重定位策略在罕見病治療藥物中的應(yīng)用研究進(jìn)展

任淑月,孫嵐,杜冠華

(1. 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥物研究所,北京 100050； 2. 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動物研究所，北京 100021)

世界衛(wèi)生組織(WHO)定義導(dǎo)致總?cè)丝?.65‰～1‰人群患病的疾病為罕見病[1]。盡管這個比例很低但疾病總數(shù)已高達(dá)8 000種，全球受罕見病影響的人數(shù)高達(dá)3.5億[2-3]。很多罕見病在生命早期發(fā)生，約有30%罕見病兒童在5歲前死亡，甚至約35%的罕見病嬰兒在出生后第一年死亡[4]。

罕見病的治療藥物稱之為孤兒藥。大部分的罕見病與遺傳及基因突變有關(guān)[5]，其病理生理、病因及疾病的歷史演變未知等因素影響孤兒藥的研發(fā)進(jìn)程。考慮到罕見病人數(shù)少及患者地理分布散落、臨床樣本稀缺[6]、藥物的研發(fā)周期長(13～15年)、費(fèi)用高(20～30億美元)、成功率低(10%)、收益甚微等諸多因素[7]，很多醫(yī)藥企業(yè)對孤兒藥的研發(fā)望而卻步。為解決這一現(xiàn)狀與罕見病臨床用藥迫切需求之間的矛盾，近年來各國均對罕見病的藥物研發(fā)實(shí)施積極鼓勵的政策，并特別成立了很多平臺來滿足科研需求。罕見病專家和倡導(dǎo)者Ségolène Aymé創(chuàng)建的Orphanet(孤兒病聯(lián)盟)旨在通過40多個國家的組織機(jī)構(gòu)合作，提供關(guān)于罕見病高質(zhì)量的數(shù)據(jù)及可靠的臨床指導(dǎo)[8]，以使研究者們共享信息，科學(xué)分析進(jìn)而促進(jìn)藥物研發(fā)。美國國立衛(wèi)生研究院遺傳與罕見病信息中心提供了罕見病及孤兒藥相關(guān)的綜合信息[9]，以及美國食品藥品監(jiān)督管理局(food and drug administration,FDA)發(fā)布的罕見病用藥現(xiàn)代化計(jì)劃，加快了積壓遺留的罕見病用藥資格認(rèn)證[10]。在我國，2016年已啟動了國家罕見病注冊系統(tǒng)(national rare diseases registry system of China,NRDRS)建設(shè)罕見病臨床隊(duì)列研究項(xiàng)目，旨在闡述罕見病的臨床信息和組學(xué)信息，闡釋罕見病的發(fā)病機(jī)制，最大限度地為孤兒藥臨床試驗(yàn)提供便利[11]。

目前罕見病的治療方法包括小分子藥物、單克隆抗體、蛋白質(zhì)替代療法、寡核苷酸、基因和細(xì)胞療法以及藥物重定位(drug repositioning,DRP)[12]。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用DRP策略研發(fā)孤兒藥獲得越來越多的研發(fā)人員青睞。DRP是一種發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有藥物或宣布撤市化合物新適應(yīng)證的方法[13-14]，這些藥物或化合物的藥代動力學(xué)特征及安全范圍已知，有些甚至已經(jīng)進(jìn)入臨床Ⅱ期或Ⅲ期試驗(yàn)階段，因此其研發(fā)可以跨過藥物發(fā)現(xiàn)甚至臨床前階段，具有批準(zhǔn)快(3～12年)、費(fèi)用低(50%)、成功率高(30%)等特點(diǎn)[15-16]。重定位藥物開發(fā)上市一般需要三步：候選藥物的確定；藥物臨床前評價(jià)及作用機(jī)制研究；Ⅱ期臨床試驗(yàn)評估療效，其中第一步在整個重定位研究中發(fā)揮至關(guān)重要的作用[17]。DRP已不是一個新的概念，目前DRP的策略轉(zhuǎn)化是從偶然發(fā)現(xiàn)已有藥物新適應(yīng)證到系統(tǒng)、合理地尋找藥物的可能。常規(guī)疾病治療藥物用于罕見病治療大多數(shù)是基于臨床意外發(fā)現(xiàn)，這對8 000多種罕見病的藥物研發(fā)無疑是一個很大的障礙。計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)是一種比傳統(tǒng)藥物研發(fā)更便宜、更快速的方法，主要通過藥物靶點(diǎn)結(jié)合預(yù)測、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分析及基因疾病信號分析等方面而實(shí)現(xiàn)，為孤兒藥研發(fā)提供了廣闊的前景[18]。本文綜述了三種DRP策略在孤兒藥研發(fā)中的應(yīng)用，以期為后期藥物研發(fā)提供借鑒及思路。

基于DRP策略尋找孤兒藥得到越來越多研發(fā)者的關(guān)注，目前DRP的方法包括偶然或系統(tǒng)性臨床回顧分析發(fā)現(xiàn)已有藥物的不良反應(yīng)、體外高通量篩選化合物以及計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)[19]。

1 偶然或系統(tǒng)性臨床回顧分析

偶然或系統(tǒng)性臨床回顧性分析是基于意外發(fā)現(xiàn)藥物新的適應(yīng)證，雖然沒有經(jīng)過理性設(shè)計(jì)，也未能闡明藥物在新適應(yīng)證中的作用機(jī)制，但其促進(jìn)了藥物重定位策略的推廣[20]。

肺動脈高壓是進(jìn)行性肺血管重構(gòu)導(dǎo)致右心室后負(fù)荷加重，進(jìn)而造成右心衰竭的一種罕見病[21]。盡管目前全球批準(zhǔn)治療肺動脈高壓的藥物有14種，但還不能實(shí)現(xiàn)提高生存率[22]、減少嚴(yán)重的不良反應(yīng)及治療特異性等目標(biāo)。面對新藥研發(fā)的高投入、長周期等特點(diǎn)以及肺動脈高壓藥物研發(fā)的困難，DRP有望為肺動脈高壓治療藥物研發(fā)提供新策略[17]。鈣通道阻滯劑(calcium channel blockers,CCBs)通過降低細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平而最早在高血壓患者中使用[23]，20世紀(jì)80年代，研究人員發(fā)現(xiàn)高劑量的CCBs可以提高肺動脈高壓患者的生存率，截至目前CCBs仍作為肺動脈高壓的有效治療藥物[24]。西地那非屬于5型磷酸二酯酶抑制劑，1991年已被批準(zhǔn)用于治療心絞痛，但由于其與硝酸鹽及其他物質(zhì)反應(yīng)，后被終止使用。研究人員通過臨床回顧性分析發(fā)現(xiàn)西地那非可改善勃起功能障礙，于1998年批準(zhǔn)其用于治療勃起障礙。進(jìn)一步根據(jù)其對血管生物學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)西地那非還與肺循環(huán)有關(guān)，并于2005年批準(zhǔn)其治療肺動脈高壓[25-26]。

普萘洛爾是由1988年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的詹姆斯·布萊克爵士開發(fā)用于治療心絞痛和高血壓的非選擇性β腎上腺能受體阻斷劑。大部分的小兒血管瘤是不需要治療而可以間斷性退化的，但10%～15%的增生性小兒血管瘤會引發(fā)威脅生命的并發(fā)癥，因此需要尋找治療方法以緩解患者病痛。而選擇普萘洛爾治療增生性小兒血管瘤是基于偶然發(fā)現(xiàn)的。Léauté-Labrèze等[27]使用糖皮質(zhì)激素治療鼻腔毛細(xì)血管瘤時(shí)，患者出現(xiàn)梗阻性肥厚型心肌病等不良反應(yīng)，應(yīng)用普萘洛爾時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)其可能在控制血流動力學(xué)及血管生成中產(chǎn)生重要作用，使得鼻腔毛細(xì)血管瘤變軟，顏色也隨之發(fā)生變化。經(jīng)過大量臨床試驗(yàn)研究最終通過美國FDA和歐洲藥品管理局的批準(zhǔn)用于小兒血管瘤的治療[27]。

Hutchinson-Gilford早老綜合征(Hutchinson-Gilford progeria syndrome,HGPS)是一種極罕見的疾病，可引起組織快速衰老并伴隨嚴(yán)重的動脈粥樣硬化癥狀，進(jìn)而導(dǎo)致患者6至20歲階段死亡，平均壽命為14.5歲[28]。HGPS的主要病理機(jī)制是LMNA基因突變導(dǎo)致早衰蛋白A表達(dá)異常進(jìn)而引起對細(xì)胞核穩(wěn)態(tài)的毒性作用。前期用于治療癌癥的Lona-farnib是一類法尼基轉(zhuǎn)移酶抑制劑，其在一項(xiàng)臨床隨機(jī)試驗(yàn)中表現(xiàn)出改善心血管及骨骼疾病方面的特性[29]，進(jìn)一步經(jīng)過2.2年的臨床試驗(yàn)給予早衰患者每天2次服用150 mg Lonafarnib后，與未給藥組相比能明顯降低患者的死亡率[30]。

2 體外高通量篩選化合物

體外高通量篩選是一種通過對大量樣品和化合物的測定來發(fā)現(xiàn)藥物的方法，主要基于機(jī)器人技術(shù)、液體處理、高通量成像和數(shù)據(jù)分析等流程來實(shí)現(xiàn)，具有經(jīng)濟(jì)、快速和便于推廣等特點(diǎn)。細(xì)胞是人類疾病的重要模型，具備大量繁殖培養(yǎng)、適用于遺傳分析等特征，將其作為體外高通量篩選的模型，可以提前確定藥物敏感性，擴(kuò)大藥物覆蓋范圍和提高研發(fā)效率[31]。

胃腸道間質(zhì)瘤(gastrointestinal stromal tumors,GISTs)是一種消化道間葉性惡性腫瘤，能夠生長于胃腸道的任何部位，胃和小腸較為常見，結(jié)直腸次之[32]。大約85%的GISTs是由血小板源性生長因子受體A (platelet-derived growth factor receptor A,PDGFRA)和酪氨酸激酶受體(tyrosine kinase receptor,TKR)C-kit突變引起的[33]。目前治療GISTs的標(biāo)準(zhǔn)方法仍是手術(shù)切除，但是存在術(shù)后復(fù)發(fā)率高的風(fēng)險(xiǎn)。Pessetto等[34]基于定量藥物篩選方法從796個FDA批準(zhǔn)的藥物中，體外篩選出金諾芬和磷酸氟達(dá)拉濱，具有抑制GISTs細(xì)胞增殖的效應(yīng)?；钚匝醯倪^量產(chǎn)生和抗氧化系統(tǒng)(如TrxR系統(tǒng)) 受損可能導(dǎo)致氧化應(yīng)激，而氧化應(yīng)激與包括癌癥在內(nèi)的多種疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，1985年批準(zhǔn)治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的金諾芬具有抑制TrxR酶活性并誘導(dǎo)活性氧生成，抑制GISTs細(xì)胞生長和降低生存活力的效應(yīng)，這對GISTs的治療可能有很好的效果。

進(jìn)行性骨化性纖維發(fā)育不良(fibrodysplasia ossificans progressiva,FOP)是一種全球患病率約為1/200萬的罕見病，超過95%的FOP是由骨形態(tài)發(fā)生蛋白1(BMP)受體ACVR1/ALK2的反復(fù)突變(617G>A; R206H)引起的[35-36]。突變的受體引起Id1轉(zhuǎn)錄因子的上調(diào)。Yamamoto等[37]通過篩選1 040種FDA批準(zhǔn)的藥物，尋找具有抑制ACVR1/ALK2突變小鼠的C2C12成肌細(xì)胞中Id1啟動子效應(yīng)的化合物，最終確定馬來酸哌克昔林具有治療FOP的潛力。

3 計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)

當(dāng)今，大量疾病的生物學(xué)數(shù)據(jù)正在不斷產(chǎn)生，如果我們單純基于臨床和傳統(tǒng)藥物重新定位方法發(fā)現(xiàn)藥物，則無法擴(kuò)展和利用這些不斷增長的數(shù)據(jù)。因此，亟須準(zhǔn)確而有效的計(jì)算方法來充分利用這些數(shù)據(jù)，以提出最有價(jià)值的線索，供研究者考慮，并使研究人員擺脫由于大量數(shù)據(jù)而引起的混亂[38]。

3.1 基于疾病-藥物信號網(wǎng)、通路分析

針對孤兒藥的研發(fā)，Brylinski等[39]建立了eRepo-ORP數(shù)據(jù)庫，旨在基于Drug Bank、PDB數(shù)據(jù)庫、Orphanet平臺以及eThread和eFindSite算法提取出31 142個潛在的罕見病治療藥物-靶點(diǎn)對，這在很大程度上為孤兒藥的研發(fā)明確了方向。為了尋找已知藥物的新結(jié)合靶標(biāo)，Pulley等[3]開發(fā)了eMatchSite計(jì)算機(jī)程序。將eMatchSite程序和基于結(jié)構(gòu)的虛擬篩選相結(jié)合，系統(tǒng)地模擬了已知藥物與980例罕見病相關(guān)蛋白的藥物-靶標(biāo)復(fù)合物。Khaladkar等[40]利用2016年創(chuàng)建的Open targets平臺上已有全基因組信息，通過藥物靶點(diǎn)-疾病網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)820個已證實(shí)或潛在的藥物治療靶點(diǎn)具有2 540個新的適應(yīng)證，這將促進(jìn)已有藥物的重新定位。

腎上腺皮質(zhì)癌是一種無有效治療方法的罕見病，盡管前期報(bào)道米托坦可治療腎上腺皮質(zhì)癌，但其在患者群體中響應(yīng)很低，因此尋找腎上腺皮質(zhì)癌的治療方案迫在眉睫。Lotfi等[41]應(yīng)用Heter-LP重定位方法根據(jù)藥物、疾病和靶點(diǎn)之間組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)挖掘腎上腺皮質(zhì)癌治療藥物。他們首先建立三個有關(guān)藥物、疾病和靶點(diǎn)的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和三個關(guān)于藥物-疾病、藥物-靶點(diǎn)和疾病-靶點(diǎn)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。接下來進(jìn)入DT-Hybrid投射階段，研究人員基于異構(gòu)子網(wǎng)絡(luò)計(jì)算每個概念對應(yīng)的拓?fù)湎嗨贫?，并將這種拓?fù)湎嗨菩耘c同構(gòu)子網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，最終應(yīng)用標(biāo)簽傳播算法使藥物、疾病和靶點(diǎn)之間產(chǎn)生新的預(yù)測聯(lián)系。他們通過上傳米托坦治療腎上腺皮質(zhì)癌的靶點(diǎn)hsa:1584和 hsa:2230，從11 140種藥物中獲得has：1584-螺內(nèi)酯和has：2230-黃素腺嘌呤二核苷酸藥物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)has：1584-螺內(nèi)酯網(wǎng)絡(luò)得到了進(jìn)一步確認(rèn)；基于藥物-疾病網(wǎng)絡(luò)分析11 140個藥物，結(jié)果提示促皮質(zhì)素具有治療腎上腺皮質(zhì)癌的潛力；通過Heter-LP對疾病-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)深度分析，從5 568個可能靶點(diǎn)中篩選出hsa:3480(IGF-1R)、hsa:7153(TOP2A)、hsa:1717(DHCR7)、hsa:4157(MC1R)和hsa:4215(MAP3K3)5個更具有治療潛力的靶點(diǎn)。Heter-LP計(jì)算機(jī)重定位方法獲得的結(jié)果對腎上腺皮質(zhì)癌的后期藥物研發(fā)提供了指導(dǎo)。

3.2 基于體外篩選聯(lián)合基因、疾病信號和全基因組關(guān)聯(lián)(GWAS)分析

大多數(shù)罕見病有遺傳病因，52 944種與罕見病相關(guān)的遺傳突變中單核苷酸突變、缺失和重復(fù)是最常見的突變類型[42]。研究者可以基于下一代基因測序技術(shù)(全基因組測序、全外顯子測序以及靶向測序)，比較罕見病患者與健康志愿者之間的差異基因，進(jìn)而基于罕見病患者的差異基因組，利用生物信息學(xué)的方法來尋找治療藥物[43]。

特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種罕見的、無法治愈的呼吸系統(tǒng)疾病，主要表現(xiàn)為肺組織壞死和瘢痕出現(xiàn)，一般于確診后2～5年死亡[44]。研究人員通過NCBI數(shù)據(jù)庫獲得健康和不同階段IPF患者人群的肺組織基因表達(dá)數(shù)據(jù)集，繼而通過R/Bioconductor package Limma和Netwalker數(shù)據(jù)分析軟件分別篩選出不同階段前150個上調(diào)基因和150個下調(diào)基因，并通過連通圖(connectivity map,CMap)、LINCS(library of integrated network-based cellular signatures)和Spiedw DRP工具分析以上兩個基因列表進(jìn)而確定潛在治療藥物，進(jìn)一步通過綜合藥物重定位打分重新排列潛在藥物。研究者從結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性上比較這些藥物與FDA批準(zhǔn)或潛在的治療IPF藥物之間的差異，并進(jìn)一步尋找與這些重定位藥物結(jié)構(gòu)相似的天然化合物，同時(shí)也對IPF相關(guān)的microRNA和重定位藥物相關(guān)的microRNA進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，氯硝柳胺在IPF各個階段都獲得高分，從結(jié)構(gòu)相似性方面考慮，氯硝柳胺與其他的IPF潛在抑制劑結(jié)構(gòu)相似，并綜合考慮安全性等問題后，其被推薦進(jìn)入臨床研究階段治療IPF。同樣，結(jié)果提示茴香霉素和嘌呤霉素也有治療IPF的潛力。尼達(dá)布尼已被FDA批準(zhǔn)治療IPF，研究人員基于microRNA比較研究發(fā)現(xiàn)hsa-miR-25-3p 和 hsa-miR-208a-5p具有抑制尼達(dá)布尼的治療靶點(diǎn)作用，因此這也提供了一種新的基于microRNA尋找治療IPF的方法[45]。

努南和豹斑綜合征(Noonan and Leopard syndromes,NS和LS)是一組具有重疊表型特征的常染色體顯性遺傳病，存在多器官和系統(tǒng)異常的特征，包括心肌肥厚、短身材、胸部畸形和面部畸形等[46]。盡管目前還沒有批準(zhǔn)的治療藥物，但是前期的研究發(fā)現(xiàn)PTPN11基因的錯義突變分別與50%的NS和70%的LS有關(guān)[47]。研究人員通過人為誘導(dǎo)NS 和 LS患者的多功能干細(xì)胞獲得轉(zhuǎn)錄組，以轉(zhuǎn)錄組為紐帶，基于CMap連通圖和L1000技術(shù)，根據(jù)疾病和藥物相對的轉(zhuǎn)錄組是否匹配最終找到61個潛在治療NS的化合物和43個治療LS的化合物[48]。這為NS和LS的治療藥物研發(fā)明確了方向。

4 討論與總結(jié)

大多數(shù)重定位的藥物藥代動力學(xué)及安全劑量已知，但是在不同的疾病或病理?xiàng)l件下可能會表現(xiàn)出不同的藥代動力學(xué)參數(shù)，甚至導(dǎo)致沒有治療效果。惡性胸膜間皮瘤是一種原發(fā)于胸膜、侵襲性高、極少見的惡性腫瘤[49]，沒有標(biāo)準(zhǔn)的治療方法。惡性胸膜間皮瘤的潛伏期約為40年，一旦確診，未經(jīng)治療的預(yù)期壽命不到12個月[50]。目前應(yīng)用重定位策略尋找治療惡性胸膜間皮瘤的潛在藥物多達(dá)11類，大量藥物只在體外或動物體內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證，只有丙戊酸[51]，沙利度胺[52-53]和唑來膦酸[54]三者進(jìn)入臨床評估，沒有表現(xiàn)出顯著的治療效果。用于皮膚過敏或過敏性鼻炎的H1-抗組胺藥物L(fēng)atrepirdine具有神經(jīng)保護(hù)和增強(qiáng)認(rèn)知的效果，將其重定位至亨廷頓式病中，盡管動物模型中顯示出治療效果，但在Ⅲ期臨床試驗(yàn)中因沒有療效而宣布失敗[55]。頭孢曲松重定位在肌萎縮側(cè)索硬化癥的臨床Ⅰ/Ⅱ期表現(xiàn)出很好的前景，但是Ⅲ期試驗(yàn)仍以失敗告終[56]。新生兒先天性高胰島素血癥(congenital hyperinsulinism，CHI)是引起新生兒持續(xù)低血糖的主要原因，會導(dǎo)致嬰兒腦損傷、發(fā)育遲緩或?qū)W習(xí)障礙[57]。氯噻嗪和生長抑素類似物奧曲肽在治療CHI時(shí)會有脫靶效應(yīng)并產(chǎn)生不良反應(yīng)。而高胰島素血癥和β細(xì)胞增生的可能機(jī)制涉及雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)途徑的組成性激活，前期的文獻(xiàn)報(bào)道m(xù)TOR的抑制劑—西羅莫司對氯噻嗪和生長抑素類似物耐受的患者有治療效果[58]，進(jìn)一步基于4例患者的基因表達(dá)譜發(fā)現(xiàn)，雷帕霉素具有抑制β細(xì)胞擴(kuò)張和增殖的效果[59]，為了推廣雷帕霉素的使用，研究人員增大患者數(shù)量至10人[60]，發(fā)現(xiàn)雷帕霉素產(chǎn)生的效果并沒有氯噻嗪和奧曲肽的明顯，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的不良反應(yīng)，導(dǎo)致雷帕霉素治療CHI的研究不得不宣布停止。因此，基于DRP策略研發(fā)孤兒藥時(shí)，在應(yīng)用新技術(shù)新方法的同時(shí)，還應(yīng)充分考慮臨床病理的復(fù)雜性而謹(jǐn)慎地做出全面評估。

盡管應(yīng)用DRP策略研發(fā)孤兒藥存在失敗的風(fēng)險(xiǎn)，但相比一個全新的實(shí)體藥物研發(fā)過程，DRP已經(jīng)很大程度上縮短了研發(fā)周期，提高了研發(fā)效率，仍然是一個很有前途的領(lǐng)域，尤其在基于計(jì)算機(jī)輔助DRP方面受到越來越多研發(fā)人員的關(guān)注。此外，目前DRP在孤兒藥研發(fā)中受到的一些阻礙并不是不能克服，需要各部門聯(lián)合進(jìn)一步指導(dǎo)和支持，爭取早日通過DRP策略突破孤兒藥研發(fā)的瓶頸。