אחד האתגרים המרכזיים בפיתוח תרופות הוא ההחלטה האם אפקט תרופתי שנראה במחקרים פרה-קליניים תופיע גם בבני אדם. מועמד יכול להראות יעילות משכנעת במודל של בעלי חיים ועדיין לא לייצר את התגובה הקלינית הצפויה. לעתים קרובות החלק החסר הוא מנגנון ביולוגי המאופיין היטב כדי לחזות את התנהגותו במין שני.
אותה מולקולה מייצרת תגובות שונות על פני מינים, מכיוון שביטוי מטרה, הפצת קולטנים, חילוף חומרים של תרופות, חשיפה לרקמות, ויסות חיסוני וביולוגיה של המחלה כולם שונים. לכן שיפור במודל של בעלי חיים אינו קובע כשלעצמו שמנגנון יתורגם לתועלת קלינית.
סמנים ביולוגיים נותנים דרך לעבוד על הפער הזה. על ידי מדידת השינויים הקשורים לחשיפה לתרופות, מעורבות מטרה, אפנון מסלול ותגובה למחלה, תוכנית יכולה ליצור קשרים כמותיים ביןפרמקוקינטיקה (PK)ופרמקודינמיקה (PD). יחסים אלה אומרים כמה חשיפה נדרשת, אילו מנגנונים ביולוגיים מושפעים, והאם התגובה הנצפית קשורה למחלות אנושיות.
ברפואה תרגום המטרה היא מסגרת קוהרנטית: מדידות פרה-קליניות מובילות להחלטות קליניות, ותצפיות קליניות משנות השערות פרה-קליניות. רשימה של סמני מועמדים אינה התוצאה.
1. מה הופך סמן ביולוגי לשימושי בפיתוח תרופות?
סמן ביולוגי הוא מאפיין מדיד המעיד על תהליך ביולוגי, תהליך פתוגני או תגובה להתערבות. מדידות מולקולריות, מאפיינים תאיים, פרמטרים פיזיולוגיים, ממצאי הדמיה ושינויים התנהגותיים מכימות אובייקטיבית כולם מתאימים.
ערכם תלוי בשאלה הביולוגית עליהן הם נועדו לענות. חמש קטגוריות חוזרות על עצמן בפיתוח תרופות.
סמנים ביולוגיים פרמקודינמייםמראים שהתרחשה תגובה ביולוגית לאחר מינון: ריכוזי ציטוקינים, זרחון של חלבוני איתות, ביטוי גנים, פעילות מטבולית.
מקד סמנים ביולוגיים של מעורבותלהראות שהתרופה יצרה אינטראקציה עם המטרה המולקולרית המיועדת שלה. תפוסת רצפטורים, קישור מטרה ועיכוב של מסלולי איתות הקשורים למטרה הם הקריאה הרגילה.
סמנים ביולוגיים מנבאיםלזהות מטופלים בעלי סיכוי גבוה יותר להגיב לטיפול מסוים. PD-L1 ביטוי ושינויי BRCA1/2 הם דוגמאות מבוססות בהגדרות טיפוליות מוגדרות.
סמנים ביולוגיים פרוגנוסטייםלתאר את המהלך הסביר של מחלה ללא תלות בטיפול מסוים.
סמנים ביולוגיים בטיחותייםלסמן רעילות פוטנציאלית הקשורה לטיפול או הפרעה פיזיולוגית.
הקטגוריות אינן סותרות זו את זו. סמן ביולוגי יחיד עשוי לשאת סוגים שונים של מידע בהתאם להקשר המחקר.
סמן ביולוגי הוא גם לא נקודת קצה קלינית או נקודת קצה פונדקאית כברירת מחדל. הפחתה בסמן דלקתי במחזור הדם מדגימה פעילות ביולוגית; הוא אינו קובע כי מטופל יחווה שיפור קליני משמעותי. קשירת שינוי בסמן ביולוגי לתוצאה קלינית דורשת ראיות נפרדות.
ההבחנה הזו מעצבת הכל במורד הזרם. מדידת השינוי היא החלק הפשוט. הפרשנות של משמעות השינוי ליעילות הטיפולית היא הקשה יותר.
2. הקרן הפרה-קלינית: קישור בין חשיפה לתרופות לתגובה ביולוגית
התרומה השימושית ביותר של סמנים ביולוגיים במהלך התפתחות פרה-קלינית היא הקשר שהם מבססים בין חשיפה לתרופה ופעילות תרופתית.
מחקר יעילות קונבנציונלי מראה שטיפול משפר נקודת קצה הקשורה למחלה. כשלעצמו, זה לא אומר אם ההשפעה הגיעה ממעורבות נאותה במטרה, אפנון מסלול במורד הזרם או תגובה ביולוגית עקיפה.
עיצוב אינפורמטיבי יותר מבסס שלושה קשרים מחוברים: חשיפה לתרופות, מעורבות מטרה ותגובה פרמקודינמית. כל אחד עונה על שאלה אחרת.
חשיפה לתרופה: כמה תרופה מגיעה לתא הביולוגי הרלוונטי?
מחקרים פרמקוקינטיים מאפיינים ספיגת תרופות, הפצה, חילוף חומרים וסילוק. ריכוז הפלזמה הוא נקודת התחלה חשובה, אך הוא מהווה פרוקסי לחשיפה באתר הפעולה, ולעיתים גרוע.
עבור תרופות המכוונות למערכת העצבים המרכזית, חשיפה לפלסמה לבדה אומרת מעט על הריכוז הזמין בתוך רקמת המוח. נוגדנים ותרופות ביולוגיות גדולות אחרות מתפזרות באופן שונה ממולקולות קטנות מסיבות שנמצאות מחוץ לריכוז הפלזמה.
בהתאם למנגנון הטיפולי, המדידות הרלוונטיות כוללות ריכוזי פלזמה הכוללים ובלתי קשורים, ריכוזי רקמות, ריכוזי נוזל מוחי או הפצת תרופות מקומית.
מעורבות מטרה: האם התרופה מקיימת אינטראקציה עם המטרה המיועדת לה?
מעורבות יעד קושרת בין חשיפה לתרופות לפעילות תרופתית.
עבור נוגדנים המכוונים לקולטן, תפוסת הקולטן (RO) מעריכה את שיעור הקולטנים הזמינים הקשורים לתרופה. עבור מעכבי קינאז, שינויים בזרחון המטרה או בחלבוני איתות במורד הזרם מספקים עדות לעיכוב מסלול. כך או כך המדידה עונה אם המינון הניתן יצר אינטראקציה ביולוגית מספקת עם המטרה המיועדת.
תגובה פרמקודינמית: האם מעורבות מטרה מייצרת את ההשפעה הביולוגית הצפויה?
כריכה אינה זהה לתגובה. תרופה יכולה לכבוש את המטרה שלה מבלי לייצר אפנון מספק של מסלול במורד הזרם, במיוחד כאשר מעורבים מנגנוני פיצוי או מסלולי איתות מיותרים.
סמנים ביולוגיים של PD מוסיפים את השכבה הזו של ראיות.
מעכב קינאז, למשל, מפחית את הזרחון של היעד המיועד שלו, ואז מעביר את חלבוני האיתות במורד הזרם, ולבסוף מזיז נקודת קצה הקשורה למחלה. מדידת כל שלוש הרמות מפרידה בין עיכוב מטרה ישיר להשפעות ביולוגיות רחבות יותר.
כימות הקשר חשיפה-תגובה
לאחר חשיפה ומדידות פרמקודינמיות זמינות, מודל יכול לאפיין את הקשר ביניהם.
בחירה נפוצה היא דגם Emax:
E(C)=E0 + (Emax x C) / (EC50 + C)
כאשר E(C) הוא ההשפעה התרופתית הנצפית בריכוז C, E0 ההשפעה הבסיסית, Emax ההשפעה המקסימלית הניתנת להשגה ו-EC50 הריכוז הקשור ל-50% מהמקסימום הזה.
מודלים מורכבים יותר מוסיפים תגובות מושהות, מנגנוני תגובה עקיפים, תחלופת קולטנים או שינויים תלויי זמן בחשיפה לתרופות.
התמורה המעשית היא טווח חשיפה ולא מנה בודדת. במקום ליטול את המינון שיצר את ההשפעה הגדולה ביותר שנצפה במחקר בבעלי חיים, תוכנית יכולה לזהות את החשיפה המינימלית הנדרשת לצורך מעורבות במטרה ואת החשיפה הקשורה לתגובת PD נאותה. זהו בסיס רציונלי יותר לקביעת מינונים ויעדי חשיפה במחקרים קליניים מאוחרים יותר.
3. ממחקרים על בעלי חיים ועד בחירת מינון ראשון באדם
בחירת המינון הקליני הראשוני היא אחד השימושים הברורים ביותר בנתוני PK/PD פרה-קליניים וסמנים ביולוגיים.
מחקרי רעילות לא קליניים מספקים בדרך כלל את עוגן הבטיחות: רמת השפעות שליליות ללא נצפית (NOAEL) המרה למינון שווה ערך לאדם (HED), ולאחר מכן מחולקת בגורם בטיחות מתאים.
עם זאת, עבור תרכובת חזקה מאוד או פעילה ביולוגית, מינון התחלתי הנגזר רק מתצפיות טוקסיקולוגיות יכול להחמיץ את הפרמקולוגיה. נוגדנים חד-שבטיים, מאפננים חיסוניים ותרופות ממוקדות אחרות מייצרים לעתים קרובות השפעות ביולוגיות משמעותיות בריכוזים נמוכים יחסית.
רמת ההשפעה הביולוגית המינימלית הצפויה (MABEL) מכסה את המקרה הזה. MABEL מעריכה את המינון או החשיפה הצפויים לייצר השפעה ביולוגית מינימלית בבני אדם, בהסתמך על העדויות הפרמקולוגיות והלא קליניות הזמינות, ובדרך כלל היא משלבת:
- ביטוי מטרה ומאפייני מחייב.
- נתוני ריכוז-תגובה במבחנה.
- תפוסת קולטנים ומעורבות יעד.
- פעילות פונקציונלית במערכות ביולוגיות רלוונטיות.
- יחסי PK ו-PD על פני מודלים ניסיוניים.
- הבדלים במינים בפרמקולוגיה ובביולוגיה של מטרה.
MABEL אינה מחליפה הערכה מבוססת NOAEL בכל תוכנית פיתוח. זה מוסיף שיקול מבוסס פרמקולוגיה, והכי חשוב היכן הפעלה או עיכוב מוגזמים של מטרות נושאות השלכות חמורות.
הניסוי הקליני TGN1412 נותר מקרה הייחוס מדוע ממצאים טוקסיקולוגיים לבדם יכולים להיות לא מספיקים עבור תרופה ביולוגית המפעילה את מערכת החיסון. מתנדבים בריאים פיתחו תגובות חמורות לשחרור ציטוקינים למרות בדיקות לא-קליניות קודמות. הפרק עסק בפרמקולוגיה ספציפית למין, פעילות ביולוגית רלוונטית לאדם, והקשר בין מינון והפעלה חיסונית, שאף אחת מהן לא נפתרה מהחבילה הלא-קלינית.
עבור תוכנית תרגום, הלקח הוא שמחקרים פרה-קליניים צריכים לייצר יותר מאשר תצפיות רעילות ותוצאות יעילות. הם גם צריכים להסביר את המנגנון מספיק טוב כדי לצפות את התגובה האנושית.
4. התפתחות קלינית מוקדמת: אישור שהמנגנון עובד בבני אדם
ממצאי סמנים ביולוגיים פרה-קליניים מייצרים השערות. מחקרים קליניים בודקים אם הם מחזיקים בבני אדם.
במהלך שלב I ופיתוח מוקדם של שלב II, סמנים ביולוגיים שימושיים ביותר עבור שלוש עבודות: אישור מעורבות מטרה, איתור טווחי חשיפה פעילים ביולוגית ותיאור הקשר בין מינון לתגובה תרופתית.
תפוסת קולטנים היא דוגמה אחת.
עבור תרופות המכוונות לקולטנים משטח התא, ציטומטריית זרימה או שיטה אנליטית מאומתת אחרת מכמתת את קשירת התרופה ואת זמינות הקולטנים באוכלוסיות התאים הרלוונטיות במחזור. דגימה סדרתית מראה האם התפוסה עולה עם המינון והאם היא מתקרבת לרוויה.
לדם היקפי יש גבולות. תפוסה של תאי חיסון במחזור אינה מבססת מעורבות מטרה שווה ברקמות מוצקות או בתאים אחרים הרלוונטיים למחלה. כאשר השאלה היא מחלקתית, ביופסיות רקמות, מדידות נוזל מוחי, סמנים ביולוגיים להדמיה או הערכות אחרות ספציפיות לתא מספקות את העדויות החסרות.
מדידות המסלול במורד הזרם נושאות משקל שווה. מעכבי BTK נקראים דרך שינויים באיתות הקשורים ל-BTK; מעכבי MEK באמצעות אפנון של זרחון ERK.
התאמה של מעורבות יעד עם PD במורד הזרם עונה על שתי שאלות נפרדות:
- האם התרופה הגיעה אל היעד המיועד לה ועשתה אינטראקציה?
- האם האינטראקציה הזו יצרה את התגובה הביולוגית הצפויה?
הזיווג חשוב בעת פירוש נתוני מינון-תגובה קליניים. מינון שמשיג תפוסת קולטן כמעט מקסימלית אינו חייב לייצר את התועלת הקלינית הגדולה ביותר, והסלמה נוספת יכולה להוסיף סיכון הקשור לטיפול תוך הוספת פעילות תרופתית מועטה.
בחירת מינון מונחית סמן ביולוגי מזהה אפוא טווח מינון פעיל מבחינה ביולוגית ומתאים קלינית, שהוא יעד שונה מהמינון המקסימלי הנסבל (MTD).
5. סמנים ביולוגיים בבחירת חולים והערכת יעילות קלינית
ככל שהפיתוח מתקדם, תפקידם של סמנים ביולוגיים עובר מאישור פעילות פרמקולוגית לזיהוי המטופלים בעלי הסבירות הגבוהה ביותר להועיל. השינוי הזה חשוב ביותר עבור טיפולים ממוקדים, אימונותרפיות וטיפולים המכוונים נגד תת-קבוצות של מחלות המוגדרות מולקולרית.
תוכנית פמברוליזומאב היא מקרה מתועד היטב.
תיאור מקרה: פמברוליזומאב ו-PD-L1 כ-סמן ביולוגי מנבא
פמברוליזומאב הוא נוגדן חד שבטי המכוון לחלבון מוות תאי מתוכנת 1 (PD-1). חסימת האינטראקציה בין PD-1 והליגנדים שלו, PD-L1 ביניהם, משחזרת היבטים של פעילות אנטי-גידול בתיווך תאי T.
לפיתוח קליני מוקדם היו שתי שאלות לענות בו-זמנית: איזה מינון יכול להשיג פעילות תרופתית מתמשכת, ולאילו חולים יש סיכוי גבוה יותר להגיב.
מחקרי תפוסת קולטנים סיפקו את המחצית התרופתית. מחקרים קליניים הדגימו תפוסה משמעותית של PD-1 בתאי T במחזור בטווח המינון המוערך, עם מעורבות מתמשכת של מטרה, וממצאים אלה בנו את התמונה של הקשר בין המינון, החשיפה והתפוסה.
בחירת המינון נשענה על יותר מאשר תפוסה. PK קליני, ממצאים פרמקודינמיים, נתוני יעילות ובטיחות נשקלו יחד. התוכנית הקלינית המוקדמת העריכה משטרי מינון מרובים, ו-2 מ"ג/ק"ג כל שלושה שבועות הפכו למנה חשובה בתוכנית הפיתוח הראשונית.
בחירת מטופל הייתה השאלה השנייה.
ביטוי PD-L1 נחקר כסמן ביולוגי פוטנציאלי. אימונוהיסטוכימיה כימתה את PD-L1 בדגימות הגידול, והתוצאות נבדקו כנגד תגובת הטיפול.
מחקרים קליניים שלאחר מכן קבעו את החשיבות של ביטוי PD-L1 בבחירת חולים להתוויות מסוימות של פמברוליזומאב. KEYNOTE-024 העריך בעבר סרטן ריאות מתקדם לא-קטן (NSCLC) עם ציון פרופורציונלי גידול PD-L1 של לפחות 50% וללא רגישות לשינויים ב-EGFR או ALK, במסגרת טיפול קו ראשון מועשר בסמנים ביולוגיים. Pembrolizumab הניב תוצאות קליניות משופרות בהשוואה לכימותרפיה מבוססת פלטינה באוכלוסייה הנבחרת.
מבחן ה-PD-L1 IHC 22C3 pharmDx פותח כאבחון נלווה עבור ההתוויות הרלוונטיות.
שתי יישומים משלימים יושבים בתוך אותה תוכנית אחת. תפוסת הקולטנים תמכה בהבנה של אינטראקציה בין תרופה למטרה ובפרמקולוגיה קלינית; ביטוי גידול PD-L1 זיהה אוכלוסיית חולים בסבירות גבוהה יותר להפיק תועלת. סמן של מעורבות מטרה וסמן מנבא עונים על שאלות שונות גם כאשר שניהם שייכים לאותה תוכנית פיתוח, וזו הסיבה שכל אחד מהם מוערך מול המטרה הקלינית המיועדת לו.
6. מדוע יש להעריך סמנים ביולוגיים תרגום על פני מינים
סמן ביולוגי שעובד במודל של בעלי חיים אינו מתאים אוטומטית לתרגום קליני. הבדלים במבנה המולקולרי, ביטוי מטרה, ויסות חיסוני, חילוף חומרים ופיזור רקמות משפיעים הן על המדידה עצמה והן על הפרשנות הביולוגית שלה.
לכן, השוואה בין המינים שייכת לתכנון של מחקר פרה-קליני. ארבעה היבטים נושאים את רוב הסיכון.
השוואה אנליטית.מבחני חייבים להיות מספיק ספציפיים ורגישים במין הרלוונטי. נוגדנים, פריימרים, ריאגנטים לזיהוי ורכיבים אנליטיים אחרים יכולים להציג מאפייני ביצועים שונים בדגימות של בני אדם ובעלי חיים.
רלוונטיות ביולוגית.שינוי מדיד בבעל חיים לא תמיד מייצג את אותו תהליך ביולוגי בבני אדם. השאלה היא האם הסמן הביולוגי משקף מנגנון משומר או תגובה ספציפית למין.
רלוונטיות לרקמות.סמנים ביולוגיים הנמדדים בדם היקפי לעתים קרובות מציגים באופן שגוי את הפעילות הביולוגית באיבר המטרה, מה שחשוב ב-CNS, אונקולוגיה ומחקר דלקתי ספציפי לרקמות.
רלוונטיות זמנית.ניתן לקזז שינויים בסמנים ביולוגיים ותגובות קליניות או תפקודיות בזמן, כך שלוח הזמנים של הדגימה קובע אם בכלל ניתן לראות קשר בין חשיפה לתגובה.
מודלים של פרימטים לא אנושיים (NHP) הופכים שימושיים כאשר המנגנון התרופתי תלוי ביעדים מולקולריים משומרים, אינטראקציות חיסוניות מורכבות או תהליכים פיזיולוגיים שמודלים של בעלי חיים קונבנציונליים מייצגים בצורה גרועה. עבור תרופות ביולוגיות וטיפולים רגישים למינים אחרים, מחקרי NHP מאפיינים מעורבות מטרה, חשיפה מערכתית, תגובות אימונולוגיות והשפעות פרמקודינמיות בסביבה רלוונטית מבחינה פיזיולוגית.
מחקרי NHP אינם מבטלים הבדלים בין המינים. ערכם תלוי ברלוונטיות של המודל הנבחר, בתגובתיות ההדדית הפרמקולוגית של המולקולה המועמדת ובהתאמה של הסמנים הביולוגיים הנמדדים.
אסטרטגיית סמן ביולוגי תרגום בנויה לפיכך סביב מנגנון הפעולה והיישום הקליני המיועד, ולא סביב נקודות הקצה שבמקרה נוח למדוד.
7. שילוב סמנים ביולוגיים באסטרטגיית פיתוח כמותית
סמנים ביולוגיים מספקים את המרבית כאשר הם יושבים בתוך אסטרטגיית פיתוח משולבת במקום להגיע כמדידות מבודדות.
במהלך ההתפתחות הפרה-קלינית, מדידות PK קובעות חשיפה מערכתית, ובמידת הצורך, חשיפה לרקמות. מבחני מעורבות יעד קובעים אם המועמד מקיים אינטראקציה עם היעד המולקולרי המיועד שלו. סמני PD מאפיינים תגובות ביולוגיות במורד הזרם, ונקודות קצה הקשורות למחלה מספקות עדות לשיפור תפקודי או פתולוגי.
מידול PK/PD וניתוח חשיפה-תגובה מאחדים את הנתונים הללו להחלטות על בחירת מינון, מרווחי מינון ותכנון מחקרים קליניים מוקדמים.
במהלך הפיתוח הקליני, אותה מסגרת משתכללת עם PK אנושי, תפוסת קולטנים, פעילות מסלול, ממצאי הדמיה ותוצאות קליניות.
המידע אינו זורם לכיוון אחד. תצפיות קליניות יכולות להראות כי לסמן ביולוגי יש ערך ניבוי מוגבל, כי מטרה אינה מעורבת מספיק ברקמה הרלוונטית, או שמסלולי פיצוי משפיעים על תגובת הטיפול. ממצאים אלה ניזונים לפרשנות של נתונים פרה-קליניים ולתכנון המחקרים הבאים.
אסטרטגיית סמן ביולוגי מעשי נשענת על שלוש דרישות:
- תוקף ביולוגי:האם הסמן הביולוגי משקף את המנגנון הביולוגי המיועד?
- תוקף אנליטי:האם ניתן למדוד אותו בצורה מדויקת וניתנת לשחזור?
- רלוונטיות קלינית:האם השינוי הנמדד מספק מידע משמעותי לפיתוח תרופה או לתוצאות המטופל?
לסמן ביולוגי שמספק אחד או שניים מאלה עדיין יש שימוש במחקר גישוש; יכולתו לתמוך בהחלטות קליניות נותרה מוגבלת.
בחירת סמנים ביולוגיים, פיתוח מבחני, אסטרטגיית דגימה והערכת בין-מינים שייכים לפיכך לתכנון המחקר המוקדם, לפני שתוצאות היעילות הופכות לזמינות.
השלכות על מחקר תרגומי פרה-קליני
מעבר מפרמקולוגיה פרה-קלינית לפיתוח קליני דורש יותר מאשר ראיות לכך שתרופה מועמדת מייצרת השפעה במודל של בעלי חיים. זה דורש השקפה על האופן שבו חשיפה לתרופות, מעורבות מטרה, פעילות ביולוגית במורד הזרם ותוצאות הקשורות למחלה מתחברים.
מחקרי PK/PD משולבים והערכת סמנים ביולוגיים הם הדרך שבה נבנית השקפה זו.
במחקר פרימטים לא אנושי הערכות אלו משתלבות עם מדידות פיזיולוגיות אורכיות,הדמיה קלינית, דגימת רקמות ונקודות קצה פונקציונליות בתוך מסגרת ניסיונית אחת. מחקר NHP CNS, למשל, יכול לשלב ריכוזי תרופות בפלזמה ונוזל השדרה, הערכה מבוססת הדמיה, מעורבות מטרה ספציפית לרקמות ונקודות קצה נוירולוגיות או התנהגותיות. התוצאה היא כמה שכבות של ראיות במקום מדידה סופנית אחת.
ב-Prisys Biotech,פרמקולוגיה של NHPמחקרים משלבים הערכת PK/PD, הערכת סמנים ביולוגיים הקשורים למחלה, הדמיה קלינית וניתוח נקודות קצה תפקודיות בהתאם למטרות תוכנית המחקר. עיצוב המחקר והאסטרטגיה האנליטית הספציפית נקבעים על ידי התרופה המועמדת, מנגנון הפעולה והיישום הקליני המיועד.
ההתייחסות לסמנים ביולוגיים כאל תשומות החלטה ולא כנפח הוא ההבדל המעשי. כאשר פעילות ביולוגית ניתנת לכימות ולפרש באופן עקבי על פני מודלים ניסויים ומחקרים קליניים, החלטות הפיתוח נשענות על ראיות, והמרחק בין יעילות פרה-קלינית לתגובה אנושית הופך למשהו שתוכנית יכולה לחקור ישירות.
