Все о транспортерах разных вещесьв в организме часть 1.

Хотя ASCT1 (SLC1A4) и ASCT2 (SLC1A5) повсеместно экспрессируются в организме, они также обнаруживаются в головном мозге, в основном в нейронах и астроцитах, но также в некоторой степени в гематоэнцефалическом барьере. Оба белка ASCT1 обеспечивают натрий- и pH-зависимый транспорт нескольких нейтральных аминокислотных субстратов, включая не только L-аланин, L-серин и L-цистин (только ASCT1), но и L-глицин, L-метионин, L-валин, L-лейцин, L-изолейцин и L-треонин. Они также могут обеспечивать двусторонний транспорт глутамата (ASCT1) или глутамина (ASCT2) из клеток. Мутации в гене ASCT1 были связаны с нарушениями развития нервной системы, такими как изменения в двигательной функции, пространственном восприятии и эмоциональном поведении, в то время как уровень экспрессии ASCT2, как сообщается, повышается при некоторых видах рака, включая рак головного мозга, толстой кишки, поджелудочной железы, печени и лёгких. Таким образом, ASCT2 широко изучается как фармакологическая мишень для подавления роста и развития раковых клеток, хотя модуляция экспрессии ASCT2 может быть использована и при нарушениях развития нервной системы.

Было бы заманчиво предположить, что конъюгаты аминокислот, такие как конъюгаты с L-аланином, могут служить потенциальными пролекарствами для ASCT. Однако, как доказано несколькими пролекарствами, включая онкогенный препарат бриваниба аланинат (BMS-582664; селективный двойной ингибитор рецептора 2 фактора роста эндотелия сосудов (VEGFR-2) и рецептора 1 фактора роста фибробластов (FGFR-1)), вазопрессор/антигипотензивный агент мидодрин (ProAmatine®, Gutron®; глициновое пролекарство деглимидодрина (DMAE), селективный агонист α1-рецептора) и противовирусные препараты валацикловир (Valtrex®) и валганцикловир (Valcyte®, их всасывание при пероральном приеме опосредуется либо через кишечный транспортер пептидов с протонной связью 1 (PepT1, SLC15A1), либо через натрий-зависимый транспортер нейтральных аминокислот (ATB0,+, SLC6A14). Однако взаимодействие этих соединений с ASCT и их воздействие на мозг в прошлом не были хорошо изучены, главным образом потому, что все эти пролекарства относительно быстро подвергаются биоконверсии во время метаболизма первого прохождения под действием повсеместно распространённых гидролитических ферментов. Более того, все эти примеры пролекарств присоединены к аминокислотам через карбоксильную группу, которую, возможно, следует оставить нетронутой, а исходные препараты должны быть присоединены к боковой цепи аминокислот для достижения достаточного взаимодействия с ASCT. Таким образом, для разработки эффективных соединений, использующих ASCT и доставляемых в мозг, необходимы более детальные структурные исследования.

ASCT1 и ASCT2 имеют 58% идентичности последовательностей, а вместе с EAATs всё семейство имеет только 21% идентичности последовательностей. И EAATs, и ASCTs состоят из восьми трансмембранных спиралей, и механизм переноса аминокислот у них хорошо изучен. Любопытно, что все члены семейства SLC1A функционируют по принципу одностворчатого лифта, при котором субстрат удерживается в транспортном домене, который затем совершает большое перемещение из внеклеточного пространства во внутриклеточное. На сегодняшний день относительно хорошо изучены сайты связывания ASCT1 и 2, и они отличаются друг от друга. Например, ASCT1 распознает также D-аминокислоты, и было высказано предположение, что он играет важную роль в воздействии на мозг D-серина, N-метил-D-аспартата (NMDA)-рецептора-коагониста, тем самым заметно влияя на расстройства головного мозга, такие как шизофрения. Хотя ASCT1 не использовался в качестве носителя для рационального конструирования лекарств, ASCT2, как упоминалось выше, вызывает большой интерес, особенно в разработке селективных ингибиторов ASCT2. Среди них хорошо известны O-бензил-L-серин и S-бензил-цистеин. Позднее в качестве селективных ингибиторов ASCT2 были разработаны другие аналоги аминокислот, такие как пролин-, серин- и глутамин-миметики. Также было замечено, что ASCT1 и 2 ингибируются аналогами фенилглицина. Однако, как и в случае с ASCT1, было бы здорово, если бы в будущем ASCT2 можно было использовать более широко в качестве (про)транспортного средства для лекарств, например, для лечения рака. Тем не менее, лифтовые механизмы могут определять эффективность доставки лекарств и исключать транспортировку более крупных соединений. Таким образом, другие SLC с другими механизмами могут быть более подходящими (про)лекарственными переносчиками для доставки в мозг, чем представленные члены семейства SLC1A.

3. Семейство переносчиков глюкозы (SLC2A)

Транспортеры глюкозы обеспечивают базовый уровень глюкозы для выработки энергии во многих тканях и типах клеток, от эритроцитов, мышц и жировой ткани до мозга и нейронов. Основными переносчиками глюкозы в мозге являются переносчики глюкозы 1 (GLUT1, SLC2A1) и 3 (GLUT3, SLC2A3). GLUT1, локализованный повсеместно, был обнаружен в гематоэнцефалическом барьере в сильно гликозилированной форме (55 кДа) как на люминальной, так и на аблюминальной стороне эндотелиальных клеток. Менее гликозилированная форма (45 кДа), в свою очередь, обнаруживается в астроцитах и, в меньшей степени, в нейронах и микроглии . Напротив, GLUT3 исторически называли «транспортером глюкозы в нейронах», поскольку он экспрессируется почти исключительно в нейронах. Кроме того, среди 14 классифицированных переносчиков глюкозы GLUT2 и GLUT4–8 были обнаружены в головном мозге, как в гематоэнцефалическом барьере, так и в паренхиматозных клетках, хотя уровень их экспрессии гораздо ниже, чем у GLUT1 и 3. Более того, их физиологическая роль в головном мозге ещё не до конца изучена.

Предпочтительными субстратами для GLUT1 и GLUT3 являются гексозы и пентозы в пиранозной конформации, такие как D-глюкоза, D-галактоза и D-маннозы. Они также переносят аналоги глюкозы, такие как 2-дезокси-D-глюкоза, и их транспорт характеризуется высоким сродством и высокой пропускной способностью. GLUT1 специфически транспортирует глюкозамин и дегидроаскорбиновую кислоту (витамин C), а также 2-дезокси-2-[18F]-D-глюкозу, которая используется в качестве меченого радиоактивным изотопом маркера в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) для диагностики и мониторинга различных заболеваний. Транспорт, опосредованный GLUT1/3, ингибируется цитохалазином B, форсколином, флоретином и другими флавоноидами. GLUT1 также может быть избирательно подавлен WZB117, BAY-876, STF-31, фасентином, апигенином, в то время как ингибиторы гликогенсинтазы киназы-3 (GSK-3), как сообщается, избирательно подавляют GLUT3.

Повышенная экспрессия GLUT1 и 3 была обнаружена при различных видах рака у человека, и это явление было связано с агрессивностью и низкой выживаемостью. Известно, что путь фосфатидилинозитол-3-киназа (PI3K)-Akt, индуцируемый гипоксией фактор-1 (HIF-1) и p53 повышают экспрессию GLUT1 и 3 на уровне транскрипции, в то время как онкогены Ras и c-Myc связаны только с повышением экспрессии GLUT1. Кроме того, гипогликемия (низкий уровень глюкозы в крови, вызванный голоданием, заболеваниями печени/почек или инфекциями) и гипоксическое состояние, связанное с ишемией головного мозга, также могут повышать экспрессию GLUT1 и GLUT3 в мозге. В свою очередь, при гипергликемии (повышенном уровне глюкозы в крови из-за невылеченного диабета или панкреатита), а также при раннем начале болезни Альцгеймера было показано снижение уровня GLUT1 и GLUT3 в мозге. Более того, мутации GLUT1, наследуемые по аутосомно-доминантному или аутосомно-рецессивному типу, вызывают синдром дефицита GLUT1 (G1DS), который оказывает серьёзное влияние на нервные функции и развитие мозга. Любопытно, что некоторые лекарства и употребление алкоголя связаны с экспрессией или модуляцией активности GLUT1/3 в мозге. Таким образом, лекарственные препараты, которые связаны с этими GLUT или используют GLUT для своей доставки, должны быть тщательно изучены на доклинической стадии. Однако модуляция экспрессии GLUT также может быть важной терапевтической мишенью. Например, при болезни Альцгеймера повышение экспрессии GLUT1/3 может предотвратить прогрессирование заболевания, а при инсульте лечение, повышающее экспрессию GLUT1/3, может ускорить выздоровление. В качестве метода лечения рака можно использовать селективное подавление GLUT1/3, чтобы ингибировать повышенный гликолиз и, следовательно, рост клеток.

Из всех переносчиков глюкозы GLUT1 чаще всего используется для доставки лекарств в мозг с помощью пролекарств, и первые пролекарства, использующие GLUT1 для доставки в мозг, были описаны уже 20 лет назад. К ним относятся, например, β-D-глюкозильные и β-D-галактозильные производные 7-хлорокинуреновой кислоты для улучшения судорог, опосредованных NMDA-рецепторами, и β-D-гликозильные производные дофамина и L-дофы для улучшения двигательной активности, вызванной резерпином или морфином. Кроме того, β-D-глюкозу присоединяли к алкилирующему агенту хлорамбуцилу для улучшения доставки в опухоли головного мозга, а также к нейроактивному пептиду энкефалину для улучшения обезболивающего эффекта. Позднее β-D-глюкозильную группу также использовали с нестероидными противовоспалительными препаратами (НПВП), и сообщалось, по крайней мере, о GLUT1-опосредованном поглощении кетопрофена и индометацина в головном мозге. Однако преимущества этого подхода для улучшения клинических результатов до сих пор остаются неясными. Интересно, что в последнее время не сообщалось о новых пролекарствах, нацеленных на GLUT1 в головном мозге, несмотря на их раннее открытие. Вместо этого этот подход более широко используется для лечения рака.

Примечательно, что большинство описанных глико-пролекарств являются эфирами и относительно нестабильны при первом прохождении через печень, что, скорее всего, ограничивает их использование для воздействия на мозг. Многие пролекарства глюкозы, галактозы или глюкуроновой кислоты подвергаются биоконверсии под действием β-глюкозидазы, β-галактозидазы или β-глюкуронидазы соответственно. Эти ферменты относительно повсеместно экспрессируются как в периферических тканях, так и в головном мозге, и, что любопытно, они также сверхэкспрессируются во многих различных типах раковых клеток. Существует также несколько примеров более стабильных амидных и эфирных пролекарств, содержащих глико-производные (хлорамбуцил и производные энкефалина). Однако эти соединения могут быть слишком стабильными в ферментативном отношении в головном мозге и, следовательно, могут быть активны сами по себе, не высвобождая активное действующее вещество. Таким образом, использование GLUT для таргетинга на головной мозг может быть более подходящим для соединений, которые не являются пролекарствами и, следовательно, не требуют этапа биоконверсии. Отличным примером являются соединения бора (10B), нацеленные на опухоли головного мозга (Рисунок 4) используется в терапии захватом нейтронов бором (BNCT), при которой низкоэнергетический пучок тепловых нейтронов инициирует реакцию деления 10B, который избирательно накапливается в раковых клетках через GLUT1. В результате образуются высокоэнергетические α-частицы (4He) и атомы 7Li, которые в конечном итоге уничтожают раковые клетки, не затрагивая здоровые клетки, не содержащие бор.

Транспортеры глюкозы являются независимыми от натрия двунаправленными белками, которые обычно содержат 12 предполагаемых трансмембранных α-спиралей и один сайт для N-связанного гликозилирования. Механизм переноса GLUT1 и GLUT3 хорошо известен, и они следуют модели, называемой “кулисным переключателем”, этот механизм имеет четыре различных состояния; (1) открытое наружу состояние, в котором лиганд связывается с транспортером, вызывая закрытие внешнего затвора, (2) закрытое наружу состояние, в котором происходит кулисный переключатель, образующий (3) закрытое внутрь состояние, за которым следует открытие внутреннего затвора, и, наконец, (4) открытое внутрь состояние, из которого высвобождается лиганд. Сегодня хорошо известно, какие взаимодействия могут приводить к конформационным изменениям в GLUT1 и, таким образом, вызывать транслокацию производных глюкозы в полость. Таким образом, молекулярное моделирование может быть действительно полезным инструментом для разработки субстратов GLUT1, которые действительно транспортируются через белковую полость, а не просто связываются с белком на плазматической мембране. Однако было бы здорово узнать в будущем, применимо ли это также к GLUT3 и можно ли добиться доставки лекарств к нейронам с помощью GLUT3.

4. Семейство катионных и нейтральных переносчиков аминокислот (SLC7A)

Семейство SLC7A содержит катионные переносчики аминокислот (CAT) и гетеродимерные переносчики аминокислот (HAT). CAT относительно повсеместно локализованы в организме; однако в головном мозге CAT1 (SLC7A1) в основном находится на люминальной и аблюминальной сторонах ГЭБ , в то время как CAT3 (SLC7A3) был идентифицирован как нейрон-специфичный переносчик. CAT2 (SLC7A2) был обнаружен в двух вариантах сплайсинга: CAT2A с низким сродством, не локализованный в головном мозге, и CAT2B с высоким сродством, локализованный в нейронах и олигодендроцитах и индуцированный в астроцитах. Помимо CAT1–3, в головном мозге были обнаружены CAT4 (SLC7A4) и SLC7A14, хотя их функции и роль в качестве переносчиков пока недостаточно изучены.

огласно их названию, основными субстратами КАТ являются катионные аминокислоты, такие как L-аргинин, L-лизин и L-орнитин, которые транспортируются с помощью протонного насоса, независимо от натрия. Поскольку L-аргинин является предшественником как L-орнитина, так и оксида азота (NO), КАТ играют решающую роль в регулировании различных гомеостатических и пролиферативных процессов в головном мозге (и в периферических тканях). Любопытно, что, как сообщается, экспрессия CAT-белков подавляется активацией NMDA-рецепторов, и они регулируют нейрональные процессы через путь мишени рапамицина у млекопитающих (mTOR). В свою очередь, было обнаружено, что CAT1 способствует росту, пролиферации и метастазированию клеток, а также его экспрессия повышается при колоректальном раке и раке молочной железы, а также при гепатоцеллюлярной карциноме, вызванной вирусом гепатита В, и лимфоцитарном лейкозе. Кроме того, CAT2A и 2B были обнаружены в различных линиях клеток рака молочной железы.

Механизм транспорта CAT-белков до сих пор не изучен, однако были выявлены некоторые механистические особенности и различия с HAT-белками. На сегодняшний день CAT-белки не рассматриваются ни как потенциальные переносчики лекарств, ни как мишени для лекарств, поэтому о рационально разработанных субстратах или ингибиторах пока не сообщалось. Однако CAT1 можно использовать для увеличения доставки лекарств в мозг, а в сочетании с соединениями, использующими CAT3, можно добиться нацеливания на нейроны. В качестве примера можно привести L-аргинин, L-лизин и L-орнитин, которые могут быть использованы в качестве промотирующих веществ при разработке пролекарств. Однако для того, чтобы присоединить исходное лекарственное средство к правильной функциональной группе аминокислоты и, таким образом, получить успешные пролекарства, необходимы более подробные сведения о взаимодействии этих промотирующих веществ с CAT.

HAT состоят из двух субъединиц: тяжёлой субъединицы из семейства SLC3A и лёгкой субъединицы из семейства SLC7A, которые связаны между собой дисульфидной связью. Двумя представителями семейства SLC3A являются rBAT (SLC3A1) и 4F2hc (SLC3A2), и эти тяжёлые субъединицы N-гликозилированы. Их основная роль — регуляторная, например, они доставляют холотранспортер к плазматической мембране. Однако в последнее время появились доказательства того, что тяжёлые субъединицы также могут участвовать в процессе распознавания лигандов. Кроме того, было обнаружено, что 4F2hc опосредует интегрин-зависимый онкогенез и, следовательно, сверхэкспрессируется при некоторых видах рака. Напротив, было установлено, что некоторые мутации в rBAT влияют на транспорт b0,+, вызывая цистинурию. Тем не менее, лёгкие субъединицы катализируют транспортную функцию HAT. Транспортер аминокислот 1 L-типа (LAT1; SLC7A5), вероятно, является наиболее изученным транспортером семейства SLC7A в приложениях для доставки в мозг, хотя другие члены, включая транспортер аминокислот 2 y + L-типа (y + LAT2; SLC7A6), транспортер аминокислот 2 L-типа (LAT2; SLC7A8), транспортер аланин-серин–цистеина 1 (Asc–1; SLC7A10) и транспортер цистина/глутамата (xCT, SLC7A11) также экспрессируется в головном мозге и может быть использован для доставки лекарств в головной мозг.

LAT1, связанный с 4F2hc, представляет собой независимый от натрия и pH транспортёр, переносящий крупные, нейтральные, ароматические или разветвлённые L-аминокислоты (L-лейцин, L-фенилаланин, L-тирозин, L-триптофан, L-гистидин, L-метионин и L-валин) в клетки. LAT1 распределён по всему телу и активно экспрессируется в тканях, требующих большого количества аминокислот, таких как мозг, плацента и костный мозг. В мозге LAT1 локализуется не только в люминальных и аблюминальных мембранах ГЭБ, но и в паренхиматозных клетках, нейронах, астроцитах и микроглии. Более того, LAT1 активируется при различных видах рака и их метастазах. Высокая экспрессия LAT1 связана со значительно более низкой выживаемостью пациентов и неблагоприятным прогнозом при раке молочной железы и простаты , а также с метастазированием различных типов раковых клеток. Механизмы регуляции до сих пор недостаточно изучены, однако предполагается, что в этом участвуют гипоксия и пути HIF-2α, c-MYC и RAS-MEK-ERK. Любопытно, что мутации LAT1 в гематоэнцефалическом барьере связаны со снижением функции LAT1 при расстройствах аутистического спектра (РАС). Таким образом, модуляция экспрессии LAT1 может быть потенциальной мишенью при заболеваниях, связанных с развитием нервной системы, таких как РАС.

LAT1 катализирует транспорт гормонов щитовидной железы — трийодтиронина (Т3) и тироксина (Т4), а также препаратов, имитирующих аминокислоты, таких как противопаркинсонический препарат леводопа, противораковый препарат мелфалан, миорелаксант баклофен и противосудорожные препараты габапентин и прегабалин. Благодаря интенсивным исследованиям связывание и транслокация лигандов через LAT1 сегодня изучены относительно хорошо. Определённые структурные требования включают наличие функциональных групп амино- и карбоновой кислоты, а также большой нейтральной или ароматической боковой группы. Долгое время считалось, что LAT1 обладает стереоселективностью и предпочитает только L-аминокислоты, однако недавно было доказано, что LAT1 может переносить и некоторые D-энантиомеры. LAT1 также работает по принципу качающегося пучка, в котором «пучковый домен» претерпевает конформационные изменения от открытого наружу состояния к открытому внутрь состоянию. Весьма вероятно, что этот транспортный механизм позволяет переносить более крупные соединения, чем, например, механизм типа «лифт», используемый EAAT и ASCT.

Использование LAT1 для доставки лекарств в мозг было доказано не только с помощью случайно обнаруженных клинически используемых субстратов LAT1, упомянутых выше, но и с помощью рационально разработанных пролекарств, в том числе таких препаратов, как противовоспалительные средства, антиоксиданты, противоэпилептические препараты, противопаркинсонические препараты, иммунодепрессанты и нейропротекторные антагонисты NMDA-рецепторов. Самая сложная задача при использовании пролекарств, нацеленных на LAT1 в головном мозге, — добиться баланса в биоконверсии: с одной стороны, не допустить слишком быстрого высвобождения исходного препарата до того, как он преодолеет гематоэнцефалический барьер, а с другой — обеспечить эффективную биоконверсию в головном мозге. Недостаток знаний о ферментах, отвечающих за биоконверсию пролекарств в головном мозге, на сегодняшний день является самым большим препятствием, однако это всё ещё достижимая цель. Важная роль LAT1 в развитии рака также повысила интерес к разработке ингибиторов LAT1 в качестве потенциальных противораковых средств, таких как JPH203, который уже прошел клинические испытания в Японии для лечения солидных опухолей.

LAT2 и y+LAT2 имеют более широкое тканевое распределение, чем LAT1, что затрудняет доставку лекарств в мозг. LAT2 обеспечивает независимый от натрия отток многих нейтральных аминокислот (L-энантиомеров тирозина, фенилаланина, триптофана, треонина, аспарагина, изолейцина, цистеина, серина, лейцина, валина, глутамина, гистидина, аланина и метионина), в то время как y+LAT2 в основном обеспечивает зависимый от натрия обмен L-аргинина или L-лейцина на L-глутамин (и Na+). LAT2 также является обменником с более низким сродством к внутриклеточному субстрату по сравнению со сродством к внеклеточному субстрату, и, как и LAT1, он функционирует со стехиометрией 1:1 . Экспрессия LAT2, по-видимому, наиболее высока в микроглии, хотя он также в некоторой степени экспрессируется в нейронах и астроцитах. Таким образом, эту избирательную экспрессию внутри мозга можно использовать для доставки лекарственных препаратов в микроглию. Однако о специфической локализации y+LAT2 в головном мозге известно меньше. Сообщалось, что он экспрессируется в астроцитах и активируется в присутствии аммиака (NH4+).

Любопытно, что LAT2 также может переносить гормоны щитовидной железы (T3 и 3,3′-дийодтиронин, предшественник нейромедиатора L-ДОФА, хотя его вклад в общий транспорт этих соединений незначителен по сравнению с LAT1 и монокарбоксилатными переносчиками (MCT8/10). На сегодняшний день не было зарегистрировано ни одного специфического ингибитора LAT2. LAT2 стимулирует путь mTOR так же, как и LAT1, и, таким образом, его сверхэкспрессия наблюдается при различных видах рака. Транспортный механизм LAT2 и y+LAT2 похож на механизм LAT1 и отличается только наличием кислых и некислых остатков в связывающем кармане, что объясняет субстратные предпочтения каждого переносчика. Таким образом, недавние достижения в области структурной и вычислительной биологии позволили сегодня успешно разрабатывать соединения, использующие LAT2 и y+LAT2. Однако их незначительная экспрессия в мозге по сравнению с другими переносчиками, а также более широкое распространение в других частях тела делают их менее привлекательными в качестве переносчиков для доставки в мозг.

Asc-1 обеспечивает независимое от натрия поглощение малых аминокислот, таких как L-глицин, L-аланин, L-серин, L-треонин, L-цистеин, α-аминомасляная кислота и β-аланин, но также переносит D-изомеры, такие как D-серин. Хотя Asc-1 способствует диффузии малых аминокислот, в первую очередь он функционирует как ионообменник. Аналогичным образом, xCT является независимым от натрия обменником внеклеточного анионного цистина и внутриклеточного глутамата (со стехиометрией 1:1). Asc-1 является нейронным переносчиком и благодаря своей способности переносить L-глицин и D-серин в синапсах считается регулятором NMDA-рецепторов . Любопытно, что Asc-1 в основном локализуется в тех областях мозга, которые отвечают за когнитивные функции. Кроме того, сообщалось, что недостаток Acs-1 вызывает тремор, атаксию и судороги. xCT, в свою очередь, был обнаружен в мозге в астроцитах и нейронах, а также в макрофагах.

xCT функционирует вместе с EAAT, он переносит внутриклеточный L-глутамин, который EAAT доставляет в клетки. Аналогичным образом он функционирует вместе с переносчиками цистеина, такими как ASCT, и уравновешивает внутриклеточный уровень L-цистеина, который xCT доставляет в клетки. Таким образом, xCT играет важную роль в здоровье и болезнях, например, снижение активности xCT нарушает рост и выживание клеток. Кроме того, xCT обеспечивает защиту от окислительного стресса (цистин является источником восстановленного глутатиона, эндогенного антиоксиданта) и, следовательно, его уровень повышается при нескольких различных видах рака. Из-за того, что xCT участвует как в эксайтотоксичности (экспорт L-глутамина), так и в окислительном стрессе (импорт L-цистеина), изменения в экспрессии xCT (как в сторону повышения, так и в сторону понижения) могут оказывать пагубное воздействие на мозг, поэтому результаты исследований на животных моделях эпилепсии и нейродегенеративных заболеваний были неоднозначными. Хотя для обоих этих переносчиков было разработано несколько ингибиторов, о возможности использования Acs-1 и xCT в качестве переносчиков лекарств в мозге известно меньше. Отсутствие или слабая экспрессия этих переносчиков в гематоэнцефалическом барьере — это первая проблема. Однако их избирательная локализация в головном мозге может дать некоторые преимущества при внутримозговом таргетинге. Поэтому в будущем определенно потребуется больше исследований этих переносчиков.

Семейство монокарбоксилатных переносчиков (SLC16A)

Монокарбоксилатные транспортеры (MCT), относящиеся к семейству SLC16A, способствуют быстрому протон-зависимому транспорту монокарбоксилатов, таких как лактат, пируват и другие метаболические продукты и энергетические вещества в их анионных формах в физиологических условиях. Транспортировка монокарбоксилатов через клеточные мембраны с помощью MCT представляет собой электронейтральный совместный транспорт монокарбоксилатов и протонов в стехиометрическом соотношении 1:1. Наиболее важными транспортерами этого семейства в головном мозге являются MCT1 (SLC16A1), MCT2 (SLC16A7), MCT4 (SLC16A3) и MCT8 (SLC16A2), хотя другие бесхозные MCT, включая MCT6 (SLC16A5), MCT7 (SLC16A6), MCT9 (SLC16A9) и MCT14 ( SLC16A14) также были обнаружены в головном мозге. MCT1 повсеместно экспрессируется, например, в эпителии тонкого кишечника и толстой кишки, а также в мышцах и, в частности, на просветных и аблюминальных мембранах эндотелиальных клеток мозговых капилляров. В головном мозге MCT1 также экспрессируется в астроцитах серого и белого вещества.

Было высказано предположение, что MCT1 в гематоэнцефалическом барьере функционирует в обоих направлениях для поддержания гомеостаза мозга. Выведение соединений из мозга обратно в системный кровоток с помощью MCT1 также может ограничивать распределение лекарств в мозге, как было предложено в случае с пробенецидом и 6-меркаптопурином. Любопытно, что контролируемое вещество γ-гидроксимасляная кислота (ГОМК), которое клинически используется для лечения бессонницы, катаплексии и нарколепсии, также является субстратом MCT1. Его побочные эффекты, связанные с ЦНС, включая угнетение дыхания, судороги и потерю сознания, которая может привести даже к коме и смерти, в основном возникают из-за вариабельного опосредованного MCT1 транспорта ГОМК через ГЭБ. 4-Фенилбутират (4-ФБ), соль ароматической короткоцепочечной жирной кислоты и потенциальное нейропротекторное средство против эксайтотоксичности, окислительного стресса, стресса эндоплазматического ретикулума (ЭР), апоптоза и воспаления в нескольких моделях нейродегенеративных заболеваний, таких как БП, БА и ГД, также было обнаружено, что он использует MCT1 для поглощения в головном мозге. Также предполагается, что MCT1 отвечает за транспортировку салициловой кислоты, вальпроевой кислоты, никотиновой кислоты и некоторых β-лактамов-антибиотиков.

MCT8, в свою очередь, является специфическим переносчиком гормонов щитовидной железы, который в основном экспрессируется в щитовидной железе и надпочечниках, а также в других периферических тканях, таких как печень и почки. Однако он также активно экспрессируется в гематоэнцефалическом барьере и в нейронах, а также в некоторой степени на апикальной стороне сосудистого сплетения. MCT8 опосредует клеточное поглощение, а также выведение гормонов щитовидной железы T3 и T4, хотя точный механизм их транспорта до сих пор неизвестен. Исследования потенциальных субстратов и ингибиторов MCT8 позволяют предположить, что этот транспортер специфичен для L-энантиомеров гормонов щитовидной железы. Также необходимы амино- и карбоксильные группы боковой цепи аланина в составе гормонов щитовидной железы и по крайней мере один атом йода в каждом кольце йодтиронина. Кроме того, сообщалось, что некоторые лекарственные препараты и природные соединения, в том числе дезипрамин, дексаметазон, буспирон, дезэтиламиодарон, дронедарон, ингибиторы тирозинкиназы и силихристин, ингибируют транспорт, опосредованный MCT8, либо неконкурентно, либо конкурентно.

Другие члены семейства MCT экспрессируются в мозге относительно избирательно. MCT2 — основной MCT, обнаруженный в нейронах; он был выявлен в клетках с высокой окислительной способностью и в клеточных телах, включая дендриты, дендритные шипики и аксоны нейронов, хотя могут существовать видовые различия, MCT2 также повсеместно экспрессируется в периферических тканях, что затрудняет его использование для внутримозговой адресной доставки лекарств, позволяющей избежать периферического воздействия. В свою очередь, MCT3 (SLC16A8) преимущественно экспрессируется в эпителиальных клетках сосудистого сплетения, а также в эпителиальных клетках сетчатки, а MCT4 преимущественно экспрессируется в астроцитах, по крайней мере у грызунов. Было высказано предположение, что липофильные статины, такие как флувастатин, аторвастатин, ловастатин, симвастатин и церивастатин в их кислотной форме, могут взаимодействовать с MCT4. Также известно, что MCT4 участвует в зависимом от pH транспорте лактата, предотвращая его внутриклеточное накопление, которое может подавлять гликолиз в клетках. Кроме того, нейроны могут накапливать выделяемый астроцитами лактат (перекрёстные связи между MCT4 и MCT2) и использовать его в качестве вторичного источника энергии.

Лактат также в больших количествах вырабатывается в гликолитических раковых клетках из-за их высокой потребности в энергии, что приводит к внутриклеточному закислению, если его не выводить из клеток. Таким образом, MCT1, MCT2 и MCT4 сверхэкспрессируются во многих различных типах рака и опухолей, и, следовательно, воздействие на опосредованный MCT отток лактата может служить перспективным методом лечения или вспомогательной терапией в сочетании с другими химиотерапевтическими средствами. Например, селективный ингибитор MCT1/2, AZD3965, уже изучался в ходе клинических испытаний первой фазы против гематологических видов рака. Кроме того, сообщалось, что AZD3965 более эффективен, чем классический неспецифический ингибитор MCT, 4-хлор-α-цианокоричная кислота (α-CHCA), в модели опухоли молочной железы. Любопытно, что экспрессия MCT1 повышена в гематоэнцефалическом барьере у детей с синдромом дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), а изменения экспрессии MCT1, 2 и 4 связаны с метаболическими состояниями (ожирение и голодание) в метаболически активных тканях. Экспрессия MCT1 регулируется в основном транскрипционными факторами, такими как MYC и p53, в то время как экспрессия MCT2 связана с избирательным деметилированием внутренней промоторной области в локусе гена и обратным гиперметилированием вышестоящей промоторной области. Напротив, экспрессия MCT4 усиливается при гипоксии посредством HIF-1α-зависимого механизма. Также сообщалось, что мутации MCT1 вызывают синдром усталости (мышечные спазмы и боль из-за нарушения выведения лактата после интенсивных физических нагрузок), а дефицит MCT1 связан с рецидивирующим кетоацидозом у детей с умеренной умственной отсталостью, эпилепсией или мигренью . В свою очередь, снижение уровня MCT2 в гиппокампе и коре головного мозга связано с патологическим прогрессированием болезни Альцгеймера, возможно, из-за снижения энергетического метаболизма. Кроме того, отсутствие экспрессии MCT3 в пигментном эпителии сетчатки ухудшает зрительные функции и заживление ран, а снижение экспрессии MCT3 в клетках гладкой мускулатуры посредством метилирования ДНК может вызывать развитие атеросклероза . Редкое неврологическое заболевание, называемое синдромом Аллана-Херндона-Дадли (AHDS), является следствием мутаций в гене MCT8, которые приводят к повышению уровня гормонов щитовидной железы в сыворотке крови, а также к тяжёлой умственной отсталости и неврологическим нарушениям . Кроме того, сообщалось, что воспаление подавляет экспрессию MCT8 . Таким образом, модуляция экспрессии различных MCT при различных заболеваниях может иметь терапевтический потенциал.

На сегодняшний день сообщалось только о пролекарствах, использующих MCT1, которые используются для улучшения биодоступности соединений при пероральном приеме, таких как 5-фторурацил (5-FU), гемцитабин и габапентин, путем присоединения монокарбоновых кислот сложноэфирными или амидными связями (5-FU и гемцитабин) или экранирования свободной аминогруппы полярной ацилоксиалкильной боковой цепью с карбаматной связью (XP13512 / GSK1838262, габапентин энакарпил). . Однако сообщений об использовании MCT для целенаправленной или улучшенной доставки лекарств в мозг с помощью рационально разработанных пролекарств становится всё меньше. Таким образом, ещё предстоит выяснить, насколько хорошо пролекарства 5-ФУ и гемцитабина, использующие MCT1, проникают в мозг или в определённые типы клеток мозга. Габапентин энакорпил уже одобрен в США (Horizant®) и Японии (Regnite®) для лечения синдрома беспокойных ног (СБН; от умеренной до тяжелой степени), а сообщаемые побочные эффекты связаны с ЦНС; чаще всего это повышенная утомляемость, седативный эффект и головокружение . Таким образом, вполне вероятно, что габапентин энакарпил также улучшает доставку и воздействие препарата на мозг за счёт более активного транспорта MCT1 (переносчик с низким сродством и высокой пропускной способностью) через ГЭБ по сравнению с исходным препаратом габапентином, который является субстратом LAT1 (переносчик с высоким сродством и низкой пропускной способностью).

Одной из проблем, связанных с MCT, является двунаправленный транспорт, который может быть труднопредсказуемым и контролируемым. Более того, у MCT есть перекрывающиеся субстратные специфичности. Известно, что все члены семейства SLC16A имеют 12 трансмембранных доменов (TMD) и внутриклеточную петлю между TMD 6 и 7. Кроме того, было высказано предположение, что MCT способствуют механизму транспорта с помощью «коромысла», так же как GLUT . Структурный анализ транспортных функций позволил получить некоторое представление о взаимосвязи структуры и активности (SAR) MCT1, MCT4 и MCT8 . Однако для разработки успешных пролекарств, использующих MCT, с улучшенной доставкой лекарств в мозг, необходимо больше знать о взаимодействиях, которые могут влиять на направление транспорта, в частности через MCT1 и MCT8 в гематоэнцефалическом барьере, а также через MCT2 и MCT1/4 в нейронах и астроцитах соответственно. Поэтому в будущем следует использовать более сложные вычислительные методы, такие как моделирование молекулярной динамики (MDS), чтобы выявить структурные особенности пролекарств, которые могут вызывать конформационные изменения белка, приводящие к транслокации в клетки.