Salah satu cabaran utama dalam pembangunan ubat adalah memutuskan sama ada kesan farmakologi yang dilihat dalam kajian praklinikal juga akan muncul pada manusia. Calon boleh menunjukkan keberkesanan yang meyakinkan dalam model haiwan dan masih gagal menghasilkan tindak balas klinikal yang diharapkan. Selalunya bahagian yang hilang adalah mekanisme biologi yang dicirikan dengan cukup baik untuk meramalkan kelakuannya dalam spesies kedua.
Molekul yang sama menghasilkan tindak balas yang berbeza merentas spesies, kerana ekspresi sasaran, pengedaran reseptor, metabolisme ubat, pendedahan tisu, peraturan imun dan biologi penyakit semuanya berbeza. Oleh itu, peningkatan dalam model haiwan tidak dengan sendirinya menetapkan bahawa mekanisme akan diterjemahkan kepada manfaat klinikal.
Penanda bio memberi jalan untuk mengatasi jurang itu. Dengan mengukur perubahan yang berkaitan dengan pendedahan dadah, penglibatan sasaran, modulasi laluan dan tindak balas penyakit, program boleh mewujudkan hubungan kuantitatif antarafarmakokinetik (PK)danfarmakodinamik (PD). Hubungan tersebut menyatakan berapa banyak pendedahan yang diperlukan, mekanisme biologi yang terjejas, dan sama ada tindak balas yang diperhatikan berkaitan dengan penyakit manusia.
Dalam perubatan translasi objektifnya ialah rangka kerja yang koheren: pengukuran praklinikal memaklumkan keputusan klinikal, dan pemerhatian klinikal menyemak hipotesis praklinikal. Senarai penanda calon bukanlah yang boleh disampaikan.
1. Apakah yang Membuatkan Biomarker Berguna dalam Pembangunan Dadah?
Biomarker ialah ciri yang boleh diukur yang menunjukkan proses biologi, proses patogenik, atau tindak balas kepada campur tangan. Pengukuran molekul, ciri selular, parameter fisiologi, penemuan pengimejan dan perubahan tingkah laku yang dikuantifikasi secara objektif semuanya layak.
Nilai mereka bergantung pada soalan biologi yang ingin mereka jawab. Lima kategori berulang dalam pembangunan dadah.
Biomarker farmakodinamikmenunjukkan bahawa tindak balas biologi telah berlaku selepas dos: kepekatan sitokin, fosforilasi protein isyarat, ekspresi gen, aktiviti metabolik.
Penanda bio penglibatan sasaranmenunjukkan bahawa ubat telah berinteraksi dengan sasaran molekul yang dimaksudkan. Penghunian reseptor, pengikatan sasaran dan perencatan laluan isyarat berkaitan sasaran ialah bacaan biasa.
Biomarker ramalanmengenal pasti pesakit lebih cenderung untuk bertindak balas terhadap rawatan tertentu. PD-L1 ekspresi dan pengubahan BRCA1/2 adalah contoh yang telah ditetapkan dalam tetapan terapeutik yang ditentukan.
Biomarker prognostikmenerangkan kemungkinan perjalanan penyakit secara bebas daripada rawatan tertentu.
Biomarker keselamatantandakan potensi ketoksikan berkaitan rawatan atau gangguan fisiologi.
Kategori tersebut tidak saling eksklusif. Satu biomarker mungkin membawa pelbagai jenis maklumat bergantung pada konteks kajian.
Biomarker juga bukan titik akhir klinikal atau titik akhir pengganti secara lalai. Pengurangan dalam penanda keradangan yang beredar menunjukkan aktiviti biologi; ia tidak menetapkan bahawa pesakit akan mengalami peningkatan klinikal yang bermakna. Mengikat perubahan biomarker kepada hasil klinikal memerlukan bukti yang berasingan.
Perbezaan itu membentuk segala-galanya di hilir. Mengukur perubahan adalah bahagian yang mudah. Mentafsir maksud perubahan untuk keberkesanan terapeutik adalah lebih sukar.
2. Yayasan Praklinikal: Menghubungkan Pendedahan Dadah kepada Tindak Balas Biologi
Sumbangan biomarker yang paling berguna semasa pembangunan praklinikal adalah hubungan yang mereka temukan antara pendedahan dadah dan aktiviti farmakologi.
Kajian keberkesanan konvensional menunjukkan bahawa rawatan meningkatkan titik akhir yang berkaitan dengan penyakit. Ia sendiri tidak menyatakan sama ada kesan itu datang daripada penglibatan sasaran yang mencukupi, modulasi laluan hiliran, atau tindak balas biologi tidak langsung.
Reka bentuk yang lebih bermaklumat mewujudkan tiga perhubungan yang berkaitan: pendedahan dadah, penglibatan sasaran dan tindak balas farmakodinamik. Masing-masing menjawab soalan yang berbeza.
Pendedahan dadah: Berapa banyak ubat yang sampai ke petak biologi yang berkaitan?
Kajian farmakokinetik mencirikan penyerapan, pengedaran, metabolisme dan penyingkiran ubat. Kepekatan plasma adalah titik permulaan yang penting, tetapi ia adalah proksi untuk pendedahan di tapak tindakan, dan kadangkala kurang baik.
Untuk ubat yang menyasarkan sistem saraf pusat, pendedahan plasma sahaja mengatakan sedikit tentang kepekatan yang terdapat dalam tisu otak. Antibodi dan biologi besar lain mengedar secara berbeza daripada molekul kecil atas sebab-sebab yang berada di luar kepekatan plasma.
Bergantung pada mekanisme terapeutik, ukuran yang berkaitan termasuk kepekatan plasma total dan tidak terikat, kepekatan tisu, kepekatan cecair serebrospinal, atau pengedaran ubat tempatan.
Penglibatan sasaran: Adakah ubat berinteraksi dengan sasaran yang dimaksudkan?
Penglibatan sasaran menghubungkan pendedahan dadah kepada aktiviti farmakologi.
Untuk antibodi penyasaran reseptor, penghunian reseptor (RO) menganggarkan perkadaran reseptor tersedia yang terikat oleh ubat. Untuk perencat kinase, perubahan dalam fosforilasi sasaran atau dalam protein isyarat hiliran memberikan bukti perencatan laluan. Sama ada cara pengukuran menjawab sama ada dos yang ditadbir menghasilkan interaksi biologi yang mencukupi dengan sasaran yang dimaksudkan.
Tindak balas farmakodinamik: Adakah penglibatan sasaran menghasilkan kesan biologi yang dijangkakan?
Pengikatan tidak sama dengan tindak balas. Sesuatu ubat boleh menduduki sasarannya tanpa menghasilkan modulasi laluan hiliran yang mencukupi, terutamanya apabila mekanisme pampasan atau laluan isyarat berlebihan terlibat.
Penanda bio PD menambah lapisan bukti itu.
Perencat kinase, sebagai contoh, mengurangkan fosforilasi sasaran yang dimaksudkan, kemudian mengalihkan protein isyarat hiliran, dan akhirnya menggerakkan titik akhir yang berkaitan dengan penyakit. Mengukur ketiga-tiga tahap memisahkan perencatan sasaran langsung daripada kesan biologi yang lebih luas.
Mengukur hubungan pendedahan-tindak balas
Sebaik sahaja pendedahan dan ukuran farmakodinamik tersedia, model boleh mencirikan hubungan antara mereka.
Pilihan biasa ialah model Emax:
E(C)=E0 + (Emaks x C) / (EC50 + C)
di mana E(C) ialah kesan farmakologi yang diperhatikan pada kepekatan C, E0 kesan garis dasar, Emax kesan maksimum yang boleh dicapai, dan EC50 kepekatan yang dikaitkan dengan 50% daripada maksimum tersebut.
Model yang lebih kompleks menambah respons tertunda, mekanisme tindak balas tidak langsung, pusing ganti penerima atau perubahan bergantung masa dalam pendedahan dadah.
Hasil praktikal ialah julat pendedahan dan bukannya satu dos. Daripada mengambil dos yang menghasilkan kesan diperhatikan terbesar dalam kajian haiwan, program boleh mengenal pasti pendedahan minimum yang diperlukan untuk penglibatan sasaran dan pendedahan yang dikaitkan dengan tindak balas PD yang mencukupi. Itu adalah asas yang lebih rasional untuk menetapkan dos dan sasaran pendedahan dalam kajian klinikal kemudian.
3. Daripada Kajian Haiwan kepada Pemilihan Dos Pertama-dalam-Manusia
Memilih dos klinikal awal adalah salah satu penggunaan paling jelas bagi data PK/PD dan biomarker praklinikal.
Kajian ketoksikan bukan klinikal biasanya membekalkan sauh keselamatan: tahap kesan buruk tidak diperhatikan (NOAEL) ditukar kepada dos setara manusia (HED), kemudian dibahagikan dengan faktor keselamatan yang sesuai.
Untuk sebatian yang sangat kuat atau sangat aktif secara biologi, dos permulaan yang diperoleh hanya daripada pemerhatian toksikologi boleh terlepas dari farmakologi. Antibodi monoklonal, modulator imun dan terapeutik sasaran lain sering menghasilkan kesan biologi yang besar pada kepekatan yang agak rendah.
Tahap kesan biologi jangkaan minimum (MABEL) meliputi kes tersebut. MABEL menganggarkan dos atau pendedahan yang dijangka menghasilkan kesan biologi yang minimum pada manusia, berdasarkan bukti farmakologi dan bukan klinikal yang tersedia, dan ia biasanya menyepadukan:
- Ungkapan sasaran dan ciri mengikat.
- Data tindak balas kepekatan in vitro.
- Penghunian reseptor dan penglibatan sasaran.
- Aktiviti berfungsi dalam sistem biologi yang berkaitan.
- Perhubungan PK dan PD merentas model eksperimen.
- Perbezaan spesies dalam farmakologi dan biologi sasaran.
MABEL tidak menggantikan penilaian berasaskan NOAEL dalam setiap program pembangunan. Ia menambah pertimbangan berasaskan farmakologi, dan paling penting apabila pengaktifan atau perencatan sasaran yang berlebihan membawa akibat yang serius.
Percubaan klinikal TGN1412 kekal sebagai kes rujukan mengapa penemuan toksikologi sahaja tidak mencukupi untuk biologi yang mengaktifkan imun. Sukarelawan yang sihat menghasilkan tindak balas pelepasan sitokin yang teruk walaupun sebelum ujian bukan klinikal. Episod ini menghidupkan farmakologi khusus spesies, aktiviti biologi yang berkaitan dengan manusia, dan hubungan antara dos dan pengaktifan imun, yang mana pakej bukan klinikal telah diselesaikan.
Untuk program translasi, pengajarannya ialah kajian praklinikal perlu menjana lebih daripada pemerhatian ketoksikan dan hasil keberkesanan. Mereka juga perlu menerangkan mekanisme dengan cukup baik untuk menjangka tindak balas manusia.
4. Perkembangan Klinikal Awal: Mengesahkan Mekanisme Berfungsi pada Manusia
Penemuan biomarker praklinikal menghasilkan hipotesis. Kajian klinikal menguji sama ada ia berlaku pada manusia.
Semasa pembangunan Fasa I dan Fasa II awal, penanda bio paling berguna untuk tiga pekerjaan: mengesahkan penglibatan sasaran, mencari julat pendedahan aktif secara biologi dan menerangkan hubungan antara dos dan tindak balas farmakologi.
Penghunian penerima adalah satu contoh.
Untuk ubat-ubatan yang menyasarkan reseptor permukaan sel, sitometri aliran atau kaedah analisis lain yang disahkan mengukur pengikatan dadah dan ketersediaan reseptor pada populasi sel beredar yang berkaitan. Pensampelan bersiri menunjukkan sama ada penghunian meningkat dengan dos dan sama ada ia menghampiri ketepuan.
Darah periferi mempunyai had. Penghunian pada sel imun yang beredar tidak mewujudkan penglibatan sasaran yang setara dalam tisu pepejal atau dalam petak lain yang berkaitan dengan penyakit. Jika persoalannya adalah petak, biopsi tisu, ukuran cecair serebrospinal, biomarker pengimejan atau penilaian khusus petak lain membekalkan bukti yang hilang.
Pengukuran laluan hiliran membawa berat yang sama. Perencat BTK dibaca melalui perubahan dalam isyarat berkaitan BTK; Perencat MEK melalui modulasi fosforilasi ERK.
Memadankan penglibatan sasaran dengan PD hiliran menjawab dua soalan berasingan:
- Adakah ubat telah mencapai dan berinteraksi dengan sasaran yang dimaksudkan?
- Adakah interaksi itu menghasilkan tindak balas biologi yang diharapkan?
Gandingan itu penting apabila mentafsir data tindak balas dos klinikal. Dos yang mencapai penghunian reseptor hampir maksimum tidak perlu menghasilkan manfaat klinikal yang paling besar, dan peningkatan selanjutnya boleh menambah risiko berkaitan rawatan sambil menambah sedikit aktiviti farmakologi.
Oleh itu, pemilihan dos berpandukan biomarker mengenal pasti julat dos yang aktif secara biologi dan sesuai secara klinikal, yang merupakan sasaran yang berbeza daripada dos yang boleh diterima maksimum (MTD).
5. Biomarker dalam Pemilihan Pesakit dan Penilaian Keberkesanan Klinikal
Apabila pembangunan berlangsung, peranan biomarker beralih daripada mengesahkan aktiviti farmakologi kepada mengenal pasti pesakit yang paling mungkin mendapat manfaat. Peralihan itu paling penting untuk terapi sasaran, imunoterapi dan rawatan yang ditujukan terhadap subkumpulan penyakit yang ditakrifkan secara molekul.
Program pembrolizumab adalah kes yang didokumentasikan dengan baik.
Kajian Kes: Pembrolizumab dan PD-L1 sebagai Penanda Bio Ramalan
Pembrolizumab ialah antibodi monoklonal yang menyasarkan protein kematian sel terprogram 1 (PD-1). Menyekat interaksi antara PD-1 dan ligannya, PD-L1 antaranya, memulihkan aspek aktiviti antitumor pengantaraan sel T.
Perkembangan klinikal awal mempunyai dua soalan untuk dijawab sekaligus: dos mana yang boleh mencapai aktiviti farmakologi yang berterusan, dan pesakit mana yang lebih cenderung untuk bertindak balas.
Kajian penghunian reseptor membekalkan separuh farmakologi. Siasatan klinikal menunjukkan penghunian PD-1 yang banyak pada sel T yang beredar merentas julat dos yang dinilai, dengan penglibatan sasaran yang berterusan dan penemuan tersebut membina gambaran tentang bagaimana dos, pendedahan dan penghunian berkaitan.
Pemilihan dos bergantung pada lebih daripada penghunian. PK klinikal, penemuan farmakodinamik, keberkesanan dan data keselamatan ditimbang bersama. Program klinikal awal menilai rejimen dos berganda, dan 2 mg/kg setiap tiga minggu menjadi dos penting dalam program pembangunan awal.
Pemilihan pesakit adalah soalan kedua.
Ekspresi PD-L1 telah disiasat sebagai penanda bio ramalan yang berpotensi. Imunohistokimia mengkuantifikasi PD-L1 dalam sampel tumor dan hasilnya telah diuji terhadap tindak balas rawatan.
Kajian klinikal seterusnya membuktikan kepentingan ekspresi PD-L1 dalam memilih pesakit untuk petunjuk pembrolizumab tertentu. KEYNOTE-024 menilai kanser paru-paru bukan sel kecil (NSCLC) lanjutan yang tidak dirawat sebelum ini dengan PD-L1 skor perkadaran tumor (TPS) sekurang-kurangnya 50% dan tanpa pemekaan perubahan EGFR atau ALK, dalam tetapan rawatan baris pertama yang diperkaya dengan biomarker. Pembrolizumab menghasilkan hasil klinikal yang lebih baik berbanding dengan kemoterapi berasaskan platinum dalam populasi terpilih tersebut.
PD-L1 IHC 22C3 pharmDx assay telah dibangunkan sebagai diagnostik pendamping untuk petunjuk yang berkaitan.
Dua aplikasi pelengkap berada di dalam satu program itu. Penghunian reseptor menyokong pemahaman interaksi sasaran dadah dan farmakologi klinikal; ekspresi tumor PD-L1 mengenal pasti populasi pesakit yang lebih berkemungkinan mendapat manfaat. Penanda penglibatan sasaran dan penanda ramalan menjawab soalan yang berbeza walaupun kedua-duanya tergolong dalam program pembangunan yang sama, itulah sebabnya setiap satu dinilai berdasarkan tujuan klinikal yang dimaksudkan.
6. Mengapa Penanda Bio Translasi Mesti Dinilai Merentas Spesies
Penanda bio yang berfungsi dalam model haiwan tidak sesuai secara automatik untuk terjemahan klinikal. Perbezaan dalam struktur molekul, ekspresi sasaran, peraturan imun, metabolisme dan pengedaran tisu mempengaruhi kedua-dua pengukuran itu sendiri dan tafsiran biologinya.
Oleh itu, kebolehbandingan silang spesies tergolong dalam reka bentuk penyelidikan praklinikal. Empat aspek membawa sebahagian besar risiko.
Kebolehbandingan analitikal.Ujian mestilah cukup spesifik dan sensitif dalam spesies yang berkaitan. Antibodi, primer, reagen pengesanan dan komponen analisis lain boleh mempamerkan ciri prestasi yang berbeza dalam sampel manusia dan haiwan.
Perkaitan biologi.Perubahan yang boleh diukur dalam haiwan tidak selalu mewakili proses biologi yang sama pada manusia. Persoalannya ialah sama ada biomarker mencerminkan mekanisme yang dipelihara atau tindak balas khusus spesies.
Perkaitan tisu.Penanda bio yang diukur dalam darah periferi sering salah menyatakan aktiviti biologi dalam organ sasaran, yang penting dalam CNS, onkologi dan penyelidikan keradangan khusus tisu.
Kaitan sementara.Perubahan biomarker dan tindak balas klinikal atau berfungsi boleh diimbangi dalam masa, jadi jadual pensampelan menentukan sama ada hubungan pendedahan-tindak balas boleh dilihat sama sekali.
Model primat bukan manusia (NHP) menjadi berguna apabila mekanisme farmakologi bergantung pada sasaran molekul yang dipelihara, interaksi imun yang kompleks, atau proses fisiologi yang diwakili oleh model haiwan konvensional dengan buruk. Untuk biologi dan terapeutik sensitif spesies lain, kajian NHP mencirikan penglibatan sasaran, pendedahan sistemik, tindak balas imunologi dan kesan farmakodinamik dalam tetapan fisiologi yang relevan.
Kajian NHP tidak menghapuskan perbezaan antara spesies. Nilainya bergantung pada kaitan model yang dipilih, kereaktifan silang farmakologi molekul calon, dan kesesuaian biomarker yang diukur.
Oleh itu, strategi biomarker translasi dibina di sekitar mekanisme tindakan dan aplikasi klinikal yang dimaksudkan, dan bukannya di sekitar titik akhir yang mudah untuk diukur.
7. Mengintegrasikan Biomarker ke dalam Strategi Pembangunan Kuantitatif
Penanda bio menyampaikan paling banyak apabila mereka duduk di dalam strategi pembangunan bersepadu dan bukannya tiba sebagai ukuran terpencil.
Semasa pembangunan praklinikal, pengukuran PK mewujudkan pendedahan sistemik dan, jika berkaitan, pendedahan tisu. Ujian penglibatan sasaran menentukan sama ada calon berinteraksi dengan sasaran molekul yang dimaksudkan. Penanda bio PD mencirikan tindak balas biologi hiliran, dan titik akhir berkaitan penyakit memberikan bukti peningkatan fungsi atau patologi.
Pemodelan PK/PD dan analisis tindak balas pendedahan kemudian menyatukan data tersebut ke dalam keputusan mengenai pemilihan dos, selang dos dan reka bentuk kajian klinikal awal.
Semasa pembangunan klinikal, rangka kerja yang sama diperhalusi dengan PK manusia, penghunian reseptor, aktiviti laluan, penemuan pengimejan dan hasil klinikal.
Maklumat tidak mengalir ke satu arah. Pemerhatian klinikal boleh menunjukkan bahawa biomarker mempunyai nilai ramalan yang terhad, bahawa sasaran tidak cukup terlibat dalam tisu yang berkaitan, atau bahawa laluan pampasan mempengaruhi tindak balas rawatan. Penemuan tersebut memberi maklum balas kepada tafsiran data praklinikal dan reka bentuk kajian seterusnya.
Strategi biomarker yang boleh dilaksanakan bergantung pada tiga keperluan:
- Kesahan biologi:adakah biomarker mencerminkan mekanisme biologi yang dimaksudkan?
- Kesahan analisis:bolehkah ia diukur dengan tepat dan boleh dihasilkan semula?
- Perkaitan klinikal:adakah perubahan yang diukur memberikan maklumat yang bermakna untuk pembangunan ubat atau hasil pesakit?
Biomarker yang memenuhi satu atau dua daripada ini masih digunakan dalam penyelidikan penerokaan; keupayaannya untuk menyokong keputusan klinikal masih terhad.
Oleh itu, pemilihan biomarker, pembangunan ujian, strategi pensampelan dan penilaian silang spesies tergolong dalam reka bentuk kajian awal, sebelum keputusan keberkesanan tersedia.
Implikasi untuk Penyelidikan Translasi Praklinikal
Bergerak daripada farmakologi praklinikal kepada pembangunan klinikal memerlukan lebih daripada bukti bahawa ubat calon menghasilkan kesan dalam model haiwan. Ia memerlukan pandangan tentang cara pendedahan dadah, penglibatan sasaran, aktiviti biologi hiliran dan hasil berkaitan penyakit berhubung.
Kajian PK/PD bersepadu dan penilaian biomarker ialah cara pandangan itu dibina.
Dalam penyelidikan primata bukan manusia, penilaian tersebut digabungkan dengan ukuran fisiologi membujur,pengimejan klinikal, pensampelan tisu dan titik akhir berfungsi dalam rangka kerja eksperimen tunggal. Kajian NHP CNS, sebagai contoh, boleh mengintegrasikan plasma dan kepekatan ubat cecair serebrospinal, penilaian berasaskan pengimejan, penglibatan sasaran khusus tisu dan titik akhir neurologi atau tingkah laku. Hasilnya ialah beberapa lapisan bukti dan bukannya pengukuran terminal tunggal.
Di Prisys Biotech,farmakologi NHPkajian menggabungkan penilaian PK/PD, penilaian biomarker berkaitan penyakit, pengimejan klinikal dan analisis titik akhir berfungsi mengikut objektif program penyelidikan. Reka bentuk kajian khusus dan strategi analisis ditentukan oleh ubat calon, mekanisme tindakan, dan aplikasi klinikal yang dimaksudkan.
Merawat biomarker sebagai input keputusan dan bukannya sebagai volum adalah perbezaan praktikal. Apabila aktiviti biologi boleh dikira dan ditafsir secara konsisten merentas model eksperimen dan kajian klinikal, keputusan pembangunan bergantung pada bukti, dan jarak antara keberkesanan praklinikal dan tindak balas manusia menjadi sesuatu yang boleh disiasat secara langsung oleh program.
