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肥胖DIO小鼠动物模型:治疗阶段高脂饮食要不要继续
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PREFACE 00

前言

DIO,即饮食诱导性肥胖模型,是减重药、胰岛素增敏药、能量消耗型药物以及多靶点代谢药临床前研究中应用非常广的一类模型。常见做法是在C57BL/6J小鼠中持续给予高脂饮食,使动物逐渐出现体重增加、脂肪量升高、胰岛素抵抗、糖耐量异常以及脂肪组织功能紊乱,再进入正式药效阶段。

真正进入候选药开发以后,一个看似简单的问题却经常直接改变最终结论:治疗开始后,高脂饮食要不要继续?

如果开始给药的同时把高脂饮食换回普通饲料,动物本身就会因为能量密度下降和饮食组成改变而减重,并伴随脂肪量、胰岛素敏感性和脂肪组织状态改善。此时看到候选药组体重下降,很难区分多少来自药物,多少来自饮食恢复。

如果治疗阶段继续高脂饮食,候选药面对的则是持续存在的肥胖环境,更接近“在致病生活方式和代谢压力尚未完全解除时,药物能不能产生独立减重和代谢获益”。因此,对于大多数以药物独立减重作用为核心的DIO正式药效研究,治疗期间继续维持原高脂饮食通常更加合理。

但这并不意味着所有项目都应该固定采用这一方案。对于生活方式联合治疗、停药后体重维持、减重质量以及能量消耗型候选药,饮食切换本身也可以成为一个正式实验因素。真正需要避免的,是一边换饮食、一边给药,却没有设置能够把两种作用拆开的对照。

导读

一、DIO模型为什么对治疗阶段饮食特别敏感 二、什么情况下治疗阶段应该继续高脂饮食 三、哪些项目反而需要主动设置饮食切换 四、GLP-1等食欲抑制药为什么继续高脂还不够 五、能量消耗型药物应该怎样区分“少吃”和“多消耗” 六、治疗阶段分组怎样设计更容易解释 七、随机、给药周期和终点应该怎样安排 八、不同结果组合应该怎样判断候选药到底做了什么 九、首轮DIO阳性以后,什么时候需要升级第二模型

一、DIO模型为什么对治疗阶段饮食特别敏感

DIO模型和一次性药物诱导模型有一个本质区别:高脂饮食既是造模因素,也是整个疾病状态持续存在的重要驱动力。动物在12~16周甚至更长时间的高脂喂养后,形成的不只是体重增加,还包括脂肪细胞肥大、脂肪组织炎症、瘦素和胰岛素信号异常、肝脏脂质蓄积以及能量平衡重新设定。

因此,治疗开始时把高脂饮食撤掉,并不能理解成一个“停止造模后的中性处理”。饮食本身就是一种有效干预。

从高脂饮食切换到普通饲料以后,动物总能量摄入和膳食脂肪负荷通常迅速下降,体重增长速度减慢甚至出现体重下降,脂肪量减少,葡萄糖耐量和胰岛素敏感性改善。随着时间延长,脂肪组织的部分代谢和基因表达状态也会恢复。

这会直接影响候选药评价。例如,一个以降低摄食和体重为主要作用的药物,如果模型组继续高脂、给药组却换成普通饲料,药物效果会被明显放大;如果所有组都统一换普通饲料,则又可能因为模型组自身快速改善,使药物和Vehicle之间的差距被压缩。

所以,治疗期饮食不是一个操作细节,而是正式实验设计中的一个核心变量。

治疗阶段处理最主要回答的问题主要风险
继续高脂+Vehicle持续肥胖背景下疾病自然进展适合作为正式模型对照
继续高脂+候选药药物独立减重和代谢药效最适合大多数正式药效
换普通饲料+Vehicle单纯饮食改善能恢复多少可作为生活方式对照
换普通饲料+候选药饮食改善基础上的药物增量必须有匹配饮食对照
不记录饮食变化很难判断药效来源不推荐

SECTION 01

01

什么情况下治疗阶段应该继续高脂饮食

1、项目核心目标是证明候选药具有独立减重作用

对于GLP-1、GIP/GLP-1、GCGR、多受体激动剂、CB1相关药物以及其他直接以减重为核心卖点的项目,治疗阶段通常应继续原高脂饮食。

如果候选药在动物持续摄入高能量饮食的情况下仍然能够稳定降低体重和脂肪量,这一结果更能体现药物自身的作用强度,也更方便与semaglutide、tirzepatide等阳性参照进行横向比较。

尤其在正式候选药筛选阶段,不建议开始给药的同时切换普通饮食。否则减重幅度里会混入明显的生活方式干预贡献。

2、候选药主打胰岛素抵抗和综合代谢改善

DIO模型的价值并不只是肥胖。长期高脂以后,动物还会形成胰岛素抵抗、空腹胰岛素升高和糖耐量异常。如果治疗期继续HFD,候选药需要在持续代谢压力下改善这些表型,更能体现真正的胰岛素增敏作用。

如果治疗同期撤掉高脂,OGTT、ITT和空腹胰岛素本身就可能恢复,此时很容易高估候选药的代谢价值。

3、候选药需要与现有减重药直接比较

如果研究目的包含benchmark,例如比较候选物与semaglutide或tirzepatide的减重幅度、脂肪量下降和lean mass变化,所有组应保持相同高脂背景。

只有饮食环境一致,候选药与阳性药之间的差异才主要来自药理机制,而不是饮食条件。

4、项目要评价长期药效和减重平台期

很多DIO项目在治疗3~4周后逐渐出现体重平台。这个平台并不等于药物完全失效,而往往意味着能量摄入和能量消耗重新达到新的平衡。

如果此时换普通饲料,就会破坏已经形成的能量平衡,后续无法判断平台到底来自药物耐受、剂量不足还是动物重新建立了新的能量稳态。

因此,需要研究平台期、长期剂量效应或者二次加药的项目,更适合始终保持一致高脂背景。

SECTION 02

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哪些项目反而需要主动设置饮食切换

1、研究“药物+生活方式干预”的项目

临床肥胖治疗通常不会完全脱离饮食管理。如果候选药未来的研发策略明确强调生活方式联合,动物实验就可以主动把饮食切换纳入设计。

但这种情况下至少应该形成2×2结构:

继续高脂换普通饲料
Vehicle持续肥胖对照单纯饮食干预
候选药药物独立作用药物+饮食联合

这样可以分别计算药物、饮食和两者联合的贡献,而不是只比较“高脂模型组”和“普通饮食+药物组”。

2、研究停药后体重维持

近年的DIO研究越来越重视停药以后发生什么。GLP-1类药物停止后,小鼠可以迅速增加摄食并出现体重和脂肪量反弹,因此“停药后还能不能维持”正在成为候选药差异化的重要组成部分。

如果项目研究停药后维持策略,可以把停药后的动物进一步分为继续HFD和换普通饮食两条路径。前者回答候选药有没有真正的持续药理或代谢记忆,后者则更接近“停药+生活方式管理”。

两种设计不能混在一起解释。

3、研究脂肪组织恢复机制

高脂转普通饮食本身会明显改变脂肪组织功能。近期研究已经显示,单纯减重并不一定完全恢复高脂造成的脂肪细胞代谢程序,而改变饮食组成能够进一步恢复部分脂肪组织功能。

如果课题本身关注“减重以后脂肪组织有没有真正恢复正常”,饮食切换就是一个很有价值的实验变量。但这已经属于机制或联合干预研究,而不是普通候选药减重筛选。

SECTION 03

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GLP-1等食欲抑制药为什么继续高脂还不够

即使治疗阶段所有动物都继续高脂饮食,对于GLP-1、GIP/GLP-1、amylin以及其他明显降低摄食量的候选药,仍然存在一个解释问题:动物虽然有同样的高脂食物可以吃,但给药组实际吃得更少。

因此,最终体重下降和糖脂代谢改善仍然可能主要来自热量摄入下降。

这类项目如果还希望证明候选药具有独立于食欲抑制之外的作用,例如直接提高能量消耗、改善脂肪组织代谢或者增强胰岛素敏感性,就需要增加配对摄食组。

配对摄食组不给候选药,但每天获得与给药组相同或接近的食物量。这样两组摄入的热量接近,可以进一步判断在相同热量摄入下,药物是否还有额外代谢获益。

一个较清晰的设计可以是:

组别饮食摄食方式主要用途
DIO VehicleHFD自由摄食疾病基线
候选药HFD自由摄食完整药效
Pair-fedHFD匹配给药组摄食量拆分热量限制贡献
阳性药HFD自由摄食建立benchmark

如果候选药组和pair-fed组体重下降接近,说明减重主要由摄食下降驱动;如果体重相近但候选药组OGTT、ITT或脂肪组织状态改善更多,则支持药物还存在独立代谢作用。

对于企业项目,这种设计通常比增加第四个、第五个剂量组更有信息价值。

SECTION 04

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能量消耗型药物应该怎样区分“少吃”和“多消耗”

近年来减重研发越来越重视非食欲抑制机制,例如线粒体质子泄漏、脂肪产热、GCGR相关能量消耗以及其他外周代谢通路。这类药物在DIO模型中最大的风险,是只看到体重下降,却没有证明体重为什么下降。

正式实验建议同时记录摄食量和间接测热。

间接测热至少可以评价VO₂、VCO₂、呼吸交换率、活动量和能量消耗。如果候选药不降低摄食,却提高氧耗和能量消耗,同时减少脂肪量,就更支持真正的产热/代谢机制。

如果候选药同时减少摄食又增加能量消耗,则pair-fed组依然有价值,因为它可以帮助定量“少吃”和“多消耗”分别贡献多少。

还需要注意环境温度。普通动物房约20~22℃,对于小鼠而言属于持续轻度冷刺激,动物本身需要提高产热来维持体温。如果候选药的核心机制就是增加产热,这种背景可能压缩药物与模型组之间的能量消耗差距。

对于真正主打产热或能量消耗的候选物,可以在首轮常温DIO获得药效后,进一步增加接近热中性的环境进行机制确认。这样更容易判断药物是否真正提高能量消耗,而不是利用了常温下已经很高的基础产热。

SECTION 05

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治疗阶段分组怎样设计更容易解释

普通减重候选药不需要为了“全面”设置十几个组,但几个关键对照不能缺。

一个较实用的正式药效框架可以如下:

组别建议处理主要用途
Lean Control普通饮食+Vehicle正常体重和代谢基线
DIO VehicleHFD+Vehicle肥胖自然进展
Positive ControlHFD+semaglutide或其他匹配参照验证减重药效窗口
Candidate LowHFD+低剂量最低有效剂量
Candidate MidHFD+中剂量剂量—效应关系
Candidate HighHFD+高剂量最大药效和耐受窗口

对于明显降低食欲的药,可以增加Pair-fed组;对于生活方式联合项目,可以增加Diet-switch Vehicle和Diet-switch Candidate;对于保肌项目,则更值得增加体成分和肌肉功能,而不是继续扩充更多体重剂量组。

阳性药也需要和产品定位匹配。普通GLP-1或单靶减重药使用semaglutide通常比较清晰;如果候选药本身是双/多受体激动剂,或者目标减重幅度明显高于普通GLP-1,则可以考虑tirzepatide等更强benchmark。阳性药的作用是告诉项目候选物处于什么竞争位置,而不是简单保证实验一定出现显著差异。

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随机、给药周期和终点应该怎样安排

1、正式随机不能只看体重

同样45 g的DIO小鼠,fat mass、lean mass以及胰岛素抵抗程度可能明显不同。对于普通减重项目,可以至少根据体重和fat mass进行分层;如果产品主打糖代谢改善,还可以加入空腹血糖或胰岛素作为辅助分层指标。

对于保肌项目,治疗前lean mass尤其重要。如果一组动物基线lean mass明显高于另一组,终点“瘦体重保存”很容易产生偏差。

2、治疗周期要跟产品特点匹配

普通小分子或肽类减重项目,4周已经可以完成较好的首轮剂量筛选;如果研究减重平台、体成分重塑和长期代谢改善,6~8周通常更有价值。

对于长效抗体、核酸、saRNA或基因治疗,4周可能明显不足。这类产品应该根据PK和PD持续时间设计更长观察周期,并增加停药或单次给药后的耐久性评价。

3、体重只是第一层终点

目前减重研发已经越来越不适合只用“终点体重下降百分比”比较产品。

层级建议指标
体重药效每日或每周体重、最大减重幅度、平台期
摄食日摄食量、累计摄食量、实际能量摄入
体成分fat mass、lean mass、fat/lean ratio
糖代谢OGTT、ITT、空腹血糖、胰岛素
脂质代谢TG、TC、NEFA及必要的肝脂
能量代谢VO₂、VCO₂、RER、活动量、能量消耗
脂肪组织脂肪细胞大小、炎症及产热相关指标
保肌项目肌肉湿重、握力、跑台或其他功能
停药项目体重反弹、fat mass回升、摄食反弹

如果项目的竞争优势是“高质量减重”,fat mass和lean mass应该在实验开始前就被定义为关键终点,而不是终点体重结果出来以后再补做。

4、样本量要跟主要终点走

如果主要终点是体重变化,而且平台历史数据稳定,每组约8~10只通常已经可以满足很多早期筛选项目;如果同时评价体成分、OGTT、ITT和组织终点,建议提高到约10~12只/组。

涉及间接测热、停药反弹、长周期治疗或预期个体差异较大的项目,可以进一步预留脱落和分层空间,常见可考虑约12只甚至更多。最终数量应根据本平台历史变异度和预期效应量做统计学设计,而不是固定套用一个数字。

SECTION 07

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不同结果组合应该怎样判断候选药到底做了什么

DIO研究真正有价值的地方,是不同终点不一致时仍然能够判断候选药的作用模式,而不是要求“所有指标都最好”。

结果组合更合理的解释
体重下降、摄食明显下降,pair-fed相近主要依赖食欲抑制
体重下降、摄食不变、能量消耗升高更支持产热/能量消耗机制
体重下降相近,但候选药fat mass下降更多减重质量优于对照
体重下降相近,但候选药lean mass保存更好支持保肌优势
体重下降不多,但OGTT/ITT明显改善可能存在独立代谢获益
换普通饮食后模型组也快速减重饮食因素过强,药效需要重新拆分
药物停用后快速反弹治疗期有效,但维持性不足
停药后体重稳定且摄食未反弹支持持续PD或能量稳态重塑
体重下降很多但lean mass同步明显下降减重幅度高,不代表减重质量高
体重平台但fat mass仍继续下降体成分仍在重塑,不应仅凭体重判定药效停止

这种结果解释尤其适合企业内部Go/No-Go。一个减重幅度略低于强GLP-1参照,但能够明显保存lean mass、降低反弹或者改善胰岛素敏感性的候选药,未必是“药效差”;它可能具有另一种更有价值的产品定位。

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首轮DIO阳性以后,什么时候需要升级第二模型

DIO是减重和代谢项目非常高效的第一模型,但一个普通雄性C57BL/6J高脂模型阳性以后,并不意味着所有研发问题都已经解决。

如果候选药主打保肌,应增加更加完整的肌肉功能评价,必要时进入大鼠或其他更适合体成分和肌功能评价的模型。单纯小鼠EchoMRI的lean mass不能完全替代肌肉力量和组织质量。

如果候选药主打能量消耗,可以增加热中性DIO验证,排除常温冷应激造成的影响。

如果候选药准备覆盖男女肥胖患者,而首轮只使用雄性DIO,则后续应增加雌性动物。雌雄小鼠的脂肪分布、肥胖形成速度和减重药响应并不完全相同。

如果候选药主打肥胖合并2型糖尿病,而普通DIO只有胰岛素抵抗、并没有稳定明显高血糖,则可以升级到更强糖尿病背景模型,验证药物在重度糖代谢异常下是否仍然有效。

如果项目是长效核酸、抗体或基因治疗,第二阶段的重点则不一定是“换一种肥胖模型”,而可能是把观察周期延长,增加PK/PD、停药耐久和体重反弹。对于这类产品,真正的优势往往来自一个给药周期能维持多久,而不是第4周时比短效药多减了几个百分点。

因此,DIO治疗阶段高脂饮食要不要继续,本质上取决于实验准备回答什么问题。要证明候选药在已经建立的生活方式肥胖背景下具有独立减重和代谢作用,继续高脂通常是更清晰的方案;要研究生活方式联合、停药维持或者脂肪组织恢复,就应该把饮食切换正式纳入分组。

真正高质量的DIO药效研究,不是让动物体重降得越多越好,而是把高脂饮食、实际能量摄入、能量消耗、体成分和候选药作用分别拆开。只有这样,最终看到的减重幅度才真正能够回答候选药是怎么减、减掉了什么,以及这种药效能不能在长期研发中形成差异化价值。

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