그만큼중추신경계(CNS) 뇌척수액(CSF), 뇌 실질, 뇌실, 뇌막을 포함한 여러 구획으로 구성되어 있습니다. 중추신경계 내에서는 신경 세포의 밀집된 네트워크가 정보를 전달, 저장, 처리하여 다양한 정신 활동을 촉진하고 동물의 모든 행동을 제어합니다. 신체의 국소적 변화(예: pH 변동, 대사 장애 또는 미세 출혈)와 말초 순환 변화(예: 박테리아 또는 바이러스 감염) 및 기타 장기 변화(예: 기능 장애, 생물학적 조절 장애 또는 염증)는 중추신경계 미세환경의 미묘한 변화로 이어질 수 있습니다. 이러한 변화는 중추신경계 기능에 상당한 영향을 미쳐 인지 능력, 감정 및 행동의 변화를 초래합니다. 뇌는 신체의 중앙 제어 시스템 역할을 하며 모든 인지 및 생리적 기능을 조절합니다.
최근 몇 년 동안 알츠하이머병, 우울증, 정신분열증, 파킨슨병과 같은 신경계 질환의 유병률이 증가함에 따라 CNS 약물 개발이 제약 연구의 초점이 되었습니다. 그러나 CNS 약물 개발의 높은 실패율은 불분명한 질병 메커니즘, 혈액-뇌 장벽(BBB), 뉴런의 대체 불가능성과 같은 요인에 기인합니다. 이 글은 CNS 약물 스크리닝 및 평가에 대한 개요를 다음과 같은 관점에서 제시합니다.약물 대사 및 약동학(DMPK) .
CNS 치료의 과제
뇌의 미세 구조에 대한 연구에 따르면 뇌 모세혈관 층은 뇌 내피 세포(BEC) 사이에 밀착 접합이 있고, 큰 세포 조절 소포나 세포 내 창문이 거의 없다는 것이 밝혀졌습니다. 또한 맥락막 신경총에서 밀착 접합이 확인되어 혈액-뇌척수액 장벽의 존재가 확인되었습니다. 이러한 발견은 뇌로 들어가는 화합물이 적어도 두 개의 장벽, 즉 소동맥-모세혈관-소정맥 수준의 BBB와 맥락막 신경총에 위치한 혈액-뇌척수액 장벽을 만난다는 것을 나타냅니다. 두 장벽 모두 화합물이 중추신경계로 자유롭게 확산되는 것을 방해합니다.
1.1 혈액-뇌 장벽(BBB)
BBB는 뇌 조직과 모세혈관 사이에 위치하여 많은 약물 분자가 순환계에서 뇌로 침투하는 데 큰 장애물이 되어 CNS 약물 개발의 첫 번째 장애물이 됩니다. BBB는 일반적으로 지질막으로 나타납니다. 작은 친유성 물질은 CNS에 쉽게 들어갈 수 있지만, 많은 친수성 약물(특히 전하가 높거나 혈청 단백질에 단단히 결합하는 약물)은 통과할 수 없습니다.
뇌의 생리적 특성에는 피질 아래에 약 650km 길이의 조밀한 모세혈관 네트워크가 있으며, 혈관 표면적은 약 15-20제곱미터입니다. 이 넓은 표면적 때문에 BBB는 종종 혈장 소분자의 흡수를 위한 주요 경로로 간주됩니다. 성숙한 CNS 내피 세포는 BBB를 형성하여 신경 조직을 혈액 성분 변동으로부터 보호하고 독소를 배제하며 이온 항상성을 유지합니다. BBB는 단단히 뭉친 뇌 모세혈관 내피 세포와 신경교 세포 층으로 구성되어 혈액에서 신경 주변 조직으로의 분자 전달을 방지하고 막 관통 과정에 대한 저항성을 생성하는 장벽을 형성합니다. BBB는 비극성 소형 화합물을 제외한 모든 화합물의 유입을 엄격하게 제한할 수 있어 CNS 장애의 치료를 복잡하게 만듭니다.
1.2 혈액-뇌척수액 장벽(BCSFB)
뇌척수액 순환은 맥락막총을 통해 뇌실에서 시작하여 두개측과 척추 거미막까지 확장됩니다. BCSFB는 또 다른 주요 장벽입니다. 혈류의 화합물은 확산이나 대류를 통해 뇌척수액에 도달하기 전에 BCSFB를 직접 관통하거나 BBB를 통과하여 척수에서 다양한 물질의 출입을 조절합니다. 이 장벽은 비교적 표면적이 작고 확산 속도가 낮으며 클리어런스 속도가 빠르기 때문에 더 큰 분자, 단백질 및 펩타이드가 유입되는 것을 효과적으로 방지합니다.
CNS 내의 주요 수송 과정은 첨부된 그림에 설명되어 있습니다. 뇌 조직은 간질액(ISF)과 뇌 세포로 구성되어 있으며, 뇌척수액으로 둘러싸여 있습니다. 과학적으로 세포 내액(ICF) 내 약물의 농도가 주요 관심사입니다(특히 자유 농도). 그러나 현재 기술로는 이를 직접 측정할 수 없습니다. ISF는 이론적 지표 역할을 하며, 생물학적 장벽인 세포막이 ISF와 ICF 사이에 존재합니다. 알부민과 같은 단백질은 ISF에 존재하며 약물과 결합할 수 있어 직접 측정하기 어렵습니다(하지만 미소투석을 통해 유추할 수는 있음). ISF와 ICF는 일반적으로 이상적인 조건에서 평형 상태에 있는 것으로 간주됩니다. CSF 내 약물 농도는 종종 ISF 내 자유 약물 농도와 거의 같다고 간주되므로 뇌 투과성을 평가하는 일반적인 매개체가 됩니다.
BBB와 BCSFB는 화합물이 CNS로 자유롭게 확산되는 데 상당한 장벽을 만듭니다. 수송체 매개 수송이 없는 혈장의 자유 약물 농도는 ISF와 CSF의 자유 농도와 거의 같다고 생각됩니다.
2.1 BBB 투과성 평가를 위한 매개변수
CNS 약물 뇌 노출에 영향을 미치는 요인과 평가에 사용된 방법론을 이해하는 것은 약물 개발에 매우 중요합니다. 스크리닝 및 최적화를 위한 핵심 매개변수를 식별하는 것은 뇌 노출을 향상시키고, 유출 수송체 기질을 피하고, 전신 클리어런스율을 낮추어 충분한 약물이 표적 부위에 도달하여 효과를 발휘하도록 하는 것을 목표로 합니다. BBB를 통과하는 데 어려움이 있으므로 평가 기준으로 적절한 매개변수 또는 지표를 선택하는 것이 중요합니다.
BBB 투과성을 평가하는 데 사용되는 일반적인 기준 지표는 다음과 같습니다.
2.2 BBB 투과성 평가를 위한 일반적인 방법
소분자 투과성의 다양한 메커니즘으로 인해 일반적인 방법은 주로 BBB 투과성, 뇌 내 약물 분포, 뇌 내 자유 약물 농도, BBB에 대한 수송체의 영향을 다룹니다. 이 섹션에서는 약물 발견 중에 일반적으로 사용되는 방법에 대해 설명합니다.
3.1 뇌내 자유 약물 농도 측정
동물 연구는 뇌 조직, 뇌척수액 및 혈장에서 약물 농도를 얻는 가장 직접적이고 효과적인 수단입니다. 일반적으로 약동학(PK) 스크리닝에 사용되는 종은 효능 및 독성과 일치해야 합니다. 투여 경로는 개발 목표에 따라 결정해야 합니다. 절차는 표준 PK 테스트와 유사하지만 뇌 조직이나 뇌척수액을 수집하는 방법에 대한 주의가 필요합니다. CSF의 낮은 단백질 함량은 교정을 필요로 하지 않으므로, 테스트 결과는 혈장과 뇌 조직에서 화합물의 시험관 내 결정된 fu 값에 대해 보정해야 합니다. Kp, uu는 화합물이 BBB를 관통하는 능력을 평가하는 반면, AUCCSF와 AUCp,u는 BCSFB 전체의 분포 특성을 평가하여 CSF가 뇌 조직에서 유리 약물 농도를 연구하는 대체 매개변수 역할을 할 수 있는지 여부를 나타냅니다.
자유 약물 가설에 따르면 이상적으로는 뇌의 자유 약물 농도가 활성 약물 농도를 가장 직접적으로 반영하지만 실제 조건에서는 뇌 조직 세포에서 자유 약물 농도를 측정하는 것이 어렵습니다. 상당한 수송체 효과가 없는 경우 뇌 조직의 혈장, 뇌척수액 또는 간질액의 자유 약물 농도가 대체 매개변수 역할을 합니다.
3.1.1 뇌조직 분포 측정
단일 또는 다중 샘플링 포인트는 Kp,brain을 계산하는 데 사용됩니다.
Kp,brain은 비교적 쉽게 얻을 수 있지만, 이 매개변수는 화합물 이해에 대한 편향을 초래할 수 있습니다. 혈장과 뇌 조직에서 화합물의 자유 분율의 차이로 인해 혈액 대 혈장 비율이 높은 화합물은 뇌에서 높은 자유 농도를 갖지 않을 수 있습니다. 반대로 혈액 대 혈장 비율이 낮은 화합물은 우수한 후보일 수 있습니다. 따라서 이 매개변수는 총 뇌 농도가 매우 낮은 화합물만 대략적으로 제외할 수 있으므로 최적의 후보를 선택하는 데 적합하지 않습니다.
3.1.2 뇌-혈장 무함유 약물 비율 방법
Kp, uu는 뇌-혈장 무함유 약물 비율을 나타내는데, 이는 혈액과 뇌 사이의 화합물 분포 평형을 평가하는 데 중요한 매개변수입니다. 이는 수동 확산과 수송체 작용을 종합적으로 반영합니다.
혈장과 뇌 조직의 자유 분획은 주로 표준 PK 매개변수를 자유 약물 매개변수로 변환하는 데 사용됩니다. 단독으로 볼 때, 더 높은 자유 약물 분획은 일반적으로 더 높은 효과적인 약물 농도를 나타냅니다. 그러나 전체적인 관점에서 볼 때, 혈장에서 증가된 자유 약물 분획은 대사 또는 배설 속도를 증가시킬 수 있는 반면, 뇌 조직에서 증가된 자유 약물 분획은 뇌로의 수동 확산을 방해할 수 있습니다. 결과적으로 fu는 일반적으로 최적화를 위한 주요 매개변수로 사용될 수 없으며, 그 값은 본질적으로 약물 효능과 연결되어 있지 않습니다.
Kp, uu가 1에 가까워지면 이상적인 화합물 특성을 반영하여 수송체에 대한 투과성이 양호하고 기질이 아님을 나타냅니다. 이러한 조건에서 혈장 자유 약물 농도는 대체 지표로 사용할 수 있습니다. 반대로 Kp, uu가 1보다 상당히 작으면 화합물이 수송체 기질이거나 투과성이 낮아 화합물 특성을 개선하기 위한 구조적 수정이 필요할 수 있음을 시사합니다. Kp, uu가 1을 초과하면 막관통 수송 과정에서 활성 수송체가 관여함을 나타낼 수 있습니다.
3.1.3 뇌척수액 측정 방법
CSF의 약물 농도는 종종 ISF의 자유 약물 농도와 거의 같다고 여겨지므로 뇌 투과성을 평가하는 일반적인 매트릭스가 됩니다. 일반적으로 CSF의 단백질 농도는 무시할 수 있습니다. 생체 내 CSF 농도를 감지하는 데는 기술적 어려움이 따르는데, 주로 샘플링 볼륨이 제한되어 있기 때문입니다(예: 쥐의 총 CSF 순환은 250 μL에 불과함), 수집 중 혈액 오염에 취약하기 쉽고, 일반적으로 농도가 낮기 때문입니다(자유 약물 농도만 있음).
3.2 혈액-뇌 장벽 투과성
3.2.1 인공막 기술
PAMPA 모델은 "샌드위치" 구조를 사용합니다. 즉, 바닥에 시험 물질을 포함하는 공여 완충액, 중간에 인공 지질 막, 위에 수용체 완충액이 있습니다. 이 모델은 수송 단백질이 없는 인공 지질 막을 사용하는데, 이는 수동 확산 메커니즘을 가진 약물을 평가하는 데 적합하지만, 능동 수송에 의존하는 약물을 정확하게 예측할 수 없습니다. 대부분의 화합물은 수동 확산을 통해 뇌 조직에 들어가므로, BBB 수동 투과성은 약물 설계에 중요합니다. 고처리량 PAMPA-BBB 모델은 BBB를 통한 약물의 수동 투과성을 평가하기 위해 개발되었습니다.
3.2.2 현장 뇌 관류법
BBB 투과성을 평가하는 황금 표준은 현장 뇌 관류법이지만, 기술적 요구 사항과 실현 가능성 문제로 인해 화합물 스크리닝에는 거의 사용되지 않습니다. 현재 가장 일반적인 방법은 혈장과 뇌 조직을 균질화하고 측정을 위해 평형 투석을 적용하는 것입니다. 높은 단백질 수치에 대한 상당한 비특이적 결합이 있는 화합물의 경우, 진정한 평형을 보장하기 위해 실험 평형 시간을 조정해야 할 수 있으므로 결과 불일치를 피할 수 있습니다. 대체 방법으로는 Transil 또는 단계적 평형 투석이 있습니다. 연구에 따르면 뇌 조직 결합률은 종 및 뇌 조직 영역과 무관하여 단일 종 데이터에서 인간 뇌 조직 결합률을 도출할 수 있습니다. 추가 방법으로는 초원심분리, 미소투석 및 뇌 조직 절편이 있습니다.
3.3 P-글리코단백질(Pgp) 유출 수송 활동
BBB를 더 잘 시뮬레이션하고 BBB를 통한 테스트 화합물의 투과성을 평가하기 위해 뇌 유래 또는 비뇌 유래 세포 모델(MDCK 세포 모델, MDCK-MDR1 세포 모델, Caco-2 세포 모델)이 개발되었습니다. PAMPA-BBB 방법에 비해 세포 모델은 BBB 수송체를 연구하는 데 더 적합합니다. 화합물이 Pgp의 기질인지, 유출되는지 여부를 평가하는 것은 Pgp가 약물이 뇌로 들어가는 것을 막는 중요한 수송체로 남아 있기 때문에 중요합니다. Pgp 유출 활동에 대한 스크리닝은 CNS 치료에 필수적입니다. MDCK-MDR1 또는 Caco-2 세포 모델은 Pgp 유출 활동을 평가하고 Pgp 매개 유출을 극복하고 투과성을 향상시키기 위한 구조적 변형을 안내할 수 있습니다.
프리시스 바이오텍 신약 개발의 전임상 단계에 대한 생체 내 PK 및 시험관 내 ADMET 관련 실험을 수립한 경험이 풍부한 DMPK 팀이 있습니다.약동학 연구원숭이에서의 급성 독성 시험 및독성동태학. 우리는 여러 용매, 다양한 투여 경로, 다양한 조직 샘플링 방법의 사용을 지원합니다. Prisys Biotech는 맞춤형 생체 내 및 시험관 내 실험을 제공하여 신약 개발을 지원하는 우수한 약동학 서비스를 제공합니다.
