En av de centrala utmaningarna i läkemedelsutvecklingen är att avgöra om en farmakologisk effekt som ses i prekliniska studier även kommer att uppstå hos människor. En kandidat kan visa övertygande effekt i en djurmodell och ändå misslyckas med att producera det förväntade kliniska svaret. Ofta är den saknade biten en biologisk mekanism som karakteriseras tillräckligt väl för att förutsäga dess beteende hos en andra art.
Samma molekyl producerar olika svar mellan olika arter, eftersom måluttryck, receptorfördelning, läkemedelsmetabolism, vävnadsexponering, immunreglering och sjukdomsbiologi alla skiljer sig åt. En förbättring av en djurmodell visar därför inte i sig att en mekanism kommer att leda till klinisk nytta.
Biomarkörer ger ett sätt att arbeta på det gapet. Genom att mäta förändringar som är förknippade med läkemedelsexponering, målengagemang, vägmodulering och sjukdomsrespons, kan ett program etablera kvantitativa samband mellanfarmakokinetik (PK)ochfarmakodynamik (PD). Dessa relationer säger hur mycket exponering som behövs, vilka biologiska mekanismer som påverkas och om det observerade svaret relaterar till mänsklig sjukdom.
Inom translationell medicin är målet ett sammanhängande ramverk: prekliniska mätningar informerar om kliniska beslut, och kliniska observationer reviderar prekliniska hypoteser. En lista över kandidatmarkörer är inte leveransen.
1. Vad gör en biomarkör användbar i läkemedelsutveckling?
En biomarkör är en mätbar egenskap som indikerar en biologisk process, en patogen process eller ett svar på en intervention. Molekylära mätningar, cellulära egenskaper, fysiologiska parametrar, avbildningsfynd och objektivt kvantifierade beteendeförändringar är alla kvalificerade.
Deras värde beror på den biologiska fråga de är tänkta att besvara. Fem kategorier återkommer i läkemedelsutveckling.
Farmakodynamiska biomarkörervisa att ett biologiskt svar har inträffat efter dosering: cytokinkoncentrationer, fosforylering av signalproteiner, genuttryck, metabolisk aktivitet.
Mål biomarkörer för engagemangvisa att läkemedlet har interagerat med sitt avsedda molekylära mål. Receptorbeläggning, målbindning och hämning av målassocierade signalvägar är de vanliga avläsningarna.
Prediktiva biomarköreridentifiera patienter som är mer benägna att svara på en viss behandling. PD-L1-uttryck och BRCA1/2-ändringar är etablerade exempel i definierade terapeutiska miljöer.
Prognostiska biomarkörerbeskriva det troliga förloppet av en sjukdom oberoende av en viss behandling.
Säkerhetsbiomarkörerflagga potentiell behandlingsrelaterad toxicitet eller fysiologisk störning.
Kategorierna utesluter inte varandra. En enskild biomarkör kan innehålla olika typer av information beroende på studiesammanhang.
En biomarkör är inte heller en klinisk endpoint eller en surrogat endpoint som standard. En minskning av en cirkulerande inflammatorisk markör visar biologisk aktivitet; det fastställer inte att en patient kommer att uppleva meningsfull klinisk förbättring. Att knyta en biomarkörändring till ett kliniskt resultat kräver separata bevis.
Den distinktionen formar allt nedströms. Att mäta förändringen är den enkla delen. Det är svårare att tolka vad förändringen innebär för terapeutisk effekt.
2. The Preclinical Foundation: Att koppla läkemedelsexponering till biologisk respons
Det mest användbara bidraget från biomarkörer under preklinisk utveckling är sambandet mellan läkemedelsexponering och farmakologisk aktivitet.
En konventionell effektstudie visar att en behandling förbättrar ett sjukdomsrelaterat effektmått. I sig står det inte om effekten kom från adekvat målengagemang, nedströms vägmodulering eller ett indirekt biologiskt svar.
En mer informativ design etablerar tre sammanhängande relationer: läkemedelsexponering, målengagemang och farmakodynamisk respons. Var och en svarar på en annan fråga.
Läkemedelsexponering: Hur mycket läkemedel når det relevanta biologiska utrymmet?
Farmakokinetiska studier karakteriserar läkemedelsabsorption, distribution, metabolism och eliminering. Plasmakoncentration är en viktig utgångspunkt, men den är en proxy för exponering vid verkningsstället, och ibland en dålig sådan.
För läkemedel som är inriktade på det centrala nervsystemet säger plasmaexponering enbart lite om den tillgängliga koncentrationen i hjärnvävnaden. Antikroppar och andra stora biologiska ämnen fördelar sig annorlunda än små molekyler av skäl som ligger utanför plasmakoncentrationen.
Beroende på den terapeutiska mekanismen inkluderar relevanta mätningar totala och obundna plasmakoncentrationer, vävnadskoncentrationer, cerebrospinalvätskekoncentrationer eller lokal läkemedelsdistribution.
Målengagemang: Interagerar läkemedlet med det avsedda målet?
Target engagemang kopplar läkemedelsexponering till farmakologisk aktivitet.
För receptorinriktade antikroppar uppskattar receptorbeläggning (RO) andelen tillgängliga receptorer som binds av läkemedlet. För kinashämmare ger förändringar i målfosforylering eller i nedströms signaleringsproteiner bevis på inhibering av vägen. Oavsett vilket svarar mätningen om den administrerade dosen gav tillräcklig biologisk interaktion med det avsedda målet.
Farmakodynamisk respons: Ger målengagemang den förväntade biologiska effekten?
Bindning är inte detsamma som svar. Ett läkemedel kan ockupera sitt mål utan att producera tillräcklig nedströms vägmodulering, särskilt där kompensatoriska mekanismer eller redundanta signalvägar är involverade.
PD-biomarkörer lägger till detta lager av bevis.
En kinashämmare, till exempel, minskar fosforyleringen av dess avsedda mål, skiftar sedan nedströms signaleringsproteiner och flyttar slutligen en sjukdomsrelaterad slutpunkt. Att mäta alla tre nivåerna skiljer direkt målinhibering från bredare biologiska effekter.
Kvantifiera exponering-responssambandet
När exponerings- och farmakodynamiska mätningar väl är tillgängliga kan en modell karakterisera sambandet mellan dem.
Ett vanligt val är Emax-modellen:
E(C)=E0 + (Emax x C) / (EC50 + C)
där E(C) är den observerade farmakologiska effekten vid koncentration C, E0 baslinjeeffekten, Emax den maximalt uppnåbara effekten och EC50 den koncentration som är associerad med 50 % av detta maximum.
Mer komplexa modeller lägger till fördröjda svar, indirekta svarsmekanismer, receptoromsättning eller tidsberoende förändringar i läkemedelsexponering.
Den praktiska vinsten är ett exponeringsintervall snarare än en enstaka dos. Istället för att ta den dos som gav den största observerade effekten i en djurstudie, kan ett program identifiera den minsta exponering som krävs för målengagemang och den exponering som är förknippad med ett adekvat PD-svar. Det är en mer rationell grund för att sätta doser och exponeringsmål i senare kliniska studier.
3. Från djurstudier till första-i-människa dosval
Att välja den initiala kliniska dosen är en av de tydligaste användningarna av prekliniska PK/PD och biomarkördata.
Icke-kliniska toxicitetsstudier tillhandahåller normalt säkerhetsankaret: en no-observed-adverse-effect level (NOAEL) omvandlad till en human ekvivalentdos (HED), sedan dividerad med en lämplig säkerhetsfaktor.
För en mycket potent eller starkt biologiskt aktiv förening kan dock en startdos som härrör från toxikologiska observationer missa farmakologin. Monoklonala antikroppar, immunmodulatorer och andra riktade terapier ger ofta betydande biologiska effekter vid relativt låga koncentrationer.
Den minsta förväntade biologiska effektnivån (MABEL) täcker det fallet. MABEL uppskattar dosen eller exponeringen som förväntas ge en minimal biologisk effekt hos människor, utifrån tillgängliga farmakologiska och icke-kliniska bevis, och den integrerar vanligtvis:
- Måluttryck och bindningsegenskaper.
- In vitro koncentration-responsdata.
- Receptorbeläggning och målengagemang.
- Funktionell aktivitet i relevanta biologiska system.
- PK och PD relationer över experimentella modeller.
- Artskillnader i farmakologi och målbiologi.
MABEL ersätter inte NOAEL-baserad bedömning i varje utvecklingsprogram. Det lägger till ett farmakologibaserat övervägande, och det spelar mest roll där överdriven målaktivering eller hämning har allvarliga konsekvenser.
Den kliniska prövningen TGN1412 förblir referensfallet för varför enbart toxikologiska fynd kan vara otillräckliga för ett immunaktiverande biologiskt läkemedel. Friska frivilliga utvecklade allvarliga cytokin-frisättningsreaktioner trots föregående icke-kliniska tester. Episoden visade på artspecifik farmakologi, humanrelevant biologisk aktivitet och förhållandet mellan dos och immunaktivering, varav inget det icke-kliniska paketet hade löst.
För ett translationsprogram är lärdomen att prekliniska studier måste generera mer än toxicitetsobservationer och effektresultat. De måste också förklara mekanismen tillräckligt bra för att förutse det mänskliga svaret.
4. Tidig klinisk utveckling: Bekräftelse av att mekanismen fungerar hos människor
Prekliniska biomarkörfynd ger hypoteser. Kliniska studier testar om de håller hos människor.
Under fas I och tidig fas II-utveckling är biomarkörer mest användbara för tre jobb: att bekräfta målengagemang, lokalisera biologiskt aktiva exponeringsintervall och beskriva sambandet mellan dos och farmakologisk respons.
Receptorbeläggning är ett exempel.
För läkemedel som riktar sig mot cellytereceptorer kvantifierar flödescytometri eller annan validerad analysmetod läkemedelsbindning och receptortillgänglighet på relevanta cirkulerande cellpopulationer. Serieprover visar om beläggningen ökar med dosen och om den närmar sig mättnad.
Perifert blod har gränser. Beläggning på cirkulerande immunceller etablerar inte motsvarande målingrepp i fasta vävnader eller i andra sjukdomsrelevanta fack. När frågan är kompartmentell ger vävnadsbiopsier, mätningar av cerebrospinalvätska, avbildningsbiomarkörer eller andra kompartmentspecifika bedömningar de saknade bevisen.
Nedströms vägmätningar väger lika mycket. BTK-hämmare läses genom förändringar i BTK-associerad signalering; MEK-hämmare genom modulering av ERK-fosforylering.
Att koppla ihop målengagemang med nedströms PD svarar på två separata frågor:
- Har läkemedlet nått och interagerat med sitt avsedda mål?
- Har den interaktionen producerat det förväntade biologiska svaret?
Parningen har betydelse vid tolkning av kliniska dos-responsdata. En dos som uppnår nästan maximal receptorbeläggning behöver inte ge den största kliniska nyttan, och ytterligare upptrappning kan lägga till behandlingsrelaterad risk samtidigt som den tillför liten farmakologisk aktivitet.
Biomarkörstyrt dosval identifierar därför ett biologiskt aktivt och kliniskt lämpligt dosintervall, som är ett annat mål än den maximala tolererade dosen (MTD).
5. Biomarkörer i patienturval och klinisk effektbedömning
Allt eftersom utvecklingen fortskrider skiftar biomarkörernas roll från att bekräfta farmakologisk aktivitet till att identifiera de patienter som mest sannolikt kommer att gynnas. Denna förändring är viktigast för riktade terapier, immunterapier och behandlingar riktade mot molekylärt definierade sjukdomsundergrupper.
Pembrolizumab-programmet är ett väldokumenterat fall.
Fallstudie: Pembrolizumab och PD-L1 som en prediktiv biomarkör
Pembrolizumab är en monoklonal antikropp riktad mot programmerat celldödsprotein 1 (PD-1). Blockering av interaktionen mellan PD-1 och dess ligander, PD-L1 bland dem, återställer aspekter av T-cellsmedierad antitumöraktivitet.
Tidig klinisk utveckling hade två frågor att besvara på en gång: vilken dos som kunde uppnå bibehållen farmakologisk aktivitet och vilka patienter som var mer benägna att svara.
Receptorbeläggningsstudier gav den farmakologiska hälften. Kliniska undersökningar visade på betydande PD-1 beläggning av cirkulerande T-celler över det utvärderade dosintervallet, med ihållande målengagemang, och dessa fynd skapade bilden av hur dos, exponering och beläggning relaterar.
Dosval vilade på mer än beläggning. Klinisk farmakokinetik, farmakodynamiska fynd, effekt och säkerhetsdata vägdes samman. Det tidiga kliniska programmet utvärderade flera doseringsregimer och 2 mg/kg var tredje vecka blev en viktig dos i det initiala utvecklingsprogrammet.
Patienturval var den andra frågan.
PD-L1 uttryck undersöktes som en potentiell prediktiv biomarkör. Immunhistokemi kvantifierade PD-L1 i tumörprover, och resultaten testades mot behandlingssvar.
Efterföljande kliniska studier fastställde vikten av PD-L1 uttryck vid val av patienter för vissa pembrolizumab-indikationer. KEYNOTE-024 utvärderade tidigare obehandlad avancerad icke-småcellig lungcancer (NSCLC) med en PD-L1 tumörproportionspoäng (TPS) på minst 50 % och utan sensibiliserande EGFR- eller ALK-förändringar, i en biomarkörberikad förstahandsbehandling. Pembrolizumab gav förbättrade kliniska resultat jämfört med platinabaserad kemoterapi i den utvalda populationen.
PD-L1 IHC 22C3 pharmDx-analysen utvecklades som en kompletterande diagnostik för relevanta indikationer.
Två kompletterande applikationer finns i det ena programmet. Receptorbeläggning stödde förståelsen av läkemedel-målinteraktion och klinisk farmakologi; tumör PD-L1 uttryck identifierade en patientpopulation mer sannolikt att dra nytta av. En markör för målengagemang och en prediktiv markör svarar på olika frågor även när båda tillhör samma utvecklingsprogram, varför var och en utvärderas mot sitt eget avsedda kliniska syfte.
6. Varför translationella biomarkörer måste utvärderas över arter
En biomarkör som fungerar i en djurmodell är inte automatiskt lämplig för klinisk översättning. Skillnader i molekylstruktur, måluttryck, immunreglering, metabolism och vävnadsfördelning påverkar både själva mätningen och dess biologiska tolkning.
Jämförbarhet mellan arter hör därför hemma i utformningen av preklinisk forskning. Fyra aspekter bär större delen av risken.
Analytisk jämförbarhet.Analyser måste vara tillräckligt specifika och känsliga för den relevanta arten. Antikroppar, primers, detektionsreagenser och andra analytiska komponenter kan uppvisa olika prestandaegenskaper i prover från människor och djur.
Biologisk relevans.En mätbar förändring hos ett djur representerar inte alltid samma biologiska process hos människor. Frågan är om biomarkören återspeglar en konserverad mekanism eller en artspecifik respons.
Vävnadsrelevans.Biomarkörer som mäts i perifert blod visar ofta felaktig biologisk aktivitet i målorganet, vilket är viktigt i CNS, onkologi och vävnadsspecifik inflammatorisk forskning.
Tidsmässig relevans.Biomarkörförändringar och kliniska eller funktionella svar kan kompenseras i tid, så provtagningsschemat avgör om ett exponerings-responssamband överhuvudtaget är synligt.
Icke-humana primatmodeller (NHP) blir användbara där den farmakologiska mekanismen beror på konserverade molekylära mål, komplexa immuninteraktioner eller fysiologiska processer som konventionella djurmodeller representerar dåligt. För biologiska läkemedel och andra artkänsliga terapier karakteriserar NHP-studier målengagemang, systemisk exponering, immunologiska svar och farmakodynamiska effekter i en fysiologiskt relevant miljö.
NHP-studier eliminerar inte skillnader mellan arter. Deras värde beror på relevansen av den valda modellen, den farmakologiska korsreaktiviteten hos kandidatmolekylen och lämpligheten hos de biomarkörer som mäts.
En translationell biomarkörstrategi är därför uppbyggd kring verkningsmekanismen och den avsedda kliniska tillämpningen, snarare än kring de endpoints som råkar vara bekväma att mäta.
7. Integrering av biomarkörer i en kvantitativ utvecklingsstrategi
Biomarkörer levererar mest när de sitter i en integrerad utvecklingsstrategi snarare än att komma fram som isolerade mätningar.
Under preklinisk utveckling fastställer farmakokinetiska mätningar systemisk exponering och, i förekommande fall, vävnadsexponering. Målengagemangsanalyser avgör om kandidaten interagerar med sitt avsedda molekylära mål. PD-biomarkörer karakteriserar nedströms biologiska svar, och sjukdomsrelaterade endpoints ger bevis på funktionell eller patologisk förbättring.
PK/PD-modellering och exponerings-responsanalys konsoliderar sedan dessa data till beslut om dosval, doseringsintervall och utformningen av tidiga kliniska studier.
Under den kliniska utvecklingen förfinas samma ramverk med human PK, receptorockupation, pathway-aktivitet, avbildningsfynd och kliniska resultat.
Information flödar inte i en riktning. Kliniska observationer kan visa att en biomarkör har begränsat prediktivt värde, att ett mål inte är tillräckligt engagerat i den relevanta vävnaden eller att kompensatoriska vägar påverkar behandlingssvaret. Dessa fynd återkopplas till tolkningen av prekliniska data och utformningen av efterföljande studier.
En fungerande biomarkörstrategi vilar på tre krav:
- Biologisk giltighet:speglar biomarkören den avsedda biologiska mekanismen?
- Analytisk validitet:kan det mätas exakt och reproducerbart?
- Klinisk relevans:ger den uppmätta förändringen meningsfull information för läkemedelsutveckling eller patientresultat?
En biomarkör som uppfyller en eller två av dessa har fortfarande användning i explorativ forskning; dess förmåga att stödja kliniska beslut är fortfarande begränsad.
Urval av biomarkörer, analysutveckling, provtagningsstrategi och utvärdering av olika arter hör därför till tidig studiedesign, innan effektresultat blir tillgängliga.
Implikationer för preklinisk translationell forskning
Att gå från preklinisk farmakologi till klinisk utveckling kräver mer än bevis för att ett läkemedelskandidat ger effekt i en djurmodell. Det kräver en syn på hur läkemedelsexponering, målengagemang, nedströms biologisk aktivitet och sjukdomsrelaterade utfall hänger ihop.
Integrerade PK/PD-studier och biomarkörutvärdering är hur den uppfattningen byggs upp.
I icke-mänsklig primatforskning kombineras dessa bedömningar med longitudinella fysiologiska mätningar,klinisk avbildning, vävnadsprovtagning och funktionella slutpunkter inom en enda experimentell ram. En NHP CNS-studie kan till exempel integrera läkemedelskoncentrationer i plasma och cerebrospinalvätska, avbildningsbaserad bedömning, vävnadsspecifikt målengagemang och neurologiska eller beteendemässiga endpoints. Resultatet är flera lager av bevis istället för en enda terminal mätning.
På Prisys Biotech,NHP farmakologistudier inkluderar PK/PD-utvärdering, sjukdomsrelaterad biomarkörbedömning, klinisk avbildning och funktionell endpoint-analys enligt forskningsprogrammets mål. Den specifika studiedesignen och den analytiska strategin bestäms av kandidatläkemedlet, verkningsmekanismen och avsedd klinisk tillämpning.
Att behandla biomarkörer som indata för beslut snarare än som volym är den praktiska skillnaden. Där biologisk aktivitet kan kvantifieras och tolkas konsekvent över experimentella modeller och kliniska studier, vilar utvecklingsbeslut på bevis, och avståndet mellan preklinisk effekt och mänskligt svar blir något som ett program kan undersöka direkt.
