Mô hình động vật để thử nghiệm in vivo (1): Thiết lập và phân loại

Vai trò quan trọng củatrong ống nghiệmmô hình sàng lọc trong khám phá thuốc là không thể phủ nhận. Bằng cách mô phỏng sự tương tác giữa thuốc và phân tử sinh học, những mô hình này cung cấp những hiểu biết sơ bộ về các đặc tính hóa lý, con đường trao đổi chất, tương tác thuốc và tính thấm xuyên màng của các phân tử ứng cử viên. Những dự đoán này không chỉ góp phần hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế tác dụng của thuốc mà còn đưa ra hướng dẫn có giá trị cho những bước tiếp theo.trong cơ thể sốngthử nghiệm.

Tuy nhiên, điều quan trọng là phải thừa nhận sự khác biệt cố hữu giữa môi trường được kiểm soát củatrong ống nghiệmmô hình và môi trường sinh hóa phức tạp của một sinh vật sống. Những khác biệt này có thể phát sinh từ nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm sự phức tạp của hệ thống sinh học, tương tác giữa các tế bào và các điều kiện sinh lý khác nhau giữa các loài.trong ống nghiệmVàtrong cơ thể sốngcài đặt.

Do những khác biệt này nên kết quả củatrong ống nghiệmcác xét nghiệm hoạt tính có thể không phản ánh đầy đủ hiệu quả thực sự của thuốctrong cơ thể sống. Vì vậy, trong khitrong ống nghiệmmô hình sàng lọc giữ một vị trí không thể thiếu trong-sự phát triển thuốc ở giai đoạn đầu, chúng không thể thay thếtrong cơ thể sốngthử nghiệm. Các cơ quan quản lý trên toàn thế giới bắt buộc phải nộp báo cáo toàn diệntrong cơ thể sốngdữ liệu trước khi một loại thuốc mới có thể được phê duyệt để đưa ra thị trường, đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của nó.

Trực tiếp sử dụng đối tượng con người để sàng lọc thuốc rõ ràng là không thực tế. Từ quan điểm đạo đức, việc sử dụng các loại thuốc chưa được kiểm chứng đầy đủ cho con người có thể gây ra những nguy cơ tiềm ẩn về sức khỏe và có thể làm xói mòn niềm tin của công chúng đối với ngành phát triển dược phẩm. Từ góc độ kinh tế, các thử nghiệm trên người đòi hỏi đầu tư nguồn lực đáng kể và có tính không chắc chắn đáng kể, gây áp lực tài chính đáng kể cho các dự án nghiên cứu ngay từ đầu.

Vì vậy, việc xây dựng có hiệu quả và khả thimô hình động vậtđể đánh giá tác dụng của thuốc ứng cử viên đối với cơ thể con người và sự tiến triển của bệnh đã trở thành một bước không thể thiếu trong quá trình phát triển thuốc. Các mô hình động vật có thể mô phỏng cơ chế bệnh sinh và quá trình sinh lý bệnh của các bệnh ở người, cung cấp môi trường thử nghiệm gần giống với tình trạng của con người hơn. Thông qua các mô hình động vật, có thể tiến hành đánh giá toàn diện về tính an toàn, hiệu quả và dược động học của các loại thuốc ứng cử viên, mang lại sự hỗ trợ mạnh mẽ cho các thử nghiệm lâm sàng tiếp theo.

Bài viết này sẽ tập trung khám phá các ứng dụng và lợi thế của mô hình động vật trong phát triển thuốc, nhằm mục đích cung cấp những hiểu biết sâu sắc có giá trị cho những nỗ lực nghiên cứu trong tương lai. (Do hạn chế về độ dài, chủ đề này sẽ được trình bày thành hai phần. Phần 1 sẽ thảo luận về việc thiết lập và phân loại mô hình động vật, trong khi Phần 2 sẽ đi sâu vào các mô hình động vật cổ điển.)

2.1 Can thiệp bằng hóa chất

Thiết lập mô hình động vật thông qua can thiệp hóa học bao gồm việc sử dụng các chất hóa học cụ thể cho động vật, thông qua tiêm hoặc cho ăn, để tạo ra những thay đổi sinh lý bệnh cụ thể. Các khía cạnh quan trọng của phương pháp này là lựa chọn chất hóa học thích hợp và liều lượng chính xác để đảm bảo gây ra sự thay đổi bệnh lý ổn định và có thể tái tạo ở động vật.

Mô hình quản trị MPTPbệnh Parkinsonđóng vai trò là một ví dụ điển hình. MPTP (1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine) là một chất độc thần kinh gây tổn hại có chọn lọc các tế bào thần kinh dopaminergic ở vùng chất đen, dẫn đến giảm nồng độ dopamine và bắt chước các đặc điểm bệnh lý của bệnh Parkinson.

Quy trình cụ thể bao gồm việc lựa chọn chủng và độ tuổi của động vật thích hợp, chẳng hạn như chuột C57BL/6 thường được sử dụng. Sau đó, liều lượng MPTP được tính toán và xác định dựa trên mục tiêu thí nghiệm và trọng lượng cơ thể động vật. Thông thường, MPTP được tiêm trong phúc mạc, mỗi ngày một lần, trong vài ngày đến vài tuần.

Trong thời gian quản lý, việc quan sát chặt chẽ những thay đổi hành vi của động vật, chẳng hạn như sự phối hợp vận động và cân bằng tư thế, là cần thiết để đánh giá việc thiết lập mô hình. Hơn nữa, các xét nghiệm sinh hóa và phân tích mô học có thể được sử dụng để xác nhận thêm các đặc điểm sinh lý bệnh của mô hình.

Mô hình bệnh Parkinson do MPTP-gây ra mang lại một số ưu điểm: nó tái tạo một cách hiệu quả các dấu hiệu bệnh lý điển hình của bệnh Parkinson, chẳng hạn như mất tế bào thần kinh dopaminergic ở chất đen và giảm mức độ dopamine; quy trình thiết lập mô hình tương đối đơn giản, vận hành thuận tiện và tiết kiệm chi phí-; và do tác dụng độc hại có chọn lọc và cụ thể của MPTP, mô hình cho thấy độ ổn định và khả năng tái tạo cao.

Tuy nhiên, mô hình bệnh Parkinson do MPTP{0}}gây ra cũng có một số hạn chế nhất định. Ví dụ, nó có thể không tóm tắt đầy đủ cơ chế bệnh sinh phức tạp và sự tiến triển bệnh lý của bệnh Parkinson ở người và quá trình sử dụng có thể gây ra một số tác dụng phụ và phản ứng độc hại. Vì vậy, việc đánh giá cẩn thận khả năng ứng dụng và hạn chế của nó là cần thiết khi sử dụng mô hình này để nghiên cứu bệnh và phát triển thuốc.

2.2 Can thiệp vật lý

Hãy xem xét tình huống mà chúng tôi hướng tới nghiên cứu các bệnh do các yếu tố thể chất bên ngoài gây ra, chẳng hạn như gãy xương, bong gân hoặc chấn thương-do tập thể dục. Thử nghiệm trực tiếp trên người là không khả thi do những lo ngại về đạo đức và rủi ro đáng kể. Đây là nơi các mô hình động vật trở nên vô giá.

Các phương pháp can thiệp vật lý để thiết lập mô hình động vật rất đa dạng, trong đó việc áp dụng lực phẫu thuật hoặc cơ học là phổ biến nhất. Ví dụ, trong nghiên cứu về việc chữa lành vết gãy xương, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra mô hình vết gãy ở chân của chuột nhắt. Họ sử dụng các dụng cụ phẫu thuật chuyên dụng để mô phỏng chấn thương do gãy xương ở người và sau đó quan sát quá trình chữa lành ở động vật. Đây có thể được xem như một mô phỏng thu nhỏ của một “tai nạn” trên một sân khấu nhỏ, cho phép quan sát đối tượng “bị thương” hồi phục như thế nào.

Một ví dụ khác liên quan đến việc nghiên cứu các bệnh về van tim. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng kỹ thuật đặt ống thông để mô phỏng tình trạng hẹp hoặc hở van ở tim động vật. Thông qua thao tác phẫu thuật chính xác, ống thông được đưa vào tim của động vật để mô phỏng các tổn thương van tim và quan sát thấy những thay đổi sau đó trong chức năng tim. Điều này giống như việc cố tình đưa ra một trục trặc trong một cỗ máy phức tạp và quan sát phản ứng của nó.

Những phương pháp can thiệp vật lý này không chỉ hỗ trợ mô phỏng các trạng thái bệnh khác nhau mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc đánh giá hiệu quả và độ an toàn của thuốc mới. Ví dụ, trong mô hình gãy xương, việc sử dụng một loại thuốc mới được phát triển và quan sát tốc độ cũng như chất lượng của quá trình lành xương có thể mang lại những hiểu biết có giá trị. Tương tự, trong mô hình bệnh van tim, có thể đánh giá khả năng của một loại thuốc mới trong việc cải thiện chức năng tim và giảm các biến chứng.

Hơn nữa, các phương pháp can thiệp vật lý thường được kết hợp với các kỹ thuật khác như chỉnh sửa gen và cảm ứng thuốc để mô phỏng toàn diện hơn các bệnh ở người. Ví dụ, trong nghiên cứu về ung thư, trước tiên các nhà nghiên cứu có thể sử dụng chỉnh sửa gen để tạo ra các đột biến gen cụ thể ở động vật và sau đó sử dụng các biện pháp can thiệp vật lý (như bức xạ hoặc cảm ứng hóa học) để kích hoạt sự hình thành khối u.

2.3 Can thiệp di truyền

Can thiệp di truyền liên quan đến việc sửa đổi gen của động vật để bắt chước các bệnh ở người. Cốt lõi của phương pháp này nằm ở việc tận dụng các công nghệ chỉnh sửa gen tiên tiến, chẳng hạn như CRISPR/Cas9, để thay đổi chính xác bộ gen của động vật. Công nghệ này hoạt động giống như những “chiếc kéo phân tử”, có khả năng cắt và thay thế chính xác các chuỗi DNA, từ đó tạo ra các mô hình động vật có đột biến gen cụ thể.

Ví dụ, nếu mục tiêu là nghiên cứu một bệnh di truyền gây ra bởi một đột biến gen cụ thể, chẳng hạn như rối loạn phổ tự kỷ, thì công nghệ CRISPR/Cas9 có thể được sử dụng để đưa đột biến giống hệt đó vào bộ gen của động vật (ví dụ: chuột hoặc chó). Những động vật này sau đó sẽ biểu hiện các đặc điểm bệnh tương tự như bệnh nhân ở người, cung cấp nền tảng lý tưởng cho nghiên cứu.

Mô hình chó mắc chứng rối loạn phổ tự kỷ là một ví dụ thuyết phục về mô hình động vật can thiệp di truyền thành công. Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Yongqing Zhang dẫn đầu ở Trung Quốc đã giới thiệu thành công đột biến gen Shank3 vào chó bằng công nghệ CRISPR/Cas9, tạo ra mô hình chó mắc chứng rối loạn phổ tự kỷ. Những con chó đột biến này đã tái tạo một cách hiệu quả các biểu hiện lâm sàng cốt lõi của bệnh tự kỷ ở người, chẳng hạn như những thiếu sót về mặt xã hội, cung cấp cho các nhà khoa học một công cụ nghiên cứu mới để-khám phá sâu về cơ chế bệnh sinh và các chiến lược điều trị bệnh tự kỷ.

Khi thiết lập các mô hình động vật thông qua can thiệp di truyền, việc kết hợp nó với các kỹ thuật khác như chuyển gen và cảm ứng hóa học có thể mô phỏng thêm mức độ phức tạp của các bệnh ở người. Ví dụ, một đột biến gen cụ thể có thể được đưa vào thông qua chỉnh sửa gen, sau đó là sử dụng các tác nhân hóa học để tạo ra những thay đổi sinh lý hoặc bệnh lý cụ thể, dẫn đến tóm tắt toàn diện hơn về tình trạng bệnh ở người.

3.1 Mô hình động vật tương đồng

Các mô hình động vật tương đồng là những mô hình có mức độ tương đồng cao với cơ chế gây bệnh ở người. Chúng không chỉ giống nhau về biểu hiện gen và đặc điểm sinh lý mà quan trọng hơn là về nguyên nhân, sự tiến triển và phản ứng thuốc của bệnh, phản ánh rất chặt chẽ tình trạng của con người. Điều này cho phép các nhà khoa học mô phỏng chính xác các quá trình sinh lý bệnh của bệnh ở người ở động vật, cung cấp dữ liệu thực nghiệm vô giá cho việc phát triển thuốc. Các đặc điểm chính bao gồm:

• Mô phỏng độ trung thực cao:Các mô hình động vật tương đồng tái tạo chính xác nguyên nhân, triệu chứng và phản ứng điều trị các bệnh ở người, giúp quá trình phát triển thuốc trở nên phù hợp và hiệu quả hơn.
• Sức mạnh dự đoán:Do có tính tương đồng cao với cơ chế gây bệnh ở người và phản ứng thuốc, các mô hình động vật tương đồng có thể dự đoán hiệu quả của thuốc và tác dụng phụ ở người với độ chính xác hợp lý, hỗ trợ mạnh mẽ cho các thử nghiệm lâm sàng.

Các mô hình lây nhiễm vi khuẩn, được thiết lập bằng cách mô phỏng quá trình lây nhiễm vi khuẩn ở người, là mô hình động vật có đặc điểm sinh lý bệnh tương tự. Những mô hình này rất quan trọng để hiểu cơ chế bệnh sinh của nhiễm trùng do vi khuẩn và đánh giá hiệu quả của thuốc kháng khuẩn. Ví dụ, trong quá trình phát triển kháng sinh, các nhà khoa học sử dụng mô hình lây nhiễm vi khuẩn để đánh giá tác dụng ức chế và diệt khuẩn của các loại kháng sinh khác nhau, cung cấp cơ sở khoa học cho thuốc lâm sàng.

3.2 Mô hình động vật đẳng hình

Các mô hình động vật đẳng hình đề cập đến những mô hình có chung triệu chứng với các bệnh ở người và có thể tuân theo các phương pháp điều trị tương tự. Tuy nhiên, không giống như các mô hình tương đồng, nguyên nhân cơ bản gây bệnh ở các mô hình đẳng hình có thể khác với nguyên nhân ở người. Xem xét tổn thương thoái hóa liên quan đến viêm khớp-: trong khi tiêm iodoacetate vào khớp của mô hình động vật có thể gây ra viêm khớp và được sử dụng để nghiên cứu tác dụng chống-thoái hóa của các hợp chất, thì cơ chế hình thành viêm xương khớp ở người phức tạp hơn đáng kể và không chỉ do iodoacetate gây ra. Các đặc điểm chính của mô hình động vật đẳng hình bao gồm:

• Sự tương đồng về triệu chứng:Các mô hình động vật đẳng hình biểu hiện các triệu chứng rất giống với bệnh ở người, cho phép quan sát những thay đổi sinh lý bệnh tương tự ở động vật, cung cấp tài liệu tham khảo trực quan cho việc phát triển thuốc.
• Điều trị song song:Do những điểm tương đồng về triệu chứng, các chiến lược điều trị giống nhau thường có thể được áp dụng cho cả mô hình động vật dị hình và bệnh ở người. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc đánh giá hiệu quả và độ an toàn của thuốc.
• Sự khác biệt căn nguyên:Mặc dù có những điểm tương đồng về triệu chứng và phương pháp điều trị, nhưng nguyên nhân cơ bản gây bệnh ở mô hình động vật dị hình có thể khác với nguyên nhân ở người. Sự khác biệt này đòi hỏi phải phân tích thận trọng hơn các kết quả thử nghiệm khi sử dụng các mô hình đẳng hình để phát triển thuốc để tránh ngoại suy trực tiếp các phát hiện trên mô hình động vật cho con người.

Lấy tổn thương thoái hóa liên quan đến viêm khớp-làm ví dụ, việc tiêm iodoacetate vào-khớp có thể gây ra chứng viêm khớp ở mô hình động vật. Mô hình này có những điểm tương đồng về triệu chứng với bệnh viêm xương khớp ở người, chẳng hạn như sưng khớp, đau và hạn chế vận động. Do đó, mô hình này có thể được sử dụng để đánh giá-khả năng chống thoái hóa của thuốc. Tuy nhiên, sự phát triển của bệnh viêm xương khớp ở người phức tạp hơn, liên quan đến nhiều yếu tố khác nhau như di truyền, môi trường và tuổi tác. Vì vậy, khi sử dụng mô hình động vật đẳng hình để phát triển thuốc, việc xem xét toàn diện các yếu tố này là cần thiết để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả thí nghiệm.

3.3 Mô hình động vật dự đoán

Các mô hình động vật dự đoán được sử dụng làm công cụ để phát triển thuốc khi không có mô hình động vật trực tiếp tương ứng với bệnh ở người. Những mô hình này mô phỏng các triệu chứng và phản ứng của bệnh bằng nhiều phương pháp khác nhau. Điều này có thể được ví như việc sử dụng bản phác thảo vẽ tay-để lập kế hoạch tuyến đường khi không có bản đồ thực.

Hãy xem xét các bệnh tâm thần. Những tình trạng này đặc biệt phức tạp, không chỉ do nguyên nhân đa dạng mà còn vì việc quan sát và hiểu trực tiếp trạng thái tinh thần của động vật là một thách thức. Vì vậy, việc xác định dứt khoát liệu một con vật có thực sự mắc bệnh tâm thần hay không là rất khó. May mắn thay, các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp: gây ra hoặc làm trầm trọng thêm các triệu chứng tâm thần ở động vật bằng cách sử dụng một số loại thuốc.

Ví dụ, hãy tưởng tượng việc phát triển một loại thuốc mới để điều trị chứng trầm cảm. Trong trường hợp không có mô hình động vật phù hợp, các nhà nghiên cứu có thể tiêm cho chuột một chất được biết là gây ra các triệu chứng trầm cảm và sau đó quan sát những thay đổi trong hành vi của chúng.

Nếu loại thuốc mới có thể làm giảm bớt các triệu chứng trầm cảm ở chuột thì nó sẽ cung cấp bằng chứng sơ bộ cho thấy loại thuốc này cũng có thể có hiệu quả trong điều trị trầm cảm ở người. Đương nhiên, đây chỉ là dự đoán sơ bộ và hiệu quả thực tế cần được xác nhận thông qua các thử nghiệm lâm sàng trên người.

4.1 Lựa chọn loài

Khi xem xét lựa chọn loài để phát triển mô hình, việc này cũng giống như việc lựa chọn cẩn thận các nguồn lực phù hợp cho một dự án phức tạp. Việc lựa chọn mô hình động vật thích hợp cũng quan trọng như việc lựa chọn những vật liệu tốt nhất.

Điều quan trọng cần phải nhận ra là không phải tất cả động vật đều phù hợp làm mô hình phát triển thuốc. Vì không phải tất cả các vật liệu đều phù hợp cho một mục đích cụ thể nên phải xem xét một số yếu tố, bao gồm cấu trúc sinh lý, hệ thống trao đổi chất và tính nhạy cảm với bệnh quan tâm của động vật.

Khi lựa chọn mô hình động vật, ưu tiên thường được dành cho những loài có đặc điểm sinh lý và bệnh lý giống con người nhất. Ví dụ, chuột thường được sử dụng trong phát triển thuốc do chu kỳ sinh sản nhanh, dễ thao tác di truyền và chi phí thấp.

Tuy nhiên, đối với các bệnh cụ thể, có thể cần đến các mô hình động vật chuyên biệt hơn. Ví dụ, thỏ và khỉ là những mô hình được ưa chuộng để nghiên cứu các bệnh về mắt do cấu trúc mắt của chúng giống với cấu trúc mắt của con người.

Loài linh trưởng không phải con người (NHP), là động vật xã hội có cấu trúc phân cấp rõ ràng và hành vi phức tạp, giống với con người về mặt phát sinh gen, giải phẫu, sinh lý và y sinh hơn con người so với các mô hình gặm nhấm thường được sử dụng. Chúng đóng vai trò là động vật thí nghiệm tiên tiến trong nghiên cứu y học và khoa học đời sống, đóng vai trò không thể thay thế trong việc phát triển vắc-xin để phòng ngừa và kiểm soát dịch bệnh ở người cũng như trong nghiên cứu chức năng não và rối loạn thần kinh của con người. Khi nghiên cứu về y học và sức khỏe con người ngày càng sâu rộng, mô hình động vật cấp thấp{2}}đang tỏ ra không đủ ở một số lĩnh vực nhất định, tạo ra nhu cầu cấp thiết về các mô hình động vật gần gũi hơn với con người về mặt tiến hóa, chẳng hạn như khỉ.

Trong ứng dụng thực tế, các nhà khoa học đã đạt được những kết quả đáng ghi nhận nhờ lựa chọn được mô hình động vật phù hợp. Ví dụ: trong nghiên cứu điều trị ung thư, mô hình chuột đã hỗ trợ sàng lọc nhiều loại thuốc chống khối u hiệu quả. Trong nghiên cứu củabệnh thoái hóa thần kinh, mô hình ruồi đục quả và tuyến trùng đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế phân tử gây ra bệnh. Những ví dụ thành công này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn mô hình động vật phù hợp trong quá trình phát triển thuốc mới.

4.2 Yêu cầu về cỡ mẫu

Việc xác định số lượng động vật thí nghiệm thích hợp phụ thuộc vào năm yếu tố chính: nguyên tắc thống kê, mục tiêu thí nghiệm, đặc điểm của động vật, kinh nghiệm trước đó và các quy định liên quan.

Nguyên tắc thống kê

Trong phát triển thuốc, mục tiêu là đạt được kết quả không chỉ hiệu quả mà còn đáng tin cậy và có thể tái sản xuất. Điều này đòi hỏi phải áp dụng các nguyên tắc thống kê để ước tính cỡ mẫu cần thiết dựa trên cỡ ảnh hưởng dự kiến, sai số thực nghiệm và mức độ tin cậy mong muốn. Về bản chất, giống như việc tung một đồng xu nhiều lần hơn sẽ dẫn đến dự đoán chính xác hơn về xác suất ra mặt ngửa hoặc mặt sấp.

Mục tiêu thử nghiệm

Mục tiêu thí nghiệm là một yếu tố quan trọng khác quyết định số lượng động vật thí nghiệm cần thiết. Các mục tiêu thử nghiệm khác nhau đòi hỏi cỡ mẫu khác nhau. Ví dụ, các nghiên cứu về độc tính của thuốc thường yêu cầu cỡ mẫu lớn hơn để đảm bảo độ tin cậy và an toàn của kết quả, trong khi cỡ mẫu nhỏ hơn có thể đủ trong giai đoạn sàng lọc thuốc sơ bộ.

Đặc điểm động vật

Các yếu tố như loài, tuổi, giới tính và tình trạng sức khỏe của động vật có thể ảnh hưởng đến việc xác định cỡ mẫu. Tương tự như việc các nguyên liệu khác nhau yêu cầu thời gian nấu và mức nhiệt khác nhau, động vật với những đặc điểm khác nhau có thể biểu hiện những phản ứng khác nhau trong các thí nghiệm. Vì vậy, việc điều chỉnh cỡ mẫu dựa trên đặc điểm của động vật thí nghiệm là cần thiết.

Kinh nghiệm trước đây

Kinh nghiệm trước đây và các quy định liên quan cũng có thể giúp ích cho việc xác định số lượng động vật. Ví dụ, các nghiên cứu về một số bệnh hoặc thuốc có thể đã thiết lập các mô hình động vật và các quy trình thử nghiệm, cung cấp cơ sở để xác định số lượng động vật cần thiết.

Quy định liên quan

Các quốc gia và khu vực khác nhau có các quy định và hướng dẫn cụ thể về số lượng và tình trạng của động vật được sử dụng trong thí nghiệm. Việc tuân thủ các quy định này là bắt buộc khi thiết lập số lượng động vật thí nghiệm.