Biomedicinski inženjeri na Univerzitetu Duke razvili su metod za isporuku lekova određenim vrstama neurona u celom mozgu. Ovaj novi pristup, koji je testiran na miševima, bio je 100 puta precizniji od postojećih metoda i omogućava istraživačima da efikasnije proučavaju neurološke bolesti i istražuju efikasne, ciljane tretmane lekovima.
Istraživanje je objavljeno 14. juna u časopisu Nature Methods.
Lekari i istraživači su se dugo oslanjali na lekove kako bi proučavali složene veze između neurona i lečili neurološke bolesti. Ali ovim lekovima takođe nedostaje ključna karakteristika za potpuno postizanje ovih ciljeva – preciznost.
Lekovi su dizajnirani da se vežu za specifične receptore kako bi pokrenuli odgovor, ali mogu postojati milioni ćelija koje eksprimiraju isti receptor. To znači da kada neko uzme lek, to utiče na sve te ćelije u isto vreme, izazivajući neželjene efekte van cilja i otežavajući istraživačima da identifikuju ključne ćelijske signale na koje lek utiče.
Majkl Tadros i njegovi saradnici pokušali su da reše ovaj problem stvaranjem DART-a, ili Drog koji je akutno ograničen vezivanjem. Prva iteracija ovog alata omogućila je istraživačima da isporuče farmaceutske proizvode određenim tipovima ćelija u mozgu uvođenjem proteina koji oblaže njihove površine i privlači lekove napunjene posebnim uređajem za navođenje.
Kada se lek unese u sistem, hvata ga ovaj svetionik i stvara lokalno visoku koncentraciju leka oko ciljanih ćelija.
U prvobitnoj iteraciji, homing sistem je dozvolio da se lekovi lokalno akumuliraju na željenim ćelijama, dostižući koncentracije približno 30 puta veće nego bilo gde drugde u mozgu u roku od nekoliko minuta. Ovo je dobro funkcionisalo u većini slučajeva, ali nije bilo opšte rešenje.
„Zamislite molekule droge kao što su kupci u prodavnici koju želite da kupite određeni artikal. Neki od kupaca mogu brzo da stignu tamo, ali će drugi biti ometeni drugim artiklima u prodavnici i izazvati haos. Baš kao ovi kupcima, naši lekovi mogu imati neželjene efekte na njihovom putu do cilja“, kaže Tadross, docent biomedicinskog inženjerstva.
Sada, Tadross i njegove kolege su predstavili DART.2, drugu iteraciju svog alata. Sa optimizovanim sistemom za hvatanje lekova, ova verzija je 100 puta preciznija od svog prethodnika, omogućavajući ciljnim ćelijama da uhvate lekove u koncentracijama do 3.000 puta većim nego bilo gde u mozgu za samo 15 minuta.
Ova poboljšana preciznost će omogućiti istraživačima da koriste lekove kod živih životinja koje su ranije bile nemoguće. Kao dokaz koncepta, istraživači su eksperimentisali sa gabazinom, lekom koji sprečava vezivanje neurotransmitera GABA (gama-aminobutrične kiseline) za GABA receptore.
„Pokušali smo da koristimo gabazin sa našim početnim DART alatom, ali nije bio dovoljno efikasan“, rekao je Tadross. „Naš optimizovani sistem je ovo rešio, omogućavajući bezbedno isporuku gabazina ciljanim neuronima bez izazivanja epileptičkog odgovora van cilja.“
Kao inhibitorni neurotransmiter, GABA ograničava sposobnost neurona da šalje i prima signale, stvarajući umirujući efekat. Ali sprečavanjem GABA da se veže za svoje receptore, gabazin može povećati neuronsku aktivnost.
Ovo je bilo suštinsko sredstvo koje pomaže istraživačima da proučavaju GABA receptore u visoko kontrolisanim i ograničenim eksperimentima, kao što su u ćelijskoj kulturi ili u parčetu mozga. Ali ranije je bilo veoma teško koristiti ga kod živih životinja, jer čak i male doze mogu izazvati napade.
U prikazu mogućnosti DART.2, tim je koristio gabazin da istraži ulogu GABA receptora u ventralnoj tegmentalnoj oblasti, regionu mozga povezanom sa ponašanjima kao što su zavisnost, kontrola stresa, pamćenje i kretanje.
Prethodne studije su sugerisale da GABA receptori u ovoj regiji mozga deluju kao pedala gasa, čineći miševe aktivnijim. Iznenađujuće, DART.2 je pokazao suprotno da je tačno za GABA receptore na dopaminskim neuronima – GABA receptori na ovim ćelijama su služili kao pedala kočnice, što je dovelo do usporavanja miševa kao da im je potrebno vreme da razmisle o svojim akcijama.
Povećana preciznost DART.2 je takođe omogućila istraživačima da koriste jednostavniji put administracije. U ranijem radu, tim je koristio kanilu da primeni lek blizu cilja. Ali sa novom verzijom DART-a, ovo više nije potrebno.
Oni su pokazali isporuku preko cerebrospinalne tečnosti, omogućavajući leku da cirkuliše kroz ceo mozak. Sistem DART.2 radi dovoljno efikasno da koncentriše lek na specifični region mozga i ćelije od interesa, dok ostatak mozga doživljava zanemarljive efekte van cilja.
„Sada analogija postaje kao rasprodaja Crnog petka gde predmeti od interesa imaju znakove koji svakog vode direktno do rasprodajnih artikala“, rekao je Tadross. „Isto je bilo i kada smo isporučili lekove celom mozgu.
Inspirisan najboljom praksom u kliničkim ispitivanjima, tim je takođe razvio metode za potvrdu angažovanja cilja. Oni su to uradili sa fluorescentnim tragačima koji se mogu mešati i upariti sa bilo kojim lekom, omogućavajući istraživačima da vizuelizuju gde i koliko je leka isporučeno.
Kao poslednji test za ažurirani alat, tim je pokazao da DART.2 može precizno da isporuči lekove kako bi inhibirao i ojačao dva glavna oblika sinaptičkog prenosa u mozgu. Dakle, oni ne samo da su blokirali GABA receptore, već bi ih mogli učiniti osetljivijima na GABA.
Takođe su proširili pristup na AMPA receptore, koji osećaju glutamat, ekscitatorni neurotransmiter koji nosi većinu prenosa informacija između neurona u mozgu.
Tadross i njegovi saradnici već imaju ideje za sledeću iteraciju DART-a. Jedan uključuje razvoj sistema koji je sposoban da pređe krvno-moždanu barijeru. Takođe bi želeli da razviju novi tragač koji im omogućava da prate lokaciju i koncentraciju lekova korišćenjem neinvazivnog snimanja kod živih životinja.
„Naša prva studija sa DART-om 2017. godine bila je dokaz koncepta“, rekao je Tadross. „Ideja je bila varljivo jednostavna – želeli smo da lek deluje na jednom mestu, a ne na drugom, i to smo uradili kontrolisanjem koncentracije leka.“
„Sada, proširivanjem pristupa na više lekova i pokazujući koliko drastično možemo da optimizujemo sistem, preduzimamo sledeći korak. Veoma je uzbudljivo.“
