小型豬動物模型在藥物發現中的應用

小型豬動物模型在藥物發現中的應用

作者：兩肩霜花 來源：葯智網微信

　　在藥物開發的非臨床研究階段，嚙齒類的小鼠和大鼠等，非嚙齒類的犬和猴等都是常見的用於藥效、毒理和葯代的研究動物，小型豬(Minipigs)模型的使用頻率雖然不多，但也由於自身的特點和優勢，可能成為越來越重要的研究和藥物開發動物模型。2016年發表的文章《Minipigs as models in drug discovery》闡述了小型豬模型的特點及其在藥物發現中的應用，筆者對其以卡片要點形式進行了進一步的整理，特與讀者分享。

1、簡介

　　☆監管機構對於藥物的開發和批准，需要基於嚙齒和非嚙齒類動物模型的試驗數據。

　　☆犬類和非人類靈長類動物(NHP)已經成為非嚙齒類大型動物模型的主要選擇，其中NHP通常被FDA視為動物模型的黃金標準。

　　☆豬模型是大量用於實驗室和藥物研究機構的大型動物模型。豬與人類在解剖學、生理學和生物化學方面具有相似性，並且豬模型被認為是生物醫學研究與開發中的轉化模型。

　　☆由於豬具有大量人類共有的膜轉運和酶蛋白質，因此特別適合應用於藥物的研究和開發。

　　☆由於品種不同，豬的大小和特徵可能有很大差異。在20世紀80年代被引進美國之前，小型豬在歐洲首次被用於醫學研究。此後，這些小型豬已被世界各地的研究人員所使用。

　　☆表1是從各國獲得專門用於研究目的小型豬。

　　☆與大型的家豬相比，小型豬在更早的時期達到性成熟。小型豬是一種遺傳定義的模型; 大多數品種，從早期發展到現在，都有記錄完整的種群歷史。

表1.作為各國藥物評價動物模型的小型豬品種

2.小型豬作為急性放射綜合征(ARS)和急性輻射暴露延遲作用(DEARE)的動物模型

　　☆開發用於ARS的小型豬動物模型對於了解輻射誘發的各種器官和組織的損傷至關重要。

　　☆已經證明在小型豬中觀察到類似於人類、NHP和犬類的造血ARS癥狀。全身γ輻射暴露的LD50(50%試驗動物輻射致死的劑量)約為1.7-2.0 Gy。處死後，動物顯示出多個器官功能障礙的徵兆，包括廣泛的內部出血。

　　(1)輻射誘發的胃腸道(GI)損傷

　　☆輻射誘發胃腸道損傷的特徵在於：隱窩細胞的破壞，絨毛高度和數量的減少，有絲分裂的減少，上皮細胞和粘膜的壞死，腹瀉，出血，潰瘍，以及後期的纖維化和梗阻。

　　☆由於高劑量輻射暴露後急性輻射損傷的臨床資料有限，因此GI-ARS仍然難以治療。因此，確定輻射引起的GI損傷的病理機制至關重要。大多數以GI-ARS為重點的研究已經通過使用嚙齒動物和NHP進行。然而，人和嚙齒動物之間存在著臨床，生理和解剖學上的差異。

　　☆相比之下，由於與人類相似的生理參數(例如傳遞時間和pH值)，以及與犬科動物相比不容易嘔吐，小型豬模型可以提供輻射誘發的GI損傷的相關結果。

　　☆使用小型豬模型，由於在研究過程中可以不處死動物進而可以採集連續的組織樣本，因此可以使動物之間的變化達到最小。

　　☆最近報道高劑量輻射誘導GI綜合征的結果表明，輻射小型豬血漿中的瓜氨酸水平可能是與輻射誘發的GI損傷特異性相關的生物標誌物。在這些研究中發現，腹部輻射照射後第1天至第17天，迴腸最明顯的變化是粘膜萎縮和毛細血管擴張。結構紊亂、絨毛損失和炎症被認為是微觀變化。血漿中瓜氨酸水平與微觀變化和粘膜損傷的內鏡評分呈正相關。

　　(2)輻射誘發的放射性肺損傷(DEARE)

　　☆由於核或放射性暴露導致的放射性肺損傷(DEARE)由於臨床資料不足，仍難以治療。

　　☆Gttingen小型豬已被用於建立單次高輻射劑量誘導的肺損傷模型，並採用基於胸部計算機斷層掃描(CT)方法來測定輻射誘發的肺損傷進展。

　　☆支氣管閉合不全，肺體積減少和小葉間隔增厚是三個可量化的用於監測輻射誘發肺損傷進展的CT參數，並且作為臨床前研究有價值的工具。此前研究人員是利用嚙齒動物模型進行這種研究。

　　☆然而在小葉、隔膜和胸膜的厚度和胸膜的血液供應方面，嚙齒動物的肺部病理學與人類的肺病理學具有很大差異。

　　☆NHP和犬也被用於研究放射誘導的肺損傷;不幸的是，犬肺雖然與嚙齒動物在解剖學上具有相似之處，但與人類卻不同。儘管NHP的肺與人之間在生理方面有相似之處，但在NHP中僅進行了有限的研究。

　　☆研究人員已經確定了輻射小型豬呼吸中的幾種揮發性有機化合物，可能作為潛在候選生物標誌物來評估γ輻射暴露。

3. Minipig作為非嚙齒動物毒理學模型

　　☆在過去三十年中，小型豬已經從一種模糊替代犬或NHP模型的方法，轉換到滿足非臨床研究中非嚙齒動物評價的要求，並且成為毒性研究中建立的動物模型。

　　☆由於與人體生理學的相似性，製藥行業非常重視小型豬用於毒性研究的非嚙齒動物模型。

　　☆小型豬目前已經被用於單劑量、重複劑量、畸形、生殖力評估以及吸收、分布、代謝和排泄研究的非臨床藥理學和臨床前研究。

　　☆小型豬適用於各種給藥方法，包括吸入、口服插管、飲食、皮膚、多次腸胃外注射途徑和連續靜脈輸注。這些特徵使得小型豬類似於犬類和NHP。

　　☆然而，小型豬作為藥物葯代動力學篩選的動物模型卻常常被忽略。

4. 用於其他障礙(心血管、胃和皮膚)和藥理學的小型豬模型

　　☆小型豬已被用作幾種臨床適應症的動物模型，例如心血管、代謝綜合征、消化(胃)和骨骼疾病、糖尿病、心臟病、皮膚病和急性和慢性腸道炎症。

　　☆一部分小型豬品種已被用於從血脂異常，動脈粥樣硬化到動脈內支架的研究。

　　☆一個普遍的問題是，大量的小型豬研究沒有使用明確的品種。

　　☆小型豬代表了人類在皮膚損傷和照射後基礎組織損傷方面相關的動物模型;在此模型中已經成功測試了可用於治療人類灼傷的間充質幹細胞。

　　☆根據最近在美國，歐盟和日本的研究中，小型豬動物模型正在逐步被監管方接受。

　　☆小型豬的胃腸道，特別是小腸和胃的解剖結構與人類結構類似，僅在小型豬結腸的螺旋取向和缺乏闌尾方面不同。儘管有這些差異，但原發腸道功能(營養和吸水和微生物發酵)與人類胃腸道相似。

　　☆先天和適應性免疫系統(粘膜和上皮內B和T淋巴細胞)的幾種免疫細胞和過程以及巨噬細胞對先天免疫激活劑的識別也與人類相似，從而使得小型豬成為腸道炎症研究的優秀模型。

　　☆與小鼠和人相比，小型豬具有豐富的上皮內和血漿γδT細胞。較高數量的γδT細胞受體使其成為研究這種T細胞譜系的有效模型，因為人和小鼠模型中低水平的γδT細胞受體不足以理解這些細胞如何快速響應於腸道中的細菌抗原。

☆此外，在醫療器械領域，小型豬被視為基於與人體血液學和心血管相似性的適當動物模型。小型豬也適用於評估植入後的局部效應。

5、小結

　　☆NHP是在遺傳同源性方面與人類最接近的物種。犬類易於處理，並且可以提供有關毒理學和安全性評估的綜合背景數據。然而，犬科動物容易嘔吐，使其不適合口服藥物評估。

　　☆儘管在製藥研究方面，小型豬模型比犬或NHP模型的使用頻率要低得多，但Gttingen小型豬由於其體積小、處理方便、表現出良好的基因型，與人之間的基因序列具有同源性，因此在過去幾十年中受到研究人員的歡迎。

　　☆已經反覆證明，沒有任何一個動物模型可以恰當地描繪人類所有的參數。因此，必須熟悉各種可用的動物模型，以便根據解剖學、生理學、代謝反應、遺傳學和免疫反應來選擇特定研究需要的最合適的模型。

　　☆傳統的犬和NHP可能是首選的模型; 然而在某些情況下，小型豬可能是理想的選擇。

　　☆例如在涉及皮膚成分的研究中，小型豬可能比任何其他動物模型更接近的模擬人類反應。

　　☆如果候選藥物被醛氧化酶、N-乙醯轉移酶或某些不能在犬科內表達的某些細胞色素P450酶代謝，這時小型豬也可能是選擇的模型。

　　☆犬缺乏有機陰離子轉運蛋白3(OAT3)，因此對於某些藥物需要較高的攝入量。

　　☆另一方面，如果硫酸化是候選藥物在人體代謝中的重要途徑，這時小型豬可能不是最佳的選擇。

　　☆為了擴大小型豬模型的轉化研究，需要不同品種的小型豬作為各種疾病模型進行評估。

　　☆雖然最近嘗試開發小型豬作為ARS動物模型已經取得令人滿意的進展，但Gttingen小型豬相對的放射敏感性引起了人們的關注。最近的研究表明，輻射誘導的彌散性血管內凝血可能是小型豬放射敏感性的一個促成因素。除了使用年輕動物複製兒科疾病外，還需要評估其他小型豬品種的放射敏感性。

　　☆另外一個擔心是監管機構缺乏小型豬模型的使用經驗。根據FDA動物有效性規則，在化學、生物、放射和核威脅藥物開發方面尤其重要。

　　☆非藥物行業不願意接受這種模型，而且在指南中很少推薦該模型。為了幫助監管機構採用這種藥物開發模式，額外的表徵是至關重要的，因為目前仍然存在主要差距，例如額外生物標誌物的開發和鑒定，以及用於分析各種參數的試劑盒和試劑的開發。一旦彌補了這些差距，小型豬群可能成為越來越重要的研究和藥物開發動物模型。

參考文獻

　　Vijay K. Singh, Karla D. Thrall & Martin Hauer-Jensen. Minipigs as models in drug discovery. Expert Opinion on Drug Discovery, 2016, 11:12, 1131-1134,DOI:10.1080/17460441.2016.1223039

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