Lesystème nerveux central (SNC) Le système nerveux central (SNC) comprend plusieurs compartiments, dont le liquide céphalorachidien (LCR), le parenchyme cérébral, les ventricules et les méninges. Au sein du SNC, un réseau dense de neurones fonctionne pour transmettre, stocker et traiter l'information, facilitant diverses activités mentales et contrôlant tous les comportements chez les animaux. Des changements locaux dans le corps, tels que des fluctuations de pH, des troubles métaboliques ou des microsaignements, ainsi que des changements circulatoires périphériques (par exemple, des infections bactériennes ou virales) et d'autres altérations organiques (par exemple, une déficience fonctionnelle, une dysrégulation biologique ou une inflammation) peuvent entraîner des changements subtils dans le microenvironnement du SNC. Ces changements affectent considérablement la fonctionnalité du SNC, entraînant des altérations des capacités cognitives, des émotions et des comportements. Le cerveau sert de système de contrôle central du corps, régulant toutes les fonctions cognitives et physiologiques.
Ces dernières années, la prévalence croissante de troubles neurologiques tels que la maladie d'Alzheimer, la dépression, la schizophrénie et la maladie de Parkinson a fait du développement de médicaments pour le SNC un point central de la recherche pharmaceutique. Cependant, les taux d'échec élevés dans le développement de médicaments pour le SNC sont attribués à des facteurs tels que des mécanismes de maladie peu clairs, la barrière hémato-encéphalique (BHE) et l'irremplaçabilité des neurones. Cet article présente un aperçu du criblage et de l'évaluation des médicaments pour le SNC du point de vue deMétabolisme et pharmacocinétique des médicaments (DMPK) .
Défis dans le traitement du système nerveux central
Des études sur la microstructure du cerveau ont révélé que le lit capillaire cérébral présente des jonctions serrées entre les cellules endothéliales cérébrales (BEC), avec un minimum de grandes vésicules régulatrices de cellules ou de fenêtres intracellulaires. De plus, des jonctions serrées ont été identifiées dans le plexus choroïde, confirmant l'existence de la barrière hémato-encéphalique. Ces résultats indiquent que les composés pénétrant dans le cerveau rencontrent au moins deux barrières : la BHE au niveau des petites artères-capillaires-petites veines et la barrière hémato-encéphalique située dans le plexus choroïde. Ces deux barrières empêchent la libre diffusion des composés dans le SNC.
1.1 Barrière hémato-encéphalique (BHE)
La BHE est située entre le tissu cérébral et les capillaires, ce qui constitue un obstacle important à la pénétration de nombreuses molécules médicamenteuses du système circulatoire vers le cerveau, ce qui en fait le premier obstacle au développement de médicaments pour le SNC. La BHE se présente généralement sous la forme d'une membrane lipidique. De petites substances lipophiles peuvent facilement pénétrer dans le SNC, tandis que de nombreux médicaments hydrophiles, en particulier ceux qui ont une charge élevée ou ceux qui se lient étroitement aux protéines sériques, ne peuvent pas la traverser.
Les caractéristiques physiologiques du cerveau comprennent un réseau capillaire dense sous le cortex, d'environ 650 km de long, avec une surface vasculaire d'environ 15-20 mètres carrés. En raison de cette grande surface, la BHE est souvent considérée comme la principale voie d'absorption des petites molécules plasmatiques. Les cellules endothéliales matures du SNC établissent la BHE pour protéger le tissu nerveux des fluctuations des composants sanguins, exclure les toxines et maintenir l'homéostasie ionique. La BHE est constituée d'une couche de cellules endothéliales capillaires cérébrales et de cellules gliales étroitement regroupées, formant une barrière qui empêche le transport moléculaire du sang vers le tissu périneuronal et crée une résistance aux processus transmembranaires. La BHE peut limiter strictement l'entrée de tous les composés à l'exception des petits composés non polaires, ce qui complique le traitement des troubles du SNC.
1.2 Barrière hémato-céphalorachidienne (BCSFB)
La circulation du LCR débute dans les ventricules via le plexus choroïde et s'étend jusqu'au côté crânien et à l'arachnoïde spinal. Le BCSFB est une autre barrière primaire ; les composés de la circulation sanguine peuvent pénétrer directement dans le BCSFB ou traverser la BHE avant d'atteindre le LCR par diffusion ou convection, régulant ainsi l'entrée et la sortie de diverses substances dans la moelle épinière. Cette barrière a une surface relativement petite, des taux de diffusion faibles et des taux de clairance rapides, empêchant efficacement l'entrée de molécules plus grosses, de protéines et de peptides.
Les principaux processus de transport au sein du SNC sont illustrés dans la figure ci-jointe. Le tissu cérébral est constitué de liquide interstitiel (LSI) et de cellules cérébrales, entourés de LCR. D'un point de vue scientifique, la concentration de médicaments dans le liquide intracellulaire (LCI) est d'un intérêt primordial (en particulier sa concentration libre). Cependant, les technologies actuelles ne peuvent pas la mesurer directement. Le LSI sert d'indicateur théorique et une barrière biologique, la membrane cellulaire, existe entre le LSI et le LCI. Des protéines telles que l'albumine sont présentes dans le LSI et peuvent se lier aux médicaments, ce qui rend la mesure directe difficile (bien qu'elle puisse être déduite par microdialyse). Le LSI et le LCI sont généralement considérés comme étant en équilibre dans des conditions idéales. La concentration de médicaments dans le LCR est souvent considérée comme approximativement égale à la concentration de médicament libre dans le LSI, ce qui en fait un moyen courant d'évaluer la perméabilité cérébrale.
La BHE et le BCSFB créent des barrières importantes à la libre diffusion des composés dans le SNC. La concentration libre du médicament dans le plasma, en l'absence de transport par transporteur, est considérée comme approximativement égale aux concentrations libres dans le LSI et le LCR.
2.1 Paramètres d'évaluation de la perméabilité de la BHE
Il est essentiel de comprendre les facteurs qui influencent l'exposition cérébrale aux médicaments du SNC et les méthodologies utilisées pour l'évaluation pour le développement de médicaments. L'identification des paramètres clés pour le criblage et l'optimisation vise à améliorer l'exposition cérébrale, à éviter les substrats pour les transporteurs d'efflux et à réduire les taux de clairance systémique, garantissant ainsi qu'une quantité suffisante de médicament atteigne le site cible pour exercer ses effets. Compte tenu des défis liés au franchissement de la BHE, il est essentiel de sélectionner des paramètres ou des indicateurs appropriés comme normes d'évaluation.
Certains indicateurs de référence courants pour évaluer la perméabilité de la BHE comprennent :
2.2 Méthodes courantes d'évaluation de la perméabilité de la BHE
En raison de la diversité des mécanismes de perméabilité des petites molécules, les méthodes courantes s'intéressent principalement à la perméabilité de la BHE, à la distribution des médicaments dans le cerveau, à la concentration de médicaments libres dans le cerveau et à l'impact des transporteurs sur la BHE. Cette section décrit les méthodes couramment utilisées lors de la découverte de médicaments.
3.1 Mesure de la concentration de médicament libre dans le cerveau
Les études sur les animaux sont le moyen le plus direct et le plus efficace d'obtenir des concentrations de médicament dans le tissu cérébral, le LCR et le plasma. En règle générale, les espèces utilisées pour le dépistage pharmacocinétique (PK) doivent correspondre à l'efficacité et à la toxicité. La voie d'administration doit être déterminée en fonction des objectifs de développement. Les procédures sont similaires aux tests PK standard, une attention particulière étant requise pour les méthodes de collecte de tissu cérébral ou de LCR. Les résultats des tests doivent être étalonnés par rapport aux valeurs fu déterminées in vitro du composé dans le plasma et le tissu cérébral, car la faible teneur en protéines du LCR ne nécessite pas de correction. Kp, uu évalue la capacité d'un composé à pénétrer la BHE, tandis que AUCCSF et AUCp,u évaluent les caractéristiques de distribution à travers le BCSFB, indiquant si le LCR peut servir de paramètre de substitution pour étudier les concentrations de médicament libre dans le tissu cérébral.
En se basant sur l'hypothèse du médicament libre, idéalement, la concentration de médicament libre dans le cerveau reflète le plus directement la concentration de médicament actif. Cependant, dans des conditions pratiques, il est difficile de mesurer les concentrations de médicament libre dans les cellules du tissu cérébral. En l'absence d'effets de transporteur significatifs, les concentrations de médicament libre dans le plasma, le LCR ou le liquide interstitiel du tissu cérébral servent de paramètres de substitution.
3.1.1 Mesure de la distribution des tissus cérébraux
Un ou plusieurs points d'échantillonnage sont utilisés pour calculer Kp,brain :
Le paramètre Kp,brain est relativement facile à obtenir, mais il peut introduire un biais dans la compréhension des composés. En raison des différences dans la fraction libre des composés dans le plasma et le tissu cérébral, les composés ayant un rapport sang/plasma élevé peuvent ne pas avoir de concentrations libres élevées dans le cerveau ; à l'inverse, les composés ayant un rapport sang/plasma plus faible peuvent être de meilleurs candidats. Ainsi, ce paramètre ne peut exclure que grossièrement les composés ayant de très faibles concentrations cérébrales totales, ce qui le rend inadapté à la sélection de candidats optimaux.
3.1.2 Méthode du rapport médicament libre plasma-cerveau
Kp, uu représente le rapport cerveau-plasma libre, un paramètre clé pour évaluer l'équilibre de distribution des composés entre le sang et le cerveau. Il reflète de manière exhaustive les actions de diffusion passive et de transport.
Les fractions libres dans le plasma et le tissu cérébral sont principalement utilisées pour convertir les paramètres PK standards en paramètres de médicament libre. Si l'on considère la chose de manière isolée, une fraction libre de médicament plus élevée indique généralement une concentration efficace de médicament plus élevée. Cependant, d'un point de vue holistique, des fractions libres de médicament plus élevées dans le plasma peuvent conduire à des taux de métabolisme ou d'excrétion améliorés, tandis que des fractions libres de médicament élevées dans le tissu cérébral pourraient entraver la diffusion passive dans le cerveau. Par conséquent, le fu ne peut généralement pas servir de paramètre principal pour l'optimisation, et sa valeur n'est pas intrinsèquement liée à l'efficacité du médicament.
Lorsque Kp, uu approche 1, cela reflète des caractéristiques de composé idéales, indiquant une bonne perméabilité et un non-substrat pour les transporteurs ; dans ces conditions, la concentration plasmatique libre de médicament peut servir d'indicateur de substitution. Inversement, lorsque Kp, uu est significativement inférieur à 1, cela suggère que le composé peut être un substrat pour les transporteurs ou avoir une faible perméabilité, nécessitant des modifications structurelles pour améliorer les caractéristiques du composé. Lorsque Kp, uu dépasse 1, cela peut indiquer l'implication de transporteurs actifs dans les processus de transport transmembranaire.
3.1.3 Méthode de mesure du LCR
La concentration de médicaments dans le LCR est souvent considérée comme à peu près égale à la concentration de médicament libre dans le LSI, ce qui en fait une matrice courante pour évaluer la perméabilité cérébrale. En général, les concentrations de protéines dans le LCR sont négligeables. La détection des concentrations de LCR in vivo pose des défis techniques, principalement en raison des volumes d'échantillonnage limités (par exemple, la circulation totale du LCR d'un rat n'est que de 250 μL), de la sensibilité à la contamination sanguine pendant le prélèvement et des concentrations généralement faibles (uniquement des concentrations de médicament libre).
3.2 Perméabilité de la barrière hémato-encéphalique
3.2.1 Technologie des membranes artificielles
Le modèle PAMPA utilise une structure « sandwich » : un tampon donneur contenant la substance d'essai en bas, une membrane lipidique artificielle au milieu et un tampon récepteur au-dessus. Ce modèle utilise une membrane lipidique artificielle dépourvue de protéines de transport, adaptée à l'évaluation des médicaments avec des mécanismes de diffusion passive mais incapable de prédire avec précision ceux qui dépendent du transport actif. Comme la plupart des composés pénètrent dans le tissu cérébral par diffusion passive, la perméabilité passive de la BBB est essentielle dans la conception des médicaments. Un modèle PAMPA-BBB à haut débit a été développé pour évaluer la perméabilité passive d'un médicament à travers la BBB.
3.2.2 Méthode de perfusion cérébrale in situ
La méthode de référence pour évaluer la perméabilité de la BHE est la perfusion cérébrale in situ. Cependant, en raison de ses exigences techniques et de ses défis de faisabilité, elle est rarement utilisée pour le criblage de composés. Actuellement, l'approche la plus courante consiste à homogénéiser le plasma et le tissu cérébral et à appliquer une dialyse à l'équilibre pour la mesure. Pour les composés ayant une liaison non spécifique significative à des niveaux élevés de protéines, le temps d'équilibre expérimental peut nécessiter un ajustement pour garantir un véritable équilibre, évitant ainsi les écarts de résultats. Les méthodes alternatives incluent la dialyse Transil ou à l'équilibre par étapes. Des études ont montré que les taux de liaison au tissu cérébral sont indépendants de l'espèce et de la région du tissu cérébral, ce qui permet de déduire les taux de liaison au tissu cérébral humain à partir de données sur une seule espèce. D'autres méthodes comprennent l'ultracentrifugation, la microdialyse et le sectionnement du tissu cérébral.
3.3 Activité de transport d'efflux de la P-glycoprotéine (Pgp)
Pour mieux simuler la BHE et évaluer la perméabilité des composés testés à travers la BHE, des modèles cellulaires dérivés ou non du cerveau (modèle cellulaire MDCK, modèle cellulaire MDCK-MDR1, modèle cellulaire Caco-2) ont été développés. Par rapport aux méthodes PAMPA-BBB, les modèles cellulaires sont plus adaptés à l'étude des transporteurs de la BHE. Il est essentiel d'évaluer si un composé est un substrat pour la Pgp et s'il subit un efflux, car la Pgp reste un transporteur important qui empêche les médicaments de pénétrer dans le cerveau. Le dépistage de l'activité d'efflux de la Pgp est essentiel pour la thérapie du SNC. Les modèles cellulaires MDCK-MDR1 ou Caco-2 peuvent évaluer l'activité d'efflux de la Pgp et guider les modifications structurelles pour surmonter l'efflux médié par la Pgp et améliorer la perméabilité.
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