健識(shí)筆談：創(chuàng)新藥物研發(fā)的“指路燈”
吳家睿攝于廈門南普陀寺，2018年9月
導(dǎo)讀：創(chuàng)新藥物研發(fā)主要有兩個(gè)方面：藥物和病人。因此，如何選擇患者和評(píng)估藥效是創(chuàng)新藥物研發(fā)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)，而生物標(biāo)志物正是應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)的一個(gè)有效手段。為此，本文重點(diǎn)介紹了生物標(biāo)志物在藥物研發(fā)領(lǐng)域的作用和意義。
撰文 | 吳家睿（中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所 研究員）
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生物標(biāo)志物（Biomarker）在創(chuàng)新藥物的研發(fā)中一直發(fā)揮著重要的作用。最經(jīng)典的一個(gè)例子是，阿斯利康公司研發(fā)的表皮生長(zhǎng)因子受體酪氨酸激酶(EGFR)的抑制劑“吉非替尼”，在幾乎失敗的情況下依靠生物標(biāo)志物“起死回生”，即發(fā)現(xiàn)了該藥主要是對(duì)攜帶EGFR基因第19號(hào)外顯子的非移碼缺失或21號(hào)外顯子的錯(cuò)義突變的肺癌患者具有明顯療效。在臨床試驗(yàn)過(guò)程中，生物標(biāo)志物不僅能夠幫助確定對(duì)藥物有高響應(yīng)的受試患者，而且也可用于排除對(duì)藥物副作用敏感的患者。這二者正是藥物研發(fā)試驗(yàn)需要解決的兩個(gè)主要問(wèn)題。通過(guò)分析2013年到2015年有關(guān)II期和III期臨床試驗(yàn)失敗情況, Harrison R.博士發(fā)現(xiàn)，療效不佳和安全性問(wèn)題占了所有II期臨床試驗(yàn)失敗的73%，同樣也是III期臨床研究失敗的最主要原因[1]。在該作者關(guān)于提高臨床試驗(yàn)成功率的改進(jìn)措施中，第一條就是要采用更有效的生物標(biāo)志物[1]。
隨著精確醫(yī)學(xué)的到來(lái)，個(gè)性化治療成為主要任務(wù)，從而使得生物標(biāo)志物在創(chuàng)新藥物研發(fā)過(guò)程中的重要性愈發(fā)突出。2011年提出“精確醫(yī)學(xué)”觀念的倡導(dǎo)者認(rèn)為，“精確醫(yī)學(xué)的終點(diǎn)是，選擇出一類具有相同的疾病和相同的生物學(xué)基礎(chǔ)的病人，從而最有可能使他們從一個(gè)藥物或某個(gè)方法中受益”[2]。顯然，區(qū)分和選擇對(duì)藥物敏感的病人的基本條件就是要鑒定出相應(yīng)的生物標(biāo)志物。歐盟2014年啟動(dòng)的“創(chuàng)新藥物先導(dǎo)項(xiàng)目2”（Innovative Medicines Initiative 2，IMI2）的主要目標(biāo)是，“在正確的時(shí)間對(duì)正確的患者給予正確的防治”，而實(shí)行IMI2目標(biāo)的關(guān)鍵之一就是要發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證可用于臨床試驗(yàn)的生物標(biāo)志物。
隨著人類基因組計(jì)劃的完成和測(cè)序能力的飛速發(fā)展，對(duì)基因變異的檢測(cè)已經(jīng)成為生物標(biāo)志物領(lǐng)域的主要任務(wù)。美國(guó)NIH在2006年?duì)款^啟動(dòng)了國(guó)際癌癥基因組項(xiàng)目“癌癥基因組圖集”（The Cancer Genome Atlas，TCGA），涉及到數(shù)萬(wàn)名患者的50種不同類型的腫瘤樣本分析，目前已經(jīng)鑒定出了近千萬(wàn)種基因突變。美國(guó)FDA于2017年12月首次批準(zhǔn)了一種可對(duì)多種實(shí)體瘤基因組變異進(jìn)行檢測(cè)的試劑盒；這個(gè)來(lái)自美國(guó)Foundation Medicine公司的檢測(cè)試劑盒可以對(duì)肺癌和卵巢癌等惡性腫瘤相關(guān)的324個(gè)基因的突變類型進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)檢測(cè)5種靶向藥物的相關(guān)突變來(lái)為腫瘤患者選擇有效的靶向藥物。在Nature雜志2018年10月發(fā)表的一篇研究論文中，研究者通過(guò)562名急性髓系白血病（Acute Myeloid Leukaemia, AML）患者的全外顯子組測(cè)序，進(jìn)而構(gòu)建了各種AML藥物響應(yīng)與不同基因突變之間的精細(xì)關(guān)系圖譜[3]。
個(gè)體的遺傳差異不僅源于基因突變，而且還來(lái)自基因組序列多態(tài)性，其主要代表是“單核苷酸多態(tài)性”（Single Nucleotide Polymorphism, SNP）。有實(shí)驗(yàn)證明，轉(zhuǎn)錄因子PPARγ的結(jié)合序列上的一個(gè)SNP就能夠決定其結(jié)合的強(qiáng)弱，從而導(dǎo)致抗糖尿病藥物對(duì)攜帶不同SNP的個(gè)體產(chǎn)生不同的藥物響應(yīng)[4]。顯然，SNP就是一類重要的生物標(biāo)志物。人體的基因組含有數(shù)百萬(wàn)的SNP，研究者為此發(fā)展出了一種稱為“全基因組關(guān)聯(lián)分析”（Genome-wide Association Studies，GWAS）技術(shù)，用于從基因組水平上發(fā)現(xiàn)人群中那些與復(fù)雜的生理或病理性狀高度相關(guān)的SNP。GWAS技術(shù)發(fā)展至今已有十年，研究者利用該技術(shù)發(fā)現(xiàn)大量與復(fù)雜性疾病有關(guān)的SNP，如針對(duì)2型糖尿病就發(fā)現(xiàn)了100多個(gè)高度相關(guān)的SNP[5]。此外，這些通過(guò)GWAS技術(shù)發(fā)現(xiàn)的SNP還在藥物研發(fā)中被用來(lái)幫助鑒定和驗(yàn)證可以作為藥物靶標(biāo)的基因（Druggable Genes）。
對(duì)于生物個(gè)體而言，基因組序列是非常重要的生物標(biāo)志物，但RNA、蛋白質(zhì)和代謝小分子等同樣也是重要的生物標(biāo)志物。盡管美國(guó)的TCGA項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)是從基因測(cè)序開始，但是這個(gè)項(xiàng)目當(dāng)前研究的分子標(biāo)志物類型已經(jīng)覆蓋了生物分子的方方面面；NIH為此在美國(guó)和加拿大的7個(gè)科研機(jī)構(gòu)分別設(shè)立了與該項(xiàng)目相關(guān)的“基因組特性分析中心”（Genome Characterization Centers，GCCs)，除了專門進(jìn)行基因組序列分析的中心之外，還有專門負(fù)責(zé)“表觀基因組學(xué)”、“基因表達(dá)分析”、“microRNA分析”和“功能蛋白質(zhì)組學(xué)”的分析中心。TCGA項(xiàng)目的研究者不久前在Cell雜志發(fā)表了對(duì)1萬(wàn)個(gè)腫瘤樣本的分子分型結(jié)果；在這項(xiàng)研究中，他們通過(guò)整合染色體非整倍性、DNA甲基表達(dá)譜、基因表達(dá)譜、microRNA表達(dá)譜和蛋白質(zhì)表達(dá)譜等數(shù)據(jù)，將傳統(tǒng)的基于解剖位置和病理性狀分類的33種腫瘤重新分為28種類型[6]。更重要的是，美國(guó)研究人員在其精確醫(yī)學(xué)的研究策略中提出，不僅要采集個(gè)體的基因組和蛋白質(zhì)組等微觀層次的信息，而且還要收集個(gè)體的分子影像和腸道菌群等各種宏觀層次的信息[2]。也就是說(shuō)，生物標(biāo)志物并不局限于分子層次。
在目前藥物研發(fā)領(lǐng)域的一系列改革中，生物標(biāo)志物也將發(fā)揮出更重要的作用。在不同于傳統(tǒng)的I、II、III期三階段臨床試驗(yàn)的連續(xù)性無(wú)縫臨床試驗(yàn)中，研究者從試驗(yàn)開始的關(guān)注點(diǎn)就不再局限于藥物代謝和安全性，而是包括了藥物的療效。因此，找到符合標(biāo)準(zhǔn)的特定患者成為這種無(wú)縫臨床試驗(yàn)方案的限速步驟，不僅從試驗(yàn)開始就需要尋找合適患者，而且需要在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)患者的表現(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估和動(dòng)態(tài)調(diào)整，以期找到藥效響應(yīng)好而副作用低的患者。顯然，在這種臨床試驗(yàn)一開始，就可以通過(guò)檢測(cè)特定的生物標(biāo)志物來(lái)預(yù)測(cè)臨床試驗(yàn)結(jié)果，并在后續(xù)試驗(yàn)中只選擇具有相應(yīng)的生物標(biāo)志物的患者。
在無(wú)縫臨床試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，美國(guó)FDA最近又提出了一個(gè)新的“并行式”臨床試驗(yàn)方案——“人群優(yōu)先的多種擴(kuò)大隊(duì)列試驗(yàn)”（First-in-human Multiple Expansion Cohort Trials），即在藥物起始劑量遞增的“爬坡試驗(yàn)”患者隊(duì)列之外，還需要構(gòu)建3個(gè)或以上的額外患者隊(duì)列，以便能夠同時(shí)并行地開展各項(xiàng)相關(guān)的臨床研究[7]。FDA認(rèn)為，只要通過(guò)了一定的安全性評(píng)估，哪怕尚未完成藥物代謝方面的研究，都可以啟動(dòng)這些隊(duì)列研究，從而加快整個(gè)藥物臨床試驗(yàn)的進(jìn)程。這些增加的隊(duì)列應(yīng)有不同的具體研究目標(biāo)，如藥效的評(píng)估，老年人或兒童等特定人群的藥物安全性評(píng)估等；其中當(dāng)然也包括了構(gòu)建專門用于發(fā)現(xiàn)相關(guān)的生物標(biāo)志物的研究隊(duì)列[7]。
在“一對(duì)多”的主方案臨床試驗(yàn)中，都是把生物標(biāo)志物作為其重要的試驗(yàn)手段。例如在一個(gè)稱為“I-SPY 2”的“平臺(tái)試驗(yàn)中，研究者根據(jù)3個(gè)遺傳標(biāo)志物確定了乳腺癌患者的8個(gè)亞型，然后比較了12種治療方法對(duì)這8個(gè)亞型患者的不同效果[8]。通過(guò)一個(gè)籃型試驗(yàn)，默沙東制藥公司發(fā)現(xiàn)，不論罹患的是身體哪個(gè)部位的實(shí)體瘤，只要患者攜帶“高度微衛(wèi)星不穩(wěn)定性”（Microsatellite Instability-high，MSI-H）或錯(cuò)配修復(fù)缺陷（Mismatch Repair Deficient，dMMR），就能夠?qū)λ幬?nbsp;Pembrolizumab有較好的響應(yīng)；FDA根據(jù)這個(gè)試驗(yàn)在2017年批準(zhǔn)了該藥的適應(yīng)癥——只要腫瘤患者攜帶這兩個(gè)生物標(biāo)志物中的一個(gè)。在原創(chuàng)藥——TRK抑制劑Larotrectinib的籃型試驗(yàn)中，入選的患者涉及到13種不同的實(shí)體瘤類型，但都有一個(gè)共同的分子標(biāo)志物——TRK基因的融合。也就是說(shuō)，在某些情況下，生物標(biāo)志物本身同時(shí)也就是藥物靶標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1] Harrison, R.K. Phase II and phase III failures: 2013–2015. Nat. Rev. Drug Discov. 2016, 15:817-818.
[2] National Research Council. Toward precision medicine: building a knowledge network for biomedical research and a new taxonomy of disease. 2011, http://www.nap.edu/catalog/13284/
[3] Tyner, J.W. et al.Functional genomic landscape of acute myeloid leukaemia. Nature 2018-10-18.
[4] Soccio, R.E. et al.Genetic variation determines PPARγ function and anti-diabetic drug response in vivo. Cell 2015, 162:33–44.
[5] Visscher, P.M. et al. 10 years of GWAS discovery: biology, function, and translation. Am. J. Hum. Genet. 2017, 101:5-22.
[6] Hoadley, K.A. et al. Cell-of-origin patterns dominate the molecular classification of 10,000 tumors from 33 types of cancer. Cell 2018, 173:291-304.
[7] Food and Drug Administration Expansion Cohorts: Use in First-In-Human Clinical Trials to Expedite Development of Oncology Drugs and Biologics Guidance for Industry, Retrieved August 14, 2018, https://www.fda.gov/downloads/Drugs/Guidance Compliance Regulatory Information/Guidances/UCM616325.pdf.
[8] Woodcock, J. & LaVange, L.M. Master protocols to study multiple therapies, multiple diseases, or both.N. Engl. J. Med. 2017, 377:62-70.
注：文章來(lái)源“吾家睿見”
