腎臓学の非臨床研究

腎疾患の動物モデルや試験化合物への反応における腎機能を評価することを目的とした前臨床試験では、従来、血清クレアチニンや血中尿素窒素（BUN）などの指標が用いられてきた。しかし、臨床的関連性の高い指標の使用が強く推奨されている。これは、実験研究のトランスレーショナルな価値を高めることで、試験化合物の有効性プロファイルに対する信頼性を高めることに寄与するからである （図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.  

図1. 前臨床研究および臨床試験において測定される主なアウトカムの比較（すべてを網羅したものではない）。 前臨床段階 には には様々な研究段階が含まれており、その中でも腎疾患の動物モデルを用いた有効性試験は、 試験化合物の特性を解明するために費やされる時間の大部分を占めている。トランスレーショナルな評価指標の活用、 すなわち 通常、 臨床試験、 実験動物モデルにおいて の 腎臓 疾患の can は トランスレーショナルな価値 を高める を研究者。  

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.  

同様に、ヒトの場合と同様に、腎疾患の非臨床マウスモデルにおいても、血清クレアチニン値に基づいてGFRを推定することができます。しかし、マウスは体が小さく、血液や尿の採取を頻繁に行う必要があるため、これは困難となる可能性があります。さらに、最近発表された 『Kidney International』誌に掲載された「前臨床腎臓学研究に関する国際ガイドライン」 において、腎機能の評価には血清クレアチニン値に加え、その種および疾患の前臨床モデルに適した他の測定法も併用すべきであると示唆されている（Nangaku et al. 2023）。GFR測定のための繰り返しの採血を避けるため、皮膚を介してGFRをモニタリングする小型デバイスの使用など、侵襲性の低い新しい方法が推奨されている（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 

GFRは、小型化された蛍光モニターと蛍光性外因性GFRトレーサーを併用することで、マウスの皮膚を通じて測定することができる（Scarfe et al. 2018）。この測定システムは、自由に動き回るマウスの背中の皮膚に取り付けられた蛍光検出器で構成されている （図2）から構成されている。 このモニターは、外因性GFRトレーサー（この場合は、フルオレセインイソチオシアネート（FITC）と結合したシニストリン（イヌリン類似体））の排泄動態を測定し、GFRの高感度な測定値を提供する。  

図2. 腎疾患の非臨床研究用マウスモデルにおける経皮GFRを測定するための実験装置。 (A) マウスの準備には、麻酔、被毛の除去、および経皮モニターの慎重な配置と装着が含まれる。 (B) GFRモニターを確実に装着した後、マウスにFITC-シニストリン を尾静脈から注射する。注射後、マウスを 覚醒させ、 所定の実験期間中、ケージに戻される。 (C) GFR 測定は、装置を取り外し、これを コンピュータに USBケーブルを介して。データの処理は、モニターのメーカーが推奨するソフトウェアに従って行われます。 

これは 比較的単純な この方法により、 腎機能の経時的評価を を可能にし、 従来の方法では 。 これは、複数の採取時点を必要とする実験デザインにおいて特に重要であり、マウスは他の齧歯類に比べて本来血液量が少ないため、そのような実験が困難となる場合がある。 また、この方法を用いることで、マウスの取り扱いの手間を大幅に軽減できます。なぜなら、 マウスの 最小限の操作で済むため、 、 複数回の 静脈穿刺を行う場合とは異なり、最小限の取り扱いだけで済むため、 さらに、 pこれまでの 研究により、t経皮GFRは、腎組織学的損傷や BUN や血清クレアチニンといった他の腎機能指標と相関することが示されている（Scarfe et al. 2018）。 

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

この手法が前臨床研究モデルに適しているかを確認するため、我々のPKDマウスモデルにおいて、異なる時点でのGFRを評価した。この実験では、成体（P18）のADPKDマウスモデル を用いた。P18 ADPKDマウスには Pkd1 がノックアウトされており、これにより、ネフロン全セグメントに影響を及ぼす、比較的緩やかな嚢胞の形成と進行が見られる。 この疾患モデルは、成人発症型ADPKDにおける腎の病態生理学的経過に類似しており、GFRの測定結果を高感度で得られるだけの十分な体格のマウスを確保できるほか、試験薬の投与評価を長期にわたって実施できるため、長期的な副作用の可能性も検出する機会が得られる（本研究の生存期間段階は約18週間である）。  

簡単に言えば、モニターを取り付け、トレーサーを静脈内注射した後、測定された信号に基づいてトレーサーの排泄半減期（t1/2）を算出した。 さらに、トレーサーの排泄半減期に基づいてGFRが算出された。下図に示すように、健常対照群のGFRは観察期間を通じて一定に保たれており、この測定値が腎機能の評価に有用であることが確認された （図3）。対照的に、多発性嚢胞腎（PKD）群のGFRは研究期間を通じて低下しており、これは腎機能の低下を示唆している （図3）。これにより、このPKD前臨床マウスモデルにおいて、この測定値が有用であることが裏付けられた。  

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.  

この測定結果は、他のトランスレーショナルな測定結果と併せて活用することで、 疾患の進行、 例えば 腎臓の総容積など、他のトランスレーショナルな評価指標と併せて、 腎臓容積の増加は、 進行性の GFRの漸進的な低下の進行性の低下と関連しており、これらを合わせて見れば、腎疾患の進行状況について極めて重要な情報を提供してくれる （図4）。 これらを総合することで、前臨床試験で得られたデータについて、より包括的な全体像が得られる ADPKDマウスモデルで ADPKDマウスモデルにおいて実施された前臨床試験で得られたデータについて、より包括的な全体像を提示している。  

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.