藥物基因組學(xué)在藥物研發(fā)中的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用

溫家根，周宏灝，張 偉

(中南大學(xué)臨床藥理研究所，湖南省遺傳藥理學(xué)重點實驗室，湖南長沙 410078)

近年來，許多上市藥物如西布曲明、西立伐他汀等由于其嚴重的不良反應(yīng)被撤市，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)這些不良反應(yīng)均與藥物相關(guān)生物標記的遺傳多態(tài)性有關(guān)［1］。目前，生物標記的遺傳多態(tài)性與藥物療效及毒性的研究獲得了突破性進展，以藥物基因組學(xué)為基礎(chǔ)的藥物研究平臺受到了各大制藥公司和藥物研究機構(gòu)的青睞，應(yīng)用藥物基因組學(xué)已成功開發(fā)出了曲妥珠單抗(赫塞汀)、吉菲替尼、威羅菲尼等腫瘤靶向藥物。此外，對已上市藥物的遺傳藥理學(xué)研究，同樣可以指導(dǎo)臨床合理用藥，如華法林、阿巴卡韋等。與傳統(tǒng)的研究方法相比，藥物基因組學(xué)平臺的應(yīng)用將有助于縮短藥物開發(fā)周期、降低研究成本及藥物的毒副作用［2］。本文將介紹近年來藥物基因組學(xué)的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用概況。

1 藥物安全性有效性與藥物基因組學(xué)

藥物的安全性和有效性是新藥開發(fā)和臨床用藥的核心問題。據(jù)統(tǒng)計，絕大多數(shù)藥物在約1/3的使用者中不能取得滿意療效，約1/6的使用者發(fā)生不同程度的毒副反應(yīng)，總安全有效率不到50%［3］。美國食品藥物管理局(FDA)的數(shù)據(jù)也表明，美國約50%的病人初次服藥時使用著錯誤的種類或劑量，每年死于藥物不良反應(yīng)的人數(shù)為10萬人，因此而住院的人數(shù)為220萬/年，造成的經(jīng)濟損失高達1770億美元［4］。近20年來，由于嚴重不良反應(yīng)被FDA召回的藥物多達40余種，給制藥企業(yè)造成的損失約400億美元，其中認為與遺傳因素相關(guān)或很可能相關(guān)的品種約有10種，約占撤市藥物總數(shù)的25%，涉及的基因包括Ⅰ相代謝酶CYP450s、Ⅱ相代謝酶UGTs、轉(zhuǎn)運體SLC家族、離子通道hERG、受體5-HT 等［1］。

藥物代謝酶、藥物轉(zhuǎn)運體和作用靶點，即藥物相關(guān)生物標記，與藥物的藥代動力學(xué)、藥效動力學(xué)及毒副作用等關(guān)系密切。藥物相關(guān)生物標記的個體差異，尤其是一些能夠明顯影響代謝酶、轉(zhuǎn)運體及作用靶點的多態(tài)性，引起了體內(nèi)血藥濃度的變化及藥物反應(yīng)的異常，導(dǎo)致不良反應(yīng)出現(xiàn)及藥物的不敏感。例如，2010年，減肥藥西布曲明(曲美)因發(fā)生嚴重心血管不良反應(yīng)而被撤市［5］。早在2008年周宏灝院士等與韓國研究者共同發(fā)表的權(quán)威報道中，西布曲明便被證實在體內(nèi)可被高度遺傳多態(tài)性的藥物代謝酶CYP2B6所代謝，CYP2B6基因多態(tài)性可導(dǎo)致酶活性降低70% －100%［6］。突變者體內(nèi)西布曲明的平均濃度增加252%，代謝產(chǎn)物增加148%，其明顯增高的藥物濃度極可能造成嚴重心血管毒性。同時，西布曲明可抑制hERG離子通道，延長QT間期，從而誘發(fā)長QT間期綜合征(LQTS)，導(dǎo)致心跳驟停［7－8］。又如，2001年，西立伐他汀因?qū)е铝?1例嚴重橫紋肌溶解致死事件而被撤市［9］。后續(xù)研究證實，SLCO1B1基因521T＞C多態(tài)性是他汀類藥物主要不良反應(yīng)橫紋肌溶解的獨立決定因子，對于預(yù)測和預(yù)防他汀類藥物的肌毒性具有關(guān)鍵作用［10－11］。而具有類似毒性的同類藥物辛伐他汀、阿托伐他汀和瑞舒伐他汀等因及時修改藥品說明書，警告SLCO1B1基因521T＞C多態(tài)性攜帶者應(yīng)調(diào)整藥物劑量至25%－50%，仍然在市場上占據(jù)重要地位。

2 藥物基因組學(xué)的發(fā)展

19世紀50年代首先由Motulsky和Vogel提出了遺傳藥理學(xué)這一概念，早期遺傳藥理學(xué)主要闡釋了藥物代謝酶的異常與藥物應(yīng)答的關(guān)系，而后，普萘洛爾代謝和反應(yīng)的種族差異的發(fā)現(xiàn)證實了代謝酶的表型具有種族特異性［3］。1990年，美國正式啟動了國際人類基因計劃(HGP)，隨著計劃的進行，1997年藥物基因組學(xué)的概念被正式提出。2002年人類基因組計劃完成，所有兩萬個人類基因序列已被闡明，藥物基因組的研究更加深入。從2005年開始，全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)提供了很多疾病的易感位點，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)很多位點都與藥物的應(yīng)答相關(guān)，而基于藥物療效的GWAS則可以發(fā)現(xiàn)更多的藥物相關(guān)基因，彌補了候選基因研究的不足，同時也為GWAS研究成果的轉(zhuǎn)化帶來了曙光［12］。高通量測序技術(shù)的發(fā)展和生物芯片技術(shù)的完善，使得藥物基因?qū)W的研究變得更加簡單快捷，全基因組分型應(yīng)用到個體化臨床診斷與治療成為可能［13］。

藥物基因組學(xué)的研究內(nèi)容也在不斷更新，在藥物基因組學(xué)研究的起步階段，藥物代謝酶、轉(zhuǎn)運體、藥物靶點的單核苷酸多態(tài)性(SNPs)是研究焦點［14］。然而，SNPs只能在一定程度上闡釋藥物在不同人體及群體間藥代動力學(xué)和藥效動力學(xué)的差異，藥物基因組學(xué)的研究逐漸轉(zhuǎn)向基因的拷貝數(shù)變異(CNV)及甲基化、mircoRNA 等表觀遺傳水平［15］。Ebert等［16］在研究結(jié)直腸癌治療時，發(fā)現(xiàn)腫瘤組織TFAP2E高甲基化后，DKK4表達水平升高，結(jié)腸癌對氟尿嘧啶出現(xiàn)嚴重的耐藥，患者預(yù)后分極明顯。其次，從生殖細胞藥物基因組學(xué)向癌癥藥物基因組學(xué)發(fā)展。在心血管、精神類、代謝類、傳染性疾病中，生殖細胞遺傳基因可以在很大程度上決定藥物應(yīng)答的個體差異，然而在腫瘤疾病中，腫瘤組織基因組出現(xiàn)很大變異，變異不僅與腫瘤的發(fā)生相關(guān)，還直接決定了化療藥物的敏感性。因此，可針對腫瘤特異基因設(shè)計靶向藥物，目前，成功開發(fā)的腫瘤靶向藥物已有曲妥珠單抗、吉菲替尼、威羅菲尼等，腫瘤藥物基因組已經(jīng)成為了藥物基因組學(xué)的研究重點。最后，藥物基因組學(xué)研究的另一趨勢是從藥物的單基因變異效應(yīng)向多基因遺傳變異的綜合效應(yīng)發(fā)展。藥物可以通過多個環(huán)節(jié)、多條途徑發(fā)揮作用，同樣疾病也可以通過多條途徑影響藥物的作用。例如，CYP2C9和VKORC1基因的變異只能解釋40%患者間華法林用藥劑量的差異，而CYP4F2及其他疾病因素對華法林用藥劑量也有著很大的影 響［17］。Patel 等［18］發(fā) 現(xiàn) FLT3-ITD、MLL-PTD、PHF6、ASXL1、IDH2、CEBPA等基因突變的共同效應(yīng)與急性骨髓系白血病患者柔紅霉素治療的預(yù)后明顯相關(guān)。

近10年來，藥物基因組學(xué)在藥物研發(fā)及個體化用藥中越來越受重視。2005年，國際“遺傳藥理學(xué)研究網(wǎng)絡(luò)”(PGRN)正式成立，明確地闡釋了藥物基因型與藥物應(yīng)答的關(guān)系，使用藥物基因組學(xué)的研究結(jié)果改善疾病的治療方案，將人類基因數(shù)據(jù)囊括到疾病預(yù)防、個體化用藥的日常臨床規(guī)范中［19］。同年，“遺傳藥理學(xué)與藥物基因組學(xué)知識庫”(PharmGKB)也建立完善，該數(shù)據(jù)庫為研究者們及臨床醫(yī)生提供了眾多藥物基因組學(xué)信息［20－21］。2007年，以“藥物基因組學(xué)/生物標記與新藥開發(fā)的管理決策”為主題的“第四屆美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)—制藥企業(yè)研討會”在Bethesda召開，此舉由美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)、藥物基因組學(xué)工作組(PWG)、美國藥品研究和生產(chǎn)協(xié)會(PhRMA)、美國生物技術(shù)工業(yè)組織(BIO)和藥品信息協(xié)會(DIA)等組織共同聯(lián)合發(fā)起，旨在將藥物基因組學(xué)與生物標記全面應(yīng)用于新藥開發(fā)的管理決策。同時，各發(fā)達國家及地區(qū)紛紛出臺相關(guān)的規(guī)范，以加快藥物基因組學(xué)的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用(見Tab 1)。

表1 各國發(fā)布的藥物基因組學(xué)相關(guān)規(guī)范

3 藥物基因組學(xué)在藥物研發(fā)各階段中的應(yīng)用

目前，除極少數(shù)抗腫瘤藥物是在藥物基因組學(xué)的指導(dǎo)下進行研發(fā)，大部分藥物仍遵循傳統(tǒng)的研發(fā)路線，缺少了藥物相關(guān)遺傳標志物的數(shù)據(jù)。然而，將藥物基因組學(xué)全面應(yīng)用到藥物研究各階段十分必要:對于新藥研發(fā)，從新化合物的發(fā)現(xiàn)直至臨床實驗的結(jié)束，均可進行藥物基因組學(xué)的相關(guān)研究，從而縮短藥物研發(fā)的周期，降低藥物研發(fā)成本;對于上市藥物，尤其是價格低廉療效確切但具有潛在風(fēng)險的藥物，進行藥物基因組學(xué)的再評價，可以發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險基因位點，增強藥物安全性，避免撤市，甚至可以使撤市藥物重新上市。

3.1臨床前研究臨床前研究包括了新化合物的發(fā)現(xiàn)、藥理毒理研究、細胞及動物模型的研究，而藥物基因組學(xué)在藥物臨床前研究的各階段均可發(fā)揮重要的作用。首先，在抗腫瘤藥物的開發(fā)中，針對腫瘤特異性標記物設(shè)計的靶向藥物在癌癥治療中的地位日益重要。曲妥珠單抗的研發(fā)成功揭開了腫瘤靶向藥物治療的序幕，該藥物靶向性抑制乳腺癌細胞HER2受體的功能，使得HER2陽性患者獲益［24］。2002年，Sanger研究機構(gòu)發(fā)現(xiàn)60%的黑色素瘤患者均出現(xiàn)了BRAFV600E突變，突變后黑色素瘤出現(xiàn)持續(xù)增殖和凋亡抑制，而威羅菲尼(Vemurafinib)可以特異性地阻斷BRAF途徑，抑制黑色素瘤［25－27］。2007年，ALK融合基因被發(fā)現(xiàn)，并被認為是NSCLC部分亞型中的促癌變因子，ALK基因重排的發(fā)生約占NSCLC患者的3%［28－29］。同年發(fā)現(xiàn)克唑替尼(Crizotinib)具有明顯抑制ALK和c-Met受體的功能，抑制ALK陽性腫瘤的發(fā)展［30］，該藥最終于2011年8月上市，用于NSCLCALK的治療。其次，對新化合物的研究，應(yīng)在藥物基因組學(xué)的指導(dǎo)下，明確藥物在體內(nèi)的代謝過程和藥效過程中所涉及的通路，推測潛在靶點、信號通路和藥動學(xué)過程(吸收、分布、代謝、排泄，簡稱ADME)相關(guān)蛋白的遺傳變異對藥物處置及應(yīng)答的影響，設(shè)計體外細胞實驗及動物實驗。此外，必要時，還應(yīng)該利用定點誘變技術(shù)構(gòu)建細胞模型及使用基因敲除小鼠模型，對藥物相關(guān)的基因位點進行研究，為臨床研究提供充足的證據(jù)。

3.2臨床研究

3.2.1Ⅰ臨床研究中，應(yīng)當(dāng)選擇具有藥物相關(guān)的代謝酶和轉(zhuǎn)運體的多態(tài)性的受試者，對臨床前研究中發(fā)現(xiàn)的藥物代謝轉(zhuǎn)運相關(guān)基因靶點進行驗證，更加精確地預(yù)測藥物的個體化使用劑量。由于Ⅰ、Ⅱ臨床實驗的人數(shù)有限，可采用回顧性研究的方法對相關(guān)性不強的生物標記進行研究，初步推測及估計各標記在藥物反應(yīng)中的作用。

3.2.2Ⅲ期臨床研究提供很多藥物在患者體內(nèi)的療效、毒性及藥代動力學(xué)方面的數(shù)據(jù)，為確保數(shù)據(jù)的準確性，在該期應(yīng)更多地采用前瞻性研究策略，選取潛在可獲益(療效好，毒性可能性低)的特定基因型人群，排除潛在不可獲益(無效和毒性可能性高)人群。由于入組的病例具有較大的一致性，所需的病例數(shù)較傳統(tǒng)Ⅲ期臨床研究有所降低，例如，克唑替尼臨床實驗只招募255名局部晚期或轉(zhuǎn)移的ALK陽性NSCLC患者，由于其療效明顯，該藥很快被 FDA批準上市［31］。而在威羅菲尼Ⅲ期臨床研究中，入組的病人僅為132例BRAF-V600E黑色素瘤患者，患者使用威羅菲尼后，總體生存期延長至16個月［32］。此外，該期也可以對一些基因的突變進行回顧性研究，如抗癌藥西曲昔單抗和帕尼單抗可以靶向EGFR受體，而KRAS是EGFR下游信號，KRAS基因12號外顯子突變，則導(dǎo)致EGFR靶向藥物敏感性降低［33－34］，若Ⅲ期臨床研究能對KRAS突變進行回顧性研究，必然會節(jié)省大量時間和經(jīng)費，精確定位EGFR靶向藥物的獲益人群。Ⅲ期臨床研究融入藥學(xué)基因組學(xué)的主要任務(wù)在于評估基因型與藥物效應(yīng)之間的關(guān)系;同時，其另一個重要任務(wù)是開發(fā)相關(guān)基因分析的方法及試劑盒，并進行質(zhì)量評價，確保基因分型專屬性和準確性。

3.2.3藥物毒性過敏反應(yīng)應(yīng)該是Ⅳ期臨床研究應(yīng)關(guān)注的重點。Ⅳ期臨床研究應(yīng)針對藥物毒副作用進行藥物基因組學(xué)的再評價(如過敏相關(guān)的HLA基因突變位點)，發(fā)現(xiàn)藥物毒副作用的遺傳標記物，最終完善藥物標簽，避免藥物因嚴重藥害事件而退市。

3.3上市藥物再評價目前，大部分上市藥物在研發(fā)時均未進行藥物基因組學(xué)的研究，且其中很大一部分藥物的安全性有效性受到了質(zhì)疑，因此上市藥物的再評價顯得尤為重要。華法林的藥物基因組學(xué)研究是目前最成功的一個案例，CYP2C9和VKORC1兩個基因突變的發(fā)現(xiàn)，使得預(yù)測華法林的個體化用藥劑量成為可能，華法林的安全性大大提升［35］。又如，5%的阿巴卡韋白人使用者可發(fā)生嚴重過敏反應(yīng)，而針對HLA-B*5701的一項臨床實驗(在基因未分型和排除基因型為HLA-B*5701的兩組受試者中進行)發(fā)現(xiàn):在排除HLAB*5701基因型的受試者中未出現(xiàn)免疫相關(guān)的過敏反應(yīng)［36］。根據(jù)這一結(jié)果，F(xiàn)DA在2008年對阿巴卡韋的藥品說明書進行了修改。最近，Liao等［37］發(fā)現(xiàn)使用阿斯匹林可以明顯延長結(jié)直腸癌PIK3CA突變患者的生存期，而野生型則無變化，該研究提示PIK3CA突變的直腸癌患者應(yīng)當(dāng)輔助使用阿司匹林。對于一些公認的影響藥物作用的基因靶標國外已有專門的試劑盒，能夠快速特異地進行患者的基因分型，臨床醫(yī)生和臨床藥師可根據(jù)測試的結(jié)果對藥物的使用進行調(diào)整。在研究上市藥物的藥物基因組學(xué)時，選擇的藥物應(yīng)當(dāng)是療效差異明顯、不良反應(yīng)出現(xiàn)率高，針對特定的疾病無更加安全有效且價格低廉的藥物。通過以上手段，避免一些療效確切且價格低廉的藥物因潛在風(fēng)險而被淘汰，節(jié)省新藥開發(fā)的費用，同時排除了具有潛在風(fēng)險的患者，增強藥物的安全性。

4 展望

隨著人類基因組學(xué)和藥物基因組學(xué)研究的發(fā)展，遺傳因素和基因多態(tài)性已被認為是造成藥物毒性和療效差異的首要原因，藥物作用靶點也由原來所認為的500個增至2 000個，并由此為藥物研發(fā)帶來了無限商機［38］。在藥物研發(fā)各階段全面開展藥物基因組學(xué)研究可從源頭最大限度遏制嚴重藥害事件，降低治療失效的比例，并可研發(fā)具有高科技附加值的全新藥物，努力趕超歐美制藥強國。最后，此舉還可明顯增進國民健康，減少醫(yī)患糾紛，為國家節(jié)省大量的醫(yī)療資源和衛(wèi)生保險開支，從而獲得巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

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