脳内皮透過性、輸送、および血流の評価研究

背景紹介

血液脳関門（Blood-Brain Barrier, BBB）は、脳を有害物質から保護する重要なバリアであり、同時に薬物が脳内に入るための鍵となる障壁でもあります。BBBの透過性と輸送特性は、薬物の脳内分布に直接影響を与え、特に中枢神経系（CNS）薬物の効果に大きく関与します。しかし、BBBの高透過性薬物（例えば脂溶性薬物）の測定は技術的に難しく、従来の脳血流測定法では高透過性薬物の場合に正確な評価が困難でした。この問題を解決するため、研究者たちは新しい実験手法を開発し、従来の方法の限界を超えて高透過性薬物のBBB透過性を直接測定することを目指しました。

本研究はQuentin R. Smithらが主導し、in situ脳灌流技術を用いて高脂溶性薬物のBBB透過性を測定し、その脂溶性（log Poct）との関係を検証することを目的としています。研究チームはTexas Tech University Health Sciences CenterやUniversity of Nebraska Medical Centerなど複数の研究機関から構成されています。この研究は2024年にFluids and Barriers of the CNS誌に掲載されました。

研究プロセス

1. 実験設計

研究の主な目的は、2つの方法を用いてBBB透過性の測定範囲を拡大することでした：脳血流速度の向上と血漿タンパク質の添加です。これらの方法は、薬物の抽出率を低下させ、測定可能な範囲に収めることで、Crone-Renkin「拡散-流動」方程式を用いてBBB透過性を計算することを目指しました。

2. 実験対象

実験では、ラットとマウスを研究対象として使用しました。具体的には、成体の雄性Sprague-Dawleyラット（200-350グラム）とCF-1マウス（30-40グラム）がin situ脳灌流実験に使用されました。すべての実験は動物倫理委員会の承認を得て行われました。

3. in situ脳灌流技術

実験では改良されたin situ脳灌流技術が採用され、具体的な手順は以下の通りです： - 麻酔と手術準備：動物は腹腔内注射（ケタミン/キシラジンまたはペントバルビタールナトリウム）により麻酔され、その後頸動脈カテーテル手術が行われ、灌流液が直接脳に送られるようにしました。 - 灌流液の準備：灌流液は生理食塩水で、異なる濃度の血漿タンパク質（例えば血清アルブミンやα-酸性糖タンパク質）を含み、異なる血漿タンパク質結合状況を模倣しました。 - 灌流プロセス：定速ポンプを使用して灌流液を頸動脈に注入し、灌流圧をモニタリングしました。灌流液には放射性標識されたテスト溶質（例えばジアゼパム、パルミチン酸など）と血流マーカー（例えばヨードアンチピリン）が添加されました。 - 脳組織のサンプリングと分析：灌流終了後、迅速に脳を取り出し、領域ごとに分割しました。脳組織サンプルは液体シンチレーション計数法（LSC）を用いて放射性標識物の含有量を測定し、脳内取り込み率（kin）と血管透過性（PS）を計算しました。

4. データ分析

研究では、Crone-Renkin方程式を使用してBBB透過性を計算しました。この方程式は、血流速度（F）、透過性-表面積積（PS）、および薬物の遊離分数（fu）の関係を考慮しています。非線形回帰分析を用いて、実験データをフィットさせ、異なる薬物のBBB透過性を計算しました。

主な結果

1. 高血流速度下でのBBB透過性測定

脳血流速度を向上させることで、研究者はBBB透過性の測定範囲を拡大することに成功しました。実験結果は、ジアゼパム（diazepam）などの脂溶性薬物が高血流速度下で脳取り込み率（kin）が著しく増加し、血流速度と線形関係にあることを示しました。ジアゼパムのBBB透過性（PS）は0.94 ml/s/gに達し、従来の研究結果（0.03-0.06 ml/s/g）を大幅に上回りました。

2. 血漿タンパク質結合がBBB透過性に及ぼす影響

血漿タンパク質（例えばウシ血清アルブミン）を添加すると、薬物の遊離分数（fu）が低下し、薬物の脳取り込み率が減少しました。血漿タンパク質濃度を調整することで、研究者は薬物の抽出率を測定可能な範囲に制御し、Crone-Renkin方程式を用いてBBB透過性を正確に計算することができました。実験結果は、ジアゼパム、フルニトラゼパム（flunitrazepam）、およびパルミチン酸（palmitate）のBBB透過性がそれぞれ0.81-0.93 ml/s/g、0.14 ml/s/g、2.8 ml/s/gであることを示しました。

3. 薬物脂溶性とBBB透過性の関係

研究では125種類の溶質のBBB透過性を分析し、そのうち78種類の溶質は顕著な能動的外輸送を示しませんでした。研究結果は、BBB透過性が薬物の脂溶性（log Poct）と線形関係にあることを示し、10桁にわたる範囲でこの関係が確認されました。特にジアゼパム、エストラジオール（estradiol）、およびテストステロン（testosterone）などの薬物のBBB透過性は、従来の研究結果を大幅に上回りました。

結論と意義

1. 科学的価値

本研究は、改良された実験手法を用いて高脂溶性薬物のBBB透過性を測定することに成功し、従来の方法では測定が困難だった高透過性薬物の測定における空白を埋めました。研究結果は、BBB透過性と薬物脂溶性の間に顕著な線形関係があることを示し、将来のCNS薬物のスクリーニングと設計に重要な理論的基盤を提供します。

2. 応用価値

この研究は、特に高脂溶性薬物のBBB透過性評価において、新しい実験手法を提供しました。血流速度を向上させ、血漿タンパク質を添加することで、研究者は薬物のBBB透過性をより正確に測定し、薬物の脳内分布と効果を最適化することが可能になりました。

3. 研究のハイライト

• 革新的な実験手法：血流速度の向上と血漿タンパク質の添加により、研究者はBBB透過性の測定範囲を拡大することに成功しました。
• 高精度なデータ：研究は高脂溶性薬物のBBB透過性データを提供し、特にジアゼパムなどの薬物の透過性が従来の研究結果を大幅に上回ることを示しました。
• 広範な応用可能性：この研究はCNS薬物のスクリーニングと設計に新しい実験手法と理論的サポートを提供し、広範な応用が期待されます。

その他の価値ある情報

研究では、BBB透過性が薬物の脂溶性だけでなく、分子量（MW）にも影響を受けることが明らかになりました。多元線形回帰分析により、log Poctとlog MWがBBB透過性に顕著な影響を与えることが示され、薬物がBBBを通過する複雑なメカニズムがさらに明らかになりました。

本研究は、革新的な実験手法と詳細なデータ分析を通じて、BBB透過性の測定に新しい視点と方法を提供し、重要な科学的および応用的価値を持っています。