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小動(dòng)物活體光學(xué)成像技術(shù)在藥物研發(fā)中的應(yīng)用

2024-5-17  閱讀(195)

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Revvity小動(dòng)物活體光學(xué)成像技術(shù)已在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究、臨床前醫(yī)學(xué)研究及藥物 研發(fā)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。尤其藥物研發(fā)已經(jīng)是活體光學(xué)成像技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域。 利用小動(dòng)物光學(xué)成像技術(shù)可在活體水平 1.對(duì)治療腫瘤、炎癥、感染性疾病、神經(jīng)性 疾病等疾病的藥物藥效學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià);2.對(duì)藥物在動(dòng)物體內(nèi)的分布代謝靶向進(jìn)行研究 ;3.對(duì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。Revvity的小動(dòng)物活體光學(xué)成像技術(shù)已廣泛應(yīng)用于藥物的臨 床前研發(fā)階段,在藥物研發(fā)中應(yīng)用已經(jīng)非常成熟,全球各大制藥企業(yè)均已采用活體光 學(xué)成像技術(shù)開(kāi)展抗腫瘤、抗感染等藥物的研發(fā),其中已有6種藥物獲得FDA認(rèn)證,另有8種藥物處于臨床測(cè)試階段。



藥效學(xué)評(píng)價(jià)

1. 抗腫瘤藥物藥效學(xué)評(píng)價(jià)

抗腫瘤藥物藥效學(xué)評(píng)價(jià)是小動(dòng)物光學(xué)成像技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用之一,利用熒光素酶標(biāo) 記腫瘤細(xì)胞,并移植入動(dòng)物體內(nèi)建立腫瘤疾病動(dòng)物模型,給藥后應(yīng)用小動(dòng)物活體光學(xué) 成像技術(shù)觀測(cè)腫瘤光學(xué)信號(hào)隨時(shí)間的變化情況,進(jìn)而評(píng)價(jià)不同藥物、特定的給藥途 徑、時(shí)間、劑量等給藥策略對(duì)于腫瘤的治療效果,如下圖就利用小動(dòng)物活體光學(xué)成像 技術(shù)評(píng)價(jià)了PD-0332991(PD-991)、阿瓦斯汀(Avastin)、多西他賽(docetaxel,TXT) 的抗腫瘤效果。



藥效評(píng)價(jià)研究:利用螢火蟲(chóng)熒光素酶標(biāo)記MDA-MB-435乳腺癌細(xì)胞株,將細(xì)胞注入小鼠腎包膜下構(gòu)建腎包 膜腫瘤模型,進(jìn)而對(duì)3種不同藥物或不同劑量的治療效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。(A,C)應(yīng)用IVIS成像系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)3 種藥物對(duì)腎包膜乳腺癌移植瘤的治療效果,并進(jìn)行定量分析,結(jié)果顯示30 mg/kg Docetaxel(TXT)對(duì)腫瘤 的生長(zhǎng)抑制效果好;(B,D)應(yīng)用IVIS成像系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)3種藥物對(duì)腎包膜乳腺癌移植瘤肺部轉(zhuǎn)移的抑 制效果,并進(jìn)行定量分析,結(jié)果顯示30 mg/kg Docetaxel(TXT)對(duì)腫瘤轉(zhuǎn)移的抑制效果好。

Zhang et al.,Clin Cancer Res.2009;15(1):238-46.

相對(duì)于觸診、腫瘤體積測(cè)量等傳統(tǒng)方法,利用高靈敏度的生物發(fā)光成像技術(shù)進(jìn)行 藥物評(píng)價(jià),可以更靈敏的發(fā)現(xiàn)殘余病灶點(diǎn)或盡早發(fā)現(xiàn)腫瘤的復(fù)發(fā),從而更準(zhǔn)確的對(duì)藥 物治療效果進(jìn)行判定,如下例:



提高藥效評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性:利用螢火蟲(chóng)熒光素酶標(biāo)記PC-3M人前列腺腫瘤細(xì)胞株,建立腫瘤皮下移植模型進(jìn) 行藥物評(píng)價(jià)。左圖:對(duì)照組,右圖:治療組。通過(guò)高靈敏度的生物發(fā)光成像技術(shù)可以準(zhǔn)確檢測(cè)出藥物治療 后的殘余病灶點(diǎn),從而進(jìn)行正確的藥效評(píng)價(jià),而如果通過(guò)觸診等傳統(tǒng)方法則可能做出錯(cuò)誤判斷。

利用生物發(fā)光成像技術(shù)進(jìn)行藥效評(píng)價(jià)的另一優(yōu)勢(shì)在于,可以明確判斷藥物是 否有效殺死腫瘤活細(xì)胞。這是由于生物發(fā)光的原理是基于活細(xì)胞環(huán)境的酶促反應(yīng),因 此,能夠發(fā)光的細(xì)胞必定是具有活性的。下圖所示為輝瑞公司抗腫瘤藥物Sutent的部 分研究結(jié)果,研究人員首先利用卡尺測(cè)量腫瘤體積的方法觀測(cè)該藥物對(duì)于腫瘤的生長(zhǎng) 抑制情況,發(fā)現(xiàn)該藥物能夠延緩腫瘤的生長(zhǎng),但體積測(cè)量數(shù)據(jù)顯示腫瘤并未變小,研 究人員隨后利用生物發(fā)光成像技術(shù)進(jìn)行觀測(cè),發(fā)現(xiàn)給藥一定時(shí)間后腫瘤光學(xué)信號(hào)顯著 降低,說(shuō)明該藥物對(duì)腫瘤活性細(xì)胞確實(shí)具有殺傷作用,同時(shí)說(shuō)明單獨(dú)依靠腫瘤體積測(cè) 量的方式無(wú)法準(zhǔn)確真實(shí)反映藥物治療效果。憑借活體光學(xué)成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,Sutent得以 順利通過(guò)FDA的認(rèn)證。



2.抗感染藥物藥效學(xué)評(píng)價(jià)

研究者在健康和粒細(xì)胞減少CD-1小鼠腹腔注射細(xì)菌熒光素酶標(biāo)記耐甲氧西林的金 黃色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MSSA)建立腹腔炎小 鼠模型。應(yīng)用不同抗生素治療腹腔炎小鼠,Revvity的 IVIS系統(tǒng)成像顯示服用達(dá)托霉素 (Daptomycin)小鼠的生物發(fā)光強(qiáng)度顯著下降。結(jié)果說(shuō)明達(dá)托霉素相對(duì)于其他抗生素 。

藥物(包括萘夫西林,萬(wàn)古霉素,利奈唑胺)顯示更強(qiáng)和更快地殺菌活性,對(duì)腹 腔炎的治療效果更顯著。


上圖:健康(A)和粒細(xì)胞減少(B)CD-1小鼠建立的腹腔炎模型。服用Saline(鹽水),Daptomycin(達(dá)托霉素),Vancomycin(萬(wàn)古霉素),Nafcillin(萘夫西林)或者Linezolid(利奈唑胺)。


Mortin et al., Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 2007,51(5): 787–1794

人乳頭瘤病(Human papillomavirus, HPV)誘導(dǎo)引發(fā)宮頸癌。螢火蟲(chóng)熒光素酶 標(biāo)記人乳頭瘤病皮膚感染的BALB/c小鼠模型,Revvity的 IVIS系統(tǒng)成像顯示病的 生物發(fā)光強(qiáng)度在皮下接種TA-CIN和GPI-0100疫苗的小鼠中明顯消失,說(shuō)明這兩種疫 苗能夠極大地抑制人乳頭瘤病的生長(zhǎng)(下圖)。



與細(xì)菌、病感染研究類似,研究者也可通過(guò)熒光素酶基因標(biāo)記寄生蟲(chóng),觀測(cè)其 在活體動(dòng)物體內(nèi)的感染情況。如Claes等人利用IVIS系統(tǒng)觀測(cè)了經(jīng)海腎熒光素酶基因 標(biāo)記的布氏錐蟲(chóng)(Trypanosoma brucei)在小鼠體內(nèi)的感染情況。體內(nèi)及體外成像結(jié)果 顯示,經(jīng)腹注射后,布氏錐蟲(chóng)選擇性分布于睪丸。布氏錐蟲(chóng)在睪丸的選擇性分布可能 會(huì)使其避開(kāi)藥物的作用,因?yàn)樵S多藥物無(wú)法通過(guò)睪丸-血管屏障而進(jìn)入睪丸。隨后的給 藥實(shí)驗(yàn)印證了這種推斷,在布氏錐蟲(chóng)感染小鼠5天后,用蟲(chóng)草素(cordycepin)連續(xù)進(jìn) 行三天處理,停藥后在第15天發(fā)現(xiàn)睪丸處重新出現(xiàn)布氏錐蟲(chóng)生物發(fā)光信號(hào)。這一研究 為開(kāi)發(fā)治療布氏錐蟲(chóng)感染的有效藥物提供了依據(jù)。


上圖:應(yīng)用IVIS系統(tǒng)觀測(cè)布氏錐蟲(chóng)在小鼠體內(nèi)的感染情況。左,感染后不同時(shí)間點(diǎn)活體成像結(jié)果;右上,取出睪丸后體外成像結(jié)果;右下,蟲(chóng)草素對(duì)布氏錐蟲(chóng)的治療效果觀測(cè)。


3. 抗炎癥藥物藥效學(xué)評(píng)價(jià)

治療關(guān)節(jié)炎藥物藥效學(xué)評(píng)價(jià):小分子 APO866 是 前 B 細(xì)胞集落增強(qiáng)因子(Pre-B cell colony-enhancing factor, PBEF ) / 煙 酰 胺 磷 酸 核 糖 轉(zhuǎn) 移 酶 ( nicotinamide phosphoribosyltransferase, NAMPT)抑制劑。為了研究前 B 細(xì)胞集落增強(qiáng)因子/煙酰胺 磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶在炎癥性關(guān)節(jié)炎疾病中的調(diào)節(jié)作用,研究者將膠原蛋白誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎 小鼠灌輸APO866藥物。靜脈注射MMPSense750靶向的熒光試劑,監(jiān)測(cè)基質(zhì)金屬蛋白 酶活性而反映疾病炎癥。Revvity的 IVIS 系統(tǒng)成像顯示服用 APO0866 的小鼠金屬蛋白 酶活性下降,說(shuō)明APO886能夠通過(guò)抑制前 B細(xì)胞集落增強(qiáng)因子/煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移 酶治療炎癥性關(guān)節(jié)炎。



治療系統(tǒng)炎癥藥物藥效學(xué)評(píng)價(jià):小動(dòng)物光學(xué)成像技術(shù)進(jìn)行抗炎癥藥物的研究,主 要是借助炎癥光學(xué)動(dòng)物模型即螢火蟲(chóng)熒光素酶標(biāo)記 NF- κB 基因的小鼠來(lái)實(shí)現(xiàn), ( Nuclear factor-κB (NF- κB) 是細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子,NF- κB 對(duì)細(xì)胞凋亡,腫瘤發(fā)生,自體 免疫疾病和炎癥有重要作用,NF- κB 的表達(dá)往往伴隨著炎癥的發(fā)生和發(fā)展。牛樟菇 (Antrodia camphorate)是產(chǎn)自中國(guó)臺(tái)灣的一種傳統(tǒng)中藥,牛樟菇可以治療食物中,藥物中,痢疾,腹痛,高血壓,皮膚瘙癢和肝癌,在此研究中主要評(píng)價(jià)牛樟菇對(duì)炎癥的治 療效果。模型小鼠通過(guò)腹腔內(nèi)注射脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)后建立炎癥的模 型,使用Revvity的 IVIS系統(tǒng)成像系統(tǒng)生物發(fā)光成像可實(shí)時(shí)檢測(cè)NF- κB在用藥前后的 表達(dá)水平,進(jìn)而評(píng)價(jià)牛樟菇對(duì)炎癥的治療效果。從下圖可以看出小鼠服用牛樟菇后, 炎癥小鼠的生物發(fā)光強(qiáng)度下降(下圖左)。體外驗(yàn)證顯示牛樟菇治療后腸系膜淋巴結(jié) ,肝臟,脾臟和腎臟的生物發(fā)光強(qiáng)度下降(下圖右)。結(jié)果說(shuō)明牛樟菇能夠有效抑制 脂多糖引發(fā)的炎癥反應(yīng)。


上圖:(A)應(yīng)用LPS(脂多糖),LPS+A.camphorate(脂多糖和牛樟菇),Mock(陰性對(duì)照)后小鼠生物發(fā)光和定量結(jié)果。(B) 體外Spleen(胰臟)Liver(肝臟)Kidney(腎臟),Mesenteric lymph nodes (腸系膜淋巴結(jié)),Small intestine (小腸) 的生物發(fā)光成像。


Hseu et al, Food and Chemical Toxicity, 2010(418):2319-2325

帕金森癥是一種神經(jīng)退化型疾病,神經(jīng)炎癥被認(rèn)為在神經(jīng)細(xì)胞的損傷和凋亡過(guò) 程中起了很大作用。在大腦的黑質(zhì)致密部遞送抗炎癥和抗氧化劑可以有效的抑制神經(jīng) 炎癥和增加細(xì)胞活性,然而血腦屏障是進(jìn)行大分子和蛋白質(zhì)遞送到大腦的主要屏障。 研究人員使用 MPTP 帕金森小鼠模型,進(jìn)行納米制成的過(guò)氧化氫酶(Nanozyme, 抗炎 試劑)負(fù)載骨髓巨噬細(xì)胞的遞送。Revvity的 IVIS成像系統(tǒng)結(jié)果顯示,在骨髓巨噬細(xì)胞 的幫助下,過(guò)氧化氫酶可以成功的穿過(guò)血腦屏障進(jìn)入到大腦,從而治療帕金森癥。


左.MPTP 帕金森小鼠模型靜脈注射不同物質(zhì)(A)熒光標(biāo)記的過(guò)氧化氫酶負(fù)載骨髓巨噬細(xì)胞(B)過(guò)氧化氫酶負(fù)載熒光標(biāo)記的巨噬細(xì)胞(C)熒光標(biāo)記的過(guò)氧化氫酶。


Brynskikh et al, Nanomedicine (2010) 5(3), 379–396

5.脂肪代謝相關(guān)藥物藥效學(xué)評(píng)價(jià)

ThermoMouse 是一種新的轉(zhuǎn)基因報(bào)告小鼠,可允許研究人員實(shí)時(shí)地研究活體動(dòng)物 中的棕色脂肪活性。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在最近一期的《Cell Reports》雜志。棕色脂肪 燃燒能量的這種能力,其關(guān)鍵是解偶聯(lián)蛋白1(UCP1),在該小鼠模型中當(dāng)UCP1表達(dá) 時(shí),熒光素酶隨之表達(dá)。因此通過(guò)生物發(fā)光檢測(cè)熒光素酶的表達(dá),則可實(shí)時(shí)檢測(cè)UCP1 的表達(dá),因此該模型可鑒定藥物對(duì)肥胖的治療效果。


圖1:左,利用IVIS系統(tǒng)生物發(fā)光成像檢測(cè)ThermoMouse轉(zhuǎn)基因小鼠UCP1表達(dá);(A) ThermoMouse報(bào)告鼠中生物發(fā)光3D重構(gòu)信號(hào),特定熒光素酶信號(hào)已經(jīng)表明體脂類型;(B)室溫下熒光素酶定量結(jié)果:脂肪、骨骼肌,、肝臟、脂肪定量結(jié)果已經(jīng)用蛋白含量進(jìn)行校準(zhǔn);(C) B中小鼠不同組織UCP1蛋白表達(dá)分;.(D) 28℃飼養(yǎng)條件


Galmozzi et al., 2014, Cell Reports 9:1584–1593

減肥后脂肪量恢復(fù)的細(xì)胞過(guò)程具有普遍性,瘦素的mRNA水平與脂肪量有著密切 關(guān)系,因此瘦素的表達(dá)可以代表脂肪含量的改變。瘦素(Leptin,LP)是一種由脂肪組 織分泌的激素,人們之前普遍認(rèn)為它進(jìn)入血液循環(huán)后會(huì)參與糖、脂肪及能量代謝的調(diào) 節(jié),促使機(jī)體減少攝食,增加能量釋放,抑制脂肪細(xì)胞的合成,進(jìn)而使體重減輕。為 了進(jìn)一步研究在不同條件下脂肪含量的變化,在此研究中建立了一種轉(zhuǎn)基因小鼠,在 該小鼠體內(nèi)重組的熒光素酶基因的表達(dá)受瘦素表達(dá)調(diào)節(jié)序列的調(diào)控,因此可以利用生 物發(fā)光來(lái)非侵入實(shí)時(shí)監(jiān)控瘦素的表達(dá),從而衡量脂肪含量的變化,評(píng)價(jià)減肥藥物的使 用效果。研究結(jié)果表明,1、該轉(zhuǎn)基因小鼠瘦素的表達(dá)水平與熒光素酶活性高度一致, 可以通過(guò)活體成像檢測(cè)熒光素酶的表達(dá)來(lái)真實(shí)反映瘦素的表達(dá)量;2、在禁食后,重新 給予喂食6h后,瘦素表達(dá)增加,但是此時(shí)脂肪并未合成,因此提示脂-殆盡的脂肪細(xì)胞 在脂肪組織的滯留,在瘦素治療實(shí)驗(yàn)中同樣驗(yàn)證了這一論點(diǎn)。


上圖.(A)leptin-luciferase轉(zhuǎn)基因小鼠中熒光素酶在各組織中表達(dá)特性,熒光素酶活性由組織裂解后蛋白量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理;下方是熒光素酶在轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)插入的位點(diǎn)示意圖;(B)在禁食、喂食、ob/ob小鼠中熒光素酶和瘦素的相對(duì)表達(dá),上排位熒光素酶活性,下排為瘦素的表達(dá)采用實(shí)時(shí)定量PCR的方法檢測(cè);(C
左圖. 瘦素治療對(duì)脂肪組織和熒光素酶表達(dá)的影響Klvanc? Birsoy et al.,PNAS, 2008.105 ( 35): 12985-12990


藥物分布靶向研究

除了在藥效學(xué)中的應(yīng)用,小動(dòng)物活體光學(xué)成像也廣泛應(yīng)用于藥物在體內(nèi)靶向、分 布及代謝的研究。與藥效學(xué)中的應(yīng)用不同,此類應(yīng)用是以藥物為直接觀測(cè)對(duì)象,因此 標(biāo)記方式通常是利用熒光探針直接標(biāo)記藥物本身,通過(guò)追蹤熒光信號(hào)而反映藥物在體 內(nèi)的分布情況。如在研究抗體或多肽類藥物是否能夠有效靶向腫瘤的實(shí)驗(yàn)中,可以利 用熒光染料通過(guò)化學(xué)鍵的結(jié)合標(biāo)記目標(biāo)抗體或多肽,經(jīng)尾靜脈注射后,利用小動(dòng)物活 體光學(xué)成像系統(tǒng)觀測(cè)上述標(biāo)記對(duì)象的腫瘤靶向性,如下圖:


上圖:利用VivoTag 645 熒光染料標(biāo)記抗癌藥物曲妥珠單抗(Trastuzumab),尾靜脈注入攜帶HER2陽(yáng)性人卵巢癌SKOV3的SCID小鼠體內(nèi),通過(guò)熒光成像觀測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)藥物對(duì)腫瘤的靶向情況(左上圖后三列),腫瘤本身已被熒光素酶標(biāo)記而通過(guò)生物發(fā)光成像(左上圖最左列),右上圖為熒光定量分析結(jié)果,標(biāo)明曲妥珠單


在研究藥物靶向的同時(shí),了解不同時(shí)間點(diǎn)藥物在動(dòng)物體各個(gè)器官的分布及最終代 謝情況同樣。Revvity的FMT小動(dòng)物活體熒光斷層成像系統(tǒng)可以很好的滿足此 類應(yīng)用需求。應(yīng)用FMT成像系統(tǒng),能夠?qū)晒鈽?biāo)記的藥物在深層器官的分布進(jìn)行斷層 掃描及三維重建,獲得真實(shí)準(zhǔn)確的三維定量數(shù)據(jù),進(jìn)而對(duì)藥物的體內(nèi)分布代謝情況作 出正確分析。如下圖:


上圖左:利用FMT成像系統(tǒng)觀測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)經(jīng)熒光染料VivioTag 680標(biāo)記的BSA在小鼠不同器官的分布;上圖右:不同時(shí)間點(diǎn)不同器官BSA分布的定量結(jié)果。


在對(duì)藥物分布進(jìn)行研究時(shí)尤其是小分子藥物,同位素標(biāo)記被視為金標(biāo)準(zhǔn)。原因是 用相對(duì)大分子量的熒光染料標(biāo)記小分子藥物,熒光染料本身即會(huì)對(duì)小分子藥物在體內(nèi) 的分布代謝產(chǎn)生影響,因此活體熒光成像技術(shù)并不是研究小分子藥物的最佳方法。 Revvity IVIS成像系統(tǒng)基于其超高的檢測(cè)靈敏度,可采集放射性同位素產(chǎn)生的切倫科夫 (Cerenkov)光信號(hào),即帶電粒子在某特定介質(zhì)中以超過(guò)光在該介質(zhì)中的相速度運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn) 生藍(lán)光,利用這種現(xiàn)象對(duì)放射性同位素標(biāo)記的小動(dòng)物進(jìn)行成像稱之為切倫科夫成像。 例如Jeong Chan Parka利用124I-標(biāo)記藥物赫賽汀,尾靜脈注射荷瘤小鼠體內(nèi)后,利用 Revvity IVIS成像系統(tǒng)檢測(cè)其在腫瘤的分布。


上圖:Cerenkov 和PET 成像檢測(cè)124I-標(biāo)記藥物赫賽在腫瘤的分布,紅色箭頭指示的為腫瘤的位置


切倫科夫輻射成像:應(yīng)用IVIS成像系統(tǒng)結(jié)合[18F]FDG放射性探針觀測(cè)腫瘤。A.腫瘤生物發(fā)光成像結(jié)果;B. 應(yīng)用IVIS系統(tǒng)進(jìn)行切倫科夫輻射成像,觀測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)[18F]FDG在腫瘤部位的代謝;C.應(yīng)用PET系統(tǒng)成 像,觀測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)[18F]FDG在腫瘤部位的代謝,結(jié)果與B一致。

事實(shí)上,直接通過(guò)熒光染料標(biāo)記藥物注入體內(nèi)的方式存在諸多問(wèn)題,如低靶向 性、低藥效性、免疫排斥、藥物性問(wèn)題等。因此,構(gòu)建新型藥物載體也是目前藥物 研究的熱點(diǎn)之一,應(yīng)用小動(dòng)物活體光學(xué)成像技術(shù)同樣可以在這一領(lǐng)域發(fā)揮作用。如下 圖所示為研究人員通過(guò)小動(dòng)物活體光學(xué)成像技術(shù)觀測(cè)一種新型納米共聚物給藥載體在 體內(nèi)運(yùn)載嗎啉基反義寡核苷酸靶向治療腫瘤的實(shí)驗(yàn)。此類給藥載體包含多種組分,如 起整體保護(hù)作用的外層多聚蘋果酸骨架及聚乙二醇、起腫瘤靶向作用的抗體連接組 分、藥物釋放組分、熒光染料結(jié)合位點(diǎn)等。結(jié)果表明,通過(guò)應(yīng)用新型納米給藥載體可 以有效提升藥物的靶向治療效果。


上圖左:新型納米共聚物給藥載體結(jié)構(gòu)示意圖;上圖右:應(yīng)用IVIS成像系統(tǒng)觀測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)藥物運(yùn)載系統(tǒng)在體內(nèi)的分布及對(duì)腫瘤的靶向。


藥物性研究

除了進(jìn)行藥物靶向及分布代謝研究之外,小動(dòng)物光學(xué)成像技術(shù)還可用于評(píng)價(jià)藥物 的性。其中肝性評(píng)價(jià)是藥物研發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵模塊,而許多藥物在臨床研究甚至上 市后才發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重肝性,這對(duì)藥物開(kāi)發(fā)公司和用藥患者都帶來(lái)了巨大的損害。斯坦福 大學(xué)Shuhendler教授在2014年發(fā)表一篇文章,在文章中就設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種藥物肝性指示劑,可以根據(jù)藥物肝性的大小,發(fā)出不同的光。其原理是基于肝性的兩個(gè)關(guān) 鍵生物標(biāo)志物——活性氧(reactive oxygenspecies,ROS)和活性氮(reactive nitrogen species,RNS),二者的產(chǎn)生機(jī)制不同,因此對(duì)兩者同時(shí)檢測(cè)可廣泛的檢測(cè)藥物的。此指示劑是一種半導(dǎo)體聚合物納米粒(semiconducting polymer nanoparticle,SPN),包含三個(gè)核心元件:(1)靶向元件:通過(guò)聚乙二醇聯(lián)連接半乳糖 殘基,可以與肝細(xì)胞表面的半乳糖受體結(jié)合,是一種常見(jiàn)的肝靶向方法;(2 )活性氧 感應(yīng)元件:化學(xué)發(fā)光劑雙草酸酯( CPPO) 在活性氧存在的條件下,迅速分解產(chǎn)生高能 中間體1,2-二氧雜環(huán)丁烷二酮,激發(fā)附近染料分子發(fā)光,檢測(cè)發(fā)出的光子強(qiáng)度即可評(píng)價(jià) 活性氧的程度;(3)活性氮感應(yīng)元件:青色素染料IR775S發(fā)射680nm、820nm兩種熒 光,因熒光能量偏振轉(zhuǎn)移(FRET),發(fā)射的680nm的光子作為激發(fā)光激發(fā)染料分子發(fā) 射出820nm的光,而680nm光子減弱甚至消失;而在活性氮存在的條件下,F(xiàn)RET現(xiàn)象 消失680nm熒光信號(hào)增強(qiáng),檢測(cè)此信號(hào)的強(qiáng)度即可評(píng)價(jià)活性氮的強(qiáng)度。


上圖,不同劑量撲熱息痛(anti-pyretic acetaminophen,APAP)對(duì)小鼠肝臟性的影響。


Nat Biotechnol. 2014 April ; 32(4): 373–380.

同樣也可以通過(guò)監(jiān)測(cè)與機(jī)體損傷相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)評(píng)價(jià)藥物的性。其中血紅素 氧化酶1(Heme oxygenase-1,HO-1)就是一個(gè)關(guān)鍵的檢測(cè)目標(biāo)。物質(zhì)代謝、能量代 謝、藥物和物的生物轉(zhuǎn)化,都涉及氧化還原過(guò)程,并伴隨大量活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)的生成,而剛才也提到活性氧已經(jīng)被認(rèn)為是藥物性的一個(gè)標(biāo) 志。大量研究顯示,凡引起細(xì)胞ROS 水平增加的外來(lái)刺激,如性藥物、重金屬、 素等,大都能使HO-1的表達(dá)增加,起到抗氧化的作用,因此HO-1基因的表達(dá)可以用來(lái)評(píng)價(jià)藥物的性。將熒光素酶的基因插入小鼠HO-1基因啟動(dòng)子下游建立HO-1-Luc 轉(zhuǎn)基因小鼠,即可應(yīng)用生物發(fā)光的成像模式實(shí)時(shí)檢測(cè)HO-1基因的表達(dá),進(jìn)而評(píng)價(jià)藥物 的性。 如下圖所示


上圖左.HO-1-luc模型小鼠在尾靜脈或者腹腔注射CdCl2(10 μM)后HO-1表達(dá)隨時(shí)間的變化,A左.尾靜脈注射CdCl2或PBS后進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè),并且當(dāng)CdCl2組HO-1表達(dá)接近對(duì)照組時(shí),重新注射CdCl2,A右.尾靜脈與腹腔注射CdCl2進(jìn)行比較;B、C分別為尾靜脈或腹腔注射CdCl2后進(jìn)行生物發(fā)光成像的圖像。右.不同劑量CdCl


Weisheng Zhang.et al.J Mol Med (2002) 80:655–664

血清淀粉樣蛋白A(Serum amyloid A,SAA)是一種急性期反應(yīng)蛋白,血中濃度主要 由合成速度決定,而肝功能正常時(shí)其合成主要決定于細(xì)胞因子的水平。當(dāng)組織發(fā)生感 染、炎癥或者損傷時(shí),SAA可以誘導(dǎo)產(chǎn)生組織損傷修復(fù)過(guò)程所需的酶,吸引免疫細(xì)胞 到達(dá)炎癥部位加強(qiáng)免疫反應(yīng)作用。若藥物會(huì)引發(fā)機(jī)體產(chǎn)生損傷或炎癥時(shí),SAA的表達(dá) 會(huì)迅速上升,因此SAA也可以作為藥物性的一個(gè)標(biāo)志物。同樣我們建立SAA-Luc轉(zhuǎn) 基因小鼠即可評(píng)價(jià)藥物對(duì)肝臟的性,如下圖所示:


左圖.Balb/c小鼠,尾靜脈注射GNP10/GNP30/GNP50/GNP80/GNRs/GNCs等 6種納米金材料,注射濃度2.5mg/kg小鼠體重。分別在注射材料前,注射后4h/8h/12h/24h/48h進(jìn)行活體熒光成像監(jiān)測(cè)。


藥物代謝酶CYP3A在藥物代謝中發(fā)揮重要的作用,藥物對(duì)CYP3A的誘導(dǎo)表達(dá)可 加速合用藥物的代謝,因此CYP3A的表達(dá)水平可以評(píng)價(jià)藥物在肝臟的代謝情況。在進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)時(shí),可將熒光素酶基因重組到小鼠CYP3A基因的表達(dá)盒中,構(gòu)建CYP3A-luc轉(zhuǎn) 基因小鼠,當(dāng)藥物經(jīng)過(guò)肝臟進(jìn)行代謝時(shí),CYP3A的表達(dá)增高,同樣熒光素酶的表達(dá)也 隨之增加,在注射底物熒光素時(shí),即可產(chǎn)生生物發(fā)光的信號(hào),信號(hào)的強(qiáng)度即代表了藥 物肝代謝的水平。目前CYP3A4-Luc轉(zhuǎn)基因小鼠,并且已經(jīng)被用于快速、大量篩選觀 察藥物在肝臟代謝情形及中草藥對(duì)藥物代謝的影響。


上圖:利用轉(zhuǎn)基因小鼠觀察地塞米松(Dex),利福平(Rif)經(jīng)肝臟的代謝情形。


W. Zhang et al.Biochemical Pharmacology 65 (2003) 1889–1896


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