Оценка безопасности лекарственных средств в отношении сердечно-сосудистой системы в доклинических исследованиях in vivo: обзор

ВВЕДЕНИЕ. Оценка безопасности лекарственных средств в отношении сердечно-сосудистой системы с использованием моделей in vivo является необходимым этапом доклинических исследований, которая проводится либо в исследованиях фармакологической безопасности, либо в рамках токсикологических исследований. В дизайне исследований фармакологической безопасности в первую очередь подразумевается оценка потенциала исследуемого вещества замедлять реполяризацию желудочков сердца без углубленного изучения возможного структурного повреждения сердца и сосудов. При этом в токсикологических исследованиях, как правило, не оцениваются электрофизиологические параметры. В нормативной документации Евразийского экономического союза и Международного совета по гармонизации (ICH) отсутствуют подробные указания по использованию специфических маркеров нарушений функционирования сердечно-сосудистой системы.

ЦЕЛЬ. Разработка комплексного подхода по оценке кардио- и васкулотоксичности лекарственных препаратов в доклинических исследованиях in vivo.

ОБСУЖДЕНИЕ. Для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы могут быть использованы как мелкие лабораторные животные (грызуны), так и более крупные, такие как кролики, хорьки, собаки, карликовые свиньи и приматы. Токсические эффекты изучаемых лекарственных препаратов в отношении сердца и сосудов у животных могут проявляться в виде изменений в физиологическом, биохимическом или структурном статусах систем или органов, поэтому оценка функционального состояния сердечно-сосудистой системы должна опираться на совокупность инструментальных, лабораторных и гистологических методов. В первую очередь применимы физиологические и лабораторные исследования. Рекомендовано проводить электрокардиографию, измерение частоты сердечных сокращений и артериального давления, а также количественно оценивать маркеры нарушения функций и структурного повреждения клеток. Для более глубокого анализа рекомендуется применять гистологические и иммуногистохимические исследования тканей сердца и сосудов, чтобы оценить изменения на тканевом и клеточном уровнях.

ВЫВОДЫ. Эффективным способом обнаружения нарушений сердечно-сосудистой системы является применение комплексного подхода, который, с одной стороны, позволяет всесторонне оценить возможные токсические проявления лекарственного средства, а с другой — увеличивает трансляционной потенциал данных, получаемых на доклиническом этапе исследований.

1. Mladěnka P, Applová L, Patočka J, Costa VM, Remiao F, Pourová J. Comprehensive review of cardiovascular toxicity of drugs and related agents. Med Res Rev. 2018;38(4):1332–403. https://doi.org/10.1002/med.21476

2. Guth BD. Preclinical cardiovascular risk assessment in modern drug development. Toxicol Sci. 2007;97(1):4–20. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfm026

3. Sanguinetti MC, Tristani-Firouzi M. hERG potassium channels and cardiac arrhythmia. Nature. 2006;440(7083):463–9. https://doi.org/10.1038/nature04710

4. Gralinski MR. The dog’s role in the preclinical assessment of QT interval prolongation. Toxicol Pathol. 2003;31(Suppl):11–6. https://doi.org/10.1080/0192623039017488

5. Heyen JR, Vargas HM. The use of nonhuman primates in cardiovascular safety assessment. In: Bluemel J, Schenck E, Korte S, Weinbauer GF, eds. The nonhuman primate in nonclinical drug development and safety assessment. Academic Press; 2015. P. 551–78. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-417144-2.00029-9

6. Енгалычева ГН, Сюбаев РД, Горячев ДВ. Исследования фармакологической безопасности лекарственных средств: экспертная оценка полученных результатов. Ведомости Научного центра экспертизы средств медицинского применения. 2017;7(2):92–7. EDN: YSDMLV

7. Sarazan RD, Mittelstadt S, Guth B, Koerner J, Zhang J, Pettit S. Cardiovascular function in nonclinical drug safety assessment: Current issues and opportunities. Int J Toxicol. 2011;30(3):272–86. https://doi.org/10.1177/1091581811398963

8. Ross RA, Foley CM, Jones HM, Osinski MA. A method for assessing and monitoring consistency of nonclinical ECG analysis. J Pharmacol Toxicol Methods. 2022;116:107189. https://doi.org/10.1016/j.vascn.2022.107189

9. Ewart L, Milne A, Adkins D, Benjamin A, Bialecki R, Chen Y, et al. A multi-site comparison of in vivo safety pharmacology studies conducted to support ICH S7A & B regulatory submissions. J Pharmacol Toxicol Methods. 2013;68(1):30–43. https://doi.org/10.1016/j.vascn.2013.04.008

10. Arini PD, Liberczuk S, Mendieta JG, Santa María M, Bertrán GC. Electrocardiogram delineation in a Wistar rat experimental model. Comput Math Methods Med. 2018;2018(1):2185378. https://doi.org/10.1155/2018/2185378

11. Authier S, Pugsley MK, Troncy E, Curtis MJ. Arrhythmogenic liability screening in cardiovascular safety pharmacology: Commonality between non-clinical safety pharmacology and clinical thorough QT (TQT) studies. J Pharmacol Toxicol Methods. 2010;62(2):83–8. https://doi.org/10.1016/j.vascn.2010.06.005

12. Mavropoulou A, Oliveira P, Willis R. Holter monitoring in dogs: 24 h vs. 48 h. Vet J. 2021;272:105628. https://doi.org/10.1016/j.tvjl.2021.105628

13. Lyhne MK, Debes KP, Helgogaard T, Vegge A, Kildegaard J, Pedersen-Bjergaard U, et al. Electrocardiography and heart rate variability in Göttingen minipigs: Impact of diurnal variation, lead placement, repeatability and streptozotocin-induced diabetes. J Pharmacol Toxicol Methods. 2022;118:107221. https://doi.org/10.1016/j.vascn.2022.107221

14. Nakayama S, Koie H, Kato-Tateishi M, Pai C, Ito-Fujishiro Y, Kanayama K, et al. Establishment of a new formula for QT interval correction using a large colony of cynomolgus monkeys. Exp Anim. 2020;69(1):18–25. https://doi.org/10.1538/expanim.19-0009

15. Kahankova R, Kolarik J, Brablik J, Barnova K, Simkova I, Martinek R. Alternative measurement systems for recording cardiac activity in animals: A pilot study. Animal Biotelemetry. 2022;10(1):15. https://doi.org/10.1186/s40317-022-00286-y

16. Skelding A, Valverde A. Non-invasive blood pressure measurement in animals: Part 1 — techniques for measurement and validation of non-invasive devices. Can Vet J. 2020;61(4):368–74. PMID: 32255821

17. Wang Y, Thatcher SE, Cassis LA. Measuring blood pressure using a noninvasive tail cuff method in mice. Methods Mol Biol. 2017;1614:69–73. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-7030-8_6

18. Tuohy PP, Raisis AL, Drynan EA. Agreement of invasive and non-invasive blood pressure measurements in anaesthetised pigs using the SurgiVet V9203. Res Vet Sci. 2017;115:250–4. https://doi.org/10.1016/j.rvsc.2017.05.022

19. Terzi OS, Toksöz C, Akbaba M, Emrealp G. The use of two dimensional speckle tracking echocardiography in veterinary cardiology. Atatürk Üniv Vet Bilim Derg. 2021;16(2):176–81. https://doi.org/10.17094/ataunivbd.828343

20. Kim K, Chini N, Fairchild DG, Engle SK, Reagan WJ, Summers SD, et al. Evaluation of cardiac toxicity biomarkers in rats from different laboratories. Toxicol Pathol. 2016;44(8):1072–83. https://doi.org/10.1177/0192623316668276

21. Oyama MA. Using cardiac biomarkers in veterinary practice. Clin Lab Med. 2015;35(3):555–66. https://doi.org/10.1016/j.cll.2015.05.005

22. Walker DB. Serum chemical biomarkers of cardiac injury for non-clinical safety testing. Toxicol Pathol. 2006;34(1):94–104. https://doi.org/10.1080/01926230500519816

23. Wang Z, Raunser S. Structural biochemistry of muscle contraction. Annu Rev Biochem. 2023;92(1):411–33. https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-052521-042909

24. O’Brien PJ, Reagan WJ, York MJ, Jacobsen MC. Review of qualification data for cardiac troponins. FDA, CDER; 2011.

25. Pan DS, Li B, Wang SL. Evaluation of biomarkers for doxorubicin-induced cardiac injury in rats. Exp Ther Med. 2022;24(6):1–13. https://doi.org/10.3892/etm.2022.11648

26. York M, Scudamore C, Brady S, Chen C, Wilson S, Curtis MJ, et al. Characterization of troponin responses in isoproterenol-induced cardiac injury in the Hanover Wistar rat. Toxicol Pathol. 2007;35(4):606–17. https://doi.org/10.1080/01926230701389316

27. Clements P, Brady S, York M, Berridge B, Mikaelian I, Nicklaus R, et al. Time course characterization of serum cardiac troponins, heart fatty acid–binding protein, and morphologic findings with isoproterenol-induced myocardial injury in the rat. Toxicol Pathol. 2010;38(5):703–14. https://doi.org/10.1177/0192623310374969

28. O’Brien PJ. Blood cardiac troponin in toxic myocardial injury: Archetype of a translational safety biomarker. Expert Rev Mol Diagn. 2006;6(5):685–702. https://doi.org/10.1586/14737159.6.5.685

29. Reagan WJ, Barnes R, Harris P, Summers S, Lopes S, Stubbs M, et al. Assessment of cardiac troponin I responses in nonhuman primates during restraint, blood collection, and dosing in preclinical safety studies. Toxicol Pathol. 2017;45(2):335–43. https://doi.org/10.1177/0192623316663865

30. Apple FS, Murakami MM, Ler R, Walker D, York M; HESI Technical Committee of Biomarkers Working Group on Cardiac Troponins. Analytical characteristics of commercial cardiac troponin I and T immunoassays in serum from rats, dogs, and monkeys with induced acute myocardial injury. Clin Chem. 2008;54(12):1982–9. https://doi.org/10.1373/clinchem.2007.097568

31. Muslimovic A, Fridén V, Tenstad O, Starnberg K, Nyström S, Wesén E, et al. The liver and kidneys mediate clearance of cardiac troponin in the rat. Sci Rep. 2020;10(1):6791. https://doi.org/10.1038/s41598-020-63744-8

32. Alhadi HA, Fox KA. Do we need additional markers of myocyte necrosis: The potential value of heart fatty-acid-binding protein. QJM. 2004;97(4):187–98. https://doi.org/10.1093/qjmed/hch037

33. O’Brien PJ, Smith DE, Knechtel TJ, Marchak MA, Pruimboom-Brees I, Brees DJ, et al. Cardiac troponin I is a sensitive, specific biomarker of cardiac injury in laboratory animals. Lab Anim. 2006;40(2):153–71. https://doi.org/10.1258/002367706776319042

34. Gavazza A, Fruganti A, Turinelli V, Marchegiani A, Spaterna A, Tesei B, et al. Canine traditional laboratory tests and cardiac biomarkers. Front Vet Sci. 2020;7:320. https://doi.org/10.3389/fvets.2020.00320

35. Klein R, Nagy O, Tóthová C, Chovanova F. Clinical and diagnostic significance of lactate dehydrogenase and its isoenzymes in animals. Vet Med Int. 2020;2020:5346483. https://doi.org/10.1155/2020/5346483

36. Kolmanova E, Bartosova L, Khazneh E, Parak T, Suchy P. Comparison of the specificity of cardiac troponin I and creatine kinase MB in isoproterenol-induced cardiotoxicity model in rats. Acta Veterinaria Brno. 2015;84(4):343–50. https://doi.org/10.2754/avb201584040343

37. Dunn ME, Manfredi TG, Agostinucci K, Engle SK, Powe J, King NM, et al. Serum natriuretic peptides as differential biomarkers allowing for the distinction between physiologic and pathologic left ventricular hypertrophy. Toxicol Pathol. 2017;45(2):344–52. https://doi.org/10.1177/0192623316634231

38. Aulbach AD, Amuzie CJ. Biomarkers in nonclinical drug development. In: Faqi AS, ed. A comprehensive guide to toxicology in nonclinical drug development. Academic Press; 2024. P. 463–87. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85704-8.00035-9

39. Tümer KÇ, Özdemİr H, Eröksüz H. Evaluation of cardiac troponin I in serum and myocardium of rabbits with experimentally induced polymicrobial sepsis. Exp Anim. 2020;69(1):54–61. https://doi.org/10.1538/expanim.19-0046

40. Tonomura Y, Mori Y, Torii M, Uehara T. Evaluation of the usefulness of biomarkers for cardiac and skeletal myotoxicity in rats. Toxicology. 2009;266(1–3):48–54. https://doi.org/10.1016/j.tox.2009.10.014

41. Engle SK, Jordan WH, Pritt ML, Chiang AY, Davis MA, Zimmermann JL, et al. Qualification of cardiac troponin I concentration in mouse serum using isoproterenol and implementation in pharmacology studies to accelerate drug development. Toxicol Pathol. 2009;37(5):617–28. https://doi.org/10.1177/0192623309339502

42. Brady SM. The assessment of cardiac biomarkers in rat models of cardiotoxicity. London: University of London; 2008.

43. Dunn ME, Coluccio D, Hirkaler G, Mikaelian I, Nicklaus R, Lipshultz SE, et al. The complete pharmacokinetic profile of serum cardiac troponin I in the rat and the dog. Toxicol Sci. 2011;123(2):368–73. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfr190

44. Minomo H, Torikai Y, Furukawa T, Uchino H, Kadokura H, Nakama K, et al. Characteristics of troponins as myocardial damage biomarkers in cynomolgus monkeys. J Toxicol Sci. 2009;34(6):589–601. https://doi.org/10.2131/jts.34.589

45. Bendjama K, Guionaud S, Aras G, Arber N, Badimon L, Bamberger U, et al. Translation strategy for the qualification of drug-induced vascular injury biomarkers. Toxicol Pathol. 2014;42(4):658–71. https://doi.org/10.1177/0192623314527644

46. Sauer J-M, Walker EG, Porter AC. The predictive safety testing consortium: Safety biomarkers, collaboration, and qualification. J Med Dev Sci. 2016;1(1):34–45. https://doi.org/10.18063/jmds.2015.01.007

47. McInnes E, ed. Pathology for toxicologists: Principles and practices of laboratory animal pathology for study personnel. Chichester: John Wiley & Sons; 2017.

48. Reagan WJ, York M, Berridge B, Schultze E, Walker D, Pettit S. Comparison of cardiac troponin I and T, including the evaluation of an ultrasensitive assay, as indicators of doxorubicin-induced cardiotoxicity. Toxicol Pathol. 2013;41(8):1146–58. https://doi.org/10.1177/0192623313482056

49. Луговик ИА, Макарова МН. Токсикологические исследования. Референтные интервалы массовых коэффициентов внутренних органов на выборке, состоящей из 1000 аутбредных крыс. Лабораторные животные для научных исследований. 2021;(1):3–11. https://doi.org/10.29296/2618723X-2021-01-01

50. Рощина ЕА. Референсные интервалы по массовым коэффициентам органов кроликов и их абсолютным значениям. Лабораторные животные для научных исследований. 2022;(1):34–42. https://doi.org/10.29296/2618723X-2022-01-05

51. Бородина АЮ. Референтные интервалы массовых коэффициентов внутренних органов морских свинок. Лабораторные животные для научных исследований. 2023;(3):68–73. https://doi.org/10.57034/2618723X-2023-03-05

52. Бородина АЮ, Султанова КТ. Референтные интервалы массовых коэффициентов внутренних органов хорьков и их абсолютные значений. Ветеринарный фармакологический вестник. 2024;(2):8–20. https://doi.org/10.17238/issn2541-8203.2024.2.8

53. Симонова ЕВ, Савватейкина АИ, Султанова КТ, Макарова МН, Мазукина ЕВ. Референтные интервалы по массовым коэффициентам органов карликовых свиней и их абсолютным значениям. Ветеринарная патология. 2024;23(2):41–50. https://doi.org/10.23947/2949-4826-2024-23-2-41-50

54. Симонова ЕВ, Султанова КТ. Референтные интервалы по массовым коэффициентам органов хомячков и их абсолютным значениям. Лабораторные животные для научных исследований. 2024;(2):66–72. https://doi.org/10.57034/2618723X-2024-02-06

55. Jokinen MP, Lieuallen WG, Boyle MC, Johnson CL, Malarkey DE, Nyska A. Morphologic aspects of rodent cardiotoxicity in a retrospective evaluation of National Toxicology Program studies. Toxicol Pathol. 2011;39(5):850–60. https://doi.org/10.1177/0192623311413788

56. Keenan CM, Vidal JD. Standard morphologic evaluation of the heart in the laboratory dog and monkey. Toxicol Pathol. 2006;34(1):67–74. https://doi.org/10.1080/01926230500369915

57. Constantin I, Tăbăran AF. Dissection techniques and histological sampling of the heart in large animal models for cardiovascular diseases. J Vis Exp. 2022;(184):e63809. https://doi.org/10.3791/63809

58. Morawietz G, Ruehl-Fehlert C, Kittel B, Bube A, Keane K, Halm S, et al. Revised guides for organ sampling and trimming in rats and mice. Part 3. A joint publication of the RITA and NACAD groups. Exp Toxicol Pathol. 2004;55(6):433–49. https://doi.org/10.1078/0940-2993-00350

59. Gopinath C, Mowat V. Atlas of toxicological pathology. NY: Springer; 2014.

60. McKenzie WF, Alison R. Heart. In: Boorman GA, Eustis SL, Elwell MR, Montgomery Jr CA, MacKenzie WF, eds. Pathology of the Fischer rat: Reference and atlas. San Diego: Academic Press; 1990. P. 461–72.

61. Elwell MR, Mahler JF. Heart, blood vessels and lymphatic vessels. In: Maronpot RR, Boorman GA, Gaul BW, eds. Pathology of the mouse: Reference and atlas. Vienna: Cache River Press; 1999. P. 361–80.

62. Berridge BR, Van Vleet JF, Herman E, eds. Cardiac, vascular, and skeletal muscle systems. In: Haschek WM, Rousseaux CG, Wallig MA, eds. Haschek and Rousseaux’s handbook of toxicologic pathology. San Diego: Academic Press; 2013. P. 1567–665. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-415759-0.00046-7

63. Johnson CL, Nyska A. Cardiovascular system — Heart. In: Cesta MF, Herbert RA, Brix A, Malarkey DE, Sills RC. The National Toxicology Program Web-based nonneoplastic lesion atlas: A global toxicology and pathology resource. https://ntp.niehs.nih.gov/nnl/hematopoietic/bone_marrow/fibrosis/index.htm

64. Takagawa J, Zhang Y, Wong ML, Sievers RE, Kapasi NK, Wang Y, et al. Myocardial infarct size measurement in the mouse chronic infarction model: Comparison of area-and length-based approaches. J Appl Physiol (1985). 2007;102(6):2104–11. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00033.2007

65. Csonka C, Kupai K, Kocsis GF, Novák G, Fekete V, Bencsik P, et al. Measurement of myocardial infarct size in preclinical studies. J Pharmacol Toxicol Methods. 2010;61(2):163–70. https://doi.org/10.1016/j.vascn.2010.02.014

66. Mikaelian, I, Cameron M, Dalmas DA, Enerson BE, Gonzalez RJ, Guionaud S, et al. Nonclinical safety biomarkers of drug-induced vascular injury: Current status and blueprint for the future. Toxicol Pathol. 2014;42(4):635–57. https://doi.org/10.1177/0192623314525686

67. Enerson BE, Lin A, Lu B, Zhao H, Lawton MP, Floyd E. Acute drug-induced vascular injury in beagle dogs: Pathology and correlating genomic expression. Toxicol Pathol. 2006;34(1):27–32. https://doi.org/10.1080/01926230500512068

68. Brott D, Gould S, Jones H, Schofield J, Prior H, Valentin JP, et al. Biomarkers of drug-induced vascular injury. Toxicol Appl Pharmacol. 2005;207(2):441–5. https://doi.org/10.1016/j.taap.2005.04.028

69. Brott DA, Richardson RJ, Louden CS. Evidence for the nitric oxide pathway as a potential mode of action in fenoldopam-induced vascular injury. Toxicol Pathol. 2012;40(6):874–86. https://doi.org/10.1177/019262331244402

70. Yang JJ, Jennette JC, Falk RJ. Immune complex glomerulonephritis is induced in rats immunized with heterologous myeloperoxidase. Clin Exp Immunol. 1994;97(3):466–73. https://doi.org/10.1111/j.1365-2249.1994.tb06111.x

71. Miller DL, Dou C, Sorenson D, Liu M. Histological observation of islet hemorrhage induced by diagnostic ultrasound with contrast agent in rat pancreas. PLoS One. 2011;6(6):e21617. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0021617