Jedan od centralnih izazova u razvoju lijekova je odlučivanje da li će se farmakološki učinak uočen u pretkliničkim studijama pojaviti i kod ljudi. Kandidat može pokazati uvjerljivu efikasnost na životinjskom modelu i još uvijek ne može proizvesti očekivani klinički odgovor. Često je dio koji nedostaje biološki mehanizam koji je dovoljno dobro okarakterisan da predvidi njegovo ponašanje kod druge vrste.
Isti molekul proizvodi različite odgovore među vrstama, jer se ciljna ekspresija, distribucija receptora, metabolizam lijekova, izloženost tkiva, imunološka regulacija i biologija bolesti razlikuju. Poboljšanje životinjskog modela stoga samo po sebi ne dokazuje da će se mehanizam prevesti u kliničku korist.
Biomarkeri daju način da se poradi na tom jazu. Mjerenjem promjena povezanih s izloženošću lijekovima, ciljanim angažmanom, modulacijom puta i odgovorom na bolest, program može uspostaviti kvantitativne odnose izmeđufarmakokinetika (PK)ifarmakodinamika (PD). Ti odnosi govore koliko je izlaganja potrebno, na koje biološke mehanizme utiče i da li se uočeni odgovor odnosi na ljudske bolesti.
U translacijskoj medicini cilj je koherentan okvir: pretklinička mjerenja informiraju o kliničkim odlukama, a klinička opažanja revidiraju pretkliničke hipoteze. Lista markera kandidata nije isporučiva.
1. Šta čini biomarker korisnim u razvoju lijekova?
Biomarker je mjerljiva karakteristika koja ukazuje na biološki proces, patogeni proces ili odgovor na intervenciju. Molekularna mjerenja, ćelijske karakteristike, fiziološki parametri, nalazi imidžinga i objektivno kvantificirane promjene ponašanja su sve kvalificirane.
Njihova vrijednost ovisi o biološkom pitanju na koje treba odgovoriti. Pet kategorija se ponavlja u razvoju lijekova.
Farmakodinamički biomarkeripokazuju da se nakon doziranja dogodio biološki odgovor: koncentracije citokina, fosforilacija signalnih proteina, ekspresija gena, metabolička aktivnost.
Biomarkeri ciljanog angažmanapokazuju da je lijek stupio u interakciju sa predviđenom molekularnom metom. Zauzetost receptora, vezivanje cilja i inhibicija signalnih puteva povezanih s ciljem su uobičajena očitavanja.
Prediktivni biomarkeriidentificirati pacijente koji će vjerojatnije odgovoriti na određeni tretman. PD-L1 ekspresija i BRCA1/2 izmjene su uspostavljeni primjeri u definisanim terapijskim postavkama.
Prognostički biomarkeriopisuju vjerojatni tok bolesti neovisno o određenom tretmanu.
Sigurnosni biomarkerioznačite potencijalnu toksičnost ili fiziološki poremećaj povezan s liječenjem.
Kategorije se međusobno ne isključuju. Jedan biomarker može nositi različite vrste informacija ovisno o kontekstu studije.
Biomarker također nije klinička krajnja tačka ili surogat krajnja tačka po defaultu. Smanjenje cirkulirajućeg inflamatornog markera pokazuje biološku aktivnost; ne utvrđuje da će pacijent doživjeti značajno kliničko poboljšanje. Vezanje promjene biomarkera za klinički ishod zahtijeva odvojene dokaze.
Ta razlika oblikuje sve nizvodno. Merenje promene je jednostavan deo. Teže je protumačiti šta promjena znači za terapijsku efikasnost.
2. Pretklinička fondacija: Povezivanje izloženosti lijekovima s biološkim odgovorom
Najkorisniji doprinos biomarkera tokom pretkliničkog razvoja je veza koju uspostavljaju između izloženosti lijekovima i farmakološke aktivnosti.
Konvencionalna studija efikasnosti pokazuje da tretman poboljšava krajnju tačku povezanu sa bolešću. Sama po sebi ne govori da li je efekat proizašao iz adekvatnog angažovanja cilja, modulacije nizvodnog puta ili indirektnog biološkog odgovora.
Informativniji dizajn uspostavlja tri povezana odnosa: izloženost lijekovima, angažman cilja i farmakodinamički odgovor. Svaki odgovara na različito pitanje.
Izloženost drogama: Koliko lijeka dospijeva u relevantni biološki odjeljak?
Farmakokinetičke studije karakteriziraju apsorpciju, distribuciju, metabolizam i eliminaciju lijeka. Koncentracija u plazmi je važna početna tačka, ali ona je pokazatelj izloženosti na mjestu djelovanja, a ponekad i loša.
Za lijekove koji ciljaju na centralni nervni sistem, samo izlaganje plazmi govori malo o koncentraciji dostupnoj u moždanom tkivu. Antitijela i drugi veliki biološki lijekovi se distribuiraju drugačije od malih molekula iz razloga koji su izvan koncentracije u plazmi.
Ovisno o terapijskom mehanizmu, relevantna mjerenja uključuju ukupne i nevezane koncentracije u plazmi, koncentraciju u tkivu, koncentraciju cerebrospinalne tekućine ili lokalnu distribuciju lijeka.
Angažman cilja: Da li lijek u interakciji s namjeravanim ciljem?
Ciljni angažman povezuje izloženost lijekovima s farmakološkom aktivnošću.
Za antitijela koja ciljaju na receptore, zauzetost receptora (RO) procjenjuje udio dostupnih receptora vezanih za lijek. Za inhibitore kinaze, promjene u ciljnoj fosforilaciji ili nizvodnim signalnim proteinima pružaju dokaz inhibicije puta. U svakom slučaju, mjerenje daje odgovor da li je primijenjena doza proizvela dovoljnu biološku interakciju s namjeravanom metom.
Farmakodinamički odgovor: Da li ciljno angažovanje proizvodi očekivani biološki efekat?
Vezivanje nije isto što i odgovor. Lijek može zauzeti svoju metu bez stvaranja dovoljne modulacije nizvodnog puta, posebno tamo gdje su uključeni kompenzacijski mehanizmi ili redundantni signalni putevi.
PD biomarkeri dodaju taj sloj dokaza.
Inhibitor kinaze, na primjer, smanjuje fosforilaciju svoje željene mete, zatim pomjera signalne proteine nizvodno i konačno pomiče krajnju tačku povezanu s bolešću. Mjerenje sva tri nivoa razdvaja direktnu ciljanu inhibiciju od širih bioloških efekata.
Kvantificiranje odnosa izloženost-odgovor
Kada su izloženost i farmakodinamička mjerenja dostupna, model može okarakterizirati odnos između njih.
Uobičajeni izbor je Emax model:
E(C)=E0 + (Emax x C) / (EC50 + C)
gdje je E(C) uočeni farmakološki učinak pri koncentraciji C, E0 osnovni efekat, Emax maksimalni mogući učinak, a EC50 koncentracija povezana sa 50% tog maksimuma.
Složeniji modeli dodaju odgođene odgovore, indirektne mehanizme odgovora, promjenu receptora ili vremenski zavisne promjene u izloženosti lijeku.
Praktična isplata je raspon izloženosti, a ne pojedinačna doza. Umjesto uzimanja doze koja je proizvela najveći uočeni učinak u studiji na životinjama, program može identificirati minimalnu izloženost potrebnu za djelovanje cilja i izloženost povezana s adekvatnim odgovorom na PD. To je racionalnija osnova za određivanje doza i ciljeva izloženosti u kasnijim kliničkim studijama.
3. Od studija na životinjama do prvog odabira doze kod ljudi
Odabir početne kliničke doze jedna je od najjasnijih upotreba pretkliničkih podataka o PK/PD i biomarkerima.
Nekliničke studije toksičnosti obično daju sigurnosno sidro: nivo bez uočenih štetnih efekata (NOAEL) pretvoren u humanu ekvivalentnu dozu (HED), zatim podijeljen odgovarajućim sigurnosnim faktorom.
Međutim, za visoko potentan ili jako biološki aktivan spoj, početna doza izvedena samo iz toksikoloških opažanja može promašiti farmakologiju. Monoklonska antitijela, imunomodulatori i drugi ciljani terapeutici često proizvode značajne biološke efekte pri relativno niskim koncentracijama.
Minimalni očekivani nivo biološkog efekta (MABEL) pokriva taj slučaj. MABEL procjenjuje dozu ili izloženost za koju se očekuje da će proizvesti minimalni biološki učinak kod ljudi, oslanjajući se na dostupne farmakološke i nekliničke dokaze, i obično integrira:
- Ciljna ekspresija i karakteristike vezivanja.
- In vitro podaci o koncentraciji i odgovoru.
- Zauzetost receptora i angažman cilja.
- Funkcionalna aktivnost u relevantnim biološkim sistemima.
- PK i PD odnosi u eksperimentalnim modelima.
- Razlike vrsta u farmakologiji i ciljnoj biologiji.
MABEL ne zamjenjuje procjenu zasnovanu na NOAEL-u u svakom razvojnom programu. To dodaje farmakološko-bazirano razmatranje i najvažnije je tamo gdje pretjerana ciljna aktivacija ili inhibicija nosi ozbiljne posljedice.
Kliničko ispitivanje TGN1412 ostaje referentni slučaj zašto sami toksikološki nalazi mogu biti nedovoljni za biološki lijek koji aktivira imunitet. Zdravi dobrovoljci razvili su teške reakcije otpuštanja citokina uprkos prethodnim nekliničkim ispitivanjima. Epizoda se uključila u farmakologiju specifičnu za vrstu, biološku aktivnost relevantnu za ljude i odnos između doze i imunološke aktivacije, od čega nije bilo riješeno nijedno neklinički paket.
Za translacijski program, lekcija je da pretkliničke studije moraju generirati više od opažanja toksičnosti i ishoda efikasnosti. Oni takođe moraju dovoljno dobro da objasne mehanizam da predvide ljudski odgovor.
4. Rani klinički razvoj: potvrđivanje da mehanizam radi kod ljudi
Pretklinički nalazi biomarkera stvaraju hipoteze. Kliničke studije testiraju da li se drže kod ljudi.
Tokom faze I i rane faze II razvoja, biomarkeri su najkorisniji za tri posla: potvrđivanje ciljanog angažmana, lociranje raspona biološki aktivnog izlaganja i opisivanje odnosa između doze i farmakološkog odgovora.
Zauzetost receptora je jedan primjer.
Za lijekove koji ciljaju receptore na ćelijskoj površini, protočna citometrija ili druga validirana analitička metoda kvantificira vezivanje lijeka i dostupnost receptora na relevantnim populacijama ćelija koje cirkuliraju. Serijsko uzorkovanje pokazuje da li popunjenost raste sa dozom i da li se približava zasićenju.
Periferna krv ima granice. Zauzetost cirkulirajućih imunih ćelija ne uspostavlja ekvivalentan ciljni angažman u čvrstim tkivima ili u drugim dijelovima relevantnim za bolest. Kada je pitanje kompartmentalno, biopsije tkiva, mjerenja cerebrospinalne tekućine, slikovni biomarkeri ili druge procjene specifične za kompartment pružaju dokaze koji nedostaju.
Mjerenja nizvodnog puta imaju jednaku težinu. BTK inhibitori se čitaju kroz promjene u signalizaciji povezanoj s BTK; MEK inhibitori kroz modulaciju ERK fosforilacije.
Uparivanje ciljanog angažmana sa nižim PD daje odgovor na dva odvojena pitanja:
- Da li je lijek dosegao željeni cilj i stupio u interakciju sa njim?
- Da li je ta interakcija proizvela očekivani biološki odgovor?
Uparivanje je važno kada se tumače klinički podaci o dozi i odgovoru. Doza koja postiže skoro maksimalnu zauzetost receptora ne mora proizvesti najveću kliničku korist, a daljnja eskalacija može dodati rizik vezan za liječenje uz dodavanje male farmakološke aktivnosti.
Odabir doze vođen biomarkerom stoga identificira biološki aktivan i klinički odgovarajući raspon doza, koji je različit cilj od maksimalne podnošljive doze (MTD).
5. Biomarkeri u odabiru pacijenata i procjeni kliničke efikasnosti
Kako razvoj napreduje, uloga biomarkera se pomjera sa potvrđivanja farmakološke aktivnosti na identifikaciju pacijenata koji će najvjerovatnije imati koristi. Taj pomak je najvažniji za ciljane terapije, imunoterapije i tretmane usmjerene protiv molekularno definiranih podgrupa bolesti.
Program pembrolizumaba je dobro dokumentovan slučaj.
Studija slučaja: Pembrolizumab i PD-L1 kao prediktivni biomarker
Pembrolizumab je monoklonsko antitijelo koje cilja na protein 1 programirane ćelijske smrti (PD-1). Blokiranje interakcije između PD-1 i njegovih liganada, među njima PD-L1, vraća aspekte antitumorske aktivnosti posredovane T-ćelijama.
Rani klinički razvoj imao je dva pitanja na koja je trebalo odgovoriti odjednom: koja doza može postići trajnu farmakološku aktivnost i za koje pacijente postoji veća vjerovatnoća da će odgovoriti.
Studije zauzetosti receptora dale su farmakološku polovinu. Klinička ispitivanja su pokazala značajnu PD-1 zauzetost cirkulirajućih T ćelija u procijenjenom rasponu doze, uz kontinuirano djelovanje cilja, a ti nalazi su izgradili sliku o tome kako se doza, izloženost i popunjenost odnose.
Odabir doze se oslanjao na više od popunjenosti. Klinički PK, farmakodinamički nalazi, djelotvornost i bezbjednost su izvagani zajedno. Rani klinički program procijenio je višestruke režime doziranja, a 2 mg/kg svake tri sedmice postala je važna doza u početnom razvojnom programu.
Odabir pacijenata je bilo drugo pitanje.
Izraz PD-L1 je istražen kao potencijalni prediktivni biomarker. Imunohistohemijski je kvantificiran PD-L1 u uzorcima tumora, a rezultati su testirani u odnosu na odgovor na liječenje.
Naknadne kliničke studije su utvrdile važnost ekspresije PD-L1 u odabiru pacijenata za određene indikacije pembrolizumaba. KEYNOTE-024 je procijenio prethodno neliječeni uznapredovali karcinom pluća ne-malih ćelija (NSCLC) sa PD-L1 skorom proporcije tumora (TPS) od najmanje 50% i bez senzibilizirajućih promjena EGFR ili ALK, u okruženju prve linije liječenja obogaćenom biomarkerima. Pembrolizumab je u toj odabranoj populaciji dao poboljšane kliničke rezultate u poređenju s kemoterapijom baziranom na platini.
PD-L1 IHC 22C3 pharmDx test je razvijen kao prateća dijagnostika za relevantne indikacije.
Dvije komplementarne aplikacije se nalaze unutar tog jednog programa. Zauzetost receptora podržava razumijevanje interakcije lijek-cilja i kliničke farmakologije; ekspresija tumora PD-L1 identificirala je populaciju pacijenata za koju je vjerovatnije da će imati koristi. Marker ciljanog angažmana i prediktivni marker odgovaraju na različita pitanja čak i kada oba pripadaju istom razvojnom programu, zbog čega se svaki procjenjuje u odnosu na svoju namjeravanu kliničku svrhu.
6. Zašto se translacijski biomarkeri moraju evaluirati među vrstama
Biomarker koji radi na životinjskom modelu nije automatski prikladan za kliničko prevođenje. Razlike u molekularnoj strukturi, ciljnoj ekspresiji, imunološkoj regulaciji, metabolizmu i distribuciji tkiva utječu i na samo mjerenje i na njegovu biološku interpretaciju.
Uporedivost među vrstama stoga spada u dizajn pretkliničkih istraživanja. Četiri aspekta nose većinu rizika.
Analitička uporedivost.Testovi moraju biti dovoljno specifični i osjetljivi na relevantne vrste. Antitijela, prajmeri, reagensi za detekciju i druge analitičke komponente mogu pokazati različite karakteristike performansi u ljudskim i životinjskim uzorcima.
Biološka relevantnost.Izmjerljiva promjena na životinji ne predstavlja uvijek isti biološki proces kod ljudi. Pitanje je da li biomarker odražava očuvani mehanizam ili odgovor specifičan za vrstu.
Relevantnost tkiva.Biomarkeri izmjereni u perifernoj krvi često pogrešno navode biološku aktivnost u ciljnom organu, što je važno u CNS-u, onkologiji i tkivno-specifičnim istraživanjima upale.
Vremenska relevantnost.Promjene biomarkera i klinički ili funkcionalni odgovori mogu se poništiti u vremenu, tako da raspored uzorkovanja određuje da li je odnos izloženost-odgovor uopće vidljiv.
Modeli neljudskih primata (NHP) postaju korisni tamo gdje farmakološki mehanizam ovisi o očuvanim molekularnim ciljevima, složenim imunološkim interakcijama ili fiziološkim procesima koje konvencionalni životinjski modeli slabo predstavljaju. Za biološke lijekove i druge terapeutike osjetljive na vrste, NHP studije karakteriziraju angažman cilja, sistemsku izloženost, imunološke odgovore i farmakodinamičke efekte u fiziološki relevantnom okruženju.
NHP studije ne eliminišu razlike među vrstama. Njihova vrijednost zavisi od relevantnosti odabranog modela, farmakološke unakrsne reaktivnosti molekula kandidata i podobnosti biomarkera koji se mjere.
Translacijska strategija biomarkera je stoga izgrađena oko mehanizma djelovanja i namjeravane kliničke primjene, a ne oko krajnjih tačaka koje su pogodne za mjerenje.
7. Integracija biomarkera u kvantitativnu razvojnu strategiju
Biomarkeri daju najviše kada se nalaze unutar integrirane razvojne strategije, a ne kao izolirana mjerenja.
Tokom pretkliničkog razvoja, PK mjerenja utvrđuju sistemsku izloženost i, gdje je relevantno, izloženost tkiva. Testovi ciljanog angažmana određuju da li kandidat stupa u interakciju s namjeravanim molekularnim ciljem. PD biomarkeri karakterišu nizvodne biološke odgovore, a krajnje tačke povezane sa bolešću pružaju dokaz funkcionalnog ili patološkog poboljšanja.
PK/PD modeliranje i analiza izloženosti-odgovora zatim konsolidiraju te podatke u odluke o odabiru doze, intervalima doziranja i dizajnu ranih kliničkih studija.
Tokom kliničkog razvoja, isti okvir se usavršava sa ljudskim PK, zauzetošću receptora, aktivnošću puta, nalazima snimanja i kliničkim ishodima.
Informacije ne teku u jednom smjeru. Klinička zapažanja mogu pokazati da biomarker ima ograničenu prediktivnu vrijednost, da cilj nije dovoljno uključen u relevantno tkivo ili da kompenzacijski putevi utiču na odgovor na liječenje. Ti nalazi se vraćaju u interpretaciju pretkliničkih podataka i dizajn narednih studija.
Izvediva strategija biomarkera počiva na tri zahtjeva:
- biološka valjanost:da li biomarker odražava namjeravani biološki mehanizam?
- Analitička validnost:može li se izmjeriti tačno i reproduktivno?
- Klinički značaj:da li izmjerena promjena pruža značajne informacije za razvoj lijeka ili ishode pacijenata?
Biomarker koji zadovoljava jedan ili dva od njih i dalje se koristi u istraživačkim istraživanjima; njegova sposobnost da podrži kliničke odluke ostaje ograničena.
Odabir biomarkera, razvoj analize, strategija uzorkovanja i evaluacija među vrstama stoga spadaju u rani dizajn studije, prije nego što rezultati efikasnosti postanu dostupni.
Implikacije za pretklinička translaciona istraživanja
Prelazak od pretkliničke farmakologije u klinički razvoj zahtijeva više od dokaza da lijek kandidat proizvodi učinak na životinjskom modelu. Zahtijeva pogled na to kako se povezuju izloženost lijekovima, angažman cilja, nizvodna biološka aktivnost i ishodi vezani za bolest.
Integrisane PK/PD studije i evaluacija biomarkera su način na koji se taj pogled gradi.
U istraživanju primata koji nisu ljudi, te procjene se kombiniraju s longitudinalnim fiziološkim mjerenjima,kliničko snimanje, uzorkovanje tkiva i funkcionalne krajnje tačke unutar jednog eksperimentalnog okvira. NHP CNS studija, na primjer, može integrirati koncentracije lijeka u plazmi i cerebrospinalnoj tekućini, procjenu zasnovanu na imidžingu, tkivno specifično angažovanje cilja i neurološke ili bihevioralne krajnje tačke. Rezultat je nekoliko slojeva dokaza umjesto jednog terminalnog mjerenja.
U Prisys Biotech,NHP farmakologijastudije uključuju PK/PD evaluaciju, procjenu biomarkera u vezi sa bolešću, kliničku sliku i funkcionalnu analizu krajnje tačke u skladu sa ciljevima istraživačkog programa. Specifični dizajn studije i analitička strategija određuju se lijekom kandidatom, mehanizmom djelovanja i namjeravanom kliničkom primjenom.
Praktična razlika je tretiranje biomarkera kao inputa odluke, a ne kao volumena. Tamo gdje se biološka aktivnost može kvantificirati i dosljedno tumačiti kroz eksperimentalne modele i kliničke studije, odluke o razvoju počivaju na dokazima, a udaljenost između pretkliničke efikasnosti i ljudskog odgovora postaje nešto što program može direktno istražiti.
