Jedan od središnjih izazova u razvoju lijekova je odlučivanje hoće li se farmakološki učinak opažen u pretkliničkim studijama pojaviti i kod ljudi. Kandidat može pokazati uvjerljivu učinkovitost na životinjskom modelu, ali ipak ne može proizvesti očekivani klinički odgovor. Često je dio koji nedostaje biološki mehanizam dovoljno dobro karakteriziran da se može predvidjeti njegovo ponašanje u drugoj vrsti.
Ista molekula proizvodi različite odgovore među vrstama, jer se ciljna ekspresija, distribucija receptora, metabolizam lijeka, izloženost tkiva, imunološka regulacija i biologija bolesti razlikuju. Poboljšanje životinjskog modela stoga samo po sebi ne znači da će se mehanizam prevesti u kliničku korist.
Biomarkeri omogućuju rad na toj praznini. Mjerenjem promjena povezanih s izloženošću lijeku, angažmanom cilja, modulacijom putanje i odgovorom na bolest, program može uspostaviti kvantitativne odnose izmeđufarmakokinetika (PK)ifarmakodinamika (PD). Ti odnosi govore koliko je izloženosti potrebno, na koje biološke mehanizme utječe i odnosi li se opaženi odgovor na ljudsku bolest.
U translacijskoj medicini cilj je koherentan okvir: pretklinička mjerenja informiraju kliničke odluke, a klinička promatranja revidiraju pretkliničke hipoteze. Popis markera kandidata nije rezultat.
1. Što čini biomarker korisnim u razvoju lijekova?
Biomarker je mjerljiva karakteristika koja ukazuje na biološki proces, patogeni proces ili odgovor na intervenciju. Molekularna mjerenja, stanične karakteristike, fiziološki parametri, slikovni nalazi i objektivno kvantificirane promjene ponašanja ispunjavaju uvjete.
Njihova vrijednost ovisi o biološkom pitanju na koje trebaju odgovoriti. Pet kategorija ponavlja se u razvoju lijeka.
Farmakodinamički biomarkeripokazuju da je došlo do biološkog odgovora nakon doziranja: koncentracije citokina, fosforilacija signalnih proteina, ekspresija gena, metabolička aktivnost.
Biomarkeri ciljanog angažmanapokazati da je lijek stupio u interakciju s željenom molekularnom metom. Zauzetost receptora, vezanje cilja i inhibicija signalnih putova povezanih s ciljem uobičajena su očitanja.
Prediktivni biomarkeriidentificirati pacijente za koje je vjerojatnije da će odgovoriti na određeni tretman. PD-L1 ekspresija i promjene BRCA1/2 utvrđeni su primjeri u definiranim terapijskim postavkama.
Prognostički biomarkeriopisuju vjerojatni tijek bolesti neovisno o određenom liječenju.
Sigurnosni biomarkerioznačiti 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 točka ili surogat krajnja točka prema zadanim postavkama. Smanjenje cirkulirajućeg upalnog markera pokazuje biološku aktivnost; ne utvrđuje da će pacijent doživjeti značajno kliničko poboljšanje. Za povezivanje promjene biomarkera s kliničkim ishodom potrebni su zasebni dokazi.
Ta razlika oblikuje sve nizvodno. Mjerenje promjene je jednostavan dio. Teže je protumačiti što promjena znači za terapijsku učinkovitost.
2. Pretklinička osnova: Povezivanje izloženosti lijeku i biološkog odgovora
Najkorisniji doprinos biomarkera tijekom predkliničkog razvoja je veza koju uspostavljaju između izloženosti lijeku i farmakološke aktivnosti.
Konvencionalna studija učinkovitosti pokazuje da liječenje poboljšava krajnju točku povezanu s bolešću. Sam po sebi ne govori je li učinak proizašao iz odgovarajućeg ciljanog angažmana, modulacije nizvodnog puta ili neizravnog biološkog odgovora.
Informativniji dizajn uspostavlja tri povezana odnosa: izloženost lijeku, ciljni angažman i farmakodinamički odgovor. Svaki odgovara na drugo pitanje.
Izloženost lijeku: Koliko lijeka dospijeva u relevantni biološki odjeljak?
Farmakokinetičke studije karakteriziraju apsorpciju, distribuciju, metabolizam i eliminaciju lijeka. Koncentracija u plazmi je važna polazna točka, ali je zamjena za izloženost na mjestu djelovanja, a ponekad i loša.
Za lijekove koji ciljaju središnji živčani sustav, samo izlaganje u plazmi malo govori o koncentraciji dostupnoj unutar moždanog tkiva. Protutijela i drugi veliki biološki lijekovi distribuiraju se 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, tkivne koncentracije, koncentracije cerebrospinalne tekućine ili lokalnu distribuciju lijeka.
Zahvaćanje mete: stupa li lijek u interakciju s ciljanom metom?
Ciljani angažman povezuje izloženost lijeku s farmakološkom aktivnošću.
Za protutijela koja ciljaju receptore, popunjenost receptora (RO) procjenjuje udio dostupnih receptora na koje se veže lijek. Za inhibitore kinaze, promjene u ciljnoj fosforilaciji ili u nizvodnim signalnim proteinima daju dokaz inhibicije puta. U svakom slučaju, mjerenje odgovara je li primijenjena doza proizvela dovoljnu biološku interakciju s željenom metom.
Farmakodinamički odgovor: proizvodi li ciljani angažman očekivani biološki učinak?
Vezanje nije isto što i odgovor. Lijek može zauzeti svoju metu bez stvaranja dovoljne modulacije nizvodnog puta, posebno kada su uključeni kompenzacijski mehanizmi ili redundantni signalni putovi.
PD biomarkeri dodaju taj sloj dokaza.
Inhibitor kinaze, na primjer, smanjuje fosforilaciju ciljanog cilja, zatim pomiče nizvodne signalne proteine i konačno pomiče krajnju točku povezanu s bolešću. Mjerenje sve tri razine odvaja izravnu ciljanu inhibiciju od širih bioloških učinaka.
Kvantificiranje odnosa izloženost-odgovor
Nakon što su dostupna mjerenja izloženosti i farmakodinamike, model može karakterizirati odnos između njih.
Čest izbor je model Emax:
E(C)=E0 + (Emax x C) / (EC50 + C)
gdje je E(C) promatrani farmakološki učinak pri koncentraciji C, E0 osnovni učinak, Emax najveći mogući učinak, a EC50 koncentracija povezana s 50% tog maksimuma.
Složeniji modeli dodaju odgođene odgovore, mehanizme neizravnog odgovora, obrt receptora ili promjene izloženosti lijeku ovisne o vremenu.
Praktična dobit je raspon izloženosti, a ne jedna doza. Umjesto uzimanja doze koja je proizvela najveći opaženi učinak u studiji na životinjama, program može identificirati minimalnu izloženost potrebnu za gađanje mete i izloženost povezanu s odgovarajućim PD odgovorom. To je racionalnija osnova za postavljanje doza i ciljeva izloženosti u kasnijim kliničkim studijama.
3. Od studija na životinjama do prvog odabira doze za ljude
Odabir početne kliničke doze jedna je od najjasnijih upotreba pretkliničkih PK/PD podataka i podataka o biomarkerima.
Nekliničke studije toksičnosti obično daju sigurnosno sidro: razinu bez opaženih štetnih učinaka (NOAEL) pretvorenu u ekvivalentnu dozu za ljude (HED), zatim podijeljenu s odgovarajućim faktorom sigurnosti.
Za visoko potentan ili jako biološki aktivan spoj, međutim, početna doza izvedena samo iz toksikoloških promatranja može propustiti farmakologiju. Monoklonska protutijela, imunomodulatori i drugi ciljani terapeutici često proizvode značajne biološke učinke pri relativno niskim koncentracijama.
Minimalna očekivana razina biološkog učinka (MABEL) pokriva taj slučaj. MABEL procjenjuje dozu ili izloženost za koje 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 koncentracija-odgovor.
- Zauzetost receptora i zahvaćanje cilja.
- Funkcionalna aktivnost u relevantnim biološkim sustavima.
- PK i PD odnosi na eksperimentalnim modelima.
- Razlike vrsta u farmakologiji i ciljnoj biologiji.
MABEL ne zamjenjuje procjenu temeljenu na NOAEL u svakom razvojnom programu. Dodaje razmatranje temeljeno na farmakologiji, a najvažnije je kada pretjerana ciljna aktivacija ili inhibicija nosi ozbiljne posljedice.
Kliničko ispitivanje TGN1412 ostaje referentni slučaj zašto sami toksikološki nalazi mogu biti nedostatni za biološki lijek koji aktivira imunološki sustav. Zdravi dobrovoljci razvili su ozbiljne reakcije otpuštanja citokina unatoč prethodnom nekliničkom testiranju. Epizoda je uključila farmakologiju specifičnu za vrstu, biološku aktivnost relevantnu za čovjeka i odnos između doze i imunološke aktivacije, od kojih neklinički paket nije riješio ništa.
Za translacijski program, lekcija je da pretkliničke studije moraju generirati više od opažanja toksičnosti i ishoda učinkovitosti. Također moraju dovoljno dobro objasniti mehanizam da bi predvidjeli ljudski odgovor.
4. Rani klinički razvoj: Potvrda da mehanizam radi kod ljudi
Pretklinički nalazi biomarkera stvaraju hipoteze. Kliničke studije ispituju vrijede li kod ljudi.
Tijekom faze I i rane faze II razvoja, biomarkeri su najkorisniji za tri zadatka: potvrđivanje cilja, lociranje biološki aktivnih raspona izloženosti i opisivanje odnosa između doze i farmakološkog odgovora.
Zauzetost receptora je jedan primjer.
Za lijekove koji ciljaju receptore na površini stanice, protočna citometrija ili druga validirana analitička metoda kvantificira vezanje lijeka i dostupnost receptora na relevantnim cirkulirajućim staničnim populacijama. Serijsko uzorkovanje pokazuje raste li popunjenost s dozom i približava li se zasićenju.
Periferna krv ima granice. Zauzetost cirkulirajućih imunoloških stanica ne uspostavlja ekvivalentan ciljni angažman u čvrstim tkivima ili u drugim odjeljcima relevantnim za bolest. Tamo gdje se radi o odjeljcima, biopsije tkiva, mjerenja cerebrospinalne tekućine, slikovni biomarkeri ili druge procjene specifične za odjeljke daju dokaze koji nedostaju.
Mjerenja nizvodnog puta imaju jednaku težinu. Inhibitori BTK čitaju se kroz promjene u signalizaciji povezanoj s BTK; MEK inhibitori kroz modulaciju fosforilacije ERK.
Uparivanje ciljanog angažmana s nizvodnim PD-om odgovara na dva odvojena pitanja:
- Je li lijek dosegao ciljani cilj i stupio u interakciju s njim?
- Je li ta interakcija proizvela očekivani biološki odgovor?
Uparivanje je važno pri tumačenju kliničkih podataka o dozi i odgovoru. Doza koja postiže gotovo maksimalnu popunjenost receptora ne mora proizvesti najveću kliničku korist, a daljnja eskalacija može dodati rizik povezan s liječenjem uz dodavanje male farmakološke aktivnosti.
Odabir doze vođen biomarkerima stoga identificira biološki aktivan i klinički prikladan raspon doza, koji je različit cilj od maksimalne tolerirane doze (MTD).
5. Biomarkeri u odabiru pacijenata i procjeni kliničke učinkovitosti
Kako razvoj napreduje, uloga biomarkera pomiče se s potvrđivanja farmakološke aktivnosti na identifikaciju pacijenata koji će najvjerojatnije imati koristi. Taj je pomak najvažniji za ciljane terapije, imunoterapije i tretmane usmjerene protiv molekularno definiranih podskupina bolesti.
Program pembrolizumab je dobro dokumentiran slučaj.
Studija slučaja: Pembrolizumab i PD-L1 kao prediktivni biomarker
Pembrolizumab je monoklonsko protutijelo usmjereno na protein programirane stanične smrti 1 (PD-1). Blokiranje interakcije između PD-1 i njegovih liganada, PD-L1 među njima, obnavlja aspekte antitumorske aktivnosti posredovane T-stanicama.
Rani klinički razvoj imao je dva pitanja za odgovor odjednom: koja bi doza mogla postići održivu farmakološku aktivnost i za koje je pacijente vjerojatnije da će odgovoriti.
Studije zauzetosti receptora dale su farmakološku polovicu. Klinička istraživanja pokazala su značajnu PD-1 popunjenost cirkulirajućih T stanica u cijelom procijenjenom rasponu doza, s kontinuiranim ciljanim angažmanom, a ti nalazi izgradili su sliku odnosa doze, izloženosti i popunjenosti.
Odabir doze počivao je na više od popunjenosti. Klinička farmakokinetika, farmakodinamski nalazi, podaci o učinkovitosti i sigurnosti mjereni su zajedno. Rani klinički program procijenio je višestruke režime doziranja, a 2 mg/kg svaka tri tjedna postala je važna doza u početnom razvojnom programu.
Izbor pacijenata bio je drugo pitanje.
Izraz PD-L1 istražen je kao potencijalni prediktivni biomarker. Imunohistokemija je kvantificirala PD-L1 u uzorcima tumora, a rezultati su testirani u odnosu na odgovor na liječenje.
Naknadne kliničke studije utvrdile su važnost ekspresije PD-L1 u odabiru pacijenata za određene indikacije pembrolizumaba. KEYNOTE-024 procijenio je prethodno neliječeni uznapredovali rak pluća nemalih stanica (NSCLC) s PD-L1 rezultatom udjela tumora (TPS) od najmanje 50% i bez senzibilizirajućih promjena EGFR ili ALK, u postavci prve linije liječenja obogaćenoj biomarkerima. Pembrolizumab je dao poboljšane kliničke rezultate u usporedbi s kemoterapijom na bazi platine u toj odabranoj populaciji.
PD-L1 IHC 22C3 pharmDx analiza razvijena je kao popratna dijagnostika za relevantne indikacije.
Dvije komplementarne aplikacije nalaze se unutar tog jednog programa. Zauzetost receptora poduprla je razumijevanje interakcije lijek-cilja i kliničke farmakologije; izraz tumora PD-L1 identificirao je populaciju pacijenata za koju je vjerojatnije da će imati koristi. Oznaka ciljnog angažmana i prediktivni marker odgovaraju na različita pitanja čak i kada oba pripadaju istom razvojnom programu, zbog čega se svaki procjenjuje prema vlastitoj namjeravanoj kliničkoj svrsi.
6. Zašto se translacijski biomarkeri moraju procijeniti među vrstama
Biomarker koji radi u 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.
Usporedivost među vrstama stoga spada u dizajn pretkliničkih istraživanja. Četiri aspekta nose najveći dio rizika.
Analitička usporedivost.Testovi moraju biti dovoljno specifični i osjetljivi u relevantnim vrstama. Protutijela, početnice, reagensi za detekciju i druge analitičke komponente mogu pokazivati različite karakteristike u ljudskim i životinjskim uzorcima.
Biološka relevantnost.Mjerljiva promjena kod životinje ne predstavlja uvijek isti biološki proces kod ljudi. Pitanje je odražava li biomarker očuvani mehanizam ili odgovor specifičan za vrstu.
Relevantnost tkiva.Biomarkeri izmjereni u perifernoj krvi često krivo prikazuju biološku aktivnost u ciljnom organu, što je važno u CNS-u, onkologiji i upalnim istraživanjima specifičnim za tkiva.
Vremenska relevantnost.Promjene biomarkera i klinički ili funkcionalni odgovori mogu se pomaknuti u vremenu, tako da raspored uzorkovanja određuje je li odnos izloženosti i odgovora 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 prikazuju. Za biološke lijekove i druge terapeutike koji su osjetljivi na vrste, NHP studije karakteriziraju ciljani angažman, sustavnu izloženost, imunološke odgovore i farmakodinamičke učinke u fiziološki relevantnom okruženju.
NHP studije ne uklanjaju razlike među vrstama. Njihova vrijednost ovisi o relevantnosti odabranog modela, farmakološkoj unakrsnoj reaktivnosti molekule kandidata i prikladnosti biomarkera koji se mjere.
Translacijska strategija biomarkera stoga je izgrađena oko mehanizma djelovanja i namjeravane kliničke primjene, a ne oko krajnjih točaka koje su pogodne za mjerenje.
7. Integracija biomarkera u kvantitativnu razvojnu strategiju
Biomarkeri daju najviše kada se nalaze unutar integrirane razvojne strategije umjesto da dolaze kao izolirana mjerenja.
Tijekom pretkliničkog razvoja, PK mjerenja utvrđuju sustavnu izloženost i, gdje je relevantno, izloženost tkiva. Testovi zahvaćanja mete određuju stupa li kandidat u interakciju s namjeravanom molekularnom metom. PD biomarkeri karakteriziraju nizvodne biološke odgovore, a krajnje točke povezane s 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.
Tijekom kliničkog razvoja, isti se okvir dorađuje s ljudskom farmakokinetikom, popunjenošću receptora, aktivnošću puta, slikovnim nalazima i kliničkim ishodima.
Informacije ne teku u jednom smjeru. Klinička opažanja mogu pokazati da biomarker ima ograničenu prediktivnu vrijednost, da meta nije dovoljno uključena u relevantno tkivo ili da kompenzacijski putovi utječu na odgovor na liječenje. Ti se nalazi vraćaju u tumačenje pretkliničkih podataka i dizajn naknadnih studija.
Izvediva strategija biomarkera počiva na tri zahtjeva:
- Biološka valjanost:odražava li biomarker željeni biološki mehanizam?
- Analitička valjanost:može li se izmjeriti točno i ponovljivo?
- Klinička relevantnost:pruža li izmjerena promjena značajne informacije za razvoj lijeka ili ishode za pacijente?
Biomarker koji zadovoljava jedan ili dva od njih i dalje se koristi u istraživačkim istraživanjima; njegova sposobnost podržavanja kliničkih odluka ostaje ograničena.
Odabir biomarkera, razvoj testa, strategija uzorkovanja i evaluacija među vrstama stoga pripadaju ranom dizajnu studije, prije nego što rezultati učinkovitosti postanu dostupni.
Implikacije za pretklinička translacijska istraživanja
Prelazak s pretkliničke farmakologije na klinički razvoj zahtijeva više od dokaza da lijek kandidat proizvodi učinak na životinjskom modelu. Zahtijeva pogled na to kako su izloženost lijeku, ciljni angažman, nizvodna biološka aktivnost i ishodi povezani s bolešću povezani.
Integrirane PK/PD studije i procjena biomarkera način su na koji se gradi taj pogled.
U istraživanju primata osim čovjeka, te se procjene kombiniraju s longitudinalnim fiziološkim mjerenjima,kliničke slike, uzorkovanje tkiva i funkcionalne krajnje točke unutar jednog eksperimentalnog okvira. Studija NHP središnjeg živčanog sustava, na primjer, može integrirati koncentracije lijeka u plazmi i cerebrospinalnoj tekućini, procjenu temeljenu na slikama, ciljno djelovanje specifično za tkivo i neurološke ili bihevioralne krajnje točke. Rezultat je nekoliko slojeva dokaza umjesto jednog terminalnog mjerenja.
U Prisys Biotech,NHP farmakologijastudije uključuju PK/PD procjenu, procjenu biomarkera povezanih s bolešću, kliničku sliku i analizu funkcionalnih krajnjih točaka u skladu s ciljevima istraživačkog programa. Specifični dizajn studije i analitička strategija određeni su lijekom kandidatom, mehanizmom djelovanja i namjeravanom kliničkom primjenom.
Tretiranje biomarkera kao inputa za odlučivanje, a ne kao količine, praktična je razlika. Tamo gdje se biološka aktivnost može kvantificirati i dosljedno tumačiti kroz eksperimentalne modele i kliničke studije, razvojne odluke počivaju na dokazima, a udaljenost između pretkliničke učinkovitosti i ljudskog odgovora postaje nešto što program može izravno istražiti.
