중추신경계(CNS) 약물에 대한 약동학적(PK) 고려사항

최근에는 알츠하이머병, 우울증, 정신분열증, 파킨슨병 등 신경질환의 유병률이 증가함에 따라 중추신경계 약물의 개발이 큰 주목을 받고 있습니다. 그러나 혈액{1}}뇌 장벽(BBB)과 같은 불분명한 질병 메커니즘과 문제로 인해 CNS 약물 개발의 성공률은 여전히 ​​낮습니다. 이 기사에서는 약동학(PK) 관점에서 CNS 약물에 대한 관련 이론적 지식 및 연구 방법론에 대한 개요를 제공할 것입니다.

아래에 표시된 대로 BBB는 빽빽하게 들어찬 뇌 모세혈관 내피 세포와 신경교세포로 구성되어 있으며, 이는 화합물이 세포주위 ​​경로 또는 세포내이입을 통해 교차하는 것을 거의 완전히 차단합니다. BBB는 또한 대부분의 기질을 혈류로 다시 펌핑하는 P-당단백질(P-gp) 및 유방암 저항성 단백질(BCRP)과 같은 유출 수송체를 발현합니다. 따라서 대부분의 소분자는 주로 지질막을 통한 수동 확산을 통해 뇌에 침투합니다. 또한 혈액-뇌척수액 장벽(BCSFB)도 또 다른 중요한 장벽입니다. 혈액 내 화합물은 BCSFB를 직접 통과하거나 BBB를 통과한 후 뇌척수액(CSF)으로 확산되거나 운반될 수 있습니다. 그러나 BCSFB에서 발현되는 P-gp는 화합물을 혈액으로 다시 펌핑하여 뇌 노출을 제한할 수 있습니다.

BBB를 통과하는 데 어려움이 있으므로 시험관 내 또는 동물 연구에서 CNS 침투가 유리한 화합물을 스크리닝하는 것이 중요합니다. 평가 기준으로 사용할 적절한 매개변수를 선택하는 것이 중요합니다. 일반적으로 사용되는 매개변수에는 뇌 내 비결합 약물 농도(Cbu), 뇌-대-혈장 비결합 약물 비율(Kpuu 또는 Cbu/Cpu), 뇌-대-혈장 총 약물 농도 비율(B/P 비율), 비결합 약물 분획(fu), BBB 투과도(Papp) 및 유출 비율(ER)이 포함됩니다.

자유 약물 가설에 기초하여, 뇌의 비결합 약물 농도는 유효 약물 농도를 가장 잘 반영합니다. 그러나 실제 조건에서 뇌세포 내 비결합 약물 농도를 직접 측정하는 것은 어렵습니다. 중요한 수송체 효과가 없는 경우 혈장, 뇌척수액 또는 뇌 간질액의 비결합 약물 농도가 종종 대체 매개변수로 사용됩니다.

Kpuu는 수동 확산과 수송체 활동을 통합하여 혈액과 뇌 사이의 화합물 분포 평형을 반영하는 핵심 매개변수입니다. Kpuu가 1에 가까워지면 우수한 투과성 및 비-수송 기질과 같은 바람직한 화합물 특성을 나타냅니다. 이 경우 혈장 비결합 약물 농도가 대리 지표 역할을 할 수 있습니다. Kpuu가 1보다 현저히 작을 경우, 화합물은 수송체 기질일 수 있거나 투과성이 낮아 구조적 변형이 필요할 수 있습니다. 1보다 큰 Kpuu는 막횡단 수송 과정에 활성 수송체가 관여함을 나타낼 수 있습니다.

B/P 비율은 얻기 쉽지만 화합물의 뇌 침투에 대한 이해를 오도할 수 있습니다. 혈장과 뇌 사이의 비결합 분획의 차이로 인해 높은 B/P 비율이 반드시 뇌의 비결합 약물 농도가 높다는 것을 의미하는 것은 아니며 그 반대도 마찬가지입니다. B/P 비율은 대략적인 계층화에만 유용하며 총 뇌 농도가 매우 낮은 화합물을 제거하지만 우수한 CNS 화합물을 선택하는 데는 유용하지 않습니다.

혈장 및 뇌 조직의 비결합 분획은 표준 PK 매개변수를 비결합 약물 매개변수로 변환하는 데 사용됩니다. 비결합 분획이 높을수록 효과적인 약물 농도가 더 높다는 것을 의미할 수 있지만, 혈장 비결합 분획이 증가하면 대사 또는 제거율도 높아질 수 있습니다. 마찬가지로, 뇌 조직의 비결합 분율이 높을수록 뇌로의 수동적 확산이 방해될 수 있습니다. 따라서 fu는 일반적으로 기본 최적화 매개변수로 사용될 수 없으며 해당 값은 효능과 직접적으로 연결되지 않습니다.

Papp은 BBB를 통한 화합물의 수동 확산 속도를 나타냅니다. 그러나 이 매개변수만으로는 뇌 침투를 결정하는 데 결정적인 역할을 하지 않습니다. 이는 단지 혈장과 뇌 사이의 평형이 달성되는 속도를 반영할 뿐 뇌 내 비결합 약물의 절대 농도가 높다는 것을 의미하지는 않습니다. 따라서 Papp은 BBB 투과성이 매우 낮은 화합물을 제거하는 데에만 사용할 수 있습니다.

ER은 BBB 침투 중 유출 수송체 활동의 강도를 반영합니다. 이는 뇌 조직의 화합물 농도를 직접적으로 나타내지는 않지만 제외 기준 역할을 할 수 있습니다. 이상적으로 CNS 약물은 P-gp 또는 BCRP와 같은 유출 수송체의 기질이 되어서는 안 됩니다. 왜냐하면 CNS 약물은 표적 부위로의 약물 전달을 방해하고 임상적 PK 변동성을 증가시키기 때문입니다. 이는 치료 범위가 좁아 위험을 초래하고 개발을 복잡하게 만드는 화합물의 경우 특히 문제가 됩니다.

동물 연구는 뇌 조직, CSF 및 혈장의 생체 내 농도를 얻는 가장 직접적이고 효과적인 수단입니다. 일반적으로 PK 스크리닝에 사용되는 종은 효능 및 독성 연구에 사용되는 종과 일치해야 합니다. 투여 경로는 개발 목표에 따라 결정됩니다. 절차는 뇌 조직 또는 CSF 수집에 추가적인 주의를 기울이는 기존 PK 연구와 유사합니다. CSF는 단백질 함량이 낮고 수정이 필요하지 않기 때문에 혈장 및 뇌 조직에 대해 시험관 내에서 결정된 fu 값을 사용하여 결과를 수정해야 합니다. AUCbu/AUCpu 비율은 BBB를 통과하는 화합물의 능력을 평가하는 Kpuu를 나타냅니다. AUCcsf와 AUCpu를 비교하면 BCSFB 전체에 걸쳐 화합물의 분포가 평가되는 반면, AUCbu/AUCcsf 비교는 CSF가 뇌 조직의 결합되지 않은 약물 농도에 대한 프록시 역할을 하여 연구 과정을 최적화할 수 있는지 여부를 나타냅니다. 뇌 PK 연구의 단점은 동물 사용이 상대적으로 높고 스크리닝 처리량이 낮다는 것입니다.

다른 약물에 비해 수송체 연구는 뇌 침투를 크게 제한하는 P-gp 및 BCRP와 같은 유출 수송체의 광범위한 기질 특이성으로 인해 CNS 약물 연구에서 더 중요한 역할을 합니다. 시험관 내 연구에서는 높은 처리량 스크리닝을 위해 높은 P-gp 또는 BCRP 발현(예: MDCK-MDR1 또는 MDCK-BCRP)을 갖는 형질감염된 세포주를 사용하는 경우가 많으며, 화합물 수 및 스크리닝 전략을 기반으로 한 합리적인 컷오프 값이 있습니다. 그러나 수송체의 종 차이는 시험관 내 인간 수송체 데이터와 생체 내 동물 연구 사이의 불일치로 이어질 수 있으며, 때때로 녹아웃 동물 모델(예: MDR1a/1b 또는 BCRP KO 마우스)의 사용을 필요로 하지만 이 접근법은 비용이 많이 들고 인간 수송체 활동을 덜 예측합니다.

BBB 투과성을 연구하기 위한 표준은 현장 뇌 관류이지만 기술적 요구 사항과 낮은 스크리닝 처리량으로 인해 이 방법은 화합물 스크리닝에 거의 사용되지 않습니다. 일반적으로 사용되는 방법에는 PAMPA-BBB 또는 단일{2}}층 세포 수송 연구와 같은 시험관 내 분석이 포함됩니다. 이는 기존의 흡수 투과성 연구와 유사하지만 BBB 특성을 더 잘 반영합니다. 초기-단계 연구에서는 물리화학적 특성을 기반으로 하는 계산 모델을 사용하여 BBB 투과성을 예측하고 화합물 최적화를 지원할 수도 있습니다.

단백질 결합을 결정하는 가장 일반적인 방법은 혈장 및 뇌 조직 균질액의 평형 투석입니다. 비특이적 결합이 강한 화합물의 경우, 진정한 균형을 이루고 편향을 피하기 위해 실험의 평형 시간을 조정해야 합니다. 대체 방법으로는 Transil과 점진적 평형 투석이 있습니다. 연구에 따르면 뇌 조직 결합은 종이나 뇌 영역과 무관하며, 이는 인간 뇌 조직 결합 데이터가 단일-종 데이터로부터 추정될 수 있음을 의미합니다. 특정 요구에 따라 초원심분리, 미세투석, 뇌 조직 절편 방법과 같은 다른 방법도 사용할 수 있습니다.

CNS 약물의 뇌 노출에 영향을 미치는 요인을 이해하고 적절한 연구 방법론을 적용하는 것이 개발에 중요합니다. 스크리닝 및 최적화를 위한 주요 매개변수를 식별하면 뇌 노출을 늘리고, 수송체 기질 유출을 방지하고, 전신 청소율을 줄여 치료 효과를 발휘할 만큼 충분한 약물이 표적 부위에 도달하도록 보장할 수 있습니다. 그러나 CNS 약물 PK의 임상적 해석은 여전히 ​​어려운 일이며, 향후 발전은 CNS 약물 개발을 돕기 위해 BBB 수송체 및 생리학적 구조를 기반으로 하는 보다 기계적인 모델에 의존할 수 있습니다.

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