Wiskundig model voorspelt de medicijnconcentratie in de hersenen
Komen medicijnen in de juiste hoeveelheid aan op de juiste plek in ons brein? Door een model te maken dat ons brein in kleine ‘hersenblokjes’ weergeeft, probeert Esmée Vendel hier een antwoord op te vinden. Haar nieuwe, wiskundig model voorspelt de medicijnconcentratie in de hersenen over tijd én ruimte. Vendel promoveerde op 17 december 2019.
Doelwit in het brein
‘Het succes van medicijnen die bedoeld zijn voor de hersenen is nog altijd beperkt’, vertelt Vendel. Wetenschappers begrijpen nog te weinig over de complexiteit van onze hersenen en hoe een medicijn zich binnen de hersenen verdeelt. Samen met haar promotors ontwikkelde Vendel daarom een wiskundig 3D-model dat de medicijnconcentratie binnen de hersenen kan voorspellen. ‘Ons model is nieuw in zijn soort, omdat het de verspreiding van een medicijn over zowel tijd als ruimte beschrijft. Zo kun je verschillende processen van medicijndistributie in acht nemen.’
Precies weten hoe en in welke hoeveelheden een medicijn zich in de hersenen verspreidt, is volgens Vendel essentieel bij de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen. ‘Als een medicijn niet voldoende aanwezig is op de plek van het doelwit, bijvoorbeeld een lokale hersentumor, zal het gewenste effect niet optreden’, legt ze uit. ‘En is het medicijn in te grote hoeveelheden aanwezig, kunnen er juist (meer) bijwerkingen ontstaan. Bovendien kunnen er lokale verschillen binnen de hersenen bestaan, vaak als gevolg van ziekte. Dat is lastig, omdat die verschillen de ruimtelijke verdeling van een medicijn beïnvloeden en zo ook het effect.’
Bouwblokjes
Om zowel praktische als ethische reden is het lastig te experimenteren met echte hersenen. Het wiskundige model van Vendel is een veilige manier om tóch meer te weten te komen. Het model is gebaseerd op zogenaamde hersenblokjes. Vendel: ‘Eén zo’n hersenblokje is een abstracte weergave van één stukje hersenweefsel.’ Het is te beschouwen als een soort bouwblokje, legt ze uit, waarin ze de kleinste bloedvaten van de hersenen, de hersencapillairen, en de hersenvloeistof buiten de cellen wiskundig beschrijft.
Binnen zo’n hersenblokje verdeelt een medicijn zich door eerst vanuit de bloedvaatjes de bloed-hersenbarrière te doorkruisen, waarna het zich vervolgens door de extracellulaire hersenvloeistof verder verspreidt en bindt aan zijn doelwitten. ‘Door meerdere van deze blokjes als bouwsteentjes aan elkaar te koppelen, kan je een groter deel van de hersenen beschrijven’, legt Vendel uit. ‘En door bepaalde hersenblokjes andere eigenschappen mee te geven dan anderen, kun je zelfs het effect van ruimtelijke verschillen binnen de hersenen bestuderen.’
Model op maat
Dat laatste is nuttig, want de ruimtelijke processen en eigenschappen van het brein kunnen per medicijn en patiënt anders zijn en daarbij veranderen als gevolg van ziekte. Door de hersenen abstract weer te geven in aanpasbare bouwblokjes, kan het model per patiënt en situatie op maat gemaakt worden.
Het onderzoek slaat een brug tussen twee vakgebieden, door wiskundige technieken te gebruiken om farmacologische processen beter te begrijpen. Vendel: ‘Het 3D brain unit model is de eerste in zijn soort en ik geloof dat we met ons 3D-model een solide basis hebben gelegd voor de beschrijving van de verspreiding van medicijn binnen ons complexe brein.’
Publicatie in PLOS ONE
Esmée Vendel, Vivi Rottschäfer & Elizabeth C. M. de Lange, A 3D brain unit model to further improve prediction of local drug distribution within the brain, PLOS ONE (23 september 2020)