第四节　药物基因组学在药物临床试验中的应用

药物基因组学（pharmacogenomics，PGx）是以药物的安全性与有效性为目标，研究基因变异所引起的个体与药物之间的相互作用的个体差异，以提高药物研发效率和临床用药精准性的学科。公元前6 世纪，毕达哥拉斯发现蚕豆中毒的个体间变异性；19 世纪50年代，Motulsky 和Vogel 提出遗传药理学的概念，主要阐释了不同亚型的药物代谢酶与药物反应的关系；21 世纪初，人类基因组计划的完成为药物遗传生物标志物的发现开辟了新的机遇；2005年，国际遗传药理学研究网络（PGRN）和遗传药理学与药物基因组学知识库（PharmGKB）成立；2007年，FDA 批准第一种遗传分子检测，该检测根据CYP2C9 和VKORC1 基因多态性预测抗凝血药华法林的敏感性；2010年，欧洲药品管理局（EMA）颁布制药行业规范，指示应将遗传药理学和PGx 方法应用于新药研发；2011年，美国FDA再次颁布针对新药研发的临床药物基因组学行业指南（Guidance for Industry：Clinical Phar-macogenomics），提出应在新药上市前各阶段开展临床药物基因组学研究，PGx 将作为一种革命性的手段增进新药的安全性和有效性，于2013年1月成为正式指南对外公布；2014年，奥巴马总统发起“精准医疗”计划；2015年，FDA 正式发布“精准FDA”（precision FDA）平台；随着药物基因组学理论的成熟，规范的生物样本库与电子病历系统、生物信息学、高通量测序技术、基于质谱的组学和药物分析试验平台等技术的突破，将极大促进PGx 在新药研发与临床个体化治疗中的应用。药物基因组学在新药研发领域将得到越来越广泛的应用。

一、生物标志物与新药研发

新药研发是一个高投入、高风险、长周期的过程，临床和临床前数据（包括药物代谢和转运特征、靶点和信号通路的生物效应、影响药效的遗传变异位点等）可以预测该药物在个体间药物效应的差异，并且针对有效靶点对患者进行分层，提高后续临床试验设计的效率。PGx 可应用于肿瘤靶向治疗药物的研发，如酪氨酸激酶抑制剂（TKI）伊马替尼（imatinib）的问世从根本上改变了慢性粒细胞白血病（CML）和转移性胃肠道间质瘤（GIST）的治疗方法，被Science 誉为里程碑式研究，与人类基因工程并称为2001年世界科技十大突破之一，其主要靶点为编码酪氨酸激酶的bcr-abl 与c-kit，临床研究发现在GIST 患者中的c-kit 基因突变率约90%。基于PGx 的临床前研究预测药物靶点基因变异对药物安全性与有效性的影响，并针对此靶点研发特定的鉴定方法，为后续的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ期临床试验设计与分型提供建议。

基于PGx 的Ⅰ期临床试验可验证临床前数据预测的遗传变异位点，为Ⅱ期临床试验方案设计与分层制定更适宜的优先级与排除标准，促进Ⅱ、Ⅲ期临床试验用较少的受试者即取得高质量的研究效果，节约研究成本与时间，为新药获批和药物标签提供依据，并且根据研究结果来制定新的治疗原则及药物靶点的再发现。在Ⅳ期临床试验中收集PGx数据解释每个药物不良反应（ADR）事件以及药物疗效欠佳的可能原因，旨在确定患者基因多态性对临床个体化用药的影响并分析基于PGx 诊断方法的效果。PGx 在新药研发各阶段的应用见表1-1。

表1-1　PGx 在新药研发各阶段的应用

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药物基因组学促进药物研究已有不少成功的案例。一项临床试验表明，罗格列酮（rosiglitazone）作为单一疗法治疗511 例阿尔茨海默病患者，根据APOE4 基因型对患者进行分类，并在24 周内进行阿尔茨海默病评估量表认知评分，未携带APOE4 等位基因的患者相比携带APOE4 等位基因的患者的症状得到明显改善。该项Ⅱ期临床试验中PGx 辅助研究对Ⅲ期临床试验的设计产生影响，并且在2009年年初进行的Ⅲ期临床试验中强调PGx 的作用，通过PGx 开展临床试验，可以确定产生药物疗效的患者亚群，减少研发成本并进一步促进新药研发进展。吉非替尼（gefitinib）作为EGFR 的小分子抑制剂主要用于治疗非小细胞肺癌（NSCLC），但仅约10%的患者对吉非替尼表现出快速且显著的临床疗效。通过对应用该药物的肿瘤患者的PGx 分析，发现吉非替尼对于EGFR 基因19 和21号外显子突变患者会产生显著疗效，故在临床上对于EGFR 基因19 和21号外显子突变患者使用吉非替尼的化疗方案可以取得较好的疗效，显著延长生存期。

许多在产品注册研究阶段未进行PGx 研究的已上市药物，在临床的安全性和有效性存在个体差异，这类差异可在上市后的临床研究中进行，如阿巴卡韦（abacavir）是上市后药物再评价的典型案例。阿巴卡韦是一种用于治疗人类免疫缺陷病毒感染的逆转录酶抑制剂，其主要ADR 是二次使用阿巴卡韦可能会发生严重的超敏反应，通过候选基因研究确定HLA-B*57 ∶01 是阿巴卡韦相关SJS/TEN 的强危险因素后，对1 956 名患者进行了一项随机对照试验（RCT），以比较阿巴卡韦常规抗逆转录病毒治疗方案与基因组指导策略，其中皮疹的发生与阿巴卡韦的HLA-B 危险等位基因有关。阿巴卡韦说明书中的“黑框警告”建议，在使用阿巴卡韦治疗之前，对所有患者进行HLA-B*57 ∶01 等位基因的筛查，基因型阳性患者不建议使用，以减少超敏反应的发生风险。以上例子说明对上市后药物进行多中心的PGx 相关研究，可以预测不良事件的发生以增加药物临床使用的安全性与用药合理性。

二、多领域与PGx 相结合在新药研发中的作用

1.生物信息学

生物信息学（bioinformatics）是一门综合计算机科学信息技术和数学理论与生命科学相结合形成的一门新学科，可以基于低成本和高通量的方式对大量的生物学和医学数据进行管理和分析，以确定数据中所隐含的生物学意义。在新药研发中的应用主要体现在以下几个方面：①基于大数据寻找与疾病相关的靶标或新的药物作用靶点；②有助于先导化合物的发现与优化；③有利于新药研发中临床试验的设计与开展及临床药学的相关研究；④有利于中药的PGx 相关研究。将利用现代生物信息学结合PGx 以提供更有效的生物标志物的发现和验证方法，如计算机辅助药物设计（CADD）、深度学习等，从而有助于确保更优的候选药物在批准过程中获得成功。将临床资料、表型、生活方式数据和多组学数据相结合，为生物信息学在多学科中的应用提供支撑，目前已有多个国家建立这样的生物样本库，包括爱沙尼亚、冰岛、日本和英国。目前报道部分药物设计和开发的PGx 信息资源包括PharmGKB、CYP allele nomenclature、FDA genomic marker table、HapMap project、dbSNP home page、Pharmacogenomics education program 等，见表1-2。还包括大量的电子健康记录（EHR），可以提供大规模的健康与疾病数据，加深对疾病因果关系的了解，具有新药转化研究的潜力。将生物信息学与PGx 相结合有助于提高新药研发的水平。

表1-2　近年来的新临床研究策略

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2.药物微生物组学

药物微生物组学作为一个研究微生物多样性与药物相互作用的新兴领域，复杂的肠道微环境与宿主基因、环境因素（饮食、生活方式等）存在相互作用。肠道微生物组相当于“人类的第二基因组”，是指动物肠道中存在的数量庞大的微生物群，该微生物群在调节宿主免疫与代谢等方面发挥重要作用。据估计，遗传因素可以解释药物个体间反应的20%～95%的变异性，因此仅靠遗传因素不足以解释所有药物的个体差异，肠道微生物的基因数估计为人类基因组成的100 倍。每个人都有一个独特的肠道微生物组，其对药物的修饰性很有可能会改变药物的临床疗效，甚至可能产生致命性ADR 事件。其中复杂的药物-微生物相互作用主要发生在大肠，药物可能会改变肠道微环境，从而影响肠道菌群的多样性与丰度；肠道菌群也会直接影响药物原本的代谢过程（主要是水解与还原反应），从而改变药物原本的药动学。因此，研究和预测微生物与药物之间的相互作用对于新药研发和制订个体化给药方案十分重要且具有挑战性。PGx 与药物微生物组学相结合将为新药研发与个体化医学的进展提供重要支撑。

3.新临床研究策略

新药研发中经典的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ期临床试验需要大量的人力和经费支持，目前已产生一些创新的临床研究策略。如2014年美国癌症协会提出2 项创新临床试验方法——“篮子研究”（basket trial）、“雨伞研究”（umbrella trial）（图1-4），还包括“适应性设计”（adaptive design）、“平台试验”（platform trial）等。研究者可根据试验目的与规模等综合考虑适宜的试验方案。随着我们对于疾病和药物的多组学知识的逐步积累，临床试验设计将变得更为科学，以适应不断扩大的知识体系。新的临床试验设计策略的严谨性将很大程度决定临床试验是否取得成功。

图1-4　“篮子研究”（左）和“雨伞研究”（右）示意图

（周宏灏　阳国平　张伟）