吳家睿：創(chuàng)新藥物研發(fā)三要素
丹麥藝術博物館展品，吳家睿攝于2018年8月
導讀：創(chuàng)新藥物研發(fā)有三個要素：試驗藥物、受試者和試驗流程。前兩者是藥物研發(fā)的“硬件”，后者是藥物研發(fā)的“軟件”；只有“軟硬兼施”，才能應對當前創(chuàng)新藥物研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)。
撰文 | 吳家睿 （中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所 研究員）
● ● ●
現(xiàn)代文明社會的一個主要特征是，研究者有能力不斷發(fā)展出新的治療方法來抗擊各種危害人類健康的疾病。然而，隨著腫瘤、糖尿病和神經退行性疾病等復雜性疾病的流行，針對這些疾病的新藥研發(fā)的難度也在明顯增大，主要表現(xiàn)為研發(fā)周期越來越長，研發(fā)費用也越來越高。有分析指出，從1950年代起，美國的新藥研發(fā)效率呈下降趨勢，每10億美金用于藥物研發(fā)而獲批的新藥數(shù)量大約每9年減少一半[1]。根據“歐洲制藥工業(yè)協(xié)會聯(lián)盟”2014年的統(tǒng)計，一個創(chuàng)新藥物的研發(fā)周期大約是10到15年，其研發(fā)費用大約為12億美金。這個情況還在惡化；德勤會計師事務所（Deloitte &Touche)在2017年發(fā)布的一份研究報告指出，目前研發(fā)出一個新藥的平均成本已經增長至15.4億美元。正如美國食品藥品管理局（Food and Drug Administration, FDA）新任局長戈特利布（S. Gottlieb）博士2017年9月在美國食品藥品監(jiān)管法規(guī)學會年會的報告中所說：“當前藥物研發(fā)費用大幅增加，我們正處在不可持續(xù)的道路上”。
顯然，如何提高藥物研發(fā)的效率和降低研發(fā)成本已經成為創(chuàng)新藥物研發(fā)領域的主要挑戰(zhàn)。雖然創(chuàng)新藥物研發(fā)涉及到基礎研究、應用研究、臨床研究、以及研發(fā)模式和管理流程等諸多方面，但是也可以把這個非常復雜的研究活動概括為三個要素：試驗藥物，受試者，以及試驗設計與流程。前兩個要素屬于藥物研發(fā)的“硬件”，后一個要素則是藥物研發(fā)的“軟件”。本文將圍繞著這三個要素來分析創(chuàng)新藥物研發(fā)的特點和發(fā)展趨勢。
創(chuàng)新藥物研發(fā)的“硬通貨”：新分子實體和生物制劑
創(chuàng)新藥物通?？煞譃閮纱箢悾夯谌伦饔冒悬c的“一類新藥”（first-in-class drugs）和基于已知靶點的“二類新藥”（second-in-class drugs）。這些新藥又可以根據其組分構成分為小分子化合物構成的“新分子實體”(new molecular entity，NME)和單克隆抗體或重組蛋白因子等生物制劑。例如，美國FDA在2007到2016年間總計批準318種創(chuàng)新藥物，其中包括了199種新分子實體和119種生物制劑。
創(chuàng)新藥物研發(fā)可以簡單劃分為“臨床前研究”和“臨床研究”兩個階段。對于新分子實體構成的創(chuàng)新藥物來說，在臨床前研究階段的首要任務是發(fā)現(xiàn)“先導化合物”（lead compound），然后對這種先導化合物的藥理、藥代和毒理等進行系統(tǒng)地研究。如果先導化合物的研究結果滿足進入臨床研究的標準，就可以在獲得藥物監(jiān)管部門批準后進入臨床研究階段。
基礎研究在臨床前研究階段扮演了重要的角色。美國研究人員分析了2010到2016年間FDA批準的210種新分子實體與這個期間的美國衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health, NIH）研究項目之關系，發(fā)現(xiàn)這210個新藥涉及到上千億美金的NIH項目經費，其中90%以上的項目經費是用于與151個藥物靶標相關的生物學特性以及藥物作用機理等研究，而只有不到10%的與新分子實體的化學合成或優(yōu)化相關[2]。
根據“歐洲制藥工業(yè)協(xié)會聯(lián)盟”2014年的統(tǒng)計，在早期藥物發(fā)現(xiàn)階段中，每篩選5千到1萬個化合物，大約有250個能夠進入臨床前研究；在這些臨床前研究的化合物中平均僅有5個能夠成功進入臨床研究。這種成功率的低下導致了臨床前研究的時間和成本明顯增加。一般來說，獲得一類新藥的成本要比獲得二類新藥更高。有統(tǒng)計指出，在2010到2016年間被FDA批準的84個一類新藥涉及到的NIH項目經費就高達640億美金，而同期被批準的126種二類新藥涉及到的NIH項目經費則不過是400億左右[2]。
在藥物研發(fā)的臨床前研究階段，人們容易認為藥物的作用對象——靶點是最重要的。但是，通過對1999年到2008年的藥物研發(fā)情況詳細分析發(fā)現(xiàn)，在一類新藥研發(fā)領域，通過表型篩選和生物學研究而獲得的新分子實體數(shù)量要遠大于通過靶點篩選而得到的；通過前者獲得的新分子實體數(shù)量是53個，而通過后者只獲得了17個；只是在二類新藥研發(fā)領域，才主要是通過靶點篩選得到新分子實體[3]。換句話說，單純從具體的潛在藥靶的方向開展研究往往不足以發(fā)現(xiàn)一類新藥，必須要從更廣泛和更深刻的生物學視野中去尋找潛在的創(chuàng)新藥物，例如新概念“免疫檢查點”的提出和相應的分子機制的揭示帶來了全新的腫瘤免疫治療藥物。
重組單抗等生物制劑的研發(fā)與新分子實體的研發(fā)有很大的差別，前者從研究一開始通常就對作用靶點比較清楚；但由于種種原因，過去對生物制劑的研發(fā)力度遠低于新分子實體研發(fā)。2012年7月，美國政府頒布了“FDA安全和創(chuàng)新法案”（FDASIA），并在隨后4年內共批準23種重組單抗，其數(shù)量超過1993年之前20年的批準總數(shù)。隨著近年來腫瘤免疫治療的快速進展，重組單抗和腫瘤疫苗等生物制劑的研發(fā)呈現(xiàn)了爆發(fā)式的增長。
盡管基礎研究公認是創(chuàng)新藥物臨床前研究的主要驅動力，但是近年來美國的臨床研究已經跟不上基礎研究的迅速發(fā)展，二者間出現(xiàn)了明顯的“鴻溝”。 美國NIH為了推動基礎研究成果及時向臨床應用轉化，提出了“轉化醫(yī)學”的概念，并發(fā)起了一系列相關的研究計劃，其中最著名的就是“從實驗臺到病床”（from bench to bedside）計劃。需要指出的是，由于創(chuàng)新藥物的研發(fā)活動涉及到很多因素，因此并非簡單地加強基礎研究工作就能夠推進創(chuàng)新藥物的研究進度。研究者在分析導致美國新藥研發(fā)效率衰退的因素時，特別提出要防止一種稱為“基礎研究的蠻力”（basic research–brute force）的偏見，即“過于夸大基礎研究尤其是分子生物學在研發(fā)早期的作用，以及在臨床前研究階段過分地強調篩選方法”[1]。
創(chuàng)新藥物研發(fā)的“指路燈”：生物標志物
如何選擇受試者并評估其對藥物的響應是創(chuàng)新藥物研發(fā)的一個主要挑戰(zhàn)，而生物標志物（biomarker）正是應對這個挑戰(zhàn)的一個有效手段。一個廣為人知的例子是，阿斯利康公司研發(fā)的表皮生長因子受體酪氨酸激酶抑制劑“吉非替尼”，在幾乎失敗的情況下依靠受試者的生物標志物“起死回生”，即發(fā)現(xiàn)了該藥主要是對攜帶EGFR基因第19號外顯子突變的肺癌患者具有明顯療效。在臨床試驗過程中，生物標志物不僅能夠幫助確定對藥物有高響應的受試患者，而且也可用于排除對藥物副作用敏感的患者。這二者正是藥物研發(fā)試驗需要解決的主要問題。通過分析2013年到2015年有關II期和III期臨床試驗失敗情況,研究者發(fā)現(xiàn)，療效不佳和安全性問題占了所有II期臨床試驗失敗的73%，同樣也是III期臨床研究失敗的最主要原因[4]。在該作者關于提高臨床試驗成功率的改進措施中，第一條就是要采用更有效的生物標志物 [4]。
隨著精確醫(yī)學的到來，個性化治療成為主要任務，從而使得生物標志物在創(chuàng)新藥物研發(fā)過程中的重要性愈發(fā)突出。2011年提出“精確醫(yī)學”觀念的倡導者認為，“精確醫(yī)學的終點是，選擇出一類具有相同的疾病和相同的生物學基礎的病人，從而使他們最有可能從一個藥物或某種治療中受益”。顯然，區(qū)分和選擇藥物敏感病人的基本條件就是要鑒定出相應的生物標志物。歐盟2014年啟動的“創(chuàng)新藥物先導項目2”（Innovative Medicines Initiative 2，IMI2）的主要目標是，“在正確的時間對正確的患者給予正確的治療”，而實行IMI2目標的關鍵之一就是要發(fā)現(xiàn)和驗證可用于臨床試驗的生物標志物。
隨著人類基因組計劃的完成和測序能力的飛速發(fā)展，對基因變異的檢測已經成為生物標志物領域的主要任務。美國NIH在2006年牽頭啟動了國際癌癥基因組項目“癌癥基因組圖集”（The Cancer Genome Atlas，TCGA），涉及到數(shù)萬名患者的50種不同類型的腫瘤樣本分析，目前已經鑒定出了近千萬種基因突變。在Nature雜志2018年10月發(fā)表的一篇研究論文中，研究者通過562名急性髓系白血病（acute myeloid leukaemia, AML）患者的全外顯子組測序，進而構建了各種AML藥物響應與不同基因突變之間的精細關系圖譜。
個體的遺傳差異不僅源于基因突變，而且還來自基因組序列的多態(tài)性，其主要代表是“單核苷酸多態(tài)性”（single nucleotide polymorphism, SNP）。有實驗證明，轉錄因子PPARγ的結合序列上的一個SNP就能夠決定其結合的強弱，從而導致抗糖尿病藥物對攜帶不同SNP的個體產生不同的藥物響應[5]。顯然，SNP就是一類重要的生物標志物。人體的基因組含有數(shù)百萬的SNP，研究者為此發(fā)展出了一種稱為“全基因組關聯(lián)分析”（genome-wide association studies，GWAS）技術，用于從基因組水平上發(fā)現(xiàn)人群中那些與復雜的生理或病理性狀高度相關的SNP。GWAS技術發(fā)展至今已有十多年了，研究者利用該技術發(fā)現(xiàn)大量與復雜性疾病有關的SNP，如針對2型糖尿病就發(fā)現(xiàn)了100多個高度相關的SNP。
對于生物個體而言，基因組序列是非常重要的生物標志物，但RNA、蛋白質和代謝小分子等同樣也是重要的生物標志物。TCGA項目的研究者不久前在Cell雜志發(fā)表了對1萬個腫瘤樣本的分子分型結果；在這項研究中，他們通過整合染色體非整倍性、DNA甲基表達譜、基因表達譜、microRNA表達譜和蛋白質表達譜等數(shù)據，將傳統(tǒng)的基于解剖位置和病理性狀分類的33種腫瘤重新分為28種類型[6]。
在目前藥物研發(fā)領域的一系列改革中，生物標志物也將發(fā)揮出更重要的作用。在不同于傳統(tǒng)的I/II/III期三階段臨床試驗的連續(xù)性無縫臨床試驗中，研究者從試驗開始的關注點就不再局限于藥物代謝和安全性，而是包括了藥物的療效。因此，找到符合標準的特定患者成為這種無縫臨床試驗方案的限速步驟。顯然，在這種臨床試驗一開始，就可以通過檢測特定的生物標志物來預測臨床試驗結果，并在后續(xù)試驗中只選擇具有相應的生物標志物的患者。
在另外一種稱為“主方案”（master protocols）臨床改革試驗中，試圖用單一試驗方案來解決多個臨床問題[7]。這種主方案也是把生物標志物作為其重要的試驗手段。例如在一個稱為“I-SPY 2”的試驗中，研究者根據3個遺傳標志物確定了乳腺癌患者的8個亞型，然后比較了12種治療方法對這8個亞型患者的不同效果。在一類新藥——TRK抑制劑Larotrectinib的臨床試驗中，入選的患者涉及到13種不同的實體瘤類型，但都有一個共同的分子標志物——TRK基因的融合。也就是說，在某些情況下，生物標志物本身同時也就是藥物靶標。
臨床終點（clinical endpoint）是評估藥效的臨床指標。由于很多臨床終點往往在現(xiàn)實中可操作性不強，如評價抗腫瘤藥物的總生存期（overall survival, OS）很難獲得或者需要很長時間，因此研究者利用腫瘤影像變化等作為代替臨床終點的評價指標，稱為替代終點（surrogate endpoint）。顯然，替代終點的采用有助于提高新藥研發(fā)效率和降低成本。為此，在2012年頒布的“FDA安全和創(chuàng)新法案”中明確規(guī)定，在新藥“加速審批通道”(Accelerated Approval)可以采用替代終點。替代終點本質上就是與臨床終點緊密有關并可預測臨床效果有效性的生物標志物。不久前，F(xiàn)DA和NIH聯(lián)合成立了一個生物標志物工作小組，并在2016年初發(fā)布了“生物標志物、終點和其他工具”（Biomarkers, EndpointS, and other Tools，BEST）的術語表，進一步明確了生物標志物與替代終點之間的關系。
創(chuàng)新藥物研發(fā)的“軟實力”：臨床試驗的設計與流程
創(chuàng)新藥物研發(fā)過程中的經典臨床研究由三個階段組成：I期臨床試驗，通常是通過對正常人群樣本進行試驗藥物的人體安全性評價及藥代動力學試驗；試驗藥物在I期臨床試驗通過后進入II期臨床試驗，目的是初步評價試驗藥物對目標適應癥患者的治療作用和安全性，并為制定III期臨床試驗方案提供依據。III期臨床試驗將采用更大的目標適應癥患者樣本群體，進一步確證試驗藥物的治療作用和安全性，從而為藥物注冊申請的審查提供充分的依據。
這種三階段型臨床試驗是創(chuàng)新藥物研發(fā)過程中成本最高的階段，通常需要數(shù)百名患者的參與，試驗的時間長達6到7年。顯然，迫切需要對臨床試驗的設計和流程進行改革。不久前，美國FDA提出了一種不同于經典的三階段臨床試驗的“無縫臨床試驗”（seamless clinical trials），主要有兩個特點：首先，該臨床試驗從一開始就不像I期臨床試驗那樣把試驗目的局限于藥物在人體的代謝和安全性問題，而是包括了藥物劑量-藥效關系等；因此在試驗的開始不僅有健康受試者，而且要招募一定數(shù)量的患者參與，如同把I期和IIa期臨床試驗整合起來。此外，它將IIb期研究與III期試驗相結合，同時開始注冊，根據IIb期試驗的進展情況實時確定最佳治療劑量和選擇最佳響應組，并及時進行后續(xù)的III期臨床試驗；因此，IIb階段研究有時甚至不需要完全進行到底。
無縫臨床試驗可以視為一種連續(xù)的臨床試驗。它與經典的臨床試驗相比，從總體上減少了參加臨床研究的患者人數(shù)。此外，這種無縫試驗可以比經典的臨床試驗更早發(fā)現(xiàn)試驗藥物的失敗端倪，在試驗的早期或中期階段就能夠及時中止，從而能夠減少在臨床試驗最終階段發(fā)生失敗的概率。我們知道，III期研究通常是整個臨床試驗中時間最長和成本最高的部分。因此，無縫臨床試驗能夠加快藥物研發(fā)的進度，明顯降低研發(fā)成本。
在無縫臨床試驗的基礎上，美國FDA于2018年又提出了一個新的“并行式”臨床試驗方案——“人群優(yōu)先的多種擴大隊列試驗”（first-in-human multiple expansion cohort trials），即在藥物起始劑量遞增的“爬坡試驗”患者隊列之外，還需要構建3個或以上的額外患者隊列，以便能夠同時并行地開展各項相關的臨床研究[8]。FDA認為，只要通過了一定的安全性評估，哪怕尚未完成藥物代謝方面的研究，都可以啟動這些隊列研究，從而加快整個藥物臨床試驗的進程。這些增加的隊列應有不同的具體研究目標，如藥效的評估、生物標志物的發(fā)現(xiàn)等[8]。
經典的臨床試驗通常是“一對一”的關系，即一種試驗藥物針對一種病。但是，對于腫瘤等復雜性疾病而言，往往是一種病有多種藥物，或者是一種藥物針對多種病，如同中國傳統(tǒng)醫(yī)學所說的“同病異治”和“異病同治”。為此，美國FDA提出了一種稱為“主方案”（master protocols）的新型臨床試驗，試圖通過單一試驗方案來解決多個臨床問題[7]?！爸鞣桨浮痹囼灠巳N類型：籃型試驗（basket trial）、傘型試驗（umbrella trial）和平臺試驗（platform trial）[7]。按照FDA專家的定義,籃型試驗是指在多種疾病或疾病亞型的背景下研究單一靶向治療；傘型試驗是針對單一疾病研究多種靶向治療；平臺試驗則是在單一疾病背景下以連續(xù)和動態(tài)的方式研究多種靶向治療，關鍵是要通過評估來確定這些藥物何時進入或退出試驗平臺[7]。
主方案不僅提供了“一對多”的新型臨床試驗策略，而且通過在同一主方案試驗中不同臨床試驗的患者之間的數(shù)據共享和分析，就能夠獲得過去需要多個不同的經典臨床研究才能得到的臨床試驗結果，從而達到了減少參加臨床試驗人數(shù)的效果。例如，美國臨床腫瘤學會在2017年的年會上公布了一項“籃型試驗”結果，涉及攜帶原肌球蛋白受體激酶（tropomyosin receptor kinase，TRK）基因融合突變的小分子抑制劑Larotrectinib；該項試驗總共納入55例患者，涉及到13種不同的實體瘤類型，平均每種實體瘤的參試患者為4人。此外，一次經典的臨床試驗通常需要設立一個研究中心和一套管理機構；而一個主方案試驗可以通過一個試驗網絡和一個管理機構對其下屬的各項試驗進行統(tǒng)一決策和集中管理，從而更為高效地使用資源和降低研發(fā)成本。
美國國會在2016年12月7日通過了引領未來美國醫(yī)療健康的《21世紀治療法案》（21st Century Cures Act）。該法案的一個主要目標是，加快藥品和醫(yī)療器械的審批。為了實現(xiàn)“提速”目標，該法案專門制定了第3022條款，即在FDA的基本法規(guī)《聯(lián)邦食物、藥品和化妝品法案》的第5章中增加一條修正條款：利用真實世界證據（real world evidence, RWE），即“從隨機對照試驗以外的其它來源獲取的關于用藥方式、藥物潛在獲益或者安全性方面的數(shù)據”[9]。首先，真實世界證據可以用來支持已獲批的藥物進行擴大其適應癥的批準；其次，這類證據可以用來支持或滿足已獲批的臨床試驗的相關需求[9]。這條新規(guī)表明，F(xiàn)DA首次明確認可真實世界證據在藥物評審中的作用，把其視為臨床試驗證據之外的補充證據。
真實世界證據源于豐富多樣的現(xiàn)實臨床實踐，沒有刻意地挑選受試者和進行過多的人為干預。因此，這種類型的數(shù)據能夠反映具有廣泛異質性患者群體的真實治療情況，有助于發(fā)現(xiàn)對藥物響應好和安全性高的患者，從而能夠用于指導個體化治療。FDA官員認為，真實世界證據在一定條件下可以用于推進創(chuàng)新藥物研發(fā)的進程，“在這種情況下，真實世界證據將成為加快利用那些用來確認藥效和價值的數(shù)據的關鍵因子；因為這類藥品要在藥效還存在很大不確定性的情況下獲得必要的批準”[10]。
結語
創(chuàng)新藥物研發(fā)領域的核心要素是“藥物”和“病人”，但試驗設計與管理模式等“軟件”也同樣重要。我們不僅要充分利用科學技術進步帶來的新技術和新方法，而且要改進臨床試驗的設計方法和管理模式。只有這樣“軟硬兼施”，才能應對當前創(chuàng)新藥物研發(fā)的低效率和高成本挑戰(zhàn)，才能滿足未來個體化和精確化治療的需求。
參考文獻
[1] Scannell J W, Blanckley A, Boldon H, Warrington B. Diagnosing the decline in pharmaceutical R&D efficiency. Nat Rev Drug Discov 2012, 11:191-200.
[2] Cleary E G, Beierlein J M, Khanuja N S, et al. Contribution of NIH funding to new drug approvals 2010–2016.Proc Natl Acad Sci USA 2018, 115:2329-2334.
[3] Swinney D C, Anthony J. How were new medicines discovered? Nat Rev Drug Discov 2011, 10:507-519.
[4] Harrison R K. Phase II and phase III failures: 2013–2015. Nat Rev Drug Discov 2016, 15:817-818.
[5] Soccio R E, Chen E R, Rajapurkar S R, et al. Genetic variation determines PPARγ function and anti-diabetic drug response in vivo. Cell,2015, 162:33–44.
[6] Hoadley K A, Yau C, Hinoue T, et al. Cell-of-origin patterns dominate the molecular classification of 10,000 tumors from 33 types of cancer. Cell, 2018, 173:291-304.
[7] Woodcock J, LaVange, L M. Master protocols to study multiple therapies, multiple diseases, or both. N Engl J Med, 2017, 377:62-70.
[8] Food and Drug Administration Expansion Cohorts: Use in First-In-Human Clinical Trials to Expedite Development of Oncology Drugs and Biologics Guidance for Industry, Retrieved August 14, 2018, from https://www.fda.gov/downloads/Drugs/Guidance Compliance Regulatory Information/Guidances/UCM616325.pdf.
[9] U.S. House Energy and Commerce Committee. Text of House amendment to the senate amendment to H.R. 34, Education and research act of 2015. (2016-12-25).http://www.congress.gov/114/bills/hr34/BILLS-114hr34enr.pdf
[10] Sherman, R E, Anderson S A, Dal Pan, G J, et al. Real-world evidence — what is it and what can it tell us? N Engl J Med, 2016, 375:2293-2297.
注：本文轉載自吾家睿見，文章原載于《科學》2019年第1期，略有修改。
