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如何开发预测性癌症生物标志物

2020-03-22

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如何开发预测性癌症生物标志物:探索癌症生物标志物的不同类型和种类,以及预测性癌症生物标志物开发的关键步骤。

肿瘤精准医学进展

在过去多年间,科技发展以及不断增加的对个性化治疗方法的兴趣促进了肿瘤精准医学的快速发展。精准医学使用生物标志物来确定最佳治疗策略(使用靶向疗法)并评估患者的治疗效果和/或疾病进展。

精准医学方法推动了策略发展,从而改善了药物疗效和患者安全性,同时还降低了抗癌药物的损耗率。个性化医学联盟指出,个性化药品占2018年所有US FDA药品批准的42%,并且预计随着时间推移,这一数字将会增加。

精准医学并不是一个新概念——例如,血型分类已使用了数十年。然而近年来,计算能力和算法出现变革性进步,基因组技术不断突破,包括新一代测序技术(NGS)和其他“-组学”特征(例如蛋白质组学和代谢组学)。

通过开发癌症生物标志物和伴随诊断来启用精准医学

这些重大进展使系统生物学方法得以在精准医学领域中产生新机遇。这包括癌症生物标志物的发现和验证策略,从而在早期识别前景光明的可选疗法。总体目标是针对特定患者人群和癌症适应症定制新型疗法。

成功的精准医学策略需要两个组成部分:

  1. 靶向治疗
  2. 伴随诊断(CDx),确认存在相关生物标志物,例如基因突变、蛋白质或其他特征。

除了预测治疗反应外,这两个组成部分结合起来的临床获益还可以扩展到诊断疾病和评估治疗效果或疾病进展。

药物开发过程中尽早制定生物标志物策略可为临床前阶段选择最佳靶点和模型提供最佳机遇。使用这些靶标可以提高临床前生物标志物临床转化的可能性,从而改善试验结果和患者结局。早期生物标志物策略也为开发此类转译所必需的CDx提供了大量机遇。

尽管癌症生物标志物的开发面临许多挑战,但应考虑一些关键步骤,以提供最佳机会来桥接初始生物标志物开发研究与其临床转译之间的鸿沟。在本贴子中,我们探讨了可以开发的生物标志物的不同类型和种类,以及预测性癌症生物标志物开发的关键步骤。

癌症生物标志物的不同类型

我们之前已经详细讨论了三种主要癌症生物标志物类型,这些类型依据其应用进行划分:

  • 诊断性生物标志物:检测或确认存在特定疾病或病症。
  • 预测性生物标志物:通过指示特定疗法对患者的可能作用来指导治疗决策。这些生物标志物可识别出更可能产生正面或负面效应的个体。
  • 预后性生物标志物:提示临床结局(如疾病复发或进展)可能性增加或减少。

癌症生物标志物的不同种类

目前有多种潜在生物标志物与癌症药物开发相关。通常通过测量蛋白质、肽、DNA、RNA或其他生物分子的水平来评估这些生物标志物。如 之前的贴子所述,癌症生物标志物的不同类型和种类大致可分为如下:

  • 遗传生物标志物是与患病风险增加或减少相关的DNA序列。此类生物标志物可用于癌症诊断和预后以及预测对治疗的反应。
  • 表观遗传学生物标志物指示不涉及DNA序列变化的基因功能改变。这类生物标志物通常包括DNA甲基化状态变化和染色质修饰。
  • 转录组生物标志物源自对mRNA表达的整体测量(即转录组学)。这类生物标志物既可以测量单个基因活性,又能更深入地了解肿瘤的分子亚型,转录组生物标志物为组织特异性。
  • 蛋白质组学生物标志物提供有关蛋白质功能、翻译后修饰、与其他生物分子的相互作用以及对环境因素的反应等关键信息。质谱技术的进步使蛋白质组学工作流程能够为我们提供具有极高精密度和分辨率的大量表达谱分析数据集。
  • 代谢组学生物标志物是特别有前景的方向,因为代谢的改变被认为是癌症的一个标志。这类生物标志物不仅有助于阐明肿瘤代谢途径变化的机制,便于早期发现,而且可以预测药物反应性,并有助于制定新型治疗策略。

开发预测性癌症生物标志物

从安全性或疗效的角度来看,预测性癌症生物标志物是对最有可能从靶向治疗中获益的患者进行准确分层的关键。此外,与没有生物标志物的试验相比,采用生物标志物策略的试验总体成功率更高。

尽管生物标志物很有价值并且存在技术进步,但临床转译相关的挑战仍然存在。因此,重要的是在药物开发早期就融合生物标志物策略,其中应包括稳健的生物标志物开发 方法以增加成功的机会。我们总结了开发预测性癌症生物标志物时要考虑的关键步骤。

生物标志物发现

第一步需要进行探索性研究和/或回顾性分析,鉴别可能有用的生物标志物。如通过既定的临床终点所评估,发现生物标志物涉及感兴趣的临床结局的全面分子表征。通常,对于预测性生物标志物,感兴趣的终点是药物治疗后的总生存期改善。

在临床前阶段,可以使用实验系统来发现具有临床实用性的生物标志物,例如:

特别是,具有明确遗传特征的单个PDX(O)模型可以非常有效地提供药物作用机制的信息。

成功的关键因素是

  • 致力于早期发现生物标志物
  • 可访问具有可用的分子表征并复制了临床多样性的大量/广泛PDX
  • 根据分子数据和/或使用体外数据生成的生物标志物假设适当选择PDX(O)模型。

测定开发和分析验证

第二步是开发测定方法,从而客观地测量生物标志物。随后进行分析验证,确保测定方法在灵敏度、选择性、精密度、准确度和重现性方面均达到可接受的性能标准。重要的是要注意验证其技术性能,而不是验证其有用性。

临床验证和实用性

最后一步是在临床试验过程中,通过经分析验证的测定方法评估临床有效性和实用性,并根据测试的预期用途和之前临床试验的样本可用性提供多种设计方案。

临床有效性与以下观察有关:预测性测定方法可靠地将感兴趣的患者群体划分为对特定治疗具有不同预期结局的不同组。简而言之,这意味着该生物标志物通过测试应该能够预测或测量特定疗法治疗患者的治疗前样本中的相关临床结局。例如,PD-L1免疫组化测试是帕博利珠单抗用于非小细胞肺癌(NSCLC)治疗的伴随诊断,并用于确定临床试验资格。

生物标志物未能通过临床验证的最常见原因之一是与临床结局无关和不可重现的偏倚或系统误差。偏倚可能来源于:

  1. 相关人口统计学特征的差异
  2. 分析前变量的差异(例如样本处理、储存时间)
  3. 不符合测定方案。

临床实用性是衡量临床使用测试是否可以改善特异性适应症的患者结局的指标(即最终测试结果支持特异性决策/行动,从而改善患者总生存期超出当前护理标准)。例如,两项不同的临床试验支持在NSCLC组织中进行PD-L1免疫组化测试,作为帕博利珠单抗和纳武单抗的伴随诊断。

同样,也存在与临床实用性相关的挑战。对于与复杂疾病相关的基因变种,仅有观察数据是不可接受的。相反,要确定一项测试对于临床使用是否具有充分的预测价值,需要与其他测试选项进行对照比较。

临床意义

在临床上实施生物标志物检测与三个关键问题有关:

  1. 监管机构的批准
  2. 医生和患者的可接受性
  3. 对抗癌治疗成本效益的影响。

解决这些问题至关重要。

了解监管过程对开发预测性癌症生物标志物很重要。如果将一项测定开发为体外诊断方法,则必须获得FDA的批准。对于实验室开发的检测方法,只需要分析验证即可商业化。FDA建立了生物标志物资格认定程序,以促进生物标志物开发的监管/行业/学术交流。此外,该机构创建了监管架构,将生物标志物分为探索性、可能有效和已知有效,每种都可以在药物开发中或临床中的特定情况下使用。

有各种工具和分析可以帮助确定医生和患者的可接受性以及对抗癌治疗成本效益的影响。在药物开发计划中越早考虑这些因素,就越有可能对其进行优化,从而最大程度地提高研究药物的潜在成功率。

总结

癌症生物标志物是发现和开发新型癌症疗法的关键。在药物开发过程中尽早制定生物标志物策略有助于选择最佳靶点和模型进行临床前研究。反过来,这可以增加临床前研究成功的可能性,同时还可以最大程度地将生物标志物转化为临床。早期生物标志物策略也为开发此类转译所必需的CDx提供了大量机遇。

预测性癌症生物标志物对于进行与个体患者相关的知情风险/获益评估非常重要,它们可以描绘可从靶向治疗中获益的患者人群或告知剂量或潜在安全性风险。通过将治疗学与诊断学相关联,生物标志物有望在推进个性化医学中发挥重要作用。

Topics: Blog, Oncology

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