摘要:目的:為臨床藥學人員開展精準化藥物治療提供參考模式.方法:介紹精準醫療、精準化藥物治療的內涵及其特征, 并根據本團隊長期的理論研究和臨床實踐, 對精準化藥物治療的實現途徑進行思考和探討.結果與結論:通過關鍵技術體系的建立可以實現精準藥學服務, 有效地為患者提供最佳的給藥方案, 包括治療藥物的選擇、藥物療效的早期預測、藥物治療的安全性預警.
關鍵詞:精準化藥物治療; 藥物基因組學; 生物標志物; 治療藥物監測;
精準醫療是以個體化醫療為基礎, 隨著基因測序技術快速進步以及生物信息與大數據的交叉應用而發展起來的新型醫學概念與醫學模式[1].其本質是以基因組學、蛋白組學、代謝組學等技術為基礎, 基于個體基因差異性、社會環境和生活方式等不同, 通過疾病生物標志物在大樣本人群中的分析與鑒定、驗證與應用, 從而精確尋找疾病的原因和治療的靶向甚至預防的手段.其最終目標是實現對患者進行個體化精準治療, 提高疾病診治與預防的效益[2].
精準化藥物治療是精準醫療的重要組成部分.在精準化藥物治療出現之前, 個體化藥物治療的概念應用更為廣泛, 并且藥物基因組學導向的治療方案設計普遍被認為是個體化藥物治療的最佳實踐.這是因為諸多藥物的體內過程與基因多態性密切關聯, 探索基因型與藥物反應之間的關系具有深遠的臨床診斷價值, 進而為臨床醫師解決"藥物治療方案的選擇、藥物療效的早期預測、藥物治療的安全性預警"三方面重要問題提供合理參考[3].然而, 疾病的復雜情況, 患者的復雜用藥都可以成為治療決策中的潛在的障礙和風險評估點, 影響藥物個體差異的因素除了遺傳因素以外, 還有生理、病理、環境及合并用藥因素等等, 這些對藥物的處置過程會產生不同的影響.因此, 精準化藥物治療不應局限于關注基因組學導向的藥物效應, 應該全面考察藥物與機體的相互作用:一方面, 通過組學技術研究機體受藥物干預后的不同狀態下的基因、代謝物、蛋白等生物標志物, 用于評估藥物療效和安全性;另一方面, 通過研究藥物在體內的吸收分布代謝排泄過程, 有助于了解群體、個體對于藥物的處置特點, 繼而與臨床效應的相關性展開研究獲得影響藥物作用的關鍵臨床特征.
1 藥物基因組學對于精準化藥物治療的意義和應用探索
1.1 藥物基因組學技術臨床開展的意義
藥物基因組學 (pharmacogenomics) 是綜合藥理學和遺傳學、研究個體基因遺傳因素如何影響機體對藥物反應的交叉學科, 主要研究基因結構多態性與不同藥物反應之間關系, 解釋由于個體之間差異所表現出藥物的不同治療效果, 趨向于用藥個性化.作為公認落地最早的"個體化分子診療技術", 藥物基因組學技術在臨床實踐的道路上愈發規范, 目前已成為指導臨床個體化用藥、評估嚴重藥物不良反應發生風險、指導新藥研發和評價新藥的重要工具.美國食品藥品監督管理局 (Food and Drug Administration, FDA) 于2013年1月發布了《臨床藥物基因組學指導原則:早期臨床研究的上市前評價和對藥品說明書的建議》, 旨在為制藥工業界和其他從事新藥研發團體在評價人體基因組的變異如何影響藥物的藥動學、藥效學、有效性或安全性方面提供幫助, 強調了相關基因檢測的必要性[4,5].FDA網站目前已經列出大約200多個藥物基因位點的多態性與藥物療效和安全性相關的信息, 并且這些基因差異的信息也已經寫入美國的藥品說明書中, 國內則只有部分藥物在藥品說明書中具有相關信息.值得注意的是, 臨床藥物基因組學實施聯盟 (Clinical Pharmacogenetics Implementation Consortium) 提供了相關指導原則, 為將實驗室的基因檢測結果應用到臨床實踐提供依據, 這些原則可以從藥物遺傳學和藥物基因組學知識庫 (Pharmacogenetics and Pharmacogenomics Knowledge Base) 網站獲.
我國國家衛生計生委醫政醫管局于2015年發布了2個相關指南[6], 旨在積極推廣、規范并提高藥物基因組學的臨床實踐水平.尤其是在腫瘤藥物的臨床應用方面, 由于藥物體內代謝、轉運及藥物作用靶點基因的遺傳變異及其表達水平的變化可影響藥物的體內濃度和敏感性, 導致藥物反應性個體差異, 因此在腫瘤藥物治療過程中, 增加遺傳檢測等藥物基因組學相關項目, 有助于推進腫瘤治療向遺傳和基因組水平的精準分型和管理方向發展.
1.2 我院的藥物基因組學技術特色及研究實例
我院于2012年建立了個體化藥物分子診斷實驗室, 經不斷實踐摸索, 形成了基因檢測-相關性分析-個體化用藥建議的一站式服務平臺, 即個體化藥物治療臨床服務體系, 見圖1.臨床藥師通過該平臺和臨床醫師共同合作, 建立患者的藥物治療檔案, 根據藥物代謝酶和靶點基因檢測結果, 為患者選擇合適的藥物和給藥劑量, 實現精準化藥物治療, 從而提高藥物治療的有效性和安全性, 防止嚴重藥物不良反應的發生.例如, 化療藥物伊立替康主要用于晚期或轉移性結直腸癌、肺癌、宮頸癌、卵巢癌等細胞內惡性腫瘤的治療, 該藥物在肝內由羧酸酯酶轉化為活性代謝產物SN-38產生抗腫瘤作用, 再由尿苷二磷酸葡萄糖醛酰轉移酶1A1 (UGT1A1) 滅活為無活性代謝產物SN-38G排出體外, 該滅活途徑是SN38的主要解毒途徑.文獻報道UGT1A1*6和*28野生型患者使用伊立替康治療結直腸癌的獲益明顯優于雙點突變型, 雙點突變患者的SN-38濃度及血藥濃度-時間曲線下面積明顯升高, 增加不良反應發生的風險[7].因此UGT1A1基因型與伊立替康毒性關系密切.我院1名結腸癌患者, 經基因檢測-相關性分析-個體化用藥建議服務平臺實踐, 其UGT1A1*6和UGT1A1*28基因均為野生型, 表明可以耐受較高劑量的伊立替康, 臨床藥師即協助主治醫師將該患者的伊立替康化療初始用量從260 mg增加到440 mg, 后期隨訪證實, 該患者順利接受6個療程治療, 無進展生存期約為4.5個月, 且化療期間未出現嚴重不良反應[8].當然, 依據藥物基因組學指導臨床精準化用藥在其他醫院也有成功案例[9-10].
圖1 個體化藥物治療臨床服務體系Fig 1 Clinical service system of individualized drug therapy
此外, 藥物基因組學技術平臺還可以應用在新藥臨床研究的環節中, 對精準化藥物治療起到很好的前置引導作用.目前大多數抗腫瘤新藥研發過程中基因生物標志物尚未完全發現, 因此可將基因主導的臨床試驗設計與生物標志物篩選相結合, 邊研究邊臨床測試, 以加速臨床新模型的測試, 這種方法在大部分醫院也已經取得了一定的成效.大多數臨床研究通過開展基于代謝酶、效應靶點等基因型的分組臨床試驗, 完成藥物的藥動學、藥效學與基因多態性關聯分析, 促進治療新藥的產業化進程.
2 生物標志物的發現、驗證和確認的研究流程以及關鍵技術
2.1 生物標志物的特征及基于組學技術發現生物標志物的研究策略
生物標志物 (biomarker) 是指可以標記系統、器官、組織、細胞及亞細胞結構或功能的改變或可能發生的改變的生化指標, 具有非常廣泛的用途.生物標志物可用于疾病診斷、判斷疾病分期或者用來評價新藥或新療法在目標人群中的安全性及有效性.在精準治療的背景下, 目前對于疾病診斷、藥物效應預測的指標不能滿足人類健康的追求.隨著基因組學、代謝組學和蛋白組學的興起, 一系列基因、代謝物和蛋白質生物標志物應運而生[11-13], 這些生物標志物除了可以對疾病的診斷、觀察和預后具有指示功能, 還廣泛用于藥物的有效性和毒性篩選, 成為藥物效應選擇的生物標志物, 有助于精準化藥物治療方案的制定.
具體來說, 生物標志物的發現、評價完整的系統流程如下: (1) 發現 (discovery) 階段.通過比較生物樣本的不同疾病狀態, 采用各組學技術相對應的研究手段, 獲得有差異的基因、蛋白或代謝物, 這一類稱為備選生物標志物. (2) 評價 (evaluation) 或驗證 (verification) 階段.對備選生物標志物進行準確定量分析, 在新的樣本集中開展小規模到大規模的回顧性或/和前瞻性研究, 證實所選取的生物標志物能夠對藥物療效進行預測、疾病進行有效的早期診斷, 從而體現早期生物標志物研究的意義, 開展初步的評價;同時需要通過體內外模型實驗對標志物的生物學意義進行探索和確認, 肯定其具有生物學價值. (3) 確認 (validation) 階段.需要在建立生物標志物準確定量分析方法、明確臨床指示功能的基礎上, 通過多中心研究以評估其可重復性及通用性, 驗證生物標志物對于臨床前疾病的診斷能力, 藥物治療的評價能力以及檢測成本效益, 最終為臨床提供出簡單、無傷害性、理想的診斷標準, 體現生物標志物的意義[14-15].
由此可見, 基于組學技術進行生物標志物的開發, 發現階段是最重要、最基礎的階段, 需要將影響生物標志物獲得的如下因素進行有效控制, 包括樣本量的大小、樣本前處理技術、疾病組和對照組的選擇、樣本檢測和分析技術等, 以免獲得假陽性標志物或者漏掉有效的標志物信息.相對于發現階段, 驗證和確認則是決定生物標志物能否應用于臨床的關鍵.通常情況下, 生物標志物驗證的過程常常需要好幾十年, 需要對每一種可能的對照組情況, 也就是不同的數據子集來支持生物標志物的應用, 這樣復雜的過程和繁多的步驟反映了生物標志物驗證的困難, 因此有專家認為限定生物標志物的使用范圍有利于該生物標志物被廣泛接受及應用, 這個規定的使用范圍也可以更好地幫助設計該生物標志物的測量平臺[16].
2.2 生物標志物的特征及關鍵研究策略
生物標志物具有以下明顯特征: (1) 生物標志物的選取必須滿足:臨床是否可以精確、高通量測定, 能否幫助醫師監控病情, 能否增加新信息[17]; (2) 試驗計劃的確立、分析過程的質控、復雜數據的處理以及結果評估的簡化[18]; (3) 生物標志物的評價需要多次試驗、獨立樣本的驗證, 以去除其他混雜因素的影響[19].
以代謝組學為例, 通過非靶向代謝組學技術發現的一組備選生物標志物在確認及驗證過程中需要對其進行準確定量.近年來, 液質聯用技術 (liquid chromatography tandem mass spectrometry, LC-MS) 因其專屬性強和靈敏度高等特點使其逐漸在臨床嶄露頭角, 其選擇反應監測 (selected-reaction monitoring) 或多重反應監測 (multiple reaction monitoring) 模式被認為大批量生物標志物定量的最佳選擇, 優于其他質譜聯用技術[20-21].
2.3 生物標志物研究實例
在上述研究思路指導下, 本課題組與牛津大學合作, 協力實現卡培他濱的精準化藥物治療.臨床研究表明, 結直腸癌具有高度異質性, 使得不同疾病進展階段或者不同患者對卡培他濱藥物治療的敏感度不同.本課題組以卡培他濱為基礎術后化療方案的結直腸癌患者為研究對象, 從藥物有效性和安全性為切入點, 基于代謝組學發現中心碳代謝 (central carbon metabolism) 相關路徑, 包括磷酸腺苷路徑、磷酸戊糖途徑以及三羧酸循環等, 以及氨基酸代謝與腫瘤進展和藥物療效密切相關[22-24], 在此基礎上發現了一批小分子代謝標志物.與此同時合作放開展的基因組學研究策略則開發了藥物毒性和療效預測的基因生物標志物組 (Colo Predit、Colo Prog等) [25-27], 目前正開展初步驗證工作.該項研究不僅可以完成基因、代謝物生物標志物的發現, 還可以進一步通過生物信息學技術平臺對上述生物標志物進行合理、有效整合, 未來還可以納入基于蛋白質組學技術發現的生物標志物, 形成標志物體系, 從基因-蛋白質-代謝物系統水平闡明藥物發揮不同效應的作用原理.由此我們可以根據患者標志物的不同表征水平優化患者治療藥物選擇方案以及確認毒副作用預測指標, 助力于卡培他濱精準化治療方案, 避免低�；颊哌^度化療和高�；颊咧委煵蛔�.
3 體內過程監測技術在精準化藥物治療中的應用探索
3.1 體內過程監測技術的優勢和意義
治療藥物監測 (therapeutic drug monitoring, TDM) 是指通過分析測定生物樣本中藥物濃度來設計符合每個患者特點的個體化給藥方案, 達到提高藥物療效的目的.但是, 常規的TDM方案一般只對發揮藥效的藥物原型進行檢測, 但此種情況下往往忽略了可能具有活性或者毒性的藥物代謝產物在體內的暴露量, 以及合并用藥可能引起的藥物相互作用, 此時需要將TDM所監測的對象范疇擴大, 將藥物代謝產物、聯用藥物納入分析.其次, 由于精準醫療需要為患者制定量身設計的給藥方案, 群體藥代動力學 (population pharmacokinetics) 可以根據患者個體差異, 考察患者群體中藥物濃度的決定因素[28], 制定個體化給藥劑量, 繼而與臨床效應的相關性展開研究獲得影響藥物作用的關鍵臨床特征, 達到精準醫療目的.
3.2 體內過程監測技術的應用實例
目前免疫分析試劑盒仍然是臨床廣泛應用的TDM方法, 只能適應小樣本的少量標志物定量需求, 且有著交叉反應、可檢測目標化合物數量少的劣勢[29].如前所述, 由于LC-MS高通量、高靈敏度、特異性和準確性高、低檢測限、樣本用量少且前處理簡單、檢測速度快等優勢, 近年來LC-MS已經成為了臨床樣本檢測的主力軍, 將其為TDM服務無疑能夠很好的滿足分析檢測的需求[30].我院在建立十一種抗腫瘤藥物的血藥濃度監測技術的基礎上[31,32], 進一步開展高劑量甲氨蝶呤個體化給藥模式的研究.針對臨床患者使用高劑量甲氨蝶呤后出現甲氨蝶呤排泄延遲、肝毒性等一系列不良反應, 而臨床共識僅限于堿化、水化、監測甲氨蝶呤48 h和72 h血藥濃度, 并根據結果調整亞葉酸鈣解救劑量和頻次, 除了精簡聯合用藥和糾正低蛋白血癥等常規藥學監護外, 建立了原型和重要代謝產物7-羥基甲氨蝶呤的LC-MS檢測方法, 目前已應用于臨床大樣本的定量分析, 初步確認7-羥基甲氨蝶呤與患者出現肝毒性的高度相關性, 并為臨床治療窗的確認和給藥方案的及時調整提供技術支持[33-34].
4 機遇與挑戰
精準化藥物治療是標準化和個體化統一的醫療模式, 是未來藥物治療模式的必然發展方向.但我們在探索實踐中發現, 有以下幾方面精準化藥物治療發展所亟待解決的問題.
第一, 個人信息隱私保護.精準化藥物治療的個體化特征非常明顯, 基因組、代謝組的信息采集均會涉及患者的個人隱私.因此, 在患者醫療信息記錄和電子病歷系統的共享和處理過程中, 數據的隱私保護就顯得尤為重要.這不僅需要跨學科、跨領域的研究者與醫護人員的達成共識, 更需要政府、個人、家庭、企業和研究團體的意識提高[35].
第二, 大數據平臺建設.高通量的研究數據、患者臨床信息和臨床樣本的管理需要專業技術人員構建精準的醫療數據網絡.不同地區的生物樣本庫可以通過科研規劃帶動生物樣本庫資源的共享, 促進資源整合.
第三, 檢測技術規范化建設.藥物代謝酶和藥物作用靶點基因檢測技術以及藥物原型和代謝產物的LC-MS檢測技術的應用, 需要根據中國合格評定國家認可委員會 (China National Accreditation Service for Conformity Assessment) 認可準則、認可規則的要求, 建立標準化、具有質量保證體系的檢測實驗室.
第四, 高素質檢測分析人員.檢測分析人員需要時刻關注相關疾病診療指南的更新, 并在結果報告上附上相關內容用以指導臨床診療, 這對人員的綜合素質提出了很高要求.建議應該由具備臨床醫學、檢驗醫學、病理學、藥學、遺傳學等相關專業背景的人員來開展檢測分析[36].
目前, 以基因檢測、群體藥動學、血藥濃度監測為主要技術手段的精準藥學服務已在各大醫院常規開展并顯現出巨大的發展潛力[37].目前國內各大醫院致力于建立起具有臨床特色的臨床藥學技術體系, 精準化藥學服務風生水起.然而個體化藥物治療臨床系并非一蹴而就之舉, 我院藥材科在近年來的探索過程中發現并總結了幾點制約因素.首先, 例如機體是一個高度組織化的復雜系統, 基因檢測、血藥濃度監測、群體藥動學結果尚不能完全解釋疾病治療過程中的整體生物學行為, 仍有待進一步分析與探討[37].其次, 雖然精準化藥物治療給臨床藥學的發展帶來了機遇與挑戰, 但是必然要求臨床藥師們具備全科知識技能, 以及具有勇于發現問題、解決問題的能力和決心.最后, 以精準化藥物治療為目標而建立的臨床藥物技術體系不應該只僅限于科研課題的申請和開展, 更需要回歸臨床、為臨床提供藥學服務.只有克服上述技術與人員瓶頸, 把握"服務臨床"這一航向, 才能夠實現"精準藥學體系"更穩更快發展.
總而言之, 精準醫療彌補了當今"反復摸索 (trial and error) "的藥物治療模式, 通過精準診斷達到"量體裁衣 (fit for purpose) "精準化藥物治療的目的.作為參與藥物治療的核心醫學工作者, 希望在深化上述應用手段和方法的基礎上, 繼續加大探索實踐力度, 努力構建目標鮮明、技術領先的臨床藥學技術體系, 推動精準化藥物治療更加快速的發展, 為廣大醫務工作者及患者提供更好的藥物治療方案.
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