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高尿酸肾病氧嗪酸钾动物模型:什么时候必须从单因素升级到氧嗪酸钾联合腺嘌呤
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PREFACE 00

前言

氧嗪酸钾是高尿酸血症临床前研究中应用较多的造模药物。它通过抑制啮齿类动物尿酸酶活性,使本来可以继续降解的尿酸在较短时间内升高,因此模型起效快、血尿酸窗口清楚,非常适合黄嘌呤氧化酶抑制剂、促尿酸排泄药以及其他降尿酸候选物的早期活性筛选。

但当候选药的研发目标从“把血尿酸降下来”进一步变成“治疗高尿酸肾病、改善肾功能、减少结晶和肾间质纤维化”以后,单纯氧嗪酸钾模型经常开始不够用。原因并不复杂:短周期血尿酸升高和稳定的慢性肾实质损伤,本身就是两个不同层级的疾病表型。单因素氧嗪酸钾可以很快建立前者,却未必能够在同样周期内稳定形成足够明显的肾小管损伤、间质炎症和纤维化。

这时常见的升级方案之一,就是加入腺嘌呤。腺嘌呤代谢过程中可以形成低溶解度的2,8-二羟基腺嘌呤,在肾小管内沉积并增加结晶和阻塞性损伤;与氧嗪酸钾联合后,模型可以在持续高尿酸背景上进一步叠加肾小管—间质损伤、炎症和纤维化,使评价重点从“血尿酸有没有下降”进一步推进到“高尿酸背景下已经建立的肾损伤能不能得到保护”。

因此,从单因素氧嗪酸钾升级到氧嗪酸钾联合腺嘌呤,并不是简单把模型“做得更重”。真正需要判断的是候选药下一步要证明什么:如果只是快速验证降尿酸活性,增加腺嘌呤反而会把问题复杂化;如果已经需要评价高尿酸肾病、结晶负荷、肾小管损伤或者抗纤维化,继续停留在单因素模型则可能无法提供足够的疾病窗口。

导读

一、单纯氧嗪酸钾模型真正适合回答什么问题 二、什么时候说明单因素模型已经不够用了 三、加入腺嘌呤以后,模型究竟多了哪些病理层级 四、哪些候选药应该尽早升级到联合模型 五、哪些候选药反而不适合过早加入腺嘌呤 六、治疗阶段应该继续联合造模,还是先建立肾损伤再给药 七、单因素和联合模型的终点应该怎样重新排序 八、阳性药和对照组怎样避免把“降尿酸”和“肾保护”混在一起 九、联合模型阳性以后,什么时候还需要第二模型验证

一、单纯氧嗪酸钾模型真正适合回答什么问题

正常小鼠和大鼠具有尿酸酶,可以把尿酸进一步转化,因此天然血尿酸水平明显低于人。氧嗪酸钾通过抑制尿酸酶,能够快速打断这一过程,使啮齿动物在相对短的周期内出现明显血尿酸升高。这也是它最核心的模型价值。

对于企业早期项目,这种特点非常有优势。候选药给药以后,可以在小时级或天级时间窗口内观察血尿酸变化,并进一步结合尿尿酸、尿酸排泄分数以及相关转运蛋白判断药物是否具有明确药理活性。模型周期短、动物周转快,也适合首轮剂量筛选和PK/PD关系建立。

特别是对于还处在化合物筛选阶段的项目,最重要的问题往往只有一个:这个候选物到底有没有足够强的降尿酸能力。此时没有必要为了追求“模型更全面”,一开始就叠加明显肾损伤。

单因素氧嗪酸钾比较适合的研发问题,可以概括为以下几类:

研发问题单因素氧嗪酸钾适配度
快速降血尿酸筛选高
剂量—效应关系高
短周期PK/PD高
黄嘌呤氧化酶抑制药活性筛选较高
促尿酸排泄药初筛较高,但需要增加尿排泄指标
长效控尿酸有限
稳定肾功能损伤有限
肾小管间质纤维化较弱
高尿酸肾病疾病修饰不宜单独依赖
长期CKD进展不匹配

因此,单因素模型本身没有“不够好”的问题。真正的问题是研发目标已经变化以后,仍然要求同一个模型继续回答它原本不擅长的问题。

SECTION 01

01

什么时候说明单因素模型已经不够用了

1、产品开始主张“肾保护”

候选药如果最初定位降尿酸,单因素模型已经能够提供非常直接的结果。但一旦项目开始提出“同时保护肾功能”“延缓高尿酸肾病进展”,评价逻辑就必须改变。

Scr、BUN或者轻微肾组织异常在部分氧嗪酸钾方案中可以出现,但其严重程度和重复性受剂量、周期、动物状态影响较大。如果研究需要比较不同剂量候选药对肾小管损伤、炎症和纤维化的改善幅度,仅依靠短周期单因素模型,常常缺少足够大的模型—正常组差异。

这时需要的不是继续把氧嗪酸钾剂量向上推,而是选择能够更加稳定建立肾实质损伤的病理组合。

2、候选药主打抗纤维化

如果候选药靶向TGF-β/Smad、成纤维细胞、细胞外基质、炎症—纤维化转换或者肾小管间质重塑,那么模型必须真正形成可重复的纤维化。

单因素氧嗪酸钾短周期模型即使Scr和BUN发生变化,也未必能够形成稳定的Masson/Sirius Red差异。此时把α-SMA、COL1A1、FN1测得再多,也无法弥补疾病窗口不足。

氧嗪酸钾联合腺嘌呤则能够更快、更稳定地形成肾小管扩张、上皮损伤、炎症细胞浸润、间质扩张以及胶原沉积,因此更加适合把抗纤维化放到核心终点。

3、需要验证“降尿酸以外”的增量价值

两个候选药都能把血尿酸降低30%,但一个只能降尿酸,另一个还能明显改善肾小管损伤和纤维化。如果模型本身没有稳定肾损伤,就无法把这种差异做出来。

所以,当产品竞争力已经从“降尿酸强不强”转向“相同尿酸控制下有没有额外肾保护”,就需要一个能够同时提供尿酸和肾脏两个层级的模型。

4、项目准备进入正式疾病修饰评价

早期筛选允许使用一个高度可控、快速出现表型的药理模型;正式候选物确认以后,研究问题则开始变成药物能否改变疾病进程。

如果实验终点仍然只有几个小时后的SUA下降,已经不足以支撑高尿酸肾病的疾病修饰结论。此时应该把肾组织损伤、纤维化、尿蛋白和长期肾功能纳入核心评价,也就意味着模型需要相应升级。

SECTION 02

02

加入腺嘌呤以后,模型究竟多了哪些病理层级

腺嘌呤加入后最重要的变化,不是单纯把血尿酸再升高一截。

腺嘌呤在体内可以经代谢形成低溶解度的2,8-二羟基腺嘌呤,后者容易在肾小管内沉积。随着结晶和管腔阻塞增加,肾小管上皮细胞发生损伤,局部炎症细胞募集,随后逐渐出现肾间质扩张和纤维化。

氧嗪酸钾则继续维持尿酸酶抑制,使动物处于高尿酸状态。两者叠加后,疾病链条从单纯的“尿酸升高”扩展为:

尿酸酶受抑→持续高尿酸→腺嘌呤相关结晶和肾小管负荷增加→肾小管上皮损伤→间质炎症→成纤维细胞活化→胶原沉积和肾功能恶化。

近期直接比较不同高尿酸模型的研究也显示,氧嗪酸钾联合腺嘌呤产生的肾功能损伤和组织病理通常明显重于单纯氧嗪酸钾。联合模型中可以更稳定地观察到Scr、BUN、尿蛋白以及肾小管和间质损伤,并逐渐形成明显纤维化。

常用的联合方案在不同实验室之间差异较大。大鼠研究中可见腺嘌呤约0.1 g/kg联合氧嗪酸钾数百毫克至约1.5 g/kg的方案,连续数周建立高尿酸肾病;小鼠也有采用较低剂量腺嘌呤联合氧嗪酸钾连续约2周的方案。具体剂量不能脱离品系、给药途径、研究周期和目标病理直接复制。

真正应该首先确定的是希望病变做到哪一层。

病理层级氧嗪酸钾单因素氧嗪酸钾+腺嘌呤
血尿酸升高明显明显
尿酸排泄异常可评价可评价,但受肾损伤影响更大
Scr/BUN异常可出现,强度受方案影响更稳定
尿蛋白/UACR可能变化更容易形成
肾小管损伤相对较轻明显
炎症浸润有限至中等更明显
结晶负荷较弱明显增加
α-SMA、COL1A1、FN1短周期可能窗口不足更容易形成稳定差异
Masson/Sirius Red较弱或需要延长周期更适合纤维化评价
高尿酸肾病疾病修饰支持有限更适合

所以,联合模型的价值不是“尿酸更高”,而是提供了一个能够真正评价肾损伤进展的病理背景。

SECTION 03

03

哪些候选药应该尽早升级到联合模型

1、抗纤维化候选药

这类产品最明确。

如果主要靶点位于TGF-β/Smad、ERK、STAT、成纤维细胞活化、胶原生成或者细胞外基质降解,仅用单因素氧嗪酸钾很难把产品优势完整体现出来。

联合模型可以把Masson、Sirius Red、α-SMA、COL1A1、FN1等前移到主要药效层级,同时继续保留SUA和肾功能指标,使“降尿酸”和“抗纤维化”可以在同一个实验中拆开。

2、主打肾小管保护的候选药

腺嘌呤联合模型的损伤重点之一就是肾小管—间质,因此对于线粒体保护、内质网应激、肾小管上皮细胞保护、炎症抑制或者再生修复类产品,联合模型比单因素更容易获得稳定药效窗口。

这类项目尤其需要注意:候选药即使不显著降低SUA,只要在相同高尿酸背景下明显减少KIM-1、NGAL、肾小管损伤和纤维化,仍然可能具有明确的肾脏疾病修饰价值。

3、希望证明“独立于降尿酸的肾保护”

这是联合模型非常有价值的一类项目。

可以通过剂量设计或者不同机制阳性药,使候选药和降尿酸参照达到相近SUA水平,然后比较两组肾组织结果。如果候选药在相同尿酸控制下仍然表现出更低的Scr/BUN、更少的肾小管损伤和胶原沉积,就能够进一步支持存在额外的肾保护机制。

4、肾靶向递送和长效制剂

如果产品强调肾组织富集、肾小管靶向或者长期肾保护,只看一次SUA下降远远不够。

联合模型可以同步做血浆PK、肾组织分布、靶点PD、肾功能和病理,使“药物送到了肾脏”与“肾脏病理真正改善”连接起来。对于长效制剂,还可以进一步评价药效能否覆盖持续疾病压力。

SECTION 04

04

哪些候选药反而不适合过早加入腺嘌呤

1、单纯快速降尿酸项目

如果项目还处在化合物筛选阶段,研发问题只是比较几十个候选物谁的SUA下降更强,直接升级到联合腺嘌呤会显著增加实验周期、动物负担和结果变量。

肾功能、摄食、体重、结晶和纤维化都会进入实验,此时反而降低快速筛选效率。最合理的路径通常是先用单因素氧嗪酸钾筛出有明确活性的化合物,再把少数候选物升级到肾损伤模型。

2、URAT1、GLUT9等排泄机制验证项目

如果核心问题是候选药是否真正促进肾脏尿酸排泄,联合腺嘌呤并不是最干净的第一机制模型。

原因是腺嘌呤已经造成明显肾小管损伤和GFR变化,而尿尿酸、FEUA等指标本身高度依赖肾功能。一旦肾功能明显下降,就更难判断尿酸排泄变化来自转运体作用,还是来自滤过和肾小管功能改变。

这类项目更适合先在氧嗪酸钾或氧嗪酸钾联合排泄抑制背景下验证URAT1/GLUT9机制,再使用联合腺嘌呤回答“长期降尿酸能不能同时保护肾脏”。

3、尿酸酶替代治疗

如果候选产品本身就是重组尿酸酶或PEG化尿酸酶,氧嗪酸钾本身已经与药物机制存在直接冲突。此时无论单因素还是联合腺嘌呤,都不是最理想的正式模型。

对这类产品,更稳定的遗传性高尿酸模型通常具有更好的机制匹配度。

4、直接影响腺嘌呤代谢或结晶的候选药

这类项目需要格外谨慎。

如果药物能够改变腺嘌呤代谢、减少2,8-二羟基腺嘌呤形成、溶解晶体或者显著改变尿液理化环境,联合模型中观察到的强肾保护可能主要来自“削弱腺嘌呤造模”。

这并不意味着药物无效,而是不能直接把结果外推为一般性的高尿酸肾病疾病修饰。后续必须增加不依赖腺嘌呤结晶的第二模型。

SECTION 05

05

治疗阶段应该继续联合造模,还是先建立肾损伤再给药

模型升级以后,真正容易影响企业药效结论的下一步,是给药时间。

如果氧嗪酸钾和腺嘌呤从第1天开始,同时候选药也从第1天给,那么最终看到Scr、BUN和纤维化明显减轻,只能说明候选药能够阻止联合刺激造成肾损伤。这种设计适合预防性机制研究,却很难直接支撑“治疗已经建立的高尿酸肾病”。

正式治疗性研究更适合先建立一定程度疾病,再开始候选药。

联合模型的时间梯度研究显示,肾小管扩张、间质损伤以及胶原相关变化可以在早期逐渐出现,并随着2~4周持续刺激进一步加重。因此,具体治疗起始点应该依据本实验平台的预实验确定,而不只是机械指定“第7天”或“第14天”。

更合理的做法是先确认三个层级中的至少两个已经建立:

第一,SUA已经持续高于正常组;第二,Scr、BUN、UACR或其他肾功能指标已经形成稳定异常;第三,历史病理或基线动物已经证明该时间点存在明确肾小管—间质损伤。

随后再分层随机进入治疗。

治疗期是否继续氧嗪酸钾和腺嘌呤,则取决于研究问题。

设计主要回答的问题主要风险
造模同期给药能不能预防高尿酸肾损伤容易高估疾病治疗价值
成模后继续两种刺激+治疗持续疾病压力下能否改善肾病最适合正式治疗性评价
成模后停全部刺激+治疗能否加速疾病恢复自然恢复干扰较大
成模后降低刺激强度+治疗能否在较稳定慢病窗口长期评价需要先建立自然史
设置治疗前基线组能否区分阻止进展和真正逆转增加动物量,但解释力明显提高

对于抗纤维化候选药,治疗前基线尤其有价值。如果治疗结束后候选药组纤维化低于同期模型组,却仍然高于给药前基线,说明药物主要阻止了继续进展;只有低于治疗前已经存在的纤维化水平,才更接近真正的纤维化逆转。

SECTION 06

06

单因素和联合模型的终点应该怎样重新排序

模型升级以后,最大的错误之一就是“模型换了,但主要终点没换”。

如果氧嗪酸钾联合腺嘌呤以后仍然只看SUA,那么增加腺嘌呤带来的病理价值几乎没有被利用。

1、氧嗪酸钾单因素:SUA和尿酸代谢处在中心位置

层级建议指标
主要终点SUA
排泄机制尿尿酸、FEUA、24小时尿酸排泄
肾功能Scr、BUN作为支持指标
转运体URAT1、GLUT9、OAT1/3、ABCG2,根据靶点选择
PK/PD血药浓度与SUA时间曲线

这类实验重点是“药有没有降尿酸,以及通过什么方式降”。

2、联合腺嘌呤:肾损伤必须前移

进入高尿酸肾病评价后,更合理的终点结构是:

层级建议指标
高尿酸背景SUA、尿尿酸及必要的转运指标
肾功能Scr、BUN、Ccr/eGFR替代指标、UACR/尿蛋白
肾小管损伤KIM-1、NGAL及肾小管病理
结晶/组织损伤肾组织结晶、管腔扩张、上皮损伤
炎症巨噬细胞浸润、IL-1β、TNF-α、NF-κB等
纤维化Masson、Sirius Red、α-SMA、COL1A1、FN1
机制PD根据候选靶点选择TGF-β/Smad、ERK、STAT等

这里最需要避免的是把SUA下降当作所有肾脏改善的替代指标。

候选药可以明显降低SUA,但已经形成的肾小管损伤和纤维化未必同步恢复;也可能出现SUA下降幅度一般,但肾组织炎症和纤维化改善非常明显。如果项目核心定位是高尿酸肾病,后者同样具有很高的研发价值。

SECTION 07

07

阳性药和对照组怎样避免把“降尿酸”和“肾保护”混在一起

联合模型中,如果阳性药只选择一种强效降尿酸药,很容易得到一个看起来非常简单的结果:SUA下降以后,肾脏也改善。问题在于,这种设计无法回答候选药是不是还有独立肾保护作用。

比较理想的思路是根据项目目的设置不同类型参照。

如果项目首先需要证明降尿酸能力,可以选择非布司他或别嘌醇等生成抑制类参照;如果候选药属于促排尿酸机制,可以增加相应促排参照;如果项目的核心卖点是肾保护,则可以考虑增加一个能够提供明确肾保护但机制不同的参照思路。

更重要的是,不要只比较“谁的Scr最低”,而要把SUA变化和肾脏变化对应起来。

例如候选药和非布司他最终把SUA控制在相近水平,但候选药的KIM-1、Masson、α-SMA和COL1A1改善更明显,这才开始支持独立的肾保护增量。

正式研究还可以增加治疗前基线组,使结果能够进一步拆成三种情况:

结果更合理的解释
SUA下降,肾损伤同步改善支持降尿酸带来肾获益,但仍需判断是否有独立作用
SUA与阳性药接近,肾保护更强支持额外肾脏机制
SUA下降明显,纤维化基本不变降尿酸有效,但已形成结构损伤未逆转
SUA变化有限,肾损伤明显改善可能存在独立肾保护作用
Scr下降,但Masson/胶原未改善功能改善不能直接定义为抗纤维化
结晶显著减少且其他损伤同步下降需要判断是否直接干扰腺嘌呤结晶造模

最后一种尤其重要。对于任何可能影响晶体形成、尿液pH或嘌呤代谢的候选药,都需要单独评估模型机制耦合风险。

SECTION 08

08

联合模型阳性以后,什么时候还需要第二模型验证

氧嗪酸钾联合腺嘌呤比单因素模型更适合高尿酸肾病和抗纤维化评价,但它仍然不是所有高尿酸肾病的终点模型。

它最大的优势恰恰也是最大的局限:肾损伤很容易做出来,其中相当一部分来自腺嘌呤相关2,8-二羟基腺嘌呤结晶和肾小管阻塞。真实人类高尿酸肾病并不等同于长期摄入腺嘌呤形成这种结晶性损伤。

因此,如果候选药在联合模型中表现非常好,下一步应根据产品机制判断是否需要另一种病因背景。

如果候选药主要是降尿酸药,且在单因素和联合模型中都已经有效,可以进一步进入更稳定的长期高尿酸模型,验证长期控尿酸能力。

如果候选药主打抗纤维化或广谱CKD肾保护,建议增加不依赖腺嘌呤结晶的肾损伤模型。这样可以判断TGF-β、炎症和ECM改善是否具有跨病因重复性。

如果候选药主打URAT1、GLUT9等尿酸排泄,则应该补充排泄障碍更加明确的模型,而不是继续加重腺嘌呤肾毒性。

如果是长效抗体、核酸、基因治疗或者尿酸酶替代产品,则更需要根据靶点选择稳定的长期模型,使模型持续时间真正覆盖药物作用周期。

联合模型中的主要结果下一步最需要回答的问题更合理的升级方向
SUA明显下降长期控尿酸是否持续长期稳定高尿酸模型
肾纤维化明显改善是否只对腺嘌呤结晶损伤有效非腺嘌呤CKD第二模型
URAT1机制明确排泄障碍背景能否重复氧嗪酸钾+排泄抑制模型
抗结晶作用特别强是否存在一般性肾保护不依赖腺嘌呤结晶的模型
长效药持续有效药效能否覆盖慢性病程Uox缺失或其他长期模型
降尿酸一般但肾保护很强是否属于独立肾保护机制不同CKD病因模型交叉验证

从研发路径来看,单因素氧嗪酸钾和氧嗪酸钾联合腺嘌呤并不存在“低级模型”和“高级模型”的关系。前者适合快速、干净地判断降尿酸;后者则是在项目需要真正进入高尿酸肾病、肾小管损伤和纤维化评价时增加病理深度。

真正应该升级模型的节点,是候选药已经不再满足于证明“血尿酸能降下来”,而开始需要回答“长期高尿酸造成的肾脏结构损伤能不能被改变”。到了这一步,继续把所有研发结论都压在单因素氧嗪酸钾上,往往比增加一个更匹配的肾损伤模型风险更大。

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