人源化动物模型：CNS药物暴露量PK评估新策略

随着社会老龄化不断加剧，中枢神经系统（CNS）靶向药物因在应对阿尔茨海默病、帕金森病、脑肿瘤等神经类重大疾病时展现出巨大潜力，被视为最具价值也最具挑战性的研究方向之一。由于血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）的阻碍，绝大多数治疗性大分子（如单抗、酶、核酸药物）及许多小分子化合物无法通过系统给药（如静脉注射）有效进入脑实质，难以达到治疗所需的暴露水平。据统计，超过98%的小分子药物和几乎所有的大分子药均被BBB拒之门外，极大地限制了对脑部疾病有效治疗手段的探索，成为CNS药物研发失败的主要原因之一^[1]。

近日，CNS药物研究领域传来好消息：由Denali Therapeutics公司针对跨越血脑屏障而设计的生物制剂AVLAYAH^TM获得FDA批准，该药物是一种酶替代疗法，用于治疗亨特综合症（二型粘多糖沉积病，MPS II）。AVLAYAHTM由IDS酶与Denali专有的TransportVehicle^TM（TV）平台融合而成，该平台可与转铁蛋白受体（TfR）结合，通过受体介导的转胞吞作用穿越血脑屏障，将IDS递送至外周组织和中枢神经系统（如图1所示）。该转运载体平台构建了多样化的治疗组合，实现了酶、抗体、寡核苷酸等多类型生物大分子的高效递送，兼顾递送效率与安全性，解决了传统疗法难以穿透血脑屏障的难题。随着脑靶向药物研发的蓬勃发展，如何准确评估药物在脑内的暴露水平已成为临床前药代动力学（PK）研究中的关键挑战。本文将围绕脑靶向药物的暴露评估策略，重点介绍人源化动物模型在CNS药物临床前PK研究中的应用。

图1. AVLAYAH^TM递送示意图 ^[2]

中枢神经系统药物新型递送技术

中枢神经系统药物递送技术主要可分为两大类：侵入式和非侵入式（如图2所示）^[3]。其中，非侵入式技术因临床转化潜力高、患者接受度好而成为研究热点，主要包括受体介导转运、细胞穿膜肽、聚焦超声等。

图2. CNS药物递送技术^[3]

受体介导转运（RMT）

现阶段，针对大分子与核酸药物的研究热点主要聚焦于受体介导胞吞转运（receptor-mediated transcytosis, RMT）方式，通过工程化设计靶向配体，利用BBB内皮细胞表面特异性高表达的内源性受体或转运系统，实现药物高效跨屏障递送与靶向区域富集。药物经系统给药方式进入血液循环，在血液循环过程中与脑毛细血管内皮细胞接触，抗体部分与管腔侧受体结合，从而触发受体内吞，实现跨BBB转运^[3]。常见BBB靶点及其特点见表1。

表1. 常见的BBB靶点及其特点

利用BBB内皮细胞表面特异性高表达的内源性受体或转运系统，将治疗药物（或载体）与能够特异性识别并结合这些受体的配体（如抗体、抗体片段、肽、适体、小分子）偶联，通过RMT途径，可以主动、高效、选择性地将药物转运穿过BBB进入脑实质。这是当前非侵入性、系统性给药策略中最具潜力和热度的方向。

细胞穿膜肽（CPPs）

细胞穿膜肽（cell-penetrating peptides，CPPs）是一类具有穿透细胞膜特性的短肽（少于30个氨基酸)，其序列具有两亲性和净正电荷，能够携带蛋白质、多肽、核酸片段等多种活性物质进入细胞。CPPs的载药策略即设计能够直接穿透细胞膜或促进BBB穿透的短肽，利用CPPs穿膜转运效率高的特性，将其作为载体与候选分子偶联，携带候选分子穿透血脑屏障，增强其跨BBB能力（如表2所示）^[1]。

表2. 具有代表性的血脑屏障穿膜肽^[1]

聚焦超声（FUS）

利用超声波在特定脑区暂时、可逆地开放BBB，为药物（尤其是大分子）创造短暂的时间窗口进入脑内。该技术需精确控制以保障安全性，避免神经损伤（如图3所示）^[4]。

图3. 超声技术在人脑疾病中的应用^[4]

核酸药物递送新策略

核酸药物的快速发展得益于GalNAc递送技术的突破。GalNAc技术虽在肝脏递送中取得显著成效，但中枢神经系统递送需重构靶向策略：通过修饰BBB特异性配体的脂质纳米粒（LNPs），或开发基于RMT的脑靶向寡核苷酸偶联物。抗体-寡核苷酸偶联物（AOC）作为新兴平台，其核心在于利用抗体的RMT激活能力（如靶向TfR/LRP1）引导寡核苷酸穿越血脑屏障。该策略在肌肉疾病治疗中已验证可行性，而针对阿尔茨海默病、亨廷顿病等CNS适应症的攻关，正聚焦于优化抗体的BBB穿透性与寡核苷酸的胞内释放效率（如酸敏感连接子技术），以期突破脑实质递送的最后屏障^[5]。

靶向CNS药物暴露量的精准评估策略

无论采用何种递送策略，精准评估药物在靶组织（脑）和非靶组织（外周组织）的暴露水平，都是评判其有效性和安全性的核心。

靶向CNS药物临床前PK研究面临的挑战

1. 组织特异性：BBB通透性和药物分布在大脑不同区域（如皮质、海马、白质）甚至不同细胞类型间存在显著差异。

2. 动态变化：疾病状态（如脑肿瘤、神经炎症）会显著改变BBB的通透性和功能，影响药物暴露。

3. 游离药物浓度vs总药物浓度：真正发挥药效的是游离的、未结合的药物分子，但在脑组织（特别是富含脂质和蛋白的环境）中准确测定游离药物浓度极其困难。

4. 外排转运蛋白的影响：即使药物进入脑内皮细胞，也可能被P-gp、BCRP等外排转运体“泵回”血液，降低脑实质暴露。

精细化暴露评估技术

传统方法通常基于标准脑图谱对全脑或特定靶区进行组织分离与匀浆，进而测定药物浓度。然而，随着受体介导跨BBB递送策略（如抗体偶联药物）的深入发展，此类药物经系统性给药进入体循环后，需通过以下关键步骤实现脑靶向：

1. 血管内结合：药物抗体单元与脑毛细血管内皮细胞腔面受体（如TfR、LRP1）特异性结合；

2. 胞吞转运：触发受体介导内吞作用，形成跨细胞内转运囊泡；

3. 脑实质递送：囊泡跨越内皮层后将药物释放至脑组织间隙。

为解决传统匀浆法导致的“假阳性暴露”误导，可采用以下精细化技术。

• 精细化组织分离（脑实质与脑血管分离）

通过组织均质化与密度梯度离心将脑组织精细化分离，其核心在于精准区分药物在脑血管内皮的滞留与真实脑实质分布，从而破解传统匀浆法导致的“假阳性暴露”误导（如图4所示）。

图4. 脑实质与脑血管分离^[6]

• 精准脑内浓度检测

脑脊液（cerebrospinal fluid，CSF）和间质液（interstitial fluid，ISF）是CNS内位置、功能、循环途径和成分各不相同的液体，它们共同维持着脑和脊髓的微环境稳定，并通过血脑屏障、胶质淋巴系统以及脑室和脑实质之间的液体交换相互作用（如图5所示）。传统研究中常以CSF药物浓度代替脑内游离药物浓度，该方法虽简单，但对于外排转运体底物药物，CSF浓度可能会导致脑内浓度的错估。

1. 脑微透析技术：可实时监测脑内药物浓度的变化，通过与血管微透析结合，精确阐明血浆PK与靶区浓度之间的关系。

2. 超滤离心法：通过分离脑组织匀浆中的游离药物组分来间接评估ISF浓度（脑匀浆 → 离心 → 超滤三步获取近似ISF游离药物浓度），其核心优势是通量高，更加精准获得目标位置的药物浓度。

3. 脑切片法：研究药物在脑内分布、代谢及作用机制的另一重要体外模型，尤其适用于评估药物与脑组织的相互作用、BBB穿透性及局部PK特性。该方法通过制备新鲜脑组织切片，在受控条件下孵育，模拟体内环境中的药物分布过程^[8]。

图5. 血液、大脑和脑脊液药物平衡示意图^[7]

人源化动物模型助力临床前PK研究

针对上述脑暴露评估的技术难点，人源化动物模型（尤其是人源化小鼠模型）在脑靶向药物PK研究中扮演着不可替代的关键角色，成为连接临床前研究与临床试验的桥梁。

• 人源化转运蛋白模型^[11]：将人源的关键外排转运蛋白（如hP-gp、hBCRP）或摄取转运蛋白基因转入小鼠（或敲除小鼠内源基因），用于评估药物是否是人源转运蛋白的底物或抑制剂，预测其脑渗透性和潜在的药物相互作用。

• 人源化靶点模型^[9]：仅将特定人类基因（如FCGRT基因编码的FcRn）替换动物内源基因，保留其他基因背景（如小鼠），主要用于提升治疗性抗体（如单抗、双抗）的临床前PK/PD预测准确性。

• 人源化受体模型^[12]：将人源的RMT受体（如hTfR、hLRP1）在小鼠BBB上表达，用于特异性评价靶向这些受体的递送载体（如双抗、配体偶联药物）的脑摄取效率和靶向性，避免因啮齿类与人类受体差异导致的误判。

• 免疫系统人源化模型^[10]：对于涉及免疫调节或依赖Fc功能的抗体类药物（如某些双抗），人源化免疫系统模型（如huCD34+HSC、huPBMC模型）能更好地模拟药物与免疫系统的相互作用及其对BBB和脑内分布的影响。

脑靶向药物的DMPK研究策略优化

CNS药物的临床前DMPK研究核心在于理解和优化药物穿越BBB的能力，确保足够的、靶向性的脑部暴露。这需要综合利用体外模型筛选、体内动物实验验证以及先进的PBPK/PKPD建模等多种策略。研究重点从早期的理化性质优化和外排转运体规避，逐步深入到体内脑部PK表征、游离药物浓度测定以及与药效/毒性的关联分析。图6展示了CNS药物的DMPK研究策略框架。

图6. CNS 药物的DMPK研究策略

除上述体内外研究策略以外，基于人源化模型的优势来优化脑靶向药物PK研究策略至关重要，可根据药物的作用机制（如是否依赖特定受体转运、是否受特定外排泵影响）和类型（小分子、抗体、核酸），选择最匹配的人源化模型（单一转运蛋白人源化、受体人源化、免疫系统人源化或组合模型等）。

结语

肝外递送，尤其是突破BBB实现高效CNS药物递送，是药物研发领域最具挑战也最激动人心的科学阵地。人源化动物模型通过精准模拟人BBB的关键功能特征（转运蛋白、受体），为攻克脑靶向药物研发的核心瓶颈、实现精准的脑部暴露评估提供了强大的工具。通过整合多种技术手段，并深入理解模型与临床的关联，人源化模型正引领我们更可靠地预测药物在人体内的变化，加速将突破性的脑靶向疗法带给亟待救治的患者。依托全面的CNS技术平台与丰富的项目经验，药明康德DMPK已建立完善的人源化模型平台，覆盖各类中枢神经系统药物的递送技术，实现啮齿类与非啮齿类动物PK研究的无缝对接，助力客户开展全面的CNS药物的临床前PK研究，为中枢神经系统药物研发提供全链条解决方案。

作者：焦桴荣、汤城

编辑：富罗娜·克里木、钱卉娟

设计：张莹莹

药明康德DMPK依托中国（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1600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1800个新药临床研究申请（IND）。

点击此处与我们的专家进行联系