Descubrimiento de fármacos en el SNC: el papel del líquido cefalorraquídeo (LCR) en la evaluación in vivo de biomarcadores cerebrales y exposición a fármacos

Esta publicación de blog fue escrita por Transpharmation, líder mundial en biología traslacional.

Las barreras sangre-cerebro, sangre-LCR y sangre-aracnoidea

Para los fármacos que actúan en el sistema nervioso central (SNC), se supone que el fármaco libre en el líquido intersticial del cerebro (ISF) está disponible para interactuar con el sitio objetivo en el SNC. Estimar o medir la concentración de ISF cerebral libre no es sencillo. La exposición plasmática libre de fármacos en la mayoría de los casos no es adecuada para describir la correlación entre farmacocinética y farmacodinamia, principalmente debido al papel restrictivo de la barrera hematoencefálica (BHE), que ha desarrollado muchas uniones estrechas entre las células endoteliales adyacentes y. transportadores de eflujo activos, como la glicoproteína P (P-gp), la proteína de resistencia al cáncer de mama (BCRP) y la proteína 4 asociada con la resistencia a múltiples fármacos (MRP4), que limita la penetración del fármaco en el SNC. Además de la BHE, también existen las barreras sangre-LCR (BCSFB; compuesta por células epiteliales del plexo coroideo) y sangre-aracnoidea (BAB; compuesta por células epiteliales aracnoideas). Ambas barreras expresan proteínas transportadoras, incluidos transportadores de eflujo activos (Uchida et al. Drug Metab Dispos (2020) 48:135).

Se encuentran disponibles algunos métodos para estimar la exposición cerebral a la ISF. La microdiálisis intracerebral es el método que puede evaluar más directamente la exposición del cerebro al ISF; sin embargo, debido a que es técnicamente desafiante y tiene un bajo rendimiento, no se utiliza de manera rutinaria. Otro enfoque utiliza el producto de la concentración cerebral total. en vivo y la fracción no unida al cerebro, determinada in vitro utilizando homogeneizado de cerebro (determinado por diálisis de equilibrio) o cortes de cerebro. Un tercer enfoque utiliza las concentraciones del fármaco en el LCR como sustituto de las concentraciones del ISF en el cerebro. Las concentraciones de fármacos en el LCR se pueden evaluar recogiendo muestras de LCR de la cisterna magna en roedores, perros y primates no humanos. Una ventaja del muestreo de LCR en especies animales no clínicas es que la técnica también es aplicable a sujetos humanos en estudios clínicos (el LCR se recolecta mediante punción lumbar), lo que permite una comparación directa entre las concentraciones de LCR de animales y humanos. Además, la administración de compuestos que no penetran bien en el cerebro hasta el LCR, por ejemplo mediante dosificación intratecal, se utiliza tanto en animales como en humanos para sortear las tres barreras. Los biomarcadores también se pueden medir en el LCR, lo que proporciona un alto valor traslacional, especialmente para enfermedades neurodegenerativas.

Un parámetro farmacocinético que es especialmente útil para evaluar la exposición cerebral de un fármaco al ISF es el coeficiente de partición del ISF al plasma libre, Kp,uu. Cuando la exposición cerebral a un fármaco depende de la exposición plasmática, un valor de Kp,uu > 1 indica un influjo neto del fármaco hacia el cerebro, <1 indica una salida neta o una permeación deficiente del fármaco y = 1 indica difusión neta. La Kp,uu está determinada por la relación entre la concentración del fármaco libre en el LIS y el plasma en estado estacionario. Sin embargo, también se puede calcular a partir de la relación del área bajo las curvas de concentración versus tiempo para LIS/plasma después de una dosis única. La Kp,uu de LCR/plasma libre o de cerebro libre a plasma libre se puede determinar de la misma manera.

Recolección seriada de LCR y plasma

El uso de la concentración del fármaco en el LCR como sustituto de las concentraciones de LCR en el cerebro se basa en el supuesto de que existe un equilibrio rápido entre los compartimentos del LCR y el LCR alrededor de la capa ependimaria. Además, el LCR tiene una concentración de proteínas muy baja, por lo que se considera que la concentración del LCR está esencialmente libre.

Transpharmation ofrece recolección en serie de LCR y plasma de ratas y perros conscientes. La ventaja de este diseño de estudio es que la sangre y el LCR se recolectan longitudinalmente de animales conscientes, lo que reduce significativamente la cantidad de animales necesarios en un estudio, además de evitar el uso de anestésicos inhalados (p. ej., isoflurano), que se ha demostrado que son reversible. abra la BBB (Spieth et al. Neuro Oncology Adv (2021) 3:1). La Figura 1 a continuación muestra un perfil típico de un fármaco administrado por vía subcutánea (SC) a un grupo de ratas cateterizadas con 4 arterias carótidas (para la recolección de plasma sanguíneo) y una cisterna magna (para la recolección de plasma sanguíneo -CSF). El fármaco se cuantificó mediante LC-MS/MS y la fracción no unida en plasma se determinó mediante in vitro diálisis de equilibrio. En este caso, la vida media terminal del fármaco parece ser ligeramente más larga en el LCR que en el plasma (las concentraciones plasmáticas disminuyen más rápidamente que las concentraciones en el LCR) y la Kp,uu estimada en LCR/plasma es 0,7, lo que indica que el fármaco no se libera libremente. permeable a través de la BBB.

Colección terminal de LCR, plasma y cerebro

La transfarmacia también ofrece estudios terminales en plasma, LCR y recolección de cerebro en ratas y ratones. La Figura 2 muestra las concentraciones libres de loperamida en plasma, LCR y cerebro a lo largo del tiempo. Se recogieron plasma sanguíneo, LCR y cerebro de 3 ratas/punto de tiempo después de la administración intravenosa (IV) de 1 mg/kg de loperamida (Imodium®), que es un opioide que no penetra en el cerebro como resultado de ser un sustrato para P. -gp. Las muestras se analizaron mediante LC-MS/MS y se determinó la fracción de loperamida libre en plasma y homogeneizado cerebral. in vitro mediante diálisis de equilibrio. La Kp,uu calculada en LCR/plasma es 0,010, mientras que la Kp,uu en cerebro/plasma es 0,014, lo que indica que el LCR es un buen sustituto de las concentraciones de loperamida cerebral libre. Como era de esperar, la loperamida no atraviesa muy bien la BBB. También tenga en cuenta que las concentraciones en plasma, LCR y cerebro disminuyen en paralelo (las vidas medias terminales son las mismas), ya que la loperamida cruza la BHE, BCSFB y BAB desde la circulación sistémica.

Administración de compuestos no penetrantes en el cerebro mediante administración de fármacos intratecal o ICV

La transfarmacia también ofrece la administración de pequeñas moléculas y otras modalidades en el LCR de ratas y ratones, ya sea por administración intratecal (IT) o por administración intracerebroventricular (ICV). La administración IT es menos invasiva ya que realizamos una inyección directa en la columna entre L5 y L6 de un animal anestesiado. La formulación IT puede incluir lidocaína, ya que esto produce constantemente una parálisis transitoria (que se resuelve en 10 minutos en el ratón y 30 minutos en la rata), lo que garantiza que cada inyección IT sea exitosa. La Figura 3 muestra las concentraciones libres de loperamida en plasma, LCR y cerebro después de la administración IT de 0,2 mg/kg de loperamida. Curiosamente, la loperamida se elimina rápidamente del LCR, muy probablemente a través del flujo de salida de gp-P hacia la circulación sistémica, y sólo se pueden medir concentraciones bajas en el tejido cerebral. El Kp,uu calculado en LCR/plasma es 9,2, mientras que el del cerebro es 0,013. Esta última Kp,uu prácticamente no cambia con respecto a la que sigue a la administración intravenosa de loperamida. Aunque la vida media de la loperamida en el LCR es muy rápida, las concentraciones plasmáticas y cerebrales disminuyen en paralelo (tienen la misma vida media).

La inyección de ICV en ratas y ratones implica perforar un agujero en el cráneo de un animal anestesiado por encima del ventrículo lateral y, por lo tanto, es más invasiva y requiere más tiempo/inyección en comparación con la administración de IT. La Figura 4 muestra las concentraciones libres de loperamida en plasma, LCR y cerebro después de la administración de 0,2 mg/kg ICV de loperamida. Nuevamente, la loperamida inicialmente se elimina rápidamente del LCR hacia la circulación sistémica (plasma); sin embargo, las concentraciones libres en el cerebro son más altas que las del plasma. El Kp,uu calculado es 34,1, mientras que el del cerebro es 43,3. En este caso, ambos valores son mucho más altos en comparación con los obtenidos después de la administración intravenosa de loperamida. Aunque la vida media de la loperamida en el LCR es inicialmente muy rápida, las concentraciones en plasma y cerebro y eventualmente en el LCR disminuyen en paralelo. Para loperamida, la inyección ICV resultó en concentraciones de cerebro libre y LCR significativamente mayores en comparación con la inyección IT. Además, la exposición al plasma fue casi dos veces menor después de la administración ICV en comparación con la administración IT. En relación con el LCR, las exposiciones plasmáticas y cerebrales a loperamida fueron muy bajas (los valores de Kp,uu de plasma a LCR y de cerebro a LCR son, respectivamente, 0,0053 y 0,033 después de la dosis de ICV y 0,11 y 0,0014 después de la dosis de IT). Sería interesante realizar una comparación similar con otras moléculas que son sustratos para transportadores de fármacos y con aquellas que no lo son.

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