Ravimiarenduse üks keskseid väljakutseid on otsustada, kas prekliinilistes uuringutes täheldatud farmakoloogiline toime avaldub ka inimestel. Kandidaat võib näidata loommudelil veenvat efektiivsust ja siiski ei anna oodatud kliinilist vastust. Sageli on puuduv tükk bioloogiline mehhanism, mida iseloomustab piisavalt hästi, et ennustada selle käitumist teises liigis.
Sama molekul tekitab liikide lõikes erinevaid vastuseid, kuna sihtmärgi ekspressioon, retseptori jaotus, ravimite metabolism, kokkupuude kudedega, immuunregulatsioon ja haiguse bioloogia on kõik erinevad. Loommudeli täiustamine ei näita seega iseenesest seda, et mehhanism tooks kaasa kliinilise kasu.
Biomarkerid annavad võimaluse selle lüngaga tegeleda. Mõõtes ravimitega kokkupuute, sihtmärgi seotuse, raja modulatsiooni ja haigusvastusega seotud muutusi, saab programm luua kvantitatiivsed seosedfarmakokineetika (PK)jafarmakodünaamika (PD). Need seosed näitavad, kui palju kokkupuudet on vaja, millised bioloogilised mehhanismid on mõjutatud ja kas täheldatud reaktsioon on seotud inimeste haigustega.
Translatsioonimeditsiinis on eesmärgiks sidus raamistik: prekliinilised mõõtmised annavad teavet kliiniliste otsuste tegemiseks ja kliinilised vaatlused muudavad prekliinilisi hüpoteese. Kandidaatmarkerite nimekiri ei ole tulemus.
1. Mille poolest on biomarker ravimiarenduses kasulik?
Biomarker on mõõdetav tunnus, mis näitab bioloogilist protsessi, patogeenset protsessi või reaktsiooni sekkumisele. Kvalifitseeruvad molekulaarsed mõõtmised, raku omadused, füsioloogilised parameetrid, kujutise leiud ja objektiivselt kvantifitseeritud käitumuslikud muutused.
Nende väärtus sõltub bioloogilisest küsimusest, millele nad on mõeldud vastama. Ravimite väljatöötamisel korduvad viis kategooriat.
Farmakodünaamilised biomarkeridnäitavad, et pärast annustamist on tekkinud bioloogiline reaktsioon: tsütokiinide kontsentratsioon, signaalvalkude fosforüülimine, geeniekspressioon, metaboolne aktiivsus.
Sihtmärgiks kaasamise biomarkeridnäitavad, et ravim on interaktsiooni selle kavandatud molekulaarse sihtmärgiga. Tavalised näidud on retseptori hõivatus, sihtmärgi sidumine ja sihtmärgiga seotud signaaliradade pärssimine.
Ennustavad biomarkeridtuvastada patsiendid, kes reageerivad suurema tõenäosusega konkreetsele ravile. PD-L1 ekspressiooni ja BRCA1/2 muudatused on kindlaksmääratud terapeutilistes seadetes väljakujunenud näited.
Prognostilised biomarkeridkirjeldada haiguse tõenäolist kulgu, sõltumata konkreetsest ravist.
Ohutuse biomarkeridmärgistada võimalikku raviga seotud toksilisust või füsioloogilist häiret.
Kategooriad ei välista üksteist. Üks biomarker võib sõltuvalt uuringu kontekstist kanda erinevat tüüpi teavet.
Biomarker ei ole ka vaikimisi kliiniline tulemusnäitaja ega asendus-näitaja. Tsirkuleeriva põletikumarkeri vähenemine näitab bioloogilist aktiivsust; see ei näita, et patsient kogeb olulist kliinilist paranemist. Biomarkeri muutuse sidumine kliinilise tulemusega nõuab eraldi tõendeid.
See eristus kujundab kõike allavoolu. Muutuse mõõtmine on otsene osa. Raskem on tõlgendada, mida muutus terapeutilise efektiivsuse jaoks tähendab.
2. Prekliiniline sihtasutus: uimastitega kokkupuute sidumine bioloogilise reaktsiooniga
Biomarkerite kõige kasulikum panus prekliinilise arengu ajal on seos, mille nad loovad ravimiga kokkupuute ja farmakoloogilise aktiivsuse vahel.
Tavapärane efektiivsusuuring näitab, et ravi parandab haigusega seotud tulemusnäitajat. Ainuüksi see ei ütle, kas mõju tulenes piisavast sihtmärgi seotusest, allavoolu raja modulatsioonist või kaudsest bioloogilisest vastusest.
Informatiivsem disain loob kolm omavahel seotud seost: kokkupuude ravimiga, sihtmärgi seotus ja farmakodünaamiline reaktsioon. Igaüks neist vastab erinevale küsimusele.
Kokkupuude ravimiga: kui palju ravimit jõuab vastavasse bioloogilisse sektsiooni?
Farmakokineetilised uuringud iseloomustavad ravimi imendumist, jaotumist, metabolismi ja eliminatsiooni. Plasma kontsentratsioon on oluline lähtepunkt, kuid see on mõjukohas kokkupuute asendusnäitaja ja mõnikord halb.
Kesknärvisüsteemile suunatud ravimite puhul ei ütle plasmakontsentratsioon üksi vähe ajukoes saadaoleva kontsentratsiooni kohta. Antikehad ja muud suured bioloogilised ained jaotuvad väikestest molekulidest erinevalt põhjustel, mis jäävad plasmakontsentratsioonist väljapoole.
Sõltuvalt ravimehhanismist hõlmavad asjakohased mõõtmised üld- ja seondumata plasmakontsentratsiooni, kudede kontsentratsiooni, tserebrospinaalvedeliku kontsentratsiooni või ravimi kohalikku jaotumist.
Sihtmärgiga seotus: kas ravim toimib koos ettenähtud sihtmärgiga?
Sihtmärk seob kokkupuude ravimitega farmakoloogilise aktiivsusega.
Retseptor-sihtivate antikehade puhul hindab retseptori hõivatus (RO) saadaolevate retseptorite osakaalu, mida ravim seob. Kinaasi inhibiitorite puhul annavad muutused sihtmärk-fosforüülimises või allavoolu signaalivalkudes tõendeid raja inhibeerimisest. Mõlemal juhul annab mõõtmine vastuse sellele, kas manustatud annus tekitas kavandatud sihtmärgiga piisava bioloogilise koostoime.
Farmakodünaamiline reaktsioon: kas sihtmärgiga seotus annab oodatud bioloogilise efekti?
Sidumine ei ole sama mis vastus. Ravim võib hõivata oma sihtmärgi ilma piisavat allavoolu modulatsiooni tekitamata, eriti kui kaasatud on kompensatsioonimehhanismid või üleliigsed signaalirajad.
PD biomarkerid lisavad selle tõenduskihi.
Näiteks kinaasi inhibiitor vähendab sihtmärgi fosforüülimist, nihutab seejärel signaalvalke allavoolu ja lõpuks liigutab haigusega seotud lõpp-punkti. Kõigi kolme taseme mõõtmine eraldab otsese sihtmärgi inhibeerimise laiemast bioloogilisest mõjust.
Kokkupuute-vastuse suhte kvantifitseerimine
Kui kokkupuute ja farmakodünaamilised mõõtmised on kättesaadavad, saab nende vahelist seost iseloomustada mudel.
Levinud valik on Emaxi mudel:
E(C)=E0 + (Emax x C) / (EC50 + C)
kus E(C) on täheldatud farmakoloogiline toime kontsentratsiooni C juures, E0 algtaseme mõju, Emax maksimaalne saavutatav toime ja EC50 kontsentratsioon, mis on seotud 50% sellest maksimumist.
Keerulisemad mudelid lisavad hilinenud vastuseid, kaudseid reageerimismehhanisme, retseptorite käivet või ajast sõltuvaid muutusi ravimi kokkupuutes.
Praktiline tasu on pigem kokkupuutevahemik kui üksikannus. Selle asemel, et võtta annus, mis andis loomkatses suurima täheldatud efekti, saab programm tuvastada sihtmärgi kaasamiseks vajaliku minimaalse kokkupuute ja piisava PD vastusega seotud kokkupuute. See on ratsionaalsem alus annuste ja kokkupuute sihtmärkide määramiseks hilisemates kliinilistes uuringutes.
3. Loomauuringutest inimesele esimese annuse valikuni
Algse kliinilise annuse valimine on üks selgemaid prekliiniliste PK/PD ja biomarkerite andmete kasutusviise.
Mittekliinilised toksilisuse uuringud annavad tavaliselt ohutusankru: no-observed-adverse-effect-tase (NOAEL), mis teisendatakse inimese ekvivalentdoosiks (HED), seejärel jagatakse asjakohase ohutusteguriga.
Väga tugeva või tugevalt bioloogiliselt aktiivse ühendi puhul võib ainult toksikoloogiliste vaatluste põhjal tuletatud algannuse farmakoloogia siiski puududa. Monoklonaalsed antikehad, immuunmodulaatorid ja muud sihipärased ravimid tekitavad suhteliselt madalatel kontsentratsioonidel sageli olulisi bioloogilisi toimeid.
Minimaalne eeldatav bioloogilise toime tase (MABEL) hõlmab seda juhtumit. MABEL hindab olemasolevate farmakoloogiliste ja mittekliiniliste tõendite põhjal eeldatavalt minimaalset bioloogilist toimet avaldavat annust või kokkupuudet ning hõlmab tavaliselt:
- Sihtmärgi ekspressiooni- ja seondumisomadused.
- In vitro kontsentratsiooni-vastuse andmed.
- Retseptori hõivatus ja sihtmärgi seotus.
- Funktsionaalne aktiivsus asjakohastes bioloogilistes süsteemides.
- PK ja PD seosed eksperimentaalsete mudelite vahel.
- Liikide erinevused farmakoloogias ja sihtbioloogias.
MABEL ei asenda NOAEL-põhist hindamist igas arendusprogrammis. See lisab farmakoloogiapõhise kaalutluse ja see on kõige olulisem, kui sihtmärgi ülemäärane aktiveerimine või inhibeerimine toob kaasa tõsiseid tagajärgi.
TGN1412 kliiniline uuring on endiselt võrdlusnäitaja, miks toksikoloogilistest leidudest üksi ei piisa immuunsüsteemi aktiveeriva bioloogilise ravimi jaoks. Tervetel vabatahtlikel tekkisid vaatamata eelnevale mittekliinilisele testimisele tõsised tsütokiini vabanemise reaktsioonid. See episood lülitas sisse liigispetsiifilise farmakoloogia, inimese jaoks olulise bioloogilise aktiivsuse ning annuse ja immuunsüsteemi aktivatsiooni vahelise seose, millest ükski ei olnud mittekliiniline pakett lahendatud.
Translatsiooniprogrammi puhul on õppetund see, et prekliinilised uuringud peavad andma rohkem kui toksilisuse vaatlused ja efektiivsuse tulemused. Samuti peavad nad mehhanismi piisavalt hästi selgitama, et ennetada inimese reaktsiooni.
4. Varajane kliiniline areng: mehhanismi toimimise kinnitamine inimestel
Prekliinilised biomarkeri leiud loovad hüpoteese. Kliinilised uuringud kontrollivad, kas need säilivad inimestel.
I faasi ja varase II faasi arendamise ajal on biomarkerid kõige kasulikumad kolme töö jaoks: sihtmärgi seotuse kinnitamine, bioloogiliselt aktiivsete kokkupuutevahemike leidmine ning doosi ja farmakoloogilise vastuse vahelise seose kirjeldamine.
Retseptori hõivatus on üks näide.
Rakupinna retseptoritele suunatud ravimite puhul määrab voolutsütomeetria või muu valideeritud analüütiline meetod ravimi seondumise ja retseptori kättesaadavuse asjakohastes ringlevates rakupopulatsioonides. Seeriaproovide võtmine näitab, kas täituvus suureneb koos annusega ja kas see läheneb küllastumisele.
Perifeersel verel on piirid. Tsirkuleerivate immuunrakkude hõivatus ei taga samaväärset sihtmärgi seotust tahketes kudedes või muudes haigusega seotud sektsioonides. Kui küsimus on sektsioonides, pakuvad puuduvad tõendid koebiopsiad, tserebrospinaalvedeliku mõõtmised, kujutise biomarkerid või muud sektsioonispetsiifilised hinnangud.
Allavoolu raja mõõtmised on võrdse kaaluga. BTK inhibiitorid loetakse läbi muutuste BTK-ga seotud signaalimises; MEK inhibiitorid ERK fosforüülimise moduleerimise kaudu.
Sihtmärgi seotuse sidumine allavoolu PD-ga annab vastuse kahele eraldi küsimusele.
- Kas ravim on jõudnud sihtmärgini ja sellega suhelnud?
- Kas see koostoime on andnud oodatud bioloogilise vastuse?
Kliiniliste annuse-vastuse andmete tõlgendamisel on sidumine oluline. Annus, mis saavutab peaaegu maksimaalse retseptori hõivatuse, ei pea tooma suurimat kliinilist kasu ja edasine suurendamine võib lisada raviga seotud riski, lisades samal ajal vähest farmakoloogilist aktiivsust.
Biomarkeri juhitud annuse valik määrab seega kindlaks bioloogiliselt aktiivse ja kliiniliselt sobiva annusevahemiku, mis erineb maksimaalsest talutavast annusest (MTD).
5. Biomarkerid patsientide valikul ja kliinilise efektiivsuse hindamisel
Arengu edenedes nihkub biomarkerite roll farmakoloogilise aktiivsuse kinnitamiselt kõige tõenäolisemalt kasu saavate patsientide tuvastamisele. See nihe on kõige olulisem sihipäraste ravimeetodite, immunoteraapiate ja molekulaarselt määratletud haiguste alarühmade vastu suunatud ravi puhul.
Pembrolizumabi programm on hästi dokumenteeritud juhtum.
Juhtumiuuring: pembrolizumab ja PD-L1 ennustava biomarkerina
Pembrolisumab on monoklonaalne antikeha, mille sihtmärgiks on programmeeritud rakusurma valk 1 (PD-1). Interaktsiooni blokeerimine PD-1 ja selle ligandide, nende hulgas PD-L1, taastab T-rakkude poolt vahendatud kasvajavastase aktiivsuse aspektid.
Varases kliinilises arengus tuli vastata korraga kahele küsimusele: milline annus võib saavutada püsiva farmakoloogilise aktiivsuse ja millised patsiendid reageerisid tõenäolisemalt.
Retseptori hõivatuse uuringud andsid farmakoloogilise poole. Kliinilised uuringud näitasid tsirkuleerivates T-rakkudes märkimisväärset PD-1 hõivatust kogu hinnatud annusevahemikus koos püsiva sihtmärgiga seotusega ning need leiud kujundasid pildi doosi, kokkupuute ja hõivatuse suhestumisest.
Annuse valik põhines enamal kui täituvusel. Kliinilisi PK, farmakodünaamilisi leide, efektiivsuse ja ohutuse andmeid kaaluti koos. Varajases kliinilises programmis hinnati mitut annustamisskeemi ja 2 mg/kg iga kolme nädala järel sai oluliseks annuseks esialgses arendusprogrammis.
Patsiendi valimine oli teine küsimus.
PD-L1 ekspressiooni uuriti kui potentsiaalset ennustavat biomarkerit. Immunohistokeemia kvantifitseeriti kasvajaproovides PD-L1 ja tulemusi testiti ravivastuse suhtes.
Hilisemad kliinilised uuringud näitasid PD-L1 ekspressiooni tähtsust patsientide valimisel teatud pembrolizumabi näidustuste jaoks. KEYNOTE-024 hinnati varem ravimata kaugelearenenud mitteväikerakk-kopsuvähki (NSCLC), mille kasvaja osakaalu skoor (TPS) oli PD-L1 vähemalt 50% ja ilma sensibiliseerivate EGFR-i või ALK muutusteta biomarkeritega rikastatud esmavaliku ravis. Pembrolizumab andis selles valitud populatsioonis paremad kliinilised tulemused võrreldes plaatinapõhise keemiaraviga.
PD-L1 IHC 22C3 pharmDx test töötati välja asjakohaste näidustuste jaoks kaasdiagnostikana.
Selles ühes programmis on kaks teineteist täiendavat rakendust. Retseptori hõivatus toetas arusaamist ravimi sihtmärgi koostoimest ja kliinilisest farmakoloogiast; kasvaja PD-L1 ekspressioon tuvastas patsientide populatsiooni, kes saavad suurema tõenäosusega kasu. Sihtmärgi seotuse marker ja ennustav marker vastavad erinevatele küsimustele isegi siis, kui mõlemad kuuluvad samasse arendusprogrammi, mistõttu hinnatakse mõlemat vastavalt oma kavandatud kliinilisele eesmärgile.
6. Miks tuleb translatiivseid biomarkereid hinnata liikide lõikes?
Loommudelis töötav biomarker ei sobi automaatselt kliiniliseks tõlkimiseks. Erinevused molekulaarstruktuuris, sihtmärgi ekspressioonis, immuunregulatsioonis, ainevahetuses ja kudedes jaotuses mõjutavad nii mõõtmist ennast kui ka selle bioloogilist tõlgendust.
Seetõttu kuulub liikidevaheline võrreldavus prekliiniliste uuringute kavandamisse. Neli aspekti kannavad suuremat riski.
Analüütiline võrreldavus.Analüüsid peavad olema vastavate liikide puhul piisavalt spetsiifilised ja tundlikud. Antikehadel, praimeritel, tuvastamisreaktiividel ja muudel analüütilistel komponentidel võivad inimeste ja loomade proovides olla erinevad jõudlusnäitajad.
Bioloogiline tähtsus.Mõõdetav muutus loomas ei tähenda alati sama bioloogilist protsessi inimestel. Küsimus on selles, kas biomarker peegeldab konserveerunud mehhanismi või liigispetsiifilist vastust.
Kudede asjakohasus.Perifeerses veres mõõdetud biomarkerid moonutavad sageli sihtorgani bioloogilist aktiivsust, mis on oluline kesknärvisüsteemi, onkoloogia ja koespetsiifiliste põletikuuuringute puhul.
Ajaline tähtsus.Biomarkerite muutusi ja kliinilisi või funktsionaalseid vastuseid saab ajas kompenseerida, nii et proovivõtu ajakava määrab, kas kokkupuute-vastuse suhe on üldse nähtav.
Ahviliste mudelid (NHP) muutuvad kasulikuks, kui farmakoloogiline mehhanism sõltub konserveerunud molekulaarsetest sihtmärkidest, komplekssetest immuuninteraktsioonidest või füsioloogilistest protsessidest, mida tavapärased loommudelid halvasti esindavad. Bioloogiliste ja muude liigitundlike ravimite puhul iseloomustavad NHP uuringud sihtmärgi seotust, süsteemset ekspositsiooni, immunoloogilisi vastuseid ja farmakodünaamilisi toimeid füsioloogiliselt olulises keskkonnas.
NHP uuringud ei kõrvalda liikidevahelisi erinevusi. Nende väärtus sõltub valitud mudeli asjakohasusest, kandidaatmolekuli farmakoloogilisest ristreaktiivsusest ja mõõdetavate biomarkerite sobivusest.
Translatsioonilise biomarkeri strateegia on seetõttu üles ehitatud toimemehhanismi ja kavandatud kliinilise rakenduse ümber, mitte aga lõpp-punktide ümber, mida on mugav mõõta.
7. Biomarkerite integreerimine kvantitatiivsesse arengustrateegiasse
Biomarkerid annavad kõige rohkem tulemusi siis, kui nad on integreeritud arendusstrateegia sees, mitte saabuvad isoleeritud mõõtmistena.
Prekliinilise väljatöötamise ajal määravad PK mõõtmised süsteemse kokkupuute ja vajaduse korral kudede kokkupuute. Sihtmärgi seotuse testid määravad kindlaks, kas kandidaat interakteerub kavandatud molekulaarse sihtmärgiga. PD biomarkerid iseloomustavad allavoolu bioloogilisi vastuseid ja haigusega seotud lõpp-punktid annavad tunnistust funktsionaalsest või patoloogilisest paranemisest.
PK/PD modelleerimine ja kokkupuute-vastuse analüüs koondavad need andmed seejärel annuste valiku, annustamisintervallide ja varajaste kliiniliste uuringute kavandamise otsustesse.
Kliinilise väljatöötamise käigus täpsustatakse sama raamistikku inimese PK, retseptori hõivatuse, raja aktiivsuse, kuvamistulemuste ja kliiniliste tulemustega.
Info ei liigu ühes suunas. Kliinilised vaatlused võivad näidata, et biomarkeril on piiratud ennustusväärtus, et sihtmärk ei ole asjakohase koega piisavalt seotud või et kompensatsioonirajad mõjutavad ravivastust. Need leiud tuginevad prekliiniliste andmete tõlgendamisele ja järgnevate uuringute kavandamisele.
Toimiv biomarkeri strateegia põhineb kolmel nõudel:
- Bioloogiline kehtivus:kas biomarker peegeldab kavandatud bioloogilist mehhanismi?
- Analüütiline kehtivus:kas seda saab täpselt ja korratavalt mõõta?
- Kliiniline tähtsus:kas mõõdetud muutus annab olulist teavet ravimi väljatöötamise või patsiendi tulemuste kohta?
Biomarker, mis vastab ühele või kahele neist, on endiselt kasutusel uurimuslikes uuringutes; selle võime kliinilisi otsuseid toetada on piiratud.
Biomarkerite valik, analüüside väljatöötamine, proovivõtustrateegia ja liikidevaheline hindamine kuuluvad seetõttu varajasse uuringukavasse, enne kui tõhususe tulemused muutuvad kättesaadavaks.
Mõju prekliinilistele translatsiooniuuringutele
Üleminek prekliinilisest farmakoloogiast kliinilise arengu suunas nõuab enamat kui tõendeid selle kohta, et kandidaatravim avaldab loommudelis toimet. See nõuab vaadet sellele, kuidas ravimitega kokkupuude, sihtmärgiga seotus, bioloogiline aktiivsus ja haigustega seotud tulemused on omavahel seotud.
Integreeritud PK/PD uuringud ja biomarkerite hindamine on see, kuidas see vaade kujuneb.
Ahviliste uuringutes kombineeritakse need hinnangud pikisuunaliste füsioloogiliste mõõtmistega,kliiniline pildistamine, koeproovide võtmine ja funktsionaalsed lõpp-punktid ühes katseraamistikus. Näiteks NHP kesknärvisüsteemi uuring võib integreerida plasma ja tserebrospinaalvedeliku ravimite kontsentratsioonid, pildipõhise hindamise, koespetsiifilise sihtmärgi seotuse ja neuroloogilised või käitumuslikud lõpp-punktid. Tulemuseks on ühe terminali mõõtmise asemel mitu tõendikihti.
Prisys BiotechisNHP farmakoloogiauuringud hõlmavad PK/PD hindamist, haigusega seotud biomarkerite hindamist, kliinilist pildistamist ja funktsionaalse lõpp-punkti analüüsi vastavalt uurimisprogrammi eesmärkidele. Konkreetse uuringu ülesehituse ja analüüsistrateegia määravad kandidaatravim, toimemehhanism ja kavandatud kliiniline rakendus.
Praktiline erinevus on biomarkerite käsitlemine otsustussisenditena, mitte mahuna. Kui bioloogilist aktiivsust saab eksperimentaalsete mudelite ja kliiniliste uuringute raames järjekindlalt mõõta ja tõlgendada, põhinevad arendusotsused tõenditel ning prekliinilise efektiivsuse ja inimese reaktsiooni vaheline kaugus muutub millekski, mida programm saab otse uurida.
