Een van de centrale uitdagingen bij de ontwikkeling van geneesmiddelen is de vraag of een farmacologisch effect dat in preklinische onderzoeken wordt waargenomen, ook bij mensen zal optreden. Een kandidaat kan overtuigende werkzaamheid aantonen in een diermodel en toch niet de verwachte klinische respons opleveren. Vaak is het ontbrekende stukje een biologisch mechanisme dat goed genoeg gekarakteriseerd is om het gedrag ervan bij een tweede soort te voorspellen.
Hetzelfde molecuul produceert verschillende reacties per soort, omdat doelexpressie, receptordistributie, medicijnmetabolisme, weefselblootstelling, immuunregulatie en ziektebiologie allemaal verschillen. Een verbetering van een diermodel betekent dus op zichzelf niet dat een mechanisme zich zal vertalen in klinisch voordeel.
Biomarkers bieden een manier om aan die kloof te werken. Door de veranderingen te meten die verband houden met de blootstelling aan geneesmiddelen, de betrokkenheid bij het doel, de modulatie van het ziektepad en de respons op de ziekte, kan een programma kwantitatieve relaties tussen deze stoffen tot stand brengenfarmacokinetiek (PK)Enfarmacodynamiek (PD). Deze relaties zeggen hoeveel blootstelling er nodig is, welke biologische mechanismen worden beïnvloed en of de waargenomen reactie verband houdt met ziekten bij de mens.
In de translationele geneeskunde is het doel een samenhangend raamwerk: preklinische metingen vormen de basis voor klinische beslissingen, en klinische observaties herzien preklinische hypothesen. Een lijst met kandidaatmarkeringen is niet het eindproduct.
1. Wat maakt een biomarker nuttig bij de ontwikkeling van geneesmiddelen?
Een biomarker is een meetbaar kenmerk dat een biologisch proces, een pathogeen proces of een reactie op een interventie aangeeft. Moleculaire metingen, cellulaire kenmerken, fysiologische parameters, beeldvormingsresultaten en objectief gekwantificeerde gedragsveranderingen komen allemaal in aanmerking.
Hun waarde hangt af van de biologische vraag die ze moeten beantwoorden. Vijf categorieën komen terug in de ontwikkeling van geneesmiddelen.
Farmacodynamische biomarkerslaten zien dat er een biologische reactie is opgetreden na dosering: cytokineconcentraties, fosforylering van signaaleiwitten, genexpressie, metabolische activiteit.
Biomarkers voor doelgerichte betrokkenheidlaten zien dat het medicijn interactie heeft gehad met het beoogde moleculaire doelwit. Receptorbezetting, doelbinding en remming van doelgeassocieerde signaalroutes zijn de gebruikelijke uitlezingen.
Voorspellende biomarkersidentificeren van patiënten die waarschijnlijker zullen reageren op een bepaalde behandeling. PD-L1-expressie en BRCA1/2-wijzigingen zijn gevestigde voorbeelden in gedefinieerde therapeutische omgevingen.
Prognostische biomarkershet waarschijnlijke beloop van een ziekte beschrijven, onafhankelijk van een bepaalde behandeling.
Veiligheidsbiomarkerssignaleer mogelijke behandelingsgerelateerde toxiciteit of fysiologische stoornissen.
De categorieën sluiten elkaar niet uit. Eén enkele biomarker kan verschillende soorten informatie bevatten, afhankelijk van de onderzoekscontext.
Een biomarker is ook niet standaard een klinisch eindpunt of een surrogaateindpunt. Een vermindering van een circulerende ontstekingsmarker toont biologische activiteit aan; het bewijst niet dat een patiënt een betekenisvolle klinische verbetering zal ervaren. Voor het koppelen van een biomarkerverandering aan een klinische uitkomst is afzonderlijk bewijsmateriaal nodig.
Dat onderscheid vormt alles stroomafwaarts. Het meten van de verandering is het eenvoudige gedeelte. Het interpreteren van wat de verandering betekent voor de therapeutische werkzaamheid is moeilijker.
2. De preklinische basis: blootstelling aan geneesmiddelen koppelen aan biologische respons
De nuttigste bijdrage van biomarkers tijdens de preklinische ontwikkeling is het verband dat zij leggen tussen blootstelling aan geneesmiddelen en farmacologische activiteit.
Uit een conventioneel werkzaamheidsonderzoek blijkt dat een behandeling een ziektegerelateerd eindpunt verbetert. Op zichzelf zegt het niet of het effect voortkwam uit adequate targetbetrokkenheid, stroomafwaartse modulatie van de route, of een indirecte biologische reactie.
Een meer informatief ontwerp brengt drie onderling verbonden relaties tot stand: blootstelling aan geneesmiddelen, betrokkenheid bij het doel en farmacodynamische respons. Ieder beantwoordt een andere vraag.
Blootstelling aan geneesmiddelen: Hoeveel geneesmiddel bereikt het relevante biologische compartiment?
Farmacokinetische onderzoeken karakteriseren de absorptie, distributie, metabolisme en eliminatie van geneesmiddelen. Plasmaconcentratie is een belangrijk uitgangspunt, maar het is een indicatie voor blootstelling op de plaats van actie, en soms een slechte maatstaf.
Voor geneesmiddelen die zich richten op het centrale zenuwstelsel zegt plasmablootstelling alleen weinig over de concentratie die beschikbaar is in het hersenweefsel. Antilichamen en andere grote biologische stoffen worden anders gedistribueerd dan kleine moleculen, om redenen die buiten de plasmaconcentratie liggen.
Afhankelijk van het therapeutische mechanisme omvatten relevante metingen totale en ongebonden plasmaconcentraties, weefselconcentraties, concentraties in het hersenvocht of lokale geneesmiddeldistributie.
Doelbetrokkenheid: Heeft het medicijn een wisselwerking met het beoogde doelwit?
Doelbetrokkenheid koppelt blootstelling aan geneesmiddelen aan farmacologische activiteit.
Voor receptorgerichte antilichamen schat de receptorbezetting (RO) het aandeel beschikbare receptoren dat door het medicijn wordt gebonden. Voor kinaseremmers vormen veranderingen in doelfosforylering of in stroomafwaartse signaaleiwitten bewijs van remming van de route. Hoe dan ook, de meting geeft antwoord op de vraag of de toegediende dosis voldoende biologische interactie met het beoogde doelwit veroorzaakte.
Farmacodynamische respons: levert doelgerichte betrokkenheid het verwachte biologische effect op?
Binden is niet hetzelfde als reageren. Een medicijn kan zijn doelwit bezetten zonder voldoende modulatie van de stroomafwaartse route te produceren, vooral als er sprake is van compensatiemechanismen of overtollige signaalroutes.
PD-biomarkers voegen die bewijslaag toe.
Een kinaseremmer vermindert bijvoorbeeld de fosforylatie van het beoogde doelwit, verschuift vervolgens stroomafwaartse signaaleiwitten en verplaatst uiteindelijk een ziektegerelateerd eindpunt. Door alle drie de niveaus te meten, wordt directe doelremming gescheiden van bredere biologische effecten.
Het kwantificeren van de relatie tussen blootstelling en respons
Zodra blootstellings- en farmacodynamische metingen beschikbaar zijn, kan een model de relatie daartussen karakteriseren.
Een veel voorkomende keuze is het Emax-model:
E(C)=E0 + (Emax x C) / (EC50 + C)
waarbij E(C) het waargenomen farmacologische effect is bij concentratie C, E0 het basislijneffect, Emax het maximaal haalbare effect en EC50 de concentratie geassocieerd met 50% van dat maximum.
Complexere modellen voegen vertraagde reacties, indirecte responsmechanismen, receptoromzet of tijdsafhankelijke veranderingen in de blootstelling aan geneesmiddelen toe.
De praktische uitbetaling is een blootstellingsbereik in plaats van een enkele dosis. In plaats van de dosis te nemen die het grootste waargenomen effect in een dierstudie opleverde, kan een programma de minimale blootstelling identificeren die nodig is voor doelbetrokkenheid en de blootstelling die gepaard gaat met een adequate Parkinson-respons. Dat is een meer rationele basis voor het vaststellen van doses en blootstellingsdoelstellingen in latere klinische onderzoeken.
3. Van dierstudies tot dosisselectie voor de eerste keer bij mensen
Het selecteren van de initiële klinische dosis is een van de duidelijkste toepassingen van preklinische PK/PD- en biomarkergegevens.
Niet-klinische toxiciteitsstudies leveren normaal gesproken het veiligheidsanker: een no-observed-adverse-effect level (NOAEL) omgezet in een humane equivalente dosis (HED), vervolgens gedeeld door een geschikte veiligheidsfactor.
Voor een zeer krachtige of sterk biologisch actieve verbinding kan een startdosis die alleen op basis van toxicologische waarnemingen is afgeleid, echter de farmacologie missen. Monoklonale antilichamen, immuunmodulatoren en andere gerichte therapieën veroorzaken vaak substantiële biologische effecten bij relatief lage concentraties.
Het minimaal verwachte biologische effectniveau (MABEL) dekt dat geval. MABEL schat de dosis of blootstelling die naar verwachting een minimaal biologisch effect bij mensen zal veroorzaken, op basis van het beschikbare farmacologische en niet-klinische bewijsmateriaal, en integreert doorgaans:
- Doelexpressie en bindingskenmerken.
- In vitro concentratie-responsgegevens.
- Receptorbezetting en doelbetrokkenheid.
- Functionele activiteit in relevante biologische systemen.
- PK- en PD-relaties tussen experimentele modellen.
- Soortverschillen in farmacologie en doelbiologie.
MABEL vervangt niet in elk ontwikkelingsprogramma een op NOAEL gebaseerde beoordeling. Het voegt een op farmacologie gebaseerde overweging toe, en het is het belangrijkst waar overmatige doelactivatie of -remming ernstige gevolgen heeft.
De klinische studie TGN1412 blijft het referentievoorbeeld waarom toxicologische bevindingen alleen onvoldoende kunnen zijn voor een immuunactiverend biologisch geneesmiddel. Gezonde vrijwilligers ontwikkelden ernstige reacties op het vrijkomen van cytokine, ondanks voorafgaande niet-klinische tests. De episode ging over soortspecifieke farmacologie, voor de mens relevante biologische activiteit en de relatie tussen dosis en immuunactivatie, waarvan het niet-klinische pakket niets had opgelost.
Voor een translationeel programma is de les dat preklinische onderzoeken meer moeten opleveren dan alleen toxiciteitsobservaties en werkzaamheidsresultaten. Ze moeten het mechanisme ook goed genoeg uitleggen om op de menselijke reactie te kunnen anticiperen.
4. Vroege klinische ontwikkeling: bevestiging dat het mechanisme werkt bij mensen
Preklinische biomarkerbevindingen leveren hypothesen op. Klinische onderzoeken testen of ze bij mensen stand houden.
Tijdens fase I en vroege fase II-ontwikkeling zijn biomarkers het meest bruikbaar voor drie taken: het bevestigen van doelbetrokkenheid, het lokaliseren van biologisch actieve blootstellingsbereiken en het beschrijven van de relatie tussen dosis en farmacologische respons.
Receptorbezetting is een voorbeeld.
Voor geneesmiddelen die zich richten op receptoren op het celoppervlak, kwantificeert flowcytometrie of een andere gevalideerde analytische methode de geneesmiddelbinding en receptorbeschikbaarheid op de relevante circulerende celpopulaties. Seriële bemonstering laat zien of de bezettingsgraad stijgt met de dosis en of deze de verzadiging nadert.
Perifeer bloed heeft grenzen. Bezetting op circulerende immuuncellen leidt niet tot gelijkwaardige doelbetrokkenheid in vaste weefsels of in andere ziekterelevante compartimenten. Als de vraag compartimenteel is, leveren weefselbiopten, metingen van het hersenvocht, beeldvormende biomarkers of andere compartimentspecifieke beoordelingen het ontbrekende bewijsmateriaal.
Metingen van stroomafwaartse trajecten wegen even zwaar. BTK-remmers worden gelezen via veranderingen in BTK-geassocieerde signalering; MEK-remmers door modulatie van ERK-fosforylering.
Door doelgroepbetrokkenheid te koppelen aan downstream PD worden twee afzonderlijke vragen beantwoord:
- Heeft het medicijn het beoogde doel bereikt en er interactie mee gehad?
- Heeft die interactie de verwachte biologische respons opgeleverd?
De koppeling is van belang bij het interpreteren van klinische dosis-responsgegevens. Een dosis die een vrijwel maximale receptorbezetting bereikt hoeft niet het grootste klinische voordeel op te leveren, en verdere escalatie kan het behandelingsrisico vergroten terwijl er weinig farmacologische activiteit aan wordt toegevoegd.
Door biomarkers geleide dosisselectie identificeert daarom een biologisch actief en klinisch passend dosisbereik, dat een ander doel is dan de maximaal getolereerde dosis (MTD).
5. Biomarkers bij patiëntenselectie en beoordeling van de klinische werkzaamheid
Naarmate de ontwikkeling vordert, verschuift de rol van biomarkers van het bevestigen van farmacologische activiteit naar het identificeren van de patiënten die er waarschijnlijk baat bij zullen hebben. Die verschuiving is het belangrijkst voor gerichte therapieën, immuuntherapieën en behandelingen gericht tegen moleculair gedefinieerde ziektesubgroepen.
Het pembrolizumab-programma is een goed gedocumenteerd geval.
Casestudy: Pembrolizumab en PD-L1 als voorspellende biomarker
Pembrolizumab is een monoklonaal antilichaam dat zich richt op geprogrammeerd celdoodeiwit 1 (PD-1). Het blokkeren van de interactie tussen PD-1 en zijn liganden, waaronder PD-L1, herstelt aspecten van door T-cellen gemedieerde antitumoractiviteit.
De vroege klinische ontwikkeling moest twee vragen tegelijk beantwoorden: welke dosis kon een aanhoudende farmacologische activiteit bewerkstelligen, en welke patiënten zouden eerder reageren.
Receptorbezettingsstudies leverden de farmacologische helft op. Klinisch onderzoek heeft een substantiële PD-1 bezetting van circulerende T-cellen binnen het geëvalueerde dosisbereik aangetoond, met aanhoudende targetbetrokkenheid, en deze bevindingen vormen een beeld van hoe dosis, blootstelling en bezetting zich verhouden.
De dosiskeuze berustte op meer dan alleen de bezetting. Klinische PK, farmacodynamische bevindingen, werkzaamheid en veiligheidsgegevens werden samen afgewogen. In het vroege klinische programma werden meerdere doseringsregimes geëvalueerd, en 2 mg/kg elke drie weken werd een belangrijke dosis in het initiële ontwikkelingsprogramma.
Patiëntenselectie was de tweede vraag.
PD-L1-expressie werd onderzocht als een potentiële voorspellende biomarker. Immunohistochemie kwantificeerde PD-L1 in tumormonsters en de resultaten werden getoetst aan de respons op de behandeling.
Daaropvolgende klinische onderzoeken hebben het belang van PD-L1-expressie aangetoond bij het selecteren van patiënten voor bepaalde pembrolizumab-indicaties. KEYNOTE-024 evalueerde eerder onbehandelde gevorderde niet-kleincellige longkanker (NSCLC) met een PD-L1 tumorproportiescore (TPS) van ten minste 50% en zonder sensibiliserende EGFR- of ALK-veranderingen, in een met biomarkers verrijkte eerstelijnsbehandelingssetting. Pembrolizumab produceerde betere klinische resultaten vergeleken met op platina gebaseerde chemotherapie in die geselecteerde populatie.
De PD-L1 IHC 22C3 pharmDx-assay is ontwikkeld als begeleidende diagnostiek voor de relevante indicaties.
In dat ene programma zitten twee complementaire toepassingen. Receptorbezetting ondersteunde het begrip van geneesmiddel-doelinteractie en klinische farmacologie; tumor PD-L1-expressie identificeerde een patiëntenpopulatie die waarschijnlijker zou profiteren. Een marker voor doelbetrokkenheid en een voorspellende marker beantwoorden verschillende vragen, zelfs als beide tot hetzelfde ontwikkelingsprogramma behoren. Daarom wordt elk van beide beoordeeld op basis van het beoogde klinische doel.
6. Waarom translationele biomarkers voor verschillende soorten moeten worden geëvalueerd
Een biomarker die in een diermodel werkt, is niet automatisch geschikt voor klinische vertaling. Verschillen in moleculaire structuur, doelexpressie, immuunregulatie, metabolisme en weefseldistributie beïnvloeden zowel de meting zelf als de biologische interpretatie ervan.
Vergelijkbaarheid tussen soorten hoort daarom thuis in het ontwerp van preklinisch onderzoek. Vier aspecten dragen het grootste risico met zich mee.
Analytische vergelijkbaarheid.Tests moeten voldoende specifiek en gevoelig zijn voor de relevante soort. Antilichamen, primers, detectiereagentia en andere analytische componenten kunnen verschillende prestatiekenmerken vertonen in menselijke en dierlijke monsters.
Biologische relevantie.Een meetbare verandering bij een dier vertegenwoordigt niet altijd hetzelfde biologische proces bij de mens. De vraag is of de biomarker een geconserveerd mechanisme weerspiegelt of een soortspecifieke reactie.
Weefselrelevantie.Biomarkers gemeten in perifeer bloed geven vaak een verkeerde voorstelling van de biologische activiteit in het doelorgaan, wat van belang is bij CZS, oncologie en weefselspecifiek ontstekingsonderzoek.
Tijdelijke relevantie.Veranderingen in biomarkers en klinische of functionele reacties kunnen in de tijd worden gecompenseerd, zodat het bemonsteringsschema bepaalt of er überhaupt een blootstelling-responsrelatie zichtbaar is.
Modellen van niet-menselijke primaten (NHP) worden nuttig wanneer het farmacologische mechanisme afhangt van geconserveerde moleculaire doelwitten, complexe immuuninteracties of fysiologische processen die conventionele diermodellen slecht vertegenwoordigen. Voor biologische geneesmiddelen en andere soortgevoelige therapieën karakteriseren NHP-onderzoeken doelbetrokkenheid, systemische blootstelling, immunologische reacties en farmacodynamische effecten in een fysiologisch relevante setting.
NHP-onderzoeken elimineren de verschillen tussen soorten niet. Hun waarde hangt af van de relevantie van het geselecteerde model, de farmacologische kruisreactiviteit van het kandidaatmolecuul en de geschiktheid van de te meten biomarkers.
Een translationele biomarkerstrategie is daarom opgebouwd rond het werkingsmechanisme en de beoogde klinische toepassing, in plaats van rond de eindpunten die gemakkelijk te meten zijn.
7. Biomarkers integreren in een kwantitatieve ontwikkelingsstrategie
Biomarkers leveren het meeste resultaat als ze deel uitmaken van een geïntegreerde ontwikkelingsstrategie, in plaats van als geïsoleerde metingen te komen.
Tijdens de preklinische ontwikkeling stellen PK-metingen de systemische blootstelling en, indien relevant, de weefselblootstelling vast. Doelbetrokkenheidstesten bepalen of de kandidaat interageert met het beoogde moleculaire doelwit. PD-biomarkers karakteriseren stroomafwaartse biologische reacties, en ziektegerelateerde eindpunten leveren bewijs van functionele of pathologische verbetering.
PK/PD-modellering en blootstelling-responsanalyse consolideren deze gegevens vervolgens in beslissingen over dosisselectie, doseringsintervallen en het ontwerp van vroege klinische onderzoeken.
Tijdens de klinische ontwikkeling wordt hetzelfde raamwerk verfijnd met menselijke PK, receptorbezetting, signaalrouteactiviteit, beeldvormingsbevindingen en klinische uitkomsten.
Informatie stroomt niet in één richting. Klinische observaties kunnen aantonen dat een biomarker een beperkte voorspellende waarde heeft, dat een doelwit niet voldoende betrokken is bij het relevante weefsel, of dat compensatieroutes de respons op de behandeling beïnvloeden. Deze bevindingen worden meegenomen in de interpretatie van preklinische gegevens en het ontwerp van daaropvolgende onderzoeken.
Een werkbare biomarkerstrategie berust op drie vereisten:
- Biologische validiteit:weerspiegelt de biomarker het beoogde biologische mechanisme?
- Analytische validiteit:Is dit nauwkeurig en reproduceerbaar te meten?
- Klinische relevantie:Biedt de gemeten verandering betekenisvolle informatie voor de ontwikkeling van geneesmiddelen of patiëntresultaten?
Een biomarker die aan een of twee hiervan voldoet, kan nog steeds worden gebruikt in verkennend onderzoek; het vermogen ervan om klinische beslissingen te ondersteunen blijft beperkt.
De selectie van biomarkers, de ontwikkeling van tests, de bemonsteringsstrategie en de evaluatie tussen soorten behoren daarom tot de vroege onderzoeksopzet, voordat resultaten over de werkzaamheid beschikbaar komen.
Implicaties voor preklinisch translationeel onderzoek
Om van preklinische farmacologie naar klinische ontwikkeling te gaan, is meer nodig dan bewijs dat een kandidaat-medicijn effect sorteert in een diermodel. Het vereist een beeld van hoe de blootstelling aan geneesmiddelen, de betrokkenheid van de doelgroep, de biologische activiteit verderop in de keten en de ziektegerelateerde uitkomsten met elkaar samenhangen.
Geïntegreerde PK/PD-onderzoeken en de evaluatie van biomarkers vormen de basis voor dit inzicht.
Bij onderzoek naar niet-menselijke primaten worden deze beoordelingen gecombineerd met longitudinale fysiologische metingen,klinische beeldvorming, weefselbemonstering en functionele eindpunten binnen één experimenteel raamwerk. Een NHP CNS-onderzoek kan bijvoorbeeld plasma- en hersenvochtconcentraties, op beeldvorming gebaseerde beoordeling, weefselspecifieke doelwitbetrokkenheid en neurologische of gedragsmatige eindpunten integreren. Het resultaat is meerdere bewijslagen in plaats van één enkele eindmeting.
Bij Prisys Biotech,NHP-farmacologiestudies omvatten PK/PD-evaluatie, ziektegerelateerde biomarkerbeoordeling, klinische beeldvorming en functionele eindpuntanalyse volgens de doelstellingen van het onderzoeksprogramma. Het specifieke onderzoeksontwerp en de analytische strategie worden bepaald door het kandidaatgeneesmiddel, het werkingsmechanisme en de beoogde klinische toepassing.
Het praktische verschil is het behandelen van biomarkers als beslissingsinput in plaats van als volume. Waar biologische activiteit kan worden gekwantificeerd en consistent geïnterpreteerd in experimentele modellen en klinische onderzoeken, berusten ontwikkelingsbeslissingen op bewijsmateriaal, en wordt de afstand tussen preklinische werkzaamheid en menselijke respons iets dat een programma rechtstreeks kan onderzoeken.
Gerelateerde lectuur
- PK-biomarkers bij preklinische geneesmiddelenontwikkeling: blootstellingsrespons en PK/PD
- Translationeel PK/PD-raamwerk: dosisvoorspelling van cynomolgus-aap naar mens
- Het belang van translationeel geneeskundeonderzoek: van fundamenteel onderzoek tot klinische studies
- Beeldvormingsdienst voor biodistributie
