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斑马鱼幼虫肝脏代谢的系统药理学研究

2019年03月01日 浏览量: 评论(0) 来源:Drug Discovery Today: Disease Models Volume 22, Winter 2016, Pages 27-34 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:种间药理学过程的翻译需要改进,以减少药物开发中的消耗。系统药理学将系统生物学和药理学相结合,以表征和量化不同种类药物暴露后的系统特定行为。斑马鱼是一种适合于系统药理学的脊椎动物模型生物,与高等脊椎动物具有高通量潜能和高遗传同源性。斑马鱼的幼虫越来越多地被用于药物筛选,但对其体内药物和代谢产物暴露的影响却鲜有研究。量化这种内部暴露对于建立翻译所需的暴露反应和剂量-暴露关系至关重要。斑马鱼也可以作为肝毒性发生和肝功能不全对药物代谢影响的转化研究的合适模型物种。
摘要:种间药理学过程的翻译需要改进,以减少药物开发中的消耗。系统药理学将系统生物学和药理学相结合,以表征和量化不同种类药物暴露后的系统特定行为。斑马鱼是一种适合于系统药理学的脊椎动物模型生物,与高等脊椎动物具有高通量潜能和高遗传同源性。斑马鱼的幼虫越来越多地被用于药物筛选,但对其体内药物和代谢产物暴露的影响却鲜有研究。量化这种内部暴露对于建立翻译所需的暴露反应和剂量-暴露关系至关重要。斑马鱼也可以作为肝毒性发生和肝功能不全对药物代谢影响的转化研究的合适模型物种。
 
简介:药物开发是一个复杂而昂贵的过程,消耗量很大。在被终止的候选药物中,大多数因为缺乏有效性和安全性而失败。在临床前实验中对疗效和安全性进行了测试,但为了提高成功率,种间翻译需要从经验方法转向机械方法。系统药理学就是这样一种方法,结合了系统生物学和药理学的优点。了解物种系统及其差异有助于提高物种间有效性和安全性数据的翻译。在这篇综述中,我们将重点关注肝功能和功能障碍的系统药理学,以及了解药物在生物系统中随时间暴露的重要性。探讨了斑马鱼幼虫作为具有高通量潜力的系统药理学脊椎动物模型生物的独特地位。
 
系统药理学:整合药理学和系统生物学 系统药理学是一种将模型和模拟与临床前和临床实验的数据以“系统级”的机械方式结合起来,提高相关生物过程的种间翻译的方法,有助于转化医学的发展。系统药理学起源于两个既定领域:药理学和系统生物学,旨在量化生物体生物系统的药理学干扰,以提高我们对药物与特定生物系统之间相互作用的理解。药物计量学的目的是利用数学模型预测药物效应,量化生物体和药物化合物之间的相互作用。这导致了药代动力学(pk-pd)模型整合了药物的药代动力学,它将药物暴露描述为浓度与时间的关系,以及药物药效学,描述的是效果与药物浓度的关系。观察到的结果测量(即浓度和影响)用数学方程描述,从中可导出基本的主要模型参数。在评估模型的预测性能后,该模型可用于预测和改进药物药代动力学和药效学的种间转换,并设计临床前和临床研究中的治疗方案。系统生物学研究集成生物系统的结构和动力学,通过只研究其孤立的元素来理解过于复杂而无法直观理解的过程。与药理学一样,这需要定量数据和先进的计算模型。系统生物学作为一种整体方法,其优点是将系统的一部分置于完整有机体的生物学环境中,通过体外实验来表征系统的各个部分,如基因或蛋白质功能。下一步是阐明这些部分在整个系统网络中的相互作用。这在疾病模型中是相关的,因为大多数疾病并不像以前认为的那样是由单一靶点引起的,单一药物是可以设计的。与仅用人体细胞进行的体外实验不同,体内的整个有机体实验可以识别出能够治疗或治愈这种疾病的化合物。利用这些补充的实验数据来为系统生物学模型提供信息,可以提高对生物体内生物过程的理解,并由此了解物种之间的系统差异。这可以提高种间翻译。
 
斑马鱼幼虫作为脊椎动物模型生物在药物开发中的作用:系统生物学模型已在无脊椎动物中得到发展,如酵母(酿酒酵母)、蛔虫(秀丽隐杆线虫)和果蝇。这些小的生物体很容易被基因改造,并允许进行高通量测量。斑马鱼是一种脊椎动物模型生物,越来越多地被用作生物医学研究的模型。大多数编码必需蛋白质的基因,如异种代谢中的基因,是进化保守的。在人类和小鼠的基因中,分别有70%和71%斑马鱼的直系同源体。相比之下,83%的人类基因具有小鼠的直系同源基因。斑马鱼幼虫的人类疾病模型已被证实有高脂血症、肝脂肪变性、癌症和分枝杆菌感染等。斑马鱼幼虫具有许多优点,在药物开发中的应用日益广泛。药物开发的四个最相关的优势包括:高产、快速开发、光学透明和易于基因修饰。斑马鱼繁殖率高。一对成鱼每次交配可产100-200个受精卵,每年可产10000个。成鱼很小(3-5厘米),平均每升5-13条鱼。这种生育力和大小的结合导致大量的幼虫和鱼类。体外受精后,胚胎在绒毛中发育,直到受精后48-72小时孵化,达到幼虫期。此时除了胃肠道的器官外,大多数器官的发育几乎都已完成。76 hpf后,肝脏、胰腺和肠道完全发育,96 hpf时,胃肠道完全开放。通常在幼鱼阶段进行试验,此时鱼大部分发育,但足够小(3-5 mm)。斑马鱼在早期胚胎和幼虫阶段是透明的,能够对解剖和某些(病理)生理发展进行无创的体内光学成像。由于不需要牺牲鱼,因此可以通过显微镜观察单个受试者随时间变化的效果。通过肝脏大小、卵黄大小和肝脏变性的成像来筛选肝毒性。斑马鱼的正向和反向遗传修饰特别容易,因为外部受精可以注射单细胞合子。基因修饰可以研究基因突变以及化合物的作用机制。已经开发出转基因细胞系,在多种特定细胞类型的启动子序列的控制下表达荧光报告蛋白。由于幼虫的透明度,基因表达和功能都可以通过荧光显微镜在空间和时间上进行检测。简言之,大量具有相关基因修饰的快速发展的受试者可以通过自动高通量筛选来实现,这些筛选的数量适合有意义的统计分析。
 
药物暴露导致的影响:对于物种间药物效应的转化,重要的不仅仅是系统生物学和药物靶点的同源性。随着时间的推移,生物体对药物及其代谢产物的内部暴露是导致药物效应的原因。量化内部暴露对于防止假阳性和阴性是必要的。不幸的是,在斑马鱼幼虫的药理学和毒理学筛选中,这几乎总是被忽视。除了得出暴露反应关系之外,有关这些幼虫体内药物暴露时间的信息提供了将药物药代动力学从这种小型脊椎动物转化为更高级脊椎动物(如啮齿动物、猴子,甚至人类)所需的宝贵知识,以及它们所有的生理差异。体内照射通过描述药物的药代动力学过程、吸收、分布、代谢和排泄(ADME)来量化。通过代谢和排泄消除药物被量化为清除,这是药物暴露的最重要决定因素。包括药物在内的外源性物质的代谢增加了亲水性,以改善肾脏排泄,主要发生在肝脏。一期代谢具有分解代谢性质。异种生物被氧化、还原或水解。细胞色素P450(cyp)酶是催化第一阶段反应最重要的酶。第二阶段代谢,也被称为共轭代谢,是合成代谢,包括亲水部分从供体转移到异种生物。催化结合反应的酶有硫转移酶(SULTs)和UDP葡萄糖醛酸基转移酶(UGTs)等。药物代谢会产生活性代谢物,可能导致代谢器官中毒。
 
斑马鱼的肝脏代谢:临床前物种对药物代谢与人类代谢的机制理解需要对氨基酸序列和相关酶的功能进行比较。显示了斑马鱼代谢酶的选择与人类相应酶的关系。为了量化肝酶的代谢功能,药物计量学使用非线性混合效应模型,根据浓度-时间数据,开发了量化血液中药物药动学的模型。这是斑马鱼幼虫作为基于系统药理学的药物药理学翻译的模型有机体面临的最大挑战,因为在这种小有机体中,随着时间的推移,量化体内药物和代谢产物的暴露是困难的。目前,在幼虫周围的培养基中体外药物浓度最常用于预测体内药物浓度。根据化合物的物理化学性质,如亲水性,试图预测内部暴露或毒性,但没有成功。我们的研究小组开发了一种灵敏的液相色谱-质谱(LC/MS)方法来量化对乙酰氨基酚作为模型化合物的体内照射量,从而建立了斑马鱼幼虫的第一个药代动力学模型。该模型量化了母体化合物随时间的暴露,可与疗效数据相关联。对斑马鱼幼虫和12种高等脊椎动物(包括啮齿动物、猴和人类)的参数清除率进行了估算,显示出合理的可比性。该模型可以扩展到包括扑热息痛主要代谢物及其在一期和二期酶催化下的形成速率。对乙酰氨基酚清除率在包括人类在内的高等脊椎动物中的种间比例被认为是合理的。因此,在开发新药物时,斑马鱼体内的清除率也可用于扩大到更高的脊椎动物,并优化临床前的实验设计。此外,药物活性代谢物可引起靶向(不利)影响。因此,重要的是要确定同一代谢物物种是否在不同的脊椎动物中形成。如果是这种情况,则有必要对它们的暴露进行量化,以转换这些不良反应的暴露反应关系。
 
肝功能不全的定量分析:肝毒性是药物的一个重要不良反应。斑马鱼幼虫药物筛选的目的之一是检测潜在的毒性问题。斑马鱼肝毒性测定已被广泛发表。这包括对斑马鱼幼虫的组织病理学和转录组分析的评估。引起这种毒性的内服药物和代谢物暴露需要定量,以便正确解释和翻译。此外,这种毒性导致的肝功能不全可能影响药物清除率。这一影响及其对暴露时间曲线的影响,可以使用类似的方法进行量化,如量化肝脏的代谢功能中所述。观察到的不良反应与有毒化合物或代谢物有关。这就为肝功能不全对包括药物在内的内源性和外源性化合物代谢的影响提供了机制性的见解。药物或毒性动力学模型的有效性随着肝功能不全的机械生物标志物的使用而增加。机械模型描述了(病理)生理过程,在给药和预期或不良反应之间是重要的。生物标志物可以用来表征和量化这些过程。丙氨酸转氨酶(ALT)和天冬氨酸转氨酶(AST)是临床上广泛使用的肝毒性标志物。一个有用的生物标志物既特异又敏感。然而,除肝组织外,丙氨酸氨基转移酶不具有肝特异性,在心脏、肾脏和肌肉组织中表达。此外,它对肝损伤有延迟反应,可能并不总是与临床症状相关。新的生物标志物miRNA-122已被证明是一种更准确和时间敏感的替代物,可以在临床前和临床环境中显示肝毒性。这种生物标记也在斑马鱼身上进行了研究。一种可重复和自动化的方法是脊椎动物自动筛选技术(VAST)。简言之,完整的幼虫从孔板或管中取出,通过与显微镜相连的毛细管流动,显微镜自动从不同角度捕捉幼虫的图像。可以使用三维轮廓模型来处理这些图像,以计算幼虫的体积。利用该方法,我们不仅测定了不同hpf下斑马鱼幼虫的体积,而且测定了其肝脏的体积。这些技术的结合可以用来观察对器官的毒性影响。
 
结论:系统药理学,将药理学与系统生物学相结合,有潜力地改进药理学发现后的种间翻译,从而促进药物开发。结合高通量潜能斑马鱼幼虫是一种很有前途的系统药理学临床前模型生物。药物代谢酶具有可比性,可通过结合敏感的LC/MS方法和数学模型得出代谢率。正确解释这些实验药理学发现的关键是表征药物内暴露,然后将其与种间标度所需的暴露-反应关系的观察反应联系起来。因此为了改变未来药物开发的进程,更要强调药物动力学。
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