助力神经系统药物研发：大动物PK中的探索与应用
神经系统疾病是指发生于中枢神经系统、周围神经系统、植物神经系统的，以感觉运动意识及植物神经功能障碍为主要表现的疾病。神经系统方面的疾病有很多，如失眠症、癫痫、帕金森症、偏头痛、老年痴呆症等。这些疾病由于神经细胞损伤的不可逆，发病机制比较复杂，血脑屏障影响药物进入中枢神经系统等因素，使得神经系统疾病具有复杂性、多样性和难治性的特点。随着全球人口老龄化加剧，神经系统疾病患者也越来越多。因此，神经系统药物一直是新药研发的热门领域。2020年FDA批准的新药中，神经系统药物有14个，占比26%，排在第二位仅次于肿瘤相关药物。2021年上半年FDA批准的新药中，神经系统药物有4个，占比14%，同样排在第二位[1]。
神经系统新药研发的临床前研究中，在大动物PK实验阶段，神经系统的给药和采样具有一定技术难度。本篇文章我们将结合部门经验，介绍大动物PK如何进行持续稳定的采样和绕过血脑屏障给药，以期助力神经系统药物研发。
一、小脑延髓池插管手术（CMC）模型动物：稳定、多次采集CSF
常规的神经系统药物给药方式多为口服或静脉，给药后采集神经系统相关的生物样品如脑和脊髓组织、CSF（脑脊液，Cerebrospinal Fluid）来评估药物在神经系统中的暴露量。脑和脊髓组织的采集需要安乐动物，而CSF可以在活体动物上通过穿刺或手术插管的方式实现同一只动物、多个时间点样品的采集。穿刺需要多次麻醉动物，CSF易被血液污染，适用于低频率取样；而手术插管模型动物具有不需要麻醉，样品无血液污染以及可以连续多次采集的优势。
经过多年多次迭代，药明康德DMPK大动物PK团队CMC手术模型在中国处于领先水平。从2017年至今，开展的犬、猴脑脊液采集手术模型项目超过了150个。设施内长期维持模型动物，可随时满足项目需求，减少手术和术后恢复的等待时间。
图1. 脑脊液插管的位置（左图[2]）和通过Port收集CSF的位置（右：猴和犬）
模型稳定性验证
为了验证长期备库模型动物的稳定性，我们做了比格犬和食蟹猴的小脑延髓池插管手术术后不同恢复时间模型的稳定性验证。下方展示的是比格犬的验证数据。
图2. 外周血（左）和CSF中（右）药物的浓度
我们采用比格犬（3 只，雄性）小脑延髓池插管手术后不同恢复时间分别静脉注射盐酸利多卡因注射液（25mg/犬），在设定的时间点同时采集血液与脑脊液样本并检测药物浓度。结果如图2所示，可以看出术后第5 天、14 天、35 天、63 天，血浆及CSF 基质中药物浓度在不同恢复天数中偏差较小，由此可以说明手术模型稳定，数据重现性好。
二、绕过血脑屏障的给药方式
如前文，血脑屏障影响药物进入中枢神经系统，小分子药物只有约5%的化合物能透过血脑屏障，大分子几乎无法透过血脑屏障。那么在临床前研究阶段，对于无法透过血脑屏障，作用于神经系统的药物，它的出路在哪里？
答案就是通过侧脑室注射和鞘内注射来实现，将药物直接注射进入脑脊液中，通过脑脊液循环将药物直接分布到脑组织及中枢神经中，绕过了血脑屏障，用药量极少，就能达到目标浓度。在提高药物在中枢神经系统的暴露量的同时避免大剂量静脉或口服用药带来的不良反应[3]。
2.1 侧脑室注射给药方法及验证
给药方法：注射位点如图3所示，在侧脑室的前角。通过坐标系确认侧脑室注射的坐标，穿刺后有脑脊液回流，判断穿刺位置到达侧脑室，即可进行侧脑室注射。
图3. 侧脑室注射的位点
侧脑室给药的验证实验
方法：3只CMC手术模型食蟹猴，动物被深度麻醉后，用地塞米松磷酸钠注射液进行侧脑室注射，每只动物注射1mL（0.2mg）。按如下时间点采集外周血和CSF。
图4. 侧脑室注射后外周血和CSF中的药物浓度
从数据结果来看，CSF中的峰值可以达到近10万ng/mL左右，且3只动物的平行性良好；外周血中的峰值只有60 ng/mL左右，说明成功实现了侧脑室注射，侧脑室给药能显著提高药物在中枢神经系统的暴露量，而药物在外周血液系统中暴露量相对较低。
2.2 鞘内注射给药方法及验证
鞘内注射（腰椎穿刺）给药，注射位点如图5所示，在第3、4或4、5腰椎间穿刺。
图5. 鞘内注射的位点
鞘内给药的验证实验
测试供试品TA1，注射量为2mL（5mg/mL），注射前先在小脑延髓池抽出2mL脑脊液，以减轻给药过程带来的蛛网膜下腔的压力，注射泵均速推注0.5mL/min。结果如下。
图6. 鞘内注射后外周血和CSF中的药物浓度
如图6，从鞘内给药的数据来看，外周血的供试品浓度的峰值为近6000 ng/mL，而脑脊液中的供试品浓度的峰值达到了近50万ng/mL，且两只动物的数据平行性很好。测试结果显示腰椎鞘内给药能显著提高药物在中枢神经系统的暴露量，而药物在外周血液系统中暴露量相对较低。
结语
综上所述，助力神经系统药物的研究，药明康德DMPK大动物PK团队具备如下能力：除了常规的给药方式，还可以提供侧脑室注射和鞘内注射，解决大部分药物难以通过血脑屏障的问题。对于CSF采集，可根据不同项目的设计，提供穿刺采集和CMC手术模型采集两种方式，后者可实现动物清醒状态、长期、连续多次CSF采集。设施内长期维持模型插管动物，无需等待。除CSF外，其他神经系统样品也可定制采集，比如分区采集脑组织，包括不限于额皮层，运动皮层，小脑，尾状核，海马体，胼胝体等。希望依托药明康德DMPK大动物PK团队的服务，助力更多神经系统药物的研究，造福广大病患。
药明康德DMPK依托在中国（上海、苏州、南京和南通）和美国（新泽西）的研发中心，提供从早期筛选、临床前开发、到临床研究阶段的综合型药代动力学服务，助力您快速推进药物研发流程。拥有上千人的研发团队，服务超1500家全球客户，具有超过十五年的新药申报经验，已成功支持超过1200个新药临床研究申请（IND）。
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参考文献：
[1] Novel Drug Approvals for 2021. FDA, 2022,1. https://www.fda.gov/drugs/new-drugs-fda-cders-new-molecular-entities-and-new-therapeutic-biological-products/novel-drug-approvals-2021
[2] Schematic of rhesus monkey head, posterior view of implant placement, reprinted from David B. Gilberto’s paper.
[3] 地塞米松鞘内注射与静脉注射在显微血管减压术后无菌性脑膜炎中的疗效比较[J]. 李红星,彭肖肖,张凯,刘贻哲,王瀚,宗强. 中华脑科疾病与康复杂志. 2020,10(05)
作者：汤里平，李杰，李志海，刘守桃
编辑：方健，钱卉娟
设计：倪德伟
