Journal of Neurological Sciences [Turkish] 24:(3)# 12; , 2007

Transkript

1 Journal of Neurological Sciences [Turkish] 24:(3)# 12; , Derleme Beyne İlaç Hedeflendirilmesinde Nanopartiküler İlaç Taşıyıcı Sistemler Ceyda Tuba ŞENGEL-TÜRK, Canan HASÇİÇEK, Nurşin GÖNÜL Ankara Üniversitesi Eczacılık Fakültesi, Farmasötik Teknoloji, Ankara, Türkiye Özet Santral Sinir Sistemi hastalıklarının tedavisindeki en önemli problem, aktif maddelerin beyne sınırlı geçişleridir. Bu sınırlı geçişin nedeni ise beyin kapiller endoteli tarafından oluşturulan kan beyin engelidir. Son yıllarda, kan beyin engelinin aşılmasına yönelik çeşitli farmasötik stratejiler geliştirilmiştir. Bunlardan en önemlisi, nanopartiküller gibi kolloidal aktif madde taşıyıcı sistemler kullanılarak beyne ilaç hedeflendirilmesidir. Bu derlemede; kan beyin engelinin fizyolojisi ve yapısı ile beyine hedeflenen aktif madde taşıyıcı sistemler olarak kullanılan nanopartiküller, teknolojileri ve beyne geçiş mekanizmaları değerlendirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Nanopartiküler İlaç Taşıyıcı Sistemler, Beyin, Kan Beyin Engeli Nanoparticulate Drug Delivery Systems For Targeting The Drugs To The Brain Abstract A major problem in the treatment of Central Nervous System diseases is the limited entry of the drugs into the brain. The basis for that restricted access is the blood brain barrier, which is formed by the brain capillary endothelium. In recent years, several pharmaceutical strategies have been developed to overcome blood brain barrier. The major of them is a drug targeting to the brain using colloidal drug carrier systems such as nanoparticles. In this review; physiology and structure of blood brain barrier and nanoparticles, its technologies and transport mechanisms to the brain used as brain targeted drug delivery systems were evaluated. Keywords: Nanoparticulate Drug Delivery Systems, Brain, Blood Brain Barrier GİRİŞ Nörolojik ve psikiyatrik hastalıkların farmakolojik tedavisindeki en önemli zorluklardan biri, terapötik amaçla kullanılan aktif maddelerin beyne taşınması, özellikle hedeflenen belirli bir bölgeye ulaştırılıp sabit bir hızla salımının sağlanmasıdır. Bu sorunun ortaya çıkmasında ve çoğu maddenin geçişinin engellenmesinde rol oynayan en önemli faktör ise kan beyin engelidir (9,11,42). Santral sinir sistemi hastalıklarının tedavisine yönelik geliştirilen terapötik stratejiler, kan beyin engelinin endotel hücrelerindeki sıkı kavşakların varlığından dolayı sınırlanmaktadır. Günümüzde Parkinson, Alzheimer ve beyin tümörleri gibi pek çok santral sinir sistemi hastalığının tedavisinde, kan beyin engelinin aşılabilmesi için, nanopartiküller gibi polimerik ve vücutla uyumlu aktif madde taşıyıcı sistemlerin kullanılabilirliği yoğun bir şekilde araştırılmaktadır (13,14,37). Kan Beyin Engeli Beyni diğer organlardan farklı kılan anatomik ve fizyolojik özelliklerinden belki de en önemlisi özel yapıdaki damar sistemi ve vasküler yüzeyleridir. Kan beyin 254

2 engeli; beyin kapilerlerinin luminal yüzeyini oluşturan ve sıkı kavşaklar ile birbirine bağlanan endotel hücrelerinden meydana gelen bir engeldir (2,23,24,29,37). Kan beyin engeli, beynin, patojenlere ve toksinlere karşı geliştirdiği homeostatik bir savunma mekanizmasıdır. Kompleks ve oldukça düzenli yapıdaki kan beyin engeli, periferindeki maddelerin biyokimyasal, fizikokimyasal ve yapısal özelliklerini koruyarak beyin parankiması içine istenen moleküllerin geçişinde bariyer seçiciliğini oluşturmaktadır. Bir başka deyişle kan beyin engeli, merkezi sinir sisteminin normal fonksiyonunun devamını sağlayan temel difüzyon engelidir ve beyin hacmini devam ettirir. Serebrovasküler endotel tarafından oluşturulan fiziksel, aynı zamanda sinirsel ve humoral uyarılardan etkilenen dinamik bir engeldir. Bu bariyer seçici, dinamik bir filtre görevi görerek antibiyotikler, antineoplastik ajanlar, peptit-proteinler özellikle de nöropeptitler ve diğer oligo- ve makro-moleküler aktif maddeler gibi çok sayıdaki, çoğu suda çözünür aktif maddelerin merkezi sinir sistemine geçişini engellemektedir. Bu maddeler beyne geçseler bile beyindeki dağılımlarının kontrol edilmesinde belirsizlikler ortaya çıkmaktadır (2,9,13,14,22-24,29,37,42). Kan ve beyin arasında seçici geçirgen bir bariyer olduğu ilk kez 1880 yılında Paul- Ehrlich tarafından bulunmuştur. Ehrlich, tripan mavisi adlı doku boyasını damar içine vererek, tüm organların boyandığını, yalnızca beynin boyanmadığını göstermiştir. Bu deney kan ve beyni ayıran seçici geçirgen bir zar olduğunu göstermiştir (22,29). Kan beyin engelinde yer alan sıkı kavşaklar, endotel hücreleri arasındaki elektriksel direnci artırmak suretiyle transsellüler yol ile beyin içine madde girişini kısıtlamaktadır. Bozulmamış sağlam yapıdaki kan beyin engelinde elektriksel direnç 8000 Ω/cm 2 ve daha yüksek değerlerde bulunurken aralıklı endotelde bu direnç Ω/cm 2 arasında yer almaktadır (11,37). Kan beyin engeli varlığında, santral sinir sistemi hastalıklarının tedavisi için keşfedilmiş aktif maddelerin %98'inden fazlası sistemik uygulamayı takiben beyin içine geçememektedir. Bir aktif maddenin kan beyin engelinden geçebilmesi için; Lipitte çözünür olması, Fizyolojik ph'da iyonize olmamış durumda bulunması, Düşük molekül ağırlıklığına sahip olması, Serum proteinlerine düşük oranda bağlanması, gerekmektedir. Bu fizikokimyasal özelliklere sahip olan aktif maddeler, kan beyin engelini difüzyon mekanizması ile geçebilirler. Kan beyin engelinden aktif maddelerin geçişinde lokal serebral kan akımı hızının, değişim yapılacak kapiller yüzey alanının ve kan beyin engelinin bütünlüğünün de önemi vardır (2,9,11,13,14,29,37,42,48). Şekil 1'de farklı aktif maddelerin, kan beyin engelinden geçişlerinde rol oynayan çeşitli geçiş mekanizmaları yer almaktadır. Küçük lipofilik moleküller kapillerlerden en kolay geçenlerdir. Suda çözünen ajanların geçişleri kan beyin engelinde yer alan sıkı kavşaklar nedeniyle oldukça sınırlandırılmıştır. Hekzos yapısındaki şekerler (D-glikoz gibi), bazı aminoasitler, pürinler ve monokarboksilli asitler gibi çeşitli endojen maddeler veya yapıca bunlara benzeyen aktif maddeler beyin kapillerlerini aktif transport veya kolaylaştırılmış difüzyonla geçmektedirler. Beyin kapiller endoteli membranında; D- glikoza ve belirli hekzoslara, büyük moleküllü nötral, asidik ve bazik aminoasitlere özgü çeşitli taşıyıcı proteinler yer almaktadır. Bununla birlikte, kan beyin engelinin endotel hücrelerinden kolayca geçebilmek için gerekli lipofiliteye sahip pek çok aktif madde, MAOT (multiple organic anion transporter), Pgp ve OAT gibi aşırı derecede aktif olan geri akış pompaları tarafından kan dolaşımına hızla geri pompalanmaktadır (23,24,37). 255

3 Şekil 1: Kan beyin engelindeki çeşitli geçiş mekanizmaları (37). Kan Beyin Engelinin Aşılması İçin Uygulanan Stratejiler Lipofilik, fizyolojik ph'da noniyonize ve düşük molekül ağırlıklı aktif maddeler kan beyin engelini aşarak santral sinir sistemine penetre olabilmektedir. Ancak yağda çözünürlüğü zayıf olan, hidrojen bağı yapan fonksiyonel gruplara sahip küçük moleküller ve peptit-protein gibi suda çözünen aktif maddelerin bariyer aktifliğin üstesinden gelinerek santral sinir sistemine taşınması için çeşitli yaklaşımlar geliştirilmiştir (2,9,11,22-23,37,48,49). Bunlar; Sıkı kavşakların ozmotik etki ile açılması Aktif madde modifikasyonları-önilaç (prodrug) kullanımı Beyinde bulunan özel taşıma sistemlerinin kullanılması Nanopartikül ve lipozom gibi polimerik taşıyıcıların kullanımı. Bu stratejilerden osmotik basınç etkisi ile sıkı kavşakların açılması, beyin içine amaçlanan aktif maddenin yanısıra istenmeyen yabancı maddelerin de kontrolsüz girişine imkan tanıması nedeniyle tehlikelere açık bir yöntemdir. Bu yöntem, mannitol ve arabinoz gibi osmotik ajanların uygun konsantrasyonlardaki çözeltilerinin eksternal karotid artere infüzyonu ile gerçekleştirilmektedir. Bu şekilde osmotik yolla sıvı değişimi ile endotel hücreler büzülmekte ve kan beyin engelindeki sıkı kavşaklar geçici olarak açılmaktadır. Aktif maddelerin çeşitli kimyasal maddeler ile lipofilik konjugatları hazırlanarak oluşturulan önilaçlar, çok iyi bir penetrasyona olanak veren yüksek lipofilik özellikleri, beyne transportları ve lipofilik endotel engeli kolaylıkla geçmeleri gibi avantajlarının yanı sıra önilaç tasarımının zorluğu ve yüksek maliyeti nedeniyle uygulanabilirliği fazla olmayan bir yaklaşımdır. 256

4 Bir diğer strateji olan beyinde bulunan özel taşıma sistemleri, kanda sirküle eden besin ve peptitlerin beyine taşınması için kullanılan şimerik peptitler, modifiye edilmiş proteinler ve peptidomimetik monoklonal antikorlar gibi vektörlerdir. Bunlar kan beyin engelinde yer alan biyokimyasal taşıyıcı sistemler olmaları nedeniyle avantajlıdırlar. Bu sistemlerde kolaylaştırılmış transportun avantajlarından yararlanmak için aktif maddenin peptit veya monoklonal antikora bağlanarak konjugatı hazırlanmaktadır. Bu aşamada, uygun vektörün keşfi, bağlanma stratejileri ve farmakokinetikleri, reseptörlerin doygunlukları ve moleküler seçicilikleri bu yaklaşımın önem verilmesi gereken temel öğelerini oluşturmaktadır. Kan beyin engelinin aşılmasında geliştirilen ve günümüzde yoğun bir şekilde üzerinde çalışmalar yapılan bir diğer yaklaşım ise nanopartiküller gibi aktif madde taşıyıcı polimerik sistemlerin tasarımıdır (2,9,11,22-24,37,42). Nanopartiküller, büyüklükleri nm (1µm) arasında olan, doğal ya da sentetik yapıdaki polimerlerle hazırlanan polimerik partiküler sistemlerdir. Aktif madde taşıyıcı sistem olarak hazırlanan ve kullanılan polimerik nanopartiküller pek çok avantajı ile diğer kolloidal yapılı taşıyıcı sistemlerden ayrılmaktadır. Başlıca avantajları (8,15,19-21,30,36,43,48,50) ; Yüksek aktif madde yükleme kapasitesine sahiptirler. Bu şekilde, aktif maddenin intrasellüler dağılımı artar. Polimerik partiküler yapı katı matriks içine hapsedilmiş aktif maddeyi degredasyondan korur. Böylece aktif maddenin beyine ulaşma olasılığı artar. Nanopartiküllerin polimerik yapıları aktif maddenin hedeflendirilmesini, salımının kontrolünü ve sürdürülmesini sağlar. Hedeflenen bölgede injeksiyonlarını takiben günler hatta haftalar süren bir aktif madde salımına olanak verirler. Nanopartiküllerin yüzey özellikleri çeşitli ajanlarla modifiye edilerek retiküloendotel sistem (RES) makrofajları tarafından tanınması engellenir. Bu şekilde nanopartiküllerin beyine ulaşılabilirliği artırılır. Diğer kolloidal taşıyıcı sistemlerle kıyaslandıklarında polimerik nanopartiküller biyolojik sıvılarda çok daha yüksek stabiliteye sahiptirler. Nanopartiküller kolaylıkla sterilize edilebilen kolloidal partiküllerdir. Fizyolojik ortamda parçalanabilirler ve parçalanma ürünleri toksik değildir. Küçük partikül boyutları nanopartiküllerin küçük kapillerlere penetrasyonuna imkan verir ve hücreler tarafından tutulmalarını sağlar. Böylece, vücutta hedeflenen bölgede istenen aktif madde salımı sağlanır. Aktif maddenin hedef bölgede salımını sağladıkları için, aktif maddenin, diğer organ ve dokular üzerindeki sistemik toksisitesini azaltırlar. Aktif maddenin vücutaki dağılımını ve terapötik aktifliğini düzenlerler. Üretim teknikleri genel olarak basit ve kolaydır. Nanopartikül Hazırlama Yöntemleri Genel olarak nanopartiküllerin hazırlanmasında, aktif madde, ya sentetik veya doğal bir polimer içine hapsedilmekte (nanokapsül) ya da hazırlanan nanopartikül yüzeyine adsorbe ettirilmekte veya polimer yapı içinde çözünerek bir matriks yapısı oluşturmaktadır (nanoküre). Hazırlanmalarında kullanılan polimerler; 1- Doğal polimerler a- Proteinler (albumin, jelatin) b- Polisakkaritler (aljinat, kitozan, dekstran) 2- Sentetik polimerler a- Önceden sentezlenenler (polianhidrit, polikaprolakton (PECL), polilaktik asit (PLA), polilaktik-ko-glikolik asit (PLGA)) b- Nanopartiküllerin hazırlanması sırasında sentezlenenler (polisiyano-akrilat (PACA), polibütil-siyano-akrilat (PBCA)) şeklinde sınıflandırılabilir. İlk nanopartiküller, albumin gibi doğal ve poli (akrilamit), poli (metil metakrilat) gibi 257

5 biyolojik olarak parçalanmayan sentetik polimerlerden hazırlanmıştır. Protein bazlı polimerlerin sakıncası bunlara karşı gelişen antijenik yanıtlar iken biyolojik olarak parçalanmayan sentetik polimerlerin en önemli sakıncaları ise toksisite riskleridir. Hazırlama sırasında sentezlenen polimerler, toksik özellikte olan monomerlerin kalabilme olasılığı nedeniyle bir risk taşımaktadırlar. Son zamanlarda peptit, protein ve nükleik asitlerin nanopartiküller ile taşınmasında ise polisakkaritlerden yararlanılmaktadır. Nanopartikül hazırlama yöntemleri en (5,7,12,17,21,25,28,31- genel şekliyle şunlardır 34,38-41,45,47,48) : 1- Misel Polimerizasyonu 2- Emülsiyon Polimerizasyonu 3- Emülsiyon-Çözücü Buharlaştırma Yöntemi 4- Nanopresipitasyon Tekniği 5- Yüzeylerarası Polimerizasyon 6- Aktif Maddenin Nanopartiküllere Adsorpsiyonu 7- Su/Yağ Emülsiyonunda Isı Denatürasyonu ve Çapraz Bağlanma 8- Sıcak Mikroemülsiyon Prekürsörleri ile Hazırlama Çeşitli hazırlama yöntemleri ile elde edilen aktif madde yüklü nanopartiküllerin beyine başarılı bir şekilde hedeflendirilmelerine yönelik yapılan araştırmaların çoğu, nanopartiküllerin yüzey özelliklerinin ya uygun bir surfaktan ile kaplanarak (kaplanmış nanopartiküller) ya da polietilen glikol (PEG) ile konjuge edilerek (pegilasyon işlemi, PEG ile konjuge edilmiş nanopartiküller) modifiye edilmesi gerekliliğini ortaya koymaktadır. Nanopartiküller de tıpkı lipozomlar gibi intravenöz uygulamayı takiben RES makrofajları tarafından kandan hızla uzaklaştırılmaktadır (5 dakika içinde %90'dan fazlası). Ancak yapılan araştırmalar göstermiştir ki, nm partikül büyüklüğüne sahip lipozomlar kan beyin engelini geçemezlerken daha büyük partikül boyutuna sahip nanopartiküller kan beyin engelini geçebilmektedirler. Nanopartiküllerin kan beyin engelini aşma yetenekleri büyük oranda polisorbat 20 ve 80, poloksamer 184, 188, 338, 407 ve poloksamin 908 gibi çeşitli surfaktanlar ile yapılan kaplama veya PEG ile gerçekleştirilen pegilasyon işlemi sonucunda yüzey özelliklerinin değiştirilmesinden kaynaklanmaktadır. Yüzey özelliklerinin modifikasyonu ile nanopartiküller RES makrofajları tarafından tanınmamakta ve bu şekilde kandan hızlı bir şekilde uzaklaştırılmaları da engellenmektedir (1,3,4,5,6,9,10,12-18,25-27,33-35,41,44-46,49). Kaplanmış Nanopartiküller Nanopartiküllerin çeşitli surfaktanlarla kaplanmasına yönelik ilk çalışmalar 1990'lı yıllarda gerçekleşmiştir. Bu alanda çalışılan ilk molekül ise opioid aktiviteye sahip bir Leu-enkefalin analoğu olan hekzapeptit dalargindir. Periferal uygulamayı takiben kan beyin engelinden geçemeyen dolayısıyla hiçbir terapötik aktiflik gösteremeyen bu aktif madde, poli(butilsiyanoakrilat) nanopartiküllerin yüzeyine adsorbe ettirilip polisorbat 80 ile kaplandıklarında kan beyin engelinden geçişlerini takiben uygulamadan 45 dakika sonra analjezik etki göstermişlerdir (1,4,12,15,17,25,26,41,44-46). Steiniger ve ark. tarafından 2004 yılında yapılan bir çalışmada doksorubisin yüklü polisorbat 80 kaplı nanopartiküllerin beyin tümörlerine karşı olan aktifliği incelenmiştir. Glioblastomalı ratlar üzerinde yapılan kemoterapi çalışmaları sonucunda polisorbat 80 kaplı nanopartiküllerin kan beyin engelinden geçebildiğini ve taşıdıkları doksorubisinin beyinde terapötik konsantrasyonlara ulaşabildiği belirlenmiştir (44). Gelperina ve ark. (2002) ise yaptıkları bir çalışmada doksorubisinin akut toksisitesinin, polisorbat 80 kaplı nanopartiküler yapı içinde verilmesiyle azaldığını kanıtlamışlardır (17). PEG ile Konjuge Edilmiş Nanopartiküller Beyin tümörleri ve Alzheimer gibi çeşitli santral sinir sistemi hastalıklarının aktif 258

6 tedavisine yönelik geliştirilen bir diğer yaklaşım ise PEG ile konjuge edilmiş nanopartiküler ilaç taşıyıcı sistemlerdir. Bu teknolojide, PEG, kopolimerin hidrofobik bloğuna kovalan olarak bağlanmaktadır. Hidrofobik çekirdeğin yüzeyindeki PEG zincirleri ile partiküller, in-vivo ortamda çok daha uzun dolaşım özelliği göstermektedirler (3,5,6,14-16,18,49,31,33,35). Calvo ve ark yılında yaptıkları bir çalışmada, ensefalomiyelitli ratlarda PEGpolialkilsiyanoakrilat nanopartiküllerin aktifliğini incelemişler ve PEGpolialkilsiyanoakrilat nanopartiküllerin santral sinir sistemi içine penetrasyonlarının çok iyi olduğunu belirlemişlerdir (6). Brigger ve ark. ise (2002) hazırladıkları PEGhekzadesilsiyanoakrilat nanopartikülleri, gliosarkomalı ratların beyinlerine hedeflemişler ve floresanslı nanopartiküllerin beynin epitel hücre-lerinde, spinal kord yüzeyinde ve koroid fleksusun ependimal hücrelerinde bulunduğunu gözlemlemişlerdir (3). Nanopartiküllerin Kan Beyin Engelinden Geçiş Mekanizmaları Nanopartiküllerin kan beyin engelinden geçişlerinin nasıl gerçekleştiği günümüzde cevabı hala netlik kazanmamış bir sorudur. Bu alanda yapılan çalışmalar nanopartiküllerin kan beyin engelinden geçişlerinin mekanizmasını açıklayan çeşitli olasılıkların bulunduğunu ortaya çıkarmıştır. Bu mekanizmaların başlıcaları şunlardır; 1- Nanopartiküllerin beyin kapiler duvarına adsorpsiyonları, endotel hücre tabakasından transportlarını artıran yüksek bir konsantrasyon gradyanı meydana getirmekte ve sonuç olarak kan beyin engelinden nanopartiküllerin geçişi gerçekleşmektedir. Bu mekanizma, pek çok araştırmacı tarafından nanopartiküllerin kan beyin engelinden geçişlerinin sağlanmasına yönelik aktif bir mekanizma olarak kabul edilmemektedir. Nanopartiküllerin beyin kapilerlerinde tek başlarına yüksek bir lokal konsantrasyon oluşturmaları, endotel hücrelerin luminal membranında yer alan ve oldukça aktif olan p-glikoprotein gibi geri akış pompalarının varlığı dolayısıyla mümkün değildir (11,23,24,37). 2- Polisorbat 80 gibi surfaktanların ya da PEG'in etkisi ile kan beyin engelindeki endotel hücre membran lipitlerinin çözünmesi sonucu kan beyin engelinin permeabilitesi artmaktadır. Bu mekanizma, emülsiyon polimerizasyon tekniği ile hazırlanan poli(bütilsiyanoakrilat) nanopartiküllerinin başarılı bir şekilde beyine hedeflendirilmesinde aktif rol oynamıştır. Kreuter ve arkadaşlarının (1995) yaptıkları bu çalışma aynı zamanda aktif madde yüklü nanopartiküllerin beyne in-vivo ortamde hedeflendirilmesinde başarıya ulaşılan ilk çalışmadır. Bu şekilde beyne taşınan ilk aktif madde ise hekzapeptit dalargin'dir. Elde edilen nanopartiküller farklı surfaktanlar ile kaplanmış, bunlardan sadece polisorbat 20, 40, 60 ve 80 ile kaplanan nanopartiküller kan beyin engelinden geçebilmiştir. Bununla birlikte Poloxamer 184, 188, 338, 407, Poloxamin 908, Cremophor EZ, Cremophor RH 40 ve Brij 35 gibi oldukça aktif çözünürlük özelliğine sahip olan diğer surfaktanlar farmakolojik açıdan aktif konsantrasyonlarda dalargin'nin beyin içine transportunu sağlayamamışlardır (1,23,24). 3- Nanopartiküller kan beyin engelinde endotel hücreler arasında yer alan sıkı kavşakların açılmasına neden olmaktadırlar. Böylece pasif difüzyon ile geçiş meydana gelmektedir. Bu mekanizma, Oldenford metodu ile sözde beyinde oluşan inülin boşluklarının ölçülmesi suretiyle incelenmiştir. Örneğin, osmotik etki ile inülin boşluklarındaki açılma % oranında artmaktadır. Bu alanda Kreuter ve arkadaşlarının (2005) sıçan beyinlerinde yaptıkları çalışmalar göstermiştir ki, polisorbat 80 kaplı nanopartiküllerin uygulandığı sıçanların beynindeki inülin boşlukları 10 dakika sonra %10 oranında artmış ve 45 dakika 259

7 sonra ise bu artış % 99'a ulaşmıştır. Bu çalışma, polisorbat 80 kaplı nanopartiküllerin intravasküler inülin için halihazırda bulunan hacmi artırmalarına karşın kan beyin engelinde anlamlı bir şekilde bozulmaya yol açmadığını belirlemiştir. İnülin boşluklarında meydana gelen bu artışın, sıkı kavşakların yavaş bir şekilde açılmasından, endositotik olaylar nedeniyle hücre membranının yukarıya katlanmasından veya inülinin sıvı faz endositozisindeki bir artıştan kaynaklandığı düşünülmektedir (23,24). 4- Nanopartiküller kan beyin engelindeki endotel hücreler tarafından endositoz veya fagositosiz yolu ile beyin içine alınmaktadırlar. Günümüzde pek çok araştırmacı tarafından beyne nanopartikülaracılı aktif madde transportunu açıkladığı kabul edilen en olası mekanizması olan bu mekanizmanın esası ise nanopartiküllerin endositozisi ve bu hücreler içinde aktif maddenin salımıdır. Bu alanda yapılan çalışmalar Apolipoprotein E'nin (ApoE) üzerinde yoğunlaşmıştır. ApoE, LDL'nin beyine geçişinde önemli rol oynayan bir lipoproteindir ve kan beyin engelinde reseptörleri bulunmaktadır. Yapılan invitro çalışmalar göstermiştir ki 37ºC'deki insan sitrat-stabilize plazmasında 5 dakika inkübasyondan sonra polisorbat 20, 40, 60 ve 80 kaplı nanopartiküllerin yüzeyine ApoE adsorbe olmaktadır. Ancak kaplanmamış veya Poloxamer 338 ve 407, Cremophor EL veya Cremophor RH40 ile kaplanmış nanopartiküllerde inkübasyondan sonra ApoE adsorbsiyonu gözlenmemiştir. Endositotik prosesin ApoE adsorbsiyonu ile ilişkili olduğu düşünülmektedir. Şöyleki, polisorbat kaplı nanopartiküllerin kana injeksiyonundan sonra ApoE adsorbsiyonu gerçekleşmekte ve nanopartiküller LDL moleküllerini taklit ederek endositotik proses ile kan beyin engelinden geçmelerini sağlayan ApoE reseptörleri ile etkileşmektedir (18,23,24,26). 5- Aktif madde yüklü nanopartiküller kan beyin engelindeki endotel hücre tabakasından transitosiz yolu ile geçebilmektedirler. Bu mekanizma yani nanopartiküllerin transitozisi hakkında çok az şey bilinmektedir. Mekanizmanın temelinin, nanopartiküllerin endositotik tutulmalarını takiben partiküllerin beyin kan damar endotel hücrelerinden transitozize uğramaları şeklinde gerçekleştiği düşünülmektedir (23,24,37). 6- Kaplama ajanı olarak kullanılan polisorbat 80 kan beyin engelinde yer alan ve kan beyin engelinden geçmek isteyen pek çok madde molekülünü kan dolaşımına geri gönderen p-glikoprotein gibi geri akış pompalarını inhibe etmekte ve böylece nanopartiküllerin endotel hücre duvarına adsorbsiyonunu sağlamaktadır (6,8,9,11,15,23,24,37). Görüldüğü gibi tüm mekanizmalarda asıl aktif olan parametre nanopartikülün yüzey özelliklerinin uygun bir ajan ile (polisorbat 80, PEG, ApoE gibi) modifikasyonudur. Polisorbat 80, kan beyin engeli endotel hücrelerinde bulunan bir glikoprotein olan P-gp'ni inhibe etme yeteneğini de göstermektedir. İşte Mekanizma 6, bu prosese dayanmaktadır. Beyin kan damarı endotel hücrelerinde bulunan geri akış pompasının inhibisyonu sonucunda beyin içine aktif madde yüklü nanopartiküllerin transportu gerçekleşmektedir (23). Günümüzde beyine nanopartiküller kullanılarak gerçekleştirilen hedefleme proseslerinde polisorbat 80 tarafından geri akış pompalarının inhibisyonunun önemi tam olarak bilinememektedir. Ancak araştırıcılar şu ortak bulguda birleşmektedirler: Nanopartiküllerin beyne transportlarının mekanizmasını açıklayan pek çok olasılık bulunmaktadır. Bu proseslerden bazıları birbirlerine paralel olarak gerçekleşebildiği gibi çoğunlukla birlikte hareket etmektedir. Polisorbat 80 tarafından geri akış pompalarının blokajı nanopartiküllerin beyne transportlarına sadece yardımcı olmaktadır, diğer prosesler özellikle endositozis ve transitozis çok daha büyük bir rol oynamaktadır. Antikanserojen bir aktif 260

8 madde olan doksorubisin üzerinde yapılan geniş ve detaylı farmakokinetik çalışmalar belirlemiştir ki; uygulamadan 2-4 saat sonra diğer organların aksine beyinde aktif bir doksorubisin konsantrasyonunun görülmesi, büyük olasılıkla nanopartiküllerin, endositozis veya transitozis gibi bir mekanizma ile kan beyin engelini geçtiklerinin bir göstergesidir (17,23,24). SONUÇ Santral sinir sistemi hastalıklarının tedavisi için yeni geliştirilen bir çok molekül kan beyin engelini geçememeleri nedeniyle aktif bir şekilde hastalıkların real tedavilerinde kullanılamamaktadır. Nanopartiküller, normal koşullarda kan beyin engelini geçemeyen aktif maddelerin kan beyin engelini aşarak beyne taşınmalarında aktif olarak kullanılabilen taşıyıcı sistemlerdir. Aktif maddelerin nanopartiküller ile beyne transportlarının mekanizması günümüzde tam anlamıyla hala açıklanamamıştır. En uygun mekanizma olarak beyin kan kapillerleri içindeki endotel hücreler tarafından endositozisleri görülmektedir. Bununla birlikte giriş mekanizmaları her ne olursa olsun, yapılan araştırmalar, aktif madde taşıyıcı sistemler olarak nanopartiküllerin beyne ilaç hedeflendirilmesinde oldukça başarılı sistemler olduklarını ve santral sinir sistemi hastalıklarının tedavisinde oldukça önemli bir rol oynadıklarını göstermektedir. İletişim: Nurşin Gönül Gönderilme Tarihi: 21 Eylül 2006 Revizyon Tarihi: 15 Aralık 2006 Kabul Tarihi: 13 Nisan 2007 The Online Journal of Neurological Sciences (Turkish) This e-journal is run by Ege University Faculty of Medicine, Dept. of Neurological Surgery, Bornova, Izmir-35100TR as part of the Ege Neurological Surgery World Wide Web service. Comments and feedback: URL: Journal of Neurological Sciences (Turkish) Abbr: J. Neurol. Sci.[Turk] ISSNe KAYNAKLAR 1. Alyautdin R, Gothier D, Petrov V, Kharkevich D, Kreuter, J. Analgesic activity of the hexapeptide dalargin adsorbed on the surface of polysorbate 80- coated poly(butyl cyanoacrylate) nanoparticles. Eur J Pharm Biopharm 1995; 41: Arıca B, Kaş HS. Beyine ilaç taşınması. Hacettepe Tıp Dergisi 1997; 28: Brigger I, Morizet J, Aubert G, Chacun H, Terrier- Lacombe MJ, Couvreur P, Vassal G. Poly(ethylene glycol)-coated hexadecylcyanoacrylate nanospheres display a combined effect for brain tumor targeting. J Pharm Exp Ther 2002; 303: Borchard G, Audus KL, Shi F, Kreuter J. Uptake of surfactant-coated poly(methyl methacrylate)- nanoparticles by bovine brain microvessel endothelial cell monolayers. Int J Pharm 1989; 110: Calvo P, Gouritin B, Brigger I, Lasmezas C, Deslys JP, Williams A, Andreux JP, Dormont D, Couvreur P. PEGylated polycyanoacrylate nanoparticles as vector for drug delivery in prion disease. J Neuros Methods 2001; 111: Calvo P, Gouritin B, Villarroya H, Eclancher F, Giannavola C, Klein C, Andreux J, Couvreur P. Quantification and localization of PEGylated polycyanoacrylate nanoparticles in brian and spinal cord during experimental allergic encephalomyelitis in rat. Eur J Neur 2005; 15: Constantino L, Gandolfi F, Tosi G, Rivasi F, Vandelli MA, Forni F. Peptide-derivatized biodegradable nanoparticles able to cross the blood-brain barrier. J Cont Rel 2005; 108: Cui Z, Lockman PR, Atwood CS, Hsu CH, Gupte A, Allen DD, Mumper RJ. Novel D-penicillamine carrying nanoparticles for metal chelation therapy in Alzheimer's and other CNS diseases. Eur J Pharm Biopharm 2005; 59: Çetin M, Çapan Y. Beyne ilaç hedeflendirilmesi. Ank Üni Ecz Fak Der 2004; 3: Das D, Lin S. Double-coated poly(butylcyanoacrylate) nanoparticulate delivery systems for brain targeting of dalargin via oral administration. J Pharm Sci 2005; 94: Fricker G. Overcoming MDR at the blood-brain barrier. Int Cong Ser 2005; 1277: Friese A, Seiller E, Quack G, Lorenz B, Kreuter J. Increase of the duration of the anticonvulsive activity of a novel NMDA receptor antagonist using poly(butylcyanoacrylate) nanoparticles as a parenteral controlled release system. Eur J Pharm Biopharm 2000; 49: Gao K, Jiang X. Influence of particle size on transport of methotrexate across blood brain barrier by polysorbate 80-coated polybutylcyanoacrylate nanoparticles. Int J Pharm 2006; 310:

9 14. Gao X, Tao W, Lu W, Zhang Q, Zhang Y, Jiang X, Fu S. Lectin conjugated PEG-PLA nanoparticles: Preparation and brain delivery after intranasal administration. Biomaterials 2006; 27: Garcia-Garcia E, Andrieux K, Gil S, Couvreur P. Colloidal carriers and blood-brain barrier (BBB) translocation: A way to deliver drugs to the brain? Int J Pharm 2005; 298: Garcia-Garcia E, Andrieux K, Gil S, Kim HR, Doan TL, Desmaële D, d'angelo J, Taran F, Georgin D, Couvreur P. A methodology to study intracellular distribution of nanoparticles in brain endothelial cells. Int J Pharm 2005; 298: Gelperina SE, Khalansky AS, Skidan IN, Smirnova ZS, Bobruskin AI, Severin SE, Turowski B, Zanella FE, Kreuter J. Toxicological studies of doxorubicin bound to polysorbate 80-coated poly(butyl cyanoacrylate) nanoparticles in healthy rats and rats with intracranial glioblastoma. Tox Letters 2002; 126: Gessner A, Olbrich C, Schröder W, Kayser O, Müller RH. The role of plasma proteins in brain targeting: species dependent protein adsorption patterns on brain-spesific lipid drug conjugate (LDC) nanoparticles. Int J Pharm 2001; 214: Green-Sadan T, Kuttner Y, Lublin-Tennenbaum T, Kinor N, Boguslavsky Y, Margel S, Yadid G. Glial cell line-derived neurotrophic factor-conjugated nanoparticles suppress acquisition of cocaine selfadministration in rats. Exp Neu 2005; 194: Härtig W, Paulke BR, Varga C, Seeger J, Harkany T, Kacza J. Electron microscopic analysis of nanoparticles delivering thioflavin-t after intrahippocampal injection in mouse: implications for targeting β-amploid in Alzheimer's disease. Neu Letters 2003; 338: Kaş HS. İlaç taşıyıcı partiküler sistemler. In: Kontrollü Salım Sistemleri. Ed's, Gürsoy A, 2002, pp: Kaya M. Epileptik nöbetler ve kan-beyin engeli. İst Tıp Fak Mecmuası 2001; 64: Kreuter J. Nanoparticulate systems for brain delivery of drugs. Adv Drug Del Rev 2001; 47: Kreuter J. Application of nanoparticles for the delivery of drugs to the brain. Int Cong Ser 2005; 1277: Kreuter J, Petrov VE, Kharkevich DA, Alyautdin RN. Influence of the type of surfactant on the analgesic effects induced by the peptide dalargin after its delivery across the blood-brain barrier using surfactant-coated nanopartciles. J Cont Rel 1997; 49: Kreuter J, Shamenkov D, Petrov V, Ramge P, Cychutek K, Koch-Brandt C, Alyautdin R. Apolipoprotein-mediated transport of nanoparticlebound drugs across the blood-brain barrier. J Drug Targ 2002; 10: Kim DK, Zhang Y, Kehr J, Klason T, Bjelke B, Muhammed M. Characterization and MRI study of surfactant-coated supermagnetic nanoparticles administered into the rat brain. J Magnetism and Magnetic Mat 2001; 293: Koziara JM, Lockman PR, Allen DD, Mumper RJ. Paclitaxel nanoparticles for the potential treatment of brain tumors. J Cont Rel 2004; 99: Köksel T, Güleryüz A. Kan-beyin engeli. Mersin Üni Tıp Fak Der 2001; 1: Liu G, Garrett MR, Men P, Zhu X, Perry G, Smith MA. Nanoparticle and other metal chelation therapeutics in Alzheimer disease. Bioc et Bioph Acta 2005; 1741: Lockman PR, Oyewumi MO, Koziara JM, Roder KE, Mumper RJ, Allen DD. Brain uptake of thiaminecoated nanoparticles. J Cont Rel 2003; 93: Löbenberg R, Araujo L, Kreuter J. Body distribution of azidothymidine bound to nanoparticles after oral administration. Eur J Pharm Biopharm 1997; 44: Lu W, Tan YZ, Hu KL, Jiang XG. Cationic albumin conjugated pegylated nanoparticle with its transctosis ability and little toxicity against bloodbrain barrier. Int J Pharm 2005; 295: Lu W, Zhang Y, Tan YZ, Hu KL, Jiang XG, Fu SK. Cationic albumin-conjugated pegylated nanoparticles as novel drug carrier for brain delivery. J Cont Rel 2005; 107: Peracchia MT, Harnisch S, Pinto-Alphandary H, Gulik A, Dedieu JC, Desmaële D, d'angelo J, Müller RH, Couvreur P. Visualization of in vitro proteinrejecting properties of PEGylated stealth polycyanoacrylate nanoparticles. Biomaterials 1999; 20: Pinto-Alphandary H, Andremont A, Couvreur P. Targeted delivery of antibiotics using liposomes and nanoparticles: research and applications. Int J Antimic Agents 2000; 13: Roney C, Kulkarni P, Arora V, Antich P, Bonte F, Wu A, Mallikarjuana NN, Manohar S, Liang HF, Kulkarni AR, Sung HW, Sairam M, Aminabhavi TM. Targeted nanoparticles for drug delivery through the blood-brain barrier for Alzheimer's disease. J Cont Rel 2005; 108: Schroeder U, Sabel BA. Nanoparticles, a drug carrier system to pass the blood-brain barrier, permit central analgesic effects of i.v. dalargin injections. Brain Res 1996; 710: Schroeder U, Sabel BA, Schroeder H. Diffusion enhancement of drugs by loaded nanoparticles in vitro. Prog Neuro-Psychopharmacol & Biol Psychiat 1999; 23: Schroeder U, Schroeder H, Sabel BA. Body distribution of 3H-labelled dalargin bound to poly(butylcyanoacrylate) nanoparticles after I.V. injections to mice. Life Sciences 2000; 66: Schroeder U, Sommerfeld P, Sabel BA. Efficacy of oral dalargin-loaded nanoparticle delivery across the blood-brain barrier. Peptides 1998; 19: Schroeder U, Sommerfeld P, Ulrich S, Sabel BA. Nanoparticulate technology for delivery of drugs across the blood-brain barrier. J Pharm Sci 1998; 87: Simeonova M, Ivanova T, Raikova E, Georgieva M, Raikov Z. Tissue distribution of polybutylcyanoacrylate nanoparticles carrying spinlabelled nitrosourea. Int J Pharm 1988; 43: Steiniger SCJ, Kreuter J, Khalansky AS, Skidan IN, Bvobruskin AI, Smirnova ZS, Severin SE, Uhl R, Kock M, Geiger KD, Gelperina SE. Chemotherapy of glioblastoma in rats using doxorubicin-loaded nanoparticles. Int J Cancer 2004; 109:

10 45. Sun W, Xie C, Wang H, Hu Y. Spesific role of polysorbate 80 coating on the targeting of nanoparticles to the brain. Biomaterials 2004; 25: Tröster SD, Müller U, Kreuter J. Modification of the body distribution of poly(methyl metharcrylate) nanoparticles in rats by coating with surfactants. Int J Pharm 1990; 61: Tosi G, Rivasi F, Gandolfi F, Constantino L, Vandelli MA, Forni F. Conjugated poly(d,l-lactideco-glycolide) for the preparation of in vivo detectable nanoparticles. Biomaterials 2005; 26: Wang JX, Sun X, Zhang ZR. Enhanced brain targeting by senthesis of 3',5'-dioctanoyl-5-fluoro-2'- deoxyuridine and incorporation into solid lipid nanoparticles. Eur J Pharm Biopharm 2002; 54: Xie YL, Lu W, Jiang XG. Improvement of cationic albumin conjugated pegylated nanoparticles holding NC-1900, a vasopressin fragment analog, in memory deficits induced by scopolamine in mice. Beh Brain Res 2006; in press. 50. Yang SC, Lu LF, Cai Y, Zhu JB, Liang BW, Yang CZ. Body distribution in mice of intravenously injected camptothecin solid lipid nanoparticles and targeting effect on brain. J Cont Rel 1999; 59: