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肾病综合征PAN大鼠动物模型:什么时候应该放弃急性PAN,升级到慢性PAN或ADR模型
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PREFACE 00

前言

PAN诱导肾病是足细胞损伤和大量蛋白尿研究中应用非常成熟的一类模型。单次给予嘌呤霉素氨基核苷(puromycin aminonucleoside,PAN)后,大鼠可以在较短时间内出现明显蛋白尿、低白蛋白血症、足突融合以及nephrin、podocin、synaptopodin等足细胞相关蛋白异常,因此非常适合足细胞保护、裂孔隔膜稳定和快速抗蛋白尿候选药的早期药效筛选。

但PAN模型也很容易被用过头。

单次PAN造成的急性足细胞损伤具有明显的时间窗口,部分动物随后可以进入自然恢复。此时如果候选药的研发定位已经从“快速降低蛋白尿”进一步升级到“减少足细胞丢失、阻止肾小球硬化、改善肾间质纤维化、延缓FSGS进展”,继续使用急性PAN往往会出现模型病程和产品定位不匹配的问题。

这时真正需要做的并不是简单延长急性PAN观察周期,而是决定是否升级模型。常见的两条路线分别是:通过重复PAN刺激,建立持续蛋白尿、足细胞耗竭和FSGS样硬化的慢性PAN模型;或者直接进入阿霉素(Adriamycin,ADR,又称doxorubicin)肾病模型,利用其更明显的肾小球硬化、肾小管间质炎症和纤维化评价慢性疾病修饰作用。

三种模型都可以出现蛋白尿,但它们回答的是三个不同层级的问题:

急性PAN更适合回答“候选药能不能保护受损足细胞”;慢性PAN进一步回答“这种保护能不能阻止持续蛋白尿走向肾小球硬化”;ADR则更适合回答“候选药在更复杂、更持续的蛋白尿性慢性肾损伤背景下,能不能同时改善肾小球和肾间质进展”。

模型什么时候升级,首先要看候选药准备证明什么,而不是看哪一种模型病理做得最重。

导读

一、急性PAN真正适合回答哪些研发问题 二、什么情况下急性PAN已经不够用了 三、慢性PAN相比急性PAN究竟多回答了什么 四、什么时候应该直接升级到ADR模型 五、慢性PAN和ADR应该怎样二选一 六、给药时间为什么决定得到的是足细胞保护还是疾病修饰 七、三个模型的主要终点应该怎样重新排序 八、阳性药和对照组为什么也要随着模型升级 九、急性PAN阳性后,怎样设计更合理的第二模型路径

一、急性PAN真正适合回答哪些研发问题

单次PAN大鼠模型最突出的特点,是足细胞损伤出现快、蛋白尿窗口清晰,而且肾小球超微结构变化明显。PAN进入足细胞后可以造成氧化应激、细胞骨架紊乱、裂孔隔膜蛋白异常以及足突融合,随后肾小球滤过屏障通透性升高,大量白蛋白进入尿液。

因此,急性PAN最大的价值并不是“模拟整个FSGS”,而是建立一个相对干净的足细胞损伤窗口。

对于直接稳定足细胞骨架、维持nephrin/podocin、调节Ca²⁺信号、保护线粒体、降低氧化应激或者改善裂孔隔膜功能的候选药,急性PAN往往非常合适。模型周期不需要很长,蛋白尿本身又可以进行连续动态检测,因此很适合首轮剂量筛选和PK/PD探索。

急性PAN也非常适合回答药物是否真正改善肾小球滤过屏障。如果候选药处理后24小时尿蛋白或UPCR下降,同时透射电镜显示足突宽度恢复、裂孔隔膜结构改善,nephrin、podocin和synaptopodin得到保护,这种结果可以形成比较完整的“药物暴露—足细胞PD—超微结构—蛋白尿”链条。

但这里需要明确一个边界:单次PAN形成的典型急性病变更接近微小病变样足细胞病,而不是完整的慢性FSGS。

急性PAN适合回答的问题是否匹配
快速抗蛋白尿高
足细胞骨架保护高
裂孔隔膜修复高
足突融合改善高
足细胞早期应激机制高
持续足细胞耗竭较弱
局灶节段性肾小球硬化较弱
肾小管间质纤维化较弱
长期肾功能下降较弱
慢性CKD疾病修饰不宜单独依赖

所以,一个候选药在急性PAN中显著降低蛋白尿,只能证明它在急性足细胞损伤背景下具有保护作用。是否能够阻止FSGS继续进展,需要下一层模型回答。

SECTION 01

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什么情况下急性PAN已经不够用了

1、产品开始主张“疾病修饰”

“降低蛋白尿”和“疾病修饰”不是同一个研发结论。

急性PAN中蛋白尿可以快速升高,也可能随着时间出现一定程度自然缓解。如果候选药在峰值阶段把尿蛋白降下来,可以证明它具有抗蛋白尿作用;但如果企业进一步希望主张减少足细胞不可逆丢失、阻止肾小球硬化甚至延缓CKD进展,急性模型缺少足够长的病理窗口。

真正的疾病修饰需要看到病程被改变。除了尿蛋白,还应该出现足细胞数量保存、肾小球硬化减少、肾间质损伤减轻以及长期肾功能获益。这时候模型就应该进入慢性阶段。

2、候选药主要靶向纤维化

如果产品靶向TGF-β/Smad、PDGFR、DDR、细胞外基质生成、成纤维细胞活化或者肾小管间质纤维化,仅使用急性PAN很难发挥模型优势。

原因并不是急性PAN完全没有纤维化相关变化,而是足细胞损伤和大量蛋白尿出现得更早、更突出,真正稳定的肾小球硬化和间质纤维化需要更长期、持续的损伤。

如果药物机制明明是抗纤维化,却把主要药效终点设成第7天或第10天尿蛋白,很容易让产品机制和模型终点发生错位。

3、需要验证长期给药和持续PD

抗体、长效小分子、核酸、细胞疗法以及长效递送制剂通常不会满足于几天的急性药效窗口。项目往往还需要回答给药间隔、持续PD、长期蛋白尿控制以及肾组织结构能否真正获益。

此时单次PAN的自然恢复会成为明显干扰。如果不给药组本身就在恢复,长效制剂的后半程药效很难解释。慢性PAN或ADR更容易维持较长的疾病压力。

4、药物在急性PAN中已经“太容易有效”

这其实是一个常见的模型升级信号。

候选药如果直接针对ROS、线粒体损伤、细胞骨架或者PAN可以直接造成的足细胞毒性,急性PAN中很容易获得非常明显的结果。但药物究竟是在治疗一种具有普适性的足细胞病理过程,还是仅仅非常擅长对抗PAN这种毒性刺激,需要第二模型验证。

如果项目准备继续向FSGS方向开发,这时候不应该继续在急性PAN里增加更多剂量和更多指标,而应该尽快进入不同强度或不同损伤机制的模型。

SECTION 02

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慢性PAN相比急性PAN究竟多回答了什么

慢性PAN的基本逻辑并不是简单“把第一次PAN剂量加大”,而是通过重复损伤让足细胞无法充分恢复,使短期足突融合逐渐转化为足细胞耗竭、持续蛋白尿、肾小球粘连和局灶节段性硬化。

经典的慢性PAN方案通常采用首次较强刺激,再在数周内追加PAN;也有研究将重复PAN与单侧肾切除结合,用减少肾单位储备的方式加速慢性病变形成。具体剂量、给药间隔和是否联合单侧肾切除应根据动物品系和平台预实验确定,不宜直接机械复制某一篇文献。

从病理过程来看,急性PAN和慢性PAN最大的差别并不是蛋白尿“更多”,而是损伤性质开始发生改变。

急性期主要表现为足细胞结构和功能受损;反复刺激以后,部分足细胞无法恢复,肾小球表面足细胞覆盖不足,裸露的肾小球基底膜更容易与Bowman囊形成粘连,随后出现节段性基质堆积和肾小球硬化。持续蛋白尿又会进一步增加近端肾小管蛋白负荷,逐渐把损伤从肾小球传向肾小管间质。

所以慢性PAN真正增加的是一条疾病进展链:

持续足细胞损伤→足细胞丢失→持续蛋白尿→肾小球粘连和节段性硬化→肾小管蛋白负荷增加→间质炎症和纤维化。

这条链正是很多疾病修饰类项目真正想要干预的过程。

比较项目急性PAN慢性PAN
主要病理足细胞急性损伤持续足细胞损伤+硬化
蛋白尿明显,但可恢复更持久
足突融合明显明显并伴持续结构损伤
足细胞丢失可观察更突出
肾小球粘连较少增加
FSGS样硬化弱明显增加
肾间质纤维化有限可逐渐形成
观察周期较短数周至更长
主要研发用途首轮足细胞保护长期疾病修饰和FSGS样进展

如果候选药希望证明“除了降低蛋白尿,还能阻止足细胞耗竭和肾小球硬化”,慢性PAN通常是从急性PAN升级最自然的一步。

SECTION 03

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什么时候应该直接升级到ADR模型

慢性PAN并不是唯一升级路线。另一条常用路线是阿霉素肾病模型。

ADR同样可以造成足细胞损伤和大量蛋白尿,但随后更容易形成持续的肾小球硬化、肾小管间质炎症和纤维化,因此长期病程更明显。随着模型进展,研究重点可以从单纯滤过屏障损伤逐渐扩展到巨噬细胞浸润、肾小管损伤、局部补体激活、细胞外基质积累以及肾功能下降。

如果项目研发目标已经明显超出“足细胞保护”,ADR往往更有价值。

1、主打肾小管间质和纤维化的产品

FSGS临床进展最终并不只发生在肾小球。持续蛋白尿会推动肾小管炎症和间质纤维化,而肾小管间质损伤又与长期肾功能预后密切相关。

ADR模型在这一层通常比急性PAN更加突出。如果候选药靶向巨噬细胞、补体、肾小管炎症、成纤维细胞或者ECM重塑,ADR更容易提供完整的病理窗口。

2、需要一个不同损伤背景的第二模型

如果急性PAN已经阳性,而企业需要证明药效并不是“抗PAN特异性毒性”,ADR能够提供一个不同的足细胞毒性背景。

两种模型都可以出现蛋白尿和足细胞损伤,但下游慢性病变的组成和严重程度并不完全一致。候选药能够跨模型重复降低蛋白尿并保存足细胞,通常比在同一PAN方案中反复加剂量更有说服力。

3、候选药需要证明长期肾功能保护

急性PAN中Scr、BUN或者GFR并不一定有明显稳定变化,这并不代表模型失败,因为其主要损伤位于滤过屏障。

但如果产品未来主张“延缓肾功能下降”,就需要一个能够形成更明显慢性结构损伤和功能变化的模型。ADR或者较重的慢性PAN更适合承担这一层评价,其中ADR在肾小管间质病理和长期CKD样进展方面通常更加突出。

需要注意的是,ADR自身属于蒽环类药物,存在明显的系统毒性,并具有潜在心脏毒性。如果候选药会影响体重、心功能、全身炎症或者药物代谢,就需要增加相应监测,避免把全身毒性变化错误解释成肾脏特异性药效。

SECTION 04

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慢性PAN和ADR应该怎样二选一

模型升级并不是默认“慢性PAN比ADR简单,所以先做慢性PAN”。真正的选择应该由候选药的核心机制和下一阶段研发主张决定。

候选药研发目标更建议的模型原因
继续验证足细胞保护慢性PAN保留与急性PAN相同的损伤主轴
判断是否阻止足细胞耗竭慢性PAN适合连续观察podocyte loss
验证持续蛋白尿控制慢性PAN疾病窗口比单次PAN更长
评价FSGS样肾小球硬化慢性PAN或ADR两者均可,但病理侧重不同
评价肾小管间质纤维化ADR优先间质病理通常更突出
研究巨噬细胞/补体/慢性炎症ADR优先具有较完整的肾内炎症环境
验证不同损伤机制下的重复药效ADR可降低PAN机制特异性风险
细胞/基因/长效疗法慢性PAN或ADR需要根据主要靶细胞选择
以滤过屏障为核心靶点慢性PAN优先足细胞主线更连续
以CKD进展为核心ADR或更慢性模型需要结构和功能双重进展

还有一个非常实用的判断方法:看急性PAN阳性以后,项目下一步最想补的“证据缺口”是什么。

如果缺的是“药效能不能持续”,选慢性PAN;如果缺的是“能不能减少硬化”,慢性PAN和ADR都可以;如果缺的是“在另一种损伤背景下是否仍有效”,优先ADR;如果缺的是“能不能改善间质纤维化和肾功能”,ADR的价值通常更高。

SECTION 05

05

给药时间为什么决定得到的是足细胞保护还是疾病修饰

模型升级以后,给药时间也必须同步升级。

如果慢性PAN采用重复刺激,而候选药从第一次PAN之前或同一天就开始给,最后看到硬化减少,仍然存在一个解释问题:候选药可能只是把第一次足细胞毒性削弱了,随后自然也不会出现严重硬化。

这属于预防性设计。

如果希望证明治疗已经建立的慢性蛋白尿和肾小球硬化,更合理的方案是先让疾病发展到预定阶段,再进行分层随机并启动治疗。

对于重复PAN模型,可以在第二次刺激后或者持续蛋白尿已经明确建立后进入治疗阶段。经典慢性PAN研究中也有在首次PAN后约3周才开始给药,并继续观察至数周后的治疗性设计。具体起始日仍应根据本实验室模型的尿蛋白曲线和病理预实验确定。

ADR同样如此。ADR给药后几天即可出现蛋白尿,但肾小球硬化和间质纤维化往往需要更长时间形成。如果治疗在ADR注射前开始,得到的是肾毒性预防;如果在蛋白尿建立后开始,更接近治疗性抗蛋白尿;如果在已有组织损伤后才开始,则更加接近真正的慢性疾病修饰。

所以给药时间应该与研发问题对应:

给药窗口能回答的主要问题
造模前给药是否能够预防毒性损伤
与造模同步是否能够阻断模型形成
蛋白尿形成后是否能够治疗已建立足细胞损伤
持续蛋白尿后是否能够阻止疾病继续进展
已有硬化/纤维化后是否具有真正的慢性疾病修饰能力

对于医药企业来说,越接近正式候选药阶段,越需要避免所有研究都使用预防性给药。否则即使多个动物实验都阳性,也可能始终没有回答“患者已经患病以后还能不能治疗”。

SECTION 06

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三个模型的主要终点应该怎样重新排序

模型升级以后,终点也不能继续只围绕尿蛋白增加项目数量。

1、急性PAN:以足细胞和滤过屏障为核心

层级建议重点
主要药效终点24小时尿蛋白、尿白蛋白或UPCR
足细胞结构足突宽度、足突融合、裂孔隔膜密度
足细胞分子nephrin、podocin、synaptopodin、WT1
全身表型血清白蛋白、血脂、水肿/腹水
肾功能Scr、BUN作为支持指标,不必强求明显异常

急性PAN里,透射电镜的价值往往高于继续增加大量肾间质纤维化指标,因为模型最核心的问题就是滤过屏障。

2、慢性PAN:增加足细胞耗竭和肾小球硬化

进入慢性PAN以后,尿蛋白仍然重要,但必须继续增加疾病进展指标。

建议重点观察足细胞数量或密度、WT1阳性细胞、肾小球与Bowman囊粘连、PAS阳性硬化区域、局灶节段性硬化发生率以及胶原沉积。随着模型进一步发展,再增加肾小管损伤和间质纤维化。

尤其需要把“尿蛋白下降”和“硬化减少”分开。候选药可以明显降低尿蛋白,却未必逆转已经形成的肾小球瘢痕;反过来,某些抗纤维化药对短期蛋白尿影响有限,却可能明显减缓硬化进展。

3、ADR:把肾小球和肾间质放在同一条进展链上

ADR模型更加适合建立:

足细胞损伤→持续蛋白尿→肾小球硬化→肾小管蛋白负荷→间质炎症→纤维化→肾功能下降。

因此除了蛋白尿、足细胞和肾小球硬化,还应增加肾小管损伤、巨噬细胞浸润、α-SMA、COL1A1、纤维连接蛋白以及Masson/Sirius Red等指标。如果药物作用于补体或炎症,还可以根据机制增加C3/C3aR、C5b-9或相关炎症通路。

终点急性PAN慢性PANADR
24小时尿蛋白/UPCR核心核心核心
足突超微结构核心重要重要
nephrin/podocin核心重要重要
足细胞数量支持核心核心
肾小球硬化较弱核心核心
肾间质纤维化较弱重要核心
巨噬细胞/炎症支持重要重要
Scr/BUN/GFR支持根据模型严重度更适合长期评价

SECTION 07

07

阳性药和对照组为什么也要随着模型升级

急性PAN项目的阳性参照如果只是为了证明系统能够检测出抗蛋白尿作用,可以选择已有足细胞保护或临床支持治疗思路作为参考。但模型升级以后,阳性药必须和项目主要终点重新匹配。

如果慢性PAN项目重点评价持续蛋白尿,可以设置RAS系统抑制等支持治疗参照;如果重点是FSGS样硬化,则需要关注阳性参照是否真正能够影响硬化,而不是只有短期降蛋白尿作用。

ADR模型更是如此。一个能降低血压或减少肾小球内压的药物可能明显降低蛋白尿,但这并不自动证明它能够直接保护足细胞或抑制肾间质纤维化。阳性药在此更多承担“终点有效性参照”,不能代替机制对照。

对于正式药效研究,还建议保留模型基线组。也就是在开始治疗时处死一批动物,确认此时已经形成多少蛋白尿、足细胞损伤或硬化。这样治疗结束以后可以判断:

模型组继续恶化,给药组保持在基线附近——说明候选药主要阻止进展;

给药组明显优于治疗前基线——才更接近真正的结构恢复;

两组都较基线改善——需要首先考虑模型自然恢复。

这对PAN尤其重要,因为单次PAN天然存在恢复倾向。没有基线组,很容易把模型自身恢复误认为候选药的逆转效果。

SECTION 08

08

急性PAN阳性后,怎样设计更合理的第二模型路径

急性PAN阳性以后,并不需要固定按照“急性PAN→慢性PAN→ADR”三个模型全部依次做一遍。真正高效的研发路径应该根据第一模型已经解决了什么,以及下一步还缺什么来选择。

如果候选药直接保护nephrin、podocin或足细胞骨架,在急性PAN中已经获得明确的蛋白尿、电镜和PD结果,下一步可以优先进入慢性PAN。此时研究目的不是再次证明它能降尿蛋白,而是观察长期保护是否能够转化为更少的足细胞丢失和更轻的肾小球硬化。

如果候选药属于抗纤维化、补体、免疫炎症或者肾小管—间质靶点,急性PAN更多只是证明其在蛋白尿背景下具有基础保护作用,随后直接进入ADR往往更加高效,因为ADR可以更快提供项目真正需要的慢性病理。

如果候选药属于长效抗体、核酸或细胞治疗,则应先判断产品核心PD在哪里。如果主要PD仍在足细胞,慢性PAN可以维持更连续的靶点—细胞关系;如果产品希望同时改善足细胞、炎症和纤维化,ADR则更适合作为综合疾病修饰模型。

第一模型结果下一步最需要回答的问题建议升级
急性PAN明显降蛋白尿药效能否持续慢性PAN
急性PAN保护足突能否保存足细胞数量慢性PAN
急性PAN对抗氧化药效果很强是否只是在对抗PAN毒性ADR
产品主打抗纤维化能否减少硬化和间质ECMADR或慢性PAN
产品靶向补体/巨噬细胞慢性炎症背景下是否仍有效ADR
长效足细胞治疗长期PD能否阻止硬化慢性PAN
希望证明跨模型疾病修饰不同损伤机制能否重复ADR
希望主张原发性FSGS特异机制化学毒性模型是否足够进一步增加机制更匹配的第三模型

最后一种情况尤其需要注意。PAN和ADR虽然都常用于FSGS及足细胞病研究,但本质上都是化学性足细胞损伤模型,无法完整复制原发性FSGS中的循环因子、遗传背景、APOL1风险或者特定免疫机制。如果候选药未来明确针对这些人类特异病理,慢性PAN和ADR都只能作为药效链的一部分,最终仍需要进入更匹配靶点机制的模型。

对于临床前研发来说,模型升级真正解决的并不是“把病做得更重”,而是让模型病程逐渐接近候选药想要证明的价值。急性PAN适合证明足细胞能不能被保护;慢性PAN适合判断保护能不能阻止足细胞耗竭和肾小球硬化;ADR则进一步把持续蛋白尿、肾小球硬化、肾间质炎症和纤维化放进同一个慢性进展窗口。在哪一步切换模型,应该由产品准备提出的下一条研发主张决定。

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