Afecciones neurológicas y barrera hematoencefálica. Limitaciones y

rEVISIÓN
Afecciones neurológicas y barrera hematoencefálica.
Limitaciones y estrategias para la liberación de fármacos
al cerebro
Alazne Domínguez, Antonia Álvarez, Blanca Suárez-Merino, Felipe Goñi-de-Cerio
Introducción. La incidencia de enfermedades del sistema nervioso central (SNC) aumenta a causa del envejecimiento de
la sociedad. Desgraciadamente, los tratamientos clásicos para tratarlas no resultan efectivos debido a la presencia de la
barrera hematoencefálica.
Objetivo. Abordar las propiedades de la barrera hematoencefálica que impiden el transporte de los fármacos al cerebro y
las principales estrategias para tratar las afecciones neurológicas.
Desarrollo. La barrera hematoencefálica está compuesta principalmente por un endotelio vascular especializado y las células de la glía. Ésta constituye una herramienta a disposición del organismo para aislar al SNC del resto del cuerpo. Sin
embargo, también supone un impedimento para que muchos fármacos alcancen su diana en el cerebro.
Conclusiones. Para poder tratar las afecciones neurológicas, los fármacos deben ser capaces de alcanzar el cerebro. Los
agentes terapéuticos pueden diseñarse para que sean capaces de atravesar esta barrera, o bien facilitar su entrada mediante el uso de sistemas de liberación. Para evaluar la efectividad de los tratamientos dirigidos a enfermedades del SNC,
se emplean los modelos animales de enfermedades neurológicas así como modelos in vitro de barrera hematoencefálica.
Palabras clave. Afecciones neurológicas. Barrera hematoencefálica. Células endoteliales. Permeabilidad. Sistemas de liberación de fármacos. Uniones estrechas.
Introducción
El sistema nervioso central (SNC) es el principal
responsable del funcionamiento correcto del organismo, ya que controla gran parte de las funciones
corporales. Por ello, una actividad incorrecta del
SNC provoca un deterioro funcional que conlleva
el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas
y neuropatológicas [1].
Las enfermedades del SNC se caracterizan por
una alta prevalencia tanto en países desarrollados
como en países en vías de desarrollo e incluyen patologías tan diversas como son las enfermedades
neurodegenerativas, cerebrovasculares o los tumores cerebrales. Además, implican un coste económico y social superior al de cualquier otro tipo de
enfermedad. Actualmente, 1.500 millones de personas en todo el mundo se ven afectados por algún
tipo de afección cerebral o mental. Sólo en Europa,
las afecciones neurológicas afligen a 300 millones
de personas y suponen un coste anual de 640.000
millones de euros [2] (Fig. 1). Esta alta prevalencia
se debe al aumento de la esperanza de vida y el envejecimiento de la población, que están directamente relacionados con el incremento de enfermedades degenerativas.
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A pesar del gran esfuerzo emprendido en la investigación sobre la fisiopatología de las afecciones
neurológicas y al desarrollo de nuevos fármacos
para tratar dichas afecciones, el éxito obtenido es
limitado [3]. Esto se debe a que los fármacos cuya
diana terapéutica se encuentra en el SNC se enfrentan, por un lado, a la compleja anatomía del cerebro
desde el punto de vista tanto fisiológico como patológico, ya que los principales parámetros metabólicos y de transporte cerebral varían significativamente a lo largo de las diferentes regiones del cerebro y, por el otro lado, al alto grado de protección
que presenta el cerebro gracias a la barrera hematoencefálica (BHE) [4]. Hasta el momento, se han desarrollado numerosas estrategias para tratar de solventar estos problemas [5].
Centro Tecnológico GAIKER;
Zamudio, Vizcaya (A. Domínguez,
B. Suárez-Merino, F. Goñi-de-Cerio).
Departamento de Biología Celular
e Histología; Facultad de Medicina
y Odontología; Universidad del
País Vasco; Leioa, Vizcaya, España
(A. Álvarez).
Correspondencia:
Dr. Felipe Goñi de Cerio.
Centro Tecnológico GAIKER.
Parque Tecnológico, ed. 202.
E-48170 Zamudio (Vizcaya).
Fax:
+34 946 002 324.
E-mail:
goni@gaiker.es
Agradecimientos:
O. Larrañeta, de Larrama Creativa,
por el desarrollo del diseño de las
figuras de la revisión.
Financiación:
Programas de investigación del
Gobierno Vasco (ETORTEK 2011).
Trabajo realizado dentro del
programa de becas de la Fundación
de Centros Tecnológicos-Iñaki
Goenaga.
Aceptado tras revisión externa:
08.11.13.
Cómo citar este artículo:
Domínguez A, Álvarez A,
Suárez-Merino B, Goñi-de-Cerio F.
Afecciones neurológicas y barrera
hematoencefálica. Limitaciones y
estrategias para la liberación de
fármacos al cerebro. Rev Neurol
2014; 58: 213-24.
© 2014 Revista de Neurología
Afecciones neurológicas
La naturaleza de las afecciones del SNC varía en
función del rango de edad. En ese sentido, el tipo de
patología predominante entre la población joven con
una afección neurológica es el trastorno psiquiátrico, incluyendo la depresión, ansiedad y esquizofrenia, mientras que en una población envejecida con
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Figura 1. Coste de las afecciones neurológicas en Europa en el año 2010 en relación con el tipo de enfermedad y por paciente.
Figura 2. Prevalencias específicas por grupos de edad y sexo en la demencia (enfermedad de Alzheimer) en Europa (http://ec.europa.eu/
health/index_en.htm).
Figura 3. Prevalencias específicas por grupos de edad y sexo en la enfermedad de Parkinson en Europa (http://ec.europa.eu/health/index_
en.htm).
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afección neurológica predominan las enfermedades
neurodegenerativas y cerebrovasculares [6]. Durante el último siglo, la longevidad de la sociedad ha aumentado de manera considerable; en los últimos 50
años, la esperanza de vida ha aumentado un 30% y
se espera que alcance el 50% para el año 2050. El
incremento de la esperanza de vida, unido al rápido
aumento de la población en la primera mitad del siglo xx, se traduce en un aumento del 300% en el
número de personas mayores de 60 años. Más en
concreto, se prevé que dentro de diez años este grupo represente el 15% de la población total [7].
Este cambio demográfico se refleja en un aumento de las afecciones asociadas a la edad como son la
enfermedad de Alzheimer (EA) (Fig. 2) y la enfermedad de Parkinson (EP) (Fig. 3) [8]. Las enfermedades neurodegenerativas se caracterizan por un deterioro progresivo de las habilidades cognitivas [9]
y son una de las principales causas de enfermedad y
mortalidad en los países desarrollados [10]. Estas enfermedades, además de progresivas, son irreversibles porque hasta el momento no se han conseguido tratamientos efectivos para ninguna de ellas [11].
La EA es responsable de en torno a la mitad de
los casos de demencia. En cuanto a la neuropatología, se observan dos tipos de lesiones, las placas
seniles y los ovillos neurofibrilares compuestos de
la proteína β-amiloide. Curiosamente, aunque estas lesiones parecen ser las características más destacables de la patología de la EA, por sí solas no
son capaces de generar la tremenda pérdida neuronal que acontece durante la enfermedad [12]. La
EP es la segunda enfermedad neurodegenerativa
más común. En cuanto a la patología, se caracteriza por la pérdida de las neuronas dopaminérgicas
de la sustancia negra, una pérdida de dopamina en
el cuerpo estriado y la presencia de inclusiones intracitoplasmáticas llamadas cuerpos de Lewy. Como
en la EA, en la EP los síntomas aparecen de manera
gradual e incluyen dificultad para mantener la postura corporal, temblores, pérdida de flexibilidad,
rigidez de las extremidades y del tronco, así como
una marcada bradicinesia. Para cuando esta sintomatología aparece, la pérdida neuronal es mayor del
70-80% [13].
Otra enfermedad neurodegenerativa es la esclerosis múltiple, una enfermedad inflamatoria autoinmune crónica caracterizada por la destrucción de
las vainas de mielina por los linfocitos T reactivos.
La edad de mayor incidencia es entre los 20-40 años,
por lo que conlleva un importante impacto social,
económico y familiar [14]. Afecta a más de un millón de personas en el mundo, y los síntomas incluyen debilidad, ataxia, cansancio, pérdida de visión y
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Afecciones neurológicas y barrera hematoencefálica
de tacto además de pérdidas de memoria. La atrofia
cerebral, que constituye un signo de neurodegeneración, aparece de modo precoz, incluso en pacientes con menos de cinco años de evolución de la enfermedad [15].
Asimismo, las enfermedades cerebrovasculares
son la tercera causa de mortalidad en los países desarrollados, tras las enfermedades cardíacas y el
cáncer, y la primera causa de invalidez en personas
adultas mayores de 65 años [16,17]. Las enfermedades cerebrovasculares comprenden un conjunto de
trastornos de la vasculatura cerebral, aunque el accidente cerebrovascular o ictus es el más generalizado (Fig. 4). El ictus se caracteriza por un déficit
neurológico ocasionado por una disminución importante del flujo sanguíneo cerebral de manera
transitoria o permanente que produce la muerte del
parénquima cerebral y un daño sostenido en las aéreas circundantes. Se produce de forma anormalmente brusca (ictus isquémico) con una pérdida
neuronal irreversible o bien por la hemorragia originada debido a la rotura de un vaso cerebral (ictus
hemorrágico) [18]. Los síntomas incluyen déficits
sensoriales y motores, como la hemiparesia/hemiplejía, afasia, pérdida de equilibrio o de coordinación, entre otros. El pronóstico tras un ictus varía
en función del área cerebral afectada, el alcance de
éste, la edad del paciente y su estado previo.
Dentro de las diferentes afecciones del SNC encontramos también los tumores cerebrales (Fig. 5).
Éstos destacan por ser una de las enfermedades del
SNC con mayor coste por paciente. El término ‘tumor cerebral’ hace referencia a un grupo heterogéneo de neoplasmas que se originan en los tejidos
intracraneales o las meninges y que comprimen al
cerebro. Los tumores cerebrales primarios representan el 2% de todos los cánceres y son un grupo
diverso de tumores con marcadas diferencias tanto
en etiología como en tratamiento y pronóstico [19].
Se pueden dividir en gliomas y meningiomas. Los
gliomas presentan una marcada agresividad, ya que
la supervivencia media de los pacientes en estados
avanzados de la enfermedad se reduce a 14,6 meses, mientras que los meningiomas tienen un diagnóstico mucho más alentador [20].
Las afecciones del SNC mencionadas previamente carecen de fármacos eficaces para su tratamiento, ya que la mayoría de los tratamientos existentes proveen de un alivio sintomático pero presentan numerosos efectos adversos y no impiden la
progresión de la enfermedad [21]. Por lo tanto, aunque las técnicas de diagnóstico precoz mejorasen,
con los tratamientos actuales, las expectativas del
paciente no serían más alentadoras [22].
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Figura 4. Prevalencias específicas por grupos de edad y sexo en el ictus
en Europa (España) [17].
Figura 5. Epidemiología de los tumores cerebrales en Europa. Incidencia, mortalidad y prevalencia por sexo (http://globocan.iarc.fr/). Prevalencia a cinco años: sólo para población adulta (≥ 15 años). Los pacientes que continúan vivos tras cinco años del diagnóstico se consideran curados.
barrera hematoencefálica
Existen tres estructuras principales en el cerebro
adulto que protegen a las neuronas de las sustancias circulantes en el torrente sanguíneo, ayudan a
mantener la homeostasis y aportan el medio necesario para un correcto funcionamiento neuronal
[23]. Éstas son la barrera entre sangre-líquido cefalorraquídeo –formada por el epitelio del plexo coroideo–, la BHE y la barrera entre líquido cefalorraquídeo-sangre, donde el epitelio vascular aracnoideo descansa sobre la duramadre. Además, en el
estadio embrionario, las células ependimarias de la
zona ventricular se conectan entre sí para formar
una cuarta barrera física que, sin embargo, desaparece en el adulto (Fig. 6).
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Figura 6. Barreras cerebrales que impiden el paso libre de sustancias al sistema nervioso central, en las
que se describen la barrera hematoencefálica, la barrera aracnoidea, la barrera sangre-líquido cefalorraquídeo y la neuroepéndima.
De las tres barreras del SNC, la BHE es la que
mayor superficie presenta, al crear un entramado
capilar extremadamente denso a través del parénquima cerebral con una longitud de unos 600 km y
una superficie de unos 20 m2 [24]. La homeostasis
en el microambiente del SNC, esencial para su funcionamiento correcto, se mantiene gracias a la BHE,
cuyas características estructurales únicas le hacen
mínimamente permeable al agua y los solutos, aíslan y protegen al tejido nervioso cerebral y controlan el paso de sustancias xenobióticas [25].
Componentes celulares de la BHE
La BHE está compuesta por un endotelio microvascular, astrocitos, lámina basal, pericitos y neuronas.
Todos ellos son elementos de la unidad neurovascular funcional.
La células endoteliales microvasculares cerebrales (CEMC) llevan a cabo funciones biológicas esenciales como son el transporte de nutrientes, la señalización mediada por receptores y la osmorregulación. A diferencia del resto de células endoteliales,
las CEMC carecen de fenestraciones y tienen una
cantidad mínima de vesículas de endocitosis [26].
216
Además, las CEMC expresan uniones estrechas (TJ)
y varios transportadores ABC que impiden el paso
paracelular a los compuestos hidrofílicos, formando
una barrera homogénea que protege al cerebro y
crea un ambiente único. Las CEMC cubren la superficie luminal de la microvasculatura cerebral y
yacen en su lado abluminal sobre una lámina basal,
que está recubierta al 99% por los pies astrocitarios
y pericitos. Así, aunque estructuralmente la BHE
está constituida por las células endoteliales, funcionalmente está regulada por células de la glía [27].
Entre los constituyentes celulares de la unidad
neurovascular se encuentran los astrocitos, que
proceden del ectodermo del tubo neural y se sitúan
en el parénquima cerebral. Los procesos astrocitarios cubren los capilares cerebrales y ayudan a mantener la integridad de la BHE sintetizando y secretando factores de crecimiento solubles esenciales
para que las células endoteliales desarrollen las características de la BHE. La interacción de los astrocitos con las CEMC no sólo produce un incremento
notable de las TJ de las células endoteliales sino
que, de manera recíproca, también produce un aumento de la densidad astrocitaria y de sus factores
de crecimiento. Junto con los astrocitos, los peri­
citos son células perivasculares multifuncionales
contráctiles situadas en la proximidad a las células
endoteliales con las que comparten membrana basal [28]. Se piensa que desempeñan un papel importante en el mantenimiento de la integridad estructural de la BHE.
Integridad estructural de la BHE
La estructura de la BHE viene definida por las características del endotelio de la microvasculatura.
Este endotelio tiene al menos tres tipos de unión
célula-célula: las uniones en hendidura, las uniones
adherentes o de anclaje y un tercer tipo de unión y
más importante, las TJ.
Las TJ de la BHE son las principales responsables de la restricción al transporte paracelular de
iones, solutos y macromoléculas desde la sangre
hacia el cerebro. Están constituidas por tres proteínas integrales de membrana: la ocludina, la claudina y las moléculas de adhesión celular (MAC), que
están unidas a diferentes proteínas accesorias citoplasmáticas incluyendo las proteínas zonula ocludens (ZO) y la cingulina. Funcionalmente, constituyen la frontera para la difusión proteica y lipídica a
través de las membranas, confieren polaridad a las
células endoteliales y sellan la vía paracelular para
forzar que la sustancias atraviesen las membranas y
el citosol de las células endoteliales [29].
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Afecciones neurológicas y barrera hematoencefálica
La primera proteína integral de membrana en
ser descubierta fue la ocludina. Parece ser que su
función es reguladora y puede influir en el transporte paracelular. En las células endoteliales de origen no cerebral, el contenido en ocludina es mucho
menor, lo que sugiere que tiene un papel activo en
la función de la BHE. Por otro lado, las claudinas
son el mayor componente de las TJ. En la BHE, parece ser que las responsables de la baja permeabilidad son las claudinas 3 y 5. Por último, las MAC son
proteínas transmembrana pertenecientes a la superfamilia de las inmunoglobulinas [30].
Tabla I. Sistemas de liberación de fármacos divididos en métodos invasivos y métodos no invasivos.
Administración intraarterial
Inyección intracerebroventricular en el líquido cefalorraquídeo
Métodos
invasivos
Infusión intracerebral mediante la técnica CED
Implantes intracerebrales
Disrupción de la integridad de la barrera hematoencefálica
(mediante métodos químicos, choque osmótico o el uso de ultrasonidos)
Ruta nasal
Regulación del transporte de la BHE
La BHE, más que una capa pasiva de células, es un
complejo metabólico activo que direcciona el transporte de solutos a la vía transcelular, ya sea por difusión pasiva, por transporte mediado por proteínas transportadoras, por transcitosis mediada por
receptor o mediante los transportadores ABC. Por
su parte, la vía paracelular es prácticamente inexistente debido a las fuertes uniones entre las células
endoteliales.
La difusión pasiva puede ocurrir bien entre células adyacentes por vía paracelular o a través de las
células por vía transcelular. Teniendo en cuenta que
las TJ bloquean la ruta paracelular a través de la
BHE, únicamente los solutos capaces de penetrar a
través de la membrana de la célula endotelial son
capaces de atravesar la BHE por difusión pasiva.
El transporte mediado por proteínas trasportadoras mueve pequeñas moléculas hidrofílicas como los
aminoácidos o la glucosa [31]. Estos sistemas transportadores se expresan en las membranas luminal y
abluminal del endotelio capilar y ejercen un transporte bidireccional entre la sangre y el cerebro a través de gradientes químicos o eléctricos para transportar las moléculas a través de las membranas celulares. Por otro lado, compuestos con alto peso molecular, como los péptidos y las proteínas, son demasiado grandes para ser transportados por proteínas
transportadoras, por lo que atraviesan la BHE mediante transcitosis mediada por receptores. Estos receptores se internalizan en vesículas de clatrina que
forman endosomas primarios que se transportan a
los lisosomas donde se degradan. Las células endoteliales expresan receptores específicos para ciertos ligandos como son la transferrina o la insulina.
Los transportadores ABC, entre los que se encuentran la glicoproteína-p (P-gp), proteínas resistentes a múltiples fármacos (MRP) y la proteína resistente al cáncer de mama (BCRP), tienen un amplio rango de sustratos y una gran influencia en la
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Bombas con dominio de unión a ATP
Métodos
no invasivos
Liberación sistémica
Transcitosis mediada por receptor
Péptidos penetrantes de células
Transportadores coloidales
Micemas, liposomas y nanocompuestos
ATP: adenosín trifosfato; CED: liberación mejorada por convección.
farmacocinética del fármaco. Son proteínas integrales situadas en la membrana de las células endoteliales y utilizan la energía de la hidrólisis de ATP
para el transporte contragradiente de sustratos. Su
función principal es la protección frente a toxinas
naturales o xenobióticos [32].
La P-gp es una glicoproteína de membrana con
actividad ATPasa que actúa como una bomba multiespecífica e impide la entrada de fármacos al cerebro. Tiene afinidad por un gran número de sustratos incluyendo fármacos anticancerígenos, antipsicóticos y antiepilépticos, agentes inmunosupresores, inhibidores de proteasas del VIH, entre otros.
Otro tipo de transportador abc son las MRP y la
BCRP. En la BHE, se expresan fundamentalmente
en la membrana basolateral y también limitan la
permeabilidad de los fármacos. Comparten especificidad de sustrato con la P-gp, por lo que varios fármacos son sustratos para ambos [33].
Rutas de liberación de fármacos al cerebro
La BHE constituye un gran obstáculo en la administración de fármacos al cerebro debido a su gran
impermeabilidad. Para lograr atravesar la BHE y liberar agentes terapéuticos al cerebro se emplean
dos tipos de estrategias (Tabla I), los métodos invasivos y los métodos no invasivos [34]. Estas estrategias se vienen empleado de manera experimental
217
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No invasivos
Invasivos
Tabla II. Ejemplos de sistemas de liberación de fármacos más prometedores empleados en varias patologías del sistema nervioso central [35-41].
Se describen las estrategias empleadas y el fármaco aplicado para cada patología.
Enf. Alzheimer
Enf. Parkinson
Ictus
Tumor cerebral
Esclerosis múltiple
Inyección intracerebroventricular
Péptido
β- amiloide
Factor neurotrófico
derivado del cerebro
Neurotrofina
Genes codificantes
de interferón-β
Células del estroma
de médula ósea
Liberación mejorada
por convección
Neprilisina
Factor neurotrófico
derivado de la glía
Ácido dietilentriamina
pentaacético
Topotecán
–
Implantes
intracerebrales
Factor de
crecimiento nervioso
–
Ciclosporina A
Gliadel
–
Disrupción BHE
–
–
–
Bevacizumab
–
Intranasal
Inhibidores de
la colinesterasa
α-sinucleína
Factor de
crecimiento insulínico
Agentes
neurotróficos
Interferón-β 1b
Sistémica
Clioquinol
Neurregulina-1β1
Factor de crecimiento
endotelial vascular
Dasatinib
Cavtratín
Liposomas
de rivastigmina Nanoemulsiones
de ropinirol
NP de superóxido
dismutasa
Doxorrubicina
liposomal pegilada
NP de óxidos
metálicos
Transportadores
coloidales
BHE: barrera hematoencefálica; NP: nanopartículas.
para tratar varias patologías del SNC. Las estrategias aplicadas varían significativamente según la patología que se vaya a tratar (Tabla II) [35-41].
Métodos invasivos
Los métodos invasivos utilizados en la administración de fármacos al cerebro, aunque eficaces, requieren de cirugía y por lo tanto entrañan un alto riesgo
para el paciente. Las técnicas invasivas convencionales incluyen la inyección intracerebroventricular
(ICV) en el líquido cefalorraquídeo, la infusión intracerebral mediante la técnica de liberación mejorada por convección (CED), los implantes intracerebrales y la disrupción de la integridad de la BHE.
La liberación local incluye la inyección ICV en el
líquido cefalorraquídeo, desde donde el fármaco
penetra en el parénquima cerebral. Asimismo, la
infusión intracerebral mediante la técnica CED
consiste en una infusión intraparenquimal de la solución del fármaco en el parénquima cerebral con la
ayuda de un catéter de pequeño calibre [42]. Dentro también de las técnicas invasivas, los implantes
intracerebrales requieren de una inyección sumamente precisa para conseguir la eficacia y evitar los
problemas asociados a la difusión de fármacos en el
parénquima cerebral. Las técnicas descritas son relativamente costosas, ya que requieren anestesia y
hospitalización.
218
Además, poseen muchas limitaciones asociadas
a la administración y difusión en el cerebro. En el
caso de la ICV, su difusión es muy baja. Sólo una
pequeña concentración del fármaco puede alcanzar
su diana, ya que el líquido intersticial juega en contra de la difusión del fármaco y el líquido cerebroespinal se está renovando constantemente devolviendo el fármaco al torrente sanguíneo; sin comentar
las dificultades que conlleva una intervención quirúrgica [43]. Del mismo modo, en la técnica CED
hay regiones del cerebro que son complicadas de
saturar mediante la infusión, concretamente los tejidos infiltrados que rodean una cavidad, por lo que
la liberación del fármaco está supeditada al posicionamiento correcto de los catéteres. En todos los casos, habrá que tener en cuenta que el efecto del fármaco disminuirá exponencialmente según la distancia que hay entre la región de interés y el lugar
de liberación del fármaco, por lo que la precisión en
la inyección y liberación es decisiva para un tratamiento correcto. A pesar de sus desventajas, estas
técnicas son a veces la única alternativa para evitar
los fuertes efectos adversos que se producen con la
liberación sistémica de los fármacos más agresivos.
Por todo ello, se ha probado otro tipo de aproximaciones invasivas consistentes en la alteración de la
BHE como medio para aumentar su permeabilidad.
La ruptura de la BHE abre un acceso directo al cerebro para los compuestos circulantes en la sangre y
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Afecciones neurológicas y barrera hematoencefálica
puede llevarse a cabo empleando métodos químicos
o, temporalmente, mediante un choque osmótico o
el uso de ultrasonidos [44]. Estas técnicas son muy
eficaces en términos de transporte al cerebro, ya que
no dependen de las propiedades de los agentes terapéuticos, aunque entrañan numerosos riesgos y causan efectos secundarios, entre los que se incluye el
estrés fisiológico y el aumento transitorio de la permeabilidad paracelular. El aumento incontrolado y
prolongado de la permeabilidad en la BHE puede llegar a ser letal, ya que conlleva un aumento de la presión intracraneal, así como la liberación de constituyentes neurotóxicos al plasma del tejido cerebral
[45], como es la entrada al SNC de la albúmina, sustancia neurotóxica para los astrocitos y que en situaciones no patológicas se encuentra en el líquido intersticial del SNC en concentraciones muy bajas.
Métodos no invasivos
Los métodos no invasivos incluyen la ruta nasal, la
liberación sistémica y el uso de transportadores coloidales. El empleo de la administración intranasal
para dirigir agentes terapéuticos al SNC tiene muchos beneficios en el tratamiento de las afecciones
neurológicas. Esta técnica ofrece una rápida absorción a la circulación sanguínea sistémica y evita el
primer cribado metabólico en la pared intestinal y
en el hígado [46]. Además, no requiere necesariamente de ninguna modificación del agente terapéutico. Así, sustancias tales como las neurotrofinas,
los neuropéptidos, los polinucleótidos o los quimioterápicos pueden alcanzar el SNC en concentraciones efectivas [47].
Asimismo, la administración a través de la circulación sistémica es una estrategia no invasiva para
la liberación de fármacos. Los fármacos que se administran por esta vía (oral, gastroentérica, sublingual) deben poseer unas características fisicoquímicas óptimas que les permitan atravesar la BHE
por difusión pasiva a través de la vía transcelular o
bien tener las propiedades estructurales necesarias
para ser sustrato de uno de los sistemas de transporte existentes en el endotelio capilar cerebral, co­
mo las proteínas transportadoras. Sin embargo, estos sistemas de transporte no siempre sirven de
ayuda para el paso de los fármacos a través de la barrera. La BHE contiene varias bombas con dominio
de unión a ATP (transportadores ABC) que devuelven al torrente sanguíneo una multitud de fármacos
desde el cerebro, por lo que gran cantidad del fármaco que atraviesa la BHE a través de la circulación
sistémica se expulsa rápidamente del SNC a través
de los transportadores ABC. Debido a ello, se han
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desarrollado varias estrategias para evitar que, una
vez el fármaco atraviesa la BHE, sea devuelto de
nuevo al torrente sanguíneo, ya sea empleando inhibidores específicos o bien desarrollando análogos
de los fármacos eficaces pero sin reactividad con los
transportadores [48]. La P-gp es el transportador
ABC más estudiado. Un gran número de quimioterápicos son sustratos para este transportador, por
lo que su inhibición puede mejorar la permeabilidad de muchos compuestos.
Dentro de las estrategias no invasivas desarrolladas en las últimas décadas se encuentra el empleo
de transportadores coloidales. Estos compuestos están en auge, ya que combinan una alta eficacia al
atravesar la BHE y una mínima alteración de las características de la misma [49,50]. Se caracterizan
por aumentar la especificidad en torno a células y
tejidos, mejorar la biodisponibilidad de fármacos al
aumentar su difusión a través de membranas biológicas y proteger a su vez a los fármacos de la inactivación enzimática [51]. Los sistemas coloidales permiten el acceso a fármacos no transportables a través de la BHE, enmascarando sus características fisicoquímicas a través de la encapsulación en estos
sistemas. En general, este tipo de transportadores
incluye micelas, liposomas y nanocompuestos.
Las micelas poliméricas son sistemas de transporte de fármacos termodinámica y cinéticamente
estables en solución acuosa con un tamaño similar
al de los virus y las lipoproteínas (50-100 nm). Están formados por una monocapa lipídica con una
estructura en dos bloques: polímeros hidrofílicos
en la envuelta e hidrofóbicos en el interior [52]. Sin
embargo, su mayor desventaja radica en una liberación temprana del fármaco, antes incluso de haber
alcanzado la diana terapéutica.
Los liposomas y las nanopartículas (NP) se han
explotado ampliamente para la liberación de fármacos al cerebro debido sobre todo a que los métodos requeridos para su preparación son, en general,
sencillos y escalables. Son construcciones complejas que pueden alcanzar los 200 nm de diámetro y
en cuyo interior pueden incorporarse cantidades
relativamente grandes de fármaco. Los liposomas
son pequeñas vesículas artificiales de forma redondeada constituidas por un interior acuoso rodeado
por una bicapa lipídica [53]. El interior acuoso permite incorporar un fármaco que sea soluble en
agua, mientras que la membrana crea un espacio
protector que evita la liberación de su contenido y
lo protege de la degradación.
Por otra parte, las NP poliméricas son partículas
sólidas constituidas por polímeros o lípidos. Sus
principales ventajas sobre otros transportadores co-
219
A. Domínguez, et al
loidales son el bajo número de excipientes requeridos para su formulación, una alta estabilidad física
en contacto con los fluidos biológicos, la simplicidad de los procesos requeridos para su formulación
y la capacidad para liberar fármacos de una manera
controlada y sostenida en el tiempo [54]. Tal es el
caso del desarrollo de nanopartículas de quitosano
para la liberación de dopamina en el SNC, que implicaría un mantenimiento constante de los niveles
de dopamina en el cerebro y conllevaría una mejora
de la respuesta terapéutica para la EP [55].
Cabe destacar que, dentro de las NP, hay otro
tipo de sistemas no poliméricos, como pueden ser
las NP metálicas, magnéticas o cristalinas. El principal uso de estas NP es el de marcadores de diagnóstico para la realización de imagen molecular a través
de resonancia magnética o tomografía de emisión
de positrones. El uso de estas NP aumenta la sensibilidad de las técnicas utilizadas en el procesado de
imagen en el diagnóstico de cáncer y otras enfermedades neurológicas y cardiovasculares del SNC.
Modelos in vivo de la BHE
y enfermedades neurológicas
Para poder conocer mejor la fisiopatología de las
diferentes afecciones neurológicas, así como para
investigar los mecanismos por los que la BHE mantiene y regula su permeabilidad, se han empleado
varios modelos in vivo e in vitro. Las técnicas in
vivo aportan información sobre la naturaleza de las
diferentes afecciones, así como información sobre
la distribución y posibles efectos de los agentes terapéuticos en todo el organismo. Sin embargo, los
modelos in vivo presentan una serie de inconvenientes como un bajo rendimiento o el requerimiento de equipamiento costoso, además de los problemas éticos derivados de la necesidad de emplear
una gran cantidad de animales a los que se somete a
experimentos de naturaleza muy invasiva, sin olvidar que las técnicas in vivo tienen una aplicación
limitada en los humanos y, en consecuencia, se han
de extrapolar los resultados de los ensayos preclínicos a la especie humana con las diferencias que ello
conlleva [56].
El desarrollo de modelos animales que buscan reproducir los síntomas, lesiones o causas de la enfermedad supone un gran avance para el estudio de las
enfermedades del SNC. Las afecciones neurológicas
pueden reproducirse en modelos animales para recrear procesos patogénicos y cambios de comportamiento. Por desgracia, la mayoría de los modelos
sólo son capaces de reproducir ciertos aspectos de
220
las enfermedades. Hay dos aproximaciones para reproducir modelos animales con una afección neurológica [57]. Por un lado, la aproximación genotípica,
que depende del conocimiento del gen de interés, y
su posterior manipulación en el animal para crear
el modelo apropiado y, por otro lado, la aproximación fenotípica, que es independiente de un determinado gen pero que emplea el mapeo genético estándar y técnicas de clonación para identificar el
cambio genético causal en un fenotipo de interés.
Como modelos animales de la EA se han descrito líneas de ratones transgénicos que reproducen
características de la enfermedad. Por ejemplo, los
modelos animales basados en el metabolismo de la
proteína precursora amiloide (PPA), en la presenilina (PS) y en la proteína tau, involucrada en la formación de los ovillos neurofibrilares, así como los
triple transgénicos PS/PPA/tau [58]. Referente a la
EP, hay una variedad de modelos desarrollados que
se dividen en los que emplean neurotoxinas sintéticas o naturales y los que usan la expresión in vivo
de mutaciones relacionadas con la EP [59]. Tradicionalmente, se han empleado los modelos tóxicos,
que buscan reproducir los cambios patológicos y de
comportamiento de esta enfermedad en roedores o
primates empleando agentes farmacológicos (neurotoxinas) que inducen la degeneración selectiva de
las neuronas de la parte compacta de la sustancia
negra [13]. Por otro lado, el principal modelo animal de la esclerosis múltiple consiste en la inducción
de una encefalomielitis autoinmune experimental,
normalmente en ratones o ratas. Si estos modelos
se emplean de modo adecuado, pueden reproducir
muchas de las características de la esclerosis múltiple [60].
Respecto al ictus, se utilizan principalmente dos
tipos de modelos isquémicos, la isquemia focal y la
global. En la isquemia global, lo normal es que se
interrumpa la circulación de dos a cuatro vasos
sanguíneos de manera transitoria, mientras que en
la isquemia focal se ocluye la arteria cerebral media
ya sea de manera temporal o transitoria. Además
de estos dos modelos, están los modelos de ictus
que llevan a cabo una oclusión arterial mediante la
formación de un trombo [61].
Los modelos de tumor cerebral pueden clasificarse en modelos inducidos químicamente, modelos tu­
morales de trasplante de xenoinjertos o modelos de
formación tumoral espontánea inducida en ratones
modificados genéticamente [62]. Los xenoinjertos
se obtienen inyectando subdérmicamente células
tumorales en el animal. Éstos se caracterizan por la
reproducibilidad, el rápido desarrollo tumoral, la fácil visualización del tumor y su alta penetración. Por
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Afecciones neurológicas y barrera hematoencefálica
otro lado, los ratones manipulados genéticamente
nacen con una mutación en un determinado gen que
provocará la formación espontánea de un tumor a
las pocas semanas de vida del animal [63].
Modelos in vitro de la BHE
Los modelos in vitro están adquiriendo en los últimos años una mayor importancia debido al principio de las tres erres, enfocado hacia el reemplazo, la
reducción y el refinado de las técnicas experimentales en animales. El objetivo del principio es reemplazar las técnicas que usan animales de experimentación por métodos que no requieran el uso de
animales, como son los modelos in vitro [64].
El principal objetivo de un modelo in vitro de
BHE es emular la barrera in vivo y predecir su permeabilidad [65]. Hay grandes diferencias cuantitativas y cualitativas entre los distintos modelos celulares si bien comparten unos mínimos requerimientos para ser útiles:
– Estructura celular similar.
– Presencia de uniones estrechas.
– Reproducibilidad en la permeabilidad a los solutos.
– Expresión funcional de los mecanismos de transporte presentes in vivo.
– Expresión de marcadores enzimáticos de BHE.
– Facilidad de manejo.
– Bajo coste.
Hasta la fecha, no se ha desarrollado un modelo que
consiga reproducir todas las características funcionales y estructurales que correlacionen al 100% in
vitro e in vivo para los compuestos destinados al
SNC. Los modelos celulares desarrollados hasta el
momento pueden constituirse a partir de cultivos primarios de CEMC o líneas inmortalizadas.
Los cultivos primarios de células endoteliales muestran una gran similitud con el fenotipo de la BHE in
vivo y poseen excelentes características de BHE en
pases tempranos [66]. Las células pueden proceder
de varios orígenes e incluyen el origen murino [67],
porcino [68], bovino [69] y humano. Los orígenes
porcino y bovino suelen ser los más empleados debido a que su tamaño y disponibilidad permiten obtener las cantidades requeridas para los experimentos de permeabilidad. Sin embargo, tienen un elevado coste, se requiere de muchas habilidades técnicas para la extracción del tejido cerebral y posterior
manipulación, tienen una expresión de transportadores reducida y se contaminan con facilidad por
otros tipos celulares de la unidad neurovascular
[70], todo ello junto al hecho de que no son capaces
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de retener sus características de BHE a lo largo de
los subcultivos, los hace susceptibles de ser descartados para ensayos de múltiples fármacos que requieran numerosos ensayos.
Por otro lado, se vienen empleando varias líneas
inmortalizadas de origen cerebral procedentes de
varias especies, como GPNT, RBEC1 (rata), bEnd.3,
cEND (ratón), SV-BEC (bovino), PBMEC/C1 (porcino) y hCMEC/D3 (humano). Las ventajas sobre
los cultivos primarios incluyen la capacidad para
mantener las características de la BHE a lo largo de
muchos subcultivos así como su fácil crecimiento y
un reducido coste [71]. Recientemente, se ha extendido el empleo del modelo in vitro compuesto por
la línea endotelial cerebral de ratón bEnd3. Estas
células expresan las proteínas de unión estrecha
ZO-1, ZO-2, ocludina, claudina-5 y MAC. También
mantienen la funcionalidad de los transportadores
facultativos estereoespecíficos dependientes de sodio e insulina glut-1, de los transportadores ABC
como la P-gp y responden como los cultivos primarios a los estímulos disruptivos [72].
La línea inmortalizada cerebral endotelial de origen murino, la cEND, es una de las líneas inmortalizadas más prometedoras para la modelización de
la BHE junto con la línea humana hCMEC/D3. En
cuanto a las cEND, un aporte del glucocorticoide
hidrocortisona mejora sus características de BHE al
inducir un cambio morfológico en la célula endotelial junto a una sobreexpresión de ocludina. Sin embargo, otras líneas endoteliales microvasculares de
cerebro inmortalizadas con el mismo virus que para
las cEND, el antígeno medio del polioma T, muestran una localización incorrecta de las TJ [73].
El modelo óptimo para el estudio de la permeabilidad de la BHE en humanos sería un modelo bien
caracterizado compuesto por un cultivo primario de
células endoteliales humanas. Sin embargo, obtener
tejido cerebral sano de manera rutinaria es extremadamente complicado. Para superar las dificultades
que supone un cultivo primario y reducir las variaciones en la composición y expresión de los niveles
de transportadores, se han desarrollado varias líneas celulares inmortalizadas humanas (hCMEC/D3,
BB19, NKIM-6). La hCMEC/D3 es el primer ejemplo de línea humana ampliamente caracterizada. Se
desarrolló por infección de cultivos endoteliales primarios con vectores lentivirus que codificaban para
el hTERT y el antígeno largo T-SV40. Esta línea retiene la mayor parte de las características morfológicas y funcionales de la BHE in vivo y no muestra
una pérdida fenotípica con los subcultivos. Expresa
las TJ ZO-1, MAC y claudina 5, así como transportadores ABC funcionales [74]. Sin embargo, su re-
221
A. Domínguez, et al
sistencia transepitelial alcanza valores muy limitados comparados con los que se obtienen in vivo.
La correcta puesta a punto de las técnicas y condiciones de cultivo puede ayudar a mantener las características de BHE de las células endoteliales. La
implementación de los cultivos incluye su cocultivo
con astrocitos, con medio condicionado de los mismos o con pericitos, así como la suplementación de
los medios y la reducción del suero en el medio. Los
pies astrocitarios forman parte de la BHE, por ello
se emplean en cocultivos con las células endoteliales. La astroglía induce y mantiene las propiedades
de barrera de las células endoteliales de cerebro y
mejora los modelos in vitro de BHE. Por ello, el cocultivo junto con células de la glía aumenta la expresión de las TJ, las enzimas endoteliales de cerebro, los transportadores y ayuda a inducir un fenotipo más similar al existente in vivo [75]. También
están los tricultivos, que incorporan pericitos, otro
componente de la BHE. Su función no está del todo
determinada y, aunque hasta el momento se pensaba que su única función era de sostén, hay una idea
cada vez más generalizada de que participan en el
mantenimiento de la BHE.
Por último, en los últimos años se vienen desarrollando modelos dinámicos denominados DIVBHE [76]. Estos modelos pretenden reproducir el
medio fisiológico de la BHE in vivo. En éste, se crea
una tensión superficial o tensión de cizalladura, generada por la circulación sanguínea desde la superficie apical que afecta a la estructura y función de
las células endoteliales [77]. Se trata de un sistema
tridimensional en el que las células se cultivan imitando las vesículas capilares. En estas construcciones, las células endoteliales se exponen a un flujo
pulsátil que produce una presión comparable a la
que se produce in vivo y desarrollan un fenotipo similar al de las CEMC in vivo [78].
Conclusiones
Las afecciones neurológicas generan un fuerte impacto sociosanitario en todo el mundo. El tratamiento de las enfermedades del SNC se ve limitado
por la falta de conocimientos de la fisiopatología de
éstas, así como por los efectos secundarios que caracterizan a los fármacos desarrollados hasta el momento y sus problemas para atravesar la BHE.
Por lo tanto, es imprescindible desarrollar nuevas estrategias para la liberación de fármacos al cerebro. En la actualidad, se están siguiendo dos estrategias bien diferenciadas y complementarias. Por
un lado, se está tratando de mejorar la eficacia de
222
los sistemas de liberación de fármacos al cerebro y,
por el otro lado, se pretende mejorar los modelos
para probar su eficacia y seguridad.
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Neurological disorders and the blood-brain barrier. Strategies and limitations for drug delivery to the brain
Introduction. The incidence in the central nervous system diseases has increased with a growing elderly population. Un­
fortunately, conventional treatments used to treat the mentioned diseases are frequently ineffective due to the presence
of the blood brain barrier.
Aim. To illustrate the blood-brain barrier properties that limit drug transport into the brain and the main strategies
employed to treat neurologic disorders.
Development. The blood-brain barrier is mainly composed of a specialized microvascular endothelium and of glial cells. It
constitutes a valuable tool to separate the central nervous system from the rest of the body. Nevertheless, it also represents
an obstacle to the delivery of therapeutic drugs to the brain.
Conclusions. To be effective, drugs must reach their target in the brain. On one hand, therapeutic agents could be designed
to be able to cross the blood brain barrier. On the other hand, drug delivery systems could be employed to facilitate the
therapeutic agents’ entry into the central nervous system. In vivo models of neurological diseases, in addition to in vitro
models of the blood brain barrier, have been widely employed for the evaluation of drugs utilized to treat central nervous
system diseases.
Key words. Blood-brain barrier. Drug delivery systems. Endothelial cells. Neurological disorders. Permeability. Tight junctions.
224
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