医疗器械/医用材料动物实验研究

【作 者】曹穗兰，向 健，杨立峰，郑保婷

广东省医疗器械质量监督检验所，广州市，510080

0 引言

医疗器械/医用材料动物实验研究目的在于通过动物试验对医疗器械/医用材料在临床使用时的安全性、有效性、可操作性等指标进行评估，对临床疾病治疗效果及使用过程中可能发生不良反应的风险进行预判，是医疗器械上市前极其重要的一步。

目前，动物实验研究应用于药品研发阶段及临床前安全性评价已有较长的历史，已经形成非常完整、成熟的评价体系。相对而言，医疗器械/医用材料的起步发展较晚，相当长一段时间内，在临床前动物实验研究上，均没有明确的要求及指南[1]，对实验质量的评价也欠缺针对性的规范。但是，随着行业持续迅速发展与监管要求的提高，医疗器械/医用材料临床前动物实验研究的重要性开始日益显现，动物研究不仅贯穿于医疗器械/医用材料的研发过程，同时，在注册法规内的要求也越来越明确。

1 相关要求

近年来，我国医疗器械监管部门针对医疗器械动物实验研究的要求开始逐步细化，早年只通过一句简单表述简略提及，如今陆续发布的审评指导原则开始对整个动物实验研究的原则、目的、要求、方法、评价指标、实验进行机构的质量保证各方面要求开始进行全面覆盖，动物实验研究的重要性已日趋显著。近年对于动物研究提出明确要求和具体方法的指导原则汇总详见表1。

表1 国内医疗器械动物实验研究技术审评指导原则举例Tab.1 Examples of domestic guidelines for animal research in medical devices

然而，一个器械/材料从研发走向上市，动物实验研究不仅仅限于产品上市前注册的要求，在研发早期阶段，通过动物试验对产品的各项性能参数进行研究同样重要。一般而言，充足的研究资料在申请注册时往往更加有利。

2 动物实验方案的设计

由于医疗器械/医用材料产品种类繁多，材料组成复杂，形态各异，不同的产品/原料与人体预期接触途径、接触时间、接触部位、预期功效均不同，因此，在进行动物实验研究时，需要根据研究对象的实际情况，具体问题具体分析以建立一个有效的、可行的研究方案。目前，进行医疗器械动物实验研究的产品以骨科材料、介入类器械、植入类材料、补片敷料类产品、预期体内可吸收/降解产品、体外循环类产品及其他新材料新工艺新用途的产品最为常见。其动物实验的方案设计可从以下几方面来综合考虑。

2.1 前期准备

由于医疗器械/材料的复杂多样性，动物实验研究人员往往难以对每一个产品特性均了如指掌，为了有的放矢地进行方案设计，对研究对象的背景资料进行熟悉和了解是合理设计实验方案的基础。

产品背景资料通常可来源于委托方提供的背景资料，历史文献数据等，需要了解的内容包括但不限于：产品的外观、尺寸、形状、材料组成，物理强度，表面性状，灭菌方式，产品接触人体的部位部件，产品预期应用的时间，人体应用部位，应用方式，应用剂量，预期取得治疗效果，产品是否降解，降解时间，代谢产物，产品前期研究资料，国内外同类产品的相关研究状况，产品风险分析等。

基于对研究对象背景资料的研究，如产品进行动物研究的先决条件已成熟，便可进一步明确实验目的。医疗器械/材料的动物研究应用很广泛，没有统一的设计标准，每一个方案都需要根据具体的研究对象和研究目的量身定制。研究目的一般分成4类：①安全性的研究，观察动物在不同周期与器械/材料接触的局部组织反应、系统的局部反应或全身毒性反应；②有效性的研究，观察器械在动物体内是否能达到预期的治疗效果；③可操作性的研究，观察研究对象使用时在操作上的可行性，便利性，确认在研究过程中是否能达到预期的使用效果，过程是否顺利；④作用机理的研究，主要用于可吸收/降解产品，观察研究产品作用原理，作用方式，在动物体内吸收、分布、代谢和排泄的过程。

理想的状态下，出于节约资源，提高效率的角度来说，宜通过尽可能少的动物试验获取尽可能多的研究数据，但是，在方案设计中，不同数据的获取往往对实验动物的品系、等级、数量要求侧重点不同，对实验仪器设备、药品试剂、人员要求也不同，故而，产品不同的性能指标往往需要通过不同的试验设计才能有针对性地获取，在研究伊始，就需要对实验目的进行明确的划分，综合考虑。

2.2 实验动物的选择

实验动物的合理选择直接影响到实验设计的合理性，操作的可行性以及实验实施过程中的效率和成本，故而必须根据实验要求，结合实验动物的特点选择合适的实验动物。在医疗器械/材料的动物实验中，需要着重以下几个方面的考虑。

（1）动物生理特性考虑。由于动物实验最终目的是要模拟器械/材料在人体的使用状况，包括使用方法、使用部位、使用周期。故而，首先要选择临床预期接触部位与人体结构，功能相似的动物；其次，要考虑动物的生命周期是否可支持足够长的研究周期，以及动物在试验过程中生理状态的变化。例如猪的冠状循环在解剖学，血液动力学方面与人最为相似[2]，被认为是血管支架类产品的性能评估的金标准[3]。表2列举了常用的实验动物应用举例。

表2 常用实验动物的应用举例[2, 7-18]Tab.2 Examples of application of commonly used animal model

（2）研究对象的特性考虑。医疗器械/材料作为研究对象，种类丰富，形态多样，临床预期应用部位多样，应用时间多样，在选择对应的实验动物时同样要结合研究对象的上述特性，一方面，选择的实验动物的接触部位的解剖结构应有足够的大小或弹性空间以成功应用相应的器械或材料；另一方面，实验动物解剖结构也要考虑在器械应用手术过程的可行性中。例如，鼠、兔、犬、猪均可用于骨科学研究，但由于体型大小区别，兔可制造的临界骨缺损范围较小，犬、猪可制造的骨缺损范围较大，可根据实际情况需求选择合适的实验动物。

（3）研究目的考虑。针对研究目的，选择合适的动物模型，如系统毒性研究常使用健康动物；而产品特定性能研究则可考虑使用相应的疾病动物模型，如为考察产品对不同部位伤口的愈合促进情况，则需制作相应部位的损伤模型。一个产品出于对不同目的的研究，可选择多种动物进行不同的试验，如冠状动脉药物洗脱支架在进行安全性评估的时候，兔和猪均被认为是合适的动物模型[4]，但在药物剂量选择及产品作用机理研究方面则可考虑采用较小的动物模型（例如兔子髂动脉）[5]。

（4）经济性的考虑。在实验动物的选择上，往往不止一种选择。虽然不同的动物在生理结构上特点不同，但对安全性与有限性的性能评估上，不意味着不同种属之间就不能取得一致的结果[6]。故而，应在满足上述考虑的前提下，尽量选择标准化的，易于购买，易于饲养管理的实验动物。同时，当有多个种属的动物可供选择时，初期宜优先选择小动物进行试验，后期再考虑进行大动物试验。如猪和羊同样用于心血管替代产品研究时，选择猪作为实验动物的优势在于，猪已经作为标准化实验动物使用，具有多个品系，而羊仅作为实验用动物，其遗传背景、携带病原方面的信息并未标准化，对试验数据的稳定性，存在干扰的风险。但是，羊的静脉管结构与人的更为相似，故而在应用中也有一定的优势。

2.3 实验方法建立

医疗器械/材料动物实验研究方法的建立，必须要考虑研究对象实际临床使用状况，包括临床使用方法、接触途径、接触时间等，宜从以下几个角度开始入手[7-18]：

（1）样本量：试验组和对照组的样本量需保证最终的数据具有统计学意义，同时，也需要考虑不同种属、不同研究目的、不同研究周期对样本量的不同要求。就常规的安全性研究项目系统毒性试验来说，研究周期越长，每剂量组动物要求越多；同类型的研究，大型动物数量要求少，啮齿类小动物数量要求多[19-20]。

一般而言，结果数据越均一，对样本数量要求较少，结果数据偏离越多，对样本数量要求较多，对于具有针对性的动物研究而言，由于缺乏历史数据，故而样本量的选择宜根据预实验的结果来计算。

（2）接触途径：器械/材料与动物接触途径应选择模拟临床接触途径进行原位接触，通过原位介入，手术原位植入等方式，将研究样品应用于临床预期接触的部位。

（3）接触时间（观察周期的设置）：以临床实际接触时间为参考，可根据研究需要减少或延长。当产品属于长期接触产品时，终点宜设置在动物各项研究数据进入稳定状态时，如组织功能恢复，样品完全降解/吸收。当接触时间较长，在中间设置观察点是很有必要的，中间观察点的设置应参考历史研究数据或预实验的结果，力求收集到产品接触期间数据的变化过程。

（4）对照的选择：对照组的选择可考虑以下两种：同体对照和异体对照，当一只动物具备多于一处满足实验要求的解剖部位，且两个部位彼此间不受影响，仅考虑局部反应不做全身评价时，宜优先考虑同体对照，使用同体对照可避免动物个体差异导致的结果差异。如动物不同皮肤部位，异侧骨组织的选用，常见于补片敷料类及骨科类产品的研究。同体对照包括同体同时对照与同体前后对照，前者适用于观察同动物同一时期不同部位差异，后者适用于观察同动物同部位不同时期的差异。

当一只动物仅具备一处满足实验要求的解剖部位，进行全身毒性研究或出于动物后续生存质量考虑时，则应使用异体对照。

对照组/对照部位宜根据不同的产品考虑使用空白对照或已上市同类产品对照。空白对照可为同解剖部位，不进行任何操作或仅进行假手术操作；已上市同类对照的产品一般选择具有较成熟应用历史的已上市的同种同用途同尺寸规格的同类产品。

综上所述，一个实验方法的建立需要从实验目的、产品特性等角度进行多方面考虑，在具备充足的同类产品研究资料情况下，同类产品的实验方案可做为重要的参考，但是不可生搬硬套，要结合实际情况进行设计。由于医疗器械的多样性，对于一些只是理论可行方案的可行性也切不可纸上谈兵，需通过少量动物进行预实验，尝试方案可行性，并对方法进行有针对性的优化。

2.4 结果评价指标选择

医疗器械/医用材料动物实验研究的评价指标很多，需要综合考虑，灵活设计，根据研究目的不同，对评价参数进行其特定的选择。表3列举了常见的研究指标选择。

3 实验结果获取与分析

对各类指标的获取可采用多种方式，使检测结果更加清楚直观，更具科学性。

表3 医疗器械/医用材料动物实验研究常见的研究指标[7-20]Tab.3 Commonly used index of animal research in medical devices

病理检查方面：除了通过HE染色以外，还可通过特殊染色法、电镜检测、免疫组化等手段进行组织学观察评价，对组织状态进行定性观察[15]。

影像诊断方面：利用影像学诊断技术，对局部组织的生长状况、介入/植入器械位置，降解状态等进行观察[21-22]。X光诊断适用于骨科和齿科材料与骨组织的相容生长状况观察；彩色多普勒（B超）诊断适用于观察心脏血流状况，腹腔或其他软组织生长情况；通过胃镜直接观察消化道局部植入器械的降解状况，局部大体眼观病变；局部CT检查对各部位的植入/介入器械均有优良的成像表现，尤其适用于骨科植入物、心血管支架、体内人工器官替代产品的局部检查。

对实验获取的结果进行评价，应设置客观、量化，符合实际要求的评价标准。例如，对非吸收材料的局部组织反应评价可采用半定量计分系统[13]；对可吸收材料的局部组织反应可采用DE JONG等提出的评级指标[23]；另外，相关研究也提出了对于组织粘连程度和范围[24]，角膜损伤和恢复评价的计分系统[7]；同时，对通过现代化影像学诊断技术得出的结果，也同样可应用临床诊断标准进行标准化的评价。

4 研究报告应包含的内容

参考国内外研究，各类指导原则和标准的要求[25-27]，动物实验的研究报告宜完整详细，推荐包含以下内容：委托方信息，产品信息，研究背景，研究目的，动物伦理和动物福利保障措施，动物模型选择的依据，实验动物信息（实验动物的来源、数量、品系、性别、体重、饲养条件、分组方式等），研究方案，研究方法/手术方法，观察参数与周期的选择，研究结果，统计方法，偏离及意外情况，结果分析及结论，研究机构的资质信息以及质量声明，标本和原始记录的存储，其他。

5 总结

随着科技的发展，医疗器械/医用材料的材料、形态、用途日趋多样化，故而，此类产品的动物研究的考虑与一般毒理学研究相比有比较大的差异，且没有一个统一的标准设计，所有的研究方案均需要根据具体产品特性和研究目的进行具体的分析。因此，研究机构在进行相应的动物试验研究时，也应开拓思路，与时俱进，通过大量的研究和实践来积累经验，保证研究的科学性和质量，以便为产品的研发、临床、注册、上市打好基础。