醫(yī)療器械/醫(yī)用材料動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究

【作 者】曹穗蘭，向 健，楊立峰，鄭保婷

廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，廣州市，510080

0 引言

醫(yī)療器械/醫(yī)用材料動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究目的在于通過(guò)動(dòng)物試驗(yàn)對(duì)醫(yī)療器械/醫(yī)用材料在臨床使用時(shí)的安全性、有效性、可操作性等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)臨床疾病治療效果及使用過(guò)程中可能發(fā)生不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判，是醫(yī)療器械上市前極其重要的一步。

目前，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)用于藥品研發(fā)階段及臨床前安全性評(píng)價(jià)已有較長(zhǎng)的歷史，已經(jīng)形成非常完整、成熟的評(píng)價(jià)體系。相對(duì)而言，醫(yī)療器械/醫(yī)用材料的起步發(fā)展較晚，相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，在臨床前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究上，均沒(méi)有明確的要求及指南[1]，對(duì)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的評(píng)價(jià)也欠缺針對(duì)性的規(guī)范。但是，隨著行業(yè)持續(xù)迅速發(fā)展與監(jiān)管要求的提高，醫(yī)療器械/醫(yī)用材料臨床前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究的重要性開(kāi)始日益顯現(xiàn)，動(dòng)物研究不僅貫穿于醫(yī)療器械/醫(yī)用材料的研發(fā)過(guò)程，同時(shí)，在注冊(cè)法規(guī)內(nèi)的要求也越來(lái)越明確。

1 相關(guān)要求

近年來(lái)，我國(guó)醫(yī)療器械監(jiān)管部門(mén)針對(duì)醫(yī)療器械動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究的要求開(kāi)始逐步細(xì)化，早年只通過(guò)一句簡(jiǎn)單表述簡(jiǎn)略提及，如今陸續(xù)發(fā)布的審評(píng)指導(dǎo)原則開(kāi)始對(duì)整個(gè)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究的原則、目的、要求、方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的質(zhì)量保證各方面要求開(kāi)始進(jìn)行全面覆蓋，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究的重要性已日趨顯著。近年對(duì)于動(dòng)物研究提出明確要求和具體方法的指導(dǎo)原則匯總詳見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)醫(yī)療器械動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)審評(píng)指導(dǎo)原則舉例Tab.1 Examples of domestic guidelines for animal research in medical devices

然而，一個(gè)器械/材料從研發(fā)走向上市，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究不僅僅限于產(chǎn)品上市前注冊(cè)的要求，在研發(fā)早期階段，通過(guò)動(dòng)物試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行研究同樣重要。一般而言，充足的研究資料在申請(qǐng)注冊(cè)時(shí)往往更加有利。

2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

由于醫(yī)療器械/醫(yī)用材料產(chǎn)品種類繁多，材料組成復(fù)雜，形態(tài)各異，不同的產(chǎn)品/原料與人體預(yù)期接觸途徑、接觸時(shí)間、接觸部位、預(yù)期功效均不同，因此，在進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，需要根據(jù)研究對(duì)象的實(shí)際情況，具體問(wèn)題具體分析以建立一個(gè)有效的、可行的研究方案。目前，進(jìn)行醫(yī)療器械動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究的產(chǎn)品以骨科材料、介入類器械、植入類材料、補(bǔ)片敷料類產(chǎn)品、預(yù)期體內(nèi)可吸收/降解產(chǎn)品、體外循環(huán)類產(chǎn)品及其他新材料新工藝新用途的產(chǎn)品最為常見(jiàn)。其動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)可從以下幾方面來(lái)綜合考慮。

2.1 前期準(zhǔn)備

由于醫(yī)療器械/材料的復(fù)雜多樣性，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究人員往往難以對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品特性均了如指掌，為了有的放矢地進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，對(duì)研究對(duì)象的背景資料進(jìn)行熟悉和了解是合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)。

產(chǎn)品背景資料通常可來(lái)源于委托方提供的背景資料，歷史文獻(xiàn)數(shù)據(jù)等，需要了解的內(nèi)容包括但不限于：產(chǎn)品的外觀、尺寸、形狀、材料組成，物理強(qiáng)度，表面性狀，滅菌方式，產(chǎn)品接觸人體的部位部件，產(chǎn)品預(yù)期應(yīng)用的時(shí)間，人體應(yīng)用部位，應(yīng)用方式，應(yīng)用劑量，預(yù)期取得治療效果，產(chǎn)品是否降解，降解時(shí)間，代謝產(chǎn)物，產(chǎn)品前期研究資料，國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的相關(guān)研究狀況，產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)分析等。

基于對(duì)研究對(duì)象背景資料的研究，如產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)物研究的先決條件已成熟，便可進(jìn)一步明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。醫(yī)療器械/材料的動(dòng)物研究應(yīng)用很廣泛，沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)方案都需要根據(jù)具體的研究對(duì)象和研究目的量身定制。研究目的一般分成4類：①安全性的研究，觀察動(dòng)物在不同周期與器械/材料接觸的局部組織反應(yīng)、系統(tǒng)的局部反應(yīng)或全身毒性反應(yīng)；②有效性的研究，觀察器械在動(dòng)物體內(nèi)是否能達(dá)到預(yù)期的治療效果；③可操作性的研究，觀察研究對(duì)象使用時(shí)在操作上的可行性，便利性，確認(rèn)在研究過(guò)程中是否能達(dá)到預(yù)期的使用效果，過(guò)程是否順利；④作用機(jī)理的研究，主要用于可吸收/降解產(chǎn)品，觀察研究產(chǎn)品作用原理，作用方式，在動(dòng)物體內(nèi)吸收、分布、代謝和排泄的過(guò)程。

理想的狀態(tài)下，出于節(jié)約資源，提高效率的角度來(lái)說(shuō)，宜通過(guò)盡可能少的動(dòng)物試驗(yàn)獲取盡可能多的研究數(shù)據(jù)，但是，在方案設(shè)計(jì)中，不同數(shù)據(jù)的獲取往往對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的品系、等級(jí)、數(shù)量要求側(cè)重點(diǎn)不同，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、藥品試劑、人員要求也不同，故而，產(chǎn)品不同的性能指標(biāo)往往需要通過(guò)不同的試驗(yàn)設(shè)計(jì)才能有針對(duì)性地獲取，在研究伊始，就需要對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行明確的劃分，綜合考慮。

2.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的選擇

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的合理選擇直接影響到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，操作的可行性以及實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中的效率和成本，故而必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的特點(diǎn)選擇合適的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。在醫(yī)療器械/材料的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，需要著重以下幾個(gè)方面的考慮。

（1）動(dòng)物生理特性考慮。由于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)最終目的是要模擬器械/材料在人體的使用狀況，包括使用方法、使用部位、使用周期。故而，首先要選擇臨床預(yù)期接觸部位與人體結(jié)構(gòu)，功能相似的動(dòng)物；其次，要考慮動(dòng)物的生命周期是否可支持足夠長(zhǎng)的研究周期，以及動(dòng)物在試驗(yàn)過(guò)程中生理狀態(tài)的變化。例如豬的冠狀循環(huán)在解剖學(xué)，血液動(dòng)力學(xué)方面與人最為相似[2]，被認(rèn)為是血管支架類產(chǎn)品的性能評(píng)估的金標(biāo)準(zhǔn)[3]。表2列舉了常用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物應(yīng)用舉例。

表2 常用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的應(yīng)用舉例[2, 7-18]Tab.2 Examples of application of commonly used animal model

（2）研究對(duì)象的特性考慮。醫(yī)療器械/材料作為研究對(duì)象，種類豐富，形態(tài)多樣，臨床預(yù)期應(yīng)用部位多樣，應(yīng)用時(shí)間多樣，在選擇對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物時(shí)同樣要結(jié)合研究對(duì)象的上述特性，一方面，選擇的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的接觸部位的解剖結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的大小或彈性空間以成功應(yīng)用相應(yīng)的器械或材料；另一方面，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物解剖結(jié)構(gòu)也要考慮在器械應(yīng)用手術(shù)過(guò)程的可行性中。例如，鼠、兔、犬、豬均可用于骨科學(xué)研究，但由于體型大小區(qū)別，兔可制造的臨界骨缺損范圍較小，犬、豬可制造的骨缺損范圍較大，可根據(jù)實(shí)際情況需求選擇合適的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。

（3）研究目的考慮。針對(duì)研究目的，選擇合適的動(dòng)物模型，如系統(tǒng)毒性研究常使用健康動(dòng)物；而產(chǎn)品特定性能研究則可考慮使用相應(yīng)的疾病動(dòng)物模型，如為考察產(chǎn)品對(duì)不同部位傷口的愈合促進(jìn)情況，則需制作相應(yīng)部位的損傷模型。一個(gè)產(chǎn)品出于對(duì)不同目的的研究，可選擇多種動(dòng)物進(jìn)行不同的試驗(yàn)，如冠狀動(dòng)脈藥物洗脫支架在進(jìn)行安全性評(píng)估的時(shí)候，兔和豬均被認(rèn)為是合適的動(dòng)物模型[4]，但在藥物劑量選擇及產(chǎn)品作用機(jī)理研究方面則可考慮采用較小的動(dòng)物模型（例如兔子髂動(dòng)脈）[5]。

（4）經(jīng)濟(jì)性的考慮。在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的選擇上，往往不止一種選擇。雖然不同的動(dòng)物在生理結(jié)構(gòu)上特點(diǎn)不同，但對(duì)安全性與有限性的性能評(píng)估上，不意味著不同種屬之間就不能取得一致的結(jié)果[6]。故而，應(yīng)在滿足上述考慮的前提下，盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)化的，易于購(gòu)買(mǎi)，易于飼養(yǎng)管理的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。同時(shí)，當(dāng)有多個(gè)種屬的動(dòng)物可供選擇時(shí)，初期宜優(yōu)先選擇小動(dòng)物進(jìn)行試驗(yàn)，后期再考慮進(jìn)行大動(dòng)物試驗(yàn)。如豬和羊同樣用于心血管替代產(chǎn)品研究時(shí)，選擇豬作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)在于，豬已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用，具有多個(gè)品系，而羊僅作為實(shí)驗(yàn)用動(dòng)物，其遺傳背景、攜帶病原方面的信息并未標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，存在干擾的風(fēng)險(xiǎn)。但是，羊的靜脈管結(jié)構(gòu)與人的更為相似，故而在應(yīng)用中也有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法建立

醫(yī)療器械/材料動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究方法的建立，必須要考慮研究對(duì)象實(shí)際臨床使用狀況，包括臨床使用方法、接觸途徑、接觸時(shí)間等，宜從以下幾個(gè)角度開(kāi)始入手[7-18]：

（1）樣本量：試驗(yàn)組和對(duì)照組的樣本量需保證最終的數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，同時(shí)，也需要考慮不同種屬、不同研究目的、不同研究周期對(duì)樣本量的不同要求。就常規(guī)的安全性研究項(xiàng)目系統(tǒng)毒性試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，研究周期越長(zhǎng)，每劑量組動(dòng)物要求越多；同類型的研究，大型動(dòng)物數(shù)量要求少，嚙齒類小動(dòng)物數(shù)量要求多[19-20]。

一般而言，結(jié)果數(shù)據(jù)越均一，對(duì)樣本數(shù)量要求較少，結(jié)果數(shù)據(jù)偏離越多，對(duì)樣本數(shù)量要求較多，對(duì)于具有針對(duì)性的動(dòng)物研究而言，由于缺乏歷史數(shù)據(jù)，故而樣本量的選擇宜根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)計(jì)算。

（2）接觸途徑：器械/材料與動(dòng)物接觸途徑應(yīng)選擇模擬臨床接觸途徑進(jìn)行原位接觸，通過(guò)原位介入，手術(shù)原位植入等方式，將研究樣品應(yīng)用于臨床預(yù)期接觸的部位。

（3）接觸時(shí)間（觀察周期的設(shè)置）：以臨床實(shí)際接觸時(shí)間為參考，可根據(jù)研究需要減少或延長(zhǎng)。當(dāng)產(chǎn)品屬于長(zhǎng)期接觸產(chǎn)品時(shí)，終點(diǎn)宜設(shè)置在動(dòng)物各項(xiàng)研究數(shù)據(jù)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，如組織功能恢復(fù)，樣品完全降解/吸收。當(dāng)接觸時(shí)間較長(zhǎng)，在中間設(shè)置觀察點(diǎn)是很有必要的，中間觀察點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)參考?xì)v史研究數(shù)據(jù)或預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，力求收集到產(chǎn)品接觸期間數(shù)據(jù)的變化過(guò)程。

（4）對(duì)照的選擇：對(duì)照組的選擇可考慮以下兩種：同體對(duì)照和異體對(duì)照，當(dāng)一只動(dòng)物具備多于一處滿足實(shí)驗(yàn)要求的解剖部位，且兩個(gè)部位彼此間不受影響，僅考慮局部反應(yīng)不做全身評(píng)價(jià)時(shí)，宜優(yōu)先考慮同體對(duì)照，使用同體對(duì)照可避免動(dòng)物個(gè)體差異導(dǎo)致的結(jié)果差異。如動(dòng)物不同皮膚部位，異側(cè)骨組織的選用，常見(jiàn)于補(bǔ)片敷料類及骨科類產(chǎn)品的研究。同體對(duì)照包括同體同時(shí)對(duì)照與同體前后對(duì)照，前者適用于觀察同動(dòng)物同一時(shí)期不同部位差異，后者適用于觀察同動(dòng)物同部位不同時(shí)期的差異。

當(dāng)一只動(dòng)物僅具備一處滿足實(shí)驗(yàn)要求的解剖部位，進(jìn)行全身毒性研究或出于動(dòng)物后續(xù)生存質(zhì)量考慮時(shí)，則應(yīng)使用異體對(duì)照。

對(duì)照組/對(duì)照部位宜根據(jù)不同的產(chǎn)品考慮使用空白對(duì)照或已上市同類產(chǎn)品對(duì)照?？瞻讓?duì)照可為同解剖部位，不進(jìn)行任何操作或僅進(jìn)行假手術(shù)操作；已上市同類對(duì)照的產(chǎn)品一般選擇具有較成熟應(yīng)用歷史的已上市的同種同用途同尺寸規(guī)格的同類產(chǎn)品。

綜上所述，一個(gè)實(shí)驗(yàn)方法的建立需要從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、產(chǎn)品特性等角度進(jìn)行多方面考慮，在具備充足的同類產(chǎn)品研究資料情況下，同類產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)方案可做為重要的參考，但是不可生搬硬套，要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于醫(yī)療器械的多樣性，對(duì)于一些只是理論可行方案的可行性也切不可紙上談兵，需通過(guò)少量動(dòng)物進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，嘗試方案可行性，并對(duì)方法進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化。

2.4 結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

醫(yī)療器械/醫(yī)用材料動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究的評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，需要綜合考慮，靈活設(shè)計(jì)，根據(jù)研究目的不同，對(duì)評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行其特定的選擇。表3列舉了常見(jiàn)的研究指標(biāo)選擇。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲取與分析

對(duì)各類指標(biāo)的獲取可采用多種方式，使檢測(cè)結(jié)果更加清楚直觀，更具科學(xué)性。

表3 醫(yī)療器械/醫(yī)用材料動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究常見(jiàn)的研究指標(biāo)[7-20]Tab.3 Commonly used index of animal research in medical devices

病理檢查方面：除了通過(guò)HE染色以外，還可通過(guò)特殊染色法、電鏡檢測(cè)、免疫組化等手段進(jìn)行組織學(xué)觀察評(píng)價(jià)，對(duì)組織狀態(tài)進(jìn)行定性觀察[15]。

影像診斷方面：利用影像學(xué)診斷技術(shù)，對(duì)局部組織的生長(zhǎng)狀況、介入/植入器械位置，降解狀態(tài)等進(jìn)行觀察[21-22]。X光診斷適用于骨科和齒科材料與骨組織的相容生長(zhǎng)狀況觀察；彩色多普勒（B超）診斷適用于觀察心臟血流狀況，腹腔或其他軟組織生長(zhǎng)情況；通過(guò)胃鏡直接觀察消化道局部植入器械的降解狀況，局部大體眼觀病變；局部CT檢查對(duì)各部位的植入/介入器械均有優(yōu)良的成像表現(xiàn)，尤其適用于骨科植入物、心血管支架、體內(nèi)人工器官替代產(chǎn)品的局部檢查。

對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，應(yīng)設(shè)置客觀、量化，符合實(shí)際要求的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。例如，對(duì)非吸收材料的局部組織反應(yīng)評(píng)價(jià)可采用半定量計(jì)分系統(tǒng)[13]；對(duì)可吸收材料的局部組織反應(yīng)可采用DE JONG等提出的評(píng)級(jí)指標(biāo)[23]；另外，相關(guān)研究也提出了對(duì)于組織粘連程度和范圍[24]，角膜損傷和恢復(fù)評(píng)價(jià)的計(jì)分系統(tǒng)[7]；同時(shí)，對(duì)通過(guò)現(xiàn)代化影像學(xué)診斷技術(shù)得出的結(jié)果，也同樣可應(yīng)用臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)。

4 研究報(bào)告應(yīng)包含的內(nèi)容

參考國(guó)內(nèi)外研究，各類指導(dǎo)原則和標(biāo)準(zhǔn)的要求[25-27]，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的研究報(bào)告宜完整詳細(xì)，推薦包含以下內(nèi)容：委托方信息，產(chǎn)品信息，研究背景，研究目的，動(dòng)物倫理和動(dòng)物福利保障措施，動(dòng)物模型選擇的依據(jù)，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物信息（實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的來(lái)源、數(shù)量、品系、性別、體重、飼養(yǎng)條件、分組方式等），研究方案，研究方法/手術(shù)方法，觀察參數(shù)與周期的選擇，研究結(jié)果，統(tǒng)計(jì)方法，偏離及意外情況，結(jié)果分析及結(jié)論，研究機(jī)構(gòu)的資質(zhì)信息以及質(zhì)量聲明，標(biāo)本和原始記錄的存儲(chǔ)，其他。

5 總結(jié)

隨著科技的發(fā)展，醫(yī)療器械/醫(yī)用材料的材料、形態(tài)、用途日趨多樣化，故而，此類產(chǎn)品的動(dòng)物研究的考慮與一般毒理學(xué)研究相比有比較大的差異，且沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，所有的研究方案均需要根據(jù)具體產(chǎn)品特性和研究目的進(jìn)行具體的分析。因此，研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)物試驗(yàn)研究時(shí)，也應(yīng)開(kāi)拓思路，與時(shí)俱進(jìn)，通過(guò)大量的研究和實(shí)踐來(lái)積累經(jīng)驗(yàn)，保證研究的科學(xué)性和質(zhì)量，以便為產(chǎn)品的研發(fā)、臨床、注冊(cè)、上市打好基礎(chǔ)。