutgefäßendothelzellen und in das Gehirn der Ratten zu schlüpfen.2

McDannold, der in den 1990er Jahren ein Doktorand in Hynynens Labor am Brigham and Women’s Hospital war, sagt, dass es noch viel zu tun gibt, um die Mechanismen hinter dem fokussierten Ultraschallverfahren zu verstehen — und seine Sicherheit zu demonstrieren — aber das Konzept hat einen langen Weg zurückgelegt. „Die Idee, Ultraschall zu verwenden, um die BBB zu stören, geht auf die 1960er Jahre zurück“, sagt er. „Zu diesem Zeitpunkt wäre es entweder mit einer Schädigung des Gehirns verbunden oder es wäre nicht reproduzierbar.“ Er und Hynynen verbrachten mehrere Jahre damit, fokussierten Ultraschall auf sichere und kontrollierte Weise anzuwenden, aber sie stießen immer wieder auf das Problem, das Gewebe durch die von den Schallwellen erzeugte Wärme zu schädigen. Dann, im Jahr 2001, hatten sie die Idee, Mikrobläschen auszuprobieren, die im Handel erhältlich sind, um Blutgefäße in MRT-Bildern zu beleuchten. „Um ehrlich zu sein, das erste Experiment, das wir gemacht haben, haben wir massive Schäden im Gehirn verursacht“, sagt McDannold über ihre ersten Tests an Kaninchen. „Da stellten wir fest, dass diese Blasen die Wirkung des Ultraschalls wirklich direkt auf die Gefäßwände fokussieren“, so dass die Forscher die akustische Leistung des Ultraschalls drastisch reduzieren und gleichzeitig den BBB-Durchbruch erzielen konnten.3

Seitdem haben sowohl McDannold als auch Hynynen das Verfahren in Tiermodellen weiter verfeinert und seine Mechanismen detailliert beschrieben. In einer im vergangenen Jahr veröffentlichten Studie verwendete Mcdannolds Team fokussierten Ultraschall in Kombination mit Mikrobläschen, um Anti-HER2-Antikörper an die Gehirne von 10 Ratten mit Brustkrebstumoren zu liefern, die in das Organ metastasiert waren.4 Der Antikörper verlangsamte das Gehirntumorwachstum bei vier der Ratten, die die Ultraschallbehandlung erhielten. „Ohne Ultraschall haben wir überhaupt nichts gesehen“, sagt McDannold.

BBB-MODELLE: Ein Ziel des Feldes ist es, die Blut-Hirn-Schranke (BBB) in vitro zu rekapitulieren, um ihre Eigenschaften und Möglichkeiten, sie zu überwinden, besser zu untersuchen. In einem Ansatz haben Forscher Blutgefäße aus mikrovaskulären Endothelzellen des Gehirns mit Stammzellen gebildet (oben: Tight Junctions, rot; Kerne, blau). In der Zwischenzeit erstellen andere Wissenschaftler Sphäroide (unten), die einen Teil der Struktur und Funktion der BBB nachahmen. Im hier abgebildeten Sphäroid ganz links senden Effluxpumpen (grün) Moleküle aktiv zurück in die Umgebung. In den mittleren und rechten Sphäroiden verhindern Tight Junctions (grün), dass Makromoleküle überhaupt eindringen können. (Kerne, blau; Endothelzellen, rot)BILD VON MORIAH KATTBILD MIT FREUNDLICHER GENEHMIGUNG VON CHOI-FONG CHO; NACHDRUCK MIT GENEHMIGUNG VON NAT COMMUN, 8:15623, 2017.Hynynens Gruppe verwendete die Methode auch in einem Mausmodell der Alzheimer-Krankheit und zeigte, dass das einfache Öffnen der BBB im Hippocampus ausreichte, um die Amyloid-β-Plaque-Spiegel zu senken und das räumliche Gedächtnis der Tiere zu verbessern.5 Sie fanden heraus, dass das Öffnen der Barriere endogene Anti–Amyloid-β-Antikörper in das Gehirn ermöglicht, was dazu führt, dass Astrozyten und Mikroglia mehr von dem toxischen Protein verschlingen.6

Die Technik wird auch am Menschen getestet. Zusätzlich zu einer Phase-1-Hirntumor-Studie mit Bonny Halls Behandlung, die im Jahr 2015 begann, begannen in diesem Jahr Forscher an Sunnybrook, die Sicherheit der Verwendung von fokussiertem Ultraschall zu testen, um die BBB in den Frontallappen von Patienten mit Alzheimer-Krankheit zu öffnen. Und McDannold arbeitet daran, die Zulassung der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) für Studien am Menschen in den USA zu erhalten In der Zwischenzeit entwickeln McDannold, Hynynen und andere Möglichkeiten, Schallwellen zu überwachen, die von den Mikrobläschen abprallen, und passen Sie die Ultraschallleistung während der Behandlung an, um Blutgefäßschäden zu vermeiden. Bisher hat Hynynens Team gezeigt, dass sie dies in Nagetiermodellen und Rhesusaffen tun können. Wenn sich die Technik für den Menschen als sicher erweisen kann, insbesondere wenn sie wiederholt angewendet wird, gibt es laut McDannold eine lange Liste von Erkrankungen, die von einer solchen Behandlung profitieren können. „Wenn Sie genau wüssten, wohin Sie im Gehirn gehen wollten, könnten wir sie lenken, aber das ist weit weg.“

Über, unter, um und durch

Im Moment ist die Mikroblasen- und Ultraschallmethode für die meisten Patienten einfach zu riskant. „Das Gehirn hat die BBB dort speziell, um es vor fremden Verbindungen zu schützen — es ist ein Abwehrmechanismus“, sagt Choi-Fong Cho, Neurowissenschaftler am Brigham and Women’s Hospital. Bei nicht tödlichen Krankheiten „wollen wir die BHS intakt halten, während wir unsere Medikamente verabreichen, damit wir nicht riskieren, das Gehirn auf andere Weise zu beeinflussen.“

Glücklicherweise können viele sorgfältig hergestellte kleine Medikamente die BBB ohne Unterbrechung überqueren. „Wenn Sie darüber nachdenken, wie Sie ein Molekül vermitteln können, müssen Sie über endogene Eigenschaften nachdenken“, sagt Daneman. Schließlich, sagt er, „ist das Ziel nicht, Moleküle aus dem ZNS herauszuhalten“, sondern zu regulieren, welche passieren dürfen und wann. Wenn ein Molekül beispielsweise sowohl im Blut als auch in Lipiden löslich ist, kann es sich in der Lipidmembran einer Zelle auflösen und sich durch die Zelle und auf der anderen Seite herausarbeiten, um das Gehirn zu erreichen. Moleküle wie Sauerstoff, Alkohol und die meisten Anästhetika tun dies die ganze Zeit, wie fast alle aktuellen ZNS-Medikamente. Es gibt viele Möglichkeiten, mit der Ladung und Lipophilie eines Medikaments zu basteln, aber der Erfolg einer solchen Anpassung ist abhängig von der Verbindung Hit-or-Miss, sagt Cho. „Es gibt kein Geheimrezept, um etwas herzustellen, das die BBB überschreitet.“

Forscher haben jahrzehntelang akribisch die notwendigen Technologien und Methoden erworben, um ein dreidimensionales Faksimile der menschlichen BBB zurückzuentwickeln.

Unternehmen verlassen sich auf Screening-Medikamente in vitro, oft mit einer Hunde-Nieren-Zelllinie, weil, wie die BBB, Nierenzellen exprimieren Tight Junctions. Forscher können auch Endothelzellen aus menschlichem Hirngewebe erhalten, die während der Operation entfernt wurden, aber wenn sie alleine kultiviert werden, verlieren diese Zellen schnell ihre Identität und hören auf, Tight Junctions zu exprimieren. Cho und ihre Kollegen erkannten die Notwendigkeit einer einfachen und genauen Screening-Plattform und entwickelten ein Sphäroidmodell, mit dem Mausendothelzellen, Perizyten und Astrozyten in einer 3D-Matrix interagieren können, um zu verhindern, dass die Endothelzellen ihre Identität verlieren. Die Zellen neigen dazu, sich selbst zu montieren, so dass die Astrozyten in der Mitte jeder Kugel sind, mit Perizyten auf der Außenseite und Endothelzellen dazwischen.7 Obwohl sich die Schichtung von der in vivo beobachteten unterscheidet, rekapitulieren die Sphäroide einige BBB-Funktionen getreu. Chos Team zeigte, dass, während die Sphäroide Kohlendioxid, Sauerstoff und Alkohol in ihre Zentren lassen, sie ein Zuckermolekül namens Dextran ausschließen, genau wie es von der BBB erwartet würde.

Wichtig ist, dass die Endothelzellen in den Sphäroiden Tight-Junction-Proteine, zwei für die BBB charakteristische Membranrezeptoren und eine funktionelle Effluxpumpe namens Permeabilitätsglykoprotein (P-gp) produzieren. Die Expression von P-gp ist ein hilfreiches Merkmal, da kleine Moleküle, die eine künstliche BBB durchbrechen, in Tiermodellen oft kläglich versagen, wo die Pumpe sie direkt zurück in das Blutgefäß spuckt. P-gp ist die häufigste der BBB-Effluxpumpen, die zusammen 60 bis 70 Prozent der niedermolekularen Medikamente binden und exportieren. „Es ist ein großes Problem“, sagt Cannon. „Es ist einer der Gründe, warum Medikamente es nicht auf den Markt schaffen.“In einer im April veröffentlichten Studie berichteten Cannon und seine Kollegen, dass sie die Aktivität von P-gp vorübergehend hemmen könnten.8 Unter Verwendung von Kapillaren, die aus Rattengehirnen herausgeschnitten wurden, testeten sie Wirkstoffe auf ihre Fähigkeit, die Aktivität von P-gp zu erhöhen oder zu verringern, und stellten fest, dass ein Phospholipid namens Lysophosphatidsäure (LPA) und das Antidepressivum Amitriptylin zusammen die Fähigkeit von P-gp verringern können, ein fluoreszierendes Substrat in das Innere der Kapillaren zu pumpen. Der Effekt trat innerhalb von Minuten nach der Exposition gegenüber den Medikamenten auf und verschwand fast so schnell, sobald die Medikamente entfernt wurden. „Diese Reversibilität ist wichtig“, sagt Cannon, damit die BBB ihre normale Funktion wieder aufnehmen kann, nachdem sie das Medikament in das Gehirn gelassen hat.Cannons Team testete sowohl LPA als auch Amitriptylin an Gehirnkapillaren aus einem Rattenmodell der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS), bei dem die P-gp-Expression erhöht ist, und stellte fest, dass die Injektion der Medikamente in die Halsschlagadern der Tiere die Menge an Substrat erhöhte, die es über die BHS und in das Gehirn schaffte, was darauf hindeutet, dass die Behandlung die Aktivität der Pumpe reduzierte. Cannon sagt, er hoffe, dass andere die Eigenschaften dieser Verbindungen nutzen könnten, um Medikamente zu überdenken, die die BBB kreuzen, aber zurückgestellt wurden, weil sie durch P-gp sofort aus dem Gehirn entfernt werden. Klinisch verwendet, könnten Medikamente, die die Effluxpumpenaktivität unterbrechen, hilfreich sein, um Medikamente in das Gehirn zu bringen, ohne die Integrität der BHS zu stören.

DIE BBB UMGEHEN: Die Entwicklung von Medikamenten, um das ZNS zu erreichen, erfordert etwas Kreativität seitens der Forscher. Die Ansätze reichen von der Störung der engen Verbindungen der BBB mit Ultraschallwellen und Mikroblasen bis hin zur Entführung der eigenen Transportsysteme der Barriere. Jede Technik hat ihre Vor- und Nachteile, so dass sie für einige Patienten oder Medikamententypen geeignet ist, für andere jedoch nicht.
Siehe die vollständige Infografik: WEB | PDF© 2017, LISA CLARK

Trojanische Pferde

Viele der speziellen Funktionen der BBB sind nicht darauf ausgelegt, Moleküle fernzuhalten, sondern sie ins ZNS zu bringen. Das Gehirn braucht Zucker, bestimmte Aminosäuren und Elektrolyte, sagt Cannon, „und dafür haben wir Transportsysteme eingerichtet.“ Insbesondere haben BBB-Endothelzellen Kanäle, Proteintransporter und Rezeptoren, die Nährstoffe direkt durch Endothelzellen leiten, die alle den Durchgang lebenswichtiger Moleküle wie Ionen, Zucker und Aminosäuren in das ZNS ermöglichen. In einigen Fällen kann eine Therapie ein natürliches Substrat eines dieser Transporter sein – das ist der Fall für das Parkinson-Medikament L-Dopa, eine Aminosäure, die den großen neutralen Aminosäuretransporter Typ 1 verwendet, um ins Gehirn zu gelangen, wo es in Dopamin umgewandelt wird. Theoretisch könnten Forscher jedoch jedes Medikament so verkleiden, dass es von einem Transporter oder Rezeptor erkannt wird, um das Gehirn dazu zu bringen, es aufzunehmen.

Zum Beispiel ist es möglich, Nanopartikel-basierte Medikamente mit dem natürlichen Substrat eines Transporters zu dekorieren. Ein Unternehmen in den Niederlanden namens 2-BBB Medicines entwickelte eine Technik, die das Antioxidans Glutathion in eine Liposomenmembran integriert, so dass das Liposom und seine Arzneimittelfracht über einen Glutathiontransporter in Endothelzellen aufgenommen werden können. Unter Verwendung dieser Glutathion-gespickten Liposomen, um Doxorubicin zu umhüllen, bekamen die Forscher fast fünfmal mehr des Chemotherapeutikums in die Gehirne der behandelten Ratten9 und die Technik begrenzte das Gehirntumorwachstum bei Mäusen.10 Das Unternehmen testet nun die Liposomen bei Menschen mit Hirntumoren und als Mittel, um ein Steroid über die BBB von Menschen mit Multipler Sklerose und anderen entzündlichen ZNS-Erkrankungen zu liefern.

Siehe „Durchdringen des Gehirns“

Andere Pharmaunternehmen versuchen, therapeutische Verbindungen an Rezeptoren anzubringen, die durch einen Prozess namens Transzytose aktiv Fracht in, über und aus Zellen transportieren, so dass die Medikamente ihren Weg ins ZNS „Huckepack“ zurücklegen können. Ein beliebtes Ziel für diesen Ansatz, der Transferrinrezeptor, bringt Eisen in das ZNS, indem es das Trägerprotein Transferrin transportiert. Anstatt Eisen oder Transferrin nachzuahmen, was die Eisenhomöostase der Zellen abwerfen würde, haben sich viele Forschungsgruppen Antikörpern zugewandt, die außerhalb der Transferrinbindungstasche auf den Rezeptor glom . Einige der Antikörper binden entlang einer Droge, während in anderen Fällen der Antikörper selbst die Droge ist, entworfen, um den Transferrinempfänger und ein Krankheitsziel zu binden. Ein Team von Genentech hat beispielsweise einen Antikörper getestet, der den Transferrinrezeptor und die β-Sekretase bindet, ein Enzym, das einen Amyloid-β-Vorläufer spaltet. Der Antikörper akkumulierte sich im Gehirn von Cynomolgus-Affen und reduzierte die Amyloid-β-Spiegel im Liquor und im Gehirngewebe der Tiere.11

Der Chemiker der Northwestern University, Chad Mirkin, geht einen völlig neuen Weg ins Gehirn. Vor zwanzig Jahren entwickelte Mirkins Team eine einzigartige Klasse von Gentherapeutika namens sphärische Nukleinsäuren (SNAs), die aus dicht gepackter DNA oder RNA bestehen, die auf den Oberflächen von Goldnanopartikeln angeordnet sind. Mirkin sagt, als sein Team anfing, die SNAs in Mäuse zu injizieren, stellten sie fest, dass sich die Partikel schnell im ganzen Körper, einschließlich des Gehirns, ausbreiteten. „Wir haben das umgekehrte Problem, das alle anderen haben“, sagt er. „Sie gehen überall hin.“

Bei einigen Krankheiten möchten Sie das Medikament möglicherweise überall; in anderen Fällen möchten Sie es möglicherweise speziell auf bestimmte Gehirnregionen lokalisieren.—Richard Daneman
University of California, San Diego

In einer 2013 veröffentlichten Studie zeigte seine Gruppe, dass SNAs bei Mäusen mit Hirntumoren die BHS überquerten und sich im Krebsgewebe ansammelten, wo sie siRNAs lieferten, um die Expression des Onkogens Bcl2L12.12 Jetzt, nur vier Jahre später, arbeiten klinische Forscher von Northwestern mit dem National Cancer Institute zusammen, um diesen Ansatz bei Menschen mit glioblastom. Zurück im Labor fand Mirkins Team heraus, dass Zellkulturen von Astrozyten SNAs mit einer Gruppe von Rezeptoren internalisieren, die als Scavenger-Rezeptoren bezeichnet werden und an eine Vielzahl von Liganden mit sich wiederholenden Mustern binden.

Als weitere Strategie, um Medikamente ins Gehirn zu schleichen, nutzen einige Wissenschaftler eine Klasse von Viren, die auf natürliche Weise in die BBB eindringen. Im Jahr 2009 berichteten Brian Kaspar, der Gentherapie an der Ohio State University studiert, und Kollegen, dass ein Stamm des Adeno-assoziierten Virus namens AAV9, den sie in die Blutbahnen von Mäusen injizierten, die BHS überquerte und die Rückenmarks der Tiere erreichte und sich in den Motoneuronen von Neugeborenen und Astrozyten von Erwachsenen ansammelte.13 „Wir wissen nicht genau, an welchen Rezeptor es bindet“, sagt Casey Maguire, Mikrobiologe an der Harvard Medical School. „Aber wir wissen, dass es durch Transzytose geht.“ Infolgedessen kann AAV9 durch kultivierte BBB-Endothelzellen gelangen, ohne die charakteristischen Merkmale der Zellen wie Tight Junctions zu stören, wie Maguires Gruppe kürzlich zeigte.14

Die Studie von 2009 spornte zahlreiche andere Forscher an, AAVs zu verwenden, um die BBB zu durchqueren, und Kaspar ist neben seiner Position an der Ohio State nun Chief Scientific Officer von AveXis, einem Unternehmen, das 2010 gegründet wurde, um die Verwendung von AAV9 zur Abgabe des SMN-Gens an die Motoneuronen von Kindern mit spinaler Muskelatrophie Typ 1 zu entwickeln. Anfang dieses Jahres veröffentlichte AveXis die Ergebnisse einer laufenden Phase—1—Studie, die zeigte, dass die meisten der 15 Kinder in der Studie motorische Meilensteine erreichen – wie das Sitzen ohne fremde Hilfe -, die Patienten mit spinaler Muskelatrophie Typ 1 normalerweise nicht erreichen.So gut diese Ergebnisse auch sind, sagt Maguire, die Beweise deuten jetzt auf andere Viren als bessere Vehikel für die Medikamentenabgabe hin, um die BBB zu überqueren, zumindest in Mausmodellen. „Was jetzt aus der Pipeline kommt, lässt AAV9 überhaupt nicht effizient aussehen“, sagt er. Insbesondere entwickeln Forscher Viren mit Eigenschaften, die sie ideal machen, um ihre Aufnahme in das Gehirn auszulösen. Sie tun dies, indem sie ein Virus in Tiere injizieren, das Virus isolieren, das in das Gehirn gelangt, und dann den Vorgang immer wieder wiederholen. Kürzlich isolierte ein Team unter der Leitung von Viviana Gradinaru am Caltech einen Stamm von AAV9, der das Gehirn- und Rückenmarkgewebe von Mäusen 40-mal effizienter erreichte als die ursprüngliche Version des Virus.15

Andere Gruppen nutzen Immunzellen, die die BBB während einer Entzündung auf natürliche Weise durchqueren. Zum Beispiel konstruierte ein Forscherteam vom MIT und der University of North Carolina in Chapel Hill kürzlich kerngroße Polymer- „Rucksäcke“, die sie über Antikörper an Mausmakrophagen befestigten, bevor sie die Zellen in die Blutströme von Mäusen mit Gehirnentzündung injizierten.16 Die Makrophagen wurden von der entzündlichen Umgebung im Gehirn angezogen und mitgenommen. Die Forscher beschrieben auch Proof-of-Concept-Studien in Zellkulturen, die zeigten, dass die Rucksäcke konstruiert werden könnten, um ein antioxidatives Enzym zu tragen und freizusetzen, was darauf hindeutet, dass der Ansatz möglicherweise verwendet werden könnte, um Proteintherapeutika an das Gehirn zu liefern.

Siehe „Unwahrscheinliche Verbündete“

Ob es sich nun um Immunzellen, Viren oder Nanopartikel handelt, die mit natürlichen Substraten von BBB-Transportern oder -rezeptoren besetzt sind, Medikamente können sich möglicherweise an der gewaltigen Barriere vorbeischleichen, ohne jemals ihre normale Funktion zu stören. Solche Ansätze können der Schlüssel zur Bereitstellung von Therapien für das Gehirn sein, ohne die Sicherheitsprobleme, die mit invasiveren oder schädlicheren Techniken verbunden sind, aber sie gehen mit dem Kompromiss einher, die Fähigkeit zu verlieren, Medikamente an präzise Orte zu bringen. „Bei einigen Krankheiten möchten Sie das Medikament möglicherweise überall; In anderen möchten Sie es möglicherweise speziell in bestimmten Gehirnregionen lokalisieren“, sagt Daneman. Er fügt hinzu, dass noch viel zu tun ist, um zu bestimmen, wie viel Medikament jede Technik in das ZNS gelangen kann und wie lange verschiedene Behandlungen dauern werden. „All diese Dinge werden bestimmen, ob eine Strategie funktioniert.“

HINWEISE VON KRANKHEIT

TESTEN DES SPHÄROIDS: Hohe Konzentrationen eines BBB-durchdringenden Moleküls (rot) dringen in das Sphäroid ein, während ein nicht durchdringendes Molekül (weiß) größtenteils außerhalb der Kugeln verbleibt. BILD VON CHOI-FONG CHOIn vielen Fällen, Forscher, die versuchen, Medikamente an das Gehirn abzugeben, stehen vor einer intakten BHS, Aber manchmal hat der behandelte Zustand die Barriere bereits beeinträchtigt. „In den letzten 10 Jahren hat sich gezeigt, dass fast jede Erkrankung des ZNS mit einer Störung oder Funktionsstörung der BHS einhergeht“, sagt Peter Searson von der Johns Hopkins University. Das Ausmaß, in dem BBB-Undichtigkeiten bei Krankheiten dazu beitragen, dass Medikamente in das Gehirn gelangen, ist variabel und umstritten, aber es hat bereits Türen für mögliche Wege geöffnet, die Barriere absichtlich zu stören.

Im Juli veröffentlichte beispielsweise ein internationales Forscherteam eine Studie über einen Antikörpertyp, der aus der Liquor cerebrospinalis von Patienten mit einer entzündlichen Erkrankung des Sehnervs isoliert wurde und kultivierte BBB-Endothelzellen für den Zucker durchlässiger machte Dextran. Bei Mäusen, die Injektionen des Antikörpers erhielten, landeten Proteine, die normalerweise an das Blut gebunden sind, im Gehirngewebe, was darauf hindeutet, dass solche Antikörper bei der Arzneimittelabgabe an das ZNS helfen könnten. (Sci Transl Med, 9:eaai9111, 2017).Searson sagt, sein ultimatives Ziel sei es, BBB-Modelle mit induzierten pluripotenten Zellen von erkrankten Individuen zu bauen, um zu verstehen, wie verschiedene neurologische Zustände die Barriere beeinträchtigen und wie sie repariert werden könnte. Jeden Tag kommt dieses Ziel näher, da die Forscher mehr über die Feinheiten verstehen, die die BBB definieren — Feinheiten, die Searsons Team in der Zellkultur nachahmen möchte. Es ist eine Herausforderung, aber er gibt nicht so schnell auf. „Ich sage meinen Schülern gerne: Wenn es einfach wäre, hätte es schon jemand anderes getan“, sagt er.

Amanda B. Keener ist ein freiberuflicher Wissenschaftler, der in Denver, Colorado, lebt.

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