方法文章

用于早期药物研发中研究胆碱能药物对中枢神经系统药效动力学作用的计算机化测试组合

10.1K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/56569

⸱

2019年2月11日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Centre for Human Drug Research (CHDR), Leiden

本文内容

摘要

采用经过验证的计算机化神经心理学和神经生理学测试组合，用于研究新开发药物在早期研发阶段对中枢神经系统的药效动力学影响。为展示该测试组合的应用，本文描述了美加明的急性作用，以及两种激动剂药物对这些作用的逆转效果。

摘要

在中枢神经系统（CNS）药物研究的早期阶段，探究潜在的药效动力学效应可为新化合物的进一步开发提供有价值的信息。一套经过计算机化且充分验证的神经心理学与神经生理学测试组合已被证明能够灵敏地检测多种新药及现有药物所引起的药物效应。该测试组合涵盖了主要的中枢神经系统功能领域，这些领域已被证实会对药物作用产生响应，并可在给药后重复施测，以表征药物的浓度-效应关系。

标准测试组合包括扫视眼动、平滑追踪眼动、Bowdle视觉模拟量表（VAS）、Bond和Lader视觉模拟量表（VAS）、身体摇摆、适应性追踪、视觉词语学习以及定量脑电图（qEEG）。然而，该测试组合具有适应性特征，意味着可根据研究特定药物类别甚至特定受体的需求，灵活组合和调整测试内容。

证明旨在产生促认知效果的新胆碱能药物的作用一直较为困难。药理学挑战模型是用于早期药理学验证的工具。在此模型中，使用已上市药物通过与新化合物所针对适应症相关的药理机制，在健康受试者中诱导出暂时且可逆的类疾病症状。本研究采用该测试组合，旨在考察烟碱型受体拮抗剂美加明（mecamylamine）作为胆碱能功能障碍药理学挑战模型的潜力，此类功能障碍可见于神经退行性疾病中。

在视觉言语学习测试（VVLT；一种评估学习与记忆能力的测试）和适应性追踪测试（一种评估视觉运动控制和觉醒水平的测量方法）中，分数呈现出剂量依赖性恶化，尤其表明该测试组合能够敏感地显示抗胆碱能药物给药后的急性药效动力学效应。

引言

在过去一个世纪中，随着人类预期寿命持续增长，痴呆及其他神经退行性病变等衰老相关脑部疾病的患病率和发病率也不断上升。与此同时，针对这些疾病的新药研发工作也在不断扩展。然而，许多旨在作用于中枢神经系统（CNS）的新药由于在药物开发后期缺乏中枢效应或出现不良副作用，最终未能上市1。在传统的1期研究中，主要目标是获取有关药物药代动力学的信息，即人体对药物的作用（例如通过代谢过程），以及新药的安全性和耐受性。然而，早期获得药效动力学效应（即药物对人体的作用）的证据，在决定是否推进新化合物的临床开发时可能更为重要，并有助于避免在开发后期因错误决策而带来的后果2。

在过去的二十年中，人类药物研究中心（CHDR）开发了一套计算机化的神经心理学和神经生理学测试组合，可敏感地检测药物对中枢神经系统（CNS）的影响。该测试组合在一天内被反复使用，以评估新化合物的药效动力学作用，从而提供该药物是否具有预期效应、能否穿透血脑屏障并进入大脑，或缺乏此类作用的证据3。此外，由于各项测试分别对应特定的药物敏感性中枢神经系统功能域，测试结果还可为化合物的作用机制提供线索。例如，若在迷宫学习测试（即视觉空间工作记忆测试）中观察到新药的作用，则可能提示该药物作用于大脑中参与视觉空间工作记忆区域的受体。此外，该测试组合还用于筛查那些并非设计用于作用于中枢神经系统的化合物是否产生中枢神经系统副作用，以排除其对中枢神经系统的激活作用。

该测试组合包含大量认知与神经生理学测试，已被证实对检测中枢神经系统活性药物的药效动力学作用具有敏感性3,4,5,6。核心测试组合涵盖六个神经心理学领域：执行功能、注意力、记忆、视觉运动功能或协调能力、运动技能以及药物主观效应。核心测试项目包括：扫视眼动7、平滑追踪眼动8、Bowdle视觉模拟量表（VAS）9、Bond和Lader视觉模拟量表（VAS）10、身体摇摆、自适应追踪11、视觉词语学习12以及定量脑电图（qEEG），这些测试覆盖了前述主要的认知与神经生理学领域。研究表明，这些测试能够测量多种类型和类别的药物给药后对中枢神经系统功能造成的变化（见下文）。由于总测试时间仅为30分钟，该测试组合可在药物给药后多次重复施测（最多可达12次），这对于刻画药物的浓度-效应关系至关重要。该测试组合可根据研究特定药物类别甚至特定受体的需要，扩展并调整加入不同的测试项目。该测试组合已在作用于不同中枢神经系统系统的多种药物中得到验证（例如，苯二氮䓬类、抗精神病药、乙醇和大麻12,13,14,15,16,17,18,19,20,21），能够可靠地展示与药物相关的中枢神经系统效应。

尽管目前已存在其他计算机化测试组合（例如 Egerhazi et al.22 和 Underwood et al.23 中所述），并在临床试验中被广泛使用，但本文所描述的测试组合具有突出优势：它不仅包含神经心理学测试（如 VVLT 和 VASs），还整合了神经生理学测量指标（例如，脑电图 EEG、眼动测试），从而在一个测试组合中融合了大脑功能的不同方面，更全面地反映了认知行为的多模态特性。此外，由于该测试组合采用计算机化实施，测试结果以电子方式生成，这使得不同研究团队在不同研究中获得的结果具有一致性，实现了结果的标准化，同时相较于人工评分，其出错概率更低。生成的结果文件可轻松上传至电子数据库系统，并可用于在一天内生成新药药效动力学作用的中期报告。

至少有一类药物在大脑中早期药理作用的验证较为困难，即（前体）胆碱能药物。乙酰胆碱是中枢神经系统的主要神经递质之一，已被证实对认知功能，特别是学习和记忆等过程，具有关键作用24,25。因此，胆碱能功能障碍被认为在阿尔茨海默病等神经退行性病变过程中起着基础性作用26。目前，旨在增强认知功能的新型化合物，如毒蕈碱型和烟碱型受体特异性激动剂，正进入临床研究阶段。

由于早期阶段的研究通常在认知功能正常的健康年轻受试者中进行，因此很难研究或甚至证明一种旨在治疗脑部疾病患者认知功能下降的新药的药效动力学作用。

因此，我们团队开发了一种可用于展示新药早期药理学证据的工具：药理学挑战模型。该模型利用一种已获批准并上市的药物，在健康受试者中通过与新化合物拟治疗疾病相关的药理机制，诱导出暂时性且可逆的类疾病症状。在大多数情况下，这种效应是该药物的非预期副作用，源于药物在人体内与其预期作用部位不同的位置激活了受体。例如，毒蕈碱型乙酰胆碱受体拮抗剂东莨菪碱用于治疗晕动病引起的恶心和呕吐。由于其在大脑中阻断毒蕈碱型乙酰胆碱受体而产生的副作用，表现为认知功能受损，如注意力下降和记忆力减退，类似于阿尔茨海默病患者所表现出的认知缺陷27。

由于东莨菪碱被用作毒蕈碱型乙酰胆碱受体刺激模型，以在健康受试者中诱导类似阿尔茨海默病但暂时性的认知效应27，CHDR 已开发并验证了一种使用美加明的药理学刺激模型。美加明是一种非竞争性烟碱型乙酰胆碱受体拮抗剂28，可在健康的年轻男性中引起胆碱能功能障碍，i.e.，短暂的认知缺陷29,30。

上述计算机化测试组合已被用于研究不同剂量水平的美卡拉明对神经生理学和认知测试产生影响的潜力。预期随着剂量的增加，对各项测试的影响也会增强。随后，这些效应与药物的血浆浓度相关联，从而得到美卡拉明的血浆浓度-效应（药代动力学-药效动力学）关系29。

本研究设计中所采用的实验是基于文献报道的预期效应以及美卡拉明对烟碱型受体药理作用机制而选择的：

自适应追踪测试：

这是一种用于测量视觉运动协调能力和持续注意力的追踪任务。一个已知尺寸的圆圈在屏幕上随机移动，受试者必须通过操作操纵杆，尝试将一个点保持在移动的圆圈内。如果操作成功，移动圆圈的速度会增加；反之，如果受试者无法将点保持在圆圈内，其速度则会降低。与非自适应追踪方法相比，这种方法在整个实验过程中提供了持续且个体化调整的挑战。所采用的自适应追踪测试由Hobbs & Strutt根据Borland和Nicholson的规范开发11。

平滑追踪与扫视眼动测试：

利用计算机测量扫视眼动和平稳追踪眼动的方法最初由 Baloh et al.7 描述，其中平稳追踪眼动的测量方法由 Bittencourt et al.8 进一步阐述，并由 Van Steveninck et al.19,20,21 在 CHDR 得到了广泛验证。受试者需用眼睛追踪位于 58 cm 距离屏幕上水平移动的光源。该光源连续移动以测量平稳追踪眼动，或在两侧之间跳跃以测量扫视眼动。

VAS：

采用诺里斯（Norris）于1971年及邦德（Bond）和莱德（Lader）10所述的16条视觉模拟线来评估受试者对警觉性、情绪和镇静状态的主观感受。视觉模拟评分依赖于受试者对主观状态进行半定量的能力。视觉模拟线由10厘米长的线段组成。受试者在计算机屏幕上依次看到16条线，每次一条。每条线的两端分别标有两个表示相反心理状态的词语（例如，快乐－悲伤、紧张－放松）。受试者在线段上标记一个点，以最准确地反映其对应测试条件下的主观感受。结果以从线段起点到标记点的距离（毫米）表示。

身体摇摆：

使用源自电位计的信号来测量姿势稳定性，该电位计集成于测试电池计算机中，受试者在闭眼静立状态下于单一平面内进行测量（详见 de Haas et al.12）。

VVLT：

视觉词汇学习测验（VVLT）是一种词汇学习与记忆测验，详见 de Haas et al.12。受试者会在计算机屏幕上逐个呈现30个单词，每个单词需大声朗读并记忆。测验包括三次即时回忆试验、一次延迟自由回忆试验（即不重新呈现单词）——通常在约20分钟后进行，以及一次再认试验。

药理脑电图（Pharmaco-EEG）：

在标准的药理脑电图（pharmaco-EEG）中，电极仅放置于正中矢状面导联（Fz、Cz、Pz 和 Oz），另加两个用于记录眼动的电极（外眦部），以及一个置于鼻根上方2 cm处的接地电极。通过谱分析（即，快速傅里叶变换）对以下频段的振幅变化进行量化：β频段（13.5–35 Hz）、γ频段（35–48.9 Hz）、α频段（7.5–13.5 Hz），以及θ和δ频段（≤7.5 Hz）。

方案

每项使用该测试组合的独立研究均获得了独立伦理委员会的批准，即荷兰莱顿的“莱顿大学医学中心医学伦理委员会”或荷兰阿森的“生物医学研究伦理评估基金会”。

1. 计算机化测试量表评估

注意：测试组合应在受控条件下实施（例如光照强度、室温及背景噪音）以尽量减少外界因素对受试者结果的影响。可重复进行的测试应在给药前至少实施一次，以获取基线数据。 材料表 介绍了测试电池的材料和设备概况。

  1. 自适应追踪测试
    1. 打开测试电池计算机的电源，启动计算机和屏幕。
    2. 让受试者坐在（受试者用）计算机屏幕和操纵杆前。
    3. 确认受试者惯用手，并相应调整操纵杆位置。
    4. 指导受试者以握笔姿势握住操纵杆，手臂 resting 在桌面上。
    5. 通过已安装的程序启动测试脚本。
    6. 填写所需的具体信息，如受试者编号和研究编号。
    7. 在测试助手屏幕上点击“开始”以执行测试。
    8. 在测试助手屏幕上监控受试者的表现；若受试者无法超过难度系数2，应鼓励其尽量使圆圈保持在光点周围。
  2. 扫视眼动与平滑追踪测试
    注意：眼动电极应根据国际脑电图与临床神经生理学联合会（International Federation of Societies for Electroencephalography and Clinical Neurophysiology）的10-20系统，在临床研究方案中指定的位置进行安放。
    1. 确定右眼外眦的位置（即 眼睑裂隙外侧末端的夹角）。
    2. 对左眼重复此操作。
    3. 确定地电极的位置，位于鼻根（即 鼻梁起点）上方2 cm处。
    4. 使用用于生物电测量的棉签式皮肤清洁凝胶（见步骤3.1），彻底擦拭眼电极安放部位以降低皮肤阻抗，并使用棉签棒进行摩擦。
    5. 注意不要擦伤皮肤，但也不可擦拭过轻。用纱布擦去残留的凝胶。
    6. 在准备好的部位贴上三个自粘电极。
    7. 将导线连接至眼电极。连接时用手护住电极的按压按钮，防止其压入皮肤。
    8. 将导线沿耳朵方向引至受试者肩部后方，避免导线悬挂在眼睛前方。
    9. 将三根导线插入电极阻抗计。
    10. 检查显示屏上的阻抗：若阻抗超过5 kΩ，需检查电极贴附质量。
    11. 将所有电极插入遥测接口（telefector），并将其电缆连接至放大器，从而将受试者连接至眼动测量系统。
    12. 指导受试者将头部放在头托上并放松，仅通过眼球运动跟随屏幕上光点的移动，头部不得移动。
    13. 通过已安装的程序启动测试脚本。填写所需的具体信息，如受试者编号和研究编号。
    14. 在测试助手屏幕上出现“开始”指令后，按空格键启动测试。
  3. Bond和Lader视觉模拟量表（VAS）
    1. 指导受试者使用鼠标在屏幕上显示的视觉模拟线上标记其当前感受。
    2. 告知受试者，线段两端代表可想象的最极端感受。
    3. 通过已安装的程序启动测试脚本。填写所需的具体信息，如受试者编号和研究编号。
    4. 指导受试者通过点击鼠标开始测试。
  4. 身体摇摆测试
    注意：受试者在测试期间应穿着平底鞋。计算机屏幕上不提供任何指令或其他刺激。
    1. 要求受试者站在计算机前，双脚间距约10 cm，双臂自然垂于身体两侧。
    2. 使用绳索末端的夹子，将测试电池计算机内置电位计引出的绳索固定在受试者腰部（例如 裤腰或皮带处）。
    3. 调节放置计算机的桌子高度，使绳索保持水平；允许最大偏差为5°。要求受试者闭上眼睛。
    4. 通过已安装的程序启动测试脚本。填写所需的具体信息，如受试者编号和研究编号。
    5. 在测试助手的计算机屏幕上点击“开始身体摇摆采样会话”以启动测试。
  5. VVLT
    注意：在整个测试过程中，受试者不得以任何形式记录单词。
    1. 告知受试者，在接下来的自动（视觉）单词呈现过程中，应大声读出所看到的单词并尝试记住它们；在单词列表结束后，应尽可能多地回忆并说出所有记住的单词，每个单词仅说一次。
    2. 通过已安装的程序启动测试脚本。填写所需的具体信息，如受试者编号和研究编号。
    3. 指导受试者阅读屏幕上显示的书面说明。
    4. 告知受试者，当其按下空格键时测试将开始。
    5. 在测试助手屏幕上点击受试者回忆出的单词，记录其回忆结果（正确、错误及重复提及的单词）。
  6. 药理脑电图（Pharmaco-EEG）
    注意：电极应根据研究方案中指定的位置安放，位置依据国际脑电图与临床神经生理学联合会（International Federation of Societies for Electroencephalography and Clinical Neurophysiology）的10-20系统确定。
    1. 测量并确定电极在受试者头部上的精确位置。
    2. 使用棉签棒和皮肤清洁凝胶彻底擦拭电极安放部位以降低皮肤阻抗。注意不要擦伤皮肤，但也不可擦拭过轻。
    3. 站在受试者身后，从后向前依次将电极贴附于清洁后的部位。
    4. 将电极帽插入装有导电膏的盒子中蘸取适量膏体，然后沿盒子边缘轻击以去除多余部分。
      注意：电极帽应完全填充导电膏，但不可过量。
    5. 必要时拨开头皮毛发，将电极压在清洁后的部位上。将电极推至皮肤表面时，注意尽量减少毛发夹在电极下方。
    6. 将电极导线从受试者肩部引至其大腿上。
    7. 使用一小束头发蘸取从电极帽开口处挤出的导电膏，固定电极；再用另一束与之垂直的头发蘸取少量导电膏，进一步加固电极与皮肤的连接。
    8. 检查各电极阻抗是否低于5 kΩ，必要时进行调整。
    9. 使用胶带将导线捆扎成束，并将线束固定在受试者衣物上。
    10. 将电极导线连接至记录设备。
    11. 在计算机上打开脑电图（EEG）程序。
    12. 指导受试者放松，在测量期间不要移动或说话。
    13. 指导受试者闭上眼睛。
    14. 通过已安装的程序启动测试脚本。
评估领域描述结果值具体信息
自适应追踪测试视觉-运动协调、警觉性一个圆圈在计算机屏幕上随机移动。受试者必须通过操作操纵杆，尝试将一个点保持在移动的圆圈内。如果操作成功，移动圆圈的速度会增加；如果受试者无法将点保持在圆圈内，速度则会降低。正确追踪时间的百分比施测时间：4 分钟
扫视眼动测试扫视眼动受试者需仅用眼睛跟随一个光源，该光源在距离58 cm的屏幕上水平移动。光源左右跳跃，用于测量扫视眼动。针对每种刺激速度和频率，计算受试者眼睛处于平滑追踪目标状态的时间百分比施测时间：2 分钟。
平滑追踪测试平滑追踪受试者需仅用眼睛跟随一个光源，该光源在距离58 cm的屏幕上水平连续移动，用于测量平滑追踪能力。针对每次扫视眼动，计算峰值速度（deg/s）、反应时间（s）、跳跃幅度（deg）、初始扫视偏移（deg）以及不准确率（%）施测时间：2 分钟。
身体摇摆测试单平面姿势控制要求受试者闭眼静立，通过一根绳索连接至测量仪。双脚间距约10 cm，双手自然下垂于身体两侧。前后方向移动距离（mm）施测时间：2 分钟。
视觉模拟量表（B&L）警觉性、情绪、镇静状态的主观评估要求受试者在一条100 mm长的线上点击，以表示其对某一特定状态的感受，线的两端为两个相反的形容词（例如：困倦 - 清醒）。该测试共包含16个项目（即16条线）。所有评分均以毫米为单位测量，从线左端起点至受试者标记与线交叉点的距离即为得分。得分代表线右侧形容词的程度（例如，在“清醒 - 困倦”量表上得分越高，表示受试者感觉越困倦）。三个领域的综合评分被计算：警觉性综合评分由9个条目组成，情绪由5个条目组成，镇静状态由2个条目组成。施测时间：2 分钟。
视觉言语学习测试学习能力、短时与长时记忆、信息提取受试者连续接受三次共30个词的词语呈现，即词语学习测试。每次呈现后进行自由回忆（即时回忆——用于评估信息的获取与巩固）。在第一次试验开始约30分钟后，要求受试者尽可能多地回忆之前呈现的词语（延迟回忆——用于测量长时记忆中的主动提取）。紧接着进行记忆识别测试，包含15个已呈现词语和15个“干扰项”（延迟识别——用于测试记忆存储）。每次试验记录正确总数、错误总数及重复次数。识别试验中记录正确总数、错误总数、反应时间（及反应时间的标准差）。施测时间：10 分钟
药理-脑电图（Pharmaco-EEG）定量脑电活动要求受试者放松，并根据实验方案保持睁眼或闭眼状态。对每个导联（额部导联：额部（Fz）- 中央（Cz），中央导联：Cz - 顶叶（Pz），顶叶导联：Pz - 枕部（Oz）），进行快速傅里叶变换分析，以获得 delta（2–4 Hz）、theta（4–7.5 Hz）、alpha（7.5–13.5 Hz）、beta（13.5–35 Hz）和 gamma（35–48.9 Hz）频段的振幅总和施测时间：4 分钟

表1：评估的描述与具体细节。 各项测试的具体描述，包括所测试领域的说明、实施时间以及具体的结局变量。

结果

计算机化测试组合评估可生成标准化的电子数据文件。有关每项测试的结果值具体信息，请参见表1。

该测试组合主要用于早期临床药物研究，旨在比较新型化合物与（非活性）安慰剂或（活性）对照药物的作用效果。因此，在数据的统计分析中应考虑“治疗”这一因素。给药前（即应在使用本方案中的大多数测试时进行无药物（drug-free）状态下的评估，以作为基线数据。VVLT 只能在给药后的一个时间点进行（通常选择药物浓度最高的时间点），由于缺乏给药前测量，且给药前与给药后采用不同的单词列表，因此存在学习效应以及学习过程的干扰。由于大多数测试在给药后需多次执行，以表征药物效应的时间过程，在数据分析的统计方法中应考虑时间因素的影响。

在本方案中，采用协方差混合模型（ANCOVA）对检测结果进行分析，其中受试者、受试者与处理因素的交互作用、受试者与时间的交互作用设为随机效应；处理因素、研究周期以及处理因素与时间的交互作用设为固定效应。以每次检测的基线平均值作为协变量，因基线测量重复进行两次，以防止某次评估数据不足导致基线信息丢失。在拟合混合模型前，通过Q-Q图检验数据分布的正态性。如有必要，对数据进行对数转换以确保其符合正态分布。分析采用最小二乘均值（LSM）法，模型将为分析中的每种处理方式计算其均值估计值即，LSM）。LSM 不同于该处理组的原始数据均值，因为已对基线进行了校正，并且模型对缺失值进行了估计并将其纳入了分析。

分析结果以最小二乘均值（LSM）图表示，该图基于分析估计值，不同于基于原始数据时间曲线的平均值图。由于最小二乘均值没有标准差，因此图表中使用95%置信区间作为误差线。为避免图表过于拥挤，仅显示最高值处理组的上方误差线和最低值处理组的下方误差线。

单次口服10 mg和20 mg盐酸美加明、15分钟内输注0.5 mg氢溴酸东莨菪碱以及双盲安慰剂（口服和静脉注射）后的急性药效动力学效应如图1所示（与基线相比的最小二乘均值变化图）。由于视觉视觉学习测验（VVLT）仅在给药后进行一次，因此VVLT数据以传统的箱形图形式展示，每种治疗组对应不同的箱形图（见图2）。

本文所述方案是已发表文献29,30及一篇待发表论文中所描述的更大规模研究的一部分。下文所述结果是在12名健康的年轻男性受试者中，采用四阶段交叉设计进行的两项计算机化测试电池的示例结果。有关该研究的更多细节，请参见 Baakman et al.30

正如预期，胆碱能拮抗剂美加明和东莨菪碱的给药对自适应追踪测试（正确追踪百分比）的表现产生了负面影响。与安慰剂给药相比，20 mg美加明和0.5 mg东莨菪碱处理均显著降低了测试得分。总体治疗效应为F = (3,33) 43.25，p < 0.0001；20 mg美加明的估计差异为正确追踪率下降2.06%（95%置信区间[CI]：-3.97，-0.15），p = 0.0355；东莨菪碱的估计差异为正确追踪率下降10.4%（95%置信区间[CI]：-12.4，-8.39），p < 0.0001。

在观察VVLT时，即时回忆试验在给药后+3.5 h、延迟回忆及再认试验在+5 h单次进行评估，所有治疗均导致表现下降（即，第三轮即刻回忆和延迟回忆试验中记住的词语较少（整体处理效应为 F = (3,33) 15.17， p < 0.0001，用于第三次即时回忆试验，F = (3,34) 9.98， p < 0.0001）。美卡拉明的两个剂量水平显示出剂量相关效应，即与安慰剂相比，20 mg剂量组正确回忆的总词数减少幅度大于10 mg剂量组。对于第三次即刻回忆试验，结果为：平均减少2.7个词（95%置信区间[CI]：-5.1，-0.3）。 p = 0.0286，用于10 mg美卡拉明给药组，平均减少3.6个词（95%置信区间：-5.9，-1.4）。 p = 0.0025（20 mg 美卡拉明给药组）。延迟回忆试验的结果为：平均减少 3.1 个词（95% 置信区间 [CI]：-5.8，-0.4）。 p = 0.0259（10 mg 美卡拉明给药组），平均减少 3.8 个词（95% 置信区间 [CI]：-6.4，-1.2） p = 0.0051，用于20 mg美卡拉明给药。给予0.5 mg东莨菪碱对单词回忆表现出更强的负面影响：平均减少7.7个单词（95%置信区间[CI]：-10.1，-5.4）。 p < 0.0001，第三次即刻回忆试验的平均值为-7.1个词（95%置信区间[CI]：-9.8，-4.5）， p < 0.0001，均与安慰剂组相比。

已知在健康受试者中给予东莨菪碱会对认知测试结果产生显著的负面影响，例如在一项包含90名健康男性受试者的大规模研究中已有描述6。上述结果表明，计算机化测试组合也能够检测出静脉注射0.5 mg东莨菪碱所引起的显著抗认知效应。关于美加明的给药，文献报道剂量不超过20 mg时即可对认知测试结果产生负面影响31,32,33，尽管其实际效应远小于东莨菪碱的作用30，本方案的结果也证实了这一点。

这些结果表明，计算机化测试组合中的各项测试能够敏感地显示所研究的抗胆碱能药物单次给药后的急性药效动力学效应。这些测试不仅能够区分安慰剂与药物给药，更重要的是，能够区分毒蕈碱受体拮抗剂东莨菪碱与烟碱受体拮抗剂美加明。此类效应在多个测试中反复出现，统计结果以及相似的测试结果图示均显示出这一趋势（数据见 Baakman） 等30).

自适应追踪测试的百分比变化折线图，带时间序列上的置信区间误差线，显示治疗效果。
图1：安慰剂、口服10 mg和20 mg美卡拉明以及静脉注射0.5 mg东莨菪碱对中国台湾12名健康年轻男性自适应追踪测试的影响。 自适应追踪测试的平均值（以及最高和最低得分的标准差）随时间的变化过程，在给药后（t = 0）多个时间点进行测量，数据表示12名健康男性受试者相对于基线的变化。纵轴表示正确追踪的百分比，横轴表示给药后的时间点，其中双安慰剂（口服和静脉注射）结果以灰色圆圈表示，10 mg美卡拉明结果以品红色方块表示，20 mg美卡拉明结果以绿色三角形表示，0.5 mg东莨菪碱结果以蓝色菱形表示。本图经Baakman et al.30 修改请点击此处查看此图的放大版本。

比较VLT评分的箱线图；不同药物处理；星号标记统计显著性。
图2：安慰剂、口服10 mg和20 mg美卡拉明以及静脉注射0.5 mg东莨菪碱对中国台湾12名健康年轻男性视觉言语学习测试的影响。 VVLT延迟识别试验（左侧图）和第三次即时回忆试验的箱线图结果，纵轴表示正确回忆的单词数量，横轴表示不同处理方式，数据来自12名健康的男性受试者。总体处理效应显示在左下角，各处理组与安慰剂组比较的p值通过星号（*）上方的数值表示。箱体中的粗黑线代表中位数，红色“M”代表均值，灰色圆圈代表实际数据点（即观测值）。本图经Baakman et al.30修改。 请点击此处查看此图的放大版本。

讨论

在新药早期临床开发中，药效动力学效应的证据至关重要，因为它决定了是否推进到在更大规模患者群体中开展后续研究34。对于作用于中枢神经系统（CNS）的药物而言，尤其需要证明其能够穿透血脑屏障35。尽管常通过给药后采集脑脊液（CSF）的腰椎穿刺作为评估血脑屏障穿透的替代方法，但该操作具有侵入性且给受试者带来较大负担；此外，药物在脑脊液中的存在并不等同于其在脑内与靶点结合并发挥药理活性。

I 期研究传统上属于数据密集型研究，需在短时间内连续进行多系列评估，以表征新药的药代动力学和药效动力学特征。作用于中枢神经系统（CNS）的药物很可能会影响多个神经心理学和/或神经生理学领域，因为不同的受体通常并非仅存在于单一脑区。参与认知功能的主要烟碱型受体位于前额叶皮层、运动皮层和内嗅皮层，在扣带皮层、颞叶皮层、丘脑和基底神经节中的分布密度较低36。此外，单个脑区通常与多个其他脑区存在连接37。

因此，计算机化测试量表的核心由一组敏感性测试构成，其组成可根据需要进行调整（即可根据预期的中枢神经系统效应增加或删除测试项目，以最大程度提高获得阳性结果的可能性。这种灵活性使得该测试组合不仅适用于不同类型药物的研究，也适用于不同人群的研究。例如，在一项针对24名亨廷顿病患者（一种神经退行性运动障碍疾病）的小样本新药研究中，核心测试组合被更新，增加了一项精细运动技能测试（手指敲击测试，即在连续5次、每次10秒的试验中，受试者需用优势手的食指尽可能快速地敲击空格键），因为精细运动技能障碍是亨廷顿病的主要特征之一38精细运动技能的测量未包含在核心测试组合中，但对研究亨廷顿病中运动功能潜在变化具有重要意义。尽管如此，核心测试在长时间内保持了相对稳定性，表明该测试组合对大量药物作用具有敏感性。

测试组合中的测试数量应尽量简洁，以便在给药后进行多次测试。测试时间点的安排应尽可能贴近药物（假设的）药代动力学特征，从而获得与药物吸收、达峰浓度及消除等药代动力学过程相对应的药效动力学效应信息。这些信息可整合至药代动力学-药效动力学模型中，本文所述方案亦已开发了相应的模型29。

在某些情况下，研究性化合物的确切作用机制尚未通过动物研究完全阐明。在过去的二十年中，计算机化测试系统的核心测试已被用于表征大量不同研究性药物以及已注册药物的作用特征，其中许多药物的作用机制是已知的。这建立了一个药物特异性特征数据库，对于具有相同作用机制的不同药物，可观察到相似的测试系统特征谱3。因此，可以将新药的特征谱与作用机制已知的化合物特征谱进行比较；若发现相似性，则可能揭示该研究性化合物的作用机制。不同化合物在具有相似作用机制时被识别出相似的测试特征谱，这一事实充分证明了该测试系统核心测试对中枢神经系统药物效应的高敏感性。

药物给药后短期内的可重复性对于本文所述的计算机化测试成套工具等测试体系的成功至关重要。然而，中枢神经系统会受到内源性和外源性因素的影响，从而改变受试者的测试表现。39这凸显了标准化测试环境条件以及其他特定于受试者的因素的重要性。在试验实施过程中应维持的具体条件应在研究方案中明确规定，并在研究期间对所有受试者统一执行。测试期间应保持光照和室温恒定，并控制干扰因素的程度（如噪音、测试时房间内有多人存在等）。 等等。应将这些因素控制在最低限度。其他可控制的因素包括受试者生活方式的某些方面，例如昼夜节律、休息与疲劳状态、特定类型食物和饮料的摄入，以及精神活性物质的使用。

此外，众所周知，神经心理学测试结果可能受到练习或学习效应40的影响，尤其是故事记忆和单词表学习等记忆测试41（例如，VVLT 测试）。因此，应特别关注训练次数和测试实施的安排。

其他已标准化的计算机化测试组合已在药物开发中得到广泛应用，其中Egerhazi所描述的测试组合尤为典型 等22 和安德伍德 等23 在临床试验中应用最为广泛。如前所述，本文所描述的计算机化测试系统与这些系统不同，还包含了神经生理学评估的测量指标例如瞳孔测量、眼动、脑电图）通过计算机系统的简易附加装置实现，此外还包括n-back测试等更传统的神经心理学测试（见Alvarez-Jimenez描述） 等29）。然而，其他系统为便携式计算机，使得在多个地点进行测试成为可能。目前，CHDR开发的计算机化测试成套系统尚不适用于在不同地点之间便捷运输。一种更便携的版本（即，笔记本电脑）已设计完成，目前正处于验证阶段。该方案有望用于多中心临床试验，甚至可能应用于行动不便而无法前往研究所就诊的患者家中进行检测。

计算机化测试电池具有灵活性，因为其他已被证明对中枢神经系统药物效应敏感的神经心理学或生理学测试也可被纳入该系统。事件相关电位（ERPs）42 是这一扩展过程的最新示例：ERPs 正日益受到临床研究的关注，临床试验中对纳入测量不同 ERPs 的测试需求也在不断增长。目前，CHDR 正在对 ERPs 进行持续的验证，以将其整合到计算机化测试电池中。

总之，本文所述的标准化、计算机化的神经心理学与神经生理学评估测试组合，旨在早期药物研发阶段研究作用于中枢神经系统的药物的药效动力学效应。核心测试已可靠且反复证明对中枢神经系统效应具有敏感性，表明药物能够穿透血脑屏障并在中枢神经系统内对靶点产生药理学激活作用。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
<强>NeuroCart 通用计算机硬件
扩增子影响 E70 (=computer)
医用隔离变压器Thalheimer 隔离变压器ERT 230/23/6G
24英寸宽屏戴尔U2412M受试者
PS2 小鼠DELL受试者
PS2键盘DELL受试者
照相机佳能EOS 1100D
EOS实用程序佳能N.A.照相机软件
17 英寸电脑屏幕（研究助理）DELL1708FP 监测仪研究助理
USB键盘（研究助理）DELL研究助理
USB鼠标（研究助理）DELL研究助理
<强>名称<强>公司<强>货号<强>评论
<强>NeuroCart 通用计算机软件
Windows 7 或更高版本微软
E-prime 2.0Psychology Software Tools, Inc. (PST)N.A.每次测试都有一个定制的、内部验证的脚本
<强>名称<强>公司<强>货号<强>评论
<强>脑电图与眼电图电极硬件
Grass 系列放大器系统Grass-Telefactor，Astro-Med, Inc. 产品组/Natus15LT脑电图电极放大器
四通道宽带高增益可编程交流放大器Grass-Telefactor，Natus 公司旗下 Astro-Med, Inc. 产品组15A5415LT 放大器的一部分
四通道高增益可编程AD放大器Grass-Telefactor，Astro-Med, Inc. 产品组/Natus15A94
生物电信号输入盒，电极板型号 BIPOLAGrass-Telefactor，Astro-Med, Inc. 产品组/Natus15LT电极输入盒
电极阻抗计Grass-Telefactor，Astro-Med, Inc. 产品组/NatusF-EZM5
A/D转换器英国剑桥，剑桥电子设计公司（Cambridge Electronic Design, CED）1401 型 Mk1 和 Mk2
金电极Grass-Telefactor，Astro-Med, Inc. 产品组/NatusFx-E5GH脑电图电极
Ambu 心电图电极BlueSensorN-OO-s/25眼电极
EC2 乳膏Grass-Telefactor，Astro-Med, Inc. 产品组/NatusN.A.电极膏
Nuprep韦弗公司N.A.皮肤准备凝胶
<强>名称<强>公司<强>货号<强>评论
<强>脑电图和眼电图电极软件
Grass link 15 软件Grass-Telefactor，Astro-Med, Inc. 产品组/NatusN.A.
Spike 2剑桥电子设计有限公司N.A.每次测试都有一个定制且经过验证的脚本
<强>名称<强>公司<强>货号<强>评论
<强>自适应跟踪材料（硬件和软件）
自适应追踪操纵杆Job Kneppers Ontwerp en Realisatie B.V.，代尔夫特N.A.定制构建
TrackerUSBKevin Hobbs，CarbisDesign，英国N.A.自适应追踪软件
<强>名称<强>公司<强>货号<强>评论
<强>身体摆动硬件
姿势图Sentech BVCelesco SP2 -50
医用隔离变压器Thalheimer 隔离变压器ERT 230/23/6G
草系放大器系统Grass-Telefactor，Astro-Med, Inc. 产品组/Natus15LT
四通道宽带高增益可编程交流放大器Grass-Telefactor，Astro-Med, Inc. 产品组/Natus15A54
四通道高增益可编程AD放大器Grass-Telefactor，Natus 公司旗下 Astro-Med, Inc. 产品组15A94
生物电信号输入盒，电极板型号 BIPOLAGrass-Telefactor，Astro-Med, Inc. 产品组/Natus15LT

参考文献

  1. Alavijeh, M. S., Chishty, M., Qaiser, M. Z., Palmer, A. M. Drug metabolism and pharmacokinetics, the blood-brain barrier, and central nervous system drug discovery. NeuroRx. 2 (4), 554-571 (2005).
  2. Peck, C. C. Postmarketing drug dosage changes. Pharmacoepidemiol Drug Saf. 12 (5), 425-426 (2003).
  3. Groeneveld, G. J., Hay, J. L., Van Gerven, J. M. Measuring blood-brain barrier penetration using the NeuroCart, a CNS test battery. Drug Discov Today Technol. 20, 27-34 (2016).
  4. Zuiker, R. G., et al. NS11821, a partial subtype-selective GABAA agonist, elicits selective effects on the central nervous system in randomized controlled trial with healthy subjects. J Psychopharmacol. 30 (3), 253-262 (2016).
  5. Chen, X., et al. Pharmacodynamic response profiles of anxiolytic and sedative drugs. Br J Clin Pharmacol. 83 (5), 1028-1038 (2017).
  6. Liem-Moolenaar, M., et al. Pharmacokinetic-pharmacodynamic relationships of central nervous system effects of scopolamine in healthy subjects. Br J Clin Pharmacol. 71 (6), 886-898 (2011).
  7. Baloh, R. W., Sills, A. W., Kumley, W. E., Honrubia, V. Quantitative measurement of saccade amplitude, duration, and velocity. Neurology. 25 (11), 1065-1070 (1975).
  8. Bittencourt, P. R., Wade, P., Smith, A. T., Richens, A. Benzodiazepines impair smooth pursuit eye movements. Br J Clin Pharmacol. 15 (2), 259-262 (1983).
  9. Bowdle, T. A., et al. Psychedelic effects of ketamine in healthy volunteers: relationship to steady-state plasma concentrations. Anesthesiology. 88 (1), 82-88 (1998).
  10. Bond, A., Lader, M. The use of analogue scales in rating subjective feelings. Br J Med Psychol. 47 (3), 211-218 (1974).
  11. Borland, R. G., Nicholson, A. N. Visual motor co-ordination and dynamic visual acuity. Br J Clin Pharmacol. 18, Suppl 1. 69S-72S (1984).
  12. de Haas, S. L., et al. The pharmacokinetic and pharmacodynamic effects of SL65.1498, a GABA-A alpha2,3 selective agonist, in comparison with lorazepam in healthy volunteers. J Psychopharmacol. 23 (6), 625-632 (2009).
  13. van Steveninck, A. L., et al. The sensitivity of pharmacodynamic tests for the central nervous system effects of drugs on the effects of sleep deprivation. J Psychopharmacol. 13 (1), 10-17 (1999).
  14. van Steveninck, A. L., et al. Pharmacodynamic interactions of diazepam and intravenous alcohol at pseudo steady state. Psychopharmacology (Berl). 110 (4), 471-478 (1993).
  15. Zoethout, R. W., Delgado, W. L., Ippel, A. E., Dahan, A., van Gerven, J. M. Functional biomarkers for the acute effects of alcohol on the central nervous system in healthy volunteers. Br J Clin Pharmacol. 71 (3), 331-350 (2011).
  16. de Visser, S. J., van der Post, J., Pieters, M. S., Cohen, A. F., van Gerven, J. M. Biomarkers for the effects of antipsychotic drugs in healthy volunteers. Br J Clin Pharmacol. 51 (2), 119-132 (2001).
  17. Dumont, G. J., de Visser, S. J., Cohen, A. F., van Gerven, J. M., Biomarker Working Group of the German Association for Applied Human, P. Biomarkers for the effects of selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs) in healthy subjects. Br J Clin Pharmacol. 59 (5), 495-510 (2005).
  18. Zuurman, L., Ippel, A. E., Moin, E., van Gerven, J. M. Biomarkers for the effects of cannabis and THC in healthy volunteers. Br J Clin Pharmacol. 67 (1), 5-21 (2009).
  19. van Steveninck, A. L., et al. Effects of intravenous temazepam. I. Saccadic eye movements and electroencephalogram after fast and slow infusion to pseudo steady state. Clin Pharmacol Ther. 55 (5), 535-545 (1994).
  20. van Steveninck, A. L., et al. A comparison of the sensitivities of adaptive tracking, eye movement analysis and visual analog lines to the effects of incremental doses of temazepam in healthy volunteers. Clin Pharmacol Ther. 50 (2), 172-180 (1991).
  21. van Steveninck, A. L., et al. Effects of temazepam on saccadic eye movements: concentration-effect relationships in individual volunteers. Clin Pharmacol Ther. 52 (4), 402-408 (1992).
  22. Egerhazi, A., Berecz, R., Bartok, E., Degrell, I. Automated Neuropsychological Test Battery (CANTAB) in mild cognitive impairment and in Alzheimer's disease. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 31 (3), 746-751 (2007).
  23. Underwood, J., et al. Associations between cognitive impairment and patient-reported measures of physical/mental functioning in older people living with HIV. HIV Med. 18 (5), 363-369 (2017).
  24. Jones, S., Sudweeks, S., Yakel, J. L. Nicotinic receptors in the brain: correlating physiology with function. Trends Neurosci. 22 (12), 555-561 (1999).
  25. Levin, E. D., McClernon, F. J., Rezvani, A. H. Nicotinic effects on cognitive function: behavioral characterization, pharmacological specification, and anatomic localization. Psychopharmacology (Berl). 184 (3-4), 523-539 (2006).
  26. Kulshreshtha, A., Piplani, P. Current pharmacotherapy and putative disease-modifying therapy for Alzheimer's disease. Neurol Sci. 37 (9), 1403-1435 (2016).
  27. Ebert, U., Kirch, W. Scopolamine model of dementia: electroencephalogram findings and cognitive performance. Eur J Clin Invest. 28 (11), 944-949 (1998).
  28. Webster, J. C., et al. Antagonist activities of mecamylamine and nicotine show reciprocal dependence on beta subunit sequence in the second transmembrane domain. Br J Pharmacol. 127 (6), 1337-1348 (1999).
  29. Alvarez-Jimenez, R., et al. Pharmacokinetics and pharmacodynamics of oral mecamylamine - development of a nicotinic acetylcholine receptor antagonist cognitive challenge test using modelling and simulation. J Psychopharmacol. 31 (2), 192-203 (2017).
  30. Baakman, A. C., et al. An anti-nicotinic cognitive challenge model using mecamylamine in comparison with the anti-muscarinic cognitive challenge using scopolamine. Br J Clin Pharmacol. , (2017).
  31. Newhouse, P. A., Potter, A., Corwin, J., Lenox, R. Acute nicotinic blockade produces cognitive impairment in normal humans. Psychopharmacology (Berl). 108 (4), 480-484 (1992).
  32. Newhouse, P. A., Potter, A., Corwin, J., Lenox, R. Age-related effects of the nicotinic antagonist mecamylamine on cognition and behavior. Neuropsychopharmacology. 10 (2), 93-107 (1994).
  33. Thompson, J. C., Stough, C., Ames, D., Ritchie, C., Nathan, P. J. Effects of the nicotinic antagonist mecamylamine on inspection time. Psychopharmacology (Berl). 150 (1), 117-119 (2000).
  34. Miller, R., et al. How modeling and simulation have enhanced decision making in new drug development. J Pharmacokinet Pharmacodyn. 32 (2), 185-197 (2005).
  35. Mikitsh, J. L., Chacko, A. M. Pathways for small molecule delivery to the central nervous system across the blood-brain barrier. Perspect Medicin Chem. 6, 11-24 (2014).
  36. Paterson, D., Nordberg, A. Neuronal nicotinic receptors in the human brain. Prog Neurobiol. 61 (1), 75-111 (2000).
  37. Li, Y., Richardson, R. M., Ghuman, A. S. Multi-Connection Pattern Analysis: Decoding the representational content of neural communication. Neuroimage. , (2017).
  38. Rao, A. K., Gordon, A. M., Marder, K. S. Coordination of fingertip forces during precision grip in premanifest Huntington's disease. Mov Disord. 26 (5), 862-869 (2011).
  39. Taylor, L., Watkins, S. L., Marshall, H., Dascombe, B. J., Foster, J. The Impact of Different Environmental Conditions on Cognitive Function: A Focused Review. Front Physiol. 6, 372(2015).
  40. Goldberg, T. E., Harvey, P. D., Wesnes, K. A., Snyder, P. J., Schneider, L. S. Practice effects due to serial cognitive assessment: Implications for preclinical Alzheimer's disease randomized controlled trials. Alzheimers Dement (Amst). 1 (1), 103-111 (2015).
  41. Gavett, B. E., et al. Practice Effects on Story Memory and List Learning Tests in the Neuropsychological Assessment of Older Adults. PLoS One. 11 (10), e0164492(2016).
  42. Luck, S. J. Direct and indirect integration of event-related potentials, functional magnetic resonance images, and single-unit recordings. Hum Brain Mapp. 8 (2-3), 115-201 (1999).

重印与许可

标签

10 20
用于早期药物研发中研究胆碱能药物对中枢神经系统药效动力学作用的计算机化测试组合
联系我们
向图书馆推荐

隐私

使用条款

政策

版权所有 © 2026 MyJoVE Corporation。保留所有权利。