药物基因组学在药物研发中的转化与应用

温家根，周宏灏，张 伟

(中南大学临床药理研究所，湖南省遗传药理学重点实验室，湖南长沙 410078)

近年来，许多上市药物如西布曲明、西立伐他汀等由于其严重的不良反应被撤市，后续研究发现这些不良反应均与药物相关生物标记的遗传多态性有关［1］。目前，生物标记的遗传多态性与药物疗效及毒性的研究获得了突破性进展，以药物基因组学为基础的药物研究平台受到了各大制药公司和药物研究机构的青睐，应用药物基因组学已成功开发出了曲妥珠单抗(赫塞汀)、吉菲替尼、威罗菲尼等肿瘤靶向药物。此外，对已上市药物的遗传药理学研究，同样可以指导临床合理用药，如华法林、阿巴卡韦等。与传统的研究方法相比，药物基因组学平台的应用将有助于缩短药物开发周期、降低研究成本及药物的毒副作用［2］。本文将介绍近年来药物基因组学的转化和应用概况。

1 药物安全性有效性与药物基因组学

药物的安全性和有效性是新药开发和临床用药的核心问题。据统计，绝大多数药物在约1/3的使用者中不能取得满意疗效，约1/6的使用者发生不同程度的毒副反应，总安全有效率不到50%［3］。美国食品药物管理局(FDA)的数据也表明，美国约50%的病人初次服药时使用着错误的种类或剂量，每年死于药物不良反应的人数为10万人，因此而住院的人数为220万/年，造成的经济损失高达1770亿美元［4］。近20年来，由于严重不良反应被FDA召回的药物多达40余种，给制药企业造成的损失约400亿美元，其中认为与遗传因素相关或很可能相关的品种约有10种，约占撤市药物总数的25%，涉及的基因包括Ⅰ相代谢酶CYP450s、Ⅱ相代谢酶UGTs、转运体SLC家族、离子通道hERG、受体5-HT 等［1］。

药物代谢酶、药物转运体和作用靶点，即药物相关生物标记，与药物的药代动力学、药效动力学及毒副作用等关系密切。药物相关生物标记的个体差异，尤其是一些能够明显影响代谢酶、转运体及作用靶点的多态性，引起了体内血药浓度的变化及药物反应的异常，导致不良反应出现及药物的不敏感。例如，2010年，减肥药西布曲明(曲美)因发生严重心血管不良反应而被撤市［5］。早在2008年周宏灏院士等与韩国研究者共同发表的权威报道中，西布曲明便被证实在体内可被高度遗传多态性的药物代谢酶CYP2B6所代谢，CYP2B6基因多态性可导致酶活性降低70% －100%［6］。突变者体内西布曲明的平均浓度增加252%，代谢产物增加148%，其明显增高的药物浓度极可能造成严重心血管毒性。同时，西布曲明可抑制hERG离子通道，延长QT间期，从而诱发长QT间期综合征(LQTS)，导致心跳骤停［7－8］。又如，2001年，西立伐他汀因导致了31例严重横纹肌溶解致死事件而被撤市［9］。后续研究证实，SLCO1B1基因521T＞C多态性是他汀类药物主要不良反应横纹肌溶解的独立决定因子，对于预测和预防他汀类药物的肌毒性具有关键作用［10－11］。而具有类似毒性的同类药物辛伐他汀、阿托伐他汀和瑞舒伐他汀等因及时修改药品说明书，警告SLCO1B1基因521T＞C多态性携带者应调整药物剂量至25%－50%，仍然在市场上占据重要地位。

2 药物基因组学的发展

19世纪50年代首先由Motulsky和Vogel提出了遗传药理学这一概念，早期遗传药理学主要阐释了药物代谢酶的异常与药物应答的关系，而后，普萘洛尔代谢和反应的种族差异的发现证实了代谢酶的表型具有种族特异性［3］。1990年，美国正式启动了国际人类基因计划(HGP)，随着计划的进行，1997年药物基因组学的概念被正式提出。2002年人类基因组计划完成，所有两万个人类基因序列已被阐明，药物基因组的研究更加深入。从2005年开始，全基因组关联研究(GWAS)提供了很多疾病的易感位点，后续研究发现很多位点都与药物的应答相关，而基于药物疗效的GWAS则可以发现更多的药物相关基因，弥补了候选基因研究的不足，同时也为GWAS研究成果的转化带来了曙光［12］。高通量测序技术的发展和生物芯片技术的完善，使得药物基因学的研究变得更加简单快捷，全基因组分型应用到个体化临床诊断与治疗成为可能［13］。

药物基因组学的研究内容也在不断更新，在药物基因组学研究的起步阶段，药物代谢酶、转运体、药物靶点的单核苷酸多态性(SNPs)是研究焦点［14］。然而，SNPs只能在一定程度上阐释药物在不同人体及群体间药代动力学和药效动力学的差异，药物基因组学的研究逐渐转向基因的拷贝数变异(CNV)及甲基化、mircoRNA 等表观遗传水平［15］。Ebert等［16］在研究结直肠癌治疗时，发现肿瘤组织TFAP2E高甲基化后，DKK4表达水平升高，结肠癌对氟尿嘧啶出现严重的耐药，患者预后分极明显。其次，从生殖细胞药物基因组学向癌症药物基因组学发展。在心血管、精神类、代谢类、传染性疾病中，生殖细胞遗传基因可以在很大程度上决定药物应答的个体差异，然而在肿瘤疾病中，肿瘤组织基因组出现很大变异，变异不仅与肿瘤的发生相关，还直接决定了化疗药物的敏感性。因此，可针对肿瘤特异基因设计靶向药物，目前，成功开发的肿瘤靶向药物已有曲妥珠单抗、吉菲替尼、威罗菲尼等，肿瘤药物基因组已经成为了药物基因组学的研究重点。最后，药物基因组学研究的另一趋势是从药物的单基因变异效应向多基因遗传变异的综合效应发展。药物可以通过多个环节、多条途径发挥作用，同样疾病也可以通过多条途径影响药物的作用。例如，CYP2C9和VKORC1基因的变异只能解释40%患者间华法林用药剂量的差异，而CYP4F2及其他疾病因素对华法林用药剂量也有着很大的影 响［17］。Patel 等［18］发 现 FLT3-ITD、MLL-PTD、PHF6、ASXL1、IDH2、CEBPA等基因突变的共同效应与急性骨髓系白血病患者柔红霉素治疗的预后明显相关。

近10年来，药物基因组学在药物研发及个体化用药中越来越受重视。2005年，国际“遗传药理学研究网络”(PGRN)正式成立，明确地阐释了药物基因型与药物应答的关系，使用药物基因组学的研究结果改善疾病的治疗方案，将人类基因数据囊括到疾病预防、个体化用药的日常临床规范中［19］。同年，“遗传药理学与药物基因组学知识库”(PharmGKB)也建立完善，该数据库为研究者们及临床医生提供了众多药物基因组学信息［20－21］。2007年，以“药物基因组学/生物标记与新药开发的管理决策”为主题的“第四届美国食品药品监督管理局(FDA)—制药企业研讨会”在Bethesda召开，此举由美国食品药品监督管理局(FDA)、药物基因组学工作组(PWG)、美国药品研究和生产协会(PhRMA)、美国生物技术工业组织(BIO)和药品信息协会(DIA)等组织共同联合发起，旨在将药物基因组学与生物标记全面应用于新药开发的管理决策。同时，各发达国家及地区纷纷出台相关的规范，以加快药物基因组学的转化与应用(见Tab 1)。

表1 各国发布的药物基因组学相关规范

3 药物基因组学在药物研发各阶段中的应用

目前，除极少数抗肿瘤药物是在药物基因组学的指导下进行研发，大部分药物仍遵循传统的研发路线，缺少了药物相关遗传标志物的数据。然而，将药物基因组学全面应用到药物研究各阶段十分必要:对于新药研发，从新化合物的发现直至临床实验的结束，均可进行药物基因组学的相关研究，从而缩短药物研发的周期，降低药物研发成本;对于上市药物，尤其是价格低廉疗效确切但具有潜在风险的药物，进行药物基因组学的再评价，可以发现潜在的风险基因位点，增强药物安全性，避免撤市，甚至可以使撤市药物重新上市。

3.1临床前研究临床前研究包括了新化合物的发现、药理毒理研究、细胞及动物模型的研究，而药物基因组学在药物临床前研究的各阶段均可发挥重要的作用。首先，在抗肿瘤药物的开发中，针对肿瘤特异性标记物设计的靶向药物在癌症治疗中的地位日益重要。曲妥珠单抗的研发成功揭开了肿瘤靶向药物治疗的序幕，该药物靶向性抑制乳腺癌细胞HER2受体的功能，使得HER2阳性患者获益［24］。2002年，Sanger研究机构发现60%的黑色素瘤患者均出现了BRAFV600E突变，突变后黑色素瘤出现持续增殖和凋亡抑制，而威罗菲尼(Vemurafinib)可以特异性地阻断BRAF途径，抑制黑色素瘤［25－27］。2007年，ALK融合基因被发现，并被认为是NSCLC部分亚型中的促癌变因子，ALK基因重排的发生约占NSCLC患者的3%［28－29］。同年发现克唑替尼(Crizotinib)具有明显抑制ALK和c-Met受体的功能，抑制ALK阳性肿瘤的发展［30］，该药最终于2011年8月上市，用于NSCLCALK的治疗。其次，对新化合物的研究，应在药物基因组学的指导下，明确药物在体内的代谢过程和药效过程中所涉及的通路，推测潜在靶点、信号通路和药动学过程(吸收、分布、代谢、排泄，简称ADME)相关蛋白的遗传变异对药物处置及应答的影响，设计体外细胞实验及动物实验。此外，必要时，还应该利用定点诱变技术构建细胞模型及使用基因敲除小鼠模型，对药物相关的基因位点进行研究，为临床研究提供充足的证据。

3.2临床研究

3.2.1Ⅰ临床研究中，应当选择具有药物相关的代谢酶和转运体的多态性的受试者，对临床前研究中发现的药物代谢转运相关基因靶点进行验证，更加精确地预测药物的个体化使用剂量。由于Ⅰ、Ⅱ临床实验的人数有限，可采用回顾性研究的方法对相关性不强的生物标记进行研究，初步推测及估计各标记在药物反应中的作用。

3.2.2Ⅲ期临床研究提供很多药物在患者体内的疗效、毒性及药代动力学方面的数据，为确保数据的准确性，在该期应更多地采用前瞻性研究策略，选取潜在可获益(疗效好，毒性可能性低)的特定基因型人群，排除潜在不可获益(无效和毒性可能性高)人群。由于入组的病例具有较大的一致性，所需的病例数较传统Ⅲ期临床研究有所降低，例如，克唑替尼临床实验只招募255名局部晚期或转移的ALK阳性NSCLC患者，由于其疗效明显，该药很快被 FDA批准上市［31］。而在威罗菲尼Ⅲ期临床研究中，入组的病人仅为132例BRAF-V600E黑色素瘤患者，患者使用威罗菲尼后，总体生存期延长至16个月［32］。此外，该期也可以对一些基因的突变进行回顾性研究，如抗癌药西曲昔单抗和帕尼单抗可以靶向EGFR受体，而KRAS是EGFR下游信号，KRAS基因12号外显子突变，则导致EGFR靶向药物敏感性降低［33－34］，若Ⅲ期临床研究能对KRAS突变进行回顾性研究，必然会节省大量时间和经费，精确定位EGFR靶向药物的获益人群。Ⅲ期临床研究融入药学基因组学的主要任务在于评估基因型与药物效应之间的关系;同时，其另一个重要任务是开发相关基因分析的方法及试剂盒，并进行质量评价，确保基因分型专属性和准确性。

3.2.3药物毒性过敏反应应该是Ⅳ期临床研究应关注的重点。Ⅳ期临床研究应针对药物毒副作用进行药物基因组学的再评价(如过敏相关的HLA基因突变位点)，发现药物毒副作用的遗传标记物，最终完善药物标签，避免药物因严重药害事件而退市。

3.3上市药物再评价目前，大部分上市药物在研发时均未进行药物基因组学的研究，且其中很大一部分药物的安全性有效性受到了质疑，因此上市药物的再评价显得尤为重要。华法林的药物基因组学研究是目前最成功的一个案例，CYP2C9和VKORC1两个基因突变的发现，使得预测华法林的个体化用药剂量成为可能，华法林的安全性大大提升［35］。又如，5%的阿巴卡韦白人使用者可发生严重过敏反应，而针对HLA-B*5701的一项临床实验(在基因未分型和排除基因型为HLA-B*5701的两组受试者中进行)发现:在排除HLAB*5701基因型的受试者中未出现免疫相关的过敏反应［36］。根据这一结果，FDA在2008年对阿巴卡韦的药品说明书进行了修改。最近，Liao等［37］发现使用阿斯匹林可以明显延长结直肠癌PIK3CA突变患者的生存期，而野生型则无变化，该研究提示PIK3CA突变的直肠癌患者应当辅助使用阿司匹林。对于一些公认的影响药物作用的基因靶标国外已有专门的试剂盒，能够快速特异地进行患者的基因分型，临床医生和临床药师可根据测试的结果对药物的使用进行调整。在研究上市药物的药物基因组学时，选择的药物应当是疗效差异明显、不良反应出现率高，针对特定的疾病无更加安全有效且价格低廉的药物。通过以上手段，避免一些疗效确切且价格低廉的药物因潜在风险而被淘汰，节省新药开发的费用，同时排除了具有潜在风险的患者，增强药物的安全性。

4 展望

随着人类基因组学和药物基因组学研究的发展，遗传因素和基因多态性已被认为是造成药物毒性和疗效差异的首要原因，药物作用靶点也由原来所认为的500个增至2 000个，并由此为药物研发带来了无限商机［38］。在药物研发各阶段全面开展药物基因组学研究可从源头最大限度遏制严重药害事件，降低治疗失效的比例，并可研发具有高科技附加值的全新药物，努力赶超欧美制药强国。最后，此举还可明显增进国民健康，减少医患纠纷，为国家节省大量的医疗资源和卫生保险开支，从而获得巨大的社会效益和经济效益。

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