Hàng rào máu não và tiềm năng của công nghệ Nano trong phân phối hoạt chất

Hàng rào máu não – lá chắn sinh học bảo vệ hệ thần kinh trung ương

Não bộ cần một môi trường hóa học ổn định để các tế bào thần kinh có thể hoạt động bình thường. Trong khi đó, máu liên tục vận chuyển chất dinh dưỡng, hormone, thuốc, sản phẩm chuyển hóa và nhiều tác nhân ngoại lai đi khắp cơ thể.

Để kiểm soát sự trao đổi giữa hệ tuần hoàn và mô thần kinh, cơ thể hình thành một cấu trúc bảo vệ đặc biệt gọi là hàng rào máu não, tiếng Anh là blood–brain barrier, viết tắt là BBB.

Hàng rào máu não không phải một lớp màng đơn thuần bao quanh não. Đây là một hệ thống sinh học có tính chọn lọc cao, được hình thành chủ yếu bởi các tế bào nội mô của vi mạch não, phối hợp với màng đáy, tế bào quanh mạch, tế bào hình sao và các thành phần khác trong đơn vị thần kinh – mạch máu. [1]

Nhờ cấu trúc này, hàng rào máu não có thể:

• Hạn chế độc tố và tác nhân gây bệnh từ máu xâm nhập vào não.
• Kiểm soát sự trao đổi ion và các phân tử sinh học.
• Duy trì môi trường ổn định cho hoạt động của tế bào thần kinh.
• Cho phép một số chất dinh dưỡng thiết yếu đi qua bằng những hệ vận chuyển chuyên biệt.
• Đưa một số chất không cần thiết trở lại hệ tuần hoàn.

Hàng rào máu não vì thế vừa là cơ chế bảo vệ quan trọng của hệ thần kinh, vừa là một trong những trở ngại lớn đối với quá trình phát triển thuốc điều trị các bệnh lý ở não.

Hàng rào máu não - hàng rào sinh học bảo vệ hệ thần kinh trung ương

Cấu trúc nào tạo nên tính chọn lọc của hàng rào máu não?

Liên kết chặt giữa các tế bào nội mô

Ở nhiều cơ quan, các chất có thể di chuyển qua khoảng trống giữa những tế bào nội mô mạch máu. Tuy nhiên, tại não, các tế bào nội mô được liên kết bằng hệ thống liên kết chặt, hay tight junctions.

Những liên kết này làm giảm đáng kể khả năng các phân tử di chuyển theo đường gian bào. Do đó, nhiều chất muốn đi từ máu vào não phải xuyên qua tế bào nội mô hoặc sử dụng một hệ vận chuyển sinh học phù hợp. [1]

Hoạt động vận chuyển xuyên tế bào ở mức thấp

Một đặc điểm khác của tế bào nội mô não là mức độ vận chuyển bằng túi nội bào tương đối thấp. Protein MFSD2A được xác định là một yếu tố quan trọng giúp duy trì đặc điểm này thông qua việc hạn chế quá trình vận chuyển xuyên bào bằng các túi màng.

Các nghiên cứu trên mô hình động vật cho thấy khi MFSD2A bị thiếu hụt, số lượng túi vận chuyển trong tế bào nội mô tăng lên và tính thấm của hàng rào máu não cũng thay đổi. [2]

Hệ thống bơm đẩy hoạt chất

Hàng rào máu não còn biểu hiện nhiều protein vận chuyển có chức năng đẩy các phân tử từ tế bào nội mô trở lại máu. Trong đó, P-glycoprotein, BCRP và một số protein thuộc nhóm MRP có vai trò đáng chú ý.

Nhờ các hệ thống này, ngay cả khi một phân tử đã đi vào tế bào nội mô, nó vẫn có thể bị vận chuyển ngược về tuần hoàn và không đạt được nồng độ cần thiết trong mô não. [3]

Vì sao nhiều hoạt chất khó tiếp cận não bộ?

Để phát huy tác dụng tại hệ thần kinh trung ương, một hoạt chất phải trải qua một hành trình gồm nhiều giai đoạn:

1. Được giải phóng khỏi dạng bào chế.
2. Được hấp thu vào hệ tuần hoàn.
3. Tồn tại đủ lâu trong máu mà không bị phân hủy hoặc đào thải sớm.
4. Tiếp cận hệ vi mạch não.
5. Vượt qua hàng rào máu não.
6. Phân bố đến mô hoặc tế bào đích.
7. Giải phóng với nồng độ phù hợp để tạo đáp ứng sinh học.

Bất kỳ hạn chế nào trong chuỗi quá trình này cũng có thể làm giảm lượng hoạt chất thực sự đến được não.

Các phân tử có kích thước lớn, độ tan thấp, độ ổn định kém hoặc dễ bị chuyển hóa thường gặp nhiều khó khăn trong quá trình phân phối. Ngoài ra, một số phân tử có thể bị hệ thống bơm đẩy tại hàng rào máu não loại khỏi tế bào nội mô trước khi đi vào mô thần kinh. [1]

Do đó, việc một hoạt chất có hoạt tính sinh học trong phòng thí nghiệm chưa đồng nghĩa với việc hoạt chất đó sẽ dễ dàng đạt nồng độ hiệu quả tại não khi được đưa vào cơ thể.

Đây là lý do khoa học phân phối thuốc không chỉ tập trung tìm kiếm hoạt chất mới mà còn nghiên cứu cách bảo vệ, vận chuyển và giải phóng hoạt chất tại đúng vị trí.

Các con đường tự nhiên để vận chuyển chất qua hàng rào máu não

Hàng rào máu não không ngăn chặn tuyệt đối mọi phân tử. Não vẫn cần glucose, amino acid, lipid và nhiều chất dinh dưỡng thiết yếu. Vì vậy, tế bào nội mô não sở hữu một số con đường vận chuyển có kiểm soát.

Khuếch tán xuyên màng

Một số phân tử nhỏ, có đặc tính thân lipid và mức ion hóa phù hợp có thể khuếch tán qua màng tế bào nội mô. Tuy nhiên, cơ chế này chủ yếu áp dụng với các phân tử nhỏ, không phải con đường phổ biến để một tiểu phân Nano nguyên vẹn đi qua hàng rào máu não.

Vận chuyển qua protein chuyên biệt

Các chất dinh dưỡng có thể được vận chuyển thông qua những protein chuyên biệt nằm trên màng tế bào. Mỗi hệ vận chuyển thường chỉ nhận diện những phân tử có cấu trúc phù hợp.

Vận chuyển xuyên bào qua trung gian thụ thể

Vận chuyển xuyên bào qua trung gian thụ thể, hay receptor-mediated transcytosis, là một trong những cơ chế được nghiên cứu nhiều trong phát triển hệ mang thuốc hướng đến não.

Theo cơ chế này, một phân tử liên kết với thụ thể trên bề mặt tế bào nội mô, được đưa vào bên trong tế bào bằng túi nội bào, vận chuyển qua tế bào và giải phóng ở phía tiếp giáp với mô não.

Các thụ thể thường được nghiên cứu gồm thụ thể transferrin, thụ thể insulin và các thụ thể liên quan đến lipoprotein. (PubMed)

Các cơ chế vận chuyển và kiểm soát sự trao đổi chất qua hàng rào máu não: 

(1) vận chuyển qua protein chất mang; (2) vận chuyển xuyên bào qua trung gian thụ thể; (3) vận chuyển nhờ tế bào; (4) khuếch tán xuyên màng của các phân tử thân lipid; (5) bơm đẩy hoạt chất trở lại máu; (6) vận chuyển xuyên bào do hấp phụ; và (7) vận chuyển qua khe gian bào. 

Công nghệ Nano mở ra hướng tiếp cận mới trong phân phối hoạt chất

Công nghệ Nano cho phép thiết kế các hệ mang có kích thước và đặc tính bề mặt được kiểm soát. Thay vì để hoạt chất tồn tại tự do, các phân tử có thể được bao bọc, phân tán hoặc liên kết trong một cấu trúc Nano phù hợp.

Về nguyên lý, hệ mang Nano có thể mang lại một số lợi ích:

• Bảo vệ hoạt chất trước tác động của enzyme và môi trường sinh học.
• Cải thiện khả năng phân tán của hoạt chất khó tan.
• Hạn chế giải phóng hoạt chất quá sớm.
• Kéo dài thời gian lưu hành trong hệ tuần hoàn.
• Kiểm soát tốc độ giải phóng.
• Điều chỉnh khả năng tương tác với tế bào hoặc mô đích.
• Cho phép gắn thêm các phân tử nhận diện sinh học trên bề mặt.

Một số hệ Nano đang được nghiên cứu cho mục tiêu phân phối hoạt chất đến hệ thần kinh gồm liposome, hạt Nano polymer, hạt Nano lipid, Nano Solid Lipid, túi ngoại bào và một số cấu trúc lai sinh học. [1]

Hệ Nano có thể tương tác với hàng rào máu não như thế nào?

Một chiến lược phổ biến là gắn lên bề mặt hạt Nano các ligand có khả năng nhận diện thụ thể trên tế bào nội mô não. Ligand có thể được hình dung như một “chìa khóa sinh học”, còn thụ thể là “ổ khóa” trên bề mặt tế bào.

Quá trình vận chuyển dự kiến gồm bốn giai đoạn:

1. Ligand trên hệ Nano liên kết với thụ thể của tế bào nội mô.
2. Phức hợp thụ thể – hạt Nano được tế bào thu nhận.
3. Hệ Nano được phân loại và vận chuyển trong các túi nội bào.
4. Hệ mang hoặc hoạt chất được giải phóng về phía mô não.

Tuy nhiên, khả năng liên kết với thụ thể cần được tối ưu. Nghiên cứu với hạt Nano gắn transferrin cho thấy độ gắn kết quá cao có thể khiến hệ Nano bị giữ lại trong tế bào nội mô thay vì được vận chuyển sang mô não. Vì vậy, mục tiêu không phải tạo ra liên kết mạnh nhất mà là thiết kế mức tương tác phù hợp cho toàn bộ quá trình xuyên bào. [3]

Tiềm năng của Nano Solid Lipid trong phân phối hoạt chất đến não

Nano Solid Lipid, hay hạt Nano lipid rắn, là hệ mang có phần lõi lipid được duy trì ở trạng thái rắn trong điều kiện cơ thể. Hệ này được nghiên cứu cho nhiều nhóm hoạt chất, đặc biệt là những chất có độ tan trong nước thấp.

Nano Solid Lipid có tiềm năng:

• Bao bọc và bảo vệ hoạt chất.
• Cải thiện độ phân tán của hoạt chất thân lipid.
• Hạn chế hiện tượng giải phóng nhanh.
• Hỗ trợ kiểm soát giải phóng.
• Cho phép biến đổi hoặc chức năng hóa bề mặt.
• Sử dụng một số lipid có tính tương hợp sinh học.

Đối với mục tiêu phân phối đến não, bề mặt Nano Solid Lipid có thể được gắn apolipoprotein E, transferrin hoặc các ligand khác nhằm tăng khả năng tương tác với những thụ thể hiện diện tại hàng rào máu não.

Trong một nghiên cứu sử dụng mô hình tế bào nội mô não người, việc chức năng hóa Nano Solid Lipid bằng apolipoprotein E làm tăng mức thu nhận tế bào khoảng 1,8–1,9 lần so với hệ không được chức năng hóa. Kết quả này cho thấy thiết kế bề mặt có thể ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng tương tác và vận chuyển của hệ Nano lipid. [4]

Tuy nhiên, những kết quả này chủ yếu thuộc giai đoạn nghiên cứu tiền lâm sàng. Không thể suy rộng rằng mọi hệ Nano Solid Lipid đều có khả năng vượt qua hàng rào máu não.

Nano Solid Lipid - Tiềm năng trong phân phối hoạt chất tới não

Kích thước Nano có phải yếu tố quyết định?

Kích thước là một thông số quan trọng vì có thể ảnh hưởng đến độ ổn định, thời gian tuần hoàn, khả năng tế bào thu nhận và quá trình phân bố sinh học. Tuy nhiên, không tồn tại một ngưỡng kích thước duy nhất bảo đảm rằng hạt Nano sẽ đi qua hàng rào máu não.

Khả năng tiếp cận mô não còn phụ thuộc đồng thời vào:

• Vật liệu cấu tạo hệ mang.
• Kích thước và hình dạng tiểu phân.
• Độ đồng đều của hệ phân tán.
• Điện tích và hóa học bề mặt.
• Độ ổn định trong máu.
• Mật độ và ái lực của ligand.
• Sự tương tác với protein huyết tương.
• Khả năng tránh bị gan, lách và hệ miễn dịch loại bỏ.
• Đường vận chuyển nội bào.
• Cơ chế giải phóng hoạt chất.

Khi hạt Nano tiếp xúc với máu, protein huyết tương có thể bám lên bề mặt và tạo thành lớp “protein corona”. Lớp này có thể làm thay đổi đặc tính sinh học của hạt, che khuất ligand hoặc làm suy giảm khả năng nhận diện thụ thể. [6]

Do đó, công nghệ Nano không nên được hiểu đơn giản là quá trình “làm nhỏ” hoạt chất. Đây là quá trình thiết kế một hệ phân phối hoàn chỉnh, trong đó các đặc tính vật lý, hóa học và sinh học phải được tối ưu đồng thời.

Thách thức và triển vọng nghiên cứu

Công nghệ Nano đang mở rộng khả năng thiết kế các hệ vận chuyển hoạt chất hướng đến hệ thần kinh trung ương. Tuy nhiên, khoảng cách giữa kết quả trong mô hình tế bào, động vật và ứng dụng trên người vẫn còn đáng kể.

Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào:

• Hiểu rõ cơ chế vận chuyển của từng hệ Nano.
• Đánh giá độ ổn định trong môi trường sinh học thực tế.
• Kiểm soát phân bố tại gan, lách và các cơ quan ngoài đích.
• Xác định khả năng giải phóng hoạt chất trong mô não.
• Đánh giá độc tính thần kinh và độc tính tích lũy.
• Chuẩn hóa quy trình sản xuất và kiểm soát chất lượng.
• Chứng minh hiệu quả bằng nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng phù hợp.

Kết luận

Hàng rào máu não là một hệ thống bảo vệ có tính chọn lọc cao, giúp duy trì môi trường ổn định cho não bộ nhưng đồng thời hạn chế khả năng phân phối của nhiều hoạt chất hướng đến hệ thần kinh trung ương.

Công nghệ Nano cung cấp một nền tảng tiềm năng để bảo vệ hoạt chất, cải thiện độ phân tán, kiểm soát giải phóng và khai thác các cơ chế vận chuyển tự nhiên của tế bào nội mô não. Trong đó, các hệ Nano lipid và Nano Solid Lipid đang được quan tâm nhờ khả năng mang hoạt chất khó tan và chức năng hóa bề mặt.

Tuy nhiên, có kích thước Nano không đồng nghĩa với khả năng tự động vượt qua hàng rào máu não. Hiệu quả của một hệ mang phụ thuộc vào toàn bộ thiết kế, từ vật liệu, kích thước, điện tích và độ ổn định đến ligand hướng đích, cơ chế vận chuyển nội bào và khả năng giải phóng tại mô đích.

Vì vậy, giá trị cốt lõi của công nghệ Nano trong phân phối hoạt chất đến não không nằm ở việc “phá vỡ” hàng rào máu não, mà ở khả năng thiết kế những hệ vận chuyển phù hợp để tương tác có kiểm soát với các cơ chế sinh học của hàng rào này.

Tài liệu tham khảo chính

1. Wu D. và cộng sự. The blood–brain barrier: Structure, regulation and drug delivery. Signal Transduction and Targeted Therapy, 2023. (Nature)
2. Ben-Zvi A. và cộng sự. Mfsd2a is critical for the formation and function of the blood-brain barrier. Nature, 2014. (PubMed)
3. Wiley D.T. và cộng sự. Transcytosis and brain uptake of transferrin-containing nanoparticles by tuning avidity to transferrin receptor. PNAS, 2013. (PubMed)
4. Neves A.R. và cộng sự. Apo E-Functionalization of Solid Lipid Nanoparticles Enhances Brain Drug Delivery: Uptake Mechanism and Transport Pathways. International Journal of Pharmaceutics, 2017. (PubMed)
5. Yokel R.A. Nanoparticle brain delivery: A guide to verification methods. Nanomedicine, 2020. (PubMed)
6. Xiao W. và cộng sự. The protein corona hampers the transcytosis of transferrin-modified nanoparticles through blood-brain barrier. Biomaterials, 2021. (PubMed)