En af de centrale udfordringer i lægemiddeludvikling er at beslutte, om en farmakologisk effekt set i prækliniske studier også vil vise sig hos mennesker. En kandidat kan vise overbevisende effektivitet i en dyremodel og stadig undlade at producere den forventede kliniske respons. Ofte er den manglende brik en biologisk mekanisme, der er karakteriseret godt nok til at forudsige dens adfærd hos en anden art.
Det samme molekyle producerer forskellige responser på tværs af arter, fordi målekspression, receptorfordeling, lægemiddelmetabolisme, vævseksponering, immunregulering og sygdomsbiologi alle er forskellige. En forbedring i en dyremodel fastslår derfor ikke i sig selv, at en mekanisme vil udmønte sig i klinisk fordel.
Biomarkører giver en måde at arbejde på dette hul. Ved at måle ændringerne forbundet med lægemiddeleksponering, målengagement, pathwaymodulation og sygdomsrespons, kan et program etablere kvantitative sammenhænge mellemfarmakokinetik (PK)ogfarmakodynamik (PD). Disse forhold siger, hvor meget eksponering der er nødvendig, hvilke biologiske mekanismer der er påvirket, og om den observerede respons relaterer sig til menneskelig sygdom.
I translationel medicin er målet en sammenhængende ramme: prækliniske målinger informerer om kliniske beslutninger, og kliniske observationer reviderer prækliniske hypoteser. En liste over kandidatmarkører kan ikke leveres.
1. Hvad gør en biomarkør nyttig i lægemiddeludvikling?
En biomarkør er en målbar egenskab, der indikerer en biologisk proces, en patogen proces eller en reaktion på en intervention. Molekylære målinger, cellulære karakteristika, fysiologiske parametre, billeddiagnostiske fund og objektivt kvantificerede adfærdsændringer kvalificerer alle.
Deres værdi afhænger af det biologiske spørgsmål, de skal besvare. Fem kategorier går igen i lægemiddeludvikling.
Farmakodynamiske biomarkørerviser, at der er opstået et biologisk respons efter dosering: cytokinkoncentrationer, fosforylering af signalproteiner, genekspression, metabolisk aktivitet.
Målret engagement biomarkørervise, at lægemidlet har interageret med dets tilsigtede molekylære mål. Receptorbesættelse, målbinding og inhibering af målassocierede signalveje er de sædvanlige udlæsninger.
Forudsigende biomarkøreridentificere patienter, der er mere tilbøjelige til at reagere på en bestemt behandling. PD-L1-udtryk og BRCA1/2-ændringer er etablerede eksempler i definerede terapeutiske omgivelser.
Prognostiske biomarkørerbeskrive det sandsynlige sygdomsforløb uafhængigt af en bestemt behandling.
Sikkerhedsbiomarkørermarkere potentiel behandlingsrelateret toksicitet eller fysiologisk forstyrrelse.
Kategorierne udelukker ikke hinanden. En enkelt biomarkør kan bære forskellige former for information afhængigt af undersøgelsens kontekst.
En biomarkør er heller ikke et klinisk endepunkt eller et surrogat endepunkt som standard. En reduktion i en cirkulerende inflammatorisk markør demonstrerer biologisk aktivitet; det fastslår ikke, at en patient vil opleve meningsfuld klinisk forbedring. At knytte en biomarkørændring til et klinisk resultat kræver separat bevis.
Den skelnen former alt nedstrøms. At måle forandringen er den ligetil del. Det er sværere at fortolke, hvad ændringen betyder for terapeutisk effekt.
2. The Preclinical Foundation: Sammenkædning af lægemiddeleksponering til biologisk respons
Det mest nyttige bidrag fra biomarkører under præklinisk udvikling er den forbindelse, de etablerer mellem lægemiddeleksponering og farmakologisk aktivitet.
Et konventionelt effektstudie viser, at en behandling forbedrer et sygdomsrelateret endepunkt. I sig selv siger det ikke, om effekten kom fra tilstrækkelig målengagement, downstream pathway modulering eller en indirekte biologisk respons.
Et mere informativt design etablerer tre sammenhængende relationer: lægemiddeleksponering, målengagement og farmakodynamisk respons. Hver besvarer et andet spørgsmål.
Lægemiddeleksponering: Hvor meget lægemiddel når det relevante biologiske rum?
Farmakokinetiske undersøgelser karakteriserer lægemiddelabsorption, distribution, metabolisme og elimination. Plasmakoncentration er et vigtigt udgangspunkt, men det er en proxy for eksponering på virkningsstedet, og nogle gange en dårlig.
For lægemidler rettet mod centralnervesystemet siger plasmaeksponering alene lidt om den tilgængelige koncentration i hjernevæv. Antistoffer og andre store biologiske stoffer fordeler sig anderledes end små molekyler af årsager, der sidder uden for plasmakoncentrationen.
Afhængigt af den terapeutiske mekanisme omfatter relevante målinger totale og ubundne plasmakoncentrationer, vævskoncentrationer, cerebrospinalvæskekoncentrationer eller lokal lægemiddelfordeling.
Target engagement: Interagerer lægemidlet med dets tilsigtede mål?
Target engagement forbinder lægemiddeleksponering med farmakologisk aktivitet.
For receptor-målrettede antistoffer estimerer receptorbelægning (RO) andelen af tilgængelige receptorer bundet af lægemidlet. For kinaseinhibitorer giver ændringer i målphosphorylering eller i downstream-signalproteiner tegn på pathway-inhibering. Uanset hvad svarer målingen på, om den administrerede dosis frembragte tilstrækkelig biologisk interaktion med det tilsigtede mål.
Farmakodynamisk respons: Giver målengagement den forventede biologiske effekt?
Binding er ikke det samme som svar. Et lægemiddel kan optage sit mål uden at producere tilstrækkelig downstream pathway modulering, især hvor kompenserende mekanismer eller redundante signalveje er involveret.
PD biomarkører tilføjer dette lag af beviser.
En kinaseinhibitor reducerer for eksempel phosphorylering af dets tilsigtede mål, forskyder derefter nedstrøms signalproteiner og flytter til sidst et sygdomsrelateret endepunkt. Måling af alle tre niveauer adskiller direkte målhæmning fra bredere biologiske effekter.
Kvantificering af eksponering-respons-forholdet
Når eksponering og farmakodynamiske målinger er tilgængelige, kan en model karakterisere forholdet mellem dem.
Et almindeligt valg er Emax-modellen:
E(C)=E0 + (Emax x C) / (EC50 + C)
hvor E(C) er den observerede farmakologiske effekt ved koncentration C, E0 er baseline-effekten, Emax den maksimalt opnåelige effekt og EC50 koncentrationen forbundet med 50 % af dette maksimum.
Mere komplekse modeller tilføjer forsinkede responser, indirekte responsmekanismer, receptoromsætning eller tidsafhængige ændringer i lægemiddeleksponering.
Det praktiske udbytte er et eksponeringsområde snarere end en enkelt dosis. I stedet for at tage den dosis, der producerede den største observerede effekt i et dyreforsøg, kan et program identificere den minimale eksponering, der kræves for målengagement, og eksponeringen forbundet med et passende PD-respons. Det er et mere rationelt grundlag for at fastsætte doser og eksponeringsmål i senere kliniske undersøgelser.
3. Fra dyreforsøg til første-i-menneskelig dosisvalg
Valg af den indledende kliniske dosis er en af de klareste anvendelser af prækliniske PK/PD og biomarkørdata.
Ikke-kliniske toksicitetsundersøgelser leverer normalt sikkerhedsankeret: et niveau for ingen observeret uønsket effekt (NOAEL) konverteret til en human ækvivalent dosis (HED), derefter divideret med en passende sikkerhedsfaktor.
For en meget potent eller stærkt biologisk aktiv forbindelse kan en startdosis, der kun er afledt af toksikologiske observationer, imidlertid gå glip af farmakologien. Monoklonale antistoffer, immunmodulatorer og andre målrettede terapeutika producerer ofte væsentlige biologiske virkninger ved relativt lave koncentrationer.
Det mindste forventede biologiske effektniveau (MABEL) dækker dette tilfælde. MABEL estimerer den dosis eller eksponering, der forventes at give en minimal biologisk effekt hos mennesker, ved at trække på de tilgængelige farmakologiske og ikke-kliniske beviser, og den integrerer typisk:
- Måludtryk og bindingsegenskaber.
- In vitro koncentration-respons data.
- Receptorbelægning og målengagement.
- Funktionel aktivitet i relevante biologiske systemer.
- PK- og PD-forhold på tværs af eksperimentelle modeller.
- Artsforskelle i farmakologi og målbiologi.
MABEL erstatter ikke NOAEL-baseret vurdering i hvert udviklingsprogram. Det tilføjer en farmakologi-baseret betragtning, og det betyder mest, hvor overdreven målaktivering eller hæmning har alvorlige konsekvenser.
Det kliniske TGN1412-studie er fortsat referencesagen for, hvorfor toksikologiske fund alene kan være utilstrækkelige for et immunaktiverende biologisk stof. Raske frivillige udviklede alvorlige cytokin-frigivelsesreaktioner på trods af forudgående ikke-klinisk test. Episoden drejede sig om artsspecifik farmakologi, human-relevant biologisk aktivitet og forholdet mellem dosis og immunaktivering, hvoraf den ikke-kliniske pakke ikke var løst.
For et translationelt program er lektionen, at prækliniske undersøgelser skal generere mere end toksicitetsobservationer og effektresultater. De skal også forklare mekanismen godt nok til at forudse den menneskelige reaktion.
4. Tidlig klinisk udvikling: Bekræftelse af, at mekanismen virker i mennesker
Prækliniske biomarkørfund producerer hypoteser. Kliniske undersøgelser tester, om de holder hos mennesker.
Under fase I og tidlig fase II-udvikling er biomarkører mest nyttige til tre opgaver: bekræftelse af målengagement, lokalisering af biologisk aktive eksponeringsområder og beskrivelse af forholdet mellem dosis og farmakologisk respons.
Receptorbelægning er et eksempel.
For lægemidler rettet mod celleoverfladereceptorer kvantificerer flowcytometri eller en anden valideret analytisk metode lægemiddelbinding og receptortilgængelighed på de relevante cirkulerende cellepopulationer. Seriel prøvetagning viser, om belægningen stiger med dosis, og om den nærmer sig mætning.
Perifert blod har grænser. Belægning på cirkulerende immunceller etablerer ikke tilsvarende målengagement i fast væv eller i andre sygdomsrelevante rum. Hvor spørgsmålet er kompartmentalt, giver vævsbiopsier, cerebrospinalvæskemålinger, billeddannende biomarkører eller andre kompartmentspecifikke vurderinger de manglende beviser.
Nedstrøms vejmålinger vejer lige meget. BTK-hæmmere aflæses gennem ændringer i BTK-associeret signalering; MEK-hæmmere gennem modulering af ERK-phosphorylering.
Parring af målengagement med downstream PD besvarer to separate spørgsmål:
- Har stoffet nået og interageret med dets tilsigtede mål?
- Har denne interaktion frembragt den forventede biologiske respons?
Parringen har betydning ved fortolkning af kliniske dosis-respons-data. En dosis, der opnår næsten maksimal receptorbelægning, behøver ikke give den største kliniske fordel, og yderligere eskalering kan tilføje behandlingsrelateret risiko, samtidig med at den tilføjer ringe farmakologisk aktivitet.
Biomarkørstyret dosisvalg identificerer derfor et biologisk aktivt og klinisk passende dosisområde, som er et andet mål end den maksimalt tolererede dosis (MTD).
5. Biomarkører i patientvalg og klinisk effektvurdering
Efterhånden som udviklingen skrider frem, skifter biomarkørernes rolle fra at bekræfte farmakologisk aktivitet til at identificere de patienter, der med størst sandsynlighed vil gavne. Det skift betyder mest for målrettede terapier, immunterapier og behandlinger rettet mod molekylært definerede sygdomsundergrupper.
Pembrolizumab-programmet er et veldokumenteret tilfælde.
Casestudie: Pembrolizumab og PD-L1 som en forudsigelig biomarkør
Pembrolizumab er et monoklonalt antistof rettet mod programmeret celledødsprotein 1 (PD-1). Blokering af interaktionen mellem PD-1 og dens ligander, PD-L1 blandt dem, genopretter aspekter af T-celle-medieret antitumoraktivitet.
Tidlig klinisk udvikling havde to spørgsmål at besvare på én gang: hvilken dosis kunne opnå vedvarende farmakologisk aktivitet, og hvilke patienter var mere tilbøjelige til at reagere.
Receptorbelægningsundersøgelser leverede den farmakologiske halvdel. Kliniske undersøgelser viste betydelig PD-1 belægning på cirkulerende T-celler på tværs af det evaluerede dosisinterval, med vedvarende målengagement, og disse resultater byggede billedet af, hvordan dosis, eksponering og belægning hænger sammen.
Dosisvalg hvilede på mere end belægning. Klinisk PK, farmakodynamiske fund, effekt og sikkerhedsdata blev vejet sammen. Det tidlige kliniske program evaluerede flere doseringsregimer, og 2 mg/kg hver tredje uge blev en vigtig dosis i det indledende udviklingsprogram.
Patientvalg var det andet spørgsmål.
PD-L1 udtryk blev undersøgt som en potentiel forudsigelig biomarkør. Immunhistokemi kvantificeret PD-L1 i tumorprøver, og resultaterne blev testet mod behandlingsrespons.
Efterfølgende kliniske undersøgelser fastslog vigtigheden af PD-L1-ekspression ved udvælgelse af patienter til visse pembrolizumab-indikationer. KEYNOTE-024 evaluerede tidligere ubehandlet avanceret ikke-småcellet lungecancer (NSCLC) med en PD-L1 tumorproportion-score (TPS) på mindst 50 % og uden sensibiliserende EGFR- eller ALK-ændringer i en biomarkørberiget førstelinjebehandling. Pembrolizumab gav forbedrede kliniske resultater sammenlignet med platinbaseret kemoterapi i den udvalgte population.
PD-L1 IHC 22C3 pharmDx-analysen blev udviklet som en ledsagende diagnostik for de relevante indikationer.
To komplementære applikationer sidder i det ene program. Receptorbelægning understøttede forståelsen af lægemiddel-mål-interaktion og klinisk farmakologi; tumor PD-L1-ekspression identificerede en patientpopulation med større sandsynlighed for at få gavn af det. En markør for målengagement og en prædiktiv markør besvarer forskellige spørgsmål, selv når begge tilhører det samme udviklingsprogram, hvorfor hver især vurderes i forhold til sit eget tilsigtede kliniske formål.
6. Hvorfor translationelle biomarkører skal evalueres på tværs af arter
En biomarkør, der virker i en dyremodel, er ikke automatisk egnet til klinisk oversættelse. Forskelle i molekylær struktur, målekspression, immunregulering, metabolisme og vævsfordeling påvirker både selve målingen og dens biologiske fortolkning.
Sammenlignelighed på tværs af arter hører derfor hjemme i udformningen af præklinisk forskning. Fire aspekter bærer størstedelen af risikoen.
Analytisk sammenlignelighed.Assays skal være tilstrækkeligt specifikke og følsomme i den relevante art. Antistoffer, primere, detektionsreagenser og andre analytiske komponenter kan udvise forskellige præstationskarakteristika i prøver fra mennesker og dyr.
Biologisk relevans.En målbar ændring i et dyr repræsenterer ikke altid den samme biologiske proces hos mennesker. Spørgsmålet er, om biomarkøren afspejler en konserveret mekanisme eller en artsspecifik respons.
Vævsrelevans.Biomarkører målt i perifert blod angiver ofte den biologiske aktivitet i målorganet forkert, hvilket betyder noget i CNS, onkologi og vævsspecifik inflammatorisk forskning.
Tidsmæssig relevans.Biomarkørændringer og kliniske eller funktionelle responser kan udlignes i tide, så prøveudtagningsplanen bestemmer, om en eksponering-respons sammenhæng overhovedet er synlig.
Non-human primate (NHP) modeller bliver nyttige, hvor den farmakologiske mekanisme afhænger af bevarede molekylære mål, komplekse immuninteraktioner eller fysiologiske processer, som konventionelle dyremodeller repræsenterer dårligt. For biologiske lægemidler og andre artsfølsomme lægemidler karakteriserer NHP-studier målengagement, systemisk eksponering, immunologiske responser og farmakodynamiske effekter i en fysiologisk relevant indstilling.
NHP-undersøgelser eliminerer ikke forskelle mellem arter. Deres værdi afhænger af relevansen af den valgte model, den farmakologiske krydsreaktivitet af kandidatmolekylet og egnetheden af de biomarkører, der måles.
En translationel biomarkørstrategi er derfor bygget op omkring virkningsmekanismen og den tilsigtede kliniske anvendelse, snarere end omkring de endepunkter, der tilfældigvis er praktiske at måle.
7. Integrering af biomarkører i en kvantitativ udviklingsstrategi
Biomarkører leverer mest, når de sidder inde i en integreret udviklingsstrategi i stedet for at komme som isolerede målinger.
Under præklinisk udvikling fastslår farmakokinetiske målinger systemisk eksponering og, hvor det er relevant, vævseksponering. Target engagement assays bestemmer, om kandidaten interagerer med sit tilsigtede molekylære mål. PD-biomarkører karakteriserer nedstrøms biologiske responser, og sygdomsrelaterede endepunkter giver bevis for funktionel eller patologisk forbedring.
PK/PD-modellering og eksponerings-responsanalyse konsoliderer derefter disse data i beslutninger om dosisvalg, doseringsintervaller og design af tidlige kliniske undersøgelser.
Under klinisk udvikling forfines den samme ramme med human PK, receptorbesættelse, pathway-aktivitet, billeddiagnostiske fund og kliniske resultater.
Information flyder ikke i én retning. Kliniske observationer kan vise, at en biomarkør har begrænset prædiktiv værdi, at et mål ikke er tilstrækkeligt engageret i det relevante væv, eller at kompensatoriske veje påvirker behandlingsrespons. Disse resultater går tilbage til fortolkningen af prækliniske data og udformningen af efterfølgende undersøgelser.
En brugbar biomarkørstrategi hviler på tre krav:
- Biologisk validitet:afspejler biomarkøren den tilsigtede biologiske mekanisme?
- Analytisk validitet:kan det måles nøjagtigt og reproducerbart?
- Klinisk relevans:giver den målte ændring meningsfuld information for lægemiddeludvikling eller patientresultater?
En biomarkør, der opfylder en eller to af disse, kan stadig bruges i eksplorativ forskning; dets evne til at understøtte kliniske beslutninger er fortsat begrænset.
Udvælgelse af biomarkører, analyseudvikling, prøveudtagningsstrategi og evaluering på tværs af arter hører derfor til i et tidligt studiedesign, før effektivitetsresultater bliver tilgængelige.
Implikationer for præklinisk translationel forskning
At gå fra præklinisk farmakologi til klinisk udvikling kræver mere end evidens for, at et lægemiddelkandidat har en effekt i en dyremodel. Det kræver et overblik over, hvordan lægemiddeleksponering, målengagement, nedstrøms biologisk aktivitet og sygdomsrelaterede udfald hænger sammen.
Integrerede PK/PD-undersøgelser og biomarkørevaluering er, hvordan dette synspunkt opbygges.
I ikke-menneskelig primatforskning kombineres disse vurderinger med longitudinelle fysiologiske målinger,klinisk billeddannelse, vævsprøvetagning og funktionelle endepunkter inden for en enkelt eksperimentel ramme. Et NHP CNS-studie kan for eksempel integrere plasma- og cerebrospinalvæske-lægemiddelkoncentrationer, billeddannelsesbaseret vurdering, vævsspecifikt målengagement og neurologiske eller adfærdsmæssige endepunkter. Resultatet er flere lag af beviser i stedet for en enkelt terminal måling.
Hos Prisys Biotech,NHP farmakologiundersøgelser inkorporerer PK/PD-evaluering, sygdomsrelateret biomarkørvurdering, klinisk billeddannelse og funktionel endepunktsanalyse i henhold til forskningsprogrammets mål. Det specifikke studiedesign og den analytiske strategi bestemmes af kandidatlægemidlet, virkningsmekanisme og tilsigtet klinisk anvendelse.
At behandle biomarkører som beslutningsinput snarere end som volumen er den praktiske forskel. Hvor biologisk aktivitet kan kvantificeres og fortolkes konsekvent på tværs af eksperimentelle modeller og kliniske undersøgelser, hviler udviklingsbeslutninger på evidens, og afstanden mellem præklinisk effekt og menneskelig respons bliver noget, et program kan undersøge direkte.
