El importante papel dein vitroLos modelos de detección en el descubrimiento de fármacos son innegables. Al simular las interacciones entre fármacos y biomoléculas, estos modelos proporcionan ideas preliminares sobre las propiedades fisicoquímicas, las vías metabólicas, las interacciones fármacos y la permeabilidad transmembrana de las moléculas candidatas. Estas predicciones contribuyen notablemente a una comprensión más profunda de los mecanismos de acción de drogas, pero también ofrecen una valiosa orientación para posteriorin vivopruebas.
Sin embargo, es crucial reconocer las diferencias inherentes entre el entorno controlado dein vitromodelos y el complejo entorno bioquímico de un organismo vivo. Estas discrepancias pueden surgir de varios factores, incluida la complejidad de los sistemas biológicos, las interacciones intercelulares y las diferentes condiciones fisiológicas entrein vitroyin vivoajustes.
Debido a estas diferencias, los resultados dein vitroLos ensayos de actividad pueden no reflejar completamente la verdadera eficacia de un medicamentoin vivo. Por lo tanto, mientrasin vitroLos modelos de detección tienen una posición indispensable en el desarrollo de fármacos en etapa temprana, no pueden reemplazarin vivopruebas. Las agencias reguladoras en todo el mundo exigen la presentación dein vivoLos datos antes de que se pueda aprobar un nuevo medicamento para la liberación del mercado, asegurando su seguridad y eficacia.
La utilización directa de sujetos humanos para la detección de drogas no es práctico. Desde un punto de vista ético, la administración de medicamentos insuficientemente validados a los humanos plantea riesgos potenciales para la salud y podría erosionar la confianza pública en la industria del desarrollo farmacéutico. Desde una perspectiva económica, los ensayos en humanos requieren una inversión sustancial de recursos y sujetos a una considerable incertidumbre, lo que colocó una tensión financiera significativa en proyectos de investigación desde el principio.
En consecuencia, establecer efectivo y factiblemodelos animalesEvaluar los efectos de los medicamentos candidatos en el cuerpo humano y la progresión de la enfermedad se ha convertido en un paso indispensable en el desarrollo de fármacos. Los modelos animales pueden simular la patogénesis y los procesos fisiopatológicos de las enfermedades humanas, proporcionando un entorno de prueba que se aproxima más a la condición humana. A través de modelos animales, se puede realizar una evaluación integral de la seguridad, la eficacia y las propiedades farmacocinéticas de los medicamentos candidatos, lo que brinda un apoyo robusto para ensayos clínicos posteriores.
Este artículo se centrará en explorar las aplicaciones y ventajas de los modelos animales en el desarrollo de medicamentos, con el objetivo de proporcionar información valiosa para futuros esfuerzos de investigación. (Debido a las limitaciones de longitud, este tema se cubrirá en dos partes. La Parte 1 discutirá el establecimiento y la clasificación de modelos animales, mientras que la Parte 2 profundizará en modelos animales clásicos).
2. Establecimiento de modelos animales
2.1 Intervención química
El establecimiento de modelos animales a través de la intervención química implica administrar sustancias químicas específicas a los animales, ya sea a través de la inyección o la alimentación, para inducir cambios fisiopatológicos específicos. Los aspectos críticos de este método son seleccionando la sustancia química apropiada y la dosis correcta para garantizar la inducción estable y reproducible de alteraciones patológicas dentro del animal.
El modelo de administración MPTP paraEnfermedad de Parkinsonsirve como un excelente ejemplo. MPTP (1- metilo -4- fenilo -1, 2,3, 6- tetrahidropyridina) es una neurotoxina que daña selectivamente las neuronas dopaminérgicas en las características de la sustancia sustancia, lo que lleva a una disminución de la dopamina y mimicia las características de los patones de parque.
El procedimiento específico implica seleccionar la cepa y la edad animales apropiadas, como los ratones C57BL/6 de uso común. Posteriormente, la dosis de MPTP se calcula y determina en función del objetivo experimental y el peso corporal animal. Por lo general, MPTP se administra mediante inyección intraperitoneal, una vez al día, durante varios días o semanas.
Durante el período de administración, es necesaria una observación estrecha de los cambios de comportamiento del animal, como la coordinación motora y el equilibrio postural, para evaluar el establecimiento del modelo. Además, se pueden emplear ensayos bioquímicos y análisis histológicos para validar aún más las características fisiopatológicas del modelo.
El modelo de enfermedad de Parkinson inducido por MPTP ofrece varias ventajas: replica de manera efectiva las características patológicas típicas de la enfermedad de Parkinson, como la pérdida de neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra y la disminución de los niveles de dopamina; El proceso de establecimiento del modelo es relativamente sencillo, operativo, convenientemente conveniente y rentable; y debido a los efectos tóxicos selectivos y específicos de MPTP, el modelo exhibe una alta estabilidad y reproducibilidad.
Sin embargo, el modelo de enfermedad de Parkinson inducido por MPTP también tiene ciertas limitaciones. Por ejemplo, puede no recapitular completamente la patogénesis compleja y la progresión patológica de la enfermedad de Parkinson humana, y el proceso de administración puede inducir ciertos efectos secundarios y reacciones tóxicas. Por lo tanto, es necesaria una evaluación cuidadosa de su aplicabilidad y limitaciones al usar este modelo para la investigación de enfermedades y el desarrollo de fármacos.
2.2 Intervención física
Considere el escenario en el que nuestro objetivo es estudiar enfermedades causadas por factores físicos externos, como fracturas, esguinces o lesiones inducidas por el ejercicio. Experimentar directamente con humanos es inviable debido a preocupaciones éticas y riesgos significativos. Aquí es donde los modelos animales se vuelven invaluables.
Los métodos de intervención física para establecer modelos animales son diversos, siendo la aplicación de fuerza quirúrgica o mecánica los más comunes. Por ejemplo, en el estudio de la curación de fracturas óseas, los investigadores pueden crear un modelo de fractura en las piernas de ratones o ratas. Utilizan instrumentos quirúrgicos especializados para simular el trauma de las fracturas humanas y posteriormente observan el proceso de curación en los animales. Esto se puede ver como una simulación en miniatura de un "accidente" en una pequeña etapa, lo que permite la observación de cómo se recupera el sujeto "lesionado".
Otro ejemplo implica el estudio de enfermedades de la válvula cardíaca. Los investigadores pueden emplear técnicas de cateterismo para simular la estenosis o la regurgitación de la válvula en los corazones de los animales. A través de la manipulación quirúrgica precisa, los catéteres se insertan en el corazón del animal para imitar lesiones valvulares, y se observaron cambios posteriores en el funcionalidad cardíaco. Esto es similar a intencionalmente introducir un mal funcionamiento en una máquina compleja y observar su respuesta.
Estos métodos de intervención física ayudan notablemente a simular varios estados de enfermedad, pero también facilitan la evaluación de la nueva eficacia y seguridad del fármaco. Por ejemplo, en un modelo de fractura, administrar un medicamento recientemente desarrollado y observar la tasa y la calidad de la curación ósea puede proporcionar información valiosa. Del mismo modo, en un modelo de enfermedad de la válvula cardíaca, se puede evaluar la capacidad de un nuevo medicamento para mejorar la función cardíaca y reducir las complicaciones.
Además, los métodos de intervención física a menudo se combinan con otras técnicas, como la edición de genes e inducción de fármacos, para simular de manera más integral las enfermedades humanas. Por ejemplo, en la investigación del cáncer, los investigadores podrían usar primero la edición de genes para inducir mutaciones genéticas específicas en animales y que emplean intervenciones físicas (como radiación o inducción química), la formación de tumores totales.
2.3 Intervención genética
La intervención genética implica modificar los genes de un animal para imitar las enfermedades humanas. El núcleo de este método radica en aprovechar las tecnologías avanzadas de edición de genes, como CRISPR/CAS9, para alterar con precisión el genoma del animal. Esta tecnología actúa como "tijeras moleculares", capaces de cortar y reemplazar con precisión las secuencias de ADN, creando así modelos animales con mutaciones genéticas específicas.
Por ejemplo, si el objetivo es estudiar una enfermedad hereditaria causada por una mutación genética específica, como el trastorno del espectro autista, la tecnología CRISPR/CAS9 puede usarse para introducir la mutación idéntica en el genoma de un animal (por ejemplo, ratones o perros). Luego, estos animales exhibirán características de la enfermedad a los pacientes humanos similares, proporcionando una plataforma ideal para la investigación.
El modelo canino del trastorno del espectro autista es un ejemplo convincente de un modelo animal de intervención genética exitosa. El equipo de investigación dirigido por el profesor Yongqing Zhang en China introdujo con éxito la mutación del gen Shank3 en perros utilizando tecnología CRISPR/CAS9, creando un modelo canino del trastorno del espectro autista. Estos perros mutantes replicaron efectivamente las manifestaciones clínicas centrales del autismo en humanos, como los déficits sociales, ofreciendo a los científicos una nueva herramienta de investigación para la exploración de la patogénesis y las estrategias de tratamiento para el autismo.
Al establecer modelos animales a través de la intervención genética, combinarlo con otras técnicas como la transgénesis y la inducción química puede simular aún más la complejidad de las enfermedades humanas. Por ejemplo, se puede introducir una mutación genética específica a través de la edición de genes, seguido del uso de agentes químicos para inducir cambios fisiológicos o patológicos específicos, lo que lleva a una recapitulación más integral del estado de la enfermedad humana.
3. Clasificación de modelos
3.1 Modelos animales homólogos
Los modelos animales homólogos son aquellos que exhiben un alto grado de similitud con los mecanismos de enfermedades humanas. Arranotonlysysimilarin la expresión génica y las características fisiológicas, pero, lo que es más importante, en la etiología, la progresión y la respuesta a los fármacos de la enfermedad, reflejando notablemente las afecciones humanas. Esto permite a los científicos simular con precisión los procesos fisiopatológicos de las enfermedades humanas en los animales, proporcionando datos experimentales invaluables para el desarrollo de fármacos. Las características clave incluyen:
- Simulación de alta fidelidad:Los modelos animales homólogos replican con precisión las causas, los síntomas y las respuestas del tratamiento de las enfermedades humanas, lo que hace que el proceso de desarrollo de fármacos sea más relevante y eficiente.
- Poder predictivo:Debido a su alta similitud con los mecanismos de enfermedades humanas y las respuestas de los medicamentos, los modelos animales homólogos pueden predecir la eficacia de los medicamentos y los efectos secundarios en humanos con precisión razonable, proporcionando un fuerte apoyo para los ensayos clínicos.
Los modelos de infección bacteriana, establecidos al simular el proceso humano de infección bacteriana, son modelos animales con características fisiopatológicas similares. Estos modelos son cruciales para comprender la patogénesis de las infecciones bacterianas y evaluar la eficacia de los fármacos antibacterianos. Por ejemplo, en el desarrollo de antibióticos, los científicos usan modelos de infección bacteriana para evaluar los efectos inhibitorios y bactericidas de diferentes antibióticos, proporcionando una base científica para la medicación clínica.
3.2 Modelos animales isomórficos
Los modelos animales isomórficos se refieren a aquellos que comparten síntomas similares con enfermedades humanas y susceptibles a los mismos enfoques de tratamiento. Sin embargo, a diferencia de los modelos homólogos, las causas subyacentes de la enfermedad en los modelos isomórficos pueden diferir de las de los humanos. Considere el daño degenerativo relacionado con la artritis: si bien inyectar yodoacetato en las articulaciones de un modelo animal puede inducir la artritis y usarse para estudiar los efectos antigenerativos de los compuestos, el mecanismo de formación de la osteoartritis humana es considerablemente más complejo y no es solo causado por el yodoacetato. Las características clave de los modelos animales isomórficos incluyen:
- Similitud de síntomas:Los modelos animales isomórficos exhiben síntomas altamente enfermedades humanas similarto, lo que permite la observación de cambios fisiopatológicos análogos en los animales, proporcionando referencias intuitivas para el desarrollo de fármacos.
- Paralelismos de tratamiento:Debido a las similitudes sintomáticas, las mismas estrategias de tratamiento a menudo se pueden aplicar en modelos animales isomórficos y enfermedades humanas. Esto facilita la evaluación de la eficacia y la seguridad de los medicamentos.
- Diferencias etiológicas:A pesar de las similitudes en los síntomas y los enfoques de tratamiento, las causas fundamentales de la enfermedad en los modelos animales isomórficos pueden diferir de las de los humanos. Esta diferencia requiere un análisis más cauteloso de los resultados experimentales al colocar modelos isomórficos para el desarrollo de fármacos para evitar extrapolar directamente los hallazgos del modelo animal a los humanos.
Usando el daño degenerativo relacionado con la artritis como ejemplo, la inyección intraarticular de yodoacetato puede inducir artritis en modelos animales. Este modelo comparte similitudes sintomáticas con osteoartritis humana, como hinchazón articular, dolor y movilidad limitada. En consecuencia, este modelo se puede utilizar para evaluar el potencial antigenerativo de los medicamentos. Sin embargo, el desarrollo de la osteoartritis humana es más intrincado, que involucra varios factores como la genética, el medio ambiente y la edad. Por lo tanto, al colocar modelos animales isomórficos para el desarrollo de fármacos, una consideración integral de estos factores es esencial para garantizar la precisión y confiabilidad de los resultados experimentales.
3.3 modelos animales predictivos
Los modelos animales predictivos se emplean como herramientas para el desarrollo de fármacos cuando no hay un modelo animal directo que corresponda a una enfermedad humana. Estos modelos simulan los síntomas y respuestas de la enfermedad utilizando varios métodos. Esto se puede comparar con el uso de un boceto dibujado a mano para planificar una ruta cuando un mapa real no está disponible.
Considere las enfermedades mentales. Estas condiciones son excepcionalmente complejas, no solo debido a sus diversas etiologías, sino también porque observar y comprender directamente el estado mental de un animal es un desafío. Por lo tanto, determinar definitivamente si un animal realmente sufre de una enfermedad mental es difícil. Afortunadamente, los científicos han desarrollado un enfoque: inducir o exacerbar los síntomas mentales en animales administrando ciertos medicamentos.
Por ejemplo, imagine desarrollar un nuevo medicamento para tratar la depresión. En ausencia de un modelo animal adecuado, los investigadores pueden inyectar ratones con una sustancia que se sabe que induce síntomas depresivos y que observen los cambios en su comportamiento.
Si el nuevo medicamento puede aliviar los síntomas depresivos en los ratones, proporciona evidencia preliminar que sugiere que el medicamento también podría ser efectivo para tratar la depresión en humanos. Naturalmente, esta es una predicción preliminar, y la eficacia real debe validarse a través de ensayos clínicos en humanos.
4. Selección de especies y requisitos de tamaño de muestra
4.1 Selección de especies
Al considerar la selección de especies para el desarrollo del modelo, es similar a seleccionar cuidadosamente los recursos adecuados para un proyecto complejo. Elegir el modelo animal apropiado ISAS crucial como selección de los mejores materiales.
Es importante reconocer que no todos los animales son adecuados como modelos para el desarrollo de fármacos. Los materiales que no son aptos para un propósito particular, se deben considerar varios factores, incluida la estructura fisiológica del animal, el sistema metabólico y la susceptibilidad a la enfermedad de interés.
Al seleccionar modelos animales, la prioridad generalmente se da a especies que son fisiológica y patológicamente más similares a los humanos. Por ejemplo, los ratones y las ratas se usan con frecuencia en el desarrollo de fármacos debido a sus rápidos ciclos de reproducción, facilidad de manipulación genética y bajo costo.
Sin embargo, para enfermedades específicas, pueden ser necesarios modelos animales más especializados. Por ejemplo, los conejos y los monos son modelos preferidos para estudiar enfermedades oftalmológicas debido a que sus estructuras oculares son similares a las de los humanos.
Primates no humanos (NHPS), como animales sociales con estructuras jerárquicas claras y comportamientos complejos, son filogenéticamente, anatómica, fisiológica y biomédicamente más similares a los humanos que los modelos de roedores comúnmente utilizados. Sirven como animales experimentales avanzados en la investigación médica y de ciencias de la vida, desempeñando un papel irremplazable en el desarrollo de vacunas para la prevención y control de enfermedades humanas, y en el estudio de la función del cerebro humano y los trastornos neurológicos. A medida que la investigación sobre la medicina humana y la salud se profundiza, los animales modelo de orden inferior están demostrando ser insuficientes en ciertas áreas, creando una necesidad urgente de modelos animales que están evolutivamente más cerca de los humanos, como los monos.
En aplicaciones prácticas, los científicos han logrado resultados notables al seleccionar modelos animales apropiados. Por ejemplo, en la investigación del tratamiento del cáncer, los modelos de ratones han ayudado a la detección de numerosos medicamentos antitumorales efectivos. En el estudio deenfermedades neurodegenerativas, los modelos de mosca de fruta y nematodos han proporcionado información sobre los mecanismos moleculares subyacentes al inicio de la enfermedad. Estos ejemplos exitosos subrayan la importancia de seleccionar modelos animales adecuados en el desarrollo de nuevos medicamentos.
4.2 Requisitos de tamaño de muestra
Determinar el número apropiado de animales experimentales depende de cinco factores clave: principios estadísticos, objetivos experimentales, características animales, experiencia previa y regulaciones relevantes.
Principios estadísticos
En el desarrollo de fármacos, el objetivo es obtener resultados que no solo sean efectivos sino también confiables y reproducibles. Esto requiere la aplicación de principios estadísticos para estimar el tamaño de la muestra requerido en función del tamaño del efecto anticipado, el error experimental y el nivel de confianza deseado. En esencia, al igual que voltear una moneda más veces conduce a una predicción más precisa de la probabilidad de cabezas o colas.
Objetivos experimentales
El objetivo experimental es otro determinante crucial del número requerido de animales experimentales. Los diferentes objetivos experimentales requieren diferentes tamaños de muestra. Por ejemplo, los estudios de toxicidad del fármaco generalmente requieren tamaños de muestra más grandes para garantizar la confiabilidad y la seguridad de los resultados, mientras que los tamaños de muestra más pequeños pueden ser suficientes durante la fase preliminar de detección del fármaco.
Características de los animales
Factores como las especies, la edad, el sexo y el estado de salud de los animales pueden influir en la determinación del tamaño de la muestra. Similar a cómo los diferentes ingredientes requieren diferentes tiempos de cocción y niveles de calor, los animales con características variables pueden exhibir diferentes respuestas en los experimentos. Por lo tanto, es necesario ajustar el tamaño de la muestra basado en las características de los animales experimentales.
Experiencia previa
La experiencia previa y las regulaciones relevantes también pueden informar la determinación del número de animales. Por ejemplo, los estudios sobre ciertas enfermedades o medicamentos pueden haber establecido modelos animales y protocolos experimentales, proporcionando una base para determinar el número de animales requeridos.
Regulaciones relevantes
Diferentes países y regiones tienen regulaciones y pautas específicas con respecto al número y las condiciones de los animales utilizados en los experimentos. La adherencia a estas regulaciones es obligatoria al establecer el número experimental de animales.
