Биомаркеры в трансляционной медицине: связь доклинической фармакологии с разработкой клинических лекарств - Новости

Одной из центральных проблем при разработке лекарств является принятие решения о том, проявится ли фармакологический эффект, наблюдаемый в доклинических исследованиях, и на людях. Кандидат может продемонстрировать убедительную эффективность на модели животных, но при этом не добиться ожидаемого клинического ответа. Часто недостающей частью является биологический механизм, охарактеризованный достаточно хорошо, чтобы предсказать его поведение у второго вида.

Biomarkers in Translational Medicine Pipeline

Одна и та же молекула вызывает разные реакции у разных видов, поскольку экспрессия мишени, распределение рецепторов, метаболизм лекарств, воздействие на ткани, иммунная регуляция и биология заболевания различаются. Таким образом, улучшение модели на животных само по себе не означает, что механизм принесет клиническую пользу.

Биомаркеры дают возможность восполнить этот пробел. Измеряя изменения, связанные с воздействием препарата, целевым взаимодействием, модуляцией путей и реакцией на заболевание, программа может установить количественные взаимосвязи междуфармакокинетика (ПК)ифармакодинамика (ФД). Эти отношения говорят о том, какая степень воздействия необходима, какие биологические механизмы затронуты и связана ли наблюдаемая реакция с заболеванием человека.

В трансляционной медицине целью является последовательная структура: доклинические измерения служат основой для принятия клинических решений, а клинические наблюдения пересматривают доклинические гипотезы. Список маркеров-кандидатов не является конечным результатом.

1. Что делает биомаркер полезным при разработке лекарств?

Биомаркер — это измеримая характеристика, которая указывает на биологический процесс, патогенный процесс или реакцию на вмешательство. Молекулярные измерения, клеточные характеристики, физиологические параметры, результаты визуализации и объективно количественные изменения в поведении — все это соответствует критериям.

Их ценность зависит от биологического вопроса, на который они призваны ответить. Пять категорий повторяются при разработке лекарств.

Фармакодинамические биомаркерыпоказывают, что после введения дозы произошел биологический ответ: концентрации цитокинов, фосфорилирование сигнальных белков, экспрессия генов, метаболическая активность.

Биомаркеры целевого взаимодействияпоказать, что лекарство взаимодействовало с намеченной молекулярной мишенью. Заселение рецептора, связывание с мишенью и ингибирование сигнальных путей, связанных с мишенью, являются обычными показателями.

Прогностические биомаркерывыявить пациентов с большей вероятностью реагировать на конкретное лечение. Экспрессия PD-L1 и изменения BRCA1/2 являются установленными примерами в определенных терапевтических условиях.

Прогностические биомаркерыописать вероятное течение заболевания независимо от конкретного лечения.

Биомаркеры безопасностисигнализировать о потенциальной токсичности или физиологических нарушениях, связанных с лечением.

Категории не являются взаимоисключающими. Один биомаркер может нести различную информацию в зависимости от контекста исследования.

Биомаркер также по умолчанию не является клинической конечной точкой или суррогатной конечной точкой. Снижение циркулирующего маркера воспаления демонстрирует биологическую активность; это не означает, что у пациента произойдет значимое клиническое улучшение. Связывание изменения биомаркера с клиническим исходом требует отдельных доказательств.

Это различие формирует все, что происходит дальше по течению. Измерение изменений – это самая простая часть. Интерпретация того, что эти изменения означают для терапевтической эффективности, является более сложной задачей.

2. Доклинический фонд: связь воздействия наркотиков с биологической реакцией

Наиболее полезным вкладом биомаркеров в ходе доклинической разработки является связь, которую они устанавливают между воздействием лекарственного средства и фармакологической активностью.

Традиционное исследование эффективности показывает, что лечение улучшает конечный результат, связанный с заболеванием. Сам по себе он не говорит о том, возник ли эффект в результате адекватного взаимодействия с мишенью, модуляции последующих путей или непрямого биологического ответа.

Более информативный дизайн устанавливает три взаимосвязанных взаимосвязи: воздействие препарата, целевое воздействие и фармакодинамический ответ. Каждый отвечает на свой вопрос.

Воздействие препарата: какое количество препарата достигает соответствующего биологического отсека?

Фармакокинетические исследования характеризуют всасывание, распределение, метаболизм и выведение препарата. Концентрация в плазме является важной отправной точкой, но она является показателем воздействия в месте действия, а иногда и плохим.

Для препаратов, воздействующих на центральную нервную систему, само по себе воздействие в плазме мало что говорит о концентрации, доступной в тканях головного мозга. Антитела и другие крупные биологические препараты распределяются иначе, чем мелкие молекулы, по причинам, не связанным с концентрацией в плазме.

В зависимости от терапевтического механизма соответствующие измерения включают общие и несвязанные концентрации в плазме, концентрации в тканях, концентрации в спинномозговой жидкости или местное распределение лекарственного средства.

Целевое взаимодействие: Взаимодействует ли препарат с намеченной целью?

Целевое воздействие связывает воздействие препарата с фармакологической активностью.

Для антител, нацеленных на рецепторы, показатель занятости рецептора (RO) оценивает долю доступных рецепторов, связанных с препаратом. Для ингибиторов киназ изменения в целевом фосфорилировании или в нижестоящих сигнальных белках свидетельствуют об ингибировании пути. В любом случае измерение отвечает на вопрос, вызвала ли введенная доза достаточное биологическое взаимодействие с намеченной мишенью.

Фармакодинамический ответ: вызывает ли взаимодействие с мишенью ожидаемый биологический эффект?

Связывание — это не то же самое, что ответ. Лекарственное средство может достичь своей цели, не вызывая достаточной модуляции последующих путей, особенно там, где задействованы компенсаторные механизмы или резервные сигнальные пути.

Биомаркеры БП добавляют этот уровень доказательств.

Например, ингибитор киназы снижает фосфорилирование намеченной мишени, затем смещает сигнальные белки ниже по ходу и, наконец, перемещает конечную точку, связанную с заболеванием. Измерение всех трех уровней отделяет прямое целевое ингибирование от более широких биологических эффектов.

Количественная оценка связи «воздействие-реакция»

Как только будут доступны измерения воздействия и фармакодинамических показателей, модель сможет охарактеризовать взаимосвязь между ними.

Распространенным выбором является модель Emax:

E(C)=E0 + (Emax x C) / (EC50 + C)

где E(C) — наблюдаемый фармакологический эффект при концентрации C, E0 — базовый эффект, Emax — максимально достижимый эффект, а EC50 — концентрация, соответствующая 50% от этого максимума.

Более сложные модели добавляют отсроченные ответы, механизмы непрямого ответа, оборот рецепторов или зависящие от времени изменения воздействия препарата.

Практическая выгода – это диапазон воздействия, а не однократная доза. Вместо приема дозы, которая вызвала наибольший наблюдаемый эффект в исследовании на животных, программа может определить минимальное воздействие, необходимое для поражения цели, и воздействие, связанное с адекватным ответом на ПД. Это более рациональная основа для установления доз и целевых показателей воздействия в последующих клинических исследованиях.

3. От исследований на животных к подбору первой дозы для человека.

Выбор начальной клинической дозы является одним из наиболее очевидных способов использования доклинических данных ФК/ФД и биомаркеров.

Доклинические исследования токсичности обычно дают якорь безопасности: уровень ненаблюдаемого вредного воздействия (NOAEL), конвертируемый в эквивалентную дозу для человека (HED), а затем деленный на соответствующий коэффициент безопасности.

Однако для сильнодействующего или сильно биологически активного соединения стартовая доза, полученная только на основе токсикологических наблюдений, может не соответствовать фармакологическим показателям. Моноклональные антитела, иммуномодуляторы и другие таргетные терапевтические средства часто оказывают существенное биологическое действие при относительно низких концентрациях.

В этом случае применяется минимальный ожидаемый уровень биологического воздействия (MABEL). MABEL оценивает дозу или воздействие, которые, как ожидается, окажут минимальное биологическое воздействие на человека, опираясь на доступные фармакологические и доклинические данные, и обычно включает в себя:

Целевая экспрессия и характеристики связывания.
Данные о реакции концентрации in vitro.
Захват рецептора и взаимодействие с мишенью.
Функциональная активность в соответствующих биологических системах.
Отношения PK и PD в экспериментальных моделях.
Видовые различия в фармакологии и целевой биологии.

MABEL не заменяет оценку на основе NOAEL в каждой программе развития. Это добавляет соображения, основанные на фармакологии, и имеет наибольшее значение там, где чрезмерная активация или ингибирование мишени влечет за собой серьезные последствия.

Клиническое исследование TGN1412 остается эталонным примером того, почему одних только токсикологических результатов может быть недостаточно для создания иммуноактивирующего биологического препарата. У здоровых добровольцев развились тяжелые реакции высвобождения цитокинов, несмотря на предшествующие доклинические исследования. Эпизод касался видоспецифической фармакологии, биологической активности, значимой для человека, и взаимосвязи между дозой и иммунной активацией, ни один из которых не был решен доклиническим пакетом.

Для трансляционной программы урок состоит в том, что доклинические исследования должны давать больше, чем просто наблюдения за токсичностью и результаты эффективности. Им также необходимо достаточно хорошо объяснить механизм, чтобы предвидеть реакцию человека.

Biomarkers Bridge Preclinical and Clinical Development

4. Раннее клиническое развитие: подтверждение того, что механизм работает на людях.

Доклинические данные по биомаркерам порождают гипотезы. Клинические исследования проверяют, действуют ли они на людей.

На этапе I и на ранних этапах разработки II биомаркеры наиболее полезны для трех задач: подтверждения взаимодействия с мишенью, определения диапазонов биологически активного воздействия и описания взаимосвязи между дозой и фармакологическим ответом.

Заселенность рецептора является одним из примеров.

Для лекарств, нацеленных на рецепторы клеточной поверхности, проточная цитометрия или другой проверенный аналитический метод количественно определяют связывание лекарственного средства и доступность рецепторов в соответствующих популяциях циркулирующих клеток. Серийный отбор проб показывает, увеличивается ли занятость с увеличением дозы и приближается ли она к насыщению.

Периферическая кровь имеет пределы. Оккупация циркулирующих иммунных клеток не обеспечивает эквивалентного взаимодействия с мишенями в твердых тканях или других компартментах, связанных с заболеванием. Если вопрос носит фрагментарный характер, недостающие доказательства можно получить с помощью биопсии тканей, измерений спинномозговой жидкости, визуализационных биомаркеров или других оценок, специфичных для отдельных компартментов.

Измерения на нисходящем пути имеют равный вес. Ингибиторы BTK считываются через изменения в передаче сигналов, связанных с BTK; Ингибиторы МЕК посредством модуляции фосфорилирования ERK.

Сочетание целевого взаимодействия с последующими ПД отвечает на два отдельных вопроса:

Достиг ли препарат намеченной цели и взаимодействовал ли с ней?
Произошло ли это взаимодействие ожидаемый биологический ответ?

Сочетание имеет значение при интерпретации клинических данных о зависимости «доза-эффект». Доза, которая обеспечивает почти максимальную оккупацию рецепторов, не обязательно должна приносить наибольший клинический эффект, а дальнейшее ее повышение может увеличить риск, связанный с лечением, при незначительной фармакологической активности.

Таким образом, выбор дозы на основе биомаркеров определяет биологически активный и клинически приемлемый диапазон доз, который отличается от максимально переносимой дозы (МПД).

5. Биомаркеры при отборе пациентов и оценке клинической эффективности

По мере развития роль биомаркеров смещается от подтверждения фармакологической активности к выявлению пациентов, которые, скорее всего, получат пользу. Этот сдвиг имеет наибольшее значение для таргетной терапии, иммунотерапии и лечения, направленного против молекулярно определенных подгрупп заболеваний.

Программа пембролизумаба представляет собой хорошо документированный случай.

Практический пример: пембролизумаб и PD-L1 как прогнозирующий биомаркер

Пембролизумаб представляет собой моноклональное антитело, нацеленное на белок 1 запрограммированной гибели клеток (PD-1). Блокирование взаимодействия между PD-1 и его лигандами, в том числе PD-L1, восстанавливает некоторые аспекты противоопухолевой активности, опосредованной Т-клетками.

На ранних стадиях клинической разработки нужно было ответить сразу на два вопроса: какая доза может обеспечить устойчивую фармакологическую активность и какие пациенты с большей вероятностью ответят.

Исследования занятости рецепторов дали фармакологическую половину. Клинические исследования продемонстрировали значительную занятость PD-1 циркулирующими Т-клетками во всем оцененном диапазоне доз с устойчивым взаимодействием с мишенью, и эти результаты позволили составить представление о том, как связаны доза, воздействие и оккупация.

Выбор дозы зависел не только от занятости. Клиническая фармакокинетика, фармакодинамические данные, данные по эффективности и безопасности были взвешены вместе. В ранней клинической программе оценивались несколько режимов дозирования, и важной дозой в начальной программе разработки стала 2 мг/кг каждые три недели.

Выбор пациентов был вторым вопросом.

Экспрессия PD-L1 была исследована как потенциальный прогностический биомаркер. Иммуногистохимически определяли PD-L1 в образцах опухолей, и результаты сравнивали с ответом на лечение.

Последующие клинические исследования установили важность экспрессии PD-L1 при отборе пациентов для определенных показаний к пембролизумабу. KEYNOTE-024 оценивал ранее не леченный распространенный немелкоклеточный рак легких (НМРЛ) с показателем доли опухоли PD-L1 (TPS) не менее 50 % и без сенсибилизирующих изменений EGFR или ALK в условиях терапии первой линии, обогащенной биомаркерами. Пембролизумаб продемонстрировал лучшие клинические результаты по сравнению с химиотерапией на основе платины в этой выбранной популяции.

Анализ PD-L1 IHC 22C3 pharmDx был разработан в качестве сопутствующего диагностического средства при соответствующих показаниях.

Внутри одной программы находятся два взаимодополняющих приложения. Заселение рецептора способствовало пониманию взаимодействия лекарственного средства с мишенью и клинической фармакологии; экспрессия опухоли PD-L1 выявила группу пациентов, которая с большей вероятностью получит пользу. Маркер целевого взаимодействия и прогностический маркер отвечают на разные вопросы, даже если оба они принадлежат к одной и той же программе разработки, поэтому каждый из них оценивается в соответствии со своей предполагаемой клинической целью.

6. Почему трансляционные биомаркеры необходимо оценивать у разных видов

Биомаркер, работающий на животной модели, автоматически не подходит для клинического перевода. Различия в молекулярной структуре, целевой экспрессии, иммунной регуляции, метаболизме и распределении в тканях влияют как на само измерение, так и на его биологическую интерпретацию.

Таким образом, межвидовая сопоставимость должна учитываться при планировании доклинических исследований. Четыре аспекта несут большую часть риска.

Аналитическая сопоставимость.Анализы должны быть достаточно специфичными и чувствительными для соответствующих видов. Антитела, праймеры, реагенты для обнаружения и другие аналитические компоненты могут проявлять разные характеристики в образцах человека и животных.

Биологическая значимость.Измеримые изменения у животных не всегда отражают тот же биологический процесс, что и у людей. Вопрос в том, отражает ли биомаркер консервативный механизм или видоспецифичную реакцию.

Актуальность ткани.Биомаркеры, измеряемые в периферической крови, часто искажают биологическую активность в органе-мишени, что имеет значение в исследованиях ЦНС, онкологии и тканеспецифических воспалительных процессов.

Временная актуальность.Изменения биомаркеров и клинические или функциональные реакции могут быть смещены во времени, поэтому график отбора проб определяет, видна ли вообще связь между воздействием и реакцией.

Модели приматов, отличных от человека (NHP), становятся полезными там, где фармакологический механизм зависит от консервативных молекулярных мишеней, сложных иммунных взаимодействий или физиологических процессов, которые традиционные модели животных представляют плохо. Для биологических препаратов и других биологически чувствительных терапевтических средств исследования NHP характеризуют воздействие на мишень, системное воздействие, иммунологические реакции и фармакодинамические эффекты в физиологически значимых условиях.

Исследования NHP не устраняют межвидовые различия. Их ценность зависит от актуальности выбранной модели, фармакологической перекрестной реактивности молекулы-кандидата и пригодности измеряемых биомаркеров.

Таким образом, стратегия трансляционных биомаркеров строится вокруг механизма действия и предполагаемого клинического применения, а не вокруг конечных результатов, которые удобно измерить.

7. Интеграция биомаркеров в стратегию количественного развития.

Биомаркеры приносят наибольшую пользу, когда они входят в комплексную стратегию развития, а не представляют собой изолированные измерения.

В ходе доклинической разработки фармакокинетические измерения устанавливают системное воздействие и, при необходимости, воздействие на ткани. Анализы взаимодействия с мишенью определяют, взаимодействует ли кандидат с предполагаемой молекулярной мишенью. Биомаркеры БП характеризуют последующие биологические реакции, а конечные точки, связанные с заболеванием, свидетельствуют о функциональном или патологическом улучшении.

Моделирование ФК/ФД и анализ реакции на воздействие затем объединяют эти данные для принятия решений по выбору дозы, интервалам дозирования и планированию ранних клинических исследований.

В ходе клинической разработки та же самая основа уточняется с учетом ФК человека, занятости рецепторов, активности путей, результатов визуализации и клинических результатов.

Информация не течет в одном направлении. Клинические наблюдения могут показать, что биомаркер имеет ограниченную прогностическую ценность, что мишень недостаточно вовлечена в соответствующую ткань или что компенсаторные пути влияют на реакцию на лечение. Эти результаты учитываются при интерпретации доклинических данных и планировании последующих исследований.

Реальная стратегия биомаркеров основывается на трех требованиях:

Биологическая достоверность:отражает ли биомаркер предполагаемый биологический механизм?
Аналитическая достоверность:можно ли его измерить точно и воспроизводимо?
Клиническая значимость:Дает ли измеренное изменение значимую информацию для разработки лекарств или результатов лечения пациентов?

Биомаркер, удовлетворяющий одному или двум из этих требований, до сих пор используется в поисковых исследованиях; его способность поддерживать клинические решения остается ограниченной.

Таким образом, выбор биомаркеров, разработка методов анализа, стратегия отбора проб и межвидовая оценка должны быть разработаны на ранних стадиях исследования, до того, как станут известны результаты эффективности.

Значение для доклинических трансляционных исследований

Переход от доклинической фармакологии к клиническим разработкам требует чего-то большего, чем просто доказательств того, что лекарство-кандидат оказывает эффект на животной модели. Это требует понимания того, как связаны воздействие лекарств, целевое воздействие, последующая биологическая активность и последствия, связанные с заболеваниями.

Интегрированные исследования ФК/ФД и оценка биомаркеров – вот как строится эта точка зрения.

В исследованиях на приматах, кроме человека, эти оценки сочетаются с продольными физиологическими измерениями.клиническая визуализация, отбор проб тканей и функциональные конечные точки в рамках единой экспериментальной структуры. Например, исследование ЦНС NHP может включать в себя концентрации лекарств в плазме и спинномозговой жидкости, оценку на основе визуализации, воздействие на тканеспецифические цели, а также неврологические или поведенческие конечные точки. В результате получается несколько уровней доказательств вместо одного конечного измерения.

В компании Prisys BiotechФармакология НХПисследования включают оценку ФК/ФД, оценку биомаркеров, связанных с заболеванием, клиническую визуализацию и анализ функциональных конечных точек в соответствии с целями исследовательской программы. Конкретный дизайн исследования и аналитическая стратегия определяются кандидатным лекарственным средством, механизмом действия и предполагаемым клиническим применением.

Практическая разница заключается в том, чтобы рассматривать биомаркеры как исходные данные для принятия решения, а не как объем. Там, где биологическую активность можно количественно оценить и последовательно интерпретировать в рамках экспериментальных моделей и клинических исследований, решения о разработке основываются на фактических данных, а расстояние между доклинической эффективностью и реакцией человека становится тем, что программа может исследовать напрямую.