Ao encontro das regras para a permeação Passiva através da Barreira Hemato-Encefálica

Um dos maiores factores de atrito no desenvolvimento de drogas direcionadas para o cérebro é a sua ineficaz permeação através da barreira hemato-hencefálica (BBB), com efeitos negativos em milhões de pessoas na Europa [1]. A maioria dos xenobióticos não são reconhecidos por transportadores activos sendo a permeação passiva a via mais relevante, senão a única, para a sua permeação através da BBB em condições não disruptivas [2]. O estabelecimento de Relações Quantitativas Propriedade-Estrutura (QSPRs) para a permeação passiva tem assim um elevado impacto nos passos iniciais do desenvolvimento de drogas pois permite a seleção de drogas com uma melhor eficácia in vivo.
O paradigma actual para a permeação através de biomembranas, baseado na regra de Overton, não permite uma descrição quantitativa e tem uma limitada capacidade predictiva [3]. Estas limitações resultam de previsores incorrectos para a associação dos solutos com as biomembranas, e difusão através das mesmas, e do pouco conhecimento sobre a especificidade de proteinas de efluxo como a P-glicoprotein (P-gp). A ausência de QSPRs tem por base o facto da permeação ser o resultado de vários passos (partição, difusão e efluxo), cada uma dependente de differentes propriedades estruturais do soluto. Ao contrário das abordagens actuais, neste projecto vamos estabelecer QSPRs para cada um dos passos relevantes no processo de permeação. Cada passo depende de parâmetros estruturais bem definidos e boas correlações são antecipadas (resultados preliminares nos anexos). A ligação a componentes do sangue tem um papel significativo da permeação observada [4] e será também avaliada neste projecto. A permeação global será calculada a partir dos parâmetros de cada passo utilizando modelos mecanísticos [4].
Este projecto inclui estudos computacionais, bem como estudos experimentais utilizando sistemas modelo (lipossomas com uma composição lipídica representativa das membranas endoteliais) e um sistema inovador baseado em engenharia de tecidos que mimetiza a BBB. Os sistemas modelo representam uma grande melhoria quando comparados com as metodologias usualmente considerados, onde a velocidade de permeação passiva é prevista a partir da partição do soluto para fluidos homogéneos não-polares [2]. O uso de lipossomas permite o foco nas vias passivas, mantendo as propriedades estruturais, electrostáticas e dinâmicas da barreira natural.
As informações disponíveis na literatura para os parâmetros relevantes na permeação de pequenas moléculas através de bicamadas lipídicas (partição, inserção/dessorção e translocação) e associação com os componentes sanguíneos serão recolhidos, para construir uma base de dados manualmente verificada (Tarefa 1). Este conjunto de dados será complementado com novos resultados experimentais e com simulações de Dinâmica Molecular (MD) quando a informação disponível para uma determinada classe de compostos não for considerada suficiente (Tarefa 2). Técnicas frequentemente aplicadas para seleção e redução dimensional [5] serão aplicadas para determinar os parâmetros mais importantes para cada passo no processo de permeação. Estes parâmetros serão utilizados para obter QSPRs.
QSPRs serão também desenvolvidas para a actividade intrínseca da P-gp. Isto será conseguido através da análise do efeito do P-gp na velocidade global de permeação da droga através de lipossomas incluindo P-gp reconstituída. As diferentes vias para a permeação (passiva e efluxo pela P-gp) serão incluídas num modelo mecanístico [4], permitindo a avaliação quantitativa da actividade da P-gp. As propriedades moleculares determinantes para a interação de drogas com a P-gp serão verificadas experimentalmente e através de simulações de DM. (Tarefas 3 e 4)
Será desenvolvida uma aplicação computacional (Tarefa 5) para prever a capacidade das drogas para permear passivamente através endotélios “tight”, com base na estrutura do soluto e nas QSPRs identificados para cada passo. O valor preditivo desta aplicação será testado e validado usando uma monocamada confluente de células endoteliais humanas cultivadas em condições que permitam desenvolver todas as características do sistema in vivo, incluindo o glicocálice (Tarefa 6).
Os resultados deste estudo irão ter um impacto substancial em farmacologia e química medicinal e assim, em terapêutica e saúde pública. O conhecimento integrado aqui obtido irá permitir um desenvolvimento racional de drogas direccionadas para o cérebro assim como uma redução dos efeitos secundários associados ao tratamento de doenças não cerebrais.

1. Gustavsson, A., ... and J. Olesen, (2011), "Cost of disorders of the brain in Europe 2010", Eur. Neuropsychopharmacol., 21, 718
2. Smith, D., P. Artursson, A. Avdeef, L. Di, G. F. Ecker, B. Faller, J. B. Houston, M. Kansy, E. H. Kerns, S. D. Kramer, H. Lennernas, H. van de Waterbeemd, K. Sugano and B. Testa, (2014), "Passive Lipoidal Diffusion and Carrier-Mediated Cell Uptake Are Both Important Mechanisms of Membrane Permeation in Drug Disposition", Molecular Pharmaceutics, 11, 1727
3. Gleeson, M. P., A. Hersey and S. Hannongbua, (2011), "In-Silico ADME Models: A General Assessment of their Utility in Drug Discovery Applications", Current Topics in Medicinal Chemistry, 11, 358
4. Filipe, H. A. L., A. Salvador, J. M. Silvestre, W. L. C. Vaz and M. J. Moreno, (2014), "Beyond Overton's Rule: Quantitative Modeling of Passive Permeation through Tight Cell Monolayers", Molecular Pharmaceutics, 11, 3696
5. Mensch, J., J. Oyarzabal, C. Mackie and P. Augustijns, (2009), "In vivo, in vitro and in silico methods for small molecule transfer across the BBB", J. Pharm. Sci., 98, 4429