We have investigated the transport characteristics of synthetic antioxidant and free radical scavenger, $\alpha$-phenyl-n-tert-butyl nitrone (PBN) at the blood-brain barrier (BBB) by in vitro uptake study in conditionally immortalized rat brain capillary endothelial cell line (TR-BBB). Also, the efflux of PBN from brain to blood is estimated using the brain efflux index (BEI) method. Choline is a charged organic cation, including nitrogen-methyl group and shows the carrier-mediated distribution to the brain. [$^3$H]Choline uptake by TR-BBB cells was significantly inhibited by PBN with $IC_{50}$/ of 1.2 mM, which appears to be due to similar structures between choline and PBN. And, PBN was microinjected into Par2 of the rat brain by BEI method, and was eliminated from the brain with an apparent elimination half-life of about 2 min. Also, [$^3$H]choline efflux was significantly inhibited by PBN using BEI method. In conclusion, the efflux transport of PBN takes place across the BBB and PBN may be transported into the brain and eliminated from the brain by BBB choline transporter.
Kang Young-Sook;Lee Kyeong-Eun;Lee Na-Young;Terasaki Tetsuya
Archives of Pharmacal Research
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v.28
no.4
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pp.443-450
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2005
In the present study, we have characterized the choline transport system and examined the influence of various amine drugs on the choline transporter using a conditionally immortalized rat brain capillary endothelial cell line (TR-BBB) in vitro. The cell-to-medium (C/M) ratio of $[^3{H}]choline$ in TR-BBB cells increased time-dependently. The initial uptake rate of $[^3{H}]choline$ was concentration-dependent with a Michaelis-Menten value, $K_{m}$, of $26.2\pm2.7{\mu}M$. The $[^3{H}]choline$ uptake into TR-BBB was $Na^{+}-independent$, but was membrane potential-dependent. The $[^3{H}]choline$ uptake was susceptible to inhibition by hemicholinium-3, and tetraethy-lammonium (TEA), which are organic cation transporter substrates. Also, the uptake of $[^3{H}]choline$ was competitively inhibited with $K_{i}$ values of $274 {\mu}M, 251 {\mu}M and 180 {\mu}M$ in the presence of donepezil hydrochloride, tacrine and $\alpha-phenyl-n-tert-butyl nitrone$ (PBN), respectively. These characteristics of choline transport are consistent with those of the organic cation transporter (OCT). OCT2 mRNA was expressed in TR-BBB cells, while the expression of OCT3 or choline transporter (CHT) was not detected. Accordingly, these results suggest that OCT2 is a candidate for choline transport at the BBB and may influence the BBB permeability of amine drugs.
In the present study, we examined how the transport of choline is regulated at the blood-brain barrier (BBB) under the central nervous system (CNS) cellular damages by oxidative stress using a conditionally immortalized rat brain capillary endothelial cells (TR-BBB), in vitro the BBB model. It was also tested whether the choline uptake is influenced by membrane potential, extracellular pH, protonophore (FCCP) and amiloride in TR-BBB cells. In result, $[^3H]choline$ uptake was inhibited by FCCP and dependent on extracellular pH. The treatment of TR-BBB cells with 20 ng/mL tumor necrosis $factor-{\alpha}$$(TNF-{\alpha})$, 10 ng/mL lipopolysaccharide (LPS), 100 ${\mu}M$ diethyl maleate (DEM) and 100 ${\mu}M$ glutamate resulted in 3.0-fold, 2.6-fold, 1.8-fold and 2.0-fold increases of $[^3H]choline$ uptake at the respective peak time, respectively. In contrast, hydrogen peroxide and raffinose did not show any significant effects on choline uptake. In addition, choline efflux was significantly inhibited by $TNF-{\alpha}$, LPS and DEM producing cell damage states. In conclusion, the influx and efflux transport system for choline existed in TR-BBB cell line and this process was affected by several oxidative stress inducing agents.
The blood-brain barrier (BBB) transport of acetylcholinesterase (AChE) inhibitors, donepezil and tacrine suggested to be mediated by choline transport system in our previous study. Therefore, in the present study, we investigated the interaction of other AChE inhibitors, rivastigmine and galantamine with choline transporter at the BBB. The effects of rivastigmine and galantamine on the transport of choline by conditionally immortalized rat brain capillary endothelial cell lines (TR-BBB cells) were characterized by cellular uptake study using radiolabeled choline. The uptake of [$^3H$]choline was inhibited by rivastigmine and galantamine, with $IC_{50}$ values (i.e. concentration necessary for 50% inhibition) for 1.13 and 1.15 mM, respectively. Rivastigmine inhibited the uptake of [$^3H$]choline competitively with $K_i$ of 1.01 mM, but galantamine inhibited noncompetitively. In addition, the efflux of [$^3H$]choline was significantly inhibited by rivastigmine and galantamine. Our results indicated that the BBB choline transporter may be involved in a part of the influx and efflux transport of rivastigmine across the BBB. These findings should be therapeutically relevant to the treatment of Alzheimer's disease (AD) with AChE inhibitors, and, more generally, to the BBB transport of CNS-acting cationic drugs via choline transporter.
Park, Hong-Mi;Lee, Kyeong-Eun;Lee, Na-Young;Kang, Young-Sook
Proceedings of the Korean Society of Applied Pharmacology
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2003.11a
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pp.106-106
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2003
Choline serves critical roles in the CNS both as a precursor of neurotransmitter and as an essential component of membrane phospholipids. The long-term maintenance of brain choline concentration is dependent on choline transport across the blood-brain barrier (BBB), And, we examined to elucidate the characteristics of transport of choline across the BBB using conditionally immortalized rat brain capillary endothelial cell line (TR-BBB) in vitro. The [$^3$H]choline in TR - BBB was increased by time dependently, but independent on Na$\^$+/, and the transport process is saturable with Michaelis-Menten constrant, Km of about 26 ${\mu}$M. The uptake of [$^3$H]choline is susceptible for inhibition by various organic cationic compounds including hemicholinium-3, tetraethylammonium chloride (TEA) and $\ell$-carnitine. Also, we investigated the relationship of transport of choline and cationic drugs. The uptake of [$^3$H]choline is inhibited by antioxidant, a-phenyl-n-tert-butyl nitrone (PBN) with IC$\sub$50/ of 1.2 mM. and by Alzheimer's disease therapeutics, such as acetyl $\ell$-carnitine, tacrine and donepezil. Also, choline uptake presented competitive inhibition with PBN, donepezil and acetyl $\ell$-carnitine in Lineweaver-Burk plot. In conclusion, TR-BBB cells express a saturable transport system for uptake of choline, and several cationic drugs may be transported into the brain by BBB choline transporter.
Imperatorin, a major bioactive furanocoumarin with multifunctions, can be used for treating neurodegenerative diseases. In this study, we investigated the characteristics of imperatorin transport in the brain. Experiments of the present study were designed to study imperatorin transport across the blood-brain barrier both in vivo and in vitro. In vivo study was performed in rats using single intravenous injection and in situ carotid artery perfusion technique. Conditionally immortalized rat brain capillary endothelial cells were as an in vitro model of blood-brain barrier to examine the transport mechanism of imperatorin. Brain distribution volume of imperatorin was about 6 fold greater than that of sucrose, suggesting that the transport of imperatorin was through the blood-brain barrier in physiological state. Both in vivo and in vitro imperatorin transport studies demonstrated that imperatorin could be transported in a concentration-dependent manner with high affinity. Imperatorin uptake was dependent on proton gradient in an opposite direction. It was significantly reduced by pretreatment with sodium azide. However, its uptake was not inhibited by replacing extracellular sodium with potassium or N-methylglucamine. The uptake of imperatorin was inhibited by various cationic compounds, but not inhibited by TEA, choline and organic anion substances. Transfection of plasma membrane monoamine transporter, organic cation transporter 2 and organic cation/carnitine transporter 2/1 siRNA failed to alter imperatorin transport in brain capillary endothelial cells. Especially, tramadol, clonidine and pyrilamine inhibited the uptake of [$^3H$]imperatorin competitively. Therefore, imperatorin is actively transported from blood to brain across the blood-brain barrier by passive and carrier-mediated transporter.
Paeonol has neuroprotective function, which could be useful for improving central nervous system disorder. The purpose of this study was to characterize the functional mechanism involved in brain transport of paeonol through blood-brain barrier (BBB). Brain transport of paeonol was characterized by internal carotid artery perfusion (ICAP), carotid artery single injection technique (brain uptake index, BUI) and intravenous (IV) injection technique in vivo. The transport mechanism of paeonol was examined using conditionally immortalized rat brain capillary endothelial cell line (TR-BBB) as an in vitro model of BBB. Brain volume of distribution (VD) of [$^3H$]paeonol in rat brain was about 6-fold higher than that of [$^{14}C$]sucrose, the vascular space marker of BBB. The uptake of [$^3H$]paeonol was concentration-dependent. Brain volume of distribution of paeonol and BUI as in vivo and inhibition of analog as in vitro studies presented significant reduction effect in the presence of unlabeled lipophilic compounds such as paeonol, imperatorin, diphenhydramine, pyrilamine, tramadol and ALC during the uptake of [$^3H$]paeonol. In addition, the uptake significantly decreased and increased at the acidic and alkaline pH in both extracellular and intracellular study, respectively. In the presence of metabolic inhibitor, the uptake reduced significantly but not affected by sodium free or membrane potential disruption. Similarly, paeonol uptake was not affected on OCTN2 or rPMAT siRNA transfection BBB cells. Interestingly. Paeonol is actively transported from the blood to brain across the BBB by a carrier mediated transporter system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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