藥物基因組學(xué)在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和新藥研發(fā)中的作用

陳 焱， 李 清， 周宏灝

藥物安全性和有效性是臨床治療的關(guān)鍵問題，藥物基因組學(xué)(pharmacogenomics)作為一門研究人類基因組信息與藥物反應(yīng)之間關(guān)系的學(xué)科，在生命科學(xué)學(xué)科中發(fā)展極其迅速，是臨床治療應(yīng)用轉(zhuǎn)化中的先行領(lǐng)域?！八幬锘蚪M學(xué)”的前身為“遺傳藥理學(xué)(pharmacogenetics)”，隨著近20多年基因組學(xué)的發(fā)展、人類基因組學(xué)研究計劃的完成，藥物基因組學(xué)已成為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)(precision medicine)的重要組成部分[1-2]，在闡明人類胚系基因組多態(tài)性、體細(xì)胞突變以及微生物組基因變異對藥物和外源性物質(zhì)個體差異的作用及其發(fā)生機(jī)制方面，在認(rèn)識和闡明藥物反應(yīng)個體和群體差異的遺傳機(jī)制方面，在提高藥物治療水平、促進(jìn)新藥開發(fā)和改善人民醫(yī)療保健方面均具有非常重要的意義。循證醫(yī)學(xué)模式下，臨床醫(yī)師把個人臨床經(jīng)驗與最新的臨床試驗研究結(jié)果相結(jié)合，為患者開具藥方，然而仍會出現(xiàn)對患者無效的情況。例如，正在接受高血壓治療的患者可能會服用眾多降壓藥中的一種或多種。如果幾周后藥物不起作用，患者可能會換成另一種藥物。“試錯”的藥物治療方式不僅影響療效，增加藥物不良反應(yīng)(adverse drug reaction,ADR)和藥物相互作用的可能，還會導(dǎo)致患者不滿意，減低治療方案的依從性，增加醫(yī)患矛盾。因此，通過提前區(qū)分哪些患者最有可能從給定治療中獲益和哪些患者無法獲益或者可能產(chǎn)生不良反應(yīng)，可以簡化臨床決策，在正確的時間以正確的劑量為患者提供正確的藥物[3]。更深層次的“個體化醫(yī)學(xué)(personalized medicine)”，則是在診治的所有階段，包括預(yù)防、診斷、治療和隨訪，根據(jù)患者的個人特征、需求和偏好定制醫(yī)療方案[4]?！八幬锘蚪M學(xué)”目標(biāo)是改變傳統(tǒng)“反復(fù)試錯”的藥物治療現(xiàn)狀，轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)指導(dǎo)患者用藥的“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”模式，以達(dá)到療效最大化和不良反應(yīng)最小化，同時，藥物基因組學(xué)為新藥的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)開辟了新的領(lǐng)域和機(jī)會，開啟了對包括心血管疾病、癌癥、罕見病等一系列疾病和健康問題研發(fā)量身定制藥物的新階段。各國藥物評價與研究管理部門通過提供監(jiān)管建議、審查應(yīng)用、制定以基因組學(xué)和個體化醫(yī)學(xué)為中心的政策和流程，為藥物基因組學(xué)在新藥研發(fā)中發(fā)揮作用提供了支持。

1 藥物基因組學(xué)在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中的作用

傳統(tǒng)治療藥物的有效率有限[5]，在部分疾病如阿爾茨海默病和惡性腫瘤中，藥物治療無效率高達(dá)70%以上，大多數(shù)藥物的有效率僅25%～60%，部分患者服藥后無效或發(fā)生不良反應(yīng)，患者攜帶的遺傳變異是影響藥物反應(yīng)有效率和個體差異的重要原因。術(shù)語“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”“分層醫(yī)學(xué)(stratified medicine)”“靶向醫(yī)學(xué)(targeted medicine)”“藥物基因組學(xué)”，常與“個體化醫(yī)學(xué)”互換使用?！熬珳?zhǔn)醫(yī)學(xué)”或許是“個體化醫(yī)學(xué)”最貼切的代名詞。“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”一詞是2015年時任美國總統(tǒng)的奧巴馬首次提出，目的為推動個體化基因組學(xué)研究，依據(jù)個人基因信息為癌癥及其他疾病患者制定個體醫(yī)療方案[6]。藥物基因組學(xué)作為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的重要組成部分，在精準(zhǔn)選擇藥物及其劑量、靶向治療、預(yù)測藥物安全性和預(yù)防藥物毒副作用方面，有重要的臨床意義與價值。

1.1藥物基因組學(xué)與精準(zhǔn)選擇藥物及其劑量 藥物療效的發(fā)揮主要由藥代動力學(xué)(pharmacokinetics)和藥效動力學(xué)(pharmacodynamics)決定，因而參與編碼藥代動力學(xué)和藥效動力學(xué)蛋白的編碼基因的變異是解釋療效個體差異的最重要的遺傳因素。藥代動力學(xué)相關(guān)基因主要包括藥物代謝酶和藥物轉(zhuǎn)運體，影響藥物吸收、分布、代謝和排泄(absorption,distribution,metabolism,elimination,ADME)。藥效動力學(xué)相關(guān)基因包括決定藥物靶組織濃度的藥物轉(zhuǎn)運體和藥物作用靶點及其通路基因。精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)是以與藥物作用相關(guān)的基因變異為基礎(chǔ)，綜合患者的生理、病理和疾病表型以及環(huán)境暴露多種因素，為特定的患者選擇合適的藥物和合適的劑量。下面用奧美拉唑和氯吡格雷與CYP2C19基因多態(tài)性的關(guān)系簡單介紹藥物基因組學(xué)如何精準(zhǔn)選擇藥物及藥物的使用劑量。

1.1.1 奧美拉唑與CYP2C19基因多態(tài)性 CYP2C19是CYP2C酶體系中的重要成員，參與多種藥物的代謝(氯吡格雷、奧美拉唑、伏立康唑、奧沙西泮等)。CYP2C19基因遺傳變異可導(dǎo)致個體間酶活性的差異。中國人群中常見的導(dǎo)致CYP2C19酶缺陷的等位基因為CYP2C19*2(rs4244285，c.681G>A)、CYP2C19*3(rs4986893，c.636G>A)。CYP2C19*2位于第5個外顯子，第681位堿基發(fā)生G>A變異，形成異常的剪切位點，導(dǎo)致剪接缺失，喪失催化活性；CYP2C19*3位于第4個外顯子，第636位堿基發(fā)生G>A變異，使第212位編碼色氨酸的密碼子變?yōu)榻K止密碼子，形成沒有活性的酶蛋白，CYP2C19*2和CYP2C19*3屬于功能缺失等位基因，攜帶CYP2C19*2或*3的患者屬于中間代謝型(intermediate metabolizer,IM)或慢代謝型(poor metabolizer,PM)。CYP2C19*17(rs12248560，c.-806C>T)位于CYP2C19的5′側(cè)翼區(qū)，-806位C>T后調(diào)控元件可結(jié)合肝核蛋白，加快CYP2C19的轉(zhuǎn)錄速率，從而提高肝細(xì)胞中CYP2C19的含量，攜帶CYP2C19*17的患者屬于快代謝型(rapid metabolizer,RM)或超快代謝型(ultrarapid metabolizer,UM)。與非亞洲人相比，CYP2C19*17等位基因在亞洲人群中頻率較低。奧美拉唑?qū)儆诘谝淮|(zhì)子泵抑制劑(proton pump inhibitors,PPIs)，廣泛用于治療和預(yù)防胃食管反流病、胃和十二指腸潰瘍、糜爛性食管炎、幽門螺桿菌感染和病理性高分泌疾病。在對不同個體使用相同劑量PPIs藥物后，PPIs的血漿濃度存在廣泛的個體差異[7]，臨床使用藥物監(jiān)測來優(yōu)化每位患者的給藥方案。奧美拉唑在體內(nèi)主要經(jīng)CYP2C19代謝，其代謝物無藥理活性。研究發(fā)現(xiàn)使用40 mg奧美拉唑的不同CYP2C19表型[NM(*1/*1)，IM(*1/*2，*1/*3)，PM(*2/*2，*2/*3，*3/*3)]受試者的相對曲線下面積AUC0-∞值為1∶2.8∶7.5[8]。奧美拉唑血藥濃度的差異可導(dǎo)致對不同患者抑酸療效上的巨大差別，因此根據(jù)CYP2C19基因型來調(diào)整藥物的使用劑量具有臨床意義。臨床藥物遺傳學(xué)實施聯(lián)盟(Clinical Pharmacogenetics Implementation Consortium,CPIC)對CYP2C19基因型與奧美拉唑的成人用藥建議[9]見表1。

表1 CYP2C19基因型與奧美拉唑的成人用藥建議

1.1.2 氯吡格雷與CYP2C19基因多態(tài)性 氯吡格雷是一種通過抑制血小板二磷酸腺苷P2Y12受體而起作用的口服抗血小板藥物，預(yù)防腦卒中、心肌梗死等急性缺血事件的發(fā)生。它是一種前體藥物，經(jīng)過一個兩步激活過程，大約有15%被轉(zhuǎn)化為活性代謝物。CYP2C19對氯吡格雷的藥效非常重要，氯吡格雷應(yīng)被CYP2C19充分代謝，從而使其轉(zhuǎn)化為血小板聚集的有效抑制劑。研究發(fā)現(xiàn)，CYP2C19*2等位基因與血小板凝集降低相關(guān)，純合子CYP2C19*2有相當(dāng)大的變化，說明該作用與活性代謝物生成的減少有關(guān)。攜帶兩個CYP2C19功能缺失性等位基因的患者(PM)在急性心肌梗死后接受氯吡格雷治療時對血小板的抑制作用降低，發(fā)生心血管不良事件的風(fēng)險明顯增加[10]。另一方面，具有CYP2C19*17等位基因的UM個體表現(xiàn)出良好的治療反應(yīng)，與氯吡格雷的作用增強和出血風(fēng)險增加相關(guān)?；蛐椭笇?dǎo)臨床實踐具有重要意義[11]。CPIC對CYP2C19基因型與氯吡格雷的用藥建議[12]見表2。

從上述以奧美拉唑與氯吡格雷兩個藥物作為例子可以看出代謝酶編碼基因多態(tài)性對藥物反應(yīng)的影響不同。差異在于奧美拉唑本身具有藥理活性，經(jīng)CYP2C19代謝后生成的代謝產(chǎn)物無藥理活性，當(dāng)代謝酶活性降低時，對活性藥物的代謝清除率降低，血藥濃度增加，藥理作用增強，患者發(fā)生ADR的可能性增大；反之代謝酶活性增加時，對活性藥物的代謝清除率增加，血藥濃度降低，藥理作用減弱，患者容易出現(xiàn)藥物治療效果不佳的情況。而氯吡格雷是前體藥物，需要經(jīng)CYP2C19代謝后生成活性代謝產(chǎn)物發(fā)揮藥理學(xué)活性。當(dāng)代謝酶活性降低時，由前體藥物產(chǎn)生的活性代謝產(chǎn)物減少，則血藥濃度降低，患者容易出現(xiàn)藥物治療效果不佳的情況；反之代謝酶活性增加時，血藥濃度增加，患者發(fā)生ADR的可能性增大。因此，指導(dǎo)臨床合理用藥時，應(yīng)明確代謝酶是將藥物代謝失去活性，還是代謝后生成活性成分，需要具體情況具體分析。

藥物在人體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化過程主要有Ⅰ相反應(yīng)和Ⅱ相反應(yīng)。Ⅰ相反應(yīng)主要的藥物代謝酶是細(xì)胞色素P450酶(cytochrome P450,CYP450)，其基因多態(tài)性影響藥物的療效或不良反應(yīng)，如常見的華法林與CYP2C9基因多態(tài)性[13]、可待因與CYP2D6基因多態(tài)性[14]、他克莫司和CYP3A5基因多態(tài)性[15]等。Ⅱ相反應(yīng)主要的藥物代謝酶包括尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶(uridine diphosphate-glucoronyl transferases,UGTs)、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(glutathione-S-transferases,GSTs)、磺基轉(zhuǎn)移酶(sulphotransferases,SULTs)和乙?；D(zhuǎn)移酶(N-acetyltransferase,NAT)等。常見的Ⅱ相代謝酶基因多態(tài)性與藥物療效/不良反應(yīng)包括伊利替康與UGT1A1基因多態(tài)性[16]、阿扎那韋與UGT1A1基因多態(tài)性[17]、異煙肼與NAT2基因多態(tài)性[18]等。

1.2藥物基因組學(xué)與靶向治療 惡性腫瘤是影響和危害人體健康的重大疾病，根據(jù)抗腫瘤藥物作用方式可以分為靶向和非靶向兩類，其中靶向藥物主要通過識別腫瘤中表達(dá)異常的基因、染色體結(jié)構(gòu)變異形成的融合基因、發(fā)生體細(xì)胞突變的基因，針對癌細(xì)胞中特定的致癌基因，也可能是癌細(xì)胞生長與發(fā)展所需的物質(zhì)，這種治療方式顯著的優(yōu)勢是能夠精確打擊癌細(xì)胞，降低對正常細(xì)胞的影響，因此患者發(fā)生不良反應(yīng)的風(fēng)險低于傳統(tǒng)的化療藥物。前文介紹的基因多態(tài)性對藥物反應(yīng)的作用是胚系藥物相關(guān)基因，針對從父親母親處遺傳的基因組DNA變異，腫瘤研究還需要研究腫瘤組織體細(xì)胞DNA突變對治療效應(yīng)的影響，腫瘤組織體細(xì)胞突變是藥物基因組學(xué)中相當(dāng)重要的特殊領(lǐng)域，體細(xì)胞突變類型決定患者對何種抗腫瘤治療藥物敏感。目前惡性腫瘤組織的基因檢測指導(dǎo)療效的伴隨診斷進(jìn)入公眾視野，已在臨床應(yīng)用。應(yīng)用最為廣泛的項目是小分子受體特異性酪氨酸激酶活性抑制劑(tyrosine kinase inhibitor,TKI)與表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)突變，EGFR是上皮生長因子細(xì)胞增殖和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的受體，廣泛分布于人組織細(xì)胞膜上。EGFR是一種貫通細(xì)胞膜的跨膜糖蛋白，屬于酪氨酸激酶型受體，與配體結(jié)合后，受體發(fā)生二聚化，可以激活細(xì)胞內(nèi)的激酶通路，從而誘導(dǎo)細(xì)胞增殖、加快細(xì)胞遷移、增強細(xì)胞黏附等惡性表型。EGFR在惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展起著重要作用，作為癌基因，EGFR已成為抗腫瘤治療靶點，EGFR突變與TKI藥物療效密切相關(guān)。EGFR-TKI藥物特異性抑制EGFR胞內(nèi)區(qū)的酪氨酸激酶活性，使其無法活化，從而阻斷下游信號通路激活，抑制腫瘤細(xì)胞增殖、存活及遷移，此類藥物在非小細(xì)胞肺癌中應(yīng)用最為廣泛，根據(jù)患者組織中EGFR基因突變檢查結(jié)果，可以將患者分為EGFR陽性和EGFR陰性[19-20]，EGFR陽性患者對EGFR-TKI藥物的反應(yīng)率高達(dá)70%，超過常規(guī)化療的療效[21]。與化療治療一樣，靶向治療同樣存在耐藥性，研究發(fā)現(xiàn)T790M突變是導(dǎo)致患者對EGFR-TKI藥物耐藥的常見原因，T790M突變后EGFR空間構(gòu)象改變，增強EGFR對三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的親和力，而減弱EGFR-TKI藥物對EGFR酪氨酸激酶區(qū)的結(jié)合能力，導(dǎo)致患者對EGFR-TKI藥物產(chǎn)生抵抗?；诖?，藥物研發(fā)人員已開發(fā)出第三代EGFR-TKI藥物[22]，用于治療EGFR活性突變與T790M突變的非小細(xì)胞肺癌患者。近年來經(jīng)各國藥物監(jiān)管部門審評上市的抗腫瘤靶向藥物越來越多，與靶向藥物相關(guān)的伴隨診斷也越來越普及，如赫賽汀與人表皮生長因子受體-2(human epidermal growth factor receptor 2,HER2)基因擴(kuò)增[23]，伊馬替尼與c-kit基因突變[24]，艾樂替尼與間變性淋巴瘤激酶(anaplastic lymphoma kinase,ALK)基因重排[25]，拉羅替尼與神經(jīng)營養(yǎng)酪氨酸激酶(neurotrophic tyrosine kinase,NTRK)基因融合[26]等，根據(jù)伴隨診斷的分子檢測結(jié)果指導(dǎo)腫瘤靶向藥物治療可以更好地幫助患者選擇合適的藥物。

1.3預(yù)測藥物安全性和預(yù)防藥物毒副作用 ADR是合格藥品在正常用法用量下用于預(yù)防、診斷、治療疾病或調(diào)節(jié)生理機(jī)能時出現(xiàn)的與用藥目的無關(guān)或意外的有害的反應(yīng)。ADR不包括藥物過量、藥物濫用、不遵醫(yī)囑、錯誤用藥。ADR不僅是導(dǎo)致上市藥物撤市的原因，也是全球性的公共衛(wèi)生問題，在中國每年藥品不良反應(yīng)事件報告逐年遞增，增加了國家的醫(yī)療負(fù)擔(dān)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因此控制藥物的安全性至關(guān)重要。最初ADR包括兩種基本類型[27]：A型和B型。A型反應(yīng)是可預(yù)測的，通常具有劑量依賴性，是基于對藥物已知的主要和(或)次要藥理作用的增強反應(yīng)，比如華法林治療的出血事件，華法林為抗凝藥物，治療窗比較窄，使用華法林治療的劑量小時達(dá)不到預(yù)期的抗凝效果，劑量大則增加出血風(fēng)險，不同的個體之間存在較大的差異。研究發(fā)現(xiàn)CYP2C9基因多態(tài)性與患者對華法林的敏感性有關(guān)，如CYP2C9酶活性下降會導(dǎo)致華法林在體內(nèi)的清除減慢，出現(xiàn)嚴(yán)重不良事件的風(fēng)險高于野生型，達(dá)到穩(wěn)定劑量的時間更長，劑量較野生型患者低。B型反應(yīng)是不可預(yù)測的異常反應(yīng)，以標(biāo)準(zhǔn)的治療劑量給藥時，產(chǎn)生不是藥物已知的藥理作用所預(yù)期的反應(yīng)，比如過敏反應(yīng)或藥物引起的皮疹，通常與人類白細(xì)胞抗原(human leukocyte antigen,HLA)參與機(jī)體特異性免疫有關(guān)。部分藥物或藥物代謝物能夠與機(jī)體內(nèi)源的HLA多肽共價結(jié)合生成新抗原，經(jīng)過HLA呈遞被T細(xì)胞識別，繼而激活免疫反應(yīng)，出現(xiàn)藥物誘導(dǎo)的特異質(zhì)皮膚不良反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)HLA基因多態(tài)性產(chǎn)生免疫反應(yīng)的個體差異，將導(dǎo)致部分個體ADR的發(fā)生[28]。HLA基因位于6號染色體，根據(jù)編碼基因的位置不同可分為3類：Ⅰ類HLA分子在所有的有核細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，可以激活CD8+細(xì)胞毒性T細(xì)胞，經(jīng)典Ⅰ類分子包括HLA-A、HLA-B和HLA-C三種；Ⅱ類HLA分子僅在抗原遞呈細(xì)胞中表達(dá)，可以激活CD4+輔助T細(xì)胞，經(jīng)典Ⅱ類分子包括HLA-DP、HLA-DQ和HLA-DR三種；Ⅲ類HLA分子包括補體基因C2和C4等。HLA基因具有高度基因多態(tài)性，常見的藥物誘導(dǎo)皮膚不良反應(yīng)的HLA基因多態(tài)性有HLA-B*15:02和卡馬西平引起的斑丘疹(maculopapular exanthem,MPE)和史蒂文斯-約翰遜綜合征(Stevens-Johnson syndrome,SJS)/中毒性表皮壞死溶解癥(toxic epidermal necrolysis,TEN)[29-30]、HLA-B*58:01和別嘌呤醇引起的MPE和SJS[31-32]、HLA-B*57:01和阿巴卡韋引起的藥物超敏反應(yīng)綜合征[33-34]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，人類的遺傳多態(tài)性是導(dǎo)致藥物反應(yīng)性個體差異及特殊人群ADR的重要原因，與非遺傳因素(如性別、年齡、吸煙、飲酒、并發(fā)疾病等)協(xié)同對機(jī)體藥物反應(yīng)產(chǎn)生影響，隨著對ADR認(rèn)識的增加，其中一些B型反應(yīng)將變得可預(yù)測。目前藥物基因組學(xué)研究已揭示一系列與ADR相關(guān)的生物標(biāo)志物(見表3)，這將有利于個體化用藥指導(dǎo)體系的建立，為提高藥物治療的安全性、緩解醫(yī)患矛盾、節(jié)省醫(yī)療資源等奠定基礎(chǔ)，在臨床治療、新藥開發(fā)等多個層面產(chǎn)生巨大影響。

表3 基因多態(tài)性與藥物不良反應(yīng)

2 藥物基因組學(xué)在新藥研發(fā)中的作用

醫(yī)藥企業(yè)致力于開發(fā)安全有效的藥物，只有極少數(shù)化合物能夠通過藥物開發(fā)的流程，成功獲得監(jiān)管批準(zhǔn)進(jìn)入市場。新藥開發(fā)所需的時間、成本和風(fēng)險給制藥行業(yè)帶來了重大挑戰(zhàn)。一項分析表明，一種產(chǎn)品從開始臨床試驗到獲得監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)所需的平均時間為7.6年[33]。然而，進(jìn)入臨床試驗的分子或化合物最終進(jìn)入市場的可能性仍然很低，在不同的治療領(lǐng)域平均為16%。開發(fā)時間長、成功率低導(dǎo)致藥物開發(fā)成本高[34]，再加上研發(fā)過度依賴數(shù)量而不是質(zhì)量，導(dǎo)致制藥行業(yè)的研發(fā)生產(chǎn)力下降。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，制藥行業(yè)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)都在努力向精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)模式過渡。阿斯利康制藥公司是使用精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)模式改善研發(fā)成功率的典型[35]，從2005年到2010年，阿斯利康制藥公司的研發(fā)表現(xiàn)遠(yuǎn)低于行業(yè)平均水平。2011年，該公司通過實施“5Rs”的決策流程，重點關(guān)注正確的目標(biāo)、正確的組織、正確的安全性、正確的患者和正確的商業(yè)潛力，包括更加重視藥物基因組學(xué)研究。2016年，阿斯利康制藥公司候選藥物的成功率從4%提高到16%，充分表明精準(zhǔn)醫(yī)療方法可以提高行業(yè)績效。絕大多數(shù)人對于藥物基因組學(xué)應(yīng)用范圍的認(rèn)識局限在上市后監(jiān)測，事實上，藥物基因組學(xué)在制藥行業(yè)的新藥研發(fā)中扮演著重要角色(見圖1)，參與新藥發(fā)現(xiàn)、新藥開發(fā)以至上市后監(jiān)測的全過程，包括藥物靶點的發(fā)現(xiàn)與鑒定、先導(dǎo)化合物的篩選與優(yōu)化、臨床前動物毒理學(xué)研究、藥代動力學(xué)和藥效動力學(xué)分析、安全性評估等環(huán)節(jié)，可以加速新藥的發(fā)現(xiàn)，增加新藥的通過率，減少參試人員數(shù)量，以及重新評估未通過藥審的新藥，大大節(jié)約時間和費用。

圖1 藥物基因組學(xué)與藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)圖

2.1新藥發(fā)現(xiàn) 傳統(tǒng)制藥行業(yè)中，藥物發(fā)現(xiàn)的來源或途徑包括偶然發(fā)現(xiàn)(生活中偶然發(fā)現(xiàn)、科學(xué)研究中偶然發(fā)現(xiàn)、醫(yī)療實踐中老藥新用)及自主探索，自主探索是在認(rèn)識疾病的基礎(chǔ)上，進(jìn)行藥物設(shè)計、老藥改造、藥物篩選等，這些發(fā)現(xiàn)新藥的方式，偏向于“試錯法”和臨床前模型試驗，不能準(zhǔn)確預(yù)測在人體的安全性與療效，使得大量候選化合物被淘汰[36]，即使是已上市的藥物，臨床有效率也不及預(yù)期[5]。傳統(tǒng)的藥物-靶點-疾病的藥物發(fā)現(xiàn)過程在多基因復(fù)雜疾病方面應(yīng)用不太成功，藥物的療效和安全性取決于每個人的遺傳背景和環(huán)境背景，藥物設(shè)計者如果缺乏病理生理學(xué)、藥理學(xué)、遺傳學(xué)、藥物基因組學(xué)等基礎(chǔ)知識，不認(rèn)識基因、分子和環(huán)境之間復(fù)雜作用的全貌，其藥物研發(fā)創(chuàng)新能力將會大打折扣。新的藥物開發(fā)模型可以從確定治療靶點開始，研究疾病產(chǎn)生的遺傳學(xué)機(jī)制，查找可能的藥物作用靶點，在開發(fā)過程中盡早收集靶點驗證(臨床機(jī)制證據(jù))，通過高通量篩選或其他篩選技術(shù)方法獲得先導(dǎo)化合物，先導(dǎo)化合物在成為臨床前候選藥物前，還需要經(jīng)過一系列的優(yōu)化階段，使其在物理化學(xué)、生物化學(xué)、藥代動力學(xué)、體外毒性及其他方面的性質(zhì)滿足標(biāo)準(zhǔn)。在臨床前研究中根據(jù)編碼藥物靶點的基因多態(tài)性預(yù)測藥物療效和不良反應(yīng)，確定先導(dǎo)化合物的轉(zhuǎn)運體和代謝酶多態(tài)性，選擇變異最小的最佳候選先導(dǎo)化合物，或者在此階段就聚焦特定基因分型以指導(dǎo)后續(xù)開展臨床試驗。臨床實踐中比較經(jīng)典的說明藥物基因組學(xué)與藥物發(fā)現(xiàn)之間關(guān)系的案例是“前蛋白轉(zhuǎn)化酶枯草溶菌素9型(proprotein convertase subtilisin/kexin type 9,PCSK9)與高膽固醇患者”。2003年，在兩個患有家族性高膽固醇血癥(familial hypercholesterolemia,FH)的法國家庭中發(fā)現(xiàn)PCSK9突變，F(xiàn)H是一種以低密度脂蛋白(low-density lipoprotein,LDL)嚴(yán)重升高和心血管風(fēng)險增加為特征的疾病。PCSK9是編碼參與膽固醇合成蛋白酶的基因，體外研究發(fā)現(xiàn)PCSK9在調(diào)節(jié)低密度脂蛋白受體(low-density lipoprotein receptor,LDLR)轉(zhuǎn)運中起著關(guān)鍵作用。大型隊列研究進(jìn)一步確定PCSK9基因多態(tài)性與低密度脂蛋白膽固醇(low-density lipoprotein cholesterol,LDL-C)和人類心血管風(fēng)險之間的關(guān)聯(lián)[37]。LDL-C與肝臟LDLR結(jié)合，LDLR將脂質(zhì)內(nèi)化，從而將LDL-C從循環(huán)中清除。野生型PCSK9蛋白與LDLR相互作用，以LDLR和LDL-C為降解靶點。部分PCSK9變體則產(chǎn)生一種不結(jié)合LDLR的蛋白質(zhì)，它允許LDL-R返回細(xì)胞膜并進(jìn)一步降低血清膽固醇。與攜帶野生型PCSK9基因的受試者相比，攜帶PCSK9變體的受試者冠心病發(fā)病率有所降低。在廣泛人群中發(fā)現(xiàn)PCSK9序列變異與LDL-C降低和心臟病減少有關(guān)，促進(jìn)PCSK9蛋白酶抑制劑的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。PCSK9蛋白酶抑制劑能結(jié)合PCSK9并抑制循環(huán)型PCSK9與LDLR的結(jié)合，從而阻止PCSK9介導(dǎo)的LDL-R降解。PCSK9蛋白酶抑制劑藥物目前已被多國藥監(jiān)部分批準(zhǔn)上市，適應(yīng)證為高膽固醇血癥和混合血脂異常[38]。在罕見病的藥物研發(fā)中也有藥物基因組學(xué)的舞臺，例如囊性纖維化跨膜傳導(dǎo)調(diào)節(jié)因子(cystic fibrosis transmembrane conductance regulator,CFTR)與囊性纖維化(cystic fibrosis,CF)，CF是一種由CFTR基因變異引起的遺傳性疾病，是高加索人種最常見的遺傳疾病之一。CFTR調(diào)節(jié)體內(nèi)氯離子和水的轉(zhuǎn)運，氯化物和水轉(zhuǎn)運的中斷使得肺和消化道中形成黏稠的黏液，導(dǎo)致嚴(yán)重的呼吸和消化問題。依伐卡托通過靶向CFTRG551D變異體干擾調(diào)節(jié)氯離子流動的閘門，導(dǎo)致其功能喪失[39]，經(jīng)5年前瞻性試驗表明其對G551D變異兒童和成人的疾病有改善作用[40]。

2.2新藥開發(fā) 隨著制藥行業(yè)對精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)認(rèn)識的不斷加深，藥物基因組學(xué)被應(yīng)用于藥物開發(fā)過程的各個階段。藥物基因組學(xué)介入后，基因型指導(dǎo)的給藥方法可以提高整個研發(fā)過程成功的概率。臨床前動物毒理學(xué)研究，主要是對藥物的安全性進(jìn)行評價。傳統(tǒng)的研究方法通過體格檢查、血清生化檢查、血液尿液分析、體重、動物行為學(xué)觀察、給藥后的病理切片等觀察化合物的毒性，研究很少能提供化合物毒性背后的分子生物學(xué)機(jī)制等信息。使用經(jīng)過驗證的預(yù)測安全性的生物標(biāo)志物則可以增強對毒性機(jī)制的理解，如由關(guān)鍵路徑研究所(Critical Path Institute,C-Path)發(fā)起的預(yù)測安全測試聯(lián)盟(Predictive Safety Testing Consortium,PSTC)[41]、聚焦在肝臟和腎臟毒性的InnoMed PredTox[39]等發(fā)現(xiàn)的生物標(biāo)志物，均有助于選擇更有可能在人類中耐受的候選化合物，潛在地減少臨床前評估所需的成本和時間，并最終減少后期失敗。將藥物基因組學(xué)納入臨床試驗設(shè)計可以減少樣本量和試驗持續(xù)時間，并有助于增加治療成功的可能性(見表4)。在新藥臨床試驗中，Ⅰ期臨床實驗用于描述研究藥物的藥代動力學(xué)特征(即ADME)及評價人體對該藥的耐受程度，了解外在因素(即藥物-食物和藥物-藥物相互作用)和內(nèi)在因素(即人口統(tǒng)計學(xué)、器官功能)如何影響藥物的藥代動力學(xué)，基因型是重要的內(nèi)在因素之一。在早期藥代動力學(xué)研究中進(jìn)行基因型和表型測定以建立基因型-表型關(guān)系，將有助于評估特定多態(tài)性對藥物藥代動力學(xué)的影響，并為異常值或受試者之間的反應(yīng)差異提供解釋。ADME相關(guān)基因多態(tài)性對酶或轉(zhuǎn)運蛋白功能和藥代動力學(xué)的影響可能是巨大的，其影響大到足以保證在藥物標(biāo)簽中包含基于基因型的給藥指南，比如CYP2C19和氯吡格雷等。不同于Ⅰ期試驗對藥物的人體安全性的初步評價和Ⅱ期試驗在小范圍內(nèi)對目標(biāo)適應(yīng)證患者進(jìn)行療效和安全性的評價，Ⅲ期試驗是治療作用的確證階段，將試驗藥物用于更大范圍的患者志愿者身上，其樣本量遠(yuǎn)大于前兩期試驗，需要證明所研發(fā)的新藥在人數(shù)增大的情況下仍然有效。由于樣本量變大，干擾因素增多，因此Ⅲ期臨床成功率低。在臨床前試驗和Ⅰ期試驗中可通過藥物基因組學(xué)研究，確定藥物代謝酶、轉(zhuǎn)運體、靶點、療效等基因的多態(tài)性，將基因型分組運用到Ⅱ、Ⅲ期試驗中，經(jīng)過基因篩選的受試者可以增強臨床試驗的統(tǒng)計學(xué)意義，用更少的病例數(shù)即可達(dá)到。對于受試者而言，藥物療效有所提高，不良反應(yīng)風(fēng)險降低；對于制藥企業(yè)來說，藥物研發(fā)的時間成本和資金成本大大降低。第一個腫瘤分子靶向療法藥物曲妥珠單抗，是一種靶向表達(dá)HER2/neu基因腫瘤細(xì)胞的單克隆抗體。Ⅲ期臨床試驗僅入選469例HER2表達(dá)為陽性的受試者亞群即獲得美國食品藥品管理局(Food and Drug Administration,FDA)批準(zhǔn)上市，獲批時間為6個月[42]。如果未將臨床試驗樣本進(jìn)行基因檢測篩選，入組受試者人數(shù)將大幅度提高，時間成本與經(jīng)濟(jì)成本都隨之增加。此外，藥物基因組學(xué)對腫瘤靶向藥物的新藥臨床試驗設(shè)計思路進(jìn)行創(chuàng)新[43]，包括籃子試驗和雨傘試驗?；@子試驗是對同一分子事件進(jìn)行管理，對同一驅(qū)動基因的不同腫瘤使用同一種藥物治療，本質(zhì)是一種藥物對應(yīng)多種腫瘤，比如BRAF突變藥物納入到黑色素瘤、結(jié)腸癌和甲狀腺癌等的治療中。雨傘試驗則是將具有不同驅(qū)動基因的同一腫瘤攏聚，在同一時間里進(jìn)行不同分子事件檢測，并根據(jù)不同靶基因突變選擇不同的靶向藥物。腫瘤中突變分子的種類多，但每類分子突變的頻率不高，雨傘實驗則可以把“少見”突變事件集中變?yōu)椤俺Ｒ姟笔录?，對患者獲得精準(zhǔn)治療、加速少見疾病的臨床試驗都具有重要的意義。

表4 藥物基因組學(xué)在藥物臨床試驗中的作用

新藥獲準(zhǔn)上市后，仍然需要進(jìn)行進(jìn)一步的藥物基因組學(xué)研究，在廣泛使用條件下，考察藥物的療效和不良反應(yīng)。當(dāng)藥物遇到未能成功上市或者上市后因不良反應(yīng)等問題撤市時，可以利用藥物基因組學(xué)重新評價藥物。對于因療效不佳未能成功上市的藥物，利用遺傳學(xué)特點篩選受試者，選擇對藥物敏感的特定基因型受試者。對于上市后因不良反應(yīng)等問題撤市的藥物，鑒別對該藥物敏感的患者群體，重新確定藥物的受試范圍和使用人群范圍，可能使其再次上市得到應(yīng)用。

3 展望

過去的幾十年中，研究者們在識別藥物體內(nèi)處置和靶向途徑的基因變異方面取得了重大成就，推動藥物基因組學(xué)在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和新藥研發(fā)領(lǐng)域的快速發(fā)展。目前基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究能夠拓展轉(zhuǎn)化到臨床應(yīng)用的成果較少，而且基于藥物基因組學(xué)的成果在真實世界中的應(yīng)用也存在很多的挑戰(zhàn)，來自商業(yè)、經(jīng)濟(jì)、教育、法律和社會各個方面。隨著技術(shù)發(fā)展的日新月異，相信以國家的政策為導(dǎo)向，在制藥業(yè)、科研系統(tǒng)、衛(wèi)生系統(tǒng)的通力合作下，藥物基因組學(xué)的研究日益完善，將藥物基因組學(xué)完全納入到臨床實踐和藥物研發(fā)中指日可待。