药物研发中的啮齿类动物模型

发布时间:2014-09-16    来源:lifeomics      

对小鼠及人类行为模式进行监测

在认知能力研究方面,研究者们采用动物实验取得了很大的进展。下一步要做的是,希望能够建立一个可以用于药物研发的啮齿类动物模型。

1997年,Patricio O’开始在奥尔巴尼医学院(Donnell Albany Medical College)拥有自己的实验室。那个时候,精神分裂症的研究似乎在经历了长时间的停滞后,又开始有了一些进展。

几十年来,在精神分裂症研究领域,人们一直都认为其致病原因是由于大脑内的多巴胺浓度的提高,尤其是大脑内纹状体区域的多巴胺浓度,纹状体是位于大脑皮质层之下的一小块区域。到20世纪90年代,人们发现多巴胺致病理论并不完全,无法全面地解释精神分裂症的致病机制。通过体内成像技术,例如计算机断层摄影(CT)及磁共振成象(MRI)的检测,以及对精神分裂症患者死亡后的研究数据分析,都表明还有其它的大脑皮层相关的效应及诸如谷氨酸、五羟色胺等神经递质系统因素参与致病。生物学家也开始构建转基因小鼠患病模型,从而对该疾病的遗传学及病因学因素进行研究。

这些进展为研究者提供了新的视角和通过动物模型进行研究的新方法。在研究精神分裂症时所使用的经典啮齿类动物模型中,研究者会给动物注射安非他命——该物质可以提高神经突触处多巴胺的浓度,从而使人产生幻觉、妄想等症状——然后对其行为进行监测,观察是否存在活动过度或者被动回避等行为。随着研究的进展,研究者们开始使用其它药物,例如苯西克定(PCP)和氯胺酮(K粉),这两种药物都可以干扰谷氨酸受体NMDA。研究者还可以敲除特定基因,例如那些负责编码神经递质受体的基因,从而进行相关的研究。

O’Donnell对其中一个方法很感兴趣,在这个方法里需要对新生动物的大脑海马区进行化学破坏。新生的啮齿类动物在接受这一干预后,起初行为正常,但是随着时间的推移,它们开始出现社交退缩,对应激源反应过度等问题,其死后对其大脑组织进行分析,可以发现这些动物大脑皮层出现了一些生理改变。这些结果都与逐渐为人们所认可的假说:精神分裂症是一种发展性的失调相吻合。“在我看来,非常神奇的是,尽管大脑的损伤在很早的时候就出现了,但是行为的异常一直到青少年阶段才会发生,” O’Donnell说,他目前任辉瑞制药公司神经科学部精神病学及行为异常组负责人及副总。

自那以后,模拟精神分裂症症状或者潜在生理效应的方法越来越多。全基因组测序的出现,使得研究者们可以轻易地准确找到疾病相关基因,从而在小鼠模型中将其敲除或者进行干扰。也有研究者将目光投向环境应激因子,例如胎儿期的感染、成长早期的社交孤立、应激或创伤等。也有人给动物服用诸如安非他命、氯胺酮及PCP等药物。还有研究者开始将这些措施结合起来——给那些不携带精神分裂症相关基因的小鼠施加环境压力。

尽管已经出现了如此之多的新方法、新手段,但是当谈到药品研发时,我们就会问一个问题:什么才是最好的模型?“有这么多的风险因子,这么多的变量——多巴胺系统、五羟色胺、GABA,你随口就能说一个,”Thomas Steckler说。他是位于比利时贝尔斯的杨森研发公司的一名行为神经科学家,从事药物研发工作。“只是我们不知道什么才是最好的模型。”

打破同类药品的藩篱

动物模型具有两个功能组件:第一,可操控性:用于模拟疾病的特点;第二,可检测性——对行为模式或其它方面的检测——用于衡量对模型的操控所产生的改变。精神分裂症领域的研究者们对于后者的掌握已经有了很大的进展,但是对于前者,则还停留在不甚明了的阶段。

一直以来,精神分裂症的药物研发主要集中于针对精神错乱和妄想症,因为这两类药物是目前市场上仅有的两类抗精神病药物,研发得到的新药可以方便地与其对比。当然,意料之中的是,这种策略并不理想。“如果你只是不断地制造出已经存在的东西,并加以比较,怎么可能有什么进展呢?” 匹兹堡大学的一名神经科学家Bita Moghaddam说。“在过去的四五十年里,我们所做的一切不够时不断生产出‘我也是’类的药物罢了。”

在最近15年里,越来越多的研究表明,精神分裂症除了精神错乱之外,还有同等重要的其它主要症状:工作记忆困难,注意力难以集中,及其它认知性的障碍。药物研发策略也随之改变,很多动物模型的构建思路也更加直接。“模拟精神错乱或者负性症状——例如情感淡漠,缺乏动力等——十分困难,但是我们对认知能力和大脑系统的了解还是很多的,也知道其如何与人类大脑相比较,”剑桥大学的认知神经科学家Trevor Robbins说。

包括他的实验室在内的一些研究者已经构建出一套方法,对动物的认知过程进行行为学检测,并能够与精神分裂症患者的认知性检测相匹配。例如,其中一个实验是,在小鼠所在的笼子里,设置五个位点,在这五个位点可以进行短促的刺激,研究者对小鼠面对刺激的反应精确程度进行检测,同时也观察在刺激发生前,小鼠如何克制自己的反应冲动。两个主要合作项目以针对认知障碍的药物研发为目标,目前致力于对这些任务进行验证,以便使研究者可以确定自己的方法和研究方向是否正确。在美国,研究者们正在参与一个叫做“为提高精神分裂症患者认知能力而进行的认知神经科学治疗研究(CNTRICS)”的项目,由美国国家心理卫生研究所进行资助。近日,研究者们刚刚就最能够准确反映六种不同认知及行为障碍的研究项目达成一致,这些障碍包括工作记忆、执行能力及行为动力等。

与此同时,作为一项已持续五年,投入资金达2000万欧元(2800万美金),于2009年在欧洲启动的合作项目的一部分,包括杨森、礼来、诺华等公司在内的八个业内巨头共同合作,旨在建立一套可用于新药的临床前试验的标准方法。该合作项目被称作NEWMEDS(Novel Methods leading to New Medications in Depression and Schizophrenia),也吸引了越来越多的参与者进行同样的试验,以确保其方法的可靠性。“我们从目标识别开始做起,”Mark Tricklebank说,他是礼来公司的一名行为神经科学家,目前负责NEWMEDS项目中动物模型分支的协调工作。“我们发现每个人在进行相关实验时,在具体方法上都会有一些细小的差异,”他说。例如,研究者们使用了不同大小的实验空间,或者实验对象大小不同,又或者是在一天的不同时间点进行了监测等。

NEWMEDS在每个试验方法的标准化过程中,都要花费数月的时间,从而得到最后的定稿。CNTRICS和NEWMEDS所使用的方法上有很多共同之处,但是,由于NEWMEDS的目标是作为制药行业检测标准方法的,因此其更偏向于简单便捷的方法。

“我们目前所处的阶段是,可以科学地对可与人类认知模块相匹配的动物行为进行检测,至少我们自己是这样认为的,”Steckler说。然而,如何在动物模型上构建出药物治疗所针对的缺陷,要困难得多,他说。

病因与缺陷

O’Donnell表示,有这么多操控性的方法可以选择,研究者们可以构建很多方法对各类生物学基础的假说进行验证。例如,精神分裂症的一个特点是,在额叶皮质区的中间神经元的数目大幅减少,这一特征在许多动物模型中也存在。为了证实以这一机理作为靶向进行治疗,是否可以根治疾病的相关症状,就需要研究者把各类研究中的药物在动物模型上进行试验。但到目前为止,制药业内采取的方法还是传统旧式的方式,用药物诱导模型产生相应的症状。尽管制药公司也会采用来自动物模型实验的结果,但是使用生物特异性基础的模型还没有形成气候,O’Donnell说。

那的确很困难,Steven Siegel指出,他是宾夕法尼亚大学转译神经科学项目负责人。他透露已经有制药公司的研究者开始与他的研究团队联系,就具有应用前景并可重复的动物模型进行讨论,一些公司已经准备投入大量资金开展相关合作。

而另一方面,制药公司的研发人员认为那些来自学术界的研究结果并不总是能够被重复出来。Steckler举了一个例子:一位科学家发现,已经敲除了精神分裂症致病风险基因的小鼠,也会出现认知性的缺陷。“在学术界,这个结果并不令人困扰;因为你所需要的,就是把这些发现发表出去,”Stecker说。但是,在制药业,则完全不同,我们需要的是可重复的、足够强大的数据支持,他说。而且还有一个问题:如果没有可以提高精神分裂症患者认知能力的药物,那么动物模型的检测就无法有效进行。

NEWMEDS除了在认知能力领域的项目之外,还希望能够在动物模型方面有所突破。该组织目前正在努力建立一个有关创伤操作的标准化方法,给怀孕的小鼠或者大鼠注射MAM(methylazoxymethanol acetate),这一物质可以在胚胎发育阶段阻断细胞分裂。由于海马区创伤,动物在成长至青少年期时,就会出现很多精神分裂症的典型特征,例如大脑皮层过薄、心室膨大,额叶皮质区的中间神经元数目减少以及认知能力的改变。

对小鼠及人类行为模式进行监测。

尽管在操作过程中,尽可能保持各类变量的一致性,例如动物的饲养、药物注射的用具与用量等,但是不同研究组得出的结果还是有所不同,有些动物甚至完全没有显示出该有的改变。当一年后要对其进行检测时,问题就来了。“困难在于如何准确判断使用哪些动物,进行药物治疗;只有选择那些的确存在缺陷的动物,才能用于药物试验,以便得出令人信服的结果,”Tricklebank说。该研究小组把各种手段结合在一起,例如大脑激活,以及其它可以反映药物是否具有疗效的生理学方法。Tricklebank指出,遗传学模型也同样面临同样的问题,他希望在资助基金于2014年下半年到期前,能够获得几个标准化的操作方法。

Tricklebank说,即使上述难题都得以解决,还有一个很大的问题:在动物体内的药物活性是否能够等同于人体内的药物活性呢?当然,要走向成功,只能一步一步地朝前走,一个问题一个问题地去解决。NEWMEDS项目动物模型组的负责人Robbins说道“在我看来,我们刚刚站在解决这些问题的起点上。”



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