2013年3月1日

新藥研發中的實驗動物運用

實驗動物專指人為繁殖的脊椎動物,具有明確的品系及特殊遺傳特性,供給人類作為研究、測試及教材之用。牠們對於人類與動物的健康與福祉之增進,包括在生物醫學、新藥開發、農業及環境安全各領域的研究與發展,均有重大的貢獻。

作者/廖俊旺(任教中興大學獸醫病理生物學研究所)

什麼是實驗動物?
實驗動物的定義及種類,會隨著人們的觀念潮流及研究環境時空而改變。目前對實驗動物(laboratory animals)的一般觀念為,經人為繁殖的動物,具有明確品系及特殊遺傳特性,供給人類作為實驗或研究之用。我國農委會對傳統的實驗動物定義是指囓齒類(例如小鼠、大鼠、倉鼠、天竺鼠等)、兔、犬、貓及猿猴類等哺乳類動物。但若廣義的來看實際使用過的實驗動物,依其形態結構及生理功能,可分為脊椎動物(包括大型哺乳類,如豬、牛、羊、馬及非哺乳類之脊椎動物,如鳥類的雞、爬行類的蛇和兩棲類的蛙及魚類)與無脊椎動物(甲殼類、昆蟲類等)。依現行動物保護法則定義為,任何脊椎動物(包括:傳統實驗動物、農場動物、野生動物及水生動物)用於研究、測試及教材用途。這些實驗動物的使用,對於人類與動物的健康與福祉之增進,包括在生物醫學、新藥開發、農業及環境安全各領域的研究與發展,均有重大的貢獻。

在實驗動物的選擇上,由於同類之動物其親緣關係與演化程度比較接近,且同一類別之動物其器官、組織、細胞、基因結構,與生理代謝機能之相似度,遠高於不同類動物之相似度(例如小鼠為哺乳類,雞為非哺乳類鳥類,所以小鼠與人較近),是以小型哺乳類動物成為我們最常使用的實驗動物。尤其小鼠與大鼠,因其體型小、繁殖能力強、壽命短,容易以育種的方法來探討基因遺傳特性,加上操作方便與經濟考量等因素,使得牠們多年來成為最廣泛使用的實驗動物種類。

然而若考慮親緣與演化關係與人類最接近的這項條件,則非稱為「靈長類動物」或「非人類靈長目」(non-human primates)的猿猴類動物莫屬。人類與猿猴類動物均屬靈長目,其基因結構與人類的相似度達98%以上,因此,非人類靈長類動物是研究基因醫學、臨床前試驗到人體臨床研究的重要動物模式。像是後天免疫不全症候群(AIDS)、嚴重急性呼吸症候群(SARS)及禽流感等疾病的相關研究,或是發展蛋白質類藥物,如疫苗、新藥品及仿製藥物的研發,皆需仰賴靈長類動物進行藥物動力學及毒理試驗。目前全世界(包括亞洲)正大力推展蛋白質類藥物研發及生產製造,所以對靈長類動物實驗需求更高。也因為這個潮流趨勢,國內目前亦由農委會的家畜衛生試驗所建立了靈長類實驗動物房的設施。

藥物動力學的動物模式
為保障人體使用藥物之有效性及安全性,衛生署規定新藥品必須經過一系列的「臨床前試驗」(動物試驗),測定其有效性及安全性後,再進入人體臨床試驗。所謂的「臨床前試驗」包括有藥理與毒理試驗兩部分。藥理試驗是評估藥物在主要器官(如心血管、中樞神經及呼吸系統)的藥理作用,包含反應、劑量與作用機轉等相關性研究,試驗結果為藥物安全性之重要依據。其中包含藥物動力學試驗,其目的則是為了解藥物在體內之吸收、分布、代謝及排泄等狀況,試驗結果對預測臨床現象及評估劑量與作用間之關係有很大的影響,因為體內免疫細胞對藥物之清除作用,會影響藥效與毒性的分析。舉例來說,藥物吸收試驗為觀察藥物的吸收與生體可用率,及其與給藥途徑的相關性。在進行臨床試驗前,應先取得相關的動物吸收資訊,以決定安全劑量及給藥方式,且藥物在組織分布與清除機制之試驗也有助於了解試驗物質的藥理與毒性性質。這些關於藥物代謝的鑑定可利用像是免疫化學偵測、色層分析及SDS–凝膠電泳分析等方法來處理。

由於動物與人體的生理表現有著顯差異性,例如,若依體表面積來推測,小鼠對藥物的代謝能力應較人體快約12.3倍,大鼠則為6.2倍,所以一般藥品的安全性評估通常需使用至少二種哺乳類動物,且需雄、雌兩性皆使用。如果因為試驗動物特殊且數量有限時(通常為使用靈長類時),則可以提高實驗觀察的頻率與期間來彌補此種限制。近年來已發展出多種與人體疾病有著相似病徵及病理機制的實驗動物,有些是動物的自發性疾病,有些則是經基因轉殖技術改造的動物。牠們可以讓研究者在有特定疾病的動物身上進一步測定藥物的藥理反應、藥動性質及藥量,同時也有助於測定此類藥品的安全性,所以這類具有特定疾病之動物亦可取代一般動物進行安全性試驗。

毒理試驗則是利用實驗動物所做的「臨床前試驗」所得之數據為第一期臨床試驗(人體藥理試驗)的重要參考,也是將來作為臨床試驗與動物試驗結果之比較資料。對新藥品開發而言,為減少動物的使用量,臨床前與臨床試驗的時程可同時進行,以短期毒性試驗之結果,作為初期人體臨床試驗的參考。但是每個藥品試驗的內容,包括臨床試驗與非臨床試驗之型態與數量都不盡相同,必須要就新藥品的性質、劑型、用途、以及給藥方式等條件作適當的調整。

常用於醫藥研究的動物模式
一、免疫缺乏動物模式
缺乏部份正常免疫系統的動物,常用於免疫學及致腫瘤學試驗等研究。藉由缺乏部份正常免疫系統之動物研究,可進一步推演整個正常免疫系統之運作。免疫缺乏動物為研究自發性或感染性疾病之最佳模式,如人之後天免疫不全症候群(AIDS);亦可以其研究免疫系統疾病與腫瘤發生之相關性,同時作為許多腫瘤細胞株延續及保存的材料。

正常健康狀態的實驗動物可經由外科手術、基因操控、化學物及輻射等方法誘發出免疫不全的病變。外科手術法可經由手術摘除新生小鼠或大鼠之胸腺,去除T淋巴球細胞的生成場所。基因操控法則是一種常用於使實驗動物基因缺損之方法,如使淋巴球、吞噬球或血液因子缺乏造成免疫不全的病變。例如「裸鼠」是一種經常作為免疫缺乏之實驗動物,因它具有無毛及胸腺缺乏之基因變異。因缺乏胸腺這個製造T細胞的器官,所以也就無法產生具有攻擊病毒及腫瘤細胞,或幫助其他淋巴細胞製造抗體的能力。另外,像是已商品化的缺乏胸腺大鼠及倉鼠(athymic rats and hamsters),亦與裸鼠有相似的特性。B細胞是製造抗體的細胞,抗體可以抵抗感染及提供長期性免疫,目前也有利用基因操控法製造的遺傳性B細胞基因缺損動物,如CBA/N及Xid小鼠與無脾臟小鼠等。此外,還有同時缺乏T及B細胞的嚴重複合性免疫不全(severe combined immunodeficient, SCID)小鼠。除了B細胞及T細胞,自然殺手細胞也具有與T細胞相同之細胞毒殺功能,因此自然殺手(natural killer)細胞缺損之Biege小鼠也是免疫缺乏的模式動物。在這三類細胞缺損外,其他尚有吞噬細胞缺損小鼠及補體缺損天竺鼠、小鼠及兔子等。這些免疫缺損動物因為沒有正常的免疫系統,很容易受到各式病原微生物(如:細菌及病毒等)的攻擊,因此必需飼養在隔離之無菌動物房。

另一種常用來誘發免疫不全的方式為化學物誘發法,其為藉由化學物或藥物(如6-mercaptopurine、cyclophosphamide 、actinomycin-D等)抑制體內免疫作用。這些藥物雖有不同的毒性作用途徑,但都會干擾細胞DNA或RNA對蛋白質合成的參與,因此抑制了抗體產生進而影響免疫功能。因為這些藥劑具有毒性,在免疫抑制作用劑量下,可能引起20%以上的動物死亡。除此之外,高量輻射可抑制蛋白質合成,所以輻射亦會抑制免疫作用。雖然抑制的機制與其他藥物的作用相似,但比藥物處理的方法具有相對較高的安全性。最常使用之輻射為加碼射線(gamma irradiation),通常以鈷(cobalt)及銫(cesium)同位素作為輻射之來源。

二、癌症動物模式
雖然動物之組織、器官細胞及癌細胞株培養常作為快速探討癌症的材料,但由於細胞株與活體動物代謝之間的關連性仍有相當的差異,因此活體動物實驗結果仍是不可或缺的印證方式。已有多種方法可以誘發出動物的癌症,作為了解藥物治療人體腫瘤之評估模式。因為傳統測試藥物誘發癌症與否需長期動物實驗,需花費較長時間,而短期誘發腫瘤之動物模式,剛好可補足此一缺點。目前有三類常見的癌症動物模式,包括化學致癌物誘發、腫瘤細胞接種及自發性腫瘤動物。

化學物致癌過程主要有三個步驟:腫瘤細胞誘發期、促進期及形成期。以快速誘導致肝癌動物模式為例,大鼠經2/3肝臟部份切除後,肝細胞會快速啟動再生,因此新生細胞處於有絲分裂時期,若此時接觸致癌物(例如2-AAF)干擾細胞DNA合成,導致新生細胞變異比率增加,則可在短期內(8~12週)誘導大鼠產生不同程度之肝腫瘤。此時肝腫瘤指標酵素,例如γ-glutaminotranspeptidase會顯著上升,並逐漸產生肝小結節(nodules)及肝腫瘤(hepatoma)(圖一)。由於所誘發肝腫病變之機率高,而且除了外科切除手術處理外,動物是在正常生理與免疫狀態下誘發出腫瘤形成,這與人類正常發生腫瘤的過程較為相似。因此,這個模式對藥物之抑癌效能及致癌安全性評估的研究來說,具有相當的實用價值。【更詳細的內容,請參閱第519期科學月刊】
圖一:快速誘導致肝癌法。(A)大鼠肝腫瘤形成B)肝腫瘤細胞組織病理形態。

沒有留言: