随着创新药物研发领域基础科学研究取得的巨大进步和发展,极大地丰富了药物靶点的数量、扩展了靶点的范围。然而,尽管时间和金钱成本持续不断地投入,但新药获批的数量并未如预期增长。因此,致力于确定药物的确切疗效和提升研发效率成为新药研发的主旋律,而生物标志物的应用可为潜在候选药物的发现提供捷径。
生物标志物(Biomarker)通常是指能被客观测量和评价,反映生理或病理过程,以及对暴露或治疗干预措施产生生物学效应的指标。生物标志物主要来源于人体组织或体液,可包括生理、生化、免疫、细胞和分子等水平的改变。同时,具有生物学的物质性以及和人体生理病理关联的计量性。这种计量的变化与人体的生理条件、疾病的发生和发展、健康状态等紧密相关。可包括基因变异、蛋白受体异常表达或血液成分的变化等。因此,生物标志物的检测可广泛地应用于病人的筛查、诊断、临床研究、指导用药、预后等领域。CDE颁布的《生物标志物在抗肿瘤药物临床研发中应用的技术指导原则》,以及FDA和NIH联合制定的BEST (Biomarkers, Endpoints, and other Tools) Resource可以全面系统地指导生物标志物在药物有效性和安全性研究中的应用。本文将就生物标志物的分类、定义及应用、生物分析策略、方法学验证的考量要点以及案例分享等几个方面进行详细阐述。
01
生物标志物的分类、 定义及应用
传统意义上,临床医生用生物标志物监测治疗进程、疾病进展和干预效果。根据生物标志物的功能特点的差异,通常将与药物研发相关的生物标志物分为以下六种类型:诊断性生物标志物、预后性生物标志物、预测性生物标志物、效应生物标志物、安全性生物标志物、监测性生物标志物。同一生物标志物可能具有不同的功能属性,因此在不同的使用背景下,同一生物标志物的归类可能不同。
(1)诊断性生物标志物(Diagnostic Biomarker)
用于检测或确认疾病的存在,或识别疾病亚型的生物标志物。可判断患者是否患有特定疾病,或者作为志愿者能否作为入组某个疾病临床试验的关键决策。不同疾病亚型会对某些治疗方式表现出不同的效果。比如肿瘤切除后,预后标志物可以预测乳腺癌复发的可能性。某些病理标志物,比如会在心衰时,预测什么人会对治疗有所响应。有些基因水平的标志物可用于判断对癌症的治疗是否应答。可以鉴别疾病亚型的诊断型生物标志物通常在诊断分类结果被用作预测或预后(prognostic)生物标志物时发挥关键作用。
(2)预后性生物标志物(Prognostic Biomarker)
反映疾病预后特征、疾病复发或进展风险的生物标志物。预后生物标志物可以指示将来临床事件增加或减少的可能性,以及在特定人群中疾病复发或进展。将来可能发生的临床事件包括死亡、疾病进展、疾病复发、出现新的临床症状。预后生物标志物的出现和强度可能根据临床试验方案的设定而有所不同,比如治疗差异、疾病阶段等,尤其是临床终点的选择。所以,描述预后生物标志物需要结合合适的场景。预后生物标志物通常用作临床试验中更易产生临床事件或疾病进展患者的判定标准。因此,其在药物研发中应用非常广泛:预后性生物标志物可应用于受试者分层,由于不同预后的患者疾病进程不同,发生临床终点事件的几率也不尽相同。通过预后性生物标志物将受试者分层,可减少受试者异质性和混杂因素对研究结果的干扰,减少组间偏倚。预后性生物标志物还可用于人群富集,通过识别、富集临床事件发生比例更高的患者群体,可提高研究针对性。需要注意的是,预后性生物标志物反映患者疾病预后特征,通常与治疗或干预措施无关。
(3)预测性生物标志物(Predictive Biomarker)
用于预测个体对某种治疗或干预措施疗效应答情况的生物标志物。也就是说,当某些群体存在该生物标志物时意味着比阴性群体更容易或不容易对治疗或干预产生应答。应答可以是症状上的获益、生存期的提升或者是副作用。预测性生物标志物应用于对干预结果的预测时,本身可以代表宿主的特征,或者是疾病进展时的特征或者药物治疗状态等。预测性生物标志物作为宿主特征时,是与个体的疾病或者药物本身无关的,比如种系DNA、HLA型或者CYP450基因多态性、肝肾功能、代谢特征等;而当代表疾病进程或者药物治疗状态时,可包括疾病组织的蛋白水平、肿瘤变异、心力衰竭患者低/维持供血、妊娠期血清蛋白水平。药物研发时,要基于药物作用机制或者基于对疾病病理生理的理解选择预测性标志物。但是,也会基于经验进行选择,比如之前的研究结果。不同于对诊断人群的预后性生物标志物,对于未诊断疾病的人群,预测性生物标志物与治疗或干预措施相关,预测特定的治疗疗效,可评估易患病或发生医学事件风险因素,可用于受试者分层、人群富集、排除非获益个体。
(4)效应生物标志物(Response Biomarker)
用于指示人在接受药物治疗或环境因素影响后产生的潜在的有益的或者有害的生物学效应。药效学生物标志物可对药物的疗效或者疾病的治疗结果以及概念验证进行决策。临床终点往往需要相对更大样本及更长的周期,相比之下,通过药效学生物标志物可以在早期研发阶段探索反应信号。药效学生物标志物可以用于概念验证、指导药物剂量选择,以及作为替代终点开发的指标,写入药品说明书。药效学指标可以提供药物与靶点的作用情况,然而,讨论作用机制时不可与药物直接对疾病的作用情况或者变化割裂讨论。
替代终点指标可以用作替代直接的指标,如患者感受、功能、生存等。替代终点指标不会直接测定临床主要获益,而是以期通过基于流行病学的、治疗学的、病理生理学的或者其它科学的证据预测药物临床获益或有害。药效学生物标志物如能建立临床获益目标的验证关联,可作为替代终点,从而缩短研发周期。依据FDA将替代终点和潜在的替代终点依据临床验证的水平分为三种:经验证的(validated)替代终点,合理可能的(reasonably likely)替代终点,候选的(candidate)替代终点。
(5)安全性生物标志物(Safety Biomarker)
通过在用药前检测、用药过程中或用药后进行检测,用以指示是否产生毒副作用、程度如何,从而避免或降低患者发生严重安全性风险的生物标志物。安全性生物标志物可以检测或预测医学干预和环境因素不可预期的、且可能有潜在的风险或者具有毒副作用。在毒性反应严重之前通过检测安全性生物标志物的水平获悉潜在风险,从而调整药物剂量或进行干预治疗。安全性生物标志物还可以帮助临床制定合理的治疗方案。这类生物标志物需要进行周期性监测,以保证药物的潜在毒性被监控。理想的安全性生物标志物可以指征毒性作用发展的过程,比如某药物会引起器官损伤,在临床症状或者不可逆的损伤发生之前可以通过安全性生物标志物的监测发现潜在风险。安全性生物标志物还可以作为终止治疗的依据,减少或避免严重不良反应的发生,还可以用于发现人群种族差异,识别安全治疗窗差距,指导合理剂量选择。
(6)监测性生物标志物(Monitoring Biomarker)
用于评价疾病状态或者用药状态或者是用药后的反应引起的反应,可通过动态重复检测,监测疾病状态变化的生物标志物。可以用于评估疾病的进展,包括新疾病的发生、已有异常症状的恶化、疾病的变化;评估疾病治疗程度。随时间动态检测生物标志物的变化,不仅仅只通过观测数值的变化来衡量,而是要关注标志物随时间变化的比率、量级,个体和患者群体的关系(如亚型、人口统计),或者疾病相关特征(如疾病严重程度、持续时间、特定疾病)。在临床或者临床试验中,可能会在一个周期或多个周期内对监测性生物标志物进行监测,比如疾病诊断后或者在干预前。
02
Fit-for-purpose的生物分析策略
生物标志物作为药物研发中安全性和有效性的重要依据,其生物分析尤为重要。生物标志物是内源性物质或者分子,不同于外源物的生物分析,需要对在生理、病理、合并症、治疗状态以及环境因素作用下引起的内源生物标志物的升高或者降低水平进行检测分析。
2.1生物分析方法的类别
根据待测物的代表性将生物分析实验分为绝对定量实验、相对定量实验、半定量实验和定性实验。
绝对定量实验是采用标准品拟合计算未知样品中待测物的绝对量。该类实验通常是在标准参考品明确、且可完全代表内源生物标志物的情况下开展,比如小分子分析物(如甾体)。采用的是已验证准确度和精密度的生理化学或者生物学方法对待测物进行准确定量。
相对定量实验是依赖于标曲的响应-浓度关系进行定量。例如多种细胞因子的免疫实验,标准参考品可能无法获得,或者所获得的标准参考品无法代表内源分析物。在这种情况下,方法的精密度可以被验证,但是准确度是相对准确。
半定量实验则不用标准曲线,但待测样品具有连续的响应和可报告的分析结果的特征。比如抗药抗体的抗体滴度实验能够表明方法的精密度,但无法表征准确度。
定性实验产生的数据与样品中分析物的量缺乏比例关系。这样的结果通常用于判定结果是全或无的效应,比如表示基因或基因产物有或者没有。作为定量实验,则需要对方法的适用性、可靠性进行合理评估、确证或验证,以最终决定方法是否可用于生物样品中生物标志物的分析。
2.2 Fit-for-purpose的生物分析
创新药物研发时的生物分析方法有别于实验室用于健康评价、疾病诊断、预防或治疗时所采用的方法,后者是基于美国临床实验室改进法案修正案(the Clinical Laboratory Improvement Amendments, CLIA)。如前文所述,药物研发所涉及的生物标志物种类众多,在药物的开发过程中应用目的也极为广泛,因此,到目前为止并没有监管部门统一发布的生物标志物方法验证的法规或指导原则。由于生物标志物研究缺乏标准物质、存在于基质中、个体之间水平变异大,使得生物标志物的分析方法很难设定一致的分析策略和接受标准。目前,行业对于生物标志物的生物分析已达成共识,可以采用“fit-for-purpose”的生物分析策略,即为根据生物标志物应用的目的、临床用途和实际结果表现来确定生物分析方法学验证的内容和接受标准。
明确检测对象及其生物学相关性对于生物标志物数据解析至关重要,同时,也可作为生物分析策略制定的依据。首先需要确定生物标志物的应用目的,比如是否是作为探索性指标、主要终点指标或次要终点指标。若生物标志物作为探索性指标,数据用于支持药物研发早期阶段如候选物选择、内部决策、概念验证时,则进行开发或探索性的方法性能进行确认,或者进行方法的部分验证即可,可以根据需求制定合适的验证内容。若生物标志物作为主要终点指标或主要替代指标,作为关键数据用于安全性或有效性的决策,或用于支持药物给药剂量的调整,且作为说明书的内容用于申报,则需要依据ICH M10进行完整验证,如表1所示。
表1 生物标志物方法学研究策略
来源C-Path,2019.
2.3 制定方案前的考量
需要基于生物标志物的应用场景制定生物分析方案,可根据药物的作用机制或生物学意义、药效学作用、方法开发、结果的报告和结果的解读等方面全面考量(如表2所示)。如需根据临床试验目标人群,确定试剂、基质(健康人或患者,真实基质或替代基质等)的选择;根据目标人群中生物标志物的水平以及给药后生物标志物的变化水平进行方法的灵敏度等确定;样本的采集、处理储存等环节的把控至关重要,其直接决定检测数据的可靠性、准确性,需根据临床需求制定合理的生物样本采集、运输、储存方案。方法学的考察应能覆盖样本从采集至检测完成整个生命周期,包括不限于如下考虑,如:采样管/储存管的材质、采用血清还是血浆、细胞或全血的处理过程(如细胞样本若处理不当,通路可能被激活)、稳定性。对于生物标志物的检测还应考虑药物与生物标志物结合所带来的干扰。此外,检测平台的选择关乎方法的变异,根据生物标志物的特点,如可溶性、细胞膜表面的、直接与靶点作用、下游事件乃至基因层面等。并且,一种平台适应某种生物标志物的检测,但可能不适合其它的,所以检测方法和平台的选择非常重要。
表2 基于应用目的的生物标志物生物分析的基本考量[10]
(1)标准参考品
PK分析中标准物质是等同于临床样品中待测物的,PD分析则与之不同。PD分析的标准参考品通常是重组或者纯化得来,可能与体内真实的内源性分析物存在差异,并且通常是由外部供应商提供,标准物质的特性和浓度值存在未被明确定义的风险,并且随着时间的变化,批与批之间也会存在差异。此外,标准参考品有多种来源,也可能存在差异。外源生物标志物可能与内源标志物不同。生物标志物的生物学特征没有被全面揭示,尤其对于蛋白生物标志物,可能存在明显的异质性特征。加标的标曲样品的绝对浓度与内源物的生物相似性之间的关系并不确定。所以,当采用替代标准参考品时,需要通过平行性考察实验来评估替代标准参考品和真实内源性分析物的差异。当涉及标准参考品超有效期使用或者批号或者厂家更换时需要对标准曲线的重复性和质控样品的精密度/准确度进行考察,或者采用实际样本进行检测,从而对已过期或新批次的标准参考品的适用进行评估。
(2)基质
与PK实验不同,生物标志物生物分析中基质经常较为复杂,常用的基质包括:含有内源分析物的基质和替代基质,其中,替代基质包括不同种属的基质(无待测物或含少量的同源干扰物的)、去除内源物的同源基质(采用活性炭、亲和柱、高温孵育、酸碱水解等方式)、PBS、含有胎牛血清的PBS。因为大部分生物标志物的检测通常无法获得空白基质,所以会采用替代基质配制标曲。替代基质的优势是稳定性好、方便、长期一致性。使用替代基质的问题是因为与真实基质存在差异,需衡量采用替代基质检测真实样品的能力,以及采用内源基质检测结果的相似程度。可以采用替代基质中加标、内源样品池浓度在LLOQ和ULOQ之间的样品、内源基质和替代基质混合,或者在内源样品池中加标的方式进行相应考察。采用在替代基质中加标的方式最容易实施,此时,可以采用平行性评估标曲的性能,以指征替代基质中标曲对于真实基质中内源生物标志物定量的相似性,若采用替代基质的浓度-响应关系与真实基质的一致,结果即可被接收。然而,多指标生物标志物分析时,采用替代基质时,多指标没法同时满足要求的情况常常出现,所以,对于某些分析物非平行性问题也是不可避免的。
(3)验证性样品和质控样品
首先需明确验证性样品和质控样品,两者都是用于评价证明方法是否适用,评估方法与真实样品的检测间的内在变异。质控样品和验证性样品应尽可能模拟真实样品。理想的方法是采用内源性样品池作为不同浓度水平的QC样本,前提是内源性生物标志物的水平比较高。采用来源于患者或者健康个体的基质池,可以提供低浓度和高浓度可以覆盖真实样品浓度范围的样品。可以通过采用替代基质稀释高浓度的内源性样品至低浓度QC。注意QC浓度应该包含真实样品的浓度范围。内源性样品或者样品池的浓度是通过重复测定得来的,获得的值会指定给被测样品(内源性QC样品定值)。这些样品用途很多,分装冻存后可用于分析批质控、定量新批次试剂盒。还可以用于评估新批次标曲的性能。在没有固定的金标准时,内源性的QC可以用于控制方法的漂移。
内源性样品池不可实现时,应用较多的是采用含有低浓度水平内源物的真实基质或替代基质加标的方式制备验证性样品和质控样品,然后通过扣减内源性物质的水平评估准确度。但需要注意但是,对于蛋白生物标志物,加入的标准品可能没法等同于内源物。具体见“准确度和精密度”描述。
此外,还可以采用筛选阴性基质或者含内源性分析物水平极低的基质的方式,将基质混合后加标制备验证性样品和质控样品。
2.4 方法学验证内容
对于采用配体结合法(Ligand binding assays, LBAs)应用于低分子量的代谢物、多肽和蛋白,并且为单指标分析的情况,对于方法学验证和样品分析行业内已经形成了一定的具体的实施细则。全验证项目包括:准确度(相对),分析范围(Analytical Measurement Range,AMR):包括LLOQ和ULOQ,平行性:包括最低需求稀释度(MRD)和稀释线性,精密度(Imprecision; intermediate precision, reproducibility):批内、批间、不同天、不同人员(如适用)、不同lots(如适用),选择性,特异性,稳定性(样本):实验台、短稳、长稳、反复冻融。其中,平行性、选择性、灵敏度和稳定性是生物标志物的生物分析的关键指标(Key parameters)。
(1)特异性
特异性是考察方法能否明确区分待测物与结构类似干扰物的能力。需要评价可获得的相关物质,如活性形式、降解产物、不同亚型等对待测物的干扰,干扰物的浓度等同或者高于生理水平下的浓度。对于小分子标志物,待测物的结构已知,代谢产物和结构类似干扰物的结构通常都是已知的,接受标准也和PK的类似。如果干扰物均可获得,则需要加入不同量的干扰物至基质中考察特异性。但是对于蛋白类生物标志物,亚型或者分解产物的结构未知,则较难获得相应的干扰物。此外,采用患者的基质在方法开发阶段考察特异性非常必要。也可以通过平行性实验评价是否存在特异性干扰。
(2)选择性
选择性是评价方法是否可以准确定量含有干扰物或者结构不相关物质的基质中待测物的能力。通常,需要考察健康受试者和患者的样本是否干扰待测物。如果内源物浓度水平非常低,并且采用真实基质配制标曲,建议选择性选取至少10个个体来源进行评估;如果内源物浓度高于LLOQ,并且采用替代基质配制标准曲线,同时,如果替代基质批次间基质组成变异较小时,采用替代基质(n=1)进行选择性考察即可。疾病的差异使得生物标志物水平存在差异。所以,建议评估在患者基质中的选择性。当基质类型为血浆或者血清时,需要考察高脂和溶血基质的选择性。当生物标志物为探索性指标时,通常不考察或者仅采用有限的样本进行评估即可。
(3)标准曲线
需要结合目标人群中生物标志物的水平以及药物干预后生物标志物上调或下调水平制定合理的线性范围(LLOQ到ULOQ)。对于配体结合实验,样品通常需要稀释至标曲范围,所以,根据真实样品中待测物的基线水平确定方法的LLOQ尤为重要。标准曲线通常至少包含6个已知浓度的样本,均匀分布于定量范围内。可以采用真实基质加标或者采用替代基质加标进行考察。当标准参考品为粉末时,建议配制标准曲线和质控样品时采用独立配制的储备液;当标准参考品为溶液时,标准曲线和质控样品的配制则从同一储备液中吸取,独立配制稀释系列。可通过筛选仅包括真实内源性生物标志物水平的样品定义LLOQ(通常n=20个来源)。此外,需要注意避免发生标准参考品的来源或者批号发生变化时会导致同样的样品得到不同的结果的情况。
需选择合适的模型拟合曲线,比如线性拟合、四参数或五参数非线性拟合。可以通过计算验证性样品的总误差(总误差=偏差的绝对值+中间精密度)的方式评估模型选择是否合适。通常相关系数r并不适用于评估配体结合实验室中标曲的模型的拟合,但一般说来,r值在0-0.19代表相关性很差,r值在0.2-0.39代表相关性差,r值在0.40-0.59代表相关性中等,r值在0.6-0.79代表相关性强,r值在0.8-1代表相关性很强。选择合适的权重也非常重要,需要注意的是,加权是用来反映和调整不一致(unequal)的SDs,而不是CVs。样品分析时应采用与方法学验证一致的权重系数。
(4)准确度和精密度
生物标志物准确度的考察是否按照PK实验进行具有一定争议。关键的问题是要清楚绝对准确度和相对准确度。小分子或者多肽类生物标志物,且采用稳定同位素内标的质谱法可以谈绝对准确度。生物标志物的准确度和精密度要求需根据试验的目的来制定。当待测物为低分子量物质,并且其标准物质可获得,则允许采用绝对准确度进行评估。
批内和批间的准确度和精密度可以通过目标人群获得的内源性真实基质重复测定精密度和定值(人群间或人群内或/和样品池相对于标准值的平均值和变异)进行评估,但绝大多数情况,由于可能无法获得标准参考物质而无法评估绝对准确度,相对准确度数据仍具参考意义。可依据内源物体内真实水平配制不同浓度的质控样品进行考察,也可以通过替代基质稀释真实基质、真实基质加标(包括加入替代标准参考品)、或者替代基质加标(包括加入替代标准参考品)。这些方法中,首选采用真实基质(患者基质或者受试者样品)进行精密度和准确度的考察。当采用含有内源物的基质加标配制质控样品时,准确度的两种计算公式如下所示,选择其中一个即可:准确度%=(待测物浓度-内源物浓度)/加标浓度×100或准确度%=待测物浓度/(内源物浓度+加标浓度)×100。无论是采用替代基质或者真实基质,不同的分析批中建议至少评价4个浓度,至少3个重复。当采用替代基质进行QC样本的制备时,应至少采用1批真实基质进行评价。
需要注意的是,由于内源物存在于真实基质中,当选择真实基质加标的方法时,应采取混合的真实基质,同时,加入至真实基质中的标准参考品的浓度水平需足够高,足以弱化内源分析物的本底水平所带来的影响。此外,当无标准参考品采用替代物进行定量时,需要依据COU,确保随时间变化长期实施过程中方法的稳定性和可靠性。通常会在6个月时采用已知浓度的样品确认标曲性能,确保采用替代标准品配制的标曲未发生漂移或变异。
(5)稀释线性和钩状效应(hook effect)
如PK分析中稀释线性的考察方式,在生物标志物实际样品分析中,若样品存在浓度高于标准曲线的定量上限ULOQ的浓度时,需通过对采用标准参考品配制的超过ULOQ的高浓度质控样品进行稀释,至少3个稀释因子,至少3个重复进行稀释线性的考察。同时,利用高浓度质控样品考察钩状效应,若高浓度质控样品的浓度低于ULOQ,则表示存在钩状效应,需优化方法消除基质干扰。稀释线性和钩状效应的考察根据具体情况,为非必须考察项。
(6)平行性
对于LBA法和质谱法,平行性实验是用来确定替代基质的适用性、确定MRD、确定定量下限等方法性能评估的关键实验,从而可以了解基质效应的影响、稀释高浓度样品至浓度范围的可靠性、真实来源基质的相似性。尤其是采用免疫方法定量内源性液体生物标志物时,平行性的考察极其重要且必要,不是可选项。
对于生物标志物来说,由于基质中存在内源分析物,因此,大部分采用LBA或者LC-MS法进行生物标志物定量研究的实验都采用替代基质。尤其采用LBA法,检测的只是结合部位的相互作用,不能全面反映真实样品中内源物内在的理化性质。所以,需要证明方法中采用的关键试剂与标曲中的标准参考品的相互作用和与真实内源物相互作用的相似性,主要是通过将真实基质稀释不同系列获得的平行线来评估的。理想的平行性考察结果是所有稀释度下的回收率均为100%,但现实中由于内在分析方法的变异不可能实现的。
平行性通常会错误地被认为与稀释线性相同。两者确实都采用了稀释的方法。稀释线性是通过基质加标配制高于ULOQ的样品后采用基质稀释的方式,以此评估稀释后测得的浓度与理论样品的浓度的斜率为1,成线性。平行性是采用含有内源性分析物的实际样品进行考察,评估样品的稀释-响应曲线是否与标准浓度-响应曲线保持平行。通常标曲是配制在替代基质中,而样品需要经过MRD进行稀释测得。比如说LBA法中的抗体试剂与分析物之间的结合会受到基质中竞争结合物质的干扰,使得不同浓度的分析物的结果不成比例,而通过采用替代基质稀释一定的倍数(MRD)可以降低或者消除这种竞争性相互作用。不同于PK分析,通常需要较大的MRD(1:20~1:40),对于生物标志物的分析,通常灵敏度是首要问题,MRD通常为1:2或者不进行MRD稀释。具体是可以通过稀释后的回算值与观察到的MRD时的值是否在方法的接受范围内。需要选择多个样本,尽量选择内源物水平高的允许进行几个系列稀释的样本进行实验。一般推荐选择3个个体,采用配制标曲的稀释液对将样本稀释至不同浓度水平。同时需要注意,在样本量充足的情况下,采用单独的样本不混合为宜。为了使标曲范围覆盖整个内源物的预期的浓度范围,通常每个样本需要至少进行3个稀释系列。
平行性的考察结果可以通过稀释因子的倒数(1/dilution factor)为横坐标,测得的浓度(观测到的或回算得到的浓度)为纵坐标进行评价,相关系数接近1时可能具有较好的平行性。可以认为标曲采用的标准参考品与生物标志物内源形式具有免疫学相似性,但是并不意味就是等同。由于平行性考察样本的准确浓度未知,所以,采用不同稀释度下回算浓度的CV评估时需注意。C-Path中指出,还可以采用批间精密度法进行评估,采用该法,接受标准≤3× inter-assay CV%(从验证样品的平均CV%计算而来)。纯样品(neat sample)和相应稀释后的样品在一个分析批中分析。回收率结果采用纯样品的结果作为真值,如果这个结果超过ULOQ,则以最小的稀释倍数的样品的结果(标曲范围内)作为真值。回收率的结果需要采用×相应的稀释因子后的数据进行计算。接受标准为回收率在100-3× inter-assay CV%~100+3× inter-assay CV%(含)范围内为合格。
应该在早期开发以及验证时就进行平行性的考察,并且在适用的情况下,应用正常或者疾病状态下的样本进行研究。但是在某些情况下,比如在健康人中没有表达或者仅仅在少数疾病状态下才表达的生物标志物,需要待收集临床样本后进行评估。无法获得高水平样本时,可考虑加入刺激剂的方法(若适用)。当生物标志物水平极低没法进行稀释考察平行性时,只能用稀释线性评估。
(7)稳定性
生物标志物的稳定性是用来评估生物基质在不同采集、放置、储存、运输等条件下内源性物质的稳定情况。定义生物标志物的稳定性较为复杂,通常,需要具体问题具体分析。不像小分子,大分子的稳定性是依赖于所采用的检测方法的。对于免疫分析,原理是抗体通过识别抗原表位实现检测,所以会导致稳定性结果的错误判断。比如,反复冻融可能会改变结合位点,使得采用LC-MS或者HPLC法则表明待测物稳定的,但采用免疫学实验会得到不稳定的结果。另外,生物标志物在储存的过程中会发生降解,使得检测结果偏高。所以,需要结合实验原理、生物标志物的特点等综合评判生物标志物的稳定性。
考虑到稳定性考察的内容,如室温、长期储存、冻融,个体间以及健康人和患者群体时虽然获得新鲜健康个体样本以及患者群体样本具有挑战,但首选采用真实基质或者内源分析物进行稳定性考察。单纯的采用重组蛋白作为标准参考品配制验证性样品或者质控品不足以反应临床样本的真实结果,所提供的结果不够可靠,甚至会报告错误的结果。所以,可以考虑采用已测样品( Incurred samples)或应用含生物标志物水平高的多个供体来源的临床样本进行稳定性的考察。稳定性考察样品的组成和临床样本尽可能一致,患者人群也应尽量相当(如疾病、年龄)。采集后的样本应立即置于低温(≤-70 oC)条件下冻存。稳定性考察样本应该覆盖标曲的范围或者预期样本的浓度范围。探索性实验可以至少选择3个供体来源。稳定性考察通常是通过测定储存一段时长的样品与新鲜制备的样品(零时/基线结果)比较。若采用第一天的结果(T0)评估后续实验存在困难,那么可以考虑检测系列时间,比如在t1、t2、t3时的稳定性考察样品的变化趋势。至少3个样本重复,若进行5个重复可以更好地了解每个样品的变异。此外,若为探索性实验,可以引用文献已报道的稳定性数据。
03
案例分享
生物标志物研究需要多平台协同开展,实验室需符合GLP、GCP要求的生物分析实验室、P2级细胞实验室和PCR实验室。阳光德美依托质谱分析平台、免疫分析平台、细胞生物学平台、分子生物学平台四大技术平台,开展从细胞水平、蛋白水平到分子水平的检测工作,协同解决大/小分子创新药物临床前/临床PK/PD研究中所遇到的挑战。实现对大小分子创新药物PK/PD研究的全方位支撑。
图1 研究平台部分实验室区域
图2 阳光德美生物分析和PK/PD研究平台
阳光德美生物分析和PK/PD研究平台积累了丰富的创新药PK/PD研究经验,涵盖药物类型有:PEG化药物、胶束、多肽、胰岛素、PDC、核酸药物、抗体、蛋白类药物、细胞产品(干细胞、CAR-T产品、自体免疫细胞)、病毒中和抗体的研究。PD指标和Biomarker的检测经验:包括,各种细胞因子、生物标志物、生化指标、受体占位、抗病毒中和活性等,涉及多指标、多平台,多种样品类型,复杂样本的处理方式,我们皆拥有丰富的经验和解决方案。下面简单分享几个各个平台下的生物标志物生物分析策略及解决方案。
案例一
细胞-病毒平台案例:抗病毒药物中和活性的检测
呼吸道合胞病毒(RSV)是引起婴幼儿季节性下呼吸道感染最为重要的原因,也是导致新生儿因病毒感染而死亡的重要因素,目前国内尚无用于防治RSV感染的疫苗和特效抗病毒药物上市。某RSV创新药物为全人源化RSV单克隆抗体,是国内头部的药企开发用于治疗RSV感染。前期研究结果表明其具有良好的中和活性,研发成果具有较高的临床价值和商业价值,有望填补国内RSV治疗领域的空白。
阳光德美的细胞-病毒平台的建设历时4年,建立了国际化、标准化的细胞-病毒研究质量管理体系、严谨系统的实验流程,可以针对性地根据项目需求快速建立细胞库、病毒库,曾建立可以支持5000个样本检测的细胞/病毒库。经过不断的探索和实践,团队积累和沉淀了丰富的细胞-病毒相关项目的研究经验。
阳光德美充分发挥了细胞-病毒平台的优势,采用ELISA法进行PK和免疫原性研究,采用微量中和滴定法进行各个剂量组中血清抗RSV中和抗体滴度水平的变化,高效、高质量地推进了该药物的临床PK、PD及免疫原性研究,为该药物的安全性和有效性评价提供有力的数据支持。目前,该药物正在进行Ib/II期临床试验。
案例二
细胞平台案例
(1) 应用免疫细胞信号通路激活模型检测pSTAT1水平
JAK与多种疾病密切相关,尤其JAK1亚型为多条通路的共同核心,具有丰富疾病谱,具有较大的成药价值。目前,全球已有9款JAK1药物获批。某JAK1高选择性的小分子抑制剂为国内企业自主研发且拥有自主专利权、临床试验提示良好的治疗效果以及更高的安全性。可用于类风湿性关节炎、强直性脊柱炎、银屑病、克罗恩病和溃疡性结肠炎,目前正准备启动II期临床试验。阳光德美采用流式平台,应用免疫细胞信号通路激活模型研究人全血样品中pSTAT1水平,获得的结果有力地为该药PK/PD研究提供数据支持。
(2) 流式细胞法检测人外周血中淋巴细胞亚群的数量
RAK细胞免疫治疗是采集人体自身免疫细胞,经过体外培养,使其数量成千倍增多,杀伤功能增强,然后回输到人体来杀灭血液及组织中的病原体、癌细胞、突变的细胞,打破免疫耐受、激活和增强机体的免疫能力,兼顾治疗和保健的双重功效,被称为细胞免疫治疗“机械化步兵”。某自体RAK细胞表现出在各实体肿瘤的过继细胞免疫治疗中均有明显效果,且具有良好的安全性和有效性,其注射液获批适应症为2线治疗失败的晚期肾癌患者,以及用于预防肝细胞癌外科根治性切除术后患者高危复发。目前该项目处于临床II期。阳光德美采用流式细胞法完成该疗法人外周血中15种淋巴细胞亚群的检测,以支持该疗法临床有效性的评价。
(3) PD1受体占位研究
PD1抑制剂与小分子药物联合用药具有巨大的优势。阳光德美采用流式细胞平台,分别应用Bond策略和Free策略进行PD1的受体占位研究,可为药物的安全性和有效性研究提供了参考。
(4) CFU的检测
集落形成(CFU)用于衡量造血克隆形成能力,证明其有分化血液中具有造血功能的细胞的潜能,是造血功能的恢复的重要指标。某药物是趋化因子受体4(CXCR4)拮抗剂,临床拟申请作为造血干细胞动员剂(HSC),适用于非霍奇金淋巴瘤或多发性骨髓瘤患者动员HSC进入外周血,以便于完成HSC采集与自体移植。
该项目的难点是:CFU的培养需要14天,对细胞操作水平要求极高,此外,对集落类型的判定、以及检测通量问题均具有挑战。阳光德美凭借扎实的技术技能,成功地建立了人全血样品中CFU的定量分析,为该创新药物的有效性研究提供了重要的数据支持。
案例三
免疫分析平台案例:ET-1的检测
内皮素1(ET-1)也被称为前内皮素1(PPET1),由21个氨基酸组成,是一种有效的血管收缩剂。ET-1在临床上的应用包括:可用作预测生物标志物、药效学生物标志物和预后性生物标志物。在正常人体内,含量非常低。阳光德美采用ELISA平台,依据ICH M10的要求进行完整的方法学验证,实现LLOQ水平(0.391 pg/mL)的精准定量,并将所建立的分析方法应用于临床样本的生物分析。为药物临床PK/PD相关性研究提供了数据支持。
案例四
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分子生物学平台案例:A2A受体靶基因检测
腺苷A2A受体(A2AR)已经成为众多非多巴胺类治疗帕金森病药物的明星靶点,其拮抗剂VG081821AC已经获得美国FDA上市。某创新药物是首个在国内申报临床的1类A2AR拮抗剂用于帕金森治疗的药物。目前正在II期临床试验中。阳光德美应用qPCR对PBMC样品中的A2AR基因表达水平进行检测,结果用于支撑药物的有效性评价。
04
结语
生物标志物可以作为帮助创新药物研发走出困境的一个重要工具,但不同于PK,生物标志物的应用场景众多,甚至对于同一种生物标志物会对应多种应用,使得生物标志物的生物分析面对诸多挑战。需要分析科学家通过了解药物的作用机制或生物学意义,建立合适的样本采集和生物分析方法,制定合适的验证内容和接受标准,以支持临床前、临床数据的解读,发挥好生物标志物在创新药物研发中的重要作用,助推创新药物研发进入新的发展阶段。
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参考文献
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