For the first time, scientists have identified a simple way that can effectively transport medication into the brain -- which could lead to improved treatments for neurological and neurodegenerative diseases.

In a study published today in Nature Communications, scientists from Newcastle University, UK, have led an international team in a major breakthrough in unlocking the secrets of how medications can infiltrate the brain.

Blood capillaries in the brain are not permeable to many drugs and the majority are excluded from the brain by a protective barrier, called the blood-brain-barrier (BBB), and current treatment options are risky.

Some viruses, however, have found ways to bypass the BBB and enter the brain. To treat certain neurological and neurodegenerative diseases, medication has to use modified viruses to bypass this barrier and deliver drugs to the area.

Major breakthrough

The team has now engineered small particles, similar to the size of viruses, from a peptide that can behave like a carrier to the brain and can be packed with drugs for intravenous injection.

Professor Moein Moghimi, who led the research, said: "Crossing the blood-brain-barrier has hindered the industry from effectively addressing central nervous system diseases, including brain tumours, and many neurological diseases like Parkinson's, Alzheimer's and Huntington's.

"This breakthrough -- based on more than 10 years of research -- has significant implications for crossing BBB and other biological barriers that have created challenges for drug delivery.

"Our breakthrough allows for minimally invasive combination delivery through an intravenous injection of various drugs, peptides and nucleic acid therapeutics to the brain."

At present, treatment of neurological disorders involves difficulties in 'packaging' viruses safely and medication is usually administered by injection into the cerebrospinal fluid, which is not without risks.

The new technological breakthrough in delivering genetic materials to cells in the brain has used a peptide component from a virus that targets the brain (a bacteriophage fd). The peptide was synthesised and modified slightly, and when water was added it spontaneously formed a 'small, hairy particle'.

Scientists found that when the developed particle was injected into a mouse model, the system targeted the brain, crossing the blood-brain-barrier, reaching neurons and microglia cells in the brain.

Professor Moghimi added: "We are very excited by our research -- our delivery system is versatile and amenable to modifications, so, in principle, we can hopefully address shortfalls in drug delivery to the brain through intravenous injection.

"We have a long way to go, but we hope that our technology platform may open up many opportunities to address neurodegenerative diseases with modern therapeutics and genetic drugs."

Safe technique

Through the mouse model, scientists found their technique was safe. Further research will test the technology in animal disease models in preparation for clinical trials.

Gary Leo, SMDG's SVP of Corporate Development and former national president and CEO of the ALS Association, USA, said: "Bearing in mind the fact that neurological disorders are growing in incidence faster than any other disease class worldwide, governments will face a huge burden and increasing demands for treatment and support services.

"New knowledge is required to develop effective treatment strategies, and the new technology reported in Nature Communications is a promising achievement to fulfil these goals."

Science Daily

약물을 뇌로 전달할 수 있는 방법 발견

과학자들은 처음으로 약물을 효과적으로 뇌로 전달 할 수 있는 간단한 방법을 발견했다고 밝혔다

Nature Communications를 통해서 발표한 연구 내용에서 영국 뉴캐슬 대학의 과학자들이 약물이 뇌에 침투하는 비밀을 밝혀내는 데에 있어 중요한 돌파구를 마련하기 위해 국제 팀을 이끌었다고 밝혔다.

뇌의 혈액 모세혈관에는 많은 약물을 투약할 수 없으며, 대다수는 혈액뇌관문(BBB)이라고 불리는 보호장벽에 의해 차단되며, 현재 치료 위험부담이 큰 것으로 알려져 있다.

그러나, 일부 바이러스는 혈액뇌관문(BBB)을 우회하여 뇌로 침투시킬 수 있는 방법을 찾아냈다. 특정 신경계 질병과 퇴행성 질병을 치료하기 위해서는, 변형된 바이러스를 사용하여 혈액뇌관문을 우회하고 관련 영역에 약물을 전달해야 한다.

주요 연구 결과

연구팀은 뇌에서 운반체처럼 작용할 수 있는 펩타이드 (Peptide)에서 정맥 주사용 약물로 포장 할 수 있는 바이러스 크기와 비슷한 작은 입자를 만들었다.

이 연구를 책임지고 있는 Moein Moghimi 교수는 "혈액뇌관문을 가로지르는 것은 중추 신경계 질환을 효과적으로 해결하는 것을 방해하며 이러한 질병은 뇌종양, 파킨슨병, 알츠하이머병 그리고 헌팅턴병과 같은 신경계 질병을 유발할 수 있다"고 하였다.

10년 이상의 연구를 바탕으로 진행한 이번 연구는, 혈액뇌관문 때문에 약물 전달에 어려움을 겪고 있는 현 상황에 획기적인 돌파구 역할을 했다. "우리의 연구는 여러 종류의 약물, 정맥주사, 펩티드, 핵산 치료제를 통하여 뇌에 최소한의 침습성 조합전달을 실현하였다. "

현재, 신경 장애에 대한 치료는 바이러스의 ‘포장 (packaging)’ 안전성에 관한 어려움이 있고, 약물은 통상적으로 뇌척수액에 주사하는데, 이 또한 위험성이 존재한다.

유전자적인 물질을 뇌세포에 전달하는 이러한 혁신적인 연구결과는 뇌를 타겟으로 하는 바이러스(일종의 살균 바이러스)로부터 펩타이드 성분을 사용한 것이다. 여기서 상용하는 펩타이드는 합성되었고 변형 되었지만, 물이 첨가되었을 때 자발적으로 '작고, 털이 많은 입자'로 변형된다.

과학자들은 개발된 입자가 실험용 쥐에 주입하였을 때, 바이러스는 혈액뇌관문을 가로질러, neurons과 micorglia에 도달한 것을 발견하였다.

Moghimi 교수는 "우리의 연구결과에 매우 만족한다. 우리는 정맥 주사를 통하여 뇌에 약물을 전달하는 단점을 해결하기 위해 우리의 연구 시스템을 통해 다양하게 변형하여 해결할 수 있기 때문이라고 추가 언급하였다.

"여전히 갈 길이 멀지만, 우리의 기술이 현대 치료와 유전자적 약물로 신경퇴행성 질병을 해결하는 데 많은 기회를 제공해줄 수 있기를 희망한다."고 밝혔다.

안전한 기술

실험용 쥐를 통하여, 과학자들은 자신들의 기술이 안전하다는 것을 발견하였다. 추후 연구는 임상실험준비를 위해 뇌에 질병이 있는 실험동물로 기술을 테스트할 예정이라고 밝혔다.

SMDG의 상무이자 미국의 루게릭병 협회 최고 경영책임자이자 전 회장인, Gary Leo는 "신경장애가 세계의 그 어떤 질병보다 발병률이 빠르게 증가되고 있기에, 정부는 막대한 치료 및 지원 서비스에 대한 부담과 수요에 직면하게 될 것이다"고 하였다.

"효과적인 치료전략을 개발하는 데 있어 새로운 지식이 요구된다. 그리고 Nature Communications에 보고된 이러한 새로운 기술은 효과적인 치료전략을 실현하는 데 있어 엄청난 성과임은 분명하다.”

사이언스 데일리