生物標志物指導下的抗腫瘤藥物研發

邱國玉，許曉輝，賈汝玲，黨子龍，馬友振

國際抗癌聯盟發布的《中低收入國家獲得癌癥治療的現狀——全球癌癥防治的重要部分》調查報告指出，目前超過一半的腫瘤患者生活在中低收入國家，這一數字到2030年將上升到70%。腫瘤已成為我國城市和農村居民的第一位死因，我國腫瘤發病率正處于快速上升期，每年腫瘤發病人數約260萬，死亡約180萬[1]。目前全球各國已批準上市的抗腫瘤藥物有130～150種[2-3]?？鼓[瘤藥物將是人類與腫瘤抗爭的武器，也代表了目前人類抗擊腫瘤的最高水準。在藥物研發的過程中，由于不合適的藥物靶點、不合適的分子、錯誤的結論、不匹配的患者導致了抗腫瘤藥物研發的失敗。從候選藥物到成功應用于臨床，藥物需要經歷臨床Ⅰ期試驗、臨床Ⅱ期試驗、臨床Ⅲ期試驗、上市申請及審批和上市后再研究5個研究階段。在生物標志物指導下，候選藥物臨床Ⅰ期試驗到臨床Ⅱ期試驗，臨床Ⅱ期試驗到臨床Ⅲ期試驗、臨床Ⅲ期試驗到上市申請及審批、上市申請及審批到上市后再研究的成功率都比沒有生物標志物指導的成功率高，同時，候選藥物臨床Ⅰ期試驗，生物標志物指導下開發藥物的成功率是沒有生物標志物指導的3倍[4]?？鼓[瘤藥物的研發仍然緩慢、昂貴和低效，解決這一問題的一種方法是使用預測性生物標志物。生物標志物在非臨床藥物開發中涉及廣泛的學科、模式和開發階段，主要是藥物靶點的識別和評估，藥物臨床試驗期間療效研究。生物標志物作為探針對確定藥物靶點、藥物作用機理以及其他方面發揮著重要作用，對于精準研發抗腫瘤新藥具有重要的意義[4]。在臨床前藥物研發的背景下，生物標志物可以客觀地測量和評價指標的正常生物過程、病理過程、藥物反應過程，這有助于監控藥物治療疾病的效果。隨著人類基因組測序的完成和組學技術的發展，生物標志物在藥物開發中的應用越來越廣泛，生物標志物主要分布在以下器官、系統中，包括肝、膽、腎、心臟、肌肉系統、生殖系統、神經系統和免疫系統。作者綜述了基于生物標志物的抗腫瘤藥物活性篩選、藥效動力學研究、臨床療效預測預后，以期為進一步研究開發新型抗腫瘤藥物提供參考。

1 生物標志物

生物標志物是基于免疫學和分子生物學技術而發展起來的與細胞生長增殖有關的標志物，包括蛋白質、核酸、代謝衍生物等在內的諸多分子都可以成為潛在的生物標志物。腫瘤生物標志物是腫瘤直接產生或由身體對腫瘤特定響應分泌的物質，這些物質或過程的存在表明腫瘤存在于人體[5]，腫瘤生物標志物的識別與檢測對于研究藥物活性與作用機理非常重要，可以準確的預測藥物藥理活性，同時也可減少藥物研發和臨床試驗的時間和成本。新型抗腫瘤藥物篩選的首要步驟是體外與體內活性篩選，其篩選使用的常見生物標志物有：細胞毒性生物標志物[6]、基因生物標志物[7]，蛋白表達生物標志物，影像學生物標志物[8]。目前，大多數抗腫瘤藥物的研發模式都是基于生物標志物的藥理活性研究為目標，以藥物對該腫瘤模型的標志物的影響作用與大小為依據，通過檢測藥物作用于腫瘤或者腫瘤模型后，生物標志物上調或者下降用來預測被研究抗腫瘤藥物藥理作用[9-10]。而代謝組學提供了發現內源性生物標志物的機會，這些標志物可以追蹤代謝途徑，分別對小鼠進行穩定同位素標記和未標記給藥，并收集對照動物的尿液，在主成分分析的基礎上，對這三個尿組進行了非靶向質譜代謝組學分析[11]，該方法也適用于藥物毒性機制研究。目前，用于尋找和鑒定生物標志物的方法有：二代基因組測序、生物信息學突變分析、體內和體外藥效動力學標記鑒定、定量免疫印跡法，流式細胞技術、免疫組織化學檢測、脫氧核糖核酸測序等。同時，生物信息學技術的發展也為尋找篩選抗腫瘤藥物的生物標志物開辟了另一條通路，比如生物信息學技術與實驗相結合的方法可用于尋找抗腫瘤藥物活性篩選的生物標志物[12]。

2 基于生物標志物研究抗腫瘤藥物

生物標志物的尋找包括兩個關鍵過程，一個是發現生物標志物并建立適用的生物標志物檢測方法；二是確立生物標志物與被研究腫瘤藥物之間的關聯關系或因果關系。唯有滿足這兩個條件的生物標志物才有資格運用到抗腫瘤藥物研究中[9]。目前，新藥研發成本不斷提高，研發技術在逐漸進步，新藥的申報數卻在下降，面對這一形勢，開發一些基于計算機設計兼具生物安全性和高效性的特定類別抗腫瘤藥物篩選的生物標志物顯得非常重要，而基于生物標志物研究抗腫瘤藥物主要是預測抗腫瘤藥物藥理活性、研究藥效動力學/藥代動力學和藥物療效預測預后。

2.1 預測抗腫瘤藥物藥理活性 一個化合物在成為候選藥物之前，必須經過一系列體內體外生物活性篩選，最終才能做為候選藥物。在篩選候選藥物的前期，候選藥物特定生物標志物該類型藥物與靶標結合效果的評估，藥效的評估起著重要作用。目前，抗腫瘤藥物篩選的靶點主要有微管蛋白、端粒酶、DNA拓撲異構酶、調節細胞信號傳導通路等。抗腫瘤藥物首要的研究目標是發現藥物作用靶點，而生物標志物發現應用是去預測與評估抗腫瘤藥物與靶點作用的藥效效果[13]?？鼓[瘤藥物主要的生物標志物是基因突變，因此發現抗腫瘤藥物作用于腫瘤細胞基因組的DNA序列變異是尋找到被試驗抗腫瘤藥物生物標志物的關鍵，雖然研究者利用先進的測序技術對腫瘤細胞進行基因測序，發現了大量的基因變異，但是研究者對這些基因突變在腫瘤發生發展的病理作用方面仍然知之甚少。

2.2 研究藥效動力學/藥代動力學 生物標志物結合藥代動力學可以確證靶標與疾病的關系，從抗腫瘤藥物受體靶點、組織器官、整體動物等多個層次的生物效應表達加以關聯，闡釋抗腫瘤藥物藥效物質基礎及作用機制，并指導臨床實踐。同時，根據全面系統的研究結果發現與藥效、藥性表達密切相關的生物標志物，用于質量控制，指導劑量的選擇，抗腫瘤藥物治療的藥效學結果常被用來證實藥物靶向生物反應，其分析方法有質譜分析、免疫組織化學，最廣泛使用的是抗原特異性抗體檢測[14]。與藥效動力學/藥代動力學相關的是膜轉運體，膜轉運體包括ATP結合盒轉運體蛋白家族(ATP binding cassette,ABC)和溶質運載攝取轉運蛋白家族2大超家族，在機體穩態調控中起著核心作用。ABC家族主要包括P-糖蛋白、多藥耐藥相關蛋白和乳腺癌耐藥蛋白等，主要發揮外排轉運的作用[15]，轉運蛋白家族包括有機陰離子轉運多肽，有機陰離子轉運蛋白、有機陽離子轉運蛋白、葡萄糖轉運體等，主要發揮運載攝取的作用。在這些膜蛋白中，藥物載體被廣泛研究，藥物轉運體涉及藥物吸收、分布和排泄的各個方面。研究發現，幾種ABC轉運蛋白在多種腫瘤中高度過表達，在腫瘤多藥耐藥表型的形成中發揮重要作用，一些轉運體多態性已經被證明可以改變臨床藥物的藥代動力學特征。因此，藥物轉運體是藥物動力學和藥代動力學的生物標志物。同時，當轉運蛋白功能受損時，轉運蛋白底物也可以作為生物標志物[16]。Yamagata等[17]發現Abcg2基因敲除小鼠拓撲替康的吸收速率增加了2倍，體內暴露量增加了3.6倍，進一步證明了乳腺癌耐藥蛋白轉運體對拓撲替康的口服生物利用度的作用。由于腫瘤的異質性、環境因素和遺傳因素，個體間的抗腫瘤藥物反應各不相同，而遺傳因素可以影響抗腫瘤藥物的藥代動力學和藥效學，導致局部和全身藥物暴露和(或)藥物靶點功能的改變，改變藥物反應，因此，一些藥物遺傳生物標志物已經在抗腫瘤藥物藥效動力學/藥代動力學實踐中得到應用。然而，許多遺傳生物標志物處于發現階段，需要解決的問題是改進遺傳生物標志物的翻譯，這將涉及使用標準化表型和基因分型策略、協同工作、識別和復制關聯的多學科方法[18]。另外，通過藥效動力學/藥代動力學研究可以更為全面和準確地了解藥物的效應隨劑量(濃度)及時間而變化的規律，獲得藥效暴露量、起效時間及維持時間，為臨床試驗的給藥劑量和給藥間隔提供重要的參考依據[19]。同時，藥效動力學/藥代動力學數據結合毒代動力學數據在臨床前推測藥物的安全范圍?；仡櫺苑治霰砻饔帽┞读坑嬎愕陌踩秶扔脛┝繙蚀_。

2.3 藥物療效預測預后 抗腫瘤靶向藥物(anticancer target drugs,ATDs)特異性結合和抑制在腫瘤發生和進展中發揮重要的分子靶向作用，在細胞內信號通路中具有重要的作用。到目前為止，數百種不同的ATDs在不同的國家被批準用于臨床。與以往的化療相比，ATDs的不良反應更小，效率更高，但成本也更高。然而，ATDs對晚期腫瘤的治療效果仍顯不足。不同的ATDs有不同的作用機制，在不同的患者身上療效不一樣。因此，需要個性化的方法來為個別患者選擇最佳的ATDs候選方案。目前，研究者開發出了能夠預測單個腫瘤對ATDs反應的生物標志物：分子通路激活。細胞毒性T淋巴細胞抗原干擾腫瘤特異性效應細胞如CD8細胞，導致其克隆擴增，去除腫瘤誘導的調節性T細胞(Treg)，其常被用作抗腫瘤藥物篩選的生物標志物。Vonderheide等[20]在Ⅰ期臨床試驗中發現,Tremelimumab聯合依西美坦可使26例ER+/HER2-乳腺癌患者中的11例病情穩定12周或更長,最佳客觀緩解率為42%。研究發現多數患者血清中CD4+和CD8+T細胞表達誘導性共刺激因子水平及ICOS+T細胞/FoxP3+Treg細胞比例明顯上升,表明細胞毒性T淋巴細胞抗原信號通路成功阻斷。而高通量基因表達譜的成功應用和新型生物信息工具的出現，促進了分子生物醫學通路相關領域的快速發展[21]。批準的腫瘤藥物靶向于腫瘤細胞中的離散分子畸變或通路，因此在患者群體的一個子集上是活躍的，但臨床研究表明，并非所有的生物標志物對陽性患者都有反應。因為預測生物標志物出現不斷發展的耐藥機制，不僅要指導特定治療中患者亞群的選擇，而且要識別新的治療靶點。將基因組學、轉錄組學和受體狀態評估納入生物標記藥物聯合開發過程中，超越“一種標記，一種藥物”的模式，有助于分子標記腫瘤治療的成功應用[22]。另一方面，內源性或獲得性耐藥、藥物不良反應和腫瘤患者之間及腫瘤內部的異質性限制了抗腫瘤藥物對晚期腫瘤治療的臨床效果，為了克服這些障礙，應用預測性生物標志物來指導醫生選擇對各種抗腫瘤治療有反應的腫瘤患者，并提高毒性效益比。但是對于一些天然來源的抗腫瘤藥物，如曲貝替定、卡巴他賽和夫拉平度，生物標志物預測其臨床治療效果仍然發展緩慢[23]。

3 總結

抗腫瘤藥物作用機理的研究大多是在細胞株和動物模型中建立完成的，但人體是一個多細胞多器官的高度復雜的生物體，很多疾病的致病機制涉及到多個生物信號傳導通路且不同器官會有不同的機理，這是臨床前藥物研發所用的體外試驗體系很難模擬的。另外，生物信號傳導通路常涉及到靶標以外的多個基因，這都使得常用的只以單一原研藥物靶標為生物標志物有很大的局限性。