老鼠

背景

风湿性关节炎是一种慢性炎症性自身免疫性疾病，其特征是持续的关节炎症，导致软骨和骨损伤(Picernoet al。, 2015)。英国有超过40万人患有风湿性关节炎(西蒙斯等.， 2002年)，仅英国经济的相关成本估计每年为38 - 48亿英镑(国家慢性疾病合作中心，2009年)。目前正在开发各种药物疗法，以缓解症状和减缓疾病进展，早期积极干预产生最佳效果。

在人类和动物模型风湿性关节炎的研究中，最大的挑战之一是受影响关节的成像。使用几种不同的成像方法，每种方法都有优点和局限性。

间接在活的有机体内测量

在动物模型中，在意识清醒的啮齿类动物中，诱导的关节疼痛和炎症只能通过检测对有毒或机械刺激的爪退缩反应和使用卡尺或体积计测量关节肿胀来间接监测。在麻醉末期，更直接的测量是可能的，如从炎症关节提取滑膜液进行生化分析和在活的有机体内计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)等成像技术。

直接体外测量

目前正在进行更详细的关节损伤测量体外：

• 红外振动光谱可以评估软骨结构蛋白的损失(Croxford等.， 2013)和软骨和骨基质中矿物质的损失(Lim等, 2011)。研究了两种红外振动光谱体外关节:吸收和拉曼光谱。与吸收光谱相比，拉曼光谱的优势在于它可以检测到与早期软骨退化相关的更广泛的生物分子变化谱(Lim等.， 2011)，可用于活体动物(de Souzaet al。, 2014)。
• 超声、x射线/CT、MRI/MR光谱和光学相干断层扫描在计算炎症、骨/软骨变形和脱矿体积方面都显示出了有前景的结果，但对化学环境的一些认识有限。然而，在检测炎症关节的生化变化时，它们的敏感性和特异性较低，而且在图像分辨率、高成本、对专门设施的要求、低通量、使用麻醉剂和提取关节炎特异性信息时复杂的图像分析等方面存在问题(Kirwan, 1999;Marenzana, 2015)。
• 荧光成像技术在活的有机体内有用的是鉴别一些分子生物标志物;然而，这些生物标志物通常很少和有限，对早期软骨破坏没有特异性。该技术还需要多次系统或关节内注射荧光染料或量子点/棒;导致组织分布不均(Chen等.， 2014)和清场(Yonget al。, 2009;刘et al。, 2013)。在药代动力学中观察到的可变性阻碍了在单个动物内测量的纵向比较。
• 表面增强拉曼光谱与荧光成像有类似的限制，因为它需要在感兴趣的关节中多次注射金属纳米颗粒。此外，添加生物相容性涂层(如二氧化硅或聚乙二醇)降低了表面等离子体效应的有效性(Andreou等, 2015)。尽管有这些限制，金属纳米颗粒在三周内表现出良好的长期稳定性在活的有机体内测量(Dinish等.， 2015)及其较高的信噪比为拉曼光谱提供了一种很有前途的替代方法。

采用拉曼透射光谱法在活的有机体内目前对啮齿动物类风湿性关节炎进展的监测受到以下因素的限制:

1. 选择最佳的红外激光波长，使皮肤和骨骼的吸收量最小。
2. 优化光学，使光谱仪捕获的光量达到最大值。
3. 使用自适应算法的光谱数据高级分析。

(1)和(2)可以通过激光和光学探测器的进步来解决。虽然大多数现有的拉曼激光器工作在700-800 nm的波长范围内，皮肤组织的最小吸收量需要使用1000-1100 nm范围内的激光器(Bashkatov等, 2015)。使用无缝光谱学和多缝光谱学的光学技术的最新进展为光捕获提供了相当大的增加(Maher等, 2014;巴奈特,2016;古丁et al。, 2016)。

通过本次CRACK IT Challenge开发的改进拉曼光谱可以提供关于类风湿性关节炎疾病进展(如缺氧、软骨侵蚀和骨侵蚀)的更丰富的数据，相比之下，目前的x射线/显微ct方法只评估未治疗的类风湿性关节炎晚期明显的骨侵蚀，而软骨损伤出现在疾病早期。这可以为评估治疗方法提供一个更敏感的指标，并为疾病的临床表现提供更多相关的数据。

3 rs的好处

在动物模型中，风湿性关节炎的诱导会引起关节肿胀和疼痛，尽管这些肿胀和疼痛会被止痛剂的使用所密切监测和抵消，但仍然会引起明显的疼痛和苦恼(Hawkins)et al .,目前，在学术和工业实验室的研究中，胶原诱导关节炎(CIA)和佐剂诱导关节炎(AIA)是应用最广泛的啮齿动物关节炎模型。CIA模型由II型胶原蛋白(普遍存在于关节软骨中)免疫诱导，引起关节炎症。与AIA模型相比，在大鼠CIA中观察到的发病机制更具有临床意义。

葛兰素史克和伽伐尼生物电子具有在大鼠CIA模型中进行疗效研究以评估潜在疗法效果的经验，通常每年对300多只CIA啮齿类动物进行研究。由于世界上十多家主要制药公司都有积极的RA项目(GlobalData 2017)和一个庞大的学术研究部门，通过本次挑战开发的技术的应用可能会对使用的动物模型的数量和福利产生重大影响。

对于骨侵蚀的x线和显微ct评估，动物进行评估体外在CIA诱导后21天，由于早期时间点骨变化不明显。该挑战的成功交付将允许在早期时间点(如CIA诱导后7天和10天)检测软骨和骨损伤，随后在抗关节炎治疗期间(如14、21和28天)额外的2到3个时间点检测到软骨和骨损伤。这种提高的灵敏度将首次允许在抗风湿性关节炎治疗期间对软骨和骨愈合的时间过程进行纵向监测。这也将允许在动物内进行评估，这将允许应用先进的混合效应种群分析，以进一步减少每组的样本量。

综上所述，与x射线/显微ct方法相比，拉曼方法将提供以下3Rs优势:

• 由于纵向测量和动物内部重复测量设计，减少了动物数量(最多10倍)。
• 与不早于第21天检测到骨损伤的正确能力相比，在早期RA进展和恢复过程中，软骨侵蚀指标的敏感性更高，基于更短的研究持续时间和减少终点的严重程度(特别是缩短晚期疾病持续时间)改进了动物研究。
• 关于每只动物的软骨和骨骼损伤和愈合，产生了更多数据丰富的信息，进一步减少了所需的数量。

充满挑战的信息

第一阶段的赢家

项目团队由:

• 马丁·赫泽高教授，南丹麦大学，98,544英镑。
• Mithun Kuniyil Ajith Singh博士，Cyberdyne Europe GmbH，德国，99,360英镑。
• 乔纳森·库珀教授，格拉斯哥大学，99,541英镑。

评价信息

审查和挑战小组成员资格