Una delle sfide centrali nello sviluppo di farmaci è decidere se un effetto farmacologico osservato negli studi preclinici si manifesterà anche negli esseri umani. Un candidato può mostrare un’efficacia convincente in un modello animale e tuttavia non riuscire a produrre la risposta clinica attesa. Spesso il pezzo mancante è un meccanismo biologico caratterizzato abbastanza bene da poterne prevedere il comportamento in una seconda specie.
La stessa molecola produce risposte diverse tra le specie, perché l’espressione del bersaglio, la distribuzione dei recettori, il metabolismo dei farmaci, l’esposizione dei tessuti, la regolazione immunitaria e la biologia della malattia sono tutti diversi. Un miglioramento in un modello animale quindi non stabilisce di per sé che un meccanismo si tradurrà in un beneficio clinico.
I biomarcatori offrono un modo per lavorare su questo divario. Misurando i cambiamenti associati all'esposizione al farmaco, al coinvolgimento del target, alla modulazione del percorso e alla risposta alla malattia, un programma può stabilire relazioni quantitative trafarmacocinetica (PK)Efarmacodinamica (PD). Queste relazioni dicono quanta esposizione è necessaria, quali meccanismi biologici sono influenzati e se la risposta osservata è correlata alla malattia umana.
Nella medicina traslazionale l’obiettivo è un quadro coerente: le misurazioni precliniche informano le decisioni cliniche e le osservazioni cliniche rivedono le ipotesi precliniche. Un elenco di marcatori candidati non è il risultato finale.
1. Cosa rende utile un biomarcatore nello sviluppo di farmaci?
Un biomarcatore è una caratteristica misurabile che indica un processo biologico, un processo patogeno o una risposta a un intervento. Le misurazioni molecolari, le caratteristiche cellulari, i parametri fisiologici, i risultati dell'imaging e i cambiamenti comportamentali quantificati oggettivamente sono tutti qualificabili.
Il loro valore dipende dalla domanda biologica a cui intendono rispondere. Cinque categorie ricorrono nello sviluppo dei farmaci.
Biomarcatori farmacodinamicimostrano che si è verificata una risposta biologica dopo la somministrazione: concentrazioni di citochine, fosforilazione delle proteine di segnalazione, espressione genica, attività metabolica.
Biomarcatori di coinvolgimento targetdimostrare che il farmaco ha interagito con il bersaglio molecolare previsto. L'occupazione del recettore, il legame con il bersaglio e l'inibizione delle vie di segnalazione associate al bersaglio sono le letture abituali.
Biomarcatori predittiviidentificare i pazienti che hanno maggiori probabilità di rispondere ad un particolare trattamento. L'espressione PD-L1 e le alterazioni BRCA1/2 sono esempi consolidati in contesti terapeutici definiti.
Biomarcatori prognosticidescrivere il probabile decorso di una malattia indipendentemente da un particolare trattamento.
Biomarcatori di sicurezzasegnalare potenziale tossicità o disturbo fisiologico correlato al trattamento.
Le categorie non si escludono a vicenda. Un singolo biomarcatore può contenere diversi tipi di informazioni a seconda del contesto di studio.
Inoltre, un biomarcatore non è un endpoint clinico o un endpoint surrogato per impostazione predefinita. Una riduzione di un marcatore infiammatorio circolante dimostra attività biologica; non stabilisce che un paziente sperimenterà un miglioramento clinico significativo. Collegare la modifica di un biomarcatore a un risultato clinico richiede prove separate.
Questa distinzione modella tutto a valle. Misurare il cambiamento è la parte semplice. Interpretare il significato del cambiamento in termini di efficacia terapeutica è la cosa più difficile.
2. Il fondamento preclinico: collegare l'esposizione ai farmaci alla risposta biologica
Il contributo più utile dei biomarcatori durante lo sviluppo preclinico è la connessione che stabiliscono tra esposizione al farmaco e attività farmacologica.
Uno studio convenzionale sull’efficacia mostra che un trattamento migliora un endpoint correlato alla malattia. Di per sé non dice se l’effetto provenga da un adeguato coinvolgimento del bersaglio, da una modulazione del percorso a valle o da una risposta biologica indiretta.
Un disegno più informativo stabilisce tre relazioni connesse: esposizione al farmaco, coinvolgimento del target e risposta farmacodinamica. Ognuno risponde a una domanda diversa.
Esposizione ai farmaci: quanto farmaco raggiunge il compartimento biologico interessato?
Gli studi di farmacocinetica caratterizzano l’assorbimento, la distribuzione, il metabolismo e l’eliminazione dei farmaci. La concentrazione plasmatica è un punto di partenza importante, ma è un indicatore dell'esposizione nel sito d'azione, e talvolta è scarso.
Per i farmaci che colpiscono il sistema nervoso centrale, la sola esposizione plasmatica dice poco sulla concentrazione disponibile nel tessuto cerebrale. Gli anticorpi e altri prodotti biologici di grandi dimensioni si distribuiscono in modo diverso rispetto alle piccole molecole per ragioni che esulano dalla concentrazione plasmatica.
A seconda del meccanismo terapeutico, le misurazioni rilevanti includono le concentrazioni plasmatiche totali e non legate, le concentrazioni tissutali, le concentrazioni nel liquido cerebrospinale o la distribuzione locale del farmaco.
Coinvolgimento del target: il farmaco interagisce con il target previsto?
Il coinvolgimento del target collega l’esposizione al farmaco all’attività farmacologica.
Per gli anticorpi diretti contro i recettori, l'occupazione dei recettori (RO) stima la proporzione di recettori disponibili legati dal farmaco. Per gli inibitori della chinasi, i cambiamenti nella fosforilazione bersaglio o nelle proteine di segnalazione a valle forniscono prova di inibizione del percorso. In ogni caso la misurazione risponde se la dose somministrata ha prodotto un'interazione biologica sufficiente con il bersaglio previsto.
Risposta farmacodinamica: il coinvolgimento del target produce l’effetto biologico atteso?
Il legame non è la stessa cosa della risposta. Un farmaco può occupare il suo bersaglio senza produrre una sufficiente modulazione delle vie a valle, in particolare dove sono coinvolti meccanismi compensatori o vie di segnalazione ridondanti.
I biomarcatori della malattia di Parkinson aggiungono questo livello di prova.
Un inibitore della chinasi, ad esempio, riduce la fosforilazione del bersaglio previsto, quindi sposta a valle le proteine di segnalazione e infine sposta un endpoint correlato alla malattia. La misurazione di tutti e tre i livelli separa l’inibizione diretta del bersaglio dagli effetti biologici più ampi.
Quantificare la relazione esposizione-risposta
Una volta disponibili le misurazioni dell’esposizione e della farmacodinamica, un modello può caratterizzare la relazione tra di loro.
Una scelta comune è il modello Emax:
E(C)=E0 + (Emax x C) / (EC50 + C)
dove E(C) è l'effetto farmacologico osservato alla concentrazione C, E0 l'effetto basale, Emax l'effetto massimo ottenibile ed EC50 la concentrazione associata al 50% di tale massimo.
Modelli più complessi aggiungono risposte ritardate, meccanismi di risposta indiretta, turnover dei recettori o cambiamenti dipendenti dal tempo nell’esposizione al farmaco.
Il vantaggio pratico è un intervallo di esposizione piuttosto che una singola dose. Invece di assumere la dose che ha prodotto il maggiore effetto osservato in uno studio sugli animali, un programma può identificare l’esposizione minima richiesta per raggiungere il target e l’esposizione associata a un’adeguata risposta PD. Questa è una base più razionale per stabilire dosi e obiettivi di esposizione negli studi clinici successivi.
3. Dagli studi sugli animali alla selezione della prima dose nell'uomo
La selezione della dose clinica iniziale è uno degli usi più chiari dei dati preclinici di PK/PD e dei biomarcatori.
Gli studi preclinici sulla tossicità normalmente forniscono l’ancora di sicurezza: un livello senza effetti avversi osservati (NOAEL) convertito in una dose equivalente umana (HED), quindi diviso per un fattore di sicurezza appropriato.
Per un composto altamente potente o fortemente biologicamente attivo, tuttavia, una dose iniziale derivata solo da osservazioni tossicologiche può non cogliere la farmacologia. Gli anticorpi monoclonali, gli immunomodulatori e altre terapie mirate spesso producono effetti biologici sostanziali a concentrazioni relativamente basse.
Il livello minimo di effetto biologico previsto (MABEL) copre questo caso. MABEL stima la dose o l'esposizione prevista per produrre un effetto biologico minimo nell'uomo, basandosi sulle prove farmacologiche e non cliniche disponibili, e tipicamente integra:
- Espressione target e caratteristiche di legame.
- Dati concentrazione-risposta in vitro.
- Occupazione dei recettori e coinvolgimento del target.
- Attività funzionale in sistemi biologici rilevanti.
- Relazioni PK e PD nei modelli sperimentali.
- Differenze tra le specie in farmacologia e biologia bersaglio.
MABEL non sostituisce la valutazione basata su NOAEL in ogni programma di sviluppo. Aggiunge una considerazione basata sulla farmacologia, ed è particolarmente importante laddove l’eccessiva attivazione o inibizione del bersaglio comporta gravi conseguenze.
Lo studio clinico TGN1412 rimane il caso di riferimento per spiegare perché i soli risultati tossicologici possono essere insufficienti per un biologico che attiva il sistema immunitario. Volontari sani hanno sviluppato gravi reazioni al rilascio di citochine nonostante i precedenti test non clinici. L’episodio ha riguardato la farmacologia specie-specifica, l’attività biologica rilevante per l’uomo e la relazione tra dose e attivazione immunitaria, nessuno dei quali il pacchetto non clinico aveva risolto.
Per un programma traslazionale, la lezione è che gli studi preclinici devono generare qualcosa di più che semplici osservazioni sulla tossicità e risultati sull’efficacia. Devono anche spiegare il meccanismo abbastanza bene da poter anticipare la risposta umana.
4. Sviluppo clinico iniziale: confermare che il meccanismo funziona negli esseri umani
I risultati preclinici dei biomarcatori producono ipotesi. Gli studi clinici testano se valgono negli esseri umani.
Durante lo sviluppo della Fase I e della Fase II, i biomarcatori sono particolarmente utili per tre compiti: confermare il coinvolgimento del target, individuare intervalli di esposizione biologicamente attivi e descrivere la relazione tra dose e risposta farmacologica.
L’occupazione dei recettori è un esempio.
Per i farmaci che prendono di mira i recettori della superficie cellulare, la citometria a flusso o un altro metodo analitico convalidato quantifica il legame del farmaco e la disponibilità dei recettori sulle popolazioni cellulari circolanti rilevanti. Il campionamento seriale mostra se l'occupazione aumenta con la dose e se si avvicina alla saturazione.
Il sangue periferico ha dei limiti. L'occupazione delle cellule immunitarie circolanti non stabilisce un impegno target equivalente nei tessuti solidi o in altri compartimenti rilevanti per la malattia. Laddove la questione è compartimentale, biopsie tissutali, misurazioni del liquido cerebrospinale, biomarcatori di imaging o altre valutazioni specifiche del compartimento forniscono le prove mancanti.
Le misurazioni del percorso a valle hanno lo stesso peso. Gli inibitori di BTK vengono letti attraverso i cambiamenti nella segnalazione associata a BTK; Inibitori MEK attraverso la modulazione della fosforilazione di ERK.
L’associazione del coinvolgimento del target con la PD a valle risponde a due domande separate:
- Il farmaco ha raggiunto e interagito con il bersaglio previsto?
- Tale interazione ha prodotto la risposta biologica attesa?
L'abbinamento è importante quando si interpretano i dati clinici dose-risposta. Non è necessario che una dose che raggiunga un’occupazione recettoriale quasi massima produca il massimo beneficio clinico e un’ulteriore escalation può aggiungere rischio correlato al trattamento aggiungendo poca attività farmacologica.
La selezione della dose guidata dai biomarcatori identifica quindi un intervallo di dose biologicamente attivo e clinicamente appropriato, che rappresenta un obiettivo diverso dalla dose massima tollerata (MTD).
5. Biomarcatori nella selezione dei pazienti e nella valutazione dell'efficacia clinica
Con il progredire dello sviluppo, il ruolo dei biomarcatori si sposta dalla conferma dell’attività farmacologica all’identificazione dei pazienti che hanno maggiori probabilità di trarne beneficio. Questo cambiamento è particolarmente importante per le terapie mirate, le immunoterapie e i trattamenti diretti contro sottogruppi di malattie molecolarmente definite.
Il programma pembrolizumab è un caso ben documentato.
Caso di studio: Pembrolizumab e PD-L1 come biomarcatore predittivo
Pembrolizumab è un anticorpo monoclonale mirato alla proteina 1 della morte cellulare programmata (PD-1). Il blocco dell'interazione tra PD-1 e i suoi ligandi, tra cui PD-L1, ripristina aspetti dell'attività antitumorale mediata dalle cellule T.
Lo sviluppo clinico iniziale aveva due domande a cui rispondere contemporaneamente: quale dose poteva ottenere un’attività farmacologica prolungata e quali pazienti avevano maggiori probabilità di rispondere.
Gli studi sull'occupazione dei recettori hanno fornito la metà farmacologica. Le indagini cliniche hanno dimostrato un'occupazione sostanziale di PD-1 sulle cellule T circolanti nell'intervallo di dosi valutato, con un impegno costante del target, e tali risultati hanno delineato il quadro della relazione tra dose, esposizione e occupazione.
La selezione della dose si basava su qualcosa di più della semplice occupazione. La farmacocinetica clinica, i risultati farmacodinamici, i dati di efficacia e sicurezza sono stati valutati insieme. Il programma clinico iniziale ha valutato regimi di dosaggio multipli e 2 mg/kg ogni tre settimane sono diventati una dose importante nel programma di sviluppo iniziale.
La selezione dei pazienti era la seconda domanda.
L'espressione PD-L1 è stata studiata come potenziale biomarcatore predittivo. L'immunoistochimica ha quantificato PD-L1 nei campioni di tumore e i risultati sono stati testati rispetto alla risposta al trattamento.
Successivi studi clinici hanno stabilito l'importanza dell'espressione di PD-L1 nella selezione dei pazienti per determinate indicazioni di pembrolizumab. KEYNOTE-024 ha valutato il carcinoma polmonare non a piccole cellule (NSCLC) avanzato precedentemente non trattato con un punteggio di proporzione tumorale (TPS) PD-L1 di almeno il 50% e senza alterazioni sensibilizzanti dell'EGFR o dell'ALK, in un contesto di trattamento di prima linea arricchito con biomarcatori. Pembrolizumab ha prodotto risultati clinici migliori rispetto alla chemioterapia a base di platino in quella popolazione selezionata.
Il test PD-L1 IHC 22C3 pharmDx è stato sviluppato come strumento diagnostico complementare per le indicazioni pertinenti.
Due applicazioni complementari si trovano all'interno di quell'unico programma. L'occupazione dei recettori ha supportato la comprensione dell'interazione farmaco-bersaglio e della farmacologia clinica; l'espressione tumorale PD-L1 ha identificato una popolazione di pazienti con maggiori probabilità di trarne beneficio. Un indicatore di coinvolgimento del target e un indicatore predittivo rispondono a domande diverse anche quando entrambi appartengono allo stesso programma di sviluppo, motivo per cui ciascuno viene valutato rispetto al proprio scopo clinico previsto.
6. Perché i biomarcatori traslazionali devono essere valutati attraverso le specie
Un biomarcatore che funziona in un modello animale non è automaticamente adatto alla traduzione clinica. Le differenze nella struttura molecolare, nell'espressione target, nella regolazione immunitaria, nel metabolismo e nella distribuzione tissutale influenzano sia la misurazione stessa che la sua interpretazione biologica.
La comparabilità tra specie rientra quindi nella progettazione della ricerca preclinica. Quattro aspetti comportano la maggior parte del rischio.
Comparabilità analitica.I test devono essere sufficientemente specifici e sensibili nelle specie interessate. Anticorpi, primer, reagenti di rilevamento e altri componenti analitici possono presentare caratteristiche prestazionali diverse nei campioni umani e animali.
Rilevanza biologica.Un cambiamento misurabile in un animale non rappresenta sempre lo stesso processo biologico nell’uomo. La domanda è se il biomarcatore riflette un meccanismo conservato o una risposta specie-specifica.
Rilevanza tissutale.I biomarcatori misurati nel sangue periferico spesso indicano in modo errato l’attività biologica nell’organo bersaglio, il che è importante nella ricerca sul sistema nervoso centrale, in oncologia e sull’infiammazione tessuto-specifica.
Rilevanza temporale.I cambiamenti dei biomarcatori e le risposte cliniche o funzionali possono essere compensati nel tempo, quindi il programma di campionamento determina se una relazione esposizione-risposta è visibile.
I modelli di primati non umani (NHP) diventano utili laddove il meccanismo farmacologico dipende da bersagli molecolari conservati, interazioni immunitarie complesse o processi fisiologici che i modelli animali convenzionali rappresentano scarsamente. Per i prodotti biologici e altre terapie specie-sensibili, gli studi NHP caratterizzano il coinvolgimento del target, l'esposizione sistemica, le risposte immunologiche e gli effetti farmacodinamici in un contesto fisiologicamente rilevante.
Gli studi NHP non eliminano le differenze tra le specie. Il loro valore dipende dalla rilevanza del modello selezionato, dalla reattività crociata farmacologica della molecola candidata e dall'idoneità dei biomarcatori da misurare.
Una strategia di biomarcatori traslazionali è quindi costruita attorno al meccanismo d’azione e all’applicazione clinica prevista, piuttosto che attorno agli endpoint che risulta conveniente misurare.
7. Integrazione dei biomarcatori in una strategia di sviluppo quantitativo
I biomarcatori danno i risultati migliori quando si inseriscono all’interno di una strategia di sviluppo integrata piuttosto che arrivare come misurazioni isolate.
Durante lo sviluppo preclinico, le misurazioni PK stabiliscono l’esposizione sistemica e, ove rilevante, l’esposizione tissutale. I test di coinvolgimento del target determinano se il candidato interagisce con il bersaglio molecolare previsto. I biomarcatori della malattia di Parkinson caratterizzano le risposte biologiche a valle e gli endpoint correlati alla malattia forniscono evidenza di miglioramento funzionale o patologico.
La modellizzazione PK/PD e l’analisi esposizione-risposta consolidano quindi tali dati nelle decisioni sulla selezione della dose, sugli intervalli di dosaggio e sulla progettazione dei primi studi clinici.
Durante lo sviluppo clinico, lo stesso quadro viene perfezionato con la farmacocinetica umana, l'occupazione dei recettori, l'attività del percorso, i risultati dell'imaging e gli esiti clinici.
Le informazioni non fluiscono in una direzione. Le osservazioni cliniche possono dimostrare che un biomarcatore ha un valore predittivo limitato, che un bersaglio non è sufficientemente coinvolto nel tessuto interessato o che i percorsi compensatori influenzano la risposta al trattamento. Tali risultati si ripercuotono sull’interpretazione dei dati preclinici e sulla progettazione di studi successivi.
Una strategia praticabile per i biomarcatori si basa su tre requisiti:
- Validità biologica:il biomarcatore riflette il meccanismo biologico previsto?
- Validità analitica:può essere misurato in modo accurato e riproducibile?
- Rilevanza clinica:il cambiamento misurato fornisce informazioni significative per lo sviluppo del farmaco o per i risultati sui pazienti?
Un biomarcatore che soddisfa uno o due di questi è ancora utilizzato nella ricerca esplorativa; la sua capacità di supportare le decisioni cliniche rimane limitata.
La selezione dei biomarcatori, lo sviluppo del test, la strategia di campionamento e la valutazione tra specie rientrano quindi nella progettazione iniziale dello studio, prima che i risultati sull'efficacia diventino disponibili.
Implicazioni per la ricerca traslazionale preclinica
Passare dalla farmacologia preclinica allo sviluppo clinico richiede qualcosa di più della semplice prova che un farmaco candidato produca un effetto in un modello animale. Richiede una visione di come l’esposizione ai farmaci, il coinvolgimento del target, l’attività biologica a valle e gli esiti legati alla malattia si collegano.
Gli studi PK/PD integrati e la valutazione dei biomarcatori rappresentano il modo in cui viene costruita questa visione.
Nella ricerca sui primati non umani tali valutazioni si combinano con misurazioni fisiologiche longitudinali,imaging clinico, campionamento dei tessuti ed endpoint funzionali all'interno di un unico quadro sperimentale. Uno studio NHP sul sistema nervoso centrale, ad esempio, può integrare le concentrazioni di farmaci nel plasma e nel liquido cerebrospinale, la valutazione basata sull’imaging, il coinvolgimento di target specifici del tessuto e gli endpoint neurologici o comportamentali. Il risultato sono diversi livelli di evidenza invece di una singola misurazione terminale.
Alla Prisys Biotech,Farmacologia NHPgli studi comprendono la valutazione PK/PD, la valutazione dei biomarcatori correlati alla malattia, l'imaging clinico e l'analisi degli endpoint funzionali in base agli obiettivi del programma di ricerca. Il disegno specifico dello studio e la strategia analitica sono determinati dal farmaco candidato, dal meccanismo d'azione e dall'applicazione clinica prevista.
Trattare i biomarcatori come input decisionali piuttosto che come volume è la differenza pratica. Laddove l’attività biologica può essere quantificata e interpretata in modo coerente attraverso modelli sperimentali e studi clinici, le decisioni di sviluppo si basano sull’evidenza e la distanza tra efficacia preclinica e risposta umana diventa qualcosa che un programma può indagare direttamente.
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