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次世代腎毒性檢測基因改造鼠- 神農鼠腎毒篩檢平台

今年520日蔡英文總統就職演說中宣示打造接軌全球的生物及醫療科技產業是國家六大核心戰略產業之一,科技部吳政忠部長所揭示的2030科技願景六大主軸中,也強調深化生技醫療產業的重要性。國家實驗研究院國家實驗動物中心(國研院動物中心)執行科技部政策,打造「次世代腎毒性測試之小鼠平台」(又稱「神農鼠腎毒篩檢平台」),為國內對腎毒檢測與護腎產品之開發提供必要的工具鼠,也降低腎毒性物質進入人民生活的可能性。

目前國際上對於藥物、健康食品或食品添加物的腎毒性,並沒有一套非常好的檢測方式。國研院動物中心開發的「神農鼠腎毒篩檢平台」,將腎臟專一表達酵素「肌醇加氧酶」(MIOX)與外來冷光酵素綁定,在腎臟受到損傷時,腎臟細胞會釋放此冷光酵素到血液或尿液中,只要測量小鼠血液或尿液中的冷光酵素活性,便可評估腎臟損傷程度。此平台比由國際大藥廠與美國、歐盟及日本的政府藥物管理部門於2005年聯手成立的「預測性安全測試聯盟」合力開發之「大鼠尿液腎損傷蛋白分析」更為經濟且有效。

不當的用藥習慣導致腎毒性物質曝露量過高

近年來食品與藥物安全問題廣為大眾所關注,依據健保署統計資料,2019年台灣腎衰竭洗腎人口高達9.2萬人,因慢性腎臟病就醫人數超過42.2萬人,總共花費了健保約533億元。腎臟病成因錯綜複雜,人口老化以及糖尿病、高血壓、高血脂等三高控制不佳,是造成洗腎主因;然而飲食或不當的用藥習慣,導致國人腎毒性物質曝露量太高,也是重要的影響因素。美國腎臟基金會的統計資料也顯示,美國每年慢性腎臟病的新增病例中,約有3~5%的病人是因濫用止痛藥而導致腎衰竭。

傳統上食品添加物、機能性健康食品或藥物在核准使用與上市前,皆須先經過安全性評估與測試,主要包含急毒性與長期餵食以觀察慢性之影響,通過後才可進入功效及臨床試驗。雖然法規已有嚴格的規範與監督機制,全球每年仍有2~3%核准上市的新藥在上市使用後,因試驗過程未檢出的毒性問題而下架,造成服用者健康受損與藥廠鉅額損失。

國際上缺乏有效的腎毒性檢測方式

這是因為原有的安全性評估方法仍有不完備而需改進之處,其中在腎毒性檢測部分,目前並無腎臟足夠專一性的生物指標可供憑藉,只能利用腎臟負責排泄的血中代謝廢物尿素氮(BUN)、肌酸酐(Creatinine)的濃度,以及尿蛋白等腎臟代謝物指數,來推估腎臟功能是否正常。然而腎臟只要最低仍存有50%腎功能,即可維持血中尿素氮及肌酸酐濃度穩定不上升,所以這種方式對輕、中度腎功能損傷的檢出並不敏感;而尿蛋白等腎臟代謝物指數則容易受到其他生理因素如高蛋白飲食、脫水、感染、胃腸出血等干擾,降低其專一性,即其所顯現的結果,可能並非全由腎臟本身所造成。

為此,國際大藥廠與美國、歐盟及日本的政府藥物管理部門於2005年聯手成立「預測性安全測試聯盟」(Predictive Safety Testing Consortium, PSTC),加速建立新的安全性評估規範,並打破藥廠之藩籬,合力開發出一套以大鼠為試驗動物的測試平台,測量尿液中七種與腎損傷有關之蛋白濃度,來強化腎損傷檢測的敏感度。各藥廠為免前述上市藥物下架的憾事一再發生,在藥物開發前期安全評估階段,即使需額外增加可觀的費用,都自行增加此一新型腎毒分析法以降低開發風險,但仍無法完全確保藥物不具腎毒性。

 

動物中心打造「神農鼠腎毒篩檢平台」 為國民嚐百草

為強化腎毒性檢測安全性評估的分析工具,成功大學醫學系教授暨附設醫院小兒腎臟科主任、同時也是國研院動物中心合聘研究員邱元佑醫師,以其長期臨床經驗所構思之概念,結合國研院動物中心獨有的大片段基因改造技術,打造出「神農鼠腎毒篩檢平台」。

邱元佑醫師首先挑選腎臟專一表達酵素「肌醇加氧酶」(MIOX)為檢測指標,一來MIOX在腎損傷24小時內,即可自細胞內釋放至血清及尿液中,可供早期偵測;二來MIOX僅表現在腎臟近端上皮細胞,具備腎臟特異性。但因此酵素偵測不易,無法直接應用於腎毒檢測。因此運用動物中心獨有的「大片段基因改造技術」之設計,讓外來的冷光酵素基因表達能受到小鼠MIOX基因調控,在有MIOX基因表現的位置,同步放大冷光表現以進行細胞標示。當腎臟受損傷時,以MIOX基因驅動的冷光酵素會隨著MIOX蛋白同步釋放到腎臟細胞外,進入血液或尿液中,再利用冷光酵素分析或影像分析,定量血液或尿液中的冷光酵素活性,便可評估腎臟損傷程度。

「神農鼠腎毒篩檢平台」具備早期預測性、高專一性、高靈敏度之特色,可以比「預測性安全測試聯盟」所用的「大鼠尿液腎損傷蛋白分析」提供更早、更敏感且穩定的腎損傷證據,用更經濟、有效的分析方法,為國民嚐百草,協助藥廠、健康食品廠商進行前期把關,降低開發風險,也降低腎毒性物質進入臨床或人民生活的可能性。

 神農鼠急性腎損傷前腎臟冷光表現

 以馬兜鈴酸高劑量藥物誘發急性腎損傷後第三天,腎臟組織病理切片無明顯病變

 以3D非侵入性活體影像系統拍攝正常小鼠(左)與神農鼠(右)

 國家實驗動物中心神農鼠