前沿进展:通过微生理方法解决药物研发的评估困难—第四届大西洋毒理学研讨会报告(五)

前沿进展:通过微生理方法解决药物研发的评估困难

—第四届大西洋毒理学研讨会报告(五)

Biology-inspired Microphysiological System Approaches to Solve the Prediction Dilemma of Substance Testing

t4 Workshop Report-跨大西洋毒理学智库的报告,该智库由Doerenkamp Zbinden基金会赞助,由巴尔的摩、康斯坦茨和乌得勒支的毒理学负责人合作完成。本文所表达的观点是作者本人的观点,不一定代表他们的工作机构的观点。

May 15, 2016

翻译和整理:北京佰司特科技有限责任公司

 

最近出现的微生理系统——在体外模仿人体组织、器官和循环生物学的微流控仿生装置——被认为是可能彻底改变如今的药物开发模式。一项近期由美国政府倡议并在欧洲和亚洲开展的研究项目,最近获得了第一个前沿成果:基于微生理系统的人的单器官和多器官工程,在此基础上建立的测试系统有望模拟不同的疾病阶段,并在临床试验之前预测毒性、免疫原性、ADME谱和治疗效果。这一技术将对药物发展的未来产生重大影响。此外,基于微生理系统的分析可能会彻底改变我们当前的模式,对任何新物质(例如用于农业、食品、生态系统或化妆品)的危害进行排序,从而取代目前使用的实验动物模型。来自学术界、工业界和监管机构的36位专家在德国柏林举办了一个集中研讨会(2015年6月),回顾了目前微生理系统的现状,并评估了药物开发周期中广泛的、具有潜力的方法,提出了可行的技术解决方案,建立人的体外生物学的更高水平的技术。此外,会议重点介绍了器官芯片的重要的案例,以及各种国家和国际项目。最后,概述了未来的路线图,允许在全球范围内进行更具预测性和监管认可的物质检测的方法。

5. Selected legal frameworks, regulatory science and acceptance criteria (翻译和整理:北京佰司特贸易有限责任公司)

选定的法律框架、监管科学和验收标准 (翻译和整理:北京佰司特贸易有限责任公司)

5.1 一般说明

一个由法律、法规和指南组成的严格监管网络目前涵盖所有潜在用途领域的物质开发、注册和批准,例如医药、食品、农业、化学和化妆品。

据我们所知,用于物质评估的基于 MPS 的测试分析尚未引入任何国家的任何监管评估程序。这是由于研究层面的早期发展状况以及行业和监管机构缺乏实践经验。然而,经验和相互接受是新技术的先决条件,正如最近在 2013 年欧盟禁止使用实验动物测试化妆品评估的历史中所经历的那样。该禁令使全球化妆品行业陷入困境:化妆品含有在实验动物身上测试过的新成分的化妆品在欧盟不再允许销售,而同样的化妆品如果没有在实验室动物上进行测试,则禁止在世界其他地区销售。

正在研究两种不同的方法以避免在药物开发中出现类似情况。首先,FDA 推出了一种基于科学的监管方法,欧盟欧洲药品管理局似乎也在效仿。其次,主要的学术和工业参与者正在积极传播相同的方法,但对象是中国和俄罗斯等其他国家的监管机构。
在 2014 年布拉格举行的第 9 届生命科学中替代品和动物使用世界大会 (WC9) 的监管科学小组讨论会上,来自美国、欧盟、中国、俄罗斯和日本的监管机构代表发表了意向声明: “考虑到全球范围内正在进行的关于芯片上人类技术的大型项目以及全球不同部门监管机构的潜在利益,人们认为重要的是建立一个系统的信息交换机制设置。后者应利用已经为不同部门建立的协作计划(例如 FDA/EMA 资格活动)。这样的论坛还可以允许就资格标准和性能标准进行跨部门讨论,以促进片上人类技术的可能资格。”

在本章中,一些小组成员总结了受主要监管机构约束的物质测试法规的现状。

5.2 美国FDA药品监管与监管科学方法

最近的科学技术突破有可能改变 FDA 预防、诊断和治疗疾病的能力。认识到这一点,美国 FDA 推进监管科学战略计划旨在推进监管科学以加速创新、改进监管决策并及时将安全有效的产品推向市场。该战略计划既满足了当今的公共卫生需求,也满足了明天的挑战和机遇(FDA,2011b)。该计划的关键要素之一是通过开发更好的人类不良反应模型、识别和评估可用于非临床和临床评估的生物标志物和终点以及开发和使用计算方法和在硅胶建模。通过解决这些需求, FDA 将能够更好地识别和准确预测并降低与其监管的产品相关的风险的程度和可能性。 FDA、NCATS 和 DARPA 合作开发体外微生理系统,详见第 4.5 章。这份报告是将创新新技术纳入监管范式所需的合作伙伴类型的开创性例子。面临的挑战是开发一个集成的微系统平台,该平台可以在芯片上整合多个不同的模块化器官,并将其纳入监管范式。 FDA 在这种伙伴关系中的作用是就器官芯片或人体芯片模型的监管要求、验证和资格提出建议。资格认证是一个正式的过程,使 FDA 能够告知产品赞助商一种工具可用于监管申请。资格是一个结论, 在规定的使用范围内,可以依赖工具的评估结果在产品开发和监管决策中进行特定的解释和应用。

使用环境是药物开发工具 (DDT) 鉴定过程中的关键概念。它指的是一个清晰的描述,描述了工具的使用方式和目的(何时以及如何使用?),包括其局限性。一旦获得资格,任何产品赞助商都可以提交使用合格工具获得的数据,而无需提供进一步的证据来支持其适用性。 FDA 药物开发与研究中心目前正在实施三个 DDT 资格认证项目:(1) 生物标志物; (2) 临床结果评估;和
(3) 动物模型(FDA,2014b)。使用资格概念的背景可适用于任何拟用于监管决策的工具,包括体外微生理系统。
要培养对体外微生理系统预测能力的信心,首先要确定可以用这些新工具解决的关键监管差距、不正确或不完整答案的后果,以及对每个组成部分的信心水平的评估体外微生理系统。需要确定芯片上测试器官所需的基本生物学和功能特征解决使用的上下文。用于鉴定的测试或参考化合物库应直接与在使用环境中解决的监管问题相关联。这意味着不同的使用环境可能需要一组不同的测试化学品。此外,如何使用数据来制定/添加或改进监管决策应该是预先决定。将上述信息结合起来,对新工具回答关键监管问题的整体预测能力进行“使用环境”评估,可以用作以透明和科学上可辩护的方式鉴定体外微生理系统的框架。本报告第 7 章描述了 MPS 的潜在鉴定和验证策略。

5.3 中国国家食品药品监督管理局 (SFDA) 药品监管和 MPS

作为 1998 年 3 月宣布的政府机构改革的一部分,中国卫生部药品监督管理司与中国国家药品监督管理局 (SPAC) 合并成为国家药品监督管理局 (SDA)。因此,SDA 负责监督所有药品制造、贸易和注册。 2003年,国家食品药品监督管理局改组为国家食品药品监督管理局。 SFDA 的新法规遵循美国 FDA 的模式。 1999年7月,作为医保改革的一部分,国家食品药品监督管理局发布了第一批非处方药目录,2000年国家开始对非处方药和处方药分别进行监管。 SFDA 要求中国的所有制药公司在 2004 年 6 月 30 日之前从 SFDA 获得 GMP 证书,以获得在中国销售其药品的许可。 2005 年,SFDA 出台了药品研究和监督管理条例,旨在对研究药物实施 GLP, 中药注射剂及生物技术产品。中国食品药品监督管理局(NIFDC)成立于1950年,是SFDA的直属机构。

NIFDC的主要专业领域涵盖医药产品、生物制品、医疗器械、食品、保健食品、化妆品、标准品、实验动物、药品安全评价等。 NIFDC的主要任务是组织在药品、医疗器械、健康食品、化妆品和餐饮食品安全检测分析领域的国际协作与合作。基于这一使命,NIFDC 的代表积极参加了 2014 年在布拉格举行的第 9 届生命科学中替代品和动物使用世界大会上关于监管科学和 Humanon-a-chip 方法的小组讨论。 为了获得基于 MPS 方法的经验,NIFDC 与德国柏林工业大学签署了谅解备忘录,在 MPS 领域进行为期 3 年的联合合作。 NIFDC 团队接受了操作基于 MOC 的设备的培训。接下来的步骤包括与研究所目前使用的测试分析相比,基于 MPS 的分析评估。

5.4 俄罗斯药品监管和对 MPS 影响的考虑

俄罗斯联邦一直在采取措施,通过刺激药品和医疗产品的发展来实现医疗保健系统的现代化(俄罗斯政府,2014 年)。作为这些措施的一部分,批准了“2013-2020 年药理和医疗行业发展”国家计划。该计划由卫生部监督,并得到工业部、教育和科学部的支持。该计划的主要目标是引入新的药物化合物和测试它们的新方法。这意味着俄罗斯制药公司和研究实验室逐步过渡到国际良好生产规范 (GMP)、良好实验室规范 (GLP) 和良好临床规范 (GCP) 标准,并制定相应的教育计划。

卫生部于 2014 年 1 月批准了医疗器械评价程序及其技术检测、毒理学研究和临床试验注册管理办法。在经济现代化委员会主席团会议和俄罗斯的创新发展 2014年5月16日,梅德韦杰夫总理强调,引进创新方法要依靠国内研发项目和产品,指的是发展现代生物制剂、细胞和组织产品、基因组技术和生物相容性材料(俄罗斯政府,2014 年)。管理化学品对人体影响测试的新标准涉及使用人体皮肤体外模型 (GOST 32634-2014)、哺乳动物细胞微核测试 (GOST 32635-2014) 和基因突变评估 (GOST 32638) -2014) 于 2015 年 6 月推出。

5.5 欧盟化学品人类风险评估的法律框架

虽然动物在生物学研究中的使用比监管和化学安全测试所需的要多得多,但后两者是替代方法开发和测试系统的主要驱动力。随着“组学”、高通量测试、3D 细胞培养和最近的 MPS 的出现,将此类方法纳入监管使用的压力大大增加,关于此类方法的可用性和应用领域的争论也随之增加(Tralau 等人., 2015).然而,监管机构继续对此事持谨慎态度。这至少反映在数量相对较少的经过验证和国际认可的替代方法中,其中没有一种方法包含 MPS。实施任何此类方法的主要障碍是,除了法律实施通常进展缓慢之外,方法验证以及细胞和 MPS 的固有局限性无法反映既定的毒理学终点和生物体可塑性(Tralau 和 Luch,2015 年)。 如果不改变长期建立的做法,就很难轻易调整此类系统以进行可量化的风险评估,或将获得的结果转换为全球化学品统一分类和标签制度 (GHS) 要求的分类,分类,标签和包装 (CLP) 或 REACH。不出所料,欧盟的许多监管测试仍在体内进行,规则的例外情况是皮肤和眼睛刺激、腐蚀和遗传毒性。

自 2013 年以来,欧盟一直禁止使用实验室动物进行化妆品成分/物质测试。在该禁令之前,人们付出了巨大努力来开发经过验证的动物试验体外替代品,并取得了一定的成功(Adler 等人,2018 年)。 , 2011).这种特定的欧盟范围内的情况鼓励我们报告除了欧盟候选药物测试的法律框架之外,针对化学物质评估的不同领域(例如杀虫剂、化妆品和食品添加剂)存在的不同法律框架。每个监管框架都涉及对需要在档案中提交以供市场接受的信息的不同要求,并附有指南或指南通常描述哪些测试可以接受以提供此信息的文件。下面的表 4 概述了一些完善的欧盟化学品框架和可以提供此信息的经合组织测试指南 (TG) 所需的信息。该表显示了动物试验如何仍然占主导地位(深蓝色)。

系统性和重复剂量毒性需要最多数量的实验动物和资源(占所有使用的实验动物的 65% 以上;参见 ECHA,2011 年;van der Jagt 等人,2004 年;Rovida 和 Hartung,2009 年)。无论是在体内还是在体外,各自的毒理学终点都很难解决,正是在这种情况下,MPS 最好将其实力用于测试,特别是因为它们可以打破物种屏障。此外,它们可以为消费者保护领域的一些未解决问题和监管挑战提供解决方案,例如性激素和甲状腺激素系统以外的内分泌干扰物、低剂量效应、表观遗传活性物质和背景暴露的影响。

因此,其中大部分将构成相当中长期的选择。 MPS 更直接的监管用途包括经合组织的“不良结果途径”倡议(经合组织,2013 年)、综合测试策略、不良生物标志物识别和测试优先次序(例如类似于 Tox21 计划;Krewski 等人,2010 年) .
同时,MPS 应该是上述毒物测试假人的初步测试运行的一部分(Tralau 等人,2012 年)。这种盲法交叉验证试验不仅有助于评估它们已经存在的监管潜力,而且有助于找出实际的不足之处。

化妆品存在特殊情况,禁止进行动物试验(EC,2003 年;EC,2009 年)。自 2013 年起,该禁令不仅禁止对化妆品进行活体动物试验,还禁止销售经过动物试验或含有动物试验成分的产品(唯一例外是在其使用范围内且受 REACH 约束的化学品) .需要注意的是,迄今为止,还没有完全基于替代测试方法的化妆品市场准入申请。因此,迫切需要对化妆品进行替代性毒性测试。第 3.2 章描述了化学和化妆品行业可能采用基于 MPS 的系统的领域。而第 6 章提供了一种潜在的鉴定和验证分层方法。

6、How to qualify and validate MPS-based tools? (翻译和整理:北京佰司特贸易有限责任公司)

如何鉴定和验证基于 MPS 的工具? (翻译和整理:北京佰司特贸易有限责任公司)

一般 3D 体外测定和特别是基于 MPS 的测定的资格和验证是工业采用和监管接受的主要障碍(Astashkina 等人,2012 年)。在不同行业采用基于 MPS 的检测之前,仍有几个挑战有待解决。特别是,基于 MPS 的检测方法的验证需要对所使用的设备和组织来源进行初步鉴定。此外,遵守既定的良好细胞培养规范规则(Coecke 等人,2005 年)和提高器官模型质量和实用性的建议(Alépée 等人,2014 年)是确保 MPS-基于分析生成可靠、可重复和可靠的数据。值得注意的是,机械验证的概念(Hartung 等人,2013a)是在循证毒理学(Hartung,2010b)的背景下提出的,承诺支持 MPS 验证。如第 2 章所述, 迄今为止,只有少数研究试图根据相关体内模型验证基于 MPS 的测定的读数。为了便于工业采用,我们建议为每个基于 MPS 的单一器官等效物生成生物学基线,如本报告第 3.1.1 章中对单肝 MPS 的示例性描述。我们建议在美国和欧洲当前的监管环境下使用两层方法来验证基于 MPS 的测试分析(图 17)。

图17:即将到来的基于mps的工具可能的逐步验证路线图

 

验证是一个过程,需要不断适应为使用目的而评估的技术(Leist 等人,2012 年)。第一步,我们建议通过上述 FDA 滴滴涕认证计划对基于 MPS 的测试工具进行自愿的“适合用途”或“使用环境”认证。在这里,MPS 提供者和采用特定检测方法的制药公司之间的合作是可取的。此资格涉及 MPS 供应商、制药行业和 FDA 官员,并最终导致独立于用于验证的候选药物的 MPS 工具验证。这反过来又支持更容易地采用该工具以进一步用于药物评估。此外,对于给定的基于 MPS 的工具,这样的第一个验证步骤会生成一个验证算法和特定于工具的数据,然后在第二个步骤中,例如,可以将其输入验证程序以使用相同的工具用于化学测试。 对于旨在取代 OECD 化学品安全评估指南中使用的动物或现有体外模型的基于 MPS 的模型,遵守现有的 OECD 关于验证和国际接受新的或更新的危害评估测试方法的指导文件(OECD, 2005),EMA 关于 3R 方法监管接受和药物开发新方法资格的指南 (EMEA/CHMP/SAWP/72894/2008 Corr1),通过 EMA 科学建议工作组 (SAWP) 和 ICH 安全的建议主题推荐工作组可能会有所帮助。然而,鉴于 MPS 通常基于人体细胞材料,因此在验证期间重新评估动物数据作为黄金标准的适用性可能很重要。截至今天,两个资格和验证步骤的后续组合,如图 17 所示, 似乎是验证即将到来的基于 MPS 的药物开发工具的最有效路线图,这些工具来自单器官、多器官或人体“芯片上的身体”开发。

7、Visions are becoming reality

愿景正在成为现实

已开发单器官 MPS 以建立生理物质测试分析。肺、心脏、血管、肌肉、骨骼、肝脏、生殖系统、神经系统、肠道、皮肤、肠道和肾脏等人体器官模型已经建立,更多模型即将建立。这一发展之后是多器官 MPS,允许在综合微生理学安排中共培养不同的人体器官等价物。例如,28 天人类肠道/肝脏/皮肤/肾脏在稳态共培养中的首次成功,强调了将技术推向
人体芯片的系统建模——微型有机体。我们认为,这三种 MPS 的未来发展最终将导致动物和人体试验的减少和替代(图 18)。未来五年改善单器官和多器官系统的主要挑战包括生物脉管系统、免疫能力、电耦合和机械应力(如果相关)的整合。例如,生理性皮肤、肠和肺屏障以及预测性药物诱导的器官毒性测定或肺部疾病模型可能源于这种单一器官的改进。改进的多器官系统可能适用于启用 ADMET 分析、生理多器官串扰和多器官衰竭模型。随后,从这些成功的改进中获得的先进知识和经验将在逻辑上促进人体芯片的发展, 为疾病建模和重复给药毒性试验提供系统解决方案(概述见图 18)。

图18:满足工业需求的MPS下一步发展为了实现显著减少和替代动物试验,下一个需要克服的障碍是进一步将脉管系统、免疫能力、电信号和机械力整合到各自的器官模型中。这些发展有望进一步减少对动物的工业物质测试,并将有力支持人类“芯片上的身体”解决方案的发展,旨在取代实验动物的系统测试和疾病建模。

 

研讨会的专家认识到 MPS 领域创新阶段和水平的循环模式。科学界花了五年多的时间才对第一个单器官和多器官系统进行初步工业评估(见图 19)。未来的发展分为三个不同的阶段:短期、中期和长期,总时间超过 25 年。创新解决方案的每个阶段都会触发一个连续的工业采用阶段,这反过来又会在一个连续的阶段激发监管机构的接受(见图 19 中的对角线箭头)。例如,单器官 MPS 的概念证明可能会导致它们在未来五年内用于工业上的 MoA 评估和/或毒性评估。我们认为这应该会导致在 2020 年至 2030 年之间进行首次经过验证的监管安全分析。

图19:减少和替换动物和患者的路线图。红、蓝、白箭头分别表示单器官、多器官和基于人体芯片mps方法的平移影响。

 

路线图中突出显示了各个未来阶段(图 19)。 2030 年后 MPS 的长期发展愿景可能是,例如,工业界采用精准医疗工具(“You-on-a-chip”)来建立个性化疾病模型。设想的另一个目标是在工业层面对临床试验的各个方面进行片上建模。所有这些发展都可能导致最终减少和缩减对动物和人类的测试。

我们预计制药行业在短期内采用的基于 MPS 的 MoA 评估和毒性测试将导致药物发现生命周期的前两个阶段(发现和先导优化)的初始减少,因为目标的选择更快更精确和相关线索(图 20)。

图20:基于mps的方法和工具可以改变当前的药物测试范式设想的物质测试范式转变(上)将药物开发阶段和相关成本与当前情况(下)进行了比较。

 

一旦人体芯片平台在中期进入制药领域,并带有预测系统测试和芯片临床试验数据生成工具(图 20),这几乎可以消除让动物参与临床前试验的必要性长期在第一阶段测试中发展和健康的志愿者。这与预期的高预测性以及因此显着降低的临床损耗率相结合,可能会创造一种新的药物开发范例。后者将使药物开发从循序渐进的方法转变为具有巨大经济影响和社会价值的超快发现和验证方法(见图 20)。

本报告的作者充分意识到,这一具有挑战性的路线图如果成功,不仅会导致药物开发和化学品安全评估的范式转变,而且只有所有相关方(学术界、工业界和监管机构)才能成功实现) 在全球范围内合作。
 

北京佰司特贸易有限责任公司(https://www.best-sciences.com):

类器官串联芯片培养仪-HUMIMIC;单分子质量光度计-TwoMP;灌流式细胞组织类器官代谢分析仪-IMOLA;光片显微镜-LSM-200;超高速视频级原子力显微镜-HS-AFM;蛋白质稳定性分析仪-PSA-16;全自动半导体式细胞计数仪-SOL COUNT;农药残留定量检测仪(台式)—BST-100;农药残留定量检测仪(手持式)—BST-10A;蓝光/绿光LED凝胶成像;台式原子力显微镜-ACST-AFM;微纳加工点印仪-NLP2000/DPN5000;

 

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创建时间:2023-02-23 20:30