医薬品開発における中心的な課題の 1 つは、前臨床研究で見られた薬理効果がヒトでも現れるかどうかを判断することです。候補者は、動物モデルで説得力のある有効性を示しても、期待される臨床反応が得られない場合があります。多くの場合、欠けている部分は、2 番目の種でのその行動を予測できるほど十分に特徴付けられた生物学的メカニズムです。
標的発現、受容体分布、薬物代謝、組織曝露、免疫制御、疾患生物学がすべて異なるため、同じ分子でも種によって異なる反応が生じます。したがって、動物モデルの改善だけでは、そのメカニズムが臨床上の利益につながるとは確立されません。
バイオマーカーは、そのギャップに取り組む方法を提供します。プログラムは、薬物曝露、標的関与、経路調節および疾患反応に関連する変化を測定することにより、それらの間の定量的な関係を確立できます。薬物動態 (PK)そして薬力学 (PD)。これらの関係は、どの程度の曝露が必要か、どの生物学的メカニズムが影響を受けるか、観察された反応がヒトの病気に関連しているかどうかを示します。
トランスレーショナル医療の目的は一貫した枠組みです。前臨床測定は臨床上の決定に情報を提供し、臨床観察は前臨床仮説を修正します。候補マーカーのリストは成果物ではありません。
1. バイオマーカーが医薬品開発に役立つのはなぜですか?
バイオマーカーは、生物学的プロセス、病原性プロセス、または介入に対する反応を示す測定可能な特性です。分子測定、細胞特性、生理学的パラメーター、画像所見、および客観的に定量化された行動の変化はすべて適格です。
それらの値は、それらが答えることを意図されている生物学的質問によって異なります。医薬品開発では 5 つのカテゴリーが繰り返し発生します。
薬力学バイオマーカーサイトカイン濃度、シグナル伝達タンパク質のリン酸化、遺伝子発現、代謝活性など、投与後に生物学的反応が起こったことを示します。
ターゲットエンゲージメントバイオマーカー薬物が意図した分子標的と相互作用したことを示します。受容体の占有率、標的結合、標的関連シグナル伝達経路の阻害が通常の測定値です。
予測バイオマーカー特定の治療法に反応する可能性が高い患者を特定します。 PD-L1 発現と BRCA1/2 変化は、定義された治療環境で確立された例です。
予後バイオマーカー特定の治療とは独立して、病気の予想される経過を説明します。
安全性バイオマーカー潜在的な治療関連の毒性または生理学的障害にフラグを立てます。
カテゴリは相互に排他的ではありません。単一のバイオマーカーは、研究の状況に応じて異なる種類の情報を運ぶ場合があります。
バイオマーカーは、デフォルトでは臨床エンドポイントまたは代替エンドポイントでもありません。循環炎症マーカーの減少は生物学的活性を示します。患者が有意義な臨床的改善を経験できるかどうかを確立するものではありません。バイオマーカーの変化を臨床転帰に結び付けるには、別の証拠が必要です。
この違いが下流のすべてを形作ります。変化の測定は簡単な部分です。この変化が治療効果にとって何を意味するかを解釈するのはさらに難しい。
2. 前臨床基盤: 薬物曝露と生物学的反応の関連付け
前臨床開発中のバイオマーカーの最も有用な貢献は、薬物曝露と薬理学的活性の間にバイオマーカーが確立する関連性です。
従来の有効性研究では、治療により疾患関連のエンドポイントが改善されることが示されています。それ自体では、その効果が適切な標的関与によるものなのか、下流経路の調節によるものなのか、それとも間接的な生物学的反応によるものなのかはわかりません。
より有益なデザインでは、薬物曝露、標的関与、薬力学反応という 3 つの関連関係が確立されます。それぞれが異なる質問に答えます。
薬物曝露: どのくらいの薬物が関連する生物学的コンパートメントに到達しますか?
薬物動態研究では、薬物の吸収、分布、代謝、排泄を特徴づけます。血漿濃度は重要な出発点ですが、それは作用部位での曝露の代用であり、場合によっては不十分な場合もあります。
中枢神経系を標的とする薬剤の場合、血漿曝露だけでは脳組織内で利用可能な濃度についてはほとんど影響しません。抗体およびその他の大きな生物製剤は、血漿濃度の範囲外にある理由により、小分子とは異なる分布をします。
治療メカニズムに応じて、関連する測定値には、総血漿濃度および非結合血漿濃度、組織濃度、脳脊髄液濃度、または局所薬物分布が含まれます。
ターゲットエンゲージメント: 薬物は意図したターゲットと相互作用しますか?
ターゲットエンゲージメントは、薬物曝露と薬理学的活性を結び付けます。
受容体を標的とする抗体の場合、受容体占有率 (RO) は、薬物が結合する利用可能な受容体の割合を推定します。キナーゼ阻害剤の場合、標的のリン酸化または下流のシグナル伝達タンパク質の変化は、経路阻害の証拠を提供します。いずれにしても、測定により、投与量が意図した標的との十分な生物学的相互作用を引き起こしたかどうかがわかります。
薬力学的反応: 標的の関与は期待される生物学的効果を生み出しますか?
バインディングは応答と同じではありません。特に代償機構や冗長なシグナル伝達経路が関与する場合、薬物は十分な下流経路調節を生じずに標的を占有する可能性があります。
PD バイオマーカーは、その証拠の層を追加します。
たとえば、キナーゼ阻害剤は、目的の標的のリン酸化を減少させ、次にシグナル伝達タンパク質を下流に移動させ、最終的に疾患関連のエンドポイントを移動させます。 3 つのレベルすべてを測定することで、直接的な標的阻害をより広範な生物学的影響から分離できます。
暴露と反応の関係を定量化する
曝露と薬力学的測定が利用可能になると、それらの間の関係をモデルで特徴付けることができます。
一般的な選択は Emax モデルです。
E(C)=E0 + (Emax x C) / (EC50 + C)
ここで、E(C) は濃度 C で観察された薬理学的効果、E0 はベースライン効果、Emax は達成可能な最大効果、EC50 はその最大値の 50% に関連する濃度です。
より複雑なモデルでは、遅延応答、間接応答メカニズム、受容体代謝回転、または薬物曝露の時間依存性変化が追加されます。
実際の見返りは、1 回の線量ではなく、照射範囲です。動物実験で観察された最大の効果をもたらした用量を摂取する代わりに、プログラムは標的の関与に必要な最小曝露量と適切な PD 反応に関連する曝露量を特定できます。これは、後の臨床研究で用量と曝露目標を設定するためのより合理的な根拠です。
3. 動物実験からヒトへの初回投与量の選択まで
初期臨床用量の選択は、前臨床 PK/PD およびバイオマーカー データの最も明確な用途の 1 つです。
非臨床毒性研究では通常、安全性の基準となる、無毒性量（NOAEL）をヒト等価用量（HED）に換算し、適切な安全係数で割った値が提供されます。
ただし、非常に強力な化合物または強力な生物学的活性のある化合物の場合、毒物学的観察のみから導かれた開始用量は薬理学を見逃す可能性があります。モノクローナル抗体、免疫調節剤、およびその他の標的治療薬は、多くの場合、比較的低濃度で実質的な生物学的効果を生み出します。
最小予想生物学的影響レベル (MABEL) はその場合をカバーします。 MABEL は、入手可能な薬理学的および非臨床的証拠に基づいて、ヒトに最小限の生物学的影響をもたらすと予想される用量または曝露を推定し、通常は次の情報を統合します。
- ターゲットの発現と結合特性。
- インビトロの濃度反応データ。
- 受容体の占有とターゲットの関与。
- 関連する生物学的システムにおける機能的活動。
- 実験モデル間の PK と PD の関係。
- 薬理学と標的生物学における種の違い。
MABEL は、すべての開発プログラムにおける NOAEL ベースの評価に代わるものではありません。これは薬理学に基づいた考慮事項を追加しており、過剰な標的の活性化または阻害が重大な結果をもたらす場合に最も重要です。
TGN1412 臨床試験は、毒性学的所見だけでは免疫を活性化する生物学的製剤として不十分である理由を示す参考事例として残っています。健康なボランティアは、事前の非臨床試験にもかかわらず、重度のサイトカイン放出反応を発症しました。このエピソードは、非臨床パッケージではいずれも解決されていなかった、種特異的な薬理学、ヒト関連の生物活性、用量と免疫活性化の関係に焦点を当てました。
トランスレーショナル プログラムの教訓は、前臨床研究では毒性の観察や有効性の結果以上のものを生み出さなければならないということです。また、人間の反応を予測できるようにメカニズムを十分に説明する必要もあります。
4. 初期臨床開発: このメカニズムがヒトでも機能することを確認
前臨床バイオマーカーの発見により仮説が生まれます。臨床研究では、それが人間にも当てはまるかどうかをテストします。
第 1 相および第 2 相の初期開発中、バイオマーカーは 3 つの作業に最も役立ちます。ターゲットの関与の確認、生物学的に活性な曝露範囲の特定、用量と薬理学的反応の関係の説明です。
受容体占有は一例です。
細胞表面受容体を標的とする薬剤の場合、フローサイトメトリーまたは別の検証された分析方法により、関連する循環細胞集団上の薬剤の結合および受容体の利用可能性が定量化されます。連続サンプリングにより、占有率が線量とともに増加するかどうか、および占有率が飽和に近づくかどうかが示されます。
末梢血には限界があります。循環免疫細胞上の占有は、固形組織または他の疾患関連区画における同等の標的関与を確立しない。問題が区画に関する場合、組織生検、脳脊髄液測定、画像バイオマーカー、またはその他の区画固有の評価により、不足している証拠が得られます。
下流経路の測定も同様の重みを持ちます。 BTK 阻害剤は、BTK 関連シグナル伝達の変化を通じて読み取られます。 ERKリン酸化の調節によるMEK阻害剤。
ターゲットエンゲージメントと下流の PD を組み合わせることで、次の 2 つの別々の質問に答えられます。
- 薬物は意図した標的に到達し、相互作用しましたか?
- その相互作用は期待された生物学的反応を引き起こしましたか?
臨床用量反応データを解釈する際には、この組み合わせが重要です。最大に近い受容体占有率を達成する用量は、最大の臨床効果を生み出す必要はなく、さらに増加すると、薬理活性はほとんど追加されないものの、治療関連のリスクが追加される可能性があります。
したがって、バイオマーカーに基づく用量選択により、生物学的に活性で臨床的に適切な用量範囲が特定され、これは最大耐用量（MTD）とは異なる目標となります。
5. 患者の選択および臨床有効性評価におけるバイオマーカー
開発が進むにつれて、バイオマーカーの役割は、薬理活性の確認から、最も利益が得られる可能性が高い患者の特定へと移行していきます。この変化は、標的療法、免疫療法、分子的に定義された疾患サブグループに対する治療にとって最も重要です。
ペムブロリズマブ プログラムは十分に文書化された事例です。
ケーススタディ: 予測バイオマーカーとしてのペンブロリズマブと PD-L1
ペムブロリズマブは、プログラム細胞死タンパク質 1 (PD-1) を標的とするモノクローナル抗体です。 PD-1 とそのリガンドである PD-L1 の間の相互作用を遮断すると、T 細胞媒介の抗腫瘍活性の側面が回復します。
初期の臨床開発では、一度に答えなければならない 2 つの質問がありました。それは、どの用量で持続的な薬理活性を達成できるか、そしてどの患者が反応する可能性が高いかということです。
受容体占有研究は薬理学的な半分を提供しました。臨床研究では、評価された用量範囲全体で循環 T 細胞の実質的な PD-1 占有率が持続的な標的関与を示したことが実証され、これらの発見により、線量、曝露、占有率がどのように関係するかの全体像が構築されました。
用量の選択は占有率以上のものに基づいて行われました。臨床 PK、薬力学的所見、有効性および安全性データを総合して比較検討しました。初期の臨床プログラムでは複数の投与計画が評価され、3 週間ごとに 2 mg/kg が初期開発プログラムでは重要な用量となりました。
患者の選択が 2 番目の質問でした。
PD-L1 の発現は、潜在的な予測バイオマーカーとして調査されました。免疫組織化学により腫瘍サンプル中の PD-L1 が定量化され、その結果が治療反応に対してテストされました。
その後の臨床研究では、ペムブロリズマブの特定の適応症に対して患者を選択する際の PD-L1 発現の重要性が確立されました。 KEYNOTE-024は、PD-L1の腫瘍割合スコア（TPS）が少なくとも50%で、感作性EGFRまたはALK変化のない未治療の進行性非小細胞肺がん（NSCLC）を、バイオマーカーが豊富な第一選択治療環境で評価しました。ペムブロリズマブは、その選択された集団においてプラチナベースの化学療法と比較して臨床転帰の改善をもたらしました。
PD-L1 IHC 22C3 pharmDx アッセイは、関連する適応症のコンパニオン診断として開発されました。
その 1 つのプログラム内に 2 つの補完的なアプリケーションが存在します。受容体占有は薬物と標的の相互作用と臨床薬理学の理解を裏付けました。腫瘍 PD-L1 の発現により、恩恵を受ける可能性が高い患者集団が特定されました。ターゲットエンゲージメントマーカーと予測マーカーは、両方が同じ開発プログラムに属している場合でも、異なる質問に答えます。そのため、それぞれが意図された臨床目的に照らして評価されます。
6. トランスレーショナルバイオマーカーは種を超えて評価されなければならない理由
動物モデルで機能するバイオマーカーは、自動的に臨床応用に適しているわけではありません。分子構造、標的発現、免疫制御、代謝、組織分布の違いは、測定自体とその生物学的解釈の両方に影響を与えます。
したがって、種間の比較可能性は前臨床研究の設計に含まれます。ほとんどのリスクは 4 つの側面にあります。
分析的な比較可能性。アッセイは、関連する種において十分に特異的で感度が高くなければなりません。抗体、プライマー、検出試薬、その他の分析コンポーネントは、ヒトと動物のサンプルにおいて異なる性能特性を示すことがあります。
生物学的な関連性。動物における測定可能な変化は、人間における同じ生物学的プロセスを常に表すとは限りません。問題は、バイオマーカーが保存されたメカニズムを反映しているのか、それとも種特異的な反応を反映しているのかということです。
組織の関連性。末梢血で測定されるバイオマーカーは、標的臓器の生物学的活性を誤って表現することがよくありますが、これはCNS、腫瘍学、および組織特異的炎症の研究において重要です。
時間的な関連性。バイオマーカーの変化と臨床的または機能的反応は時間内に相殺される可能性があるため、サンプリングスケジュールによって曝露と反応の関係が可視化されるかどうかが決まります。
非ヒト霊長類 (NHP) モデルは、薬理学的メカニズムが保存された分子標的、複雑な免疫相互作用、または従来の動物モデルではあまり表現できない生理学的プロセスに依存する場合に役立ちます。生物製剤やその他の種に敏感な治療薬については、NHP 研究では、生理学的に関連する環境における標的の関与、全身曝露、免疫学的反応、および薬力学的効果を特徴付けます。
NHPの研究は種間の差異を排除するものではありません。それらの値は、選択したモデルの関連性、候補分子の薬理学的交差反応性、および測定されるバイオマーカーの適合性に依存します。
したがって、トランスレーショナルバイオマーカー戦略は、たまたま測定に便利なエンドポイントを中心とするのではなく、作用機序と意図された臨床応用を中心に構築されます。
7. 定量的開発戦略へのバイオマーカーの統合
バイオマーカーは、個別の測定値として提供されるのではなく、統合された開発戦略の中に組み込まれたときに最大限の効果を発揮します。
前臨床開発中、PK 測定により全身曝露、および関連する場合は組織曝露が確立されます。ターゲットエンゲージメントアッセイは、候補が意図した分子ターゲットと相互作用するかどうかを決定します。 PD バイオマーカーは下流の生物学的反応を特徴づけ、疾患関連エンドポイントは機能的または病理学的改善の証拠を提供します。
次に、PK/PD モデリングと曝露反応分析により、これらのデータが統合されて、用量選択、投与間隔、および初期臨床研究のデザインに関する決定が行われます。
臨床開発中、同じフレームワークがヒト PK、受容体占有率、経路活性、画像所見、臨床転帰を用いて改良されます。
情報は一方向に流れるわけではありません。臨床観察により、バイオマーカーの予測値が限られていること、標的が関連組織に十分関与していないこと、または代償経路が治療反応に影響を与えていることが示される場合があります。これらの発見は、前臨床データの解釈とその後の研究の設計にフィードバックされます。
実行可能なバイオマーカー戦略は、次の 3 つの要件に基づいています。
- 生物学的妥当性:バイオマーカーは意図された生物学的メカニズムを反映していますか?
- 分析的妥当性:正確かつ再現性良く測定できるか？
- 臨床的関連性:測定された変化は、医薬品開発や患者の転帰にとって意味のある情報を提供しますか?
これらのうち 1 つまたは 2 つを満たすバイオマーカーは、まだ探索的研究で使用されています。臨床上の意思決定をサポートする能力は依然として限られています。
したがって、バイオマーカーの選択、アッセイ開発、サンプリング戦略、および異種間評価は、有効性の結果が得られる前の初期の研究デザインに属します。
前臨床トランスレーショナル研究への影響
前臨床薬理学から臨床開発に移行するには、候補薬が動物モデルで効果を生み出すという証拠以上のものが必要です。それには、薬物曝露、標的への関与、下流の生物活性、および疾患関連の結果がどのように結びついているかを把握する必要があります。
統合された PK/PD 研究とバイオマーカー評価が、その見解を構築する方法です。
ヒト以外の霊長類の研究では、これらの評価は長期的な生理学的測定と組み合わされます。臨床画像処理、単一の実験フレームワーク内での組織サンプリングと機能エンドポイント。たとえば、NHP CNS 研究では、血漿および脳脊髄液の薬物濃度、画像ベースの評価、組織固有の標的の関与、神経学的または行動学的エンドポイントを統合できます。その結果、単一の端末測定ではなく、複数の証拠が得られます。
プリシス・バイオテックでは、NHP薬理学研究には、研究プログラムの目的に応じて、PK/PD評価、疾患関連バイオマーカー評価、臨床画像および機能エンドポイント分析が組み込まれています。具体的な研究デザインと分析戦略は、候補薬、作用機序、意図する臨床応用によって決まります。
バイオマーカーを量としてではなく意思決定の入力として扱うことが実際的な違いです。生物学的活性が実験モデルと臨床研究全体で一貫して定量化および解釈できる場合、開発の決定は証拠に基づいており、前臨床の有効性と人間の反応との間の距離はプログラムで直接調査できるものになります。
