약물 개발의 주요 과제 중 하나는 전임상 연구에서 나타난 약리학적 효과가 인간에게도 나타날지 여부를 결정하는 것입니다. 후보자는 동물 모델에서 설득력 있는 효능을 보였지만 여전히 예상되는 임상 반응을 생성하지 못할 수 있습니다. 종종 누락된 조각은 두 번째 종의 행동을 예측할 수 있을 만큼 잘 특성화된 생물학적 메커니즘입니다.
표적 발현, 수용체 분포, 약물 대사, 조직 노출, 면역 조절 및 질병 생물학이 모두 다르기 때문에 동일한 분자는 종에 따라 서로 다른 반응을 나타냅니다. 따라서 동물 모델의 개선이 그 자체로 메커니즘이 임상적 이점으로 전환된다는 것을 입증하지는 않습니다.
바이오마커는 이러한 격차를 해소할 수 있는 방법을 제공합니다. 프로그램은 약물 노출, 표적 참여, 경로 조절 및 질병 반응과 관련된 변화를 측정함으로써 두 약물 사이의 정량적 관계를 확립할 수 있습니다.약동학(PK)그리고약력학(PD). 이러한 관계는 노출이 얼마나 필요한지, 어떤 생물학적 메커니즘이 영향을 받는지, 관찰된 반응이 인간 질병과 관련이 있는지 여부를 나타냅니다.
중개 의학의 목표는 일관된 프레임워크입니다. 즉, 전임상 측정은 임상 결정을 알리고 임상 관찰은 전임상 가설을 수정합니다. 후보 마커 목록은 결과물이 아닙니다.
1. 바이오마커가 의약품 개발에 유용한 이유는 무엇입니까?
바이오마커는 생물학적 과정, 병원성 과정 또는 개입에 대한 반응을 나타내는 측정 가능한 특성입니다. 분자 측정, 세포 특성, 생리학적 매개변수, 영상 결과 및 객관적으로 정량화된 행동 변화가 모두 적합합니다.
그들의 가치는 그들이 대답하려는 생물학적 질문에 따라 달라집니다. 약물 개발에는 다섯 가지 범주가 반복됩니다.
약력학적 바이오마커투여 후 사이토카인 농도, 신호 단백질의 인산화, 유전자 발현, 대사 활동 등 생물학적 반응이 발생했음을 보여줍니다.
표적 참여 바이오마커약물이 의도한 분자 표적과 상호작용했음을 보여줍니다. 수용체 점유, 표적 결합 및 표적 관련 신호 전달 경로의 억제가 일반적인 판독입니다.
예측 바이오마커특정 치료에 반응할 가능성이 더 높은 환자를 식별합니다. PD-L1 발현 및 BRCA1/2 변경은 정의된 치료 설정에서 확립된 예입니다.
예후 바이오마커특정 치료와는 별개로 질병의 예상 경과를 설명합니다.
안전 바이오마커잠재적인 치료 관련 독성이나 생리학적 장애를 표시합니다.
카테고리는 상호 배타적이지 않습니다. 단일 바이오마커는 연구 상황에 따라 다양한 종류의 정보를 전달할 수 있습니다.
바이오마커는 기본적으로 임상적 종말점이나 대리 종말점이 아닙니다. 순환하는 염증 표지자의 감소는 생물학적 활성을 나타냅니다. 환자가 의미 있는 임상적 개선을 경험할 것이라고는 확립되지 않습니다. 바이오마커 변화를 임상 결과에 연결하려면 별도의 증거가 필요합니다.
이러한 구별이 모든 다운스트림을 형성합니다. 변화를 측정하는 것은 간단한 부분입니다. 변화가 치료 효능에 무엇을 의미하는지 해석하는 것은 더 어렵습니다.
2. 전임상 기초: 약물 노출과 생물학적 반응의 연결
전임상 개발 중 바이오마커의 가장 유용한 기여는 약물 노출과 약리학적 활성 사이에 확립된 연결입니다.
기존의 효능 연구는 치료법이 질병 관련 종점을 개선한다는 것을 보여줍니다. 그 자체로는 효과가 적절한 표적 참여, 하류 경로 조절 또는 간접적인 생물학적 반응에서 비롯되었는지 여부를 밝히지 않습니다.
보다 유익한 디자인은 약물 노출, 표적 참여 및 약력학적 반응이라는 세 가지 연결된 관계를 설정합니다. 각각은 다른 질문에 답합니다.
약물 노출: 관련 생물학적 구획에 얼마나 많은 약물이 도달합니까?
약동학 연구는 약물 흡수, 분포, 대사 및 제거를 특성화합니다. 혈장 농도는 중요한 출발점이지만 활동 현장에서의 노출을 대표하며 때로는 좋지 않은 경우도 있습니다.
중추신경계를 표적으로 하는 약물의 경우 혈장 노출만으로는 뇌 조직 내에서 이용 가능한 농도에 대해 거의 알 수 없습니다. 항체 및 기타 대형 생물학적 제제는 혈장 농도 외부에 있는 이유로 소분자와 다르게 분포합니다.
치료 메커니즘에 따라 관련 측정에는 전체 및 비결합 혈장 농도, 조직 농도, 뇌척수액 농도 또는 국소 약물 분포가 포함됩니다.
표적 참여: 약물이 의도한 표적과 상호작용합니까?
표적 참여는 약물 노출과 약리학적 활동을 연결합니다.
수용체 표적화 항체의 경우 수용체 점유(RO)는 약물에 결합된 이용 가능한 수용체의 비율을 추정합니다. 키나제 억제제의 경우 표적 인산화 또는 하류 신호전달 단백질의 변화가 경로 억제의 증거를 제공합니다. 어느 쪽이든 측정은 투여된 용량이 의도한 목표와 충분한 생물학적 상호작용을 생성했는지 여부에 대한 답을 제공합니다.
약력학적 반응: 표적 참여가 예상되는 생물학적 효과를 생성합니까?
바인딩은 응답과 동일하지 않습니다. 약물은 특히 보상 메커니즘이나 중복 신호 전달 경로가 관련된 경우 충분한 하류 경로 조절을 생성하지 않고 표적을 차지할 수 있습니다.
PD 바이오마커는 이러한 증거 계층을 추가합니다.
예를 들어, 키나제 억제제는 의도된 표적의 인산화를 감소시킨 다음 하류 신호 단백질을 이동시키고 최종적으로 질병 관련 종점을 이동시킵니다. 세 가지 수준을 모두 측정하면 직접적인 표적 억제와 더 광범위한 생물학적 효과가 분리됩니다.
노출-반응 관계 정량화
노출 및 약력학적 측정이 가능해지면 모델을 통해 이들 사이의 관계를 특성화할 수 있습니다.
일반적인 선택은 Emax 모델입니다.
E(C)=E0 + (Emax x C) / (EC50 + C)
여기서 E(C)는 농도 C에서 관찰된 약리학적 효과, E0는 기준 효과, Emax는 달성 가능한 최대 효과, EC50은 해당 최대치의 50%와 관련된 농도입니다.
더 복잡한 모델에는 지연된 반응, 간접 반응 메커니즘, 수용체 교체 또는 약물 노출의 시간에 따른 변화가 추가됩니다.
실질적인 보상은 단일 용량이 아닌 노출 범위입니다. 동물 연구에서 관찰된 가장 큰 효과를 나타내는 용량을 복용하는 대신 프로그램은 표적 참여에 필요한 최소 노출과 적절한 PD 반응과 관련된 노출을 식별할 수 있습니다. 이는 이후 임상 연구에서 용량과 노출 목표를 설정하는 데 있어 보다 합리적인 근거입니다.
3. 동물 연구에서 최초 인체 투여 용량 선택까지
초기 임상 용량을 선택하는 것은 전임상 PK/PD 및 바이오마커 데이터의 가장 명확한 용도 중 하나입니다.
비임상 독성 연구는 일반적으로 안전 기준을 제공합니다. 즉, 무관찰 역효과 수준(NOAEL)을 인체 등가 용량(HED)으로 변환한 다음 적절한 안전 계수로 나눕니다.
그러나 매우 강력하거나 생물학적 활성이 강한 화합물의 경우, 독성학적 관찰을 통해서만 얻은 시작 용량에서는 약리학을 놓칠 수 있습니다. 단일클론 항체, 면역 조절제 및 기타 표적 치료제는 상대적으로 낮은 농도에서도 상당한 생물학적 효과를 나타내는 경우가 많습니다.
최소 예상 생물학적 영향 수준(MABEL)이 이 경우를 다룹니다. MABEL은 이용 가능한 약리학적 및 비임상적 증거를 바탕으로 인간에게 최소한의 생물학적 영향을 미칠 것으로 예상되는 용량 또는 노출을 추정하며 일반적으로 다음을 통합합니다.
- 표적 발현 및 결합 특성.
- 시험관내 농도-반응 데이터.
- 수용체 점유 및 표적 참여.
- 관련 생물학적 시스템의 기능적 활동.
- 실험 모델 전반에 걸친 PK 및 PD 관계.
- 약리학 및 표적 생물학의 종 차이.
MABEL은 모든 개발 프로그램에서 NOAEL 기반 평가를 대체하지 않습니다. 여기에는 약리학 기반 고려 사항이 추가되며, 과도한 표적 활성화 또는 억제가 심각한 결과를 초래하는 경우가 가장 중요합니다.
TGN1412 임상 시험은 왜 독성학적 발견만으로는 면역 활성화 생물학적 제제에 불충분할 수 있는지에 대한 참고 사례로 남아 있습니다. 건강한 지원자들은 이전의 비임상 시험에도 불구하고 심각한 사이토카인 방출 반응을 보였습니다. 이 에피소드에서는 종별 약리학, 인간 관련 생물학적 활성, 용량과 면역 활성화 사이의 관계가 밝혀졌으나 비임상 패키지 중 어느 것도 해결되지 않았습니다.
중개 프로그램의 경우 전임상 연구가 독성 관찰 및 효능 결과 이상의 결과를 생성해야 한다는 교훈이 있습니다. 또한 인간의 반응을 예측할 수 있을 만큼 메커니즘을 잘 설명해야 합니다.
4. 초기 임상 개발: 메커니즘이 인간에게 작동하는지 확인
전임상 바이오마커 발견은 가설을 생성합니다. 임상 연구에서는 인간에게도 효과가 있는지 여부를 테스트합니다.
1단계 및 초기 2단계 개발 동안 바이오마커는 표적 참여 확인, 생물학적 활성 노출 범위 찾기, 용량과 약리학적 반응 간의 관계 설명 등 세 가지 작업에 가장 유용합니다.
수용체 점유가 한 예입니다.
세포 표면 수용체를 표적으로 하는 약물의 경우 유세포 분석기 또는 다른 검증된 분석 방법을 사용하여 관련 순환 세포 집단에서 약물 결합 및 수용체 가용성을 정량화합니다. 연속 샘플링은 선량에 따라 점유율이 증가하는지, 포화도에 접근하는지 여부를 보여줍니다.
말초 혈액에는 한계가 있습니다. 순환하는 면역 세포의 점유는 고형 조직이나 기타 질병 관련 구획에서 동등한 표적 참여를 설정하지 않습니다. 문제가 구획에 관한 것인 경우 조직 생검, 뇌척수액 측정, 영상 바이오마커 또는 기타 구획별 평가를 통해 누락된 증거가 제공됩니다.
하류 경로 측정은 동일한 가중치를 갖습니다. BTK 억제제는 BTK 관련 신호의 변화를 통해 판독됩니다. ERK 인산화 조절을 통한 MEK 억제제.
다운스트림 PD와 타겟 참여를 결합하면 두 가지 질문에 대한 답변이 제공됩니다.
- 약물이 의도한 목표에 도달하여 상호작용했습니까?
- 그 상호작용이 예상했던 생물학적 반응을 만들어냈나요?
임상 용량-반응 데이터를 해석할 때 페어링이 중요합니다. 거의 최대 수용체 점유율을 달성하는 용량은 가장 큰 임상적 이점을 제공할 필요가 없으며, 추가 증량은 약리학적 활성을 거의 추가하지 않으면서 치료 관련 위험을 추가할 수 있습니다.
따라서 바이오마커에 따른 용량 선택은 생물학적 활성 및 임상적으로 적절한 용량 범위를 식별하며, 이는 최대 허용 용량(MTD)과 다른 목표입니다.
5. 환자 선택 및 임상 유효성 평가에서의 바이오마커
개발이 진행됨에 따라 바이오마커의 역할은 약리학적 활성을 확인하는 것에서 가장 혜택을 받을 가능성이 가장 높은 환자를 식별하는 것으로 이동합니다. 이러한 변화는 표적 치료법, 면역 치료법 및 분자적으로 정의된 질병 하위군에 대한 치료법에 가장 중요합니다.
Pembrolizumab 프로그램은 잘 문서화된 사례입니다.
사례 연구: 예측 바이오마커로서의 Pembrolizumab 및 PD-L1
Pembrolizumab은 프로그램화된 세포 사멸 단백질 1(PD-1)을 표적으로 하는 단일클론 항체입니다. PD-1과 그 리간드 중 PD-L1 사이의 상호작용을 차단하면 T 세포 매개 항종양 활성 측면이 회복됩니다.
초기 임상 개발에는 한 번에 대답해야 할 두 가지 질문이 있었습니다. 어떤 용량이 지속적인 약리학적 활성을 달성할 수 있는지, 어떤 환자가 반응할 가능성이 더 높은지였습니다.
수용체 점유 연구는 약리학적 절반을 제공했습니다. 임상 조사에서는 지속적인 표적 참여와 함께 평가 용량 범위에 걸쳐 순환 T 세포에 상당한 PD-1 점유가 있음이 입증되었으며, 이러한 발견은 용량, 노출 및 점유가 어떻게 관련되는지에 대한 그림을 구축했습니다.
복용량 선택은 점유 이상에 달려 있습니다. 임상 PK, 약력학적 발견, 효능 및 안전성 데이터를 함께 평가했습니다. 초기 임상 프로그램에서는 다중 투여 요법을 평가했으며, 3주마다 2mg/kg이 초기 개발 프로그램에서 중요한 용량이 되었습니다.
환자 선택은 두 번째 질문이었습니다.
PD-L1 발현이 잠재적인 예측 바이오마커로 조사되었습니다. 면역조직화학은 종양 샘플에서 PD-L1를 정량화했으며 그 결과를 치료 반응에 대해 테스트했습니다.
후속 임상 연구에서는 특정 pembrolizumab 적응증에 대한 환자 선택에서 PD-L1 발현의 중요성이 확립되었습니다. KEYNOTE-024는 바이오마커가 강화된 1차 치료 환경에서 PD-L1 종양 비율 점수(TPS)가 최소 50%이고 감작성 EGFR 또는 ALK 변경이 없는 이전에 치료되지 않은 진행성 비소세포폐암(NSCLC)을 평가했습니다. Pembrolizumab은 선택된 모집단에서 백금 기반 화학요법에 비해 향상된 임상 결과를 나타냈습니다.
PD-L1 IHC 22C3 pharmDx 분석은 관련 적응증에 대한 동반 진단으로 개발되었습니다.
두 개의 보완적인 응용 프로그램이 하나의 프로그램 안에 있습니다. 수용체 점유는 약물-표적 상호작용 및 임상 약리학에 대한 이해를 뒷받침했습니다. 종양 PD-L1 발현은 환자 집단이 혜택을 받을 가능성이 더 높다는 것을 확인했습니다. 표적 참여 지표와 예측 지표는 둘 다 동일한 개발 프로그램에 속하더라도 서로 다른 질문에 답하므로 각각이 의도한 임상 목적에 대해 평가됩니다.
6. 중개 바이오마커를 종 전체에 걸쳐 평가해야 하는 이유
동물 모델에서 작동하는 바이오마커는 자동으로 임상 번역에 적합하지 않습니다. 분자 구조, 표적 발현, 면역 조절, 대사 및 조직 분포의 차이는 측정 자체와 생물학적 해석 모두에 영향을 미칩니다.
따라서 종간 비교 가능성은 전임상 연구 설계에 속합니다. 네 가지 측면이 대부분의 위험을 안고 있습니다.
분석적 비교.분석은 관련 종에 대해 충분히 구체적이고 민감해야 합니다. 항체, 프라이머, 검출 시약 및 기타 분석 구성 요소는 인간과 동물 샘플에서 서로 다른 성능 특성을 나타낼 수 있습니다.
생물학적 관련성.동물의 측정 가능한 변화가 항상 인간의 생물학적 과정을 나타내는 것은 아닙니다. 문제는 바이오마커가 보존된 메커니즘을 반영하는지, 아니면 종 특이적 반응을 반영하는지 여부입니다.
조직 관련성.말초 혈액에서 측정된 바이오마커는 CNS, 종양학 및 조직 특이적 염증 연구에서 중요한 표적 기관의 생물학적 활성을 잘못 설명하는 경우가 많습니다.
시간적 관련성.바이오마커 변화와 임상적 또는 기능적 반응은 시간이 지나면 상쇄될 수 있으므로 샘플링 일정에 따라 노출-반응 관계가 가시화되는지 여부가 결정됩니다.
비인간 영장류(NHP) 모델은 약리학적 메커니즘이 보존된 분자 표적, 복잡한 면역 상호 작용 또는 기존 동물 모델이 제대로 표현하지 못하는 생리학적 과정에 의존하는 경우 유용합니다. 생물학적 제제 및 기타 종에 민감한 치료제의 경우 NHP 연구는 생리학적으로 관련된 환경에서 표적 참여, 전신 노출, 면역학적 반응 및 약력학적 효과를 특성화합니다.
NHP 연구는 종간 차이를 제거하지 않습니다. 그 값은 선택된 모델의 관련성, 후보 분자의 약리학적 교차 반응성, 측정되는 바이오마커의 적합성에 따라 달라집니다.
따라서 중개 바이오마커 전략은 측정하기 편리한 종료점보다는 작용 메커니즘과 의도된 임상 적용을 중심으로 구축됩니다.
7. 바이오마커를 정량적 개발 전략에 통합
바이오마커는 고립된 측정값으로 도착하기보다는 통합 개발 전략 내에 있을 때 가장 큰 효과를 발휘합니다.
전임상 개발 중에 PK 측정은 전신 노출을 설정하고 해당되는 경우 조직 노출을 설정합니다. 표적 참여 분석은 후보가 의도한 분자 표적과 상호 작용하는지 여부를 결정합니다. PD 바이오마커는 하류의 생물학적 반응을 특성화하고, 질병 관련 종점은 기능적 또는 병리학적 개선의 증거를 제공합니다.
그런 다음 PK/PD 모델링 및 노출-반응 분석을 통해 해당 데이터를 용량 선택, 용량 간격 및 초기 임상 연구 설계에 대한 결정에 통합합니다.
임상 개발 중에 인간 PK, 수용체 점유, 경로 활동, 영상 소견 및 임상 결과를 통해 동일한 프레임워크가 개선됩니다.
정보는 한 방향으로 흐르지 않습니다. 임상 관찰은 바이오마커의 예측 가치가 제한적이거나, 표적이 관련 조직에 충분히 관여하지 않거나, 보상 경로가 치료 반응에 영향을 미친다는 것을 보여줄 수 있습니다. 이러한 발견은 전임상 데이터의 해석과 후속 연구 설계에 반영됩니다.
실행 가능한 바이오마커 전략은 세 가지 요구 사항에 달려 있습니다.
- 생물학적 타당성:바이오마커가 의도한 생물학적 메커니즘을 반영합니까?
- 분석적 타당성:정확하고 재현 가능하게 측정할 수 있습니까?
- 임상적 관련성:측정된 변화가 약물 개발이나 환자 결과에 대한 의미 있는 정보를 제공합니까?
이들 중 하나 또는 두 가지를 충족하는 바이오마커는 여전히 탐색적 연구에 사용됩니다. 임상 결정을 지원하는 능력은 여전히 제한적입니다.
따라서 바이오마커 선택, 분석법 개발, 샘플링 전략 및 종간 평가는 효능 결과가 제공되기 전의 초기 연구 설계에 속합니다.
전임상 중개 연구에 대한 시사점
전임상 약리학에서 임상 개발로 전환하려면 후보 약물이 동물 모델에서 효과를 생성한다는 증거 이상의 것이 필요합니다. 약물 노출, 표적 참여, 다운스트림 생물학적 활동 및 질병 관련 결과가 어떻게 연결되는지에 대한 관점이 필요합니다.
통합된 PK/PD 연구와 바이오마커 평가가 이러한 관점을 구축하는 방법입니다.
비인간 영장류 연구에서 이러한 평가는 종단적 생리학적 측정과 결합됩니다.임상 영상, 단일 실험 프레임워크 내에서 조직 샘플링 및 기능적 종점을 확인할 수 있습니다. 예를 들어 NHP CNS 연구는 혈장 및 뇌척수액 약물 농도, 영상 기반 평가, 조직별 표적 참여, 신경학적 또는 행동적 종점을 통합할 수 있습니다. 그 결과 단일 터미널 측정 대신 여러 계층의 증거가 생성됩니다.
프리시스바이오텍에서는NHP 약리학연구에는 연구 프로그램의 목적에 따라 PK/PD 평가, 질병 관련 바이오마커 평가, 임상 영상화 및 기능적 종말점 분석이 포함됩니다. 구체적인 연구 설계 및 분석 전략은 후보 약물, 작용 메커니즘 및 의도된 임상 적용에 따라 결정됩니다.
바이오마커를 양이 아닌 의사결정 입력으로 취급하는 것이 실질적인 차이입니다. 생물학적 활동이 실험 모델과 임상 연구 전반에 걸쳐 일관되게 정량화되고 해석될 수 있는 경우, 개발 결정은 증거에 달려 있으며, 전임상 효능과 인간 반응 사이의 거리는 프로그램이 직접 조사할 수 있는 것이 됩니다.
