基于血脑屏障转运-生理药动学模型阐明中药生物碱脑部吸收机制并预测其在人体脑内分布

A number of alkaloids from Chinese Materia Medica have been used for the treatment of brain diseases. The transporters on the blood-brain barrier (BBB) have been proved to affect the efficacy of many drugs in the brain. Through the collaboration with the University of Tokyo, we have developed good methodologies for the BBB research. Our preliminary experiments demonstrate that severl alkaloids are the substrates of pyrilamine transporter and P-glycoprotein. In this project, several alkaloids will be employed as the model compounds. The transport of model compounds will be investigated in hCMEC/D3 cells and transporter-expressing cells. The contribution of transporters will be determined on mice by various techniques, such as iv infusion, brain in situ perfusion and brain microdialysis. The present research aims to 1) find out the involved transporters for the BBB transport of the model compounds and determine their contributions; 2) collect in silico, in vitro and in vivo data, which will be further analyzed by a hybrid brain PBPK model; 3) perform the mice pharmacokinetics and tissue distribution research to validate and modify the PBPK model and, then predict the human brain distribution of model compounds. Our research will characterize the BBB transport of herbs containing alkaloids, and be greatly helpful for the application of PBPK models in pharmacokinetics studies of traditional Chinese medicine.

中药生物碱被广泛用于治疗脑部疾病，而血脑屏障（BBB）上的转运蛋白是影响药物脑部有效性的关键因素。本课题组与日本东京大学合作，建立了BBB网络技术与预测平台，前期发现多个中药生物碱是吡拉明转运蛋白及P-糖蛋白的底物。课题组将继续深入研究，以永生化人脑微血管内皮细胞、转运蛋白过度表达的细胞、野生型和基因敲除小鼠等为研究对象，采用细胞摄取、细胞单层跨膜转运、siRNA转染、小鼠静脉输注、原位脑灌流和脑部微透析等技术，探讨（1）BBB摄取及外排转运蛋白影响生物碱跨BBB的作用机制；（2）收集in silico、in vitro及in vivo特征数据，并引入主动转运过程，以完善生理药动学（PBPK）模型；（3）进行小鼠药动学和组织分布研究以修正模型，预测生物碱在人体脑内的分布。课题不仅能阐明含生物碱成分中药的BBB屏障特征，并为PBPK模型用于中药分子药动学的研究提供新思路和国际合作平台。

中药生物碱被广泛用于治疗中枢神经系统（CNS）疾病，而血脑屏障（BBB）上的转运蛋白是影响药物有效性的关键因素。本项目选择CNS活性生物碱成分石杉碱甲、苦参碱和钩藤碱为模型药物，初步建立了BBB网络技术与预测平台，对药物的结构修饰及提高药物在脑内的生物利用度具有重要的指导意义，并为临床上生物碱药物与其他中西药物联合用药及中药复方配伍机理的阐明提供全新的参考信息。. 采用P-糖蛋白（P-gp）过表达细胞、乳腺癌耐药蛋白（BCRP）过表达细胞及其阴性对照细胞，研究了转运方向以及转运蛋白的特异性抑制剂对药物跨膜转运的影响，阐明了模型药物与外排性转运蛋白的相互作用。采用ICR小鼠模型，研究了P-gp对药物脑部吸收的影响。结果表明小鼠同时口服P-gp抑制剂GF120918后，石杉碱甲灌胃给药后的脑部吸收明显增加；采用小鼠原位脑灌流技术，GF120918可显著增加石杉碱甲和钩藤碱向脑组织的转运。因此，BBB上的P-gp可能限制了石杉碱甲和钩藤碱的药效发挥。. 人脑微血管内皮细胞的摄取实验发现，石杉碱甲、苦参碱和钩藤碱进入细胞均以主动转运为主，HepG2细胞摄取研究进一步表明该过程具有温度依赖性、浓度依赖性、代谢能量依赖性和反向质子梯度依赖性，结合抑制试验，相关转运载体鉴定为一种具有全新转运特性的有机阳离子/质子逆向转运蛋白，该转运蛋白有希望作为CNS药物和肝病药物的靶点。构建生理药动学模型预测石杉碱甲在小鼠和人血浆和脑中的动力学过程，敏感度分析表明摄取过程对药物的脑部浓度影响较大。很多抗肿瘤药、抗糖尿病及抗感染药物是有机阳离子转运系统的底物或抑制剂，与生物碱成分或含生物碱的药材联合用药时，可能发生药物相互作用，进而影响药效及安全性。