Lipid-nanoformuleringer af botaniske indholdsstoffer i væskefyldte hårde kapsler (LFHC) som en strategi til levering af lipofile molekyler til centralnervesystemet: En kritisk gennemgang af farmakokinetiske principper, transportmekanismer over blod-hjerne-barrieren og implikationer for nootropisk støtte af det katekolaminerge system
Abstract
Blod-hjerne-barrieren (BBB) repræsenterer en afgørende hindring i behandlingen af sygdomme i centralnervesystemet (CNS), da den regulerer indstrømningen af stoffer til hjernen og opretholder CNS-homøostase, hvorved mange forbindelser oplever begrænset passage herigennem.[1–3] I praksis begrænser BBB den cerebrale eksponering for adskillige fytokemikalier, blandt andet på grund af tight junction-selektivitet, hurtig metabolisme, lav opløselighed og transportør-efflux, hvilket reducerer den kliniske translation og retfærdiggør "muliggørende" strategier baseret på lipid-nanobærere.[4, 5] Samtidig lider mange fytokemikalier under en ugunstig farmakokinetisk profil, og nanobærere beskrives som vehikler, der øger biotilgængelighed, stabilitet og levering, hvilket tjener som et udgangspunkt for design af orale systemer, der stabiliserer og opløser et lipofilt payload.[6] Formålet med denne gennemgang er en kritisk syntese af data, der indikerer, at lipid-nanoformer (nanoemulsioner, SEDDS/SNEDDS, SLN/NLC, liposomer og phospholipidkomplekser) kan øge den systemiske og/eller cerebrale eksponering for botaniske indholdsstoffer, samt at påpege, hvor evidensen forbliver indirekte (øgning i plasma-AUC) snarere end direkte (måling af koncentrationen i hjernen eller i BBB-modeller).[7–9] Specifikt diskuteres teknologien bag væskefyldte hårde kapsler (LFHC) som en platform til administration af olie–surfaktant–co-surfaktant-blandinger (SEDDS), som er stabile blandinger, der kan administreres i bløde eller hårde gelatinekapsler, sammen med data om selv-nanoemulgerende granuler i hårde kapsler, der øger frigivelsen og permeationen af et lipofilt lægemiddel i tarmmodeller.[10, 11] Gennemgangen sammenstiller kvantitative eksempler på øget biotilgængelighed (f.eks. curcuminoid-nanoemulsion: total curcuminoid-biotilgængelighed 46% vs 8.7% i dispersion; eller oral curcumin-NLC: 11.93-fold øgning i hjerne-AUC) og eksempler på øget permeabilitet i BBB-modeller (f.eks. 1.8-fold øgning i permeabiliteten af ApoE-funktionaliseret resveratrol-SLN på tværs af hCMEC/D3-monolag).[12–14] I den neurofarmakologiske sektion fremhæves "katekolamin-paradokset": katekolaminer krydser typisk ikke den modne BBB (uden for de periventrikulære områder), så den "katekolamin-homøostase", der opnås med orale botaniske stoffer, er indirekte (modulation af signalering, enzymer, neurotrofi) snarere end via direkte levering af dopamin eller norepinephrine til hjernen.[15] Konklusionerne indikerer, at de mest veletablerede resultater er: (i) forbedret systemisk eksponering efter lipidformuleringer, (ii) tilstedeværelsen af præklinisk evidens for øget hjerneeksponering for udvalgte forbindelser (curcumin, α-asarone, andrographolide, Ginkgo TTL) og (iii) nødvendigheden af forsigtig ekstrapolering til nootropiske produkter, da nogle data relaterer sig til intravenøs administration eller in vitro-modeller, ikke oral LFHC i den humane population.[13, 16–18]
Keywords
Denne gennemgang fokuserer på blod-hjerne-barrieren, nanoemulsioner, SEDDS/SNEDDS, faste lipidnanopartikler (SLN/NLC), væskefyldte hårde kapsler og botaniske forbindelser med begrænset biotilgængelighed og hjerneadgang.[4, 7, 9, 19]
1. Introduktion
Den største hindring i behandlingen af CNS-sygdomme er lægemidlers passage over BBB, som i egenskab af en fysisk barriere regulerer indstrømningen af stoffer og sikrer CNS-homøostase.[1, 2] I relation til fytokemikalier er problemet dobbelt: begrænset systemisk tilgængelighed og begrænset eksponering i hjernen, da BBB "i praksis" begrænser de fleste native fytokemikalier på grund af tight junction-selektivitet, hurtig metabolisme, lav opløselighed og transportør-efflux.[4] Oversigtslitteraturen understreger, at de unikke egenskaber ved BBB i væsentlig grad begrænser fytokemikaliers adgang til målvævet og dermed begrænser den kliniske translation, hvilket giver en direkte begrundelse for nanoleveringsplatforme, der muliggør "optimering" af leveringen af uigennemtrængelige forbindelser til hjernen.[5]
En fællesnævner for mange botaniske stoffer er en ugunstig farmakokinetisk profil, der begrænser den farmakologiske aktivitet, og nanoteknologi angives som et værktøj til at forbedre levering, biotilgængelighed, biokompatibilitet og stabilitet af fytokemikalier.[6] Samtidig beskriver nanomedicinske oversigtsartikler inden for neurologi lipidbærere som en tilgang rettet mod at krydse BBB for at forbedre behandlingen af neurologiske tilstande og minimere toksicitet på en biomimetisk måde, herunder for forbindelser af naturlig oprindelse såsom resveratrol eller curcumin.[20]
I denne sammenhæng er lipidplatforme, der efter oral administration holder payloaden i en opløst tilstand og danner mikro-/nanoemulsioner i det gastrointestinale miljø, særligt attraktive, da SEDDS holder lægemidlet i opløst form, letter dannelsen af stabile emulsioner på målstedet og øger absorptionen.[8] Det er også vigtigt, at SEDDS beskrives som blandinger af olie, surfactant og co-surfactant med et opløst aktivt stof, som er fysisk stabile og kan administreres oralt i bløde eller hårde gelatinekapsler, hvilket giver en direkte forudsætning for konceptet LFHC som en doseringsform til flydende lipidblandinger i kosttilskuds- og farmaceutisk praksis.[10]
2. Blod-hjerne-barrieren
BBB beskrives som en fysisk barriere, der regulerer indtrængningen af stoffer i hjernen og sikrer CNS-homøostase, hvilket gør levering af terapier til CNS særligt vanskelig.[1, 2] I forbindelse med fytokemikalier angiver oversigtsartikler udtrykkeligt, at BBB begrænser de fleste naturlige plantemolekyler via tight junction-selektivitet, hurtig metabolisme, lav opløselighed og transporter-efflux, hvilket er en sammenfattende beskrivelse af de primære barrierer på niveau med det cerebrale endotel og det perivaskulære miljø.[4]
Eksperimentel evidens indikerer, at barrierens integritet er dynamisk og kan svækkes eller styrkes afhængigt af inflammation og endogene faktorer, idet cortistatin-mangel prædisponerer for endotelsvækkelse med øget permeabilitet og nedbrydning af tight junctions til følge, mens administration af cortistatin reverserer hyperpermeabilitet og reducerer BBB-lækage in vivo i en LPS-model.[21] Fra et mekanistisk perspektiv er det også vigtigt, at skadelige påvirkninger i en human BBB-skadesmodel (in vitro-co-kultur) øger den "labile jernpulje" (LIP) og forstyrrer stressveje (HIF2α), og at en jernchelator (Desferal, DFO) redder endoteloverlevelse, hvilket tolkes som et signal om, at metaboliske stressveje er koblet med barrierens integritet og kan bidrage med en yderligere dimension i designet af interventioner, der understøtter stabil hjerneeksponering.[22]
Catecholamin-paradokset
En vigtig begrænsning for løftet om "catecholamin-homøostase" er det faktum, at catecholaminer generelt ikke er i stand til at trænge ind i den modne BBB og opnå adgang til hjernen, med undtagelse af periventrikulære områder, hvor BBB mangler eller er defekt.[15] I en rottemodel blev det også vist, at BBB i forskellige hjerneregioner dannes sekventielt efter fødslen, med tidlig dannelse af fysiske og ionbegrænsende elementer og senere udvikling af enzymatiske elementer, hvilket understreger, at permeabiliteten for catecholamin-lignende molekyler ikke kun er en funktion af molekylets egenskaber, men også af barrierens tilstand/stadie.[15]
På den anden side kan dopamin i sig selv modulere barriereegenskaberne, idet dopamin og agonisten A68930 under oxidative stressforhold (H2O2) reducerer monolags-hyperpermeabilitet, beskytter tight junction-integritet og organiseringen af aktincytoskelettet, og den beskyttende mekanisme er knyttet til hæmning af NLRP3-inflammasomet, ikke direkte ROS-hæmning.[23]
Følgelig er det i en nootropisk kontekst fornuftigt at skelne mellem: (i) direkte tilførsel af catecholaminer til CNS (normalt ineffektivt via BBB) og (ii) indirekte modulering af CNS-miljøet og endotelet, hvilket kan påvirke neuroinflammatorisk og neurotrofisk "homøostase" i hjernen.[15, 23]
Farmakologisk modulering af permeabilitet
Der findes også strategier til åbning af BBB, såsom NEO100, som i studier reversibelt og non-toksisk åbner BBB in vitro og in vivo og øger indtrængningen af mange terapier i hjernen, hvor der mekanistisk observeres en effekt på forskellige BBB-transportveje og translokation af tight junction-proteiner fra membranen til cytoplasmaet i hjernens endotelceller.[24]
Ud fra et perspektiv om botaniske formuleringer er en sådan strategi imidlertid kvalitativt forskellig fra tilgange baseret på solubilisering og øgning af systemisk eksponering, og dens anvendelse inden for kosttilskud ville kræve en streng sikkerhedsvurdering og en fordel-risiko-afvejning som følge af midlertidige stigninger i BBB-permeabilitet.[24]
3. Farmakokinetiske udfordringer ved lipofile fytokemikalier
Fytokemikalier udviser ofte begrænset klinisk translation inden for neurologi, fordi BBB begrænser deres adgang til målvævet, og litteraturen fremhæver, at polariteten og den "store størrelse" af mange fytokemikalier hindrer passage over den selektive blod-hjerne-barriere.[5, 25] Derudover stopper begrænsningerne ikke ved BBB: reviews indikerer, at fytokemikalier lider under en svag farmakokinetisk profil, der begrænser deres farmakologiske aktivitet, og forbedring af biotilgængelighed og stabilitet er ofte en nødvendig forudsætning for at opnå målbare biologiske effekter.[6]
Curcumin er et eksempel på et stof med ønskværdige egenskaber (herunder antioxidant og antiinflammatorisk aktivitet), men samtidigt lav oral biotilgængelighed på grund af ustabilitet ved fysiologisk pH, lav vandopløselighed og hurtig metabolisering, hvilket motiverer udviklingen af formuleringer, der forbedrer eksponeringen.[26] På samme måde har resveratrol formuleringsmæssige begrænsninger, fordi det udviser dårlig vandopløselighed og kemisk ustabilitet (nedbrydning ved isomerisering som reaktion på temperatur, pH, UV eller enzymer), hvilket resulterer i lav biotilgængelighed og begrænsede biologiske fordele.[27]
Det er værd at bemærke, at selv når en formel øger plasmaeksponeringen, kan fortolkningen af biotilgængelighed kompliceres af analytiske problemer, da et review om curcumin indikerer, at "niveauer af fri, bioaktiv curcumin i plasma ikke bestemmes," på trods af eksistensen af mange nano-/lipidformuleringer, hvilket begrænser undersøgelsers sammenlignelighed og deres translation til "reel" eksponering for den aktive form.[28]
4. Lipidleveringssystemer
Lipidnanobærere udvikles til at forbedre lægemiddellevering over BBB samt øge biotilgængelighed og målretningsspecificitet, og oversigtsartikler fremhæver anvendelsen af lipidbærere ladet med naturligt afledte forbindelser til at forbedre levering til hjernen og det terapeutiske potentiale ved neurologiske lidelser.[3, 20] Samtidig indikerer litteraturen, at indkapsling af fytokemikalier i lipidnanobærere forbedrer den fysiologiske stabilitet, fremmer BBB-passage og øger akkumuleringen i hjernevæv sammenlignet med den frie form, hvilket udgør en generel præmis for "lipofil indkapsling af botaniske indholdsstoffer."[25, 29]
Klasser af lipidsystemer
SEDDS defineres som blandinger af olier, surfaktanter og co-surfaktanter, der ved fortynding med vand danner mikro- eller nanoemulsioner, som er i stand til at bære store mængder lipofile lægemidler, og deres formål omfatter at begrænse udfældning på absorptionsstedet, øge permeation over absorptive membraner samt forbedre stabiliteten af labile molekyler over for enzymatisk aktivitet.[30] SNEDDS beskrives som systemer bestående af lipider, surfaktanter og co-solventer, der spontant danner nanoemulsioner ved blanding med vand, kan udformes som flydende eller faste former og forbedrer absorptionen gennem mekanismer såsom at øge grænsefladearealet, beskytte mod nedbrydning og lette lymfatisk transport.[31] Oversigtsartikler fremhæver, at gavnlige egenskaber ved SNEDDS omfatter forbedret opløselighed, opløsningshastighed og permeabilitet, reduceret metabolisme i tarmvæggen, reduceret P-gp-efflux og omgåelse af first-pass-effekten ved at stimulere lymfatisk transport.[32]
Lipidnanopartikler (herunder SLN og NLC) beskrives som en af de effektive tilgange til at "omgå" BBB og forbedre biotilgængeligheden i hjernen, hvor SLN og NLC undersøges særligt intenst i forbindelse med levering til hjernen.[9] I tilfældet med resveratrol angives det, at "nanoteknologiens rolle" inden for neurologi udspringer af behovet for at maskere lægemidlers fysisk-kemiske egenskaber for at forlænge deres halveringstid og muliggøre krydsning af BBB, og resveratrol indkapsles ofte i blandt andet liposomer og lipidnanopartikler.[27]
For nanoemulsioner argumenteres der for, at dråber i nanoskala forbedrer tarm- og BBB-permeabilitet, hvilket fører til øget lægemiddelpermeation i det systemiske kredsløb og hjernen, og det typiske dråbestørrelsesinterval for nanoemulsioner angives til 50–500 nm i en oversigtsartikel om kolloide leveringssystemer til lipofile bioaktive stoffer.[7, 33]
Tabellen nedenfor sammenfatter udvalgte klasser af lipidbaserede lægemiddelleveringssystemer i forhold til definition af sammensætning, typiske partikel-/dråbestørrelser i tilgængelige data og eksemplariske anvendelser relateret til forbedring af systemisk eksponering eller eksponering i hjernen.
| Klasse af LBDDS | Sammensætning og adfærd ved fortynding | Eksempel på størrelse | Eksempel på anvendelsesformål |
|---|---|---|---|
| Nanoemulsion | Dråber i nanoskala har til formål at forbedre tarm- og BBB-permeabilitet samt øge eksponeringen i kredsløbet og hjernen.[7] | 50–500 nm i sammenhæng med kolloide nanoemulsionssystemer til lipofile stoffer (generelt interval).[33] | Øget biotilgængelighed og stabilitet af lipofile bioaktive stoffer (f.eks. D3) og forbedret systemisk eksponering.[33] |
| SEDDS | Isotrope blandinger af olie, surfaktant og co-surfaktant, der danner mikro-/nanoemulsioner ved fortynding med vand; formål omfatter at begrænse udfældning, forbedre permeation og stabilitet over for enzymer.[30] | Ikke numerisk angivet i de citerede definitioner; slutresultatet er en mikro-/nanoemulsion ved fortynding.[30] | Opretholdelse af lægemidlet i en opløst tilstand i GI-væsker og dannelse af en stabil emulsion, der øger absorptionen, samt anvendelser ved neurologiske lidelser (argument for evnen til at krydse BBB).[8] |
| SNEDDS | Sammensætning: lipider, surfaktanter, co-solventer; spontan dannelse af nanoemulsion i vand; flydende eller fast form; mekanismer omfatter blandt andet at lette lymfatisk transport og beskytte mod nedbrydning.[31] | Intet tal i definitionen; data for SNEG (SNEDDS-granulat) tyder på nanodråber på ca. 85 nm som et eksempel på en operationel formulering.[11] | Forbedret oral biotilgængelighed via multifaktorielle mekanismer (f.eks. reduceret P-gp-efflux og omgåelse af first-pass-metabolisme via lymfatisk absorption).[34] |
| SLN/NLC | Beskrevet som en effektiv tilgang til at forbedre biotilgængeligheden i hjernen by at muliggøre BBB-passage; SLN og NLC undersøges intenst inden for levering til hjernen.[9] | Eksempel på curcumin-NLC: partikelstørrelse 165.9 nm i en optimeret formulering.[35] | Øget systemisk eksponering og/eller eksponering i hjernen samt forbedret PK-profil; f.eks. rapporteres der for curcumin om forbedret evne til at krydse BBB og øget AUC i hjernen i forhold til suspension.[13] |
| Phospholipid-kompleks og phytosom | Phospholipid-polyphenol-komplekser har til formål at lette overgangen fra et hydrofilt miljø til cellemembranens lipidmiljø og øge blodkoncentrationerne; en 2–6× stigning i polyphenol-blodniveauer rapporteres i sammenligninger af biotilgængelighed.[36, 37] | Ingen partikelstørrelse i de citerede beskrivelser; dette er et molekylært kompleks, ikke en emulsion.[36] | Signifikant stigning i absorption (f.eks. 29× for Meriva sammenlignet med uformuleret blanding) med en samtidig observation af, at der primært detekteres Phase II-metabolitter, og koncentrationerne kan forblive under de niveauer, der kræves for mange in vitro-antiinflammatoriske mål.[38] |
Mekanismer til øgning af systemisk eksponering
Øget systemisk eksponering er en vigtig "flaskehals" før en eventuel passage til hjernen, og en oversigtsartikel om nanoindkapsling af neuroprotektive forbindelser indikerer, at gastrointestinal absorption kan hæmme optagelsen af frie og nanoindkapslede forbindelser i blodet, hvilket som konsekvens begrænser koncentrationen i hjernen.[2] I denne forstand er lymfatiske absorptionsmekanismer særligt vigtige for lipofile forbindelser, da lymfatisk transport beskrives som en parallel absorptionsvej for lipider og et stigende antal lipofile lægemidler, hvor molekylerne ved absorption kan associere med enterocyt-lipoproteiner og secerneres til det lymfatiske kredsløb i stedet for portårekredsløbet, hvorved den metabolisk aktive lever omgås og first-pass-effekten reduceres.[39] For meget lipofile forbindelser, såsom CBD, angives det, at omdirigering til det lymfatiske kredsløb ved binding til chylomikroner (i nærvær af langkædede triglycerider eller fedtsyrer) kan reducere first-pass-metabolisme, øge biotilgængeligheden og mindske variabiliteten i eksponeringen.[40]
Mekanistisk set spiller lipidfordøjelse og dannelse af blandede miceller også en rolle i nanoemulsioner, da triglycerider i tyndtarmen hydrolyseres til frie fedtsyrer og monoacylglyceroler, som sammen med galdesalte og phospholipider danner blandede miceller, hvilket muliggør migration af lipofile forbindelser ind i micellernes hydrofobe kerne samt penetration af slimbarrieren, hvor absorption sker via endocytose eller passiv diffusion.[41]
I samme tråd understreges det, at ufordøjelige olier (f.eks. duftolier/æteriske olier, mineralolie) ikke nedbrydes af lipase, hvilket hæmmer dannelsen af blandede miceller og "fanger" lipofile stoffer i oliedråber, hvilket reducerer biotilgængeligheden.[41] Desuden angives det, at langkædede triglycerider i fordøjelige olier er more tilbøjelige til at danne blandede miceller end MCTs, hvilket er relevant, når man vælger oliefasen ved design af lipidformuleringer med henblik på maksimal absorption.[41]
5. Væskefyldte hårde kapsler
SEDDS beskrives som letfremstillelige, fysisk stabile blandinger af olie, surfactant og co-surfactant, der administreres oralt i bløde eller hårde gelatinekapsler, hvilket giver en direkte forudsætning for at overveje LFHC-former som bærere af flydende lipidblandinger i enkeltdoser.[10] Oversigtsartikler indikerer også, at lipidformuleringer i kapsler forbedrer opløseligheden og opløsningshastigheden af svært opløselige lægemidler signifikant sammenlignet med ikke-lipidformuleringer, og absorptionssucces afhænger af partikelstørrelse, emulgering, dispersionshastighed og lægemiddeludfældning efter dispersion, hvilket direkte kan overføres til designet af flydende kapselfyld og deres adfærd ved frigivelse i mave-tarm-kanalen.[42]
Et studie af selv-nanoemulgerende granulater (SNEGs) fyldt i hårde gelatinekapsler viste, at en sådan form (indkapslede SNEGs) gav en 2- til 3-gange større frigivelse af et lipofilt molekyle (cilostazol) sammenlignet med en konventionel tablet og det rene lægemiddelstof, hvilket illustrerer potentialet ved at ”indkapsle” selv-nanoemulgerende systemer for at forbedre frigivelsen.[11] Samme kilde bemærkede, at mængden af lægemiddel, der permeerede fra SNEGs, var dobbelt så stor som fra en tabletsuspension i en ex vivo (non-everted sac) rottetarmsmodel, hvilket understøtter tesen om, at LFHC/indkapslede systemer kan forbedre absorptionstrinnet, selv før der tages højde for målrettet BBB-permeation.[11]
6. Evidens for udvalgte botaniske ingredienser
Curcumin
I et rottestudie opnåede en curcuminoid-nanoemulsion fremstillet med lecithin, Tween 80 og vand en partikelstørrelse på 12.1 nm og en indkapslingseffektivitet på 98.8%. Farmakokinetiske parametre (Tmax, Cmax og AUC) efter oral administration var højere for nanoemulsionen end for dispersionen ved samme dosis, hvilket giver en kvantitativ bekræftelse på forbedret systemisk eksponering med nanoemulsionen.[12] I samme studie var den orale biotilgængelighed for BDMC, DMC, curcumin og totale curcuminoider i nanoemulsionen versus dispersionen henholdsvis 34.39% vs 4.65%, 39.93% vs 5.49%, 47.82% vs 9.38% og 46% vs 8.7%, hvilket indikerer en flerfoldig øgning i oral biotilgængelighed ved anvendelse af nanoemulsionen.[12]
I en musemodel resulterede en oral "praktisk" curcumin-nanoemulsion (op til 20%) i en 10-foldig øgning i AUC(0–24h) og en >40-foldig øgning i Cmax sammenlignet med en curcumin-suspension i 1% methylcellulose, hvilket demonstrerer omfanget af den mulige forbedring i plasmaeksponering ved nanoemulsionsformulering.[43] I en rottemodel med olier (SNO/LSO) øgede nanoemulgering transporten i tarmsække med 79% (SNO) og 437% (LSO) i forhold til ikke-emulgeret administration. Derudover blev det rapporteret, at en "lille mængde" curcumin blev observeret i hjernen og hjertet efter nanocurcumin, hvilket giver et begrænset, men direkte signal om vævseksponering i CNS efter en lipidstrategi.[44]
Yderligere kvantitativ evidens for øget hjerneeksponering stammer fra arbejde med NLCs, idet nanostrukturerede lipidbærere af curcumin efter intragastrisk administration gav en højere Cmax i plasma (564.94 ± 14.98 ng/mL vs 279.43 ± 7.21 ng/mL), en kortere Tmax (0.5 ± 0.01 h vs 1.0 ± 0.12 h) og højere AUC0–∞ (820.36 ± 25.11 mg×h/L vs 344.11 ± 10.01 mg×h/L) sammenlignet med en suspension, hvilket indikerer forbedret systemisk eksponering.[13] Det samme materiale konstaterede direkte, at NLC-formuleringen forbedrede curcumins evne til at passere BBB, med en 11.93-foldig øgning i hjernens AUC sammenlignet med en suspension, hvilket er et af de mest direkte argumenter for lipidnanobærere til CNS-eksponering via den orale rute (dyremodel).[13]
Yderligere data indikerer, at overflademodifikation af SLN (kvaterniseret chitosan, TMC-SLCN) gav kontrolleret frigivelse i simulerede tarmvæsker og en "signifikant højere" oral biotilgængelighed og hjernefordeling af curcumin sammenlignet med frit curcumin, chitosan og ucoatede SLCNs, hvilket forbinder stabilitet, frigivelse og CNS-distributionsmekanismer i et enkelt præklinisk resultat.[45] I en zebrafiskmodel resulterede en curcumin-mikroemulsion i gurkemejeolie, designet "målrettet mod hjernen", i en 2-foldig forbedring i plasma-PK og en 1.87-foldig forbedring i hjerne-PK, sammen med forbedret rumlig hukommelse og reduceret oxidativt stress, hvilket tyder på, at forbedret hjerneeksponering via et lipidsystem kan være forbundet med målbare funktionelle effekter i en neurodegenerationsmodel.[46]
I kliniske data (mennesker) kan lipid-curcuminformuleringer give hurtig og målbar absorption, idet et CRM-LF studie rapporterede en Tlag på ca. 0.18 h (12 min), Tmax på 0.60 ± 0.05 h, Cmax på 183.35 ± 37.54 ng/mL og AUC0–∞ på 321.12 ± 25.55 ng·h/mL ved en dosis på 750 mg, hvilket indikerer en hurtig absorptionsfase og betydelig systemisk eksponering (uden CNS-måling).[47] Et AQUATURM®-studie viste en >7-foldig øgning i AUC0–12h og opretholdt detekterbare curcuminniveauer i fulde 12 timer (hvorimod sammenligningspræparatet faldt til under detektionsgrænsen efter 4 timer hos de fleste deltagere), hvilket er klinisk evidens for muligheden for forlænget systemisk eksponering med formuleringen (selvom der her er tale om en "vandopløselig" formulering og ikke en klassisk lipidnanoemulsion).[48]
Phospholipidformuleringer (phytosomer) repræsenterer et distinkt paradigme, idet et humant crossover-studie viste, at Meriva (en lecithinformulering af en curcuminoidblanding) resulterede i en ~29-foldig højere total curcuminoidabsorption end en uformuleret blanding. Dog var kun fase II-metabolitter detekterbare, og plasmakoncentrationerne var stadig markant lavere end de koncentrationer, der kræves for at hæmme de fleste af curcumins antiinflammatoriske mål, hvilket begrænser overfortolkning af en "flerfoldig øgning i biotilgængelighed" som en automatisk forbedring af CNS-effekten.[38]
Resveratrol
Resveratrol kræver formuleringsstrategier, fordi dets dårlige opløselighed og kemiske ustabilitet begrænser dets biotilgængelighed og biologiske fordele. Oversigtsartikler indikerer en tendens til indkapsling og hjernemålretning af resveratrol og retfærdiggør nanoteknologiens rolle i at muliggøre passage af BBB ved at maskere fysikokemiske egenskaber og forlænge halveringstiden.[27] I en in vitro-BBB-model øgede funktionalisering af SLNs med apolipoprotein E permeabiliteten gennem hCMEC/D3-monolag, med 1.8-foldig højere permeabilitet for SLN-ApoE sammenlignet med ufunktionaliserede, hvilket giver direkte bevis på forbedret transport over BBB-modellen via "ligandkobling" af lipidnanobæreren.[14]
I in vivo-studier understøttede SLNs med resveratrol i en rottemodel med Alzheimers-lignende karakteristika hypotesen om forbedret "neural målretning", idet SLN/resveratrol øgede HSP70-ekspressionen fire gange og mindskede IL-1β, og adfærdstest viste forbedret passiv undgåelseshukommelse i modellen, hvilket tyder på, at lipidbæreren kan forstærke resveratrols funktionelle effekt i CNS (selvom det citerede afsnit ikke i sig selv rapporterer direkte hjernekoncentrationer).[49] I en anden model (Aβ1–42 i.c.v.) gjorde lipid-kerne-nanokapsler det muligt for resveratrol at "redde" de skadelige effekter af Aβ1–42, og forfatterne forbinder dette med en "robust øgning" i hjernens vævskoncentration af resveratrol opnået med nanokapsler, hvilket repræsenterer en fortolkning af virkningsmekanismen baseret på hjerneeksponering.[50]
Mere målrettede liposomale strategier rapporterer om samtidige "transportmæssige" og "neurotrofe" effekter, idet et resveratrol-liposom med en ANG-ligand i celleeksperimenter øgede resveratrols evne til at passere BBB og det neuronale optag, og i en ældende musemodel forbedrede det den kognitive funktion ved at reducere oxidativt stress og inflammation i hjernen samt øge BDNF.[51] Sådanne data kombinerer således i en enkelt intervention: (i) teknologisk forbedring af BBB-passage, (ii) forbedring af biomarkører for inflammation/oxidativt stress og (iii) øgning af en neurotrof faktor, hvilket er væsentligt for narrativet om "neurogenese" og plasticitet, selvom evidensen stammer fra en dyremodel og en specifik liposomal platform, ikke fra oral LFHC.[51]
Bacopa monnieri
I tilfældet med Bacopa monnieri påpeges det, at bacosid A har lav vandopløselighed og en "BBB-begrænsning", hvilket begrænser dets biotilgængelighed og kliniske effekt ved neurodegenerative sygdomme, hvilket giver et rationale for bærerstrategier såsom niosomer.[52] Et studie af en niosomal formulering af en bacosid A-rig fraktion (Fort-BAF) inkluderede en in vivo-vurdering af de prokognitive egenskaber sammenlignet med fraktionen, og forfatterne konkluderer, at niosomer signifikant kan forbedre stabiliteten og biotilgængeligheden af Fort-BAF, hvilket tyder på, at vesikulære systemer kan understøtte CNS-målrettet levering.[52]
Inden for selvnanoemulgerende systemer blev det vist, at der for at øge opløseligheden og biotilgængeligheden af tungtopløselige bacosider blev anvendt SNEDDS med forskellige olier/surfaktanter/co-surfaktanter, og en "ny lipofil formulering" blev evalueret for hjernepenetration og farmakokinetisk profil i rotter, hvilket direkte forbinder Bacopa med paradigmet for lipidnanosystemer til CNS-eksponering (selvom det citerede afsnit ikke indeholder PK-tal).[53] Hvad angår nootrope mekanismer, indikerer en oversigtsartikel, at Bacopa blandt andet virker ved at modulere neurotransmittersystemer, herunder noradrenalin og dopamin, hvilket giver en direkte forbindelse til narrativet om "katekolamin-homøostase", mens behovet for direkte tilførsel af katekolaminer over BBB overflødiggøres.[15, 54]
Withania somnifera
Hvad angår neurogenese, indikerer en oversigtsartikel, at prækliniske studier tyder på, at withanolider kan fremme neurogenese, beskytte mod neurodegenerative sygdomme og reducere oxidativt stress og inflammation, og at fremskridt inden for leveringsmetoder (liposomale og nanoemulsioner) forbedrer deres biotilgængelighed.[55] På cellulært niveau blev det vist, at MPEG-PCL-nanopartikler indeholdende Withania somnifera-ekstrakt (WSE) optages effektivt af U251-celler og giver større beskyttelse mod oxidativ skade (95.1%) end PCL med WSE (56.4%) og fri WSE (39.0%), hvilket understøtter hypotesen om, at indkapsling øger virkningsfuldheden under oxidative stressbetingelser (i fravær af direkte måling af BBB-passage).[56]
Ginkgo biloba
I et rottestudie blev der efter en enkelt oral administration af 600 mg/kg standardiseret ekstrakt EGb 761® påvist signifikante koncentrationer af ginkgolid A (GA), ginkgolid B (GB) og bilobalid (Bb) i plasma og CNS, hvor hjernekoncentrationerne hurtigt steg til 55 ng/g (GA), 40 ng/g (GB) og 98 ng/g (Bb), hvilket giver direkte bevis på, at udvalgte terpentrilactoner trænger ind i CNS via den orale rute i en dyremodel.[18] I en oversigtsartikel anføres det, at signifikante niveauer af TTLs og Ginkgo biloba-flavonoider krydser BBB og trænger ind i CNS hos rotter efter oral GBE-administration, hvilket understøtter observationens generelle karakter, selvom PK-parametre ikke er specificeret.[57]
Samtidig tyder in vitro-transportmodeller på eksistensen af absorptions- og effluxbegrænsninger, idet der blev observeret lav permeabilitet i den absorptive retning (Papp 0.2–0.3×10−6 cm/s) og signifikant højere flux i den sekretoriske retning (Papp 2.9–3.6×10−6 cm/s) i MDR-MDCK-modellen. Dette er i overensstemmelse med hæmning af nettoabsorptionen via effluxmekanismer og indikerer, at lipidformuleringer, der reducerer efflux eller forbedrer solubilisering, kan være nyttige i denne sammenhæng.[32, 58] Omvendt øgede co-administration af Ginkgo biloba-ekstrakt med en blanding af sesamekstrakt og gurkemejeolie i en dyremodel koncentrationen af ginkgolid A i musehjernen sammenlignet med GBE alene, hvilket tyder på, at oliebaserede co-formuleringer kan øge hjerneeksponeringen af TTLs.[59]
α-Asarone
I dyrestudier gav lipidnanopartikler (A-LNPs) en "forlænget og vedvarende" frigivelse af α-asarone, og efter intravenøs administration blev der observeret markant højere niveauer af α-asarone i plasma og hjerneparenkymfraktioner sammenlignet med frit α-asarone, hvilket bekræfter A-LNPs' evne til at opretholde terapeutiske plasmakoncentrationer og samtidigt transportere på tværs af BBB.[16] Dette resultat er vigtigt for tesen om "stabilisering af eksponeringsprofilen", men det bør understreges, at det stammer fra intravenøs administration og dermed ikke direkte beviser effektiviteten af orale LFHC'er i denne klasse af forbindelser.[16]
Andrographolide
Andrographolide beskrives som en forbindelse med lav biotilgængelighed, dårlig vandopløselighed samt høj kemisk og metabolisk ustabilitet, hvilket retfærdiggør formulering i lipidnanopartikler.[17] I in vitro-studier blev det vist, at nanopartikler forbedrede permeabiliteten af andrographolide sammenlignet med den frie form, og efter intravenøs administration blev fluorescerende SLNs detekteret i hjerneparenkymet uden for karbanen, hvilket bekræfter denne bærers og/eller dens lasts evne til at "overvinde BBB" i en dyremodel.[17]
Cannabidiol
I musestudier og en in vitro-BBB-model opnåede "cannabinoid-dekorerede" lipidnanokapsler (LNCs) den højeste evne til hjernemålretning for de mindste størrelser, og forbedringen af hjernemålretningen efter CBD-konjugering til LNCs overgik med seks gange den forbedring, der blev observeret for den kliniske "G-Technology"-strategi.[60] Dette resultat understreger vigtigheden af bærerstørrelse og design af overfladefunktionalisering for BBB-transport og hjernefordeling, selvom platformen er specialiseret og ikke svarer til klassiske orale SEDDS i LFHC.[60]
7. Mekanismer for øget hjernepenetration
Litteraturstudier indikerer, at nanoskala-nanoemulsionsdråber kan forbedre den intestinale permeabilitet og BBB-permeabiliteten, hvilket øger lægemiddelpermeabiliteten i det systemiske kredsløb og hjernen, hvilket tyder på en samtidig effekt på absorptions- og CNS-distributionsfaserne.[7]
Samtidig understreger oversigtsartikler, at levering af fytokemikalier via lipidnanopartikler forbedrer den fysiologiske stabilitet, fremmer passagen over BBB og øger akkumuleringen i hjernevæv, hvilket giver en generel mekanistisk ramme uafhængigt af den specifikke cargo-kemi.[29]
For BBB-målrettede systemer tyder in vitro-evidens på en rolle for transportører og ligandering, idet en nanoemulsion funktionaliseret med glucosylceramid (GlcCer) blev designet til at udnytte glukosetransportør-afhængig (GLUT) optagelse, og en 1.6-fold øgning i neuronalt optag og en 1.4-fold forbedring i endotelial transport blev kvantitativt observeret sammenlignet med ikke-målrettede kontroller.[61]
Analogt øgede funktionalisering af SLNs med apolipoprotein E resveratrol-permeabiliteten over hCMEC/D3-monolag med 1.8-fold, hvilket er i overensstemmelse med konceptet om, at overfladefunktionalisering kan forbedre den transendoteliale transport i BBB-modeller.[14]
For selv-nanoemulgerende systemer er mekanismen bag at holde lægemidlet på opløst form og dannelsen af en stabil emulsion på absorptionsstedet afgørende, da SEDDS holder lægemidlet opløst i mave-tarm-væsker og letter dannelsen af stabile emulsioner, der fremmer absorptionen, hvilket er en nødvendig forudsætning for at opnå tilstrækkelig systemisk eksponering til CNS-distribution.[8]
I relation til SNEDDS fremhæves den multimekanistiske stigning i biotilgængelighed, herunder en reduktion i intra-enterocytær metabolisme (CYP P450), en reduktion i P-gp-efflux og omgåelse af first-pass-effekten via lymfatisk absorption, hvilket udgør en logisk mekanisme til at "udjævne" den systemiske eksponeringsprofil for lipofile forbindelser.[34]
Endelig er det, ud fra et perspektiv om hjerneeksponering, vigtigt at skelne mellem "systemisk biotilgængelighed" og "hjernebiotilgængelighed", fordi selv når et lipidsystem øger plasmakoncentrationerne, begrænser BBB stadig de fleste oprindelige fytokemikalier via tight junctions og efflux, og derfor er en øgning i plasma-AUC en nødvendig, men ikke tilstrækkelig betingelse for effektiv hjerneeksponering.[2, 4]
8. Katekolaminer og neurogenese
I den nootrope fortælling præsenteres botaniske forbindelser ofte som understøttende for "katekolamin-homøostase" og neuroplasticitet, men en fundamental begrænsning er, at katekolaminer generelt ikke trænger igennem den modne BBB ud over periventrikulære regioner, hvilket nødvendiggør en forståelse af "homøostase" som en indirekte effekt i CNS (f.eks. modulering af neurotransmission, neuroinflammation, neurotrofi) snarere end som en direkte tilførsel af dopamin eller noradrenalin til hjernen efter oral indgivelse.[15]
Ud fra et perspektiv om BBB-mekanismer og oxidativt stress kan dopamin beskytte barrieren mod H2O2-induceret hyperpermeabilitet ved at bevare tight junction-integritet og cytoskelettet samt hæmme NLRP3-inflammasomet, hvilket indikerer, at katekolaminsignalering kan påvirke BBB-mikromiljøet og potentielt indirekte påvirke fordelingen af forbindelser til CNS under patologiske tilstande.[23]
Hvad angår botaniske stoffer, indikerer en gennemgang af mekanismerne bag Bacopa monnieri, at planten kan modulere neurotransmittersystemer, herunder noradrenalin og dopamin, hvilket giver en direkte forbindelse til det katekolaminerge system, selvom det ikke afklarer spørgsmålet om, i hvilket omfang disse effekter afhænger af bacosiders eller deres metabolitters BBB-penetration.[54]
Inden for neurogenese er der prækliniske data for withanolider, hvor en gennemgang indikerer, at de kan fremme neurogenese og udøve neurobeskyttende effekter, og forbedret biotilgængelighed understøttes af fremskridt inden for liposomale og nanoemulsionsformuleringer.[55]
Ydermere resulterede behandling med polydatin fra P3 til P15 i Ts65Dn-modellen (Downs syndrom) i fuldstændig genopretning af neurogenese, neuronantal og dendritudvikling, og ved behandling frem til adolescens (~P50) observeredes fuldstændig genopretning af hippocampus-afhængig hukommelse uden negative effekter på krops- og hjernevægt, hvilket giver et stærkt pro-neurogent og pro-kognitivt signal for et udvalgt polyphenol (uden direkte tilknytning til nanoformulering).[62]
Omvendt, i tilfældet med resveratrol, kombinerer et hjerne-målrettet liposomalt system (ANG-RES-LIP) en øget evne til at passere BBB og neuronalt optag med forbedret kognitiv funktion og øget BDNF i musehjernen, hvilket er i overensstemmelse med hypotesen om, at forbedret levering til CNS kan styrke neurotrofe akser, der er vigtige for plasticitet.[51]
9. Begrænsninger
Evidensen for forbedret CNS-levering ved hjælp af lipid-nanocarriere er uensartet, da mange data vedrører in vitro-modeller (f.eks. permeabilitet gennem hCMEC/D3) eller intravenøs administration, hvilket begrænser direkte ekstrapolation til orale nutraceutiske produkter i kapsler.[14, 16] Selv når der foreligger orale data med øget plasma-AUC, kan BBB stadig begrænse penetrationen via tight junctions, metabolisme og efflux, hvilket betyder, at øget systemisk eksponering ikke garanterer hjerneeksponering, og konklusioner skal drages med forsigtighed.[2, 4]
Inden for curcumin-området er tolkningsmæssige risici også tydelige, da der på trods af en 29-fold stigning i absorptionen efter phospholipid-formulering (Meriva) kun kunne påvises phase II-metabolitter, og plasmakoncentrationerne stadig var lavere end påkrævet for at hæmme mange antiinflammatoriske targets in vitro, hvilket undergraver det simple narrativ om "højere biotilgængelighed, stærkere biologisk effekt".[38] Desuden peger en oversigtsartikel om curcumin på problemet med, at niveauerne af fri, bioaktiv curcumin i plasma ikke kvantificeres, hvilket komplicerer sammenligninger mellem formuleringer (nanoemulsioner, miceller, liposomer osv.) og gør det vanskeligt at udlede, hvilken fraktion der reelt er tilgængelig for CNS-distribution.[28]
Hvad angår "bioenhancere" (f.eks. piperine), tegner litteraturen et divergerende billede: på den ene side rapporteres det, at piperine effektivt kan trænge ind i og fordele sig homogent i hjernen med hjerne-til-plasma-AUC0→∞-forhold på 0.95 (total) og 1.10 (ubundet), hvilket understøtter dets potentiale for CNS-eksponering.[63] På den anden side indikerer en oversigtsartikel, at tidligere rapporter dokumenterede dårlige PK-egenskaber for piperine, herunder BBB-permeabilitet, hvilket tyder på et behov for forsigtighed og verifikation afhængigt af dosis, formulering og analytiske metoder.[64] Desuden fremhæver en sikkerhedsvurdering af piperine risici og begrænsninger (dårlig vandopløselighed, dosisafhængig toksicitet, reproduktive og hepatiske risici samt potentielt signifikante lægemiddelinteraktioner som følge af CYP3A4- og P-gp-hæmning), hvilket er særligt relevant, når man overvejer dets anvendelse i "smarte" nootropiske formuleringer, der øger eksponeringen for flere stoffer samtidigt.[65]
Med reference til LFHC-teknologi skal det bemærkes, at den citerede evidens for SNEDDS-indkapsling vedrører SNEGs-granulater i hårde kapsler og viser øget frigivelse og permeation i tarmmodeller, som dog endnu ikke udgør evidens for øget hjerneeksponering eller klinisk forbedring af den kognitive funktion for specifikke botaniske stoffer i LFHC-form.[11]
10. Retningslinjer for fremtidig forskning
Eftersom BBB begrænser de fleste native fytokemikalier gennem tight junction-selektivitet, metabolisme, lav opløselighed og transportør-efflux, bør fremtidig forskning kombinere formuleringsudvikling med direkte målinger af hjerneeksponering og vurdering af transportmekanismer frem for udelukkende at forlade sig på øget plasma-AUC.[4] Data vedrørende GLUT-målrettede systemer (GlcCer) og ApoE- eller ligand (ANG)-funktionalisering viser, at overfladefunktionalisering kan forbedre transporten i BBB-modeller og/eller de kognitive effekter og BDNF, hvilket retfærdiggør yderligere arbejde med "ligand-målrettede" nanobærere til meget lipofile botaniske stoffer og/eller stoffer med begrænset BBB-penetration.[14, 51, 61]
Sideløbende bør LFHC-udvikling tage højde for dispersionsparametre og risikoen for udfældning efter fortynding i mave-tarm-kanalen, da succesfuld absorption fra en lipidformulering afhænger af partikler/emulgering, dispersionshastighed og udfældning, hvilket udgør et testbart sæt af kritiske kvalitetsattributter (CQA/CPP) i produktudviklingen (selvom specifikke produktionsparametre for indkapsling ikke er dækket i de citerede kilder).[42] Eftersom SNEDDS kan øge biotilgængeligheden ved at reducere P-gp-efflux og omgå first-pass-metabolisme via lymfatisk absorption, er en rationel retning at designe formuleringer, der maksimerer "lymfatisk diversion" for lipofile botaniske stoffer, analogt med diskussioner om CBD og chylomikroner, og derefter verificere, om øget systemisk eksponering omsættes til CNS-eksponering.[34, 40]
Alternative administrationsveje (f.eks. intranasal) diskuteres i relation til SEDDS, da næsehulen kan muliggøre delvist direkte levering til hjernen, hvilket omgår BBB, og samtidig undgå hepatisk first-pass-effekt, hvilket kan øge den systemiske biotilgængelighed af stærkt metaboliserede forbindelser, og kombinationen af fordelene ved SEDDS og den intranasale administrationsvej kan således øge målretningen mod hjernen samt biotilgængeligheden.[30, 66] Selvom dette er et andet paradigme end oral LFHC, kan det tjene som referencepunkt for fremtidige forskningsprogrammer inden for "kognitiv præstation", når målet er at maksimere hjerneeksponeringen og samtidig begrænse variationen i GI-absorption.[30, 66]
11. Konklusioner
Review- og præklinisk evidens understøtter tesen om, at lipid-nanobærere (nanoemulsioner, SEDDS/SNEDDS, SLN/NLC, liposomer) kan øge stabiliteten og biotilgængeligheden af fytokemikalier og fremme deres passage over BBB samt akkumulering i hjernen sammenlignet med frie former, hvilket giver en videnskabelig begrundelse for designet af "lipofil indkapsling af botaniske stoffer" i nootropika.[6, 29] Den stærkeste evidens for "eksponering i hjernen" i det præsenterede materiale inkluderer blandt andet en 11.93-fold øgning i hjerne-AUC for oral curcumin NLC, detektion af SLN uden for hjernens vaskulatur for andrographolide efter IV samt målbare koncentrationer af GA/GB/Bb i hjernen efter oralt EGb 761®, hvilket demonstrerer, at udvalgte botaniske eller naturlige lipofile forbindelser kan opnå målbar CNS-eksponering, når distributionsbarriere og PK adresseres i formuleringsdesignet og/eller valget af forbindelse.[13, 17, 18]
Teknologisk set stammer argumenterne for LFHC som en praktisk doseringsform fra det faktum, at SEDDS er blandinger, der kan administreres i bløde eller hårde gelatinekapsler, og eksempler på SNEGs i hårde kapsler viser en 2–3-fold øgning i frigivelse og en 2-fold øgning i permeabilitet i tarmmodeller, hvilket understøtter hypotesen om, at indkapslede selv-nanoemulgerende systemer kan forbedre det orale absorptionstrin for lipofile molekyler.[10, 11]
Samtidig bør "katekolamin-homøostase" formuleres med forsigtighed, da katekolaminer typisk ikke krydser den modne BBB, og de reelle virkningsmekanismer for botaniske stoffer og deres formuleringer i CNS vil derfor være indirekte (f.eks. modulation af neurotransmission eller neurotrofi, som i data for Bacopa eller BDNF efter målrettede resveratrol-liposomer), snarere end baseret på direkte levering af dopamin eller noradrenalin til hjernen.[15, 51, 54] Fremtidigt arbejde skal, for at gøre sig fortjent til betegnelsen som en "farmaceutisk" BBB-penetrationsteknologi inden for nootropika-området, kombinere:
- rigorøse PK-metoder (herunder differentiering af fri form og metabolitter),
- direkte målinger af CNS-eksponering og
- designet af lipidsystemer med udfældnings-/dispersionskontrol og potentiel ligandering, hvilket følger direkte af observationer vedrørende begrænsningerne ved bestemmelse af fri curcumin, absorptionens afhængighed af dispersion samt fordelene ved funktionalisering i BBB-modeller.[14, 28, 42]
