De bloed-hersenbarrière beschermt onze hersenen, maar houdt ook medicijnen tegen. In tal van labs zoekt men nu naar het ideale Trojaanse paard.

De endotheelcellen in de wand van onze bloedvaten sluiten in de hersenen zo nauw op elkaar aan dat er grote moleculen er niet doorheen kunnen. Doorgaans is dat positief, want de bloed-hersenbarrière beschermt de kwetsbare zenuwcellen in de hersenen voor stoffen in het bloed die hen zouden kunnen verstoren of bescha­digen. Maar elk voordeel heeft zijn nadeel: de barrière maakt het ontzettend moeilijk om medicijnen in de hersenen te krijgen.

Bubbels

Sommige wetenschappers werken daarom aan methodes om de barrière tijdelijk en gericht te doorbreken. Ze injecteren een contrastvloeistof in de bloedbaan die met gas gevulde microbubbels bevat, en laten die met behulp van sterk gefocuste ultrasone geluidsgolven zo sterk vibreren dat ze de endotheelcellen uit elkaar duwen, zodat stoffen uit het bloed de barrière kunnen overbruggen. Een nadeel van die techniek is echter dat ze niet alleen medicijnen doorlaat, maar ook andere stoffen.
Dat kan beter, vinden nogal wat wetenschappers, en dus zoeken zij nu volop naar manieren om medicijnen te laten meeliften met stoffen die de hersenen wél in mogen, en daarom door de endotheelcellen vanuit het bloed worden opgenomen en netjes aan de andere kant in het hersenweefsel weer worden vrijgelaten. Om dat te bereiken, worden ze eerst ingepakt in nano­carriers, doorgaans kleine blaasjes met een buitenste laag van bijvoorbeeld lipiden die bij de cel geen argwaan wekt.
Die laag wordt dan deels overdekt met moleculen, waarvoor in het membraan dat de endotheelcellen omringd, receptoren aanwezig zijn. Dat kan bijvoorbeeld het natuurlijke antioxidant glutathion zijn, vitamine B1 (ook bekend als thiamine), het hormoon insuline of het ijzerhoudende transferrine, vertrouwde moleculen die de nanocarrier als een soort Trojaans paard de cel binnenloodsen.

Cholerabacterie

Enkele van de meest veelbelovende Trojaanse paarden, stelt medisch biologe Inge Zuhorn van het Universitair Medisch Centrum Groningen, werden echter helemaal niet als onschuldige
lichaamseigen moleculen vermomd, maar zijn geïnspireerd door ziektekiemen of de stoffen die ze uitscheiden. ‘De nano­carrier waarmee we hier zelf experimenteren wordt door dezelfde receptor de cel binnengehaald als de toxines van de cholerabacterie en E. coli, die beide diarree veroorzaken.’
Die receptor, GM1 genaamd, is een ganglioside, een combinatie van een wasachtig vet (ceramide), een korte suikerketen (oligosacharide) en een siaalzuur. Maar hoe vind je een peptide dat die receptor bindt? ‘Dat choleratoxine zelf kunnen we niet gebruiken’, vertelt Zuhorn. ‘Dus pakten we het anders aan: we overdekten een klein 96-wellsplaat met GM1-receptoren en lieten daar vervolgens tal van verschillende virussen op los. Van de virussen die bleven plakken, onderzochten we vervolgens welke peptides ze aanmaakten, en dat leverde een kandidaatpeptide op: G23.’

'We kregen endotheelcellen die je kunt kweken'

Om vervolgens te kunnen testen of een met G23 overdekte nanocarrier erin zou slagen om de bloed-hersenbarrière te omzeilen, bouwden Zuhorn en haar collega’s in het lab hun eigen barrière. ‘We kregen daarvoor cellen uit een Frans lab dat menselijke endotheelcellen uit de hersenen
onsterfelijk had gemaakt, zodat je ze in cultuur kunt brengen’, vertelt Zuhorn. ‘Overdekken we kleine filtertjes met een laagje van het bindweefseleiwit collageen en brengen we daar endotheelcellen op aan, dan vormen die zelfstandig een enkele, nauw aaneengesloten cellaag.’
Een bloed-hersenbarrière dus, waarop Zuhorn en collega’s vervolgens hun nanocarrier konden testen door aan hun nanocarrier een fluorescent molecuul toe te vertrouwen. ‘De volgende stap is dan natuurlijk om na te gaan of hetzelfde lukt in levende proefdieren. Als de carrier, die we hiervoor radioactief labelen, erin slaagt om het brein te bereiken’, legt ze uit. ‘Lukt dat, dan snijden we coupes van de hersens, om te zien of de carriers ook echt in het hersenweefsel zitten.’
Enigszins tot haar verbazing ontdekte Zuhorn na verloop van tijd dat G23 al eerder ontdekt was, door wetenschappers die zochten naar een peptide dat de opname van tetanustoxine kon nabootsen, en het Tet1 hadden gedoopt. ‘Dat maakt het extra interessant,’ vertelt ze, ‘want dat
tetanustoxine wordt door het lichaam vanuit het spierweefsel naar het centrale zenuwstelsel getransporteerd. Als blijkt dat voor G23/Tet1 hetzelfde geldt, dan hoeven we het zelfs niet in de bloedbaan te injecteren.’

Virussen

Maar waarom stoppen bij bacteriële toxines? De allerbeste cellulaire inbrekers zijn natuurlijk de virussen, die erin slagen hun erfelijk materiaal te injecteren in cellen en hun gastheer vervolgens zelf aan het werk zetten om hun vermenigvuldiging te bewerkstelligen. ‘Ook virale peptides worden volop getest’, vertelt hoogleraar Bart De Spiegeleer van de UGent, die in zijn lab al talloze peptiden screende op zoek naar kandidaten die de bloed-hersenbarrière weten te overbruggen.
Een van de best onderzochte is het TAT-peptide dat het hiv-virus in staat stelt een cel binnen te dringen. ‘Dat is een zogenoemd celpenetrerend peptide CPP. Zo noemen we korte ketens van vooral positief geladen aminozuren die zich stevig aan het celmembraan hechten en vervolgens ook vaak de cel weten binnen te dringen, al is nog niet helemaal zeker hoe ze daar precies in slagen, vertelt zijn collega Evelien Wynendaele. ‘Vermoedelijk is dat niet voor alle CPP’s hetzelfde – zowel actief als passief transport spelen vermoedelijk een rol.’

'Er lopen al enkele klinische studies'

Omdat de CPP’s zo divers zijn, hopen de wetenschappers dat het op termijn mogelijk is voor verschillende medische en biotechnische toepassingen een peptide te vinden dat precies doet wat ze willen, door selectief medicijnen door de barrière te helpen. ‘Er zijn al enkele succesvolle studies gerapporteerd van CPP’s gekoppeld aan moleculen voor de behandeling van kanker, musculaire dystrofie, prionziektes en infecties,’ vertelt De Spiegeleer. ‘Ook diagnostische toe­passingen zijn al beschreven, zoals het in beeld brengen van tumorweefsel.’

Bijwerkingen

Voordat je CPP’s als geneesmiddel kunt inzetten’, is er echter wel nog werk aan de winkel. Want precies de eigenschappen, zoals hun positieve lading of hydrofobe karakter, die ervoor zorgen dat ze makkelijk door de bloed-hersenbarrière kunnen dringen, zorgen er ook voor dat ze vaak worden opgenomen door cellen waar ze niets te zoeken hebben. ‘Bijwerkingen komen dus vaak voor,’ vertelt Wynendaele, ‘En bij herhaaldelijke toediening kun je een reactie van het afweersysteem verwachten. Niettemin lopen er momenteel enkele klinische studies, al zitten die vaak nog in de eerste twee fases.’
Ook Zuhorn is nog niet meteen aan toepassingen toe, al zette ze in de afgelopen jaren wel enkele belangrijke stappen. ‘We werken nu met bioafbreekbare nanocarriers’, vertelt ze, ‘die stapelen zich dus niet in het hersenweefsel op – belangrijk met het oog op toepassingen. We smokkelen daarmee niet alleen medicijnen, maar hopen hetzelfde te doen met bijvoorbeeld DNA dat codeert voor eiwitten die de hersenen beschermen tegen de ziekte van Huntington.’