Jednym z głównych wyzwań w opracowywaniu leków jest podjęcie decyzji, czy efekt farmakologiczny zaobserwowany w badaniach przedklinicznych pojawi się również u ludzi. Kandydat może wykazać przekonującą skuteczność na modelu zwierzęcym, a mimo to nie wywołać oczekiwanej odpowiedzi klinicznej. Często brakującym elementem jest mechanizm biologiczny scharakteryzowany na tyle dobrze, że pozwala przewidzieć jego zachowanie u drugiego gatunku.
Ta sama cząsteczka wywołuje różne reakcje u różnych gatunków, ponieważ ekspresja docelowa, rozmieszczenie receptorów, metabolizm leków, ekspozycja tkanek, regulacja immunologiczna i biologia choroby różnią się. Ulepszenie modelu zwierzęcego samo w sobie nie oznacza zatem, że dany mechanizm przełoży się na korzyść kliniczną.
Biomarkery umożliwiają pracę nad tą luką. Mierząc zmiany związane z ekspozycją na lek, zaangażowaniem docelowym, modulacją szlaku i reakcją na chorobę, program może ustalić ilościowe zależności pomiędzy nimifarmakokinetyka (PK)Ifarmakodynamika (PD). Zależności te mówią, ile ekspozycji jest potrzebne, na jakie mechanizmy biologiczne ma to wpływ i czy obserwowana reakcja ma związek z chorobą człowieka.
W medycynie translacyjnej celem są spójne ramy: pomiary przedkliniczne wpływają na decyzje kliniczne, a obserwacje kliniczne weryfikują hipotezy przedkliniczne. Lista kandydatów na markery nie jest dostarczana.
1. Co sprawia, że biomarker jest przydatny w opracowywaniu leków?
Biomarker to mierzalna cecha, która wskazuje proces biologiczny, proces chorobotwórczy lub reakcję na interwencję. Kwalifikują się pomiary molekularne, charakterystyka komórkowa, parametry fizjologiczne, wyniki badań obrazowych i obiektywnie określone ilościowo zmiany w zachowaniu.
Ich wartość zależy od pytania biologicznego, na które mają odpowiedzieć. Podczas opracowywania leków powtarza się pięć kategorii.
Biomarkery farmakodynamicznepokazują, że po podaniu wystąpiła odpowiedź biologiczna: stężenie cytokin, fosforylacja białek sygnalizacyjnych, ekspresja genów, aktywność metaboliczna.
Docelowe biomarkery zaangażowaniawykazać, że lek wszedł w interakcję z zamierzonym celem molekularnym. Typowymi odczytami są obłożenie receptorów, wiązanie celu i hamowanie szlaków sygnalizacyjnych związanych z celem.
Predykcyjne biomarkeryzidentyfikować pacjentów, którzy z większym prawdopodobieństwem zareagują na określone leczenie. Ekspresja PD-L1 i zmiany BRCA1/2 to uznane przykłady w określonych warunkach terapeutycznych.
Biomarkery prognostyczneopisują prawdopodobny przebieg choroby niezależnie od konkretnego leczenia.
Biomarkery bezpieczeństwazgłosić potencjalną toksyczność związaną z leczeniem lub zaburzenia fizjologiczne.
Kategorie nie wykluczają się wzajemnie. Pojedynczy biomarker może nieść różne rodzaje informacji w zależności od kontekstu badania.
Biomarker nie jest także domyślnie klinicznym punktem końcowym ani zastępczym punktem końcowym. Zmniejszenie krążącego markera stanu zapalnego wykazuje aktywność biologiczną; nie stwierdza, że pacjent odczuje znaczącą poprawę kliniczną. Powiązanie zmiany biomarkera z wynikiem klinicznym wymaga odrębnych dowodów.
To rozróżnienie kształtuje wszystko na dalszym etapie. Pomiar zmiany jest prostą częścią. Zinterpretowanie znaczenia zmiany dla skuteczności terapeutycznej jest trudniejsze.
2. Podstawy przedkliniczne: powiązanie narażenia na lek z reakcją biologiczną
Najbardziej użytecznym wkładem biomarkerów w rozwój przedkliniczny jest ustalenie powiązania między ekspozycją na lek a aktywnością farmakologiczną.
Konwencjonalne badanie skuteczności pokazuje, że leczenie poprawia punkt końcowy związany z chorobą. Samo w sobie nie mówi, czy efekt wynikał z odpowiedniego zaangażowania celu, modulacji dalszego szlaku, czy też pośredniej odpowiedzi biologicznej.
Bardziej informacyjny projekt ustanawia trzy powiązane zależności: narażenie na lek, zaangażowanie celu i odpowiedź farmakodynamiczną. Każdy odpowiada na inne pytanie.
Ekspozycja na lek: Ile leku dociera do odpowiedniego przedziału biologicznego?
Badania farmakokinetyczne charakteryzują wchłanianie, dystrybucję, metabolizm i eliminację leku. Stężenie w osoczu jest ważnym punktem wyjścia, ale jest wskaźnikiem zastępczym narażenia w miejscu działania, czasami słabym.
W przypadku leków działających na ośrodkowy układ nerwowy samo narażenie na działanie leku w osoczu niewiele mówi o stężeniu dostępnym w tkance mózgowej. Przeciwciała i inne duże leki biologiczne rozkładają się inaczej niż małe cząsteczki z przyczyn leżących poza stężeniem w osoczu.
W zależności od mechanizmu terapeutycznego odpowiednie pomiary obejmują całkowite i niezwiązane stężenia w osoczu, stężenia w tkankach, stężenia w płynie mózgowo-rdzeniowym lub lokalną dystrybucję leku.
Zaangażowanie w cel: czy lek wchodzi w interakcję z zamierzonym celem?
Zaangażowanie docelowe łączy ekspozycję na lek z aktywnością farmakologiczną.
W przypadku przeciwciał skierowanych przeciwko receptorowi zajęcie receptora (RO) szacuje proporcję dostępnych receptorów związanych przez lek. W przypadku inhibitorów kinaz zmiany w docelowej fosforylacji lub w dalszych białkach sygnalizacyjnych dostarczają dowodów na hamowanie szlaku. Tak czy inaczej, pomiar daje odpowiedź, czy podana dawka wywołała wystarczającą interakcję biologiczną z zamierzonym celem.
Odpowiedź farmakodynamiczna: czy zaangażowanie w cel daje oczekiwany efekt biologiczny?
Wiązanie to nie to samo, co odpowiedź. Lek może zająć swój cel, nie wytwarzając wystarczającej modulacji dalszego szlaku, szczególnie gdy zaangażowane są mechanizmy kompensacyjne lub nadmiarowe szlaki sygnałowe.
Biomarkery PD dodają tę warstwę dowodów.
Na przykład inhibitor kinazy zmniejsza fosforylację zamierzonego celu, następnie przesuwa białka sygnalizacyjne w dół i ostatecznie przesuwa punkt końcowy związany z chorobą. Pomiar wszystkich trzech poziomów oddziela bezpośrednie hamowanie celu od szerszych skutków biologicznych.
Kwantyfikacja zależności narażenie-reakcja
Gdy dostępne będą pomiary narażenia i farmakodynamiki, model może scharakteryzować związek między nimi.
Częstym wyborem jest model Emax:
E(C)=E0 + (Emax x C) / (EC50 + C)
gdzie E(C) to obserwowany efekt farmakologiczny przy stężeniu C, E0 to efekt bazowy, Emax to maksymalny osiągalny efekt, a EC50 to stężenie związane z 50% tego maksimum.
Bardziej złożone modele dodają reakcje opóźnione, mechanizmy odpowiedzi pośredniej, obrót receptorów lub zależne od czasu zmiany w ekspozycji na lek.
Praktyczną korzyścią jest zakres ekspozycji, a nie pojedyncza dawka. Zamiast przyjmować dawkę, która wywołała największy zaobserwowany efekt w badaniu na zwierzętach, program może określić minimalną ekspozycję wymaganą do zaatakowania celu oraz ekspozycję związaną z odpowiednią reakcją PD. Stanowi to bardziej racjonalną podstawę do ustalania dawek i docelowych poziomów narażenia w późniejszych badaniach klinicznych.
3. Od badań na zwierzętach do doboru pierwszej dawki podawanej człowiekowi
Wybór początkowej dawki klinicznej jest jednym z najwyraźniejszych zastosowań przedklinicznych danych PK/PD i biomarkerów.
Niekliniczne badania toksyczności zwykle dostarczają kotwicy bezpieczeństwa: poziomu, przy którym nie obserwuje się działań niepożądanych (NOAEL) przeliczonego na dawkę równoważną dla człowieka (HED), a następnie podzielonego przez odpowiedni współczynnik bezpieczeństwa.
Jednak w przypadku bardzo silnego lub silnie biologicznie aktywnego związku dawka początkowa ustalona wyłącznie na podstawie obserwacji toksykologicznych może nie uwzględniać właściwości farmakologicznych. Przeciwciała monoklonalne, modulatory odporności i inne ukierunkowane leki często powodują istotne skutki biologiczne przy stosunkowo niskich stężeniach.
Minimalny przewidywany poziom skutku biologicznego (MABEL) obejmuje ten przypadek. MABEL szacuje dawkę lub narażenie, które według przewidywań wywoła minimalny efekt biologiczny u ludzi, opierając się na dostępnych dowodach farmakologicznych i nieklinicznych, i zazwyczaj uwzględnia:
- Docelowa ekspresja i charakterystyka wiązania.
- Dane in vitro stężenie-reakcja.
- Obłożenie receptorów i zaangażowanie celu.
- Aktywność funkcjonalna w odpowiednich układach biologicznych.
- Zależności PK i PD w modelach eksperymentalnych.
- Różnice gatunkowe w farmakologii i biologii docelowej.
MABEL nie zastępuje oceny opartej na NOAEL w każdym programie rozwojowym. Dodaje to rozważania oparte na farmakologii i ma największe znaczenie tam, gdzie nadmierna aktywacja lub hamowanie celu niesie ze sobą poważne konsekwencje.
Badanie kliniczne TGN1412 pozostaje przypadkiem referencyjnym wyjaśniającym, dlaczego same wyniki badań toksykologicznych mogą nie wystarczyć w przypadku leku biologicznego aktywującego układ odpornościowy. U zdrowych ochotników wystąpiły ciężkie reakcje związane z uwalnianiem cytokin pomimo wcześniejszych badań nieklinicznych. Epizod dotyczył farmakologii specyficznej dla gatunku, aktywności biologicznej istotnej dla człowieka oraz związku między dawką a aktywacją immunologiczną, przy czym żaden z tych problemów nie został rozwiązany w przypadku pakietu nieklinicznego.
W przypadku programu translacyjnego lekcja jest taka, że badania przedkliniczne muszą generować więcej niż tylko obserwacje toksyczności i wyniki skuteczności. Muszą także wyjaśnić mechanizm na tyle dobrze, aby przewidzieć reakcję człowieka.
4. Wczesny rozwój kliniczny: potwierdzenie, że mechanizm działa u ludzi
Przedkliniczne odkrycia biomarkerów pozwalają postawić hipotezy. Badania kliniczne sprawdzają, czy utrzymują się one u ludzi.
Podczas fazy I i wczesnej fazy II biomarkery są najbardziej przydatne do trzech zadań: potwierdzania zaangażowania docelowego, lokalizowania zakresów narażenia biologicznie aktywnego oraz opisywania związku między dawką a odpowiedzią farmakologiczną.
Jednym z przykładów jest zajęcie receptorów.
W przypadku leków ukierunkowanych na receptory na powierzchni komórki cytometria przepływowa lub inna zwalidowana metoda analityczna określa ilościowo wiązanie leku i dostępność receptora w odpowiednich populacjach komórek krążących. Próbkowanie seryjne pokazuje, czy obłożenie wzrasta wraz z dawką i czy zbliża się do nasycenia.
Krew obwodowa ma swoje granice. Zajęcie krążących komórek odpornościowych nie zapewnia równoważnego zaangażowania celu w tkankach stałych lub w innych przedziałach istotnych dla choroby. Jeżeli pytanie dotyczy kompartmentów, brakujących dowodów dostarczają biopsje tkanek, pomiary płynu mózgowo-rdzeniowego, biomarkery obrazowe lub inne oceny specyficzne dla kompartmentów.
Pomiary dalszej ścieżki mają tę samą wagę. Inhibitory BTK odczytują zmiany w sygnalizacji związanej z BTK; Inhibitory MEK poprzez modulację fosforylacji ERK.
Połączenie zaangażowania celu z dalszym PD daje odpowiedź na dwa osobne pytania:
- Czy lek osiągnął zamierzony cel i wszedł w interakcję z nim?
- Czy ta interakcja wywołała oczekiwaną reakcję biologiczną?
Parowanie ma znaczenie przy interpretacji danych klinicznych dotyczących zależności dawka-odpowiedź. Dawka, która powoduje niemal maksymalne wysycenie receptorów, nie musi dawać największych korzyści klinicznych, a dalsze zwiększanie może zwiększyć ryzyko związane z leczeniem, jednocześnie powodując niewielką aktywność farmakologiczną.
Wybór dawki na podstawie biomarkerów umożliwia zatem identyfikację biologicznie aktywnego i klinicznie odpowiedniego zakresu dawek, który różni się od dawki docelowej innej niż maksymalna tolerowana dawka (MTD).
5. Biomarkery w doborze pacjentów i ocenie skuteczności klinicznej
W miarę postępu rozwoju rola biomarkerów przesuwa się z potwierdzania aktywności farmakologicznej na identyfikację pacjentów, którzy najprawdopodobniej odniosą z tego korzyści. Ta zmiana ma największe znaczenie w przypadku terapii celowanych, immunoterapii i terapii ukierunkowanych na molekularnie zdefiniowane podgrupy chorób.
Program pembrolizumabu jest dobrze udokumentowanym przypadkiem.
Studium przypadku: Pembrolizumab i PD-L1 jako biomarker predykcyjny
Pembrolizumab jest przeciwciałem monoklonalnym skierowanym przeciwko białku zaprogramowanej śmierci komórki 1 (PD-1). Blokowanie interakcji pomiędzy PD-1 i jego ligandami, w tym PD-L1, przywraca aspekty aktywności przeciwnowotworowej, w której pośredniczą komórki T.
Wczesny rozwój kliniczny wymagał natychmiastowej odpowiedzi na dwa pytania: jaka dawka może zapewnić trwałe działanie farmakologiczne i którzy pacjenci z większym prawdopodobieństwem zareagują.
Badania obłożenia receptorów dostarczyły połowy farmakologicznej. Badania kliniczne wykazały znaczne obłożenie PD-1 krążących limfocytów T w całym ocenianym zakresie dawek, przy stałym zaangażowaniu w cel, a odkrycia te pozwoliły uzyskać obraz związku dawki, narażenia i obłożenia.
Wybór dawki opierał się nie tylko na obłożeniu. Porównano farmakodynamikę kliniczną, dane dotyczące skuteczności i bezpieczeństwa. We wczesnym programie klinicznym oceniano wiele schematów dawkowania, a 2 mg/kg co trzy tygodnie stało się ważną dawką we wstępnym programie rozwoju.
Drugim pytaniem był wybór pacjenta.
Badano ekspresję PD-L1 jako potencjalny biomarker predykcyjny. Immunohistochemię określono ilościowo PD-L1 w próbkach nowotworu, a wyniki porównano z odpowiedzią na leczenie.
W kolejnych badaniach klinicznych ustalono znaczenie ekspresji PD-L1 przy wyborze pacjentów do określonych wskazań pembrolizumabu. W badaniu KEYNOTE-024 oceniano wcześniej nieleczonego zaawansowanego niedrobnokomórkowego raka płuc (NSCLC) z liczbą punktów w skali guza PD-L1 (TPS) wynoszącą co najmniej 50% i bez uwrażliwiania zmian w EGFR lub ALK, w leczeniu pierwszego rzutu wzbogaconym w biomarkery. W wybranej populacji pembrolizumab zapewniał lepsze wyniki kliniczne w porównaniu z chemioterapią opartą na platynie.
Test PD-L1 IHC 22C3 pharmDx został opracowany jako dodatkowa metoda diagnostyczna w odpowiednich wskazaniach.
W jednym programie znajdują się dwie uzupełniające się aplikacje. Zajęcie receptorów pomogło w zrozumieniu interakcji lek-cel i farmakologii klinicznej; ekspresja guza PD-L1 pozwoliła zidentyfikować populację pacjentów, która z większym prawdopodobieństwem odniesie korzyść. Marker zaangażowania celu i marker predykcyjny odpowiadają na różne pytania, nawet jeśli oba należą do tego samego programu rozwojowego, dlatego też każdy z nich jest oceniany pod kątem własnego zamierzonego celu klinicznego.
6. Dlaczego biomarkery translacyjne należy oceniać u różnych gatunków
Biomarker działający w modelu zwierzęcym nie nadaje się automatycznie do zastosowania klinicznego. Różnice w strukturze molekularnej, docelowej ekspresji, regulacji odporności, metabolizmie i rozmieszczeniu tkanek wpływają zarówno na sam pomiar, jak i na jego biologiczną interpretację.
Dlatego w projektowaniu badań przedklinicznych należy uwzględnić porównywalność międzygatunkową. Największe ryzyko niosą cztery aspekty.
Porównywalność analityczna.Testy muszą być wystarczająco specyficzne i czułe dla danego gatunku. Przeciwciała, startery, odczynniki do wykrywania i inne składniki analityczne mogą wykazywać różną charakterystykę działania w próbkach ludzkich i zwierzęcych.
Znaczenie biologiczne.Mierzalna zmiana u zwierzęcia nie zawsze odzwierciedla ten sam proces biologiczny u człowieka. Pytanie brzmi, czy biomarker odzwierciedla konserwatywny mechanizm, czy reakcję specyficzną dla gatunku.
Znaczenie tkanki.Biomarkery mierzone we krwi obwodowej często błędnie określają aktywność biologiczną w narządzie docelowym, co ma znaczenie w badaniach OUN, onkologii i badaniach zapalnych specyficznych dla tkanek.
Znaczenie tymczasowe.Zmiany biomarkerów oraz reakcje kliniczne lub funkcjonalne można zrównoważyć w czasie, dlatego harmonogram pobierania próbek określa, czy w ogóle widoczna jest zależność między ekspozycją a reakcją.
Modele naczelnych innych niż ludzie (NHP) stają się przydatne tam, gdzie mechanizm farmakologiczny zależy od konserwatywnych celów molekularnych, złożonych interakcji immunologicznych lub procesów fizjologicznych, które konwencjonalne modele zwierzęce słabo odzwierciedlają. W przypadku leków biologicznych i innych środków terapeutycznych wrażliwych na gatunki badania NHP charakteryzują zaangażowanie docelowe, ekspozycję ogólnoustrojową, odpowiedzi immunologiczne i efekty farmakodynamiczne w warunkach fizjologicznie istotnych.
Badania NHP nie eliminują różnic międzygatunkowych. Ich wartość zależy od trafności wybranego modelu, farmakologicznej reaktywności krzyżowej cząsteczki-kandydata i przydatności mierzonych biomarkerów.
Dlatego strategia biomarkerów translacyjnych opiera się na mechanizmie działania i zamierzonym zastosowaniu klinicznym, a nie na punktach końcowych, które akurat są wygodne do pomiaru.
7. Integracja biomarkerów w ilościową strategię rozwoju
Biomarkery przynoszą największe korzyści, gdy są częścią zintegrowanej strategii rozwoju, a nie pojawiają się w postaci izolowanych pomiarów.
Podczas badań przedklinicznych pomiary PK ustalają narażenie ogólnoustrojowe i, w stosownych przypadkach, narażenie tkankowe. Testy zaangażowania celu pozwalają określić, czy kandydat wchodzi w interakcję z zamierzonym celem molekularnym. Biomarkery PD charakteryzują dalsze reakcje biologiczne, a punkty końcowe związane z chorobą dostarczają dowodów na poprawę funkcjonalną lub patologiczną.
Modelowanie PK/PD i analiza reakcji na ekspozycję umożliwiają następnie konsolidację tych danych przy podejmowaniu decyzji dotyczących wyboru dawki, odstępów pomiędzy kolejnymi dawkami i projektowania wczesnych badań klinicznych.
Podczas rozwoju klinicznego te same ramy są udoskonalane pod kątem ludzkiej farmakokinetyki, obłożenia receptorów, aktywności szlaku, wyników badań obrazowych i wyników klinicznych.
Informacje nie przepływają w jednym kierunku. Obserwacje kliniczne mogą wykazać, że biomarker ma ograniczoną wartość predykcyjną, że cel nie jest wystarczająco zaangażowany w odpowiednią tkankę lub że ścieżki kompensacyjne wpływają na odpowiedź na leczenie. Odkrycia te wpływają na interpretację danych przedklinicznych i projektowanie kolejnych badań.
Skuteczna strategia dotycząca biomarkerów opiera się na trzech wymaganiach:
- Ważność biologiczna:czy biomarker odzwierciedla zamierzony mechanizm biologiczny?
- Trafność analityczna:czy można go zmierzyć dokładnie i powtarzalnie?
- Znaczenie kliniczne:czy zmierzona zmiana dostarcza istotnych informacji na temat opracowywania leku lub wyników pacjentów?
Biomarker spełniający jeden lub dwa z nich nadal ma zastosowanie w badaniach odkrywczych; jego zdolność do wspierania decyzji klinicznych pozostaje ograniczona.
Dlatego też wybór biomarkerów, opracowanie testu, strategia pobierania próbek i ocena międzygatunkowa muszą być uwzględnione na wczesnym etapie projektowania badania, zanim dostępne będą wyniki dotyczące skuteczności.
Implikacje dla przedklinicznych badań translacyjnych
Przejście od farmakologii przedklinicznej do rozwoju klinicznego wymaga czegoś więcej niż tylko dowodu na to, że kandydat na lek wywołuje efekt w modelu zwierzęcym. Wymaga to spojrzenia na to, jak narażenie na lek, zaangażowanie docelowe, dalsza aktywność biologiczna i skutki związane z chorobą łączą się.
Zintegrowane badania PK/PD i ocena biomarkerów to sposób, w jaki buduje się ten pogląd.
W badaniach na naczelnych innych niż ludzie oceny te łączą się z podłużnymi pomiarami fizjologicznymi,obrazowanie kliniczne, pobieranie próbek tkanek i funkcjonalne punkty końcowe w ramach jednego eksperymentu. Na przykład badanie NHP CNS może uwzględniać stężenia leku w osoczu i płynie mózgowo-rdzeniowym, ocenę opartą na obrazowaniu, specyficzne dla tkanki zaangażowanie docelowe oraz neurologiczne lub behawioralne punkty końcowe. Rezultatem jest kilka warstw dowodów zamiast pojedynczego pomiaru końcowego.
W Prisys Biotech,Farmakologia NHPbadania obejmują ocenę PK/PD, ocenę biomarkerów związanych z chorobą, obrazowanie kliniczne i analizę funkcjonalnego punktu końcowego zgodnie z celami programu badawczego. Konkretny projekt badania i strategia analityczna zależą od leku-kandydata, mechanizmu działania i zamierzonego zastosowania klinicznego.
Praktyczną różnicą jest traktowanie biomarkerów jako danych wejściowych decyzji, a nie jako objętości. Tam, gdzie aktywność biologiczną można określić ilościowo i konsekwentnie interpretować w modelach eksperymentalnych i badaniach klinicznych, decyzje dotyczące rozwoju opierają się na dowodach, a odległość między skutecznością przedkliniczną a reakcją człowieka staje się czymś, co program może bezpośrednio zbadać.
