Drug transport through the BBB

By Abdallah Muhammed Youssof, M.sc
Department of pharmaceutics, College of pharmacy, King Saud University

1. Drug Transport 
Through Blood 
Brain Barrier
Abdallah M. Youssof
PhD Student, College of Pharmacy, KSU
[email protected]

2. Content 1) Introduction 
2)Structure of the BBB
3)Functions of the BBB
4)Drug transport across the BBB
5)Approaches used to bypass the BBB
6) Models to study drug transport across the BBB
7)Recent advances
8)Conclusion and prospective
9)References
2

3. 3
INTRODUCTION

4. BBB ‐History
4

5. BBB ‐History
5

6. What is the Blood Brain Barrier? 
A physiological boundary between the bloodstream 
and central nervous system, preventing transfer of 
substances from plasma to brain.

Yentiset al, Anaesthesia and Intensive Care A‐Z
BBB ‐Definition
6

7. 7
STRUCTURE OF 
THE BBB  

8. 
Brain Microvascular 
Endothelial Cells (BMEC): 

Tight junctions (zonula 
occludens) 

Absence of fenestrations

High content of mitochondria

Astrocytes

Pericytes
Othercellularcomponents like neurons
and microglia play significant role
(immunefunction)
BBB –Morphology
8

9. BBB –Morphology
9
Cellular component Function
1. Endothelialcells 
(EC)
•Resides on the BM
•Forms a continuous sheet
•Covering the capillary surface 
•Interconnected by TJs
2. Astrocytes•Supportive and nutritive functions to the neurons
•Formation of the BBB and CNS injury repair (gliosis)
•Reuptake and processing of NTs 
3. Pericytes •Engulfed in the BM 
•Regulate endothelium 
proliferation, angiogenesis  & 
inflammatory processes
•Induce polarization of astrocyte endfeet
•In the absence of pericytesabnormal 
vasculogenesis, endothelial hyperplasia and 
increased permeability 

10. Brain capillaries vs. general capillaries
10

11. Brain capillaries vs. general capillaries
Characteristic BBB Capillaries
1. Tight junction resistance 5 ‐10 ohm/cm²2000 ohm/cm²
2. Fenestration/cleftsNo Yes
3. Vesicular transportDeficient Abundant 
4. PinocytosisRare Abundant 
5. Mitochondria Abundant (5 times 
greater)
Rare 
6. Tight junction++++++ (
x50‐100 tighter 
than periphery
)
+
7. Selective transport++++++‐
8. Astrocytefoot process++++++‐
11

12. Maintenance of the Integrity of BBB
12
Maintain 
integrity 
of BBB
Tight 
Junctions
Astrocytes
Pericytes

13. Regions of brain not enclosed by BBB
13
These are regions which need to respond 
to factors present in systemic circulation

14. Regions of brain not enclosed by BBB
14

15. 15

16. BBB –Dual Function
Barrierfunction and a Carrierfunction 
BBB Function Description 
A. Carrier function•Small lipid molecules and blood gases like 
O2 and CO2 diffuse passively
•Glucoseand amino acids require active 
transport (transport proteins)
B. Barrierfunction
1. Paracellularbarrier•Made by endothelial TJ 
•Restricts the free movement of H2O sol subs.
2. Transcellular barrier 
(low level of endo‐& transcytosis)
•Made by the absence of microvesicles
•Inhibits transport into the cytoplasm 
3. Enzymatic (metabolic) 
barrier 
•Enzymes (esterase, phosphatase, peptidase, 
MAO)
•Degrading different compounds
4. Cerebral endothelium •Large no. of efflux transporters (ABC, P‐gp)
16

17. BBB –Overall Functions
1) Protection of the brain from endogenous and 
exogenous toxins
2) Maintenance of the local environment of the 
neurons in the CSF constant
3) Preventing the escape of local NTs into the 
general circulation 
17

18. 18
SELECTIVITY OF 
THE BBB  

19. Selectivity of the BBB

General Properties of the BBB
1.
Large molecules do not passthrough the BBB easily. 
2.
Low lipid (fat) soluble molecules do not penetrateinto the 
brain. (lipid soluble molecules rapidly cross the BBB into the 
brain) 
3.
Molecules that have a high electrical charge to them are 
slowed.
19

20. Permeability of the BBB
20
BBB 
Permeability
Highly permeable 
Water and  Gases 
(O2 & CO2) 
Small lipid soluble  Small lipid soluble 
(alcohol & 
anesthetics)
Impermeable 
  
Polar substances  
(plasma proteins,  
cholesterol & bile 
pigments) 

21. Factors regulating passage across the 
BBB
21
Factors regulating passage 
across the BBB
LIPID SOLUBITLITY
DEGREE OF 
IONISATION
DEGREE OF PLASMA 
PROTEIN BINDING
High lipid 
solubility 
Greater 
access
Ionized 
drugs at pH 
7.4  less 
access
In bound 
state too 
large to cross 
BBB

22. Optimal parameters for a compound to 
passively cross the BBB
22
Optimal parameters for a 
compound to cross the BBB
Highly lipophilic (log p = 
2)
Unionized 
Molecular weight < 400 
Da
High concentration
Hydrogen bonds between 
8‐10

23. 23
DRUG 
TRANSPORT 
ACROSS THE BBB  

24. 24
Schematic representation of the transport of molecules across the BBB

25. Overall transport routes across the BBB
25
H2O, O2, CO2, NO, steroid 
hormones, alcohol & anesthetics
Thyroid hormones, 
choline & organic acids
Cell penetrating 
peptides (CPP)

26. Overall transport routes across the BBB
26
Transport mechanism Description
1. Paracellular(aqueous) 
diffusion
•Diffusion of subsbetween the cells
•Non‐saturable& non‐competitive 
•Due to the TJ, only small H2O‐
soluble molecules can diffuse
2. Transcellular (lipophilic) 
diffusion 
•Diffusion of subsacross the cells
•Similar to paracellulardiffusion 
•High lipophilic subs with a 
molecular weight < 450 greater 
diffusion 
•Hydrogen 
bonding is a major factor 
(if sum of O & N atoms in a 
molecule  is 5 or less high 
probability of entering the CNS

27. Overall transport routes across the BBB
27
Transport mechanism Description
3. Carrier‐mediatedtransport 
(transport proteins)
•Solutes (glucose or aa) bind to protein 
transporters (GLUT1, LAT, MCT & 
nucleoside transporter) 
•Efflux pump (ABC & MRP) is a major 
obstacle for the accumulation of various 
active molecules 
4. Receptor‐mediated 
transcytosis(RMT)
•IGF‐I& II, angiotensin II, ANP & BNP, 
IL‐1, LDLR and transferrin
•Insulin, cytokines, transferrin & leptin 
5
. Adsorptive‐mediated
transcytosis(AMT)
•Initiated bycharge‐charge interaction 
between cationic subs & negative 
charges on the surface of ECs
•Starts with uptake via Clathrin‐coated 
pits or Caveolae(ATP‐dependent)

28. Transporters at the BBB
28

29. Ligands Targeting Transcytosisfor Drug Delivery across the BBB
29
No. ligand Target receptor
1Transferrin TfR
2Melanotransferrin (p97) LDLR
3Insulin Insulin receptor
4LDL LDLR
5Lactoferrin, tissue plasminogen 
activator (tPA)
Low‐density lipoprotein receptor‐related 
protein (LRP) 1 & 2
6Leptin (regulator of body weight) specific receptor ObR
7Thiamin (3H or Vit B1) Thiamin transportr
8Glutathione
9Synthetic Opioid Peptides specialized Peptide Transport System (PTS)
10Rabies virus glycoprotein (RVG) N‐acetylcholine receptor
11
Tetanus Toxin, Tet1 and G23 GT1b, the receptor for TeNT
12non‐toxic analog of the diphteria
toxin (DT), CRM197
HB–EGF (membrane‐bound precursor of 
heparin‐binding epidermal growth factor)
13TAT peptide (CPP) CPPs adsorb strongly to the negatively 
charged cell surface

30. 30
Can BBB Be Bypassed?

31. Getting drugs across the BBB
31
What are the potential solutions?

32. Approaches for brain targeted drug delivery 
32
CNS Drug Delivery Approaches 
Invasive Techniques 
Non Invasive Techniques Miscellaneous  Techniques 

33. 33

34. A‐Invasive Approaches
34

35. A‐Invasive Approaches
35
•Wide range of compound and formulation can be considered for ICV 
or IC administration.
•Both large and small molecules can be delivered.

36. A‐Invasive Approaches
I. INTRA CEREBRAL IMPLANTS 
Delivery of drugs directly into the brain parenchymal space

Drugs can be administered by:
‐Direct injection via intrathecal catheter
‐Control release matrices & Microencapsulated chemicals.

The basic mechanism is diffusion.

Useful in the treatment of brain tumor and Parkinson’s Disease, etc.

Example:
1. Intrathecal injection of baclofen for spasticity
2. Infusion of opioids for severe chronic pain
36

37. A‐Invasive Approaches
I. INTRA CEREBRAL IMPLANTS 
Limitations:
1.
Distribution in the brain by diffusion decreases
exponentiallywithdistance.
2.
The injection site has to be very precisely mapped to get
efficacy and overcome the problem associated with
diffusionofdrugsinthebrain.
37

38. A‐Invasive Approaches
II. INTRA CEREBRO VENTRICULAR INFUSION 
Drug is infused using anommaya reservoir, a plastic reservoir implanted S.C.ly in the scalp and connected to
ventricles
38
Example:  Glycopeptideand 
aminoglycoside antibiotics 
used in meningitis.

39. A‐Invasive Approaches
II. INTRA CEREBRO VENTRICULAR INFUSION 
Limitations:
1.
Thediffusionof thedruginthebrainparenchymaisvery
low.
2.
Unless the target is close to the ventricles, it is not an
efficientmethodofdrugdelivery.
39

40. A‐Invasive Approaches
III. BBB DISRUPTION  i.
Exposure to X‐irradiation and infusion of solvents such 
as dimethyl sulfoxide, ethanol.
ii.
Osmotic disruption: 
40
Example: Intracarotidadministration of 
a hypertonic mannitol solution with
subsequent administration of drugs 
increase drug concentration in brain 
and tumor tissue

41. A‐Invasive Approaches
III. BBB DISRUPTION  i.
Exposure to X‐irradiation and infusion of solvents 
such as dimethyl sulfoxide, ethanol.
ii.
Osmotic disruption.
iii.
MRI‐guided focused ultrasound BBB disruption: 
41
Example: distribution of 
Herceptinis increased in 
brain tissue by 50% in a 
mice model

42. A‐Invasive Approaches
Limitations of Invasive Approaches: i.
Relatively costly
ii.
Require anaesthesiaand hospitalization.
iii.
It may enhance tumor dissemination after successful 
disruption of the BBB
iv.
Neurons may be damaged permanently from unwanted 
blood components entering the brain
42

43. •Opening BBB’s TJ can occur in:
a) Traumatic brain injury, 
b) Ischaemicstroke, 
c) Septic encephalopathy & Tumor
increased BBB permeability Cerebral Edema 
43

44. Altered blood–brain barrier transport 

Inflammationandimmune‐related eventsareamongstthe
bestdescribedprocessesthatcausedisruptionoftheBBB.

AssociatedwithCNSdisorderssuchasAlzheimer’sdisease,
stroke,andmultiplesclerosis.
44

45. Altered blood–brain barrier transport 
1. Alzheimer’s Disease (AD): •
Associated with the loss of cholinergic input (low availability of
acetylcholinereceptor).
•
Current AD therapy:Donepezil(an acetylcholinesterase inhibitor)
improvescognitionbyenhancingacetylcholinebioavailability.
•
Donepezil crosses the BBB through theorganic cation transporter,
althoughP‐gplimitstherapeuticconcentrationsof acetylcholinesterase
inhibitorsinthebrain.
45

46. Altered blood–brain barrier transport 
46

47. Altered blood–brain barrier transport 
2. Multiple Sclerosis (MS): •
A
chronic inflammatory disease of the CNS, marked by infiltration of
monocyte‐derived macrophagesinthebrainparenchyma.
•
Characterized by massive influx of activated monocyte‐derived
macrophages, which subsequently induce BBB breakdown (leakage
andalterationsof TJproteinshighBBBpermeability).
47

48. Altered blood–brain barrier transport 
48

49. Altered blood–brain barrier transport 
3. Parkinson’s disease (PD): •
Increased permeability of the BBB has been shown in PD patients. 
4. Stroke: •
Increasedendocytoticactivityhasbeenobservedinstrokemodels.
5. Meningitis: •
Inflamed meningesdisrupt blood‐brainbarrier
•
This increase penetration of various substances (including
antibiotics)intothebrain
•
3rd generation cephalosporin or 4th generation cephalosporin is
preferred.
49

50. Altered blood–brain barrier transport 
6. Tumours: •
Leaky BBB
•
Increased nutrients, increased growth
7. Infiltration:
•
Infection
•
Increased antibiotic permeability
8. Ischaemia:
•
Cellular damage
•
Increased water, oedema
50

51. Altered blood–brain barrier transport 
Summary •
In CNS diseases,induction of endocytoticactivity is
plausible.
•
Changes in endocytotic activityof diseased CNS
endothelial cells mayaffect adsorptive mediated
endocytosisandthereceptor‐mediatedendocytosisaswell.
•
SeveraltransportersattheBBBarealteredormodulatedby
immune‐relatedandinflammatory‐relatedevents.
51

52. B‐Non Invasive Approaches

I. Chemical Approaches
i. Prodrug
52
Esterification or amidationof hydroxy‐, amino‐, or carboxylic acid‐containing
drugs, may greatly enhance lipid solubility and, hence, entry into the brain

53. B‐Non Invasive Approaches

I. Chemical Approaches
i. Prodrug

Improve solubility and membrane permeability.

Examples:levodopa, valproate

Heroin, a diacylderivative of morphine, is a notorious 
example that crosses the BBB about 100 times more easily 
than its parent drug just by being more lipophilic.

Limitations: 
Adverse pharmacokinetics and increased molecular weight
53

54. BBB –Dual Function

Unable to use DOPAMINE to treat Parkinson’s Disease 
54
‐Ionized at pH 7.4 
‐Metabolized by MAO
L‐Dopa + Dopadecarboxylase inhibitor
(Unionized)                         (Ionized)

55. B‐Non Invasive Approaches

I. Chemical Approaches
ii. Co‐drug

Co‐administration of BBB AET inhibitors increased 
brain permeability of drug that is normally excluded from 
brain by a BBB AET.

Example: 
Increased brain penetration of paclitaxel (taxol®)by co‐
administration of the P‐gpinhibitor, psc‐833(valspodar)
55

56. B‐Non Invasive Approaches

I. Chemical Approaches
ii. Co‐drug
56

57. B‐Non Invasive Approaches

II. Biological Approaches
i. Carrier‐Mediated Transport

Example of drugs transported via LAT1:
‐Melphalanfor brain cancer
‐Alpha methyl dopafor high blood pressure
‐Gabapentin for epilepsy
‐L dopafor parkinsonism
57

58. B‐Non Invasive Approaches

II. Biological Approaches
ii. Receptor/Vector‐Mediated Transport
58
Vector
Linker
Drug
> Mab
> Endogenous 
RMT ligands.
Large 
molecular 
drugs
> PEG
> Avidin‐
biotin

59. B‐Non Invasive Approaches

II. Biological Approaches
ii. Receptor/Vector‐Mediated Transport

Chimeric peptides are transported to brain by
transcytosisthroughpeptidespecificreceptor
59

60. B‐Non Invasive Approaches

III. Colloidal (vsesicular) Systems
i. Nanoparticles

Nanocapsules(a reservoir system) andnanospheres(a
matrixsystem)

Polysorbate coated nanoparticles can mimic LDL to cross
BBB

Polyoxyethylene sorbitan monooleate coated
nanoparticlescontainingdrugeasilycrossBBB.
60

61. B‐Non Invasive Approaches

III. Colloidal (vsesicular) Systems
i. Nanoparticles

Mechanismsoftransport:
1.
Adhesion
2.
FluidizationofBBBendotheliumbysurfactants
3.
OpeningofTJ
4.
Transcytosis/endocytosis
5.
BlockageofP‐gp
61

62. B‐Non Invasive Approaches

III. Colloidal (vsesicular) Systems
i. Nanoparticles

Advantagesof usingnanoparticlesforTargetingCNS
1.
Protect drugs against chemical and enzymatic degradation
2.
Small size ‐‐‐penetrate into even small capillaries ‐‐‐taken up within 
cells ‐‐‐drug accumulate at the targeted sites
3.
Biodegradable materials ‐‐‐allows sustained drug release at the 
targeted site
62

63. B‐Non Invasive Approaches

III. Colloidal (vsesicular) Systems
i. Nanoparticles

Limitations of using nanoparticles for CNS targeted
delivery:
1.
Small size and large surface area ‐‐‐particle‐particle 
aggregation ‐‐‐physical handling of nanoparticles 
difficult in liquid and dry forms
2.
Small particles size and large surface area readily result in 
limited drug loading and burst release. 
63

64. B‐Non Invasive Approaches

III. Colloidal (vsesicular) Systems
ii. Liposomes

Lipid based unilamellaror multilamellarvesicles
64
Transport:
receptor/adsorptive 
mediated transport

65. B‐Non Invasive Approaches

III. Colloidal (vsesicular) Systems
ii. Liposomes
65
If coated with mannose reaches brain tissue where 
mannose coat assists transport
Addition of sulphatideto liposome increases availability

66. C‐Miscellaneous Approaches

I. Intranasal (Olfactory) Delivery 
66

67. C‐Miscellaneous Approaches

I. Intranasal (Olfactory) Delivery 
67
Olfactory 
pathways 
Olfactory 
nerve 
pathway
Endocytosis Olfactory bulb
Pinocytosis
Olfactory 
epithelial 
pathway 
Paracellular
Perineural
space and 
subarachnoid 
space (CSF) 
Slow route Faster route

68. C‐Miscellaneous Approaches

II. IontophoreticDelivery 

Introduction of ionized molecules into tissues by 
means of an electric current

Known as transnasaliontophoreticdelivery
68

69. C‐Miscellaneous Approaches

III. Monocytes

Used as a Trojan Horse

Ideal endogenous carriers

Express certain receptors involved in RME upon 
interaction with suitable ligands
69

70. CNS Drug Delivery Approaches
70

71. Marketed Formulations
71

72. 72
RECENT ADVANCES

73. Recent Advances
1) Dendrimers
2) Polyanhydrides
3) Lipoplexesand Polyplexes
4) Scaffolds
5) Convection‐enhanced delivery
6) Modified nanoparticles
:

Multifunctional nanoparticles

Magnetic nanoparticles
73

74. Recent Advances
74

75. 75
MODELS TO STUDY 
DRUG
TRANSPORT ACROSS 
THE BBB

76. A‐In vitro techniques
76
1. Primary Brain MicrovesselEndothelial Cells: 
Bovine and porcine brain microvesselendothelial cells, BBMECs and 
PBMECs (most common)

Two systems:
a. Side‐by‐side diffusion chamber 
Cells are isolated from bovine brain, grown on polycarbonate membrane 
and mounted between two water‐jacketed, thermally controlled 
chambers

77. A‐In vitro techniques
77
1. Primary Brain Microvessel Endothelial Cells:
;hgfkvj
Jhgf
Lkjhgf
Lkjhg
;lkjhg
Kjhg

78. A‐In vitro techniques
78
1. Primary Brain Microvessel Endothelial Cells:
b. Transwell culture plates
Cells are grown on polycarbonate insert tray that fits within a larger 
multiwelled culture plate

79. A‐In vitro techniques
79
2. Immortalized Cell Lines:

80. A‐In vitro techniques
80
2. Immortalized Cell Lines:

81. A‐In vitro techniques
81

82. A‐In vitro techniques
82
Item Primarycells Immortalized Cell 
Lines
1. Time for confluency14 days 7 days
2. Isolation Yes Not 
3. Workload Much  (time and 
labor intensive)
Less 
4. TJsComplete Incomplete (leaky)

83. B‐In vivo techniques
83
1.
Intravenous Injection Methods (most common):

I.V. adminstarationof drug to animal drug  conc. is 
determined at different times in the brain, plasma, and CSF

84. B‐In vivo techniques
84
2. Brain Perfusion Techniques: •
Using perfusion pump drug is infused into the heart or a major 
vessel leading directly to the brain animal decapitated and drug 
amount is determined in the brain 
•
Inhibitors for metabolic enzymes and/or efflux transporters can be 
introduced into the perfusateto clarify their role
•
Effect of protein binding can be evaluated by controlling the albumin 
conc. in the perfusate

85. B‐In vivo techniques
85
3. Tomographic Methods: •
Using positron emission tomography (PET) 
•
To study brain uptake kinetics, cerebral blood flow, 
BBB integrity, and efflux mechanisms

86. B‐In vivo techniques
86
4. MicrodialysisSampling: 
to investigate drug transport and metabolism of at the 
BBB

87. 87
Conclusion and 
Prospective

88. Conclusions
88
•
The treatment of brain diseases is particularly challenging
becausethedeliveryofdrugmoleculestothebrainisoften
precluded by a variety of physiological, metabolic and
biochemicalobstaclesthatcollectivelycomprisetheBBB.
•
Drug delivery directly to the brain has recently been
markedly enhanced through the rational design of
polymer‐baseddrugdeliverysystems
.

89. Future Prospective
89
•
Lackoftrainingtobraindrugtargetingspecialistsandlack
of prominence in pharmaceutical industries are some of
theobstaclesinfutureprogressinthisarea.
•
Future developments include identification of new BBB
transporters, application of genomics and proteomics and
stem cell therapy and emphasizing on development of
novelimagingagents.
•
This area requires innovative approach and constant
research.

90. 90
References

91. Reference
1. Zlokovic, B.V., 2008. The blood‐brain barrier in health and  chronic 
neurodegenerative disorders. Neuron, 57(2), pp.178‐201.
2. Mehmood, Y., Tariq, A. and Siddiqui, F.A., 2015. Brain targe ting Drug 
Delivery System: A Review. International Journal of Basic Medic al Sciences 
and Pharmacy (IJBMSP), 5(1).
3. Misra, A., Ganesh, S., Shahiwala, A. and Shah, S.P., 2003. D rug delivery to 
the central nervous system: a review. J Pharm PharmSci,6(2), pp.252‐273.
4. Reichel, A., Begley, D.J. and Abbott, N.J., 2003. An overvie w of in vitro 
techniques for blood‐brain barrier studies. In The Blood‐Brain  Barrier (pp. 
307‐324). Humana Press.2. 
91

92. Reference
5. Stanimirovic, D.B., Bani‐Yaghoub, M., Perkins, M. and Haqqan i, A.S., 2015. 
Blood–brain barrier models: in vitro to in vivo translation in  preclinical 
development of CNS‐targeting biotherapeutics. Expert opinion on  drug 
discovery, 10(2), pp.141‐155.
6. Aday, S., Cecchelli, R., Hallier‐Vanuxeem, D., Dehouck, M.P.  and Ferreira, L., 
2016. Stem cell‐based human blood–brain barrier models for drug  
discovery and delivery. Trends in biotechnology, 34(5), pp.382‐ 393.
7. KuhnlineSloan, C.D., Nandi, P., Linz, T.H., Aldrich, J.V., A udus, K.L. and Lunte, 
S.M., 2012. Analytical and biological methods for probing the b lood‐brain 
barrier. Annual Review of Analytical Chemistry, 5, pp.505‐531.
92

93. Reference
8. GUPTE, A.H. and KATHPALIA, H.T., 2014. Recent advances in br ain targeted drug 
delivery systems: A review. International Journal of Pharmacy a nd 
Pharmaceutical Sciences, 6, pp.51‐57.
9. Schenk, G.J. and de Vries, H.E., 2016. Altered blood–brain b arrier transport in 
neuro‐inflammatory disorders. Drug Discovery Today: Technologie s, 20, pp.5‐
11.
10. Georgieva, J., Hoekstra, D. and Zuhorn, I., 2014. Smuggling  drugs into the 
brain: an overview of ligands targeting transcytosisfor drug de livery across the 
blood–brain barrier.Pharmaceutics,6(4), pp.557‐583.
93

94. Reference
11. https://www.slideshare.net/AbhinavKumar14/blood‐brain‐barrier‐5 0020002 12. https://www.slideshare.net/ShashankSoni/brain‐targeted‐drug‐
delivery?qid=4d1fa621‐fa5e‐4990‐8a69bb8030f7c5eb&v=&b=&from_search=1
13. https://www.slideshare.net/VARSHAAWASAR/brain‐targeted‐drug‐del ivery‐
system?qid=4d1fa621‐fa5e‐4990‐8a69‐bb8030f7c5eb&v=&b=&from_search=2
94

95. 95