Präklinische nephrologische Forschung

In präklinischen Studien zur Beurteilung der Nierenfunktion in Tiermodellen für Nierenerkrankungen oder als Reaktion auf einen Prüfstoff wurden traditionell Messgrößen wie Serumkreatinin und Blut-Harnstoff-Stickstoff (BUN) herangezogen. Die Verwendung klinisch relevanterer Messgrößen wird jedoch nachdrücklich empfohlen, da dies dazu beitragen kann, das Vertrauen in das Wirksamkeitsprofil des Prüfstoffs zu stärken, indem der translationale Wert der experimentellen Studien verbessert wird (Abbildung 1).  

At InnoSer, kidney function in mouse models of kidney disease, such as in the autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) model, is assessed using multiple readouts which we have briefly reviewed here. In this blog post, we provide a comprehensive overview of measuring glomerular filtration rate (GFR) transdermally in preclinical mouse models of kidney disease, focusing on its translational value in later stages of preclinical research.  

ABBILDUNG 1. Vergleich der wichtigsten Endpunkte, die in der präklinischen Forschung und in klinischen Studien gemessen werden (nicht erschöpfend). Die präklinische Phase der Arzneimittelentwicklung umfasst verschiedene Forschungsphasen, wobei Wirksamkeitsstudien an Tiermodellen für Nierenerkrankungen einen großen Teil der Zeit ausmachen, die für die Untersuchung der Eigenschaften der Testverbindung. Die Verwendung translationaler Messgrößen, d. h. Messgrößen, die typischerweise auch in klinischen Studien, in experimentellen Tiermodellen der Nieren- Erkrankungen kannkann den translationellen Wert dieser Modelle für dieForschern.  

Clinical Significance of Measuring Glomerular Filtration Rate (GFR) 

Physiologically, GFR is the rate at which the glomerulus filters plasma through the glomerular capillary walls to produce an ultrafiltrate per unit of time. Therefore, GFR shows how good kidneys are functioning. Clinically, GFR is the gold standard in kidney function assessment, including the monitoring of disease progression, treatment effectiveness and potential test compound-induced kidney toxicities. In clinical trials, GFR is typically estimated based on serum concentrations of endogenous filtration markers such as creatinine.  

Ebenso wie beim Menschen lässt sich die GFR auch in präklinischen Mausmodellen für Nierenerkrankungen anhand der Serumkreatininspiegel abschätzen. Aufgrund der geringen Größe der Tiere und der häufig erforderlichen Blut- und/oder Urinprobenentnahme kann sich dies jedoch als schwierig erweisen. Darüber hinaus lautet die Empfehlung der Arbeitsgruppe in der kürzlich veröffentlichten internationalen Leitlinie von „Kidney“ zu präklinischen nephrologischen Studien legt nahe, dass die Nierenfunktion sowohl anhand der Serumkreatininspiegel als auch anhand anderer Messgrößen beurteilt werden muss, die für die jeweilige Tierart und das präklinische Krankheitsmodell geeignet sind (Nangaku et al. 2023). Um wiederholte Blutentnahmen zur Messung der GFR zu vermeiden, werden neuartige, weniger invasive Methoden empfohlen, wie beispielsweise der Einsatz eines kleinen Geräts, das die GFR über die Haut überwacht (Scarfe et al. 2018).  

Accordingly, nephrology researchers are nowadays including the measurement of GFR in preclinical research models of kidney diseases more and more by using the transdermal GFR measuring device. Transdermal GFR monitoring is applicable in fundamental kidney disease assessments, efficacy evaluations of new and existing kidney therapeutics or evaluations of nephrotoxicity. A full list of peer-reviewed publications which use transdermal GFR in preclinical research can be found here.  

Commercially available translational readouts that are recognised by both preclinical and clinical scientists are scarce, and therefore, the nephrology team at InnoSer is excited to be able to offer this service to all our clients active in the field of nephrology. 

Transdermal Measurement of GFR in Mouse Models of Kidney Diseases 

Die GFR lässt sich über die Haut einer Maus mithilfe eines miniaturisierten Fluoreszenzmonitors in Kombination mit einem fluoreszierenden exogenen GFR-Tracer messen (Scarfe et al. 2018). Das Messsystem besteht aus einem Fluoreszenzdetektor, der an der Haut auf dem Rücken frei beweglicher Mäuse angebracht wird (Abbildung 2). Der Monitor misst die Ausscheidungskinetik des exogenen GFR-Tracers, bei dem es sich in diesem Fall um mit Fluoresceinisothiocyanat (FITC) konjugiertes Sinistrin (ein Inulin-Analogon) handelt, um einen sensitiven Messwert für die GFR zu liefern.  

ABBILDUNG 2. Versuchsaufbau zur Messung der transdermalen GFR in präklinischen Mausmodellen für Nierenerkrankungen. (A) Die Vorbereitung der Mäuse umfasst die Anästhesie, die Entfernung des Fells sowie die sorgfältige Positionierung und Befestigung des transdermalen Monitors. (B) Nach der sicheren Befestigung des GFR-Monitors wird den Mäusen FITC-Sinistrin über die Schwanzvene injiziert. Nach der Injektion werden die Mäuse wieder geweckt und für die festgelegte Versuchsdauer wieder in den Käfig gesetzt. (C) GFR- Die Messungen der GFR erfolgen durch Entfernen des Geräts und dessen Anschluss über ein USB-Kabel über ein USB-Kabel. Die Daten werden gemäß den Empfehlungen des Herstellers der Messgeräte mit der entsprechenden Software verarbeitet. 

Das relativ einfache Methode ermöglicht eine langfristige Überwachung der Nierenfunktion ohne wiederholte Blut- und/oder Urinproben, wie erforderlich . Dies ist besonders relevant für Versuchsdesigns, die mehrere Entnahmezeitpunkte erfordern, was bei Mäusen aufgrund ihres im Vergleich zu anderen Nagetieren von Natur aus geringen Blutvolumens möglicherweise nicht durchführbar ist. Durch den Einsatz dieser Methode wird zudem ein umfangreicher Umgang mit den Mäusen vermieden, da sie nur nur minimal gehandhabt werden müssen, da im Gegensatz mehreren Venenpunktionen. Außerdem pfrühere Untersuchungen haben gezeigt, dass dietransdermale GFR mit anderen Messgrößen der Nierenfunktion korreliert, wie beispielsweise histologischen Nierenschäden, BUN und Serumkreatinin (Scarfe et al. 2018).  

Transdermal measurement of GFR in the Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease (ADPKD) Model  

Um die Eignung dieser Methode in präklinischen Forschungsmodellen zu bestätigen, haben wir die GFR in unserem PKD-Mausmodell zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen. Für dieses Experiment wurde die erwachsene (P18) ADPKD-Mausmodell verwendet. P18-ADPKD-Mäuse weisen Pkd1 am 18. postnatalen Tag ausgeschaltet, was zu einer relativ langsamen Zystenbildung und -progression führt, die alle Segmente des Nephrons betrifft. Dieses Krankheitsmodell ähnelt dem Verlauf der renalen Pathophysiologie bei ADPKD mit Ausbruch im Erwachsenenalter, gewährleistet, dass die Mäuse eine ausreichende Größe aufweisen, um aussagekräftige GFR-Messwerte zu erhalten, und ermöglicht eine Bewertung der Verabreichung des Prüfpräparats über einen chronischen Zeitraum, wodurch auch mögliche Langzeitnebenwirkungen erkannt werden können (die Lebensphase der Studie dauert ca. 18 Wochen).  

Kurz gesagt: Nach dem Anlegen des Monitors und der intravenösen Verabreichung eines Tracers wurde die Ausscheidungshalbwertszeit des Tracers (t1/2) anhand des gemessenen Signals bestimmt. Die GFR wurde wiederum anhand der Ausscheidungshalbwertszeit des Tracers berechnet. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, bleibt die GFR der gesunden Kontrollgruppe über den Beobachtungszeitraum konstant, was die Eignung dieses Messwerts zur Beurteilung der Nierenfunktion bestätigt (Abbildung 3). Im Gegensatz dazu sank die GFR der PKD-Gruppe im Verlauf der Studie, was auf einen Verlust der Nierenfunktion hindeutet (Abbildung 3)und bestätigt die Eignung dieses Messwerts in diesem präklinischen Mausmodell der PKD.  

FIGURE 3. Transdermal GFR assessment shows a decline in kidney function in ADPKD mice. Over time, we observe a significant decrease in the GFR of the PKD group (post-natal day [PND] 81 vs PND115: **P<0.01; PND102 vs PND115: *P<0.05), resulting in a significantly lower GFR in comparison to the healthy control group on PND115 (healthy vs PKD group: ##P<0.01) Data are represented as Mean ± SEM, circles represent data of individual animals. This confirms the loss of renal function in PKD mice and the suitability of this method in preclinical research studies.  

Dieser Messwert kann zusammen mit anderen translationalen Messwerten herangezogen werden, um Krankheitsverlauf, wie zum Beispiel Gesamtnierenvolumen. Die Zunahme des Nierenvolumens steht im Zusammenhang mit einem fortschreitendem Abnahme der GFRzusammen hochrelevante Informationen über das Fortschreiten der Nierenerkrankung liefern (Abb.4). Insgesamt ergibt sich daraus ein vollständigeres Bild der Daten, die in der präklinischen Studie im ADPKD-Mausmodell durchgeführt wurde.  

FIGURE 4. Assessment of kidney volume by ultrasound allows the determination of disease progression in the mouse model of ADPKD. Compared to healthy control, the kidney volume of PKD mice is significantly increased over time, indicating decline in renal health (**P<0.01, ***P<0.001). Data are represented as Mean ± SEM.  

Choosing the Right Type of Readout to Evaluate Kidney Function in Your Research 

In order to develop safe and efficacious therapeutics for renal indications such as chronic kidney disease (CKD), PKD and other chronic and/or rare conditions, test compounds need to be thoroughly evaluated. The inclusion of translational readouts can help increase confidence in the obtained data during preclinical trials.  

Transdermal GFR measurement can serve as a sensitive and accurate measure of kidney function compared to traditional measures that rely on multiple collection timepoints of urine and/or blood (Scarfe et al. 2018). As such, including transdermal GFR in your study designs can help increase the translational value of your research.  

However, to obtain the full picture of the test compound’s efficacy, it is recommended that other readouts (i.e. biomarkers, histopathology…) combined with pharmacokinetic and pharmacodynamic studies are carried out as well. As such, the most appropriate readout selection ultimately depends on the specific aims of the research question. 

Consulting with our nephrology study experts will allow you to carry out tailored studies while collecting the most study-appropriate data. We also advise you on the most optimal model selection, taking in account your budget and study timelines. Get in contact with our team still today to obtain expert preclinical expertise and industry-competitive study timelines.