毒理学研究新范式丨环特类器官、基因编辑、斑马鱼3大技术平台助力毒理学研究

发布时间:2023-10-31 环特生物 浏览次数:621

众所周知,药物安全性评价是药物研发成功的决定因素,贯穿于新药研发的整个生命周期。246个临床终止项目的调查数据显示,37%的药物因安全性问题而失败,18%的药物缺乏疗效而终止研究。

近年来,类器官、斑马鱼、基因编辑等技术在药物安全性评价及毒理学研究中的重要性越发凸显,为毒理学研究评估提供了重要的辅助工具,并在疾病研究、药物筛选、毒性毒理反应及毒理学研究等领域具有广泛的应用前景和重要价值。

环特生物具备以基因编辑技术为核心的强大模型开发能力,并领先业界开创性地以类器官、基因编辑、斑马鱼3大技术平台,满足不同的科研需求,为人体临床试验用药提供可靠的毒代动力学依据,助力毒理学研究,打造前沿科研新范式!

3大技术助力毒理学研究

当前,随着类器官、基因编辑技术的发展及斑马鱼基础研究的深入,它们被越来越广泛地应用于毒理学研究。环特生物作为健康美丽产业CRO服务开拓者与引领者、斑马鱼技术应用的全球领导者,不仅因“斑马鱼、类器官、基因编辑”3大技术平台专业、前沿的创新力及服务备受瞩目,更因丰富的技术创新与应用实践经验备受赞誉。

目前,环特在世界范围内已向3000多家客户提供极具价值的技术服务,主持、参与了22项重要科研项目,包含2项国家“重大新药创制重大专项”课题、1项国家重大研发计划、1项国家火炬计划产业化示范项目、1项浙江省重点科技项目、1项国家市场监管总局技术保障专项及9项省级及以上项目,以实力迎来了爆发式增长!

一、类器官技术

当前,类器官研究作为全球生命科学领域实验室的新宠儿,具有诸多独特优势,如:可维持一定的组织结构和部分器官功能,高度保留原位组织的生物特征和异质性;成功率高,培养周期短,多次传代后依然保持基因组稳定性;用于指导临床用药,更加直接、准确等,因此,可以更好地模拟组织器官的发育过程及生理病理情况,反映体内毒性效应,在药品研发与评价、毒理学研究中具有广阔的应用前景。

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图1

类器官技术作为毒理学研究的科研利器,是环特生物的核心技术之一。目前,环特生物已基于类器官技术培养出大量具有部分关键生理结构和功能的类组织器官,如:小肠、结肠、食管、肾、肝脏、胰腺、肺、乳腺、脑等,并开发了多种生理类器官模型,如肝、肺、肾、IPSC神经、血脑屏障模型等,可开展类器官样本库构建、基于类器官芯片的药物药效与安全性评价、类器官药敏检测等服务,实现大分子、小分子、细胞药物等多种药物类型对多种靶器官的药物毒性评价。

二、基因编辑技术

近年来,基因编辑技术的发展使科研人员可以通过转录调节的靶蛋白结构域、表观基因修饰及特定基因组位点的显微可视化等,更好地建立动物模型,了解疾病病因发病机制,确定药物靶点的潜在安全性,为基因组研究、新的癌症治疗方法的研发、遗传性疾病的攻克及毒理学研究等赋予了新的发展契机。

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图2

环特生物,依托10余年的斑马鱼基因编辑经验,深度挖掘、创新斑马鱼技术的应用场景,已为200多家科研院所提供斑马鱼基因敲入、敲除、基因沉默、定制转基因技术服务及斑马鱼疾病模型开发等专业的基因编辑技术服务,并可实现构建复杂基因敲入,包括点突变、条件性敲除等难度较高的基因编辑技术,累计成功制备了 150 多个基因敲入品系,测试超过1000个gRNA 靶点,推动了诸多前沿基因功能研究取得了突破性进展,为斑马鱼基因编辑技术在更加广泛的研究领域内的创新性应用奠定了坚实的技术基础。

三、斑马鱼技术

近年来,斑马鱼已成为公认的毒理学研究模型。由于其既具有细胞等体外实验用药量少、实验费用低、周期短、高通量等特点,又具备整体动物实验可观察多个器官、毒性评价指标多样化,可评价药效学、药动学及代谢物活性等优势,因此,被广泛应用于中药、创新药、环境污染物等药物活性物质筛选、毒性研究、疾病机制及毒理学研究。

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图3

环特生物在斑马鱼技术领域有着逾20年的深厚技术积淀,依托斑马鱼技术研发平台,已开发170多种斑马鱼模型,可开展急性毒性、心血管毒性、肝脏毒性、肾脏毒性、神经毒性、脾脏毒性、发育毒性与致畸性等各类毒性研究,并先后与赛诺菲、药明康德、天士力、奥默药业等100多家国内外知名药企达成合作,申请发明专利64项(已授权34项),发表120多篇SCI及核心期刊论文,并已有7个新药项目将环特的斑马鱼实验数据用于CFDA/NMPA的临床试验申报。

3大技术在毒理学研究中的应用

近年来,无论是开展毒理学研究、临床前药效及安全性评价,还是药物筛选发现、环境污染物研究,抑或是中药现代化研究等,越来越多的科学研究人员基于类器官、斑马鱼、基因编辑等技术持续进行创新研究。

一、类器官技术的应用

肝毒性、药物性肾损伤(DIKI)等是药物临床前和临床阶段常见的不良反应。

以iPSCs为来源的肾脏类器官可以模拟肾脏实质细胞形态与功能,为药物肾毒性测试提供了更加接近人体生理的研究模型;通过类器官技术诱导分化肝实质细胞并进行培养,则可以获得高表达正常肝细胞相关的药物代谢酶、药物转运体及肝细胞特异标志性分子(ALB)等,为病人特异性的肝、肾、IPSC神经、肺、血脑屏障模型等疾病建模提供新的实验手段,有效提高药物开发效率、降低成本,保留更多具有临床前景的先导化合物并提高其临床试验成功率,进行相关毒性化合物筛选。

目前,环特生物已成功建立肝、肾、IPSC神经、肺、胰腺、胃肠及子宫内膜等多种类器官模型,开发了多种hiPSC诱导的类器官培养平台及试剂盒,并将继续扩展到其他器官的建模。

类器官模型不仅可以对肝、肾、IPSC神经、肺、血脑屏障等药物毒性进行安全性评价,提高药物毒性评价的可靠性和准确性,而且可长期培养,稳定地高表达药物代谢酶、转运体等,非常适用于重复给药研究,模拟生理条件下体内低浓度药物长期暴露对相关细胞的损伤作用及累积性毒性;还可以结合成像技术,实现药物毒性多通道、多靶点、高通量筛选,结果直观、可定量评价。

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图4 肝毒性药物测试

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图5 肾毒性药物测试

二、基因编辑技术的应用

斑马鱼基因编辑技术作为一种高效、精准的工具,可直接干预细胞的基因组,实现对DNA序列的修改、删除或替换,已经在毒理学研究中展示了良好的前景。复杂的基因编辑加上实时高分辨率成像,可以前所未有的分子细节和分辨率对疾病发展过程进行捕捉以及疾病的建模。

至关重要的是,对斑马鱼进行精确的基因编辑,可以生成人类疾病等位基因的模型,在斑马鱼身上建模的疾病通常代表了人类疾病的真实模型,捕捉疾病的病因学、进展和解决过程,广泛应用于毒理学研究等。

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图6 BDE-99通过转录因子six7破坏斑马鱼幼虫的光感受器模式项目

以研究项目—BDE-99通过转录因子six7破坏斑马鱼幼虫的光感受器模式为例,该研究通过对six7在感光器图案化过程中的调节作用,研究PBDEs 视觉毒性的机制。研究中,在BDE-99浓度量化后,进行斑马鱼的视觉引导的行为测试。通过RNA 提取和qRT-PCR 分析、冷冻切片和 H&E染色以及斑马鱼中six7表达的敲除和过表达来进行研究,BDE-99会损害视网膜中的多个光感受器,并在受精后120小时干扰斑马鱼幼鱼色觉引导的行为;光感受器的损伤无法通过引入TH受体拮抗剂来完全恢复改变,这表明其他潜在调节因素的参与;该工作促进了对 six7 在感光器图案化过程中的调节作用的理解,并提出了 PBDEs视觉毒性的新机制。

三、斑马鱼技术的应用

当前,斑马鱼是国际公认适用于安全性和功效评价的模式生物,被广泛用于药物肝毒性、肾毒性、神经毒性、心血管毒性、ICH发育毒性、急性毒性和靶器官毒性等早期毒理学评价、测试药物及环境毒物的潜在毒性成分及主要靶器官,通过斑马鱼高效评价毒性与成分含量、辨识毒性成分群等,在药物开发的早期阶段对不安全的化合物进行快速筛除,降低药物研发风险,缩短新药研发周期。

毒理学研究主要集中于斑马鱼心血管、肝脏、肾脏、神经、脾脏等方面,其主要表现为死亡率和畸形率增加、器官形态和表型改变、可能伴有水肿等发生等。研究数据表明,斑马鱼模型对药物的发育毒性与致畸性+心血管毒性+肝脏毒性+胃肠道毒性+神经毒性和听毒性的评价结果与人体试验结果的一致性平均达到了 80%以上,已有的大部分斑马鱼药物毒性与安全性评价模型的预测准确率达到了欧洲选择性分析方法评价中心(ECVAM)评价标准的"良好"(75%—85%)或"优秀"(85%以上) 的水平。

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图7 肝毒性研究

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图8 肾毒性研究

随着毒理学研究的不断深入,通过斑马鱼模型筛选发现的新药不断进入临床试验,包括但不限于心脏病、脂肪肝、糖尿病、骨质疏松、肿瘤等各种人类疾病。以奥默药业为例,其研发的新型肌肉松弛拮抗药物经斑马鱼类过敏检测发现了Bridion在高剂量时有明显的致敏性,后经过研发优化,目前已进入III期临床试验;又比如,北京市肿瘤研究所基于环特生物转基因斑马鱼发现的多肽药物也已进入临床试验……

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图9 发育毒性研究

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图10 心血管毒性研究

目前,类器官、基因编辑、斑马鱼技术在毒理学研究、药物筛选发现、中药现代化研究等方面正日益发挥着越来越重要的作用。环特生物将以类器官、基因编辑、斑马鱼3大技术平台,基于过去10余年持续的创新实践,以专业、前沿的技术服务解决方案,助力毒理学研究,开启毒理学研究新范式!

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