Гистогематический и гематоэнцефалический барьеры мозга. ГЭБ или гематоэнцефалический барьер: его строение и значение Проникает через гэб в цнс

Гематоэнцефалический барьер присутствует у всех позвоночных. Он проходит между центральной нервной и кровеносной системами. Далее рассмотрим подробнее такой термин, как "гематоэнцефалический барьер": что это такое, какие задачи он выполняет.

Исторические сведения

Первые свидетельства о том, что существует гематоэнцефалический барьер, были получены Паулем Эрлихом в 1885 году. Он выяснил, что краситель, введенный в кровоток крысы, попал во все ткани и органы, за исключением головного мозга. Эрлих высказал предположение, что вещество не распространилось на мозговые ткани в процессе внутривенного введения из-за того, что не имело с ними родства. Этот вывод оказался неверным. В 1909 году ученик Эрлиха, Гольдман, определил, что краситель синий трипановый не проникает при внутривенном введении в мозг, но окрашивает сплетение сосудов желудочков. В 1913 году он продемонстрировал, что введенное контрастное вещество в спинномозговую жидкость лошади либо собаки распределяется по тканям спинного и головного мозга, но не затрагивает при этом периферические органы и системы. Основываясь на результатах опытов, Гольдман выдвинул предположение о том, что между кровью и мозгом существует препятствие, предотвращающее проникновение нейротоксических соединений.

Физиология человека

Головной мозг имеет вес, примерно равный 2% от массы всего тела. Потребление кислорода ЦНС находится в пределах 20% от общего объема, поступающего в организм. От прочих органов головной мозг отличается наименьшим запасом питательных соединений. При помощи только анаэробного гликолиза обеспечивать свои энергетические потребности нервные клетки не в состоянии. При прекращении поступления крови в мозг через несколько секунд происходит потеря сознания, а спустя 10 минут гибнут нейроны. Физиология человека устроена таким образом, что энергетические потребности мозговых структур обеспечиваются благодаря активному транспорту питательных соединений и кислорода сквозь ГЭБ. Кровеносные сосуды ЦНС обладают некоторыми структурно-функциональными особенностями. Это отличает их от кровеносных сетей прочих систем и органов. Данные отличительные черты обеспечивают питание, поддержание гомеостаза и выведение продуктов жизнедеятельности.

Гематоэнцефалический барьер: физиология

Нормальная деятельность мозга возможна только в условиях биохимического и электролитного гомеостаза. Колебания содержания кальция в крови, рН и прочих показателей не должны оказывать влияние на состояние ткани нервов. Она также должна быть защищена от проникновения нейромедиаторов, циркулирующих в крови и способных изменить активность нейронов. В мозг не должны попадать чужеродные агенты: патогенные микроорганизмы и ксенобиотики. Особенности строения ГЭБ способствуют тому, что он является и иммунологическим препятствием, поскольку непроницаем для большого количества антител, микроорганизмов и лейкоцитов. Нарушения в гематоэнцефалическом барьере могут спровоцировать поражения ЦНС. Множество неврологических патологий косвенно либо напрямую связано с повреждением ГЭБ.

Структура

Каково строение гематоэнцефалического барьера? В качестве основного элемента выступают эндотелиальные клетки. Гематоэнцефалический барьер включает в себя также астроциты и перициты. В церебральных сосудах присутствуют плотные контакты между эндотелиальными клетками. Промежутки между элементами ГЭБ меньше, чем в прочих тканях организма. Эндотелиальные клетки, астроциты и перициты выступают в качестве структурной основы гематоэнцефалического барьера не только у людей, но и у большинства позвоночных.

Формирование

До конца ХХ века существовало мнение, что у новорожденных и эмбриона гематоэнцефалический барьер и его функции не развиты в полной мере. Такое достаточно широко распространенное мнение было обусловлено несколькими неудачными опытами. В ходе экспериментов эмбрионам и взрослым животным вводились красители, связанные с белками, или прочие маркеры. Первые такие опыты были проведены в 1920 году. Вводимые эмбрионам маркеры распространялись по ткани головного и жидкости спинного мозга. У взрослых животных этого не наблюдалось. В процессе проведения экспериментов были допущены некоторые ошибки. В частности, в одних опытах использовался слишком большой объем красителя, в других - было повышено осмотическое давление. В результате этого происходило частичное повреждение в сосудистой стенке, вследствие чего маркер распространялся по ткани мозга. При правильной постановке опыта прохождения сквозь гематоэнцефалический барьер не отмечалось. В крови эмбриона в большом объеме присутствуют молекулы таких соединений, как трансферрин, альфа1-фетопротеин, альбумин. Эти вещества не обнаруживаются, однако в межклеточном пространстве мозговой ткани, в эмбриональном эндотелии, выявлен транспортер Р-гликопротеин. Это, в свою очередь, свидетельствует о присутствии гематоэнцефалического барьера в пренатальном периоде.

Проницаемость

В процессе развития организма отмечается совершенствование ГЭБ. Для поляризованных небольших молекул, к примеру, сахарозы и инулина, проницаемость гематоэнцефалического барьера у новорожденного и эмбриона существенно выше, чем у взрослых. Аналогичный эффект обнаружен и для ионов. Прохождение инсулина и аминокислот сквозь гематоэнцефалический барьер значительно ускорено. Это, вероятно, связано с большой потребностью растущего мозга. Вместе с этим у эмбриона присутствует барьер между тканью и ликвором - "ремневые контакты" между элементами эпендимы.

Механизмы прохождения сквозь ГЭБ

Основных путей преодоления барьера существует два:

Легче всего сквозь гематоэнцефалический барьер проникнуть молекулам небольшого размера (кислороду, например) либо элементам, легко растворимым в липидных мембранных компонентах, располагающихся в глиальных клетках (этанол, к примеру). За счет использования высокоспециализированных механизмов для преодоления гематоэнцефалического барьера через него проникают грибки, бактерии, вирусы. К примеру, возбудители герпеса проходят через нервные клетки слабого организма и попадают в ЦНС.

Использование свойств ГЭБ в фармакологии

Современные эффективные медикаменты разрабатываются с учетом проницаемости гематоэнцефалического барьера. К примеру, фармпромышленность выпускает синтетические анальгетики на основе морфина. Но в отличие от него препараты не проходят сквозь ГЭБ. Благодаря этому медикаменты эффективно избавляют от боли, не делая при этом пациента морфинозависимым. Существуют различные антибиотики, проникающие через гематоэнцефалический барьер. Многие из них считаются незаменимыми при лечении тех или иных инфекционных патологий. При этом необходимо помнить, что передозировка препаратами может спровоцировать серьезные осложнения - паралич и гибель нервов. В связи с этим специалисты крайне не рекомендуют самолечение антибиотиками.

Медикаменты, проходящие сквозь ГЭБ

Гематоэнцефалический барьер отличается избирательной проницаемостью. Так, некоторые из биологически активных соединений - катехоламины, к примеру, - не проходят ГЭБ. Тем не менее существуют небольшие области рядом с гипофизом, эпифизом и рядом участков гипоталамуса, где данные вещества могут проникнуть через гематоэнцефалический барьер. Назначая лечение, врач учитывает особенности ГЭБ. К примеру, в практической гастроэнтерологии проницаемость барьера принимается во внимание в процессе оценки интенсивности побочного действия определенных медикаментов на органы пищеварения. В этом случае предпочтение стараются отдавать тем лекарствам, которые хуже проходят сквозь ГЭБ. Что касается антибиотиков, то среди хорошо проникающих через барьер следует отметить препарат "Нифурател". Он известен также под названием "Макмирор". Хорошо преодолевают ГЭБ прокинетики первого поколения. К ним, в частности, относят такие средства, как "Бимарал", "Метоклопрамид". Активным веществом в них выступает бромоприд.

Хорошо проходят ГЭБ и препараты следующих поколений прокинетиков. Среди них можно назвать такие медикаменты, как "Мотилак", "Мотилиум". В них активное вещество - домперидон. Хуже проникают через гематоэнцефалический барьер такие препараты, как "Итомед" и "Ганатон". В них действующее вещество - итоприд. Наилучшая степень прохождения через ГЭБ отмечается у таких медикаментов, как "Ампициллин" и "Цефазолин". Следует также сказать, что способность проникать через гематоэнцефалический барьер у жирорастворимых соединений выше, чем у водорастворимых.

Все большее количество заболеваний ученые объясняют нарушением функций гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Его патологическая проницаемость развивается практически при всех видах патологии ЦНС. С другой же стороны, для обеспечения проникновения некоторых препаратов в мозг преодоление ГЭБ становится первоочередной задачей. Методики, позволяющие целенаправленно преодолевать защитный барьер между кровеносным руслом и мозговыми структурами, могут дать существенный толчок в терапии множества заболеваний.

В одном из своих знаменитых экспериментов с красителями ныне всем известный ученый Пауль Эрлих обнаружил в конце XIX века интересный феномен, который занимает умы ученых и по сей день: после введения в кровь подопытной мыши органического красителя, наблюдая в микроскоп клетки различных органов, в том числе и клетки, относящиеся к органам центральной нервной системы, Эрлих отметил, что краситель проник во все ткани, за исключением головного мозга. После того, как помощник ученого сделал инъекцию красителя непосредственно в мозг, наблюдаемая в микроскоп картина была прямо противоположна: вещество мозга было окрашено красителем в темный фиолетово-синий цвет, тогда как в клетках других органов красителя обнаружено не было. Из своих наблюдений Эрлих заключил, что между мозгом и системным кровотоком должен существовать некий барьер.

Через полвека после открытия Пауля Эрлиха, с появлением более мощных микроскопов, позволяющих наблюдать объекты с увеличением в 5000 раз большим, чем позволял микроскоп, используемый Эрлихом, удалось действительно идентифицировать гематоэнцефалический барьер. Он кроется в стенках многокилометровой сети кровеносных сосудов, снабжающей каждую из сотни миллиардов нервных клеток человеческого мозга. Как и все кровеносные сосуды, сосуды головного мозга выстланы изнутри эндотелиальными клетками. Однако эндотелиоциты, входящие в состав нейроваскулярной единицы головного мозга, прилегают друг к другу плотнее, чем на протяжении остального сосудистого русла. Межклеточные контакты между ними получили название „tight junctions“ (плотные контакты). Возможность формирования компактного нефенестрированного монослоя, экспрессия высокоспециализированных транспортных молекул и белков клеточной адгезии позволяют эндотелиоцитам поддерживать низкий уровень трансцитоза. Также эндотелий находится под действием регуляции со стороны перицитов, астроцитов, нейронов и молекул внеклеточного матрикса, что дает понять, что ГЭБ – это не просто слой эндотелиоцитов, а активный орган, включающий в себя разные типы клеток. Такое взаимодействие клеток, обеспечивающее барьерную функцию, препятствуя свободному перемещению жидкостей, макромолекул, ионов, объясняет, почему же ни краситель Пауля Эрлиха, ни некоторые лекарственные препараты не могут проникнуть из крови в ткани мозга.

Еще до того, как наличие ГЭБ стало явственным, врачи и ученые осознавали его значение. И вмешиваться в функционирование этого барьера считалось плохой идеей. Со временем это представление менялось, поскольку ГЭБ оказался высокоактивной структурой. Клетки с обеих сторон барьера находятся в постоянном контакте, оказывая взаимное влияние друг на друга. Разнообразные внутриклеточные молекулярные сигнальные пути определяют пропускную способность ГЭБ по отношению к разного типа молекулам (тут хотелось бы вспомнить сигнальный путь Wnt, координирующий множество процессов, связанных с дифференцировкой клеток, участвующий и в поддержании целостности ГЭБ). Лейкоциты, например, долгое время считавшиеся слишком крупными клетками для проникновения через ГЭБ, на самом деле преодолевают его, осуществляя «иммунологический надзор». Микроскопическая техника и сами микроскопы и сейчас не останавливаются в развитии, постоянно усложняются и открывают все больше возможностей для визуализации тонко устроенных структур живого организма. Например, использование двухфотонного микроскопа позволяет наблюдать живую ткань коры головного мозга на глубине около 300 мкм, что и было осуществлено доктором медицинских наук Майкен Недергаард из университета Рочестера. Ею были проведены следующие манипуляции: часть черепа мыши была удалена, затем была произведена инъекция красителя в кровеносное русло, что и позволило наблюдать ГЭБ в действии в реальном времени. Исследовательнице удалось отследить, как отдельные клетки перемещались из кровотока через стенку капилляров – через тот самый слой эндотелиальных клеток, который еще буквально 20 лет назад считался для них непроницаемым.

До того же, как был сконструирован двухфотонный микроскоп, исследователи пользовались классическими методами: например, наблюдали через микроскоп мертвые клетки ткани, что давало не много объяснений касательно функционирования ГЭБ. Ценно же наблюдение работы ГЭБ в динамике. В ряде экспериментов Недергаард и ее коллеги стимулировали определенную группу нервных клеток, с помощью чего была обнаружена невероятная динамичность ГЭБ: окружающие нейроны кровеносные сосуды расширялись при стимуляции нервных клеток, обеспечивая усиленный приток крови, поскольку стимулируемые нейроны начинали распространять потенциал действия; при снижении раздражающих импульсов сосуды сразу снова сужались. Также при оценке функций ГЭБ важно уделять внимание не только эндотелиоцитам, но и уже упомянутым астроцитам и перицитам, которые окружают сосуды и облегчают взаимодействие между кровью, эндотелием и нейронами. Не стоит недооценивать и циркулирующие вокруг клетки микроглии, поскольку дефекты их функций могут играть не последнюю роль в возникновении нейродегенеративных заболеваний, т.к. в этом случае ослабляется иммунная защита ГЭБ. При гибели эндотелиоцитов – по естественным причинам или вследствие повреждения – в гематоэнцефалическом барьере образуются «бреши», и эндотелиальные клетки не в состоянии сразу же закрыть данный участок, поскольку формирование плотных контактов требует времени. Значит, эндотелиоциты на этом участке должны быть временно замещены каким-то другим типом клеток. И именно клетки микроглии приходят на помощь, восстанавливая барьер, пока эндотелиальные клетки полностью не восстановятся. Это было показано в эксперименте командой доктора Недергаард, когда через 10-20 минут после повреждения капилляра головного мозга мыши лазерными лучами клетки микроглии заполнили повреждение. По этой причине, одна из гипотез, с помощью которой ученые пробуют объяснить возникновение нейродегенеративных заболеваний, – это нарушение функции микроглиальных клеток. Например, роль нарушений ГЭБ подтверждается в развитии атак рассеянного склероза: иммунные клетки в большом количестве мигрируют в ткани мозга, запуская синтез антител, атакующих миелин, вследствие чего разрушается миелиновая оболочка аксонов.

Патологическая проницаемость ГЭБ также играет роль в возникновении и течении эпилепсии. Уже достаточно давно известно, что эпилептические припадки связаны с преходящим нарушением целостности ГЭБ. Правда, до недавнего времени считалось, что это последствие приступов эпилепсии, а не причина. Но с получением новых результатов исследований эта точка зрения постепенно изменилась. Например, по данным лаборатории университета Амстердама, частота припадков у крыс повышалась соответственно открытию ГЭБ. Чем более выраженным было нарушение барьера, тем более вероятно у животных развивалась височная форма эпилепсии. С этими данными коррелируют также результаты, полученные в Кливлендской клинике (США) при проведении испытаний на свиньях, а также на примере людей: в обоих случаях судорожные припадки происходили после открытия ГЭБ, но никогда — до этого.

Также ученые занимаются и взаимосвязью функционирования ГЭБ с болезнью Альцгеймера. К примеру, удалось идентифицировать два белка ГЭБ, которые, вероятно, играют роль в развитии данного заболевания. Один из этих белков – RAGE – опосредует проникновение молекул бета-амилоида из крови в ткань головного мозга, а другой – LRP1 – транспортирует их наружу. Если равновесие в деятельности этих белков нарушается, формируются характерные амилоидные бляшки. И хотя применение этих знаний для терапии еще только в будущем, есть дающие надежды результаты: на модели мышей удается предотвратить отложение бета-амилоида, заблокировав ген, ответственный за синтез RAGE-белков в эндотелиальных клетках. Возможно, препараты, блокирующие белок RAGE, работа над созданием которых уже ведется, будут иметь сходный эффект и у человека.

Помимо проблемы восстановления целостности ГЭБ, другая проблема, связанная с его функционированием – это, как уже было сказано, переправление лекарственных препаратов через преграду между кровотоком и мозгом. Обмен веществ, осуществляемый через ГЭБ, подчиняется определенным правилам. Чтобы пересечь барьер, вещество должно либо по массе не превышать 500 кДа (этому параметру соответствует большинство антидепрессивных, антипсихотических и снотворных средств), либо использовать естественные механизмы для перехода ГЭБ, как это делает, например, L-дофа, представляющая собой предшественник дофамина и транспортируемая через ГЭБ специальным переносчиком; либо вещество должно быть липофильным, поскольку аффинитет к жиросодержащим соединениям обеспечивает прохождение через базальную мембрану. 98% препаратов не выполняют и по одному из этих трех критериев, а значит, не могут реализовать свой фармакологический эффект в мозге. Вышеперечисленные критерии технологи безуспешно пытаются реализовать в ходе разработки лекарственных форм. Хотя жирорастворимые формы легко проникают через ГЭБ, некоторые из них тут же снова выводятся обратно в кровоток, другие застревают в толще мембраны, не достигая конечной цели. Кроме того, липофильность не является избирательным свойством мембран ГЭБ, а потому такие препараты могут практически без разбора проходить через мембраны клеток любых органов организма, что тоже, безусловно, минус.

Способы преодоления гемато-энцефалического барьера

Настоящим прорывом стало использование хирургического метода преодоления ГЭБ, разработанного нейрохирургом из Техасского университета в Далласе. Метод заключается во введении гиперосмолярного раствора маннита в ведущую к мозгу артерию. За счет осмолярного воздействия (количество растворенного вещества в гиперосмолярном растворе маннита превышает таковое внутри эндотелиальных клеток, поэтому, по закону осмоса, вода перемещается в сторону большей концентрации растворенного вещества) эндотелиоциты теряют воду, сморщиваются, плотные контакты между ними разрываются, и образуется временный дефект в ГЭБ, позволяющий вводимым в ту же артерию препаратам проходить в ткань мозга. Такое временное открытие ГЭБ длится от 40 минут до 2-х часов, после чего происходит восстановление эндотелиоцитов и контактов между ними. Такая методика оказывается спасительной для пациентов с диагностированными опухолями головного мозга, когда опухоль хорошо откликается на химиотерапию, но только в том случае, пока химиотерапевтический препарат достигает ткани мозга и накапливается в зоне инфильтрации злокачественных клеток в необходимой концентрации.

Это только один из способов преодоления ГЭБ. Существуют не менее интересные способы, они обзорно представлены на схеме внизу. Надеюсь, ознакомившись с ними, кто-то захочет углубиться в тему, чтобы разобраться в возможностях манипуляций с гематоэнцефалическим барьером и тем, как именно контроль над его функционированием может помочь в борьбе с различными заболеваниями.

Источники:
Engaging neuroscience to advance translational research in brain barrier biology – полный текст статьи, выдержки из которой использовались в посте, об участии ГЭБ в развитии различных заболеваний и способы его преодоления
J. Interlandi Wege durch die Blut-Hirn-Schranke, Spektrum der Wissenschaft, spezielle Auflage, 2/2016
Blood-Brain Barrier Opening – обзор способов открытия ГЭБ
Эндотелиальные прогениторные клетки в развитии и восстановлении церебрального эндотелия – о формировании и моделировании ГЭБ

М.И. Савельева, Е.А. Сокова

4.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ И СВЯЗЬ С БЕЛКАМИ ПЛАЗМЫ КРОВИ

После получения доступа к системному кровотоку через один из путей введения, ксенобиотики распределяются в органах и тканях. Серии физических и физиологических процессов, которые происходят одновременно, зависят от физико-химических свойств ЛС и тем самым формируют различные способы распределения их в организме. Примеры физических процессов - простое разведение или растворение препарата во внутриклеточных и внеклеточных жидкостях. Примеры физиологических процессов - связывание с белками плазмы, доступность тканевых каналов и проникание препарата через различные барьеры организма. На распределение препаратов могут влиять следующие факторы:

Кровоток;

Степень связывания с белками плазмы;

Физико-химические особенности препаратов;

Степень (глубина) и протяжённость проникновения препаратов через физиологические барьеры;

Степень элиминации, благодаря чему препарат непрерывно удаляется из организма, и что составляет конкуренцию феномену распределения.

Кровоток

Кровоток - объём крови, достигающий определённого участка в организме за единицу времени. Отношение объём/время и величина кровотока в разных областях организма различаются. Полный кровоток равен 5000 мл/мин и соответствует сердечной пропускной способности в состоянии покоя. Сердечная пропускная способность (минутный объём сердца) - объём крови, накачанный сердцем за одну минуту. В дополнение к минутному объёму сердца существует такой важный фактор, как объём крови в различных частях системного кровообращения. В среднем сердце содержит 7% от общего объёма крови, лёгочная система - 9%, артерии - 13%, артериолы и капилляры - 7%, а вены, венулы и вся венозная система - остающиеся 64%. Через проницаемые стенки капилляров происходит обмен ЛС, питательных и других веществ с интерстициальной жидкостью органов/тканей, после чего капилляры сливаются с венулами, которые постепенно сходятся в большие вены. В результате транскапиллярного обмена препарат за счёт разницы в давлении (осмотическое и гидростатическое давление) между внутренней и внешней частью капилляра или градиента концентрации транспортируется сквозь капиллярную стенку в ткань. Доставка ксенобиотика к тем или иным областям организма зависит от скорости кровотока и места введения препарата.

Кровоток - основной фактор в распределении ЛС в организме человека, при этом градиент концентрации играет незначительную роль (или вообще не участвует) в массовой доставке препарата к органам и тканям. Кровоток существенно определяет скорость доставки ЛС к определённой области тела и отражает относительный темп роста концентрации ксенобиотика, при котором происходит установление равновесия между органом/тканью и кровью. Количество ЛС, сохранённого или распределённого в ткани, зависит от размера ткани и физико-химических особенностей препарата, коэффициента разделения между органом/тканью и кровью.

Феномен, ограничивающий кровоток (распределение, ограниченное перфузией; феномен ограниченной передачи; распределение, ограниченное проходимостью) - зависимость транскапиллярного обмена

и хранения препарата в ткани от физико-химических особенностей препарата.

Транскапиллярный обмен препаратов, ограниченный перфузией

Для того, чтобы дифференцировать между двумя типами распределения, предположим, что капилляр - это полый цилиндр с длиной L и радиусом r, в котором течёт кровь со скоростью ν в положительном направлении х. Концентрация препарата в ткани вокруг капилляра - C ткань , а концентрация в крови - C кровь . Препарат проходит через

капиллярную мембрану за счёт градиента концентрации между кровью и тканью. Рассмотрим участок или сегмент направления между х и х+dx, где различие в массе потока препарата между началом и концом сегмента dx равно массе потока сквозь капиллярную стенку. Запишем равенство в следующей форме (4-1):

то уравнение (4-4) примет вид:

Масса потока сквозь капиллярную стенку в ткань - J ткань в выра-

жении чистой массы потока, покидающего капилляр на определён- ной длине L (4-6):

Сделав преобразование уравнения (4-6) при помощи уравнения (4-5), получаем:

Найдём капиллярный клиренс:

Капиллярный клиренс - объём крови, из которого ксенобиотик распространяется в ткань в единицу времени. Экстракционное отношение (отношение извлечения) распределения:

Уравнение (4-9) может быть преобразовано:

Уравнение (4-10) показывает, что отношение извлечения выражает фракцию балансировки между концентрацией препарата в ткани, артериальных капиллярах, на венозной стороне капилляров. Сравним уравнения (4-5) и (4-10) получим, что капиллярный клиренс равен кровотоку умноженному на отношение извлечения.

Рассмотрим распределение, ограниченное диффузией (или распределение, ограниченное проходимостью). При Q>PS или C артерия ≈ C вена

препарат является слаболипофильным и отношение извлечения - меньше, чем единица, а распределение препарата ограничено очень быстрой диффузией через капиллярную мембрану. Определим массовую передачу препарата в ткань:

Движущая сила для передачи ксенобиотика в ткань - градиент концентрации. Рассмотрим распределение, ограниченное перфузией (или распределение, ограниченное кровотоком). При Qили C вена ≈ C ткань концентрация препарата в ткани находится в равновесии

с концентрацией препарата на венозной стороне капилляров, и препарат является очень липофильным. Отношение извлечения равно или близко к единице, и потому поглощение препарата тканью термодинамически намного более выгодно, чем его присутствие в крови, а распределение ограничено лишь скоростью доставки препарата в ткань. Как только препарат достигает ткани, он немедленно поглощается. Определим массовую передачу препарата в ткань:

Связывание препаратов с белками

Связывание препаратов с белками плазмы значительно влияет на их распределение в организме. Малые молекулы ЛС, связанные с белками, могут легко проникать через барьеры. В связи с этим распределение ксенобиотика, связанного с белком, будет отличаться от распределения несвязанного препарата. Взаимодействие функциональных групп ЛС с мембранными или внутриклеточными рецепторами может быть коротким. Связывание с белком не только затрагивает распределение препарата в организме, но также влияет и на терапевтический результат. Поэтому необходимо использовать концентрацию свободного препарата в плазме для фармакокинетического анализа, регулирования режима дозирования и оптимального терапевтического эффекта.

Белковое связывание препаратов, используемых совместно с другими препаратами, может отличаться от препаратов, принимаемых по отдельности. Изменения в белковом связывании - результат замещения одного препарата другим в комплексе с белками плазмы. Подобное замещение может также произойти на клеточном уровне с другими белками и ферментами тканей. Замещение служит причиной увеличения свободной фракции препарата в плазме и ее накопления на участках рецептора пропорционально концентрации препарата. Важно отрегулировать режим дозирования препаратов при их совместном введении. Изменение белкового связывания препаратов - важная проблема, особенно для препаратов с узким терапевтическим диапазоном.

Белки плазмы, которые вовлечены во взаимодействие между белком и препаратом

Альбумин - основной белок плазмы и тканей, ответственный за связывание с препаратами, который синтезируется исключительно гепатоцитами печени. Молекулярная масса альбумина - 69 000 Da; жизнь полураспада равна приблизительно 17-18 дней. Белок в основном распространяется в сосудистой системе и, несмотря на большой молекулярный размер, дополнительно может распространяться в экст-раваскулярной зоне. Альбумин обладает отрицательно и положительно заряженными участками. Препарат взаимодействует с альбумином за счёт водородных связей (гидрофобное связывание) и сил Ван дер Вальса. Некоторые факторы, оказывающие на организм существенное влияние, например, беременность, хирургическое вмешательство, возраст, межэтнические и расовые различия - могут влиять на взаимодействие препаратов с альбумином. Почки не фильтруют альбумин, и поэтому препараты, которые связаны с альбумином, также не фильтруются. Степень связывания влияет не только на распределение препарата, но и на почечную элиминацию, метаболизм препарата. Только свободный препарат может быть захвачен гепатоцитами печени. Поэтому, чем больше процент связанного с белком препарата, тем ниже печёночное поглощение и уровень метаболизма препарата. Как было упомянуто ранее, степень лекарственного связывания с альбумином плазмы может также быть значительно изменена путём введения других препаратов, которые замещают основной препарат, в результате чего увеличивается концентрация свободного препарата в плазме.

Другие белки плазмы - фибриноген, глобулины (γ- и β 1 -глобулин - трансферин), церулоплазмин и α- и β-липопротеины. Фибриноген и его полимеризованная форма фибрин вовлечены в формирование кровяных сгустков. Глобулины, а именно, γ-глобулины - антитела, взаимодействующие с определёнными антигенами. Трансферин участвует в транспорте железа, церулоплазмин вовлечён в передачу меди, а α- и β-липопротеины - курьеры жирорастворимых компонентов.

Оценка параметров связывания белка

Связывание препаратов с белками плазмы обычно определяют в пробирке при физиологических условиях рН и температуре тела. Методы определения - диализ равновесия, динамический диализ, ультрафильтрация, гелевая фильтрационная хроматография, ультрацентри-

фугирование, микродиализ и несколько новых и быстро развивающихся методологий для экспериментов высокой пропускной способности. Цель - оценить концентрацию свободного препарата, находящегося в равновесии с комплексом белка и препарата. Отобранная методология и условия эксперимента должны быть такими, чтобы стабильность комплекса и равновесие были сохранены, а концентрация свободного препарата не была переоценена из-за слишком быстрого разрушения комплекса при измерении. После этого большинство комплексов препарата с белком держатся вместе за счёт слабого химического взаимодействия, электростатического типа (силы Ван дер Вальса), а водородное связывание имеет тенденцию к отделению при повышенных: температуре, осмотическом давлении и нефизиологическом рН.

Обычный метод диализа плазмы, или белкового раствора с рН 7,2-7,4 не эффективен при различных концентрациях препарата. Смесь после диализации становится изотонической вместе с NaCl [при 37°С через мембрану диализа с молекулярными сокращениями примерно 12 000-14 000 Dа против эквивалентного объёма фосфатных буферов (≈67, рН 7,2-7,4)]. Мембрану диализа в форме сумки, содержащей белок и препарат, помещают в буферный раствор. Изготовленная заводским способом изменённая версия сумки имеет два отделения, которые разделены мембраной диализа. Равновесие свободного препарата, проходящего сквозь мембрану, обычно достигается приблизительно за 2-3 ч. Концентрацию свободного препарата измеряют на стороне буфера, т.е. вне сумки или отделения, разделённого мембраной, которая должна быть равна концентрации свободного препарата внутри сумки или отделения; концентрация свободного препарата в сумке должна быть в равновесии с препаратом, прикреплённым к белку. При диализе используют раствор альбумина или чистый образец плазмы, содержащий альбумин. Параметры связывания препарата - свободная фракция или ассоциированная постоянная, которую можно определить, используя закон действия масс:

где К а - константа ассоциации; C D - концентрация свободного препарата в молекулах; C Pr - концентрация белка со свободными участками прикрепления; C DP - концентрация комплекса препарата с белком; k 1 и k 2 - константы уровня прямых и обратных реакций,

соответственно. Реципрокные связи постоянны и известны как диссоциация констант (4-14):

Величина ассоциированной постоянной К а представляет степень связывания препарата с белком. Препараты, которые связываются с белками плазмы экстенсивно, обычно имеют большую константу ассоциации. На основании уравнения (4-14) можно определить концентрацию комплекса препарата с белком:

Если концентрация общего белка (С) в начале эксперимента в пробирке известна, а концентрация комплекса препарата с белком (C) оценена экспериментально, тогда можно определить концентрацию свободного белка (С Pr), находящегося в равновесии с комплексом:

Замена уравнения (4-15) уравнением (4-16) для С Pr приводит:

Преобразуем уравнение (4-18):

При установлении C DP / С PT (число молей прикреплённого препарата на моль белка для равновесия) равно r, т.е. r = C DP / С PT , тогда уравнение (4-19) видоизменится:

При умножении уравнения (4-20) на n (n - число участков прикрепления на моль белка) получим уравнение Лангмура:

Уравнение Лангмура (Langmuir) (4-21) и график r против C D приводит к гиперболической изотерме (рис. 4-1). Упростим уравнение (4-21). Возьмём уравнение Лангмура (4-21) в обратном виде. Двойное реципрокное уравнение (4-22) показывает, что график 1/r против 1/C D является линейным с наклоном, равным 1/nK a и точкой пересечения по оси ординат 1/n (рис. 4-2):

Рис. 4-1. Изотерма Лангмура. По оси ординат - число молей препарата, прикреплённого на моль белка; по оси абсцисс - концентрация свободного препарата

Путём преобразования уравнения (4-21) можно получить два варианта линейного уравнения:

График Скатчарда (Scatchard) описывает отношение между r/C D и r как прямую линию с наклоном, равным ассоциативной константе К а (рис. 4-3). Точка пересечения с осью х равна числу связанных участков п, точка пересечения с осью у равна пК a ..

Кроме того, уравнение (4-21) можно перестроить для обеспечения прямолинейных взаимоотношений в терминах концентраций свободного и связанного препарата:

Рис. 4-2. Двойной реципрокный график Клотца

Уравнение (4-21) показывает взаимоотношения между реципрокным r (моли связанного препарата на моль белка) и C D

Рис. 4-3. Линейный график CDP/CD (отношение связанных участков к свободному препарату) против CDP (концентрация связанного препарата)

(концентрация свободного препарата). Точка пересечения с осью у - реципрокное от числа связанных участков на моль белка, а отношение наклона к точке пересечения у - ассоциативная константа равновесия.

График c dp /c d против c dp -

линия с наклоном, равным -К а и точкой пересечения по оси ординат nKC PT . Данное уравнение используют, если концентрация белка неизвестна. Оценка К а базируется на концентрации препарата, измеренной в буферном отсеке. Определение препарата, связанного с белком, основывают на оценке свободной фракции

График Скатчарда (Scatchard) (рис. 4-4) - прямая линия (для одного типа связанных участков).

Уравнение Лангмура для нескольких типов связанных участков:

где n 1 и К а1 - параметры одного типа идентично связанных участков; n 2 и К а2 - параметры второго типа идентично связанных участков и так далее. Например, остаток аспарагиновой или глютаминовой кислоты, -СОО - , может быть одним типом связанного участка, а -S - - остаток цистеина или -NH 2± - остаток гистидина - второй тип связанного участка. Когда препарат имеет сродство с двумя типами связанных участков, то график

Рис. 4-4. График Скатчарда

Скатчарда r/D против r представляет не прямую линию, а кривую (рис. 4-5). Экстраполяция начальных и конечных линейных сегментов кривой приводит к прямым линиям, которые соответствуют уравнениям:

Рис. 4-5. График Скатчарда

График Скатчарда представляет связывание с белком двух различных классов участков. Кривая представляет первые два элемента

уравнения (4-26), которые определены как прямые линии - продолжения линейных сегментов начальных и конечных частей кривой. Линия 1 представляет высокое сродство (аффинность) и низкую вместимость связующих участков, а линия 2 - низкое сродство и высокую вместимость связующих участков.

Когда сродство и вместимость двух связующих участков различные, то линия с большей точкой пересечения у и меньшей точкой пересечения х определяет высокое сродство и низкую вместимость участков, тогда как линия с меньшей точкой пересечения у и большей точкой пересечения х определяет низкое сродство и высокую вместимость связующих участков.

4.2. ПРОНИКНОВЕНИЕ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ ЧЕРЕЗ ГИСТОГЕМАТИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ

Большинство ЛС после абсорбции и попадания в кровь распределяются в разные органы и ткани неравномерно и не всегда удается достичь желаемой концентрации препарата в органе-мишени. Существенное влияние на характер распределения ЛС оказывают гистогематические барьеры, которые встречаются на пути их распределения. В 1929 году академик Л.С. Штерн впервые на Международном физиологическом конгрессе в Бостоне доложила о существовании в

организме физиологических защитных и регулирующих гистогематических барьеров (ГГБ). Было доказано, что физиологический гистогематический барьер является комплексом сложнейших физиологических процессов, происходящих между кровью и тканевой жидкостью. ГГБ регулируют поступление из крови в органы и ткани необходимых для их деятельности веществ и своевременное выведение конечных продуктов клеточного метаболизма, обеспечивают постоянство оптимального состава тканевой (внеклеточной) жидкости. Одновременно ГГБ препятствуют поступлению из крови в органы и ткани чужеродных веществ. Особенностью ГГБ является его избирательная проницаемость, т.е. способность пропускать одни вещества и задерживать другие. Большинство исследователей признают существование специализированных физиологических ГГБ, которые имеют важное значение для нормальной жизнедеятельности отдельных органов и анатомических структур. К ним относятся: гематоэнцефалический (между кровью и центральной нервной системой), гематоофтальмический (между кровью и внутриглазной жидкостью), гематолабиринтный (между кровью и эндолимфой лабиринта), барьер между кровью и половыми железами (гематоовариальный, гематотестикулярный). «Барьерными» свойствами, защищающими развивающийся плод, обладает и плацента. Основными структурными элементами гистогематических барьеров являются эндотелий кровеносных сосудов, базальная мембрана, в состав которой входит большое количество нейтральных мукополисахаридов, основное аморфное вещество, волокна и т.д. Структура ГГБ определяется в значительной степени особенностями строения органа и варьирует в зависимости от морфологических и физиологических особенностей органа и ткани.

Проникновение лекарственных средств через гематоэнцефалический барьер

Основными интерфейсами между ЦНС и периферическим кровообращением являются гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и гематоликворный барьеры. Площадь поверхности ГЭБ составляет примерно 20 м 2 , и в тысячи раз превышает площадь гематоликворного барьера, поэтому ГЭБ является основным барьером между ЦНС и системным кровообращением. Наличие в мозговых структурах ГЭБ, отделяющего циркуляцию от интерстициального пространства и препятствующего поступлению ряда полярных соединений непосредственно в паренхиму мозга, обусловливает особенности лекарственной тера-

пии нейрологических заболеваний. Проницаемость ГЭБ определяют эндотелиальные клетки капилляров мозга, которые имеют эпителиальноподобные, высокорезистентные плотные контакты, что исключает парацеллюлярные пути флуктуации веществ через ГЭБ, и проникновение ЛС в мозг зависит от трансцеллюлярного транспорта. Определенное значение имеют и глиальные элементы, выстилающие наружную поверхность эндотелия и, очевидно, играющие роль дополнительной липидной мембраны. Липофильные ЛС в основном легко диффундируют через ГЭБ, в противоположность гидрофильным ЛС, пассивный транспорт которых ограничен высокорезистентными плотными контактами эндотелиацитов. Определяющее значение в проникновении через гематоэнцефалический барьер имеет коэффициент растворимости в жирах. Типичным примером являются общие анестетики - быстрота их наркотического эффекта прямо пропорциональна коэффициенту растворимости в жирах. Углекислый газ, кислород и липофильные вещества (к которым относят большинство анестетиков) легко проходят через ГЭБ, в то время как для большинства ионов, белков и крупных молекул (например, маннитола) он практически непроницаем. В капиллярах мозга практически отсутствует пиноцитоз. Существуют и другие пути проникновения соединений через ГЭБ, опосредованно через рецептор, с участием специфических переносчиков. Было показано, что в эндотелии капилляров мозга экспрессируются специфические рецепторы для некоторых из циркулирующих пептидов и белков плазмы. Пептидная рецепторная система ГЭБ включает рецепторы для инсулина, трансферрина, липопротеинов и др. Транспорт крупных белковых молекул обеспечивается путем их активного захвата. Установлено, что проникновение ЛС и соединений в мозг может осуществляться путем активного транспорта с участием активных «вкачивающих» и «выкачивающих» транспортных систем (рис. 4.6). Это дает возможность контролировать селективный транспорт ЛС через ГЭБ и ограничивать их неселективное распределение. Открытие «выкачивающих» транспортеров - гликопротеина-Р (MDR1), транспортеров семейства протеинов, ассоциированных с множественной лекарственной устойчивостью (MRP), протеина резистентности рака груди (BCRP) внесло значительный вклад в понимание транспорта ЛС через ГЭБ. Было показано, что гликопротеин-Р ограничивает транспорт ряда веществ в головной мозг. Он расположен на апикальной части эндотелиацитов и осуществляет выведение из мозга в просвет сосудов преимущественно гидрофильных катио-

Рис. 4.6. Транспортеры, вовлеченные в транспорт ЛС через ГЭБ (Ho R.H., Kim R.B., 2005)

нов ЛС, например, цитостатиков, антиретровирусных препаратов и др. Значение гликопротеина-Р в ограничении транспорта ЛС через ГЭБ можно продемонстрировать на примере лоперамида, который по механизму действия на рецепторы желудочно-кишечного тракта является потенциальным опиоидным препаратом. Однако эффекты на ЦНС (эйфория, угнетение дыхания) отсутствуют, так как лоперамид, являясь субстратом гликопротеина-Р, не проникает в ЦНС. В присутствие же ингибитора mdrl хинидина, центральные эффекты лоперамида нарастают. Транспортеры из семейства MRP расположены либо на базальной, либо на апикальной части эндотелиацитов. Эти транспортеры выводят глюкуронированные, сульфатированные или глютатионированные конъюгаты ЛС. В эксперименте было установлено, что белок MRP2 множественной лекарственной устойчивости участвует в функционировании ГЭБ и ограничивает активность противоэпилептических ЛС.

В эндотелиацитах капилляров мозга экспрессированы некоторые члены семейства транспортеров органических анионов (ОАТ3), которые также играют важную роль в распределении ряда ЛС в ЦНС. ЛС-субстратами этих транспортеров являются, например фексофенадин, индометацин. Экспрессия изоформ полипептидов, транспортирующих органические анионы (ОАТР1А2) в ГЭБ, имеет важное значение для проникновения ЛС в мозг. Однако полагают, что экспрессия «выкачивающих» транспортеров (MDR1, MRP, BCRP) является причиной ограниченного фармакологического доступа ЛС в мозг и в другие ткани, когда концентрация может быть ниже той, которая необходима для достижения желаемого эффекта. Значительное

количество митохондрий в эндотелии капилляров головного мозга указывает на способность к поддержанию энергозависимых и метаболических процессов, доступных для активного транспорта ЛС через ГЭБ. В эндотелиальных клетках капилляров мозга были обнаружены ферменты, способные к окислению, конъюгации соединений для защиты самих клеток и соответственно мозга от возможных токсических воздействий. Таким образом, существует, по крайней мере, две причины, ограничивающие поступление ЛС в ЦНС. Во-первых, это структурные особенности ГЭБ. Во-вторых, ГЭБ включает активную метаболическую систему ферментов и систему «выкачивающих» транспортеров, что формирует биохимический барьер для большинства ксенобиотиков. Эта комбинация физических и биохимических свойств эндотелия ГЭБ предотвращает поступление в мозг более чем 98% потенциальных нейротропных ЛС.

Факторы, влияющие на транспорт ЛС в мозг

Фармакодинамические эффекты эндогенных веществ и заболевания влияют на функции ГЭБ, приводя к изменениям транспорта ЛС в мозг. Различные патологические состояния могут нарушать проницаемость гистогематических барьеров, например, при менингоэнцефалите резко повышается проницаемость гематоэнцефалического барьера, что вызывает различного рода нарушения целостности окружающих тканей. Увеличение проницаемости ГЭБ наблюдается при рассеянном склерозе, болезни Альцгеймера, деменции у ВИЧ-инфицированных больных, энцефалитах и менингитах, при повышенном артериальном давлении, психических нарушениях. Значительное количество нейромедиаторов, цитокинов, хемокинов, периферических гормонов, воздействие активных форм О 2 способны изменять функции и проницаемость ГЭБ. Например, гистамин, воздействуя на Н 2 -рецепторы, обращенные в просвет части эндотелиальных клеток, увеличивает проницаемость барьера для низкомолекулярных веществ, что связано с нарушением плотных контактов между эпителиальными клетками. Проницаемость гистогематических барьеров можно изменять направленно, что находит применение в клинике (например, для повышения эффективности химиотерапевтических препаратов). Снижение барьерных функций ГЭБ за счет нарушения структуры плотных контактов используют для доставки ЛС в мозг, например, применение маннитола, мочевины. Осмотическое «открывание» ГЭБ позволяет обеспечить у пациентов с первичной лимфомой

мозга и глиобластомой увеличение транспорта в мозг в течение ограниченного периода времени цитостатиков (например, метотрексата, прокарбазина). Более щадящим методом воздействия на ГЭБ является его «биохимическое» открывание, основанное на способности простагландинов, медиаторов воспаления увеличивать порозность сосудов головного мозга. Принципиально иной возможностью увеличения доставки ЛС в мозг является использование пролекарств. Наличие в головном мозге специфических транспортных систем доставки компонентов его жизнеобеспечения (аминокислот, глюкозы, аминов, пептидов) позволяет их использовать с целью направленного транспорта гидрофильных ЛС в мозг. Поиск средств для транспорта полярных соединений, характеризущихся низкой проницаемостью через ГЭБ, постоянно расширяется. Многообещающим в этом плане может оказаться создание транспортных систем на основе природных катионных белков - гистонов. Считают, что прогресс в области создания новых эффективных ЛС может быть достигнут на основе совершенствования методов отбора перспективных химических соединений и оптимизации путей доставки препаратов пептидной и белковой природы, а также генетического материала. Исследования показали, что определенные наночастицы способны транспортировать в мозг соединения пептидной структуры (деларгин), гидрофильные вещества (тубокурарин), препараты, «выкачиваемые» из мозга гликопротеином-Р (лоперамид, доксорубицин). Одним из перспективных направлений в создании препаратов, проникающих через гистагематические барьеры, является разработка наносфер на основе модифицированного диоксида кремния, способных обеспечивать эффективную доставку в клетки-мишени генетического материала.

Транспорт ЛС через гематоплацентарный барьер

Существовавшее ранее предположение о том, что плацентарный барьер обеспечивает естественную защиту плода от воздействия экзогенных веществ, и в том числе ЛС, справедливо лишь в ограниченной степени. Плацента человека является сложной транспортной системой, которая действует как полупроницаемый барьер, разделяющий материнский организм от плода. Во время беременности плацента регулирует в плодно-материнском комплексе обмен веществ, газов, эндогенных и экзогенных молекул, включая лекарственные средства. В ряде исследований было показано, что плацента морфологически и функционально выполняет роль органа, ответственного за транспорт ЛС.

Плацента человека состоит из плодных тканей (хорионическая пластина и хорионическая ворсинка) и материнских (децидуальная оболочка). Децидуальные перегородки разделяют орган на 20- 40 котиледонов, которые представляют структурно-функциональные сосудистые единицы плаценты. Каждый котиледон представлен ворсинчатым деревом, состоящим из эндотелия капилляров плода, ворсинчатой стромы и трофобластного слоя, омывающихся кровью матери, находящейся в межворсинчатом пространстве. Внешний слой каждого ворсинчатого дерева сформирован многоядерным синцитиотрофобластом. Поляризованный синцитиотрофобластный слой, состоящий из микроворсинчатой апикальной мембраны, обращенной в кровь матери, и базальной (плодной) мембраны представляет собой гемоплацентарный барьер для трансплацентарного транспорта большинства веществ. Во время течения беременности толщина плацентарного барьера уменьшается, главным образом за счет исчезновения цитотрофобластного слоя.

Транспортная функция плаценты определяется главным образом плацентарной мембраной (гематоплацентарным барьером), имеющей толщину около 0,025 мм, которая разделяет систему кровообращения матери и систему кровообращения плода.

В физиологических и патологических условиях плацентарный обмен веществ следует рассматривать в качестве активной функции плацентарной мембраны, которая осуществляет избирательный контроль над прохождением через нее ксенобиотиков. Перенос ЛС через плаценту можно рассматривать на основании изучения тех же механизмов, которые функционируют при прохождении веществ через другие биологические мембраны.

Хорошо известно, что плацента выполняет многочисленные функции, такие, как газообмен, перенос питательных веществ и продуктов распада, продуцирование гормонов, функционируя как активный эндокринный орган, жизненно необходимый для успешной беременности. Такие питательные вещества, как глюкоза, аминокислоты и витамины проходят через плаценту путем особых транспортных механизмов, которые протекают в материнской части апикальной мембраны и плодной части базальной мембраны синцитиотрофобласта. В то же время удаление продуктов метаболизма из системы кровообращения плода через плаценту в систему кровообращения матери происходит также путем особых транспортных механизмов. Для некоторых соединений плацента служит протективным барьером для развивающегося плода, препятствующим попаданию раз-

личных ксенобиотиков от матери к плоду, в то время как для других она облегчает их прохождение как к плоду, так и из плодного компартмента.

Транспорт ЛС в плаценте

Известно пять механизмов трансплацентарного обмена: пассивная диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт, фагоцитоз и пиноцитоз. Последние два механизма имеют относительное значение в транспорте ЛС в плаценте, а для большинства ЛС характерен активный транспорт.

Пассивная диффузия - доминирующая форма обмена веществ в плаценте, которая позволяет молекуле перемещаться вниз по градиенту концентрации. Количество ЛС, перемещающееся через плаценту путем пассивной диффузии в любой промежуток времени, зависит от концентрации его в плазме крови матери, его физико-химических свойств и свойств плаценты, которые определяют, насколько быстро это происходит.

Процесс этой диффузии регулируется законом Фика.

Однако скорость пассивной диффузии насколько мала, что равновесная концентрация в крови матери и плода не устанавливается.

Плацента похожа на двухслойную липидную мембрану и, таким образом, только фракция ЛС, не связанная с белком, может свободно диффундировать через нее.

Пассивная диффузия характерна для низкомолекулярных, жирорастворимых, преимущественно неионизированных форм ЛС. Липофильные вещества в неионизированной форме с легкостью диффундируют через плаценту в кровь плода (антипирин, тиопентал). Скорость переноса через плаценту зависит главным образом от концентрации неионизированной формы того или иного ЛС при данном значении РН крови, жирорастворимости и от размера молекул. ЛС с молекулярной массой > 500 Da часто не полностью проходят через плаценту, а ЛС с молекулярной массой > 1000 Da проникают через плацентарную мембрану медленнее. Например, различные гепарины (3000-15000 Da) не проходят через плаценту из-за относительно высокой молекулярной массы. Большинство же ЛС имеют молекулярную массу > 500 Da, поэтому размеры молекулы редко лимитируют их прохождение через плаценту.

В основном ЛС - это слабые кислоты или основания и их диссоциация происходит при физиологическом значении рН. В ионизированной форме ЛС обычно не может пройти через липидную мембрану

плаценты. Различие между рН плода и матери влияет на соотношение концентраций плод/мать для свободной фракции лекарственного средства. В обычных условиях рН плода практически не отличается от материнского рН. Однако при определенных условиях значение рН плода может значительно снижаться, в результате чего уменьшается транспорт основных ЛС от плода в материнский компартмент. Например, изучение плацентарного переноса лидокаина по MEGX-тесту показало, что концентрация лидокаина у плода выше, чем у матери во время родов, что может вызывать нежелательные эффекты у плода или новорожденного.

Облегченная диффузия

Этот механизм транспорта характерен для небольшого количества ЛС. Нередко этот механизм дополняет пассивную диффузию, например, в случае ганцикловира. Для облегченной диффузии не требуется энергии, необходима субстанция-переносчик. Обычно, результатом этого вида транспорта ЛС через плаценту является одинаковая концентрация в плазме крови матери и плода. Этот механизм транспорта специфичен в основном для эндогенных субстратов (например, гормоны, нуклеиновые кислоты).

Активный транспорт ЛС

Исследования молекулярных механизмов активного транспорта ЛС через плацентарную мембрану показали его важную роль в функционировании гематоплацентарного барьера. Этот механизм транспорта характерен для ЛС, имеющих структурное сходство с эндогенными веществами. При этом процесс переноса веществ зависит не только от размера молекулы, но также и от наличия веществаносителя (транспортера).

Активный транспорт ЛС через плацентарную мембрану протеиновым насосом требует энергетических затрат, обычно за счет гидролиза АТФ или энергии трансмембранного электрохимического градиента катионов Na+, Cl+ или Н+. Все активные транспортеры могут работать против градиента концентрации, но могут становиться и нейтральными.

Активные транспортеры ЛС расположены либо на материнской части апикальной мембраны, либо на плодной части базальной мембраны, где они осуществляют транспорт ЛС в синцитиотрофобласт

или из него. Плацента содержит транспортеры, которые способствуют перемещению субстратов из плаценты в кровообращение матери или плода («выкачивающие»), а также транспортеры, которые перемещают субстраты и в плаценту и из нее, таким образом способствуя транспорту ксенобиотиков в плодный и материнский компартменты и из них («вкачивающие»/«выкачивающие»). Существуют транспортеры, которые регулируют перемещение субстратов только в плаценту («вкачивающие»).

Исследования последнего десятилетия были посвящены изучению «выкачивающих транспортеров» как «активного компонента» плацентарного «барьера». Это - гликопротеин-Р (MDR1), семейство протеинов, ассоциированных с множественной лекарственной устойчивостью (MRP) и протеина резистентности рака груди (BCRP). Открытие этих транспортеров внесло значительный вклад в понимание трансплацентарной фармакокинетики.

Гликопротеин-Р - трансмембранный гликопротеин, кодирующийся человеческим геном множественной лекарственной резистентности MDR1, экспрессирован на материнской стороне плацентарной мембраны синцитиотрофобласта, где он осуществляет активное выведение липофильных лекарственных средств из плодного компартмента за счет энергии АТФ гидролиза. Гликопротеин-Р является «выкачивающим» транспортером, активно удаляя ксенобиотики из системы кровообращения плода в систему кровообращения матери. Гликопротеин-Р обладает широким субстратным спектром, переносит липофильные препараты, нейтральные и заряженные катионы, которые принадлежат к различным фармакологическим группам, включая антимикробные (например, рифампицин), противовирусные (например, ВИЧ-ингибиторы протеаз), антиаритмические лекарственные средства (например, верапамил), противоопухолевые (например, винкристин).

В апикальной мембране синцитиотрофобласта выявлена экспрессия трёх видов «выкачивающих» транспортеров из семейства MRP (MRP1-MRP3), которые участвуют в транспорте многих субстратов ЛС и их метаболитов: метатрексат, винкристин, винбластин, цисплатин, противовирусные препараты, парацетамол, ампициллин и др.

В плаценте обнаружена высокая активность АТФ-зависимого протеина резистентности рака груди (BCRP). BCRP может активизировать резистентность опухолевых клеток к противоопухолевым препаратам - топотекану, доксорубицину и др. Было показано, что

плацентарный BCRP ограничивает транспорт топотекана и митоксантрона к плоду у беременных мышей.

Транспортёры органических катионов

Транспортер двух органических катионов (OCT2) экспрессирован в базальной мембране синцитиотрофобласта и переносит через плаценту карнитин из системы кровообращения матери в кровь плода. ЛС-субстратами плацентарного OCT2 являются метамфетамин, хинидин, верапамил и пириламин, которые конкурируют с карнитином, ограничивая его прохождение через плаценту.

Монокарбоксилатные и дикарбоксилатные транспортёры

Монокарбоксилаты (лактат) и дикарбоксилаты (сукцинат) активно транспортируются в плаценте. Монокарбоксилатные транспортёры (MCTs) и дикарбоксилатные транспортёры (NaDC3) экспрессированы в апикальной мембране плаценты, хотя MCTs могут присутствовать также в базальной мембране. Эти транспортёры перемещаются за счет электрохимического градиента; MCTs связаны с перемещением катионов Н + , а NaDC3 - с Na + . Однако сведения о потенциале влияния этих транспортёров на перемещение ЛС через плаценту немногочислены. Так, вальпроевая кислота, несмотря на очевидный риск токсического влияния на плод, включая тератогенность, часто применяется для лечения эпилепсии во время беременности. При физиологическом значении рН вальпроевая кислота легко проникает через плаценту и соотношение концентрации плод/мать составляет 1,71. Исследования ряда авторов показали, что существует активная транспортная система для вальпроевой кислоты. Эта транспортная система включает катионы Н + - связанные MCT, которые вызывают высокую скорость перемещения вальпроевой кислоты к плоду через плацентарный барьер. Хотя вальпроевая кислота конкурирует с лактатом, но оказалось, что она одновременно является субстратом и для других транспортёров.

Таким образом, для некоторых соединений плацента служит протективным барьером для развивающегося плода, препятствующим попаданию различных ксенобиотиков от матери к плоду, в то время как для других она облегчает их прохождение как к плоду, так и из плодного компартмента, в целом функционируя как система детоксикации ксенобиотиков. Ведущую роль в процессе активного транс-

порта ЛС через плаценту осуществляют плацентарные транспортёры, обладающие субстратной специфичностью.

В настоящее время вполне очевидно, что понимание и знание роли различных транспортёров в перемещении ЛС через гематоплацентарный барьер необходимо для оценки вероятного воздействия ЛС на плод, а также для оценки соотношения польза/риск для матери и плода при проведении фармакотерапии во время беременности.

Транспорт ЛС через гематоофтальмический барьер

Гематоофтальмический барьер (ГОБ) выполняет барьерную функцию в отношении прозрачных сред глаза, регулирует состав внутриглазной жидкости, обеспечивая избирательное поступление в хрусталик и роговицу необходимых питательных веществ. Клинические исследования позволили уточнить и расширить понятие о гематоофтальмическом барьере, включив в него гистагематическую систему, а также говорить о существовании в норме и патологии трёх его составляющих: иридоцилиарной, хориоретинальной и папиллярной (табл. 4.1.).

Таблица 4.1. Гематоофтальмический барьер

Кровеносные капилляры в глазу непосредственно не соприкасаются с клетками и тканями. Весь сложнейший обмен между капиллярами и клетками происходит через интерстициальную жидкость на ультраструктурном уровне и характеризуется как механизмы капиллярной, клеточной и мембранной проницаемости.

Транспорт ЛС через гематотестикулярный барьер

Нормальная функция сперматогенных клеток возможна только благодаря наличию особого, обладающего селективной проницаемостью гематотестикулярного барьера (ГТБ) между кровью и содержимым семенных канальцев. ГТБ образован эндотелиоцитами капилляров, базальной мембраной, собственной оболочкой семенных канальцев, цитоплазмой клеток Сертоли, интерстициальной тканью и белочной оболочкой яичек. Липофильные ЛС проникают через ГТБ путем диффузии. Исследования последних лет показали, что проникновение ЛС и соединений в яички может осуществляться путём активного транспорта при участии гликопротеина-Р (MDR1), транс- портёров семейства протеинов, ассоциированных с множественной лекарственной устойчивостью (MRP1, MRP2), протеина резистентности рака груди BCRP (ABCG2), которые осуществляют эффлюксную роль в яичках для ряда ЛС, в том числе и токсичных (например, циклоспорин).

Проникновение ЛС через овариальный гематофолликулярный барьер

Основными структурными элементами овариального гематофолликулярного барьера (ГФБ) являются тека-клетки созревающего фолликула, фолликулярный эпителий и его базальная мембрана, которые обуславливают его проницаемость и селективные свойства по отношению к гидрофильным соединениям. В настоящее время показана роль гликопротеина-Р (MDR1) как активного компонента ГФБ, осуществляющего протективную роль, препятствуя проникновению ксенобиотиков в яичники.

Литература

Аляутдин Р.Н. Молекулярные механизмы направленного транспорта лекарственных веществ в мозг // РМЖ. - 2001. - ? 2. - С. 3-7.

Бредбери М. Концепция гематоэнцефалического барьера: Пер. с англ. - М., 1983.

Горюхина О.А. Перспективы применения катионных белков для транспорта лекарственных средств в ткань мозга. Биохимические и молекулярно-биологические основы физиологических функций: Сб. ст. - СПб., 2004. - С. 168-175.

Кукес В.Г. Метаболизм лекарственных средств: клинико-фармакологические аспекты. - М., 2004.

Морозов В.И., Яковлев А.А. Гематоофтальмический барьер (клинические и функциональные наблюдения) // Офтальмохирургия. -

2002. - ? 2. - С. 45-49.

Штерн Л. Физиология и патология гистогематических барьеров. -

Allen J.D., Brinkhuis R.F., Wijnholds J. et al. The mouse Bcrp1/Mxr/Abcp gene: amplification and overexpression in cell lines selected for resistance to topotecan, mitoxantrone, or doxorubicin // Cancer Res. - 1999. - Vol. 59. -

Allikmets R, Schriml L.M., Hutchinson A. et al. A human placenta-specific ATP-binding cassette gene (ABCP) on chromosome 4q22 that is involved in multidrug resistance // Cancer Res. - 1998. - Vol. 58. - P. 5337-53379.

Balkovetz D.F., Leibach F.H., Mahesh V.B. et al. A proton gradient is the driving force for the uphill transport of lactate in human placental brush-border membrane vescicles // J. Biol. Chem. - 1988. - Vol. 263. -

Black K.L. Biochemical opening of the blood-brain barrier // Adv. Drug Deliv. Rev. - 1995. - Vol. 15. - P. 37-52.

Blamire A.M., Anthony D.C., Rajagopalan B. et al. Interleukin-1beta-induced changes in blood-brain barrier permeability, apparent diffusion coefficient, and cerebral blood volume in the rat brain: a magnetic resonance study // J. Neurosci. - 2000. - Vol. 20. - ? 21. - P. 8153-8159.

Borst P., Evers R, Kool M. et al. The multidrug resistance protein family //

Biochim. Biophys. Acta. - 1999. - Vol. 1461. - ? 2. - P. 347-357.

Cavalli R. de, Lanchote V.L., Duarte G. et al. Phrmacokinetics and transplacental transfer of lidocain and its metobolite for perineal analgesic assistance to pregnant women // Eur. J. Clin. Pharmacol. - 2004. - Vol. - 60. - ? 8. -

Collier A.C., Tingle M.D., Keelan J.A. et al. A highly sensitive fluorescent microplate method for the determination of UDP-glucuronosyl transferase activity in tissues and placental cell lines // Drug Metab. Dispos. - 2000. -

Vol. 28. - P. 1184-1186.

de Boer A.G., Gaillard P.J. The blood-brain barrier and drug transport to the brain // STP Pharmasci. - 2002. - Vol. 12. - ? 4. - P. 229-234.

Evseenko D., Paxton J WW., Keelan J.A. Active transport across human placenta: impact on drug efficacy and toxity // Exp. Opin. Metab. Toxicol. - 2006. - Vol. 2. - ? 1. - P. 51-69.

Forestier F, Daffos F, Capella-Pavlovsky M. Low molecular weight heparin (PK 10169) does not cross the placenta during the second trimester of pregnancy study by direct fetal blood sampling under ultrasound // Thromb.

Res. - 1984. - Vol. 34. - P. 557-560.

Forestier F., Daffos F., Rainaut M. et al. Low molecular weight heparin (CY 216) does not cross the placenta during the third trimester of pregnancy // Thromb. Haemost. - 1987. - Vol. 57. - P. 234.

Fromm M.F. Importance of P-glycoprotein at blood-tissue barriers //

Ganapathy V., Ganapathy M.E., Tiruppathi C. et al. Sodium driven, highaffinity, uphill transport of succinate in human placental brush-border membrane vesicles // Biochem. J. - 1988. - Vol. 249. - P. 179-184

Ganapathy V., Prasad P.D., Ganapathy M.E. et al. Placental transporters relevant to drug distribution across the maternal-fetal interface // J. Pharmacol.

Exp. Ther. - 2000. - Vol. 294. - P. 413-420.

Garland M. Pharmacology of drug transfer across the placenta // Obstet. Gynecol. Clin. North Am. - 1998. - Vol. 25. - P. 21-42.

Goodwin J.T., Clark D.E. In silico predictions of blood-brain barrier penetration: considerations to «Keep in mind» // J. Pharmacol. Exp.Ther. - 2005. - Vol. 315. - P. 477-483.

Gordon-Cardo C., O"Brien J.P., Casals D.et al. Multidrug-resistance gene (P-glycoprotein) is expressed by endothelial cells at the blood-brain barrier sites // Proc. Natl Acad. Sci. - 1989. - Vol. 86. - P. 695-698.

Graff C.L., Pollack G.M. Drug transport at the blood-brain barrier and the

choroids plexus // Curr. Drug Metab. - 2004. - Vol. 5. - P. 95-108.

Hahn T., Desoye G. Ontogeny of glucose transport systems in the placenta and its progenitor tissues // Early Pregnancy. - 1996. - Vol. 2. -

Heidrun P., Maren F., Wolfgang L. Multidrug resistance protein MRP2 contributes to blood-brain barrier function and restricts antiepileptic

drug activity // J. Pharmacol. Exp. Ther. - 2003. - Vol. 306. - ? 1. - P. 124-131.

Henderson G.I., Hu Z.Q., Yang Y. et al. Ganciclovir transfer by human placenta and its effects on rat fetal cells // Am. J. Med. Sci. - 1993. -

Vol. 306. - P. 151-156.

Hill M.D., Abramson F.P. The significance of plasma protein binding on the fetal/maternal distribution of drugs at steady-state // Clin. Pharmacokinet. -

1988. - Vol. 14. - P. 156-170.

Ho R.H., Kim R.B. Transporters and drug therapy: implications for drug disposition and disease // Clin. Pharmacol. Ther. - 2005. - Vol. 78. -

Jonker J.W., Smit J.W., Brinkhuis R.F. et al. Role of breast cancer resistance protein in the bioavailability and fetal penetration of topotecan // J. Natl

Cancer Inst. - 2000. - Vol. 92. - P. 1651-1656.

Konig J., Nies A.T., Cui Y. et al. Conjugate export pumps of the multidrug resistance protein (MRP) family: localization, substrate specificity, and MRP2-mediated drug resistance // Biochim. Biophys. Acta. - 1999. -

Vol. 1461. - P. 377-394.

Lagrange P., Romero I.A., Minn A. et al. Transendothelial permeability changes induced by free radicals in an in vitro model of the bloodbrain barrier// Free Radic. Biol. Med. - 1999. - Vol. 27, ? 5-6. -

Lee G., Dallas S., Hong M. et al. Drug transporters in the central nervous system: brain barriers and brain parenchyma considerations // Pharmacol. Rev. - 2001. - Vol. 53. - ? 4. - P. 569-596.

Lehr C.-M. Drug transport at biological barriers: Mechanisms, models and methods in advancing drug delivery // Pharm. Res. - 2003. - Vol. 54. -

Leslie E.M., Deeley R.G., Cole S.P. Multidrug resistance proteins: role of P-glycoprotein, MRP1, MRP2, and BCRP (ABCG2) in tissue defense // Toxicol. Appl. Pharmacol. - 2005, May 1. - Vol. 204. - ? 3. -

Malone F.D., D"Alton M.E. Drugs in pregnancy: anticonvulsants // Semin. Perinatol. - 1997. - Vol. 21. - P. 114-123.

Mattila K.M., Pirtila T., Blennow K. et al. Altered blood-brain barrier function in Alzheimer"s disease? // Acta Neurol. Scand. - 1994. -

Vol. 89. - P. 192-198.

Muller N. Psychoneuroimmunology: implications for the drug treatment of psychiatric disorders // CNS Drugs. - 1995. - Vol. 4. - ? 2. - P. 125-140.

Nakamura H, Ushigome F, Koyabu N. et al. Proton gradient-dependent transport ofvalproic acid in human placental brush-border membrane vesicles //

Pharm. Res. - 2002. - Vol. 19. - P. 154-161.

Nau H. Physicochemical and structural properties regulating placental drug transfer // Fetal placental drug transfer / Eds R.A. Polin, W.W. Fox // Fetal and neonatal physiology / Eds R.A. Polin, W.W. Fox. - Philadelphia: W.B. Saunders, 1992. - P. 130-141.

Pacifici G.M., Nottoli R. Placental transfer of drugs administered to the

mother // Clin. Pharmacokinet. - 1995. - Vol. 28. - ? 3. - P. 235-269.

Pardridge W.M. Blood-brain barrier delivery // Drug Discov. Today. - 2007, Jan. - Vol. 12. - ? 1-2. - P. 54-61.

Pardridge W.M., Log B.B. PS products and in silico models of drug brain

penetration // Drug Discov. Today. - 2004. - Vol. 9. - P. 392-393.

Pienimaki P., Lampela E., Hakkola J. et al. Pharmacokinetics of oxcarbazepine and carbamazepine in human placenta // Epilepsia. - 1997. -

Vol. 38. - P. 309-316.

Sadeque A.J., Wandel C., He H. et al. Increased drug delivery to the brain by P-glycoprotein inhibition // Clin. Pharmacol. Ther. - 2000. - Vol. 68. -

Schinkel A.H., Borst P. Multidrug resistance mediated by P-glycoproteins // Semin. Cancer Biol. - 1991. - Vol. 2. - P. 213-226.

Schinkel A.H., Wagenaar E., Mol C.A. et al. P-glycoprotein in the bloodbrain barrier of mice influences the brain penetration and pharmacology activity of many dugs // J. Clin. Invest. - 1996. - Vol. 97. - P. 2517-2524.

Seeds A.E. Placental transfer // Intrauterine Development / Ed. A.C. Barnes. - Philadelphia: Lea and Febiger, 1968. - P. 103-128.

Smith C.H., Moe A.J., Ganapathy V. Nutrient transport pathways across the epithelium of the placenta // Annu. Rev. Nutr. - 1992. - Vol. 12. -

Syme M.R., Paxton J.W., Keelan J.A. Drug transfer and metabolism by the human placenta // Clin. Pharmacokinet. - 2004. - Vol. 43. - ? 8. - P. 487-514.

Tamai I., Tsuji A. Transporter-mediated permeation of drugs across

the blood-brain barrier // J. Pharm. Sci. - 2000. - Vol. 89. - ? 11. - P. 1371-1388.

Takeda M., Khamdang S., Narikawa S. et al. Characterization of methotrexate transport and its drug interactions with human organic anion transporters //

J. Pharmacol. Exp. Ther. - 2002. - Vol. 302. - P. 666-671.

Thiebaut F., Tsuruo T., Yamada H. et al. Cellular localisation of the multidrug resistance gene product in normal human tissues // Proc. Natl Acad. Sci. USA- 1987. - Vol. 84. - P. 7735-7738.

Thuerauf N., Fromm M.F. The role of the transporter P-glycoprotein for disposition and effects of centrally acting drugs and for the pathogenesis of CNS diseases // Eur. Arch. Psychiatry Clin. Neurosci. - 2006, Aug. -

Vol. 256. - ? 5. - P. 281-286.

Tsao N., Hsu H.P., Wu C.M. et al. Tumor necrosis factor-alpha causes an increased in blood-brain barrier permeability during sepsis // J. Med. Microbiol. - 2001. - Vol. 50. - ? 9. - P. 812-821.

Tsuji A. The blood-brain barrier and Drug Delivery to the CNS // -

Tunkela A., Scheld W.M. Pathogenesis and pathophysiology of bacterial meningitis // Ann. Rev. Med. - 1993. - Vol. 44. - P. 103-120.

Ushigome F., Takanaga H., Matsuo H. et al. Uptake mechanism of valproic acid in human placenta choriocarcinoma cell line (BeWo) // Eur. J.

Pharmacol. - 2001. - Vol. 417. - P. 169-176.

Utoguchi N., Audus K.L. Carrier-mediated transport of valproic acid in BeWo cells, a human trophoblast cell line // Int. J. Pharm. - 2000. - Vol. 195. - P. 115-124.

Ward R.M. Drug therapy of the fetus // J. Clin. Pharmacol. - 1993. -

Vol. 33. - P. 780-789.

Williams K.S., Hickey W.F. Immunology of multiple sclerosis // Clin. Neurosci. - 1994. - Vol. 2. - P. 229-245.

Wu X., Huang W., Prasad P.D. Functional characteristics and tissue distribution pattern of organic cation transporter 2 (OCT2), an organic cation/ carnitine transporter // J. Pharmacol. Exp. Ther. - 1999. - Vol. 290. -

Zhang Y., Han H., Elmquist W.F. Expression of various multi-drug resistance associated protein (MRP) homologues in brain microvessel endothelial