New targets for drug delivery across the BBB

New targets for drug delivery across the BBB The blood–brain barrier (BBB) is a major obstacle to drug delivery to the central nervous system (CNS). In a recent study, Watts and colleagues identified proteins that are expressed at high levels at the BBB, including CD98 heavy chain (CD98hc), and could be exploited for receptor-mediated transcytosis (RMT) of therapeutic antibodies across the barrier, thereby enhancing brain uptake. A monolayer of brain endothelial cells (BECs), supported by astrocytes and pericytes, restricts the transfer of proteins between the blood and the brain, such that only ~0.1% of circulating antibodies cross the intact BBB.  RMT, whereby a ligand or antibody binds to a receptor expressed at the luminal surface of BECs and is transported to the brain parenchyma via the endocytic machinery, is a physiological route that has been explored as a potential mechanism for CNS drug delivery. Notably, targeting the transferrin receptor (TFR) has shown promise, but safety concerns have limited the application of this approach in humans.  For the current study, Watts and co-workers first investigated the commonly studied RMT targets low-density lipoprotein receptorrelated protein 1 (LRP1) and insulin receptor (IR). Previous studies showed enrichment of mRNA transcripts encoding these receptors in BECs relative to lung and liver endothelial cells.  The team used flow-assisted cell sorting to isolate antibodies specific to the murine target and used radiolabelling to assess cortical localization and brain uptake of the antibodies after intravenous dosing in mice.  Despite doses of up to 20 mg per kg, brain accumulation of LRP1- and IR-specific antibodies did not exceed that of control immunoglobulin G (IgG) and remained considerably below that of TFRspecific antibodies (the positive control).  Proteomics analysis involving mass spectrometry of mouse BECs revealed low protein levels of LRP1 and IR, which could account for the antibody-binding results. Conversely, the proteomics analysis identified several transmembrane proteins not previously studied as RMT mediators to be abundantly expressed in BECs. These included the extracellular matrix metalloproteinase inducer basigin, the glucose transporter GLUT1 and the solute carrier CD98hc.  Systemic injection of antibodies specific to each of these three proteins led to markedly increased brain levels of the antibodies measured at 1 hour and 24 hours post-dose. Brain accumulation of CD98hc-specific antibodies was the most pronounced, at its peak reaching levels 80–90-fold higher than those of control IgG and 4–5-fold above those of TFR-targeted antibodies. To further assess CD98hc-specific antibodies in a pharmacodynamic assay, Watts and colleagues engineered a bispecific antibody that binds CD98hc with one arm and β-secretase 1 (BACE1) with the other arm. BACE1 is the primary generator of amyloid-β, a protein that is hypothesized to have a causal role in Alzheimer disease pathogenesis.  Brain levels of amyloid-β declined 30–45% compared to levels in control IgG-treated mice at up to 4 days post-injection, demonstrating transfer of the antibodies from the circulation to the brain parenchyma. Protein-abundance studies in human BECs will be an important next step towards clinical translation of these findings.  The potential for using RMT to deliver antibody–drug conjugates to the CNS could also broaden the scope of this approach to drug classes beyond therapeutic antibodies

Hướng đi mới để “vận chuyển” thuốc qua hàng rào máu não Hàng rào máu não (blood-brain barrier – BBB) là rào cản chính để vận chuyển thuốc đến hệ thần kinh trung ương. Trong một nghiên cứu gần đây, Watts cùng các cộng sự đã xác định những protein được tạo ra với nồng độ cao tại hàng rào máu não, bao gồm các CD98 chuỗi nặng (CD98hc), được sử dụng như các receptor-mediated transcytosis (RMT) giúp các kháng thể điều trị đi qua được hàng rào máu não, từ đó nâng cao khả năng hấp thu tại não. Tế bào đơn lớp nội mô ở não (BEC – brain endothelial cell), được hỗ trợ bởi các tế bào hình sao và pericyte, có khả năng ngăn cản sự vận chuyển protein giữa mạch máu và não, do đó chỉ khoảng 0.1% kháng sinh còn nguyên vẹn khi qua hàng rào máu não.  Theo đó, RMT là một ligand hay kháng thể liên kết với receptor trên biểu mô bề mặt của BEC, được vận chuyển đến nhu mô não thông qua cơ chế nội sinh. Ngoài ra, các receptor transferrin (TFR) cũng mang lại rất nhiều hứa hẹn, tuy nhiên yếu tố an toàn đã hạn chế việc áp dụng của phương pháp này trên cơ thể con người.  Trong nghiên cứu gần đây, Watts cùng các đồng sự đã hướng tới RMT với LRP1 (low-density lipoprotein receptorrelated protein 1) và receptor insulin (IR). Những nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng sự đa dạng của các mRNA mã hóa các receptor ở BEC có liên quan đến các tế bào nội mô của phổi và gan.  Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp sắp xếp tế bào theo dòng để phân lập kháng thể đặc hiệu sau khi tiêm tĩnh mạch chuột và dùng phương pháp đánh dấu bằng vô tuyến để đánh giá khả năng khu trú ở vỏ não và tăng hấp thu ở não.  Dù rằng liều sử dụng lên đến 20mg/kg, nồng độ tích lũy của kháng thể LRP1 và IR đặc hiệu không vượt quá sự kiểm soát của IgG và vẫn còn thấp hơn đáng kể kháng thể TFR đặc hiệu.  Phân tích proteomic bằng khối phổ tế bào BEC của chuột cho thấy nồng độ thấp của LRP1 và IR, điều này được cho rằng là do kết quả của sự gắn kháng thể. Ngược lại, các phân tích proteomic xác định một số các protein xuyên màng không được nghiên cứu trước đây như các receptor trung gian RMT trên các tế bào BEC. Chúng bao gồm EMMPRIN (extracellular matrix metalloproteinase inducer basigin), glucose vận chuyển GLUT1 và chất mang hòa tan CD98h.  Hệ thống tiêm kháng thể đặc hiệu ứng với mỗi ba protein dẫn đến sự gia tăng đáng kể nồng độ trong não của các kháng thể, đo tại thời điểm 1 giờ và 24 giờ sau tiêm. Tích lũy ở não của kháng thể CD98hc đặc hiệu là đáng kể nhất: tại đỉnh, cao gấp 80-90 lần mức kiểm soát của IgG và 4-5 lần kháng thể TFR. Để đánh giá thêm dược lực học của kháng thể CD98hc đặc hiệu, Watts và các đồng nghiệp đã thiết kế một kháng thể bispecific gắn với CD98hc ở một nhánh và β-secretase 1 (BACE1) ở nhánh còn lại. BACE1 là nguyên liệu chính để tạo ra amyloid-β, một protein được cho là có vai trò quan trọng trong bệnh Alzheimer.  Nồng độ tại não của amyloid-β giảm 30-45% so với mức kiểm soát IgG ở chuột sau tiêm 4 ngày, cho thấy sự vận chuyển kháng thể từ vòng tuần hoàn đến nhu mô não. Những nghiên cứu mới về các protein trên BEC sẽ đem lại những bước tiến quan trọng trên lâm sàng.  Khả năng sử dụng RMT để vận chuyển các thuốc kháng thể đến thần kinh trung ương cũng sẽ mở rộng phạm vi điều trị cho các thuốc điều trị thần kinh hơn nữa.