Salah satu tantangan utama dalam pengembangan obat adalah menentukan apakah efek farmakologis yang terlihat dalam studi praklinis juga akan muncul pada manusia. Seorang kandidat dapat menunjukkan kemanjuran yang meyakinkan pada model hewan namun masih gagal menghasilkan respons klinis yang diharapkan. Seringkali bagian yang hilang merupakan mekanisme biologis yang memiliki karakteristik yang cukup baik untuk memprediksi perilakunya pada spesies kedua.
Molekul yang sama menghasilkan respons yang berbeda antar spesies, karena ekspresi target, distribusi reseptor, metabolisme obat, paparan jaringan, regulasi kekebalan tubuh, dan biologi penyakit semuanya berbeda. Oleh karena itu, perbaikan pada model hewan tidak dengan sendirinya menunjukkan bahwa suatu mekanisme akan menghasilkan manfaat klinis.
Biomarker memberikan cara untuk mengatasi kesenjangan tersebut. Dengan mengukur perubahan yang terkait dengan paparan obat, keterlibatan target, modulasi jalur, dan respons penyakit, suatu program dapat membangun hubungan kuantitatif antara keduanyafarmakokinetik (PK)Danfarmakodinamik (PD). Hubungan tersebut menunjukkan berapa banyak paparan yang diperlukan, mekanisme biologis apa yang terpengaruh, dan apakah respons yang diamati berkaitan dengan penyakit manusia.
Dalam pengobatan translasi, tujuannya adalah kerangka kerja yang koheren: pengukuran praklinis menginformasikan keputusan klinis, dan observasi klinis merevisi hipotesis praklinis. Daftar calon penanda bukanlah hasil yang dapat dicapai.
1. Apa yang Membuat Biomarker Bermanfaat dalam Pengembangan Obat?
Biomarker adalah karakteristik terukur yang menunjukkan proses biologis, proses patogenik, atau respons terhadap suatu intervensi. Pengukuran molekuler, karakteristik seluler, parameter fisiologis, temuan pencitraan, dan perubahan perilaku yang diukur secara objektif semuanya memenuhi syarat.
Nilainya bergantung pada pertanyaan biologis yang ingin dijawabnya. Lima kategori berulang dalam pengembangan obat.
Biomarker farmakodinamikmenunjukkan bahwa respons biologis telah terjadi setelah pemberian dosis: konsentrasi sitokin, fosforilasi protein pemberi sinyal, ekspresi gen, aktivitas metabolisme.
Biomarker keterlibatan targetmenunjukkan bahwa obat tersebut telah berinteraksi dengan target molekuler yang dituju. Kedudukan reseptor, pengikatan target, dan penghambatan jalur sinyal terkait target adalah pembacaan yang biasa dilakukan.
Biomarker prediktifmengidentifikasi pasien yang lebih mungkin merespons pengobatan tertentu. Ekspresi PD-L1 dan perubahan BRCA1/2 adalah contoh umum dalam rangkaian terapi tertentu.
Biomarker prognostikmenggambarkan kemungkinan perjalanan suatu penyakit secara independen dari pengobatan tertentu.
Biomarker keamanantandai potensi toksisitas atau gangguan fisiologis terkait pengobatan.
Kategori-kategori tersebut tidak saling eksklusif. Sebuah biomarker tunggal dapat membawa berbagai jenis informasi tergantung pada konteks penelitian.
Biomarker juga bukan merupakan titik akhir klinis atau titik akhir pengganti secara default. Penurunan penanda inflamasi yang bersirkulasi menunjukkan aktivitas biologis; hal ini tidak menetapkan bahwa pasien akan mengalami perbaikan klinis yang berarti. Mengaitkan perubahan biomarker dengan hasil klinis membutuhkan bukti tersendiri.
Perbedaan itu membentuk segalanya di hilir. Mengukur perubahan adalah bagian yang mudah. Menafsirkan arti perubahan terhadap kemanjuran terapeutik adalah hal yang lebih sulit.
2. Landasan Praklinis: Menghubungkan Paparan Obat dengan Respon Biologis
Kontribusi biomarker yang paling berguna selama pengembangan praklinis adalah hubungan yang dibangun antara paparan obat dan aktivitas farmakologis.
Sebuah studi kemanjuran konvensional menunjukkan bahwa pengobatan meningkatkan titik akhir terkait penyakit. Laporan ini tidak menjelaskan apakah dampaknya berasal dari keterlibatan target yang memadai, modulasi jalur hilir, atau respons biologis tidak langsung.
Desain yang lebih informatif membentuk tiga hubungan yang saling berhubungan: paparan obat, keterlibatan target, dan respons farmakodinamik. Masing-masing menjawab pertanyaan yang berbeda.
Paparan obat: Berapa banyak obat yang mencapai kompartemen biologis yang relevan?
Studi farmakokinetik mencirikan penyerapan, distribusi, metabolisme dan eliminasi obat. Konsentrasi plasma merupakan titik awal yang penting, namun merupakan proksi paparan di lokasi tindakan, dan terkadang buruk.
Untuk obat yang menargetkan sistem saraf pusat, paparan plasma saja tidak banyak berpengaruh pada konsentrasi yang tersedia di jaringan otak. Antibodi dan bahan biologis besar lainnya terdistribusi secara berbeda dari molekul kecil karena alasan yang berada di luar konsentrasi plasma.
Tergantung pada mekanisme terapeutik, pengukuran yang relevan mencakup konsentrasi plasma total dan tidak terikat, konsentrasi jaringan, konsentrasi cairan serebrospinal, atau distribusi obat lokal.
Keterlibatan target: Apakah obat berinteraksi dengan target yang dituju?
Keterlibatan target menghubungkan paparan obat dengan aktivitas farmakologis.
Untuk antibodi yang menargetkan reseptor, okupansi reseptor (RO) memperkirakan proporsi reseptor yang tersedia yang terikat oleh obat. Untuk inhibitor kinase, perubahan target fosforilasi atau protein sinyal hilir memberikan bukti penghambatan jalur. Pengukuran tersebut menjawab apakah dosis yang diberikan menghasilkan interaksi biologis yang cukup dengan target yang diinginkan.
Respon farmakodinamik: Apakah keterlibatan target menghasilkan efek biologis yang diharapkan?
Mengikat tidak sama dengan respons. Suatu obat dapat menempati targetnya tanpa menghasilkan modulasi jalur hilir yang cukup, terutama jika melibatkan mekanisme kompensasi atau jalur pensinyalan berlebihan.
Biomarker PD menambahkan lapisan bukti tersebut.
Inhibitor kinase, misalnya, mengurangi fosforilasi target yang dituju, kemudian menggeser protein pemberi sinyal ke hilir, dan akhirnya menggerakkan titik akhir terkait penyakit. Mengukur ketiga tingkat tersebut memisahkan penghambatan target langsung dari efek biologis yang lebih luas.
Mengukur hubungan paparan-respons
Setelah paparan dan pengukuran farmakodinamik tersedia, suatu model dapat mengkarakterisasi hubungan di antara keduanya.
Pilihan umum adalah model Emax:
E(C)=E0 + (Emaks x C) / (EC50 + C)
dimana E(C) adalah efek farmakologis yang diamati pada konsentrasi C, E0 adalah efek dasar, Emax adalah efek maksimum yang dapat dicapai, dan EC50 adalah konsentrasi yang terkait dengan 50% dari maksimum tersebut.
Model yang lebih kompleks mencakup respons tertunda, mekanisme respons tidak langsung, pergantian reseptor, atau perubahan paparan obat yang bergantung pada waktu.
Imbalan praktisnya adalah rentang paparan, bukan dosis tunggal. Daripada mengambil dosis yang menghasilkan efek terbesar yang diamati dalam penelitian pada hewan, sebuah program dapat mengidentifikasi paparan minimum yang diperlukan untuk keterlibatan target dan paparan yang terkait dengan respons PD yang memadai. Hal ini merupakan dasar yang lebih rasional untuk menetapkan dosis dan target paparan dalam studi klinis selanjutnya.
3. Dari Penelitian pada Hewan hingga Pemilihan Dosis Pertama pada Manusia
Pemilihan dosis klinis awal adalah salah satu penggunaan data PK/PD dan biomarker praklinis yang paling jelas.
Studi toksisitas nonklinis biasanya menyediakan jangkar keamanan: tingkat efek samping tanpa teramati (NOAEL) yang diubah menjadi dosis setara manusia (HED), kemudian dibagi dengan faktor keamanan yang sesuai.
Namun, untuk senyawa yang sangat poten atau sangat aktif secara biologis, dosis awal yang diperoleh hanya dari pengamatan toksikologi dapat mengabaikan farmakologinya. Antibodi monoklonal, modulator imun, dan terapi bertarget lainnya sering kali menghasilkan efek biologis yang besar pada konsentrasi yang relatif rendah.
Tingkat efek biologis yang diantisipasi minimum (MABEL) mencakup kasus tersebut. MABEL memperkirakan dosis atau paparan yang diharapkan menghasilkan efek biologis minimal pada manusia, berdasarkan bukti farmakologis dan nonklinis yang tersedia, dan biasanya mengintegrasikan:
- Ekspresi target dan karakteristik yang mengikat.
- Data respon konsentrasi in vitro.
- Hunian reseptor dan keterlibatan target.
- Aktivitas fungsional dalam sistem biologis yang relevan.
- Hubungan PK dan PD di seluruh model eksperimental.
- Perbedaan spesies dalam farmakologi dan biologi target.
MABEL tidak menggantikan penilaian berbasis NOAEL dalam setiap program pembangunan. Hal ini menambah pertimbangan berbasis farmakologi, dan hal ini paling penting ketika aktivasi atau penghambatan target yang berlebihan membawa konsekuensi yang serius.
Uji klinis TGN1412 tetap menjadi referensi mengapa temuan toksikologi saja tidak cukup untuk bahan biologis pengaktif kekebalan. Relawan yang sehat mengalami reaksi pelepasan sitokin yang parah meskipun telah menjalani pengujian nonklinis sebelumnya. Episode ini membahas farmakologi spesifik spesies, aktivitas biologis yang relevan dengan manusia, dan hubungan antara dosis dan aktivasi kekebalan, yang belum terselesaikan oleh paket nonklinis.
Untuk program translasi, pembelajaran praklinis harus menghasilkan lebih dari sekedar pengamatan toksisitas dan hasil kemanjuran. Mereka juga perlu menjelaskan mekanismenya dengan cukup baik untuk mengantisipasi respons manusia.
4. Perkembangan Klinis Awal: Memastikan Bahwa Mekanismenya Berfungsi pada Manusia
Temuan biomarker praklinis menghasilkan hipotesis. Studi klinis menguji apakah hal tersebut berlaku pada manusia.
Selama pengembangan Fase I dan awal Fase II, biomarker paling berguna untuk tiga pekerjaan: memastikan keterlibatan target, menemukan rentang paparan aktif secara biologis, dan menggambarkan hubungan antara dosis dan respons farmakologis.
Hunian reseptor adalah salah satu contohnya.
Untuk obat yang menargetkan reseptor permukaan sel, flow cytometry atau metode analisis lain yang tervalidasi mengukur pengikatan obat dan ketersediaan reseptor pada populasi sel yang bersirkulasi. Pengambilan sampel serial menunjukkan apakah okupansi meningkat seiring dengan dosis dan apakah mendekati saturasi.
Darah tepi ada batasnya. Penghunian sel imun yang bersirkulasi tidak membentuk target keterlibatan yang setara dalam jaringan padat atau kompartemen lain yang terkait dengan penyakit. Jika pertanyaannya adalah kompartemen, biopsi jaringan, pengukuran cairan serebrospinal, pencitraan biomarker atau penilaian spesifik kompartemen lainnya memberikan bukti yang hilang.
Pengukuran jalur hilir mempunyai bobot yang sama. Inhibitor BTK dibaca melalui perubahan sinyal terkait BTK; Inhibitor MEK melalui modulasi fosforilasi ERK.
Memasangkan keterlibatan target dengan PD hilir menjawab dua pertanyaan terpisah:
- Apakah obat telah mencapai dan berinteraksi dengan target yang dituju?
- Apakah interaksi tersebut menghasilkan respons biologis yang diharapkan?
Pasangan ini penting ketika menafsirkan data respons dosis klinis. Dosis yang mencapai okupansi reseptor mendekati maksimal tidak perlu menghasilkan manfaat klinis terbesar, dan peningkatan lebih lanjut dapat menambah risiko terkait pengobatan sekaligus menambahkan sedikit aktivitas farmakologis.
Oleh karena itu, pemilihan dosis yang dipandu oleh biomarker mengidentifikasi rentang dosis yang aktif secara biologis dan sesuai secara klinis, yang merupakan target berbeda dari dosis maksimum yang dapat ditoleransi (MTD).
5. Biomarker dalam Seleksi Pasien dan Penilaian Khasiat Klinis
Seiring dengan kemajuan perkembangan, peran biomarker bergeser dari mengkonfirmasi aktivitas farmakologis menjadi mengidentifikasi pasien yang paling mungkin mendapatkan manfaat. Pergeseran ini sangat penting dalam terapi bertarget, imunoterapi, dan pengobatan yang ditujukan terhadap subkelompok penyakit yang ditentukan secara molekuler.
Program pembrolizumab adalah kasus yang terdokumentasi dengan baik.
Studi Kasus: Pembrolizumab dan PD-L1 sebagai Biomarker Prediktif
Pembrolizumab adalah antibodi monoklonal yang menargetkan protein kematian sel terprogram 1 (PD-1). Memblokir interaksi antara PD-1 dan ligannya, PD-L1 di antaranya, memulihkan aspek aktivitas antitumor yang dimediasi sel T.
Perkembangan klinis awal memiliki dua pertanyaan yang harus dijawab sekaligus: dosis mana yang dapat mencapai aktivitas farmakologis berkelanjutan, dan pasien mana yang lebih mungkin memberikan respons.
Studi hunian reseptor menyediakan bagian farmakologis. Investigasi klinis menunjukkan adanya PD-1 penghunian sel T yang bersirkulasi di seluruh rentang dosis yang dievaluasi, dengan keterlibatan target yang berkelanjutan, dan temuan tersebut membangun gambaran tentang hubungan dosis, paparan, dan hunian.
Pemilihan dosis didasarkan pada lebih dari sekedar hunian. PK klinis, temuan farmakodinamik, data efikasi dan keamanan ditimbang bersama. Program klinis awal mengevaluasi regimen dosis ganda, dan 2 mg/kg setiap tiga minggu menjadi dosis penting dalam program pengembangan awal.
Pemilihan pasien adalah pertanyaan kedua.
Ekspresi PD-L1 diselidiki sebagai biomarker prediktif potensial. Imunohistokimia mengukur PD-L1 dalam sampel tumor, dan hasilnya diuji terhadap respons pengobatan.
Studi klinis selanjutnya menetapkan pentingnya ekspresi PD-L1 dalam memilih pasien untuk indikasi pembrolizumab tertentu. KEYNOTE-024 mengevaluasi kanker paru-paru non-sel kecil (NSCLC) stadium lanjut yang sebelumnya tidak diobati dengan skor proporsi tumor (TPS) PD-L1 minimal 50% dan tanpa perubahan EGFR atau ALK yang membuat peka, dalam rangkaian pengobatan lini pertama yang diperkaya biomarker. Pembrolizumab menghasilkan hasil klinis yang lebih baik dibandingkan dengan kemoterapi berbasis platinum pada populasi terpilih.
Uji PD-L1 IHC 22C3 pharmDx dikembangkan sebagai diagnostik pendamping untuk indikasi yang relevan.
Dua aplikasi pelengkap berada di dalam satu program itu. Hunian reseptor mendukung pemahaman interaksi target obat dan farmakologi klinis; ekspresi tumor PD-L1 mengidentifikasi populasi pasien yang lebih mungkin mendapatkan manfaat. Penanda keterlibatan target dan penanda prediktif menjawab pertanyaan yang berbeda meskipun keduanya termasuk dalam program pengembangan yang sama, itulah sebabnya masing-masing dievaluasi berdasarkan tujuan klinis yang diinginkan.
6. Mengapa Biomarker Translasi Harus Dievaluasi di Seluruh Spesies
Biomarker yang bekerja pada model hewan tidak secara otomatis cocok untuk terjemahan klinis. Perbedaan struktur molekul, ekspresi target, regulasi imun, metabolisme dan distribusi jaringan mempengaruhi pengukuran itu sendiri dan interpretasi biologisnya.
Oleh karena itu, perbandingan lintas spesies termasuk dalam desain penelitian praklinis. Empat aspek mempunyai risiko paling besar.
Perbandingan analitis.Pengujian harus cukup spesifik dan sensitif pada spesies yang relevan. Antibodi, primer, reagen pendeteksi, dan komponen analitik lainnya dapat menunjukkan karakteristik kinerja yang berbeda pada sampel manusia dan hewan.
Relevansi biologis.Perubahan yang terukur pada hewan tidak selalu mewakili proses biologis yang sama pada manusia. Pertanyaannya adalah apakah biomarker tersebut mencerminkan mekanisme yang dilestarikan atau respons spesifik spesies.
Relevansi jaringan.Biomarker yang diukur dalam darah tepi sering kali salah menyatakan aktivitas biologis pada organ target, yang penting dalam penelitian SSP, onkologi, dan inflamasi spesifik jaringan.
Relevansi temporal.Perubahan biomarker dan respons klinis atau fungsional dapat diseimbangkan pada waktunya, sehingga jadwal pengambilan sampel menentukan apakah hubungan paparan-respons terlihat atau tidak.
Model primata non-manusia (NHP) menjadi berguna jika mekanisme farmakologisnya bergantung pada target molekuler yang dilestarikan, interaksi imun yang kompleks, atau proses fisiologis yang kurang terwakili dalam model hewan konvensional. Untuk terapi biologi dan terapi sensitif spesies lainnya, studi NHP mengkarakterisasi keterlibatan target, paparan sistemik, respons imunologis, dan efek farmakodinamik dalam lingkungan yang relevan secara fisiologis.
Studi NHP tidak menghilangkan perbedaan antarspesies. Nilainya bergantung pada relevansi model yang dipilih, reaktivitas silang farmakologis dari molekul kandidat, dan kesesuaian biomarker yang diukur.
Oleh karena itu, strategi biomarker translasi dibangun berdasarkan mekanisme kerja dan tujuan penerapan klinis, bukan berdasarkan titik akhir yang mudah diukur.
7. Mengintegrasikan Biomarker ke dalam Strategi Pembangunan Kuantitatif
Biomarker memberikan hasil maksimal jika ditempatkan dalam strategi pengembangan terpadu, bukan sebagai pengukuran yang terisolasi.
Selama pengembangan praklinis, pengukuran PK menetapkan paparan sistemik dan, jika relevan, paparan jaringan. Uji keterlibatan target menentukan apakah kandidat berinteraksi dengan target molekuler yang dituju. Biomarker PD mencirikan respons biologis hilir, dan titik akhir terkait penyakit memberikan bukti perbaikan fungsional atau patologis.
Pemodelan PK/PD dan analisis respons paparan kemudian mengkonsolidasikan data tersebut ke dalam keputusan pemilihan dosis, interval pemberian dosis, dan desain studi klinis awal.
Selama pengembangan klinis, kerangka yang sama disempurnakan dengan PK manusia, hunian reseptor, aktivitas jalur, temuan pencitraan, dan hasil klinis.
Informasi tidak mengalir dalam satu arah. Pengamatan klinis dapat menunjukkan bahwa suatu biomarker mempunyai nilai prediksi yang terbatas, bahwa suatu target tidak cukup terlibat dalam jaringan yang relevan, atau bahwa jalur kompensasi mempengaruhi respon pengobatan. Temuan-temuan tersebut menjadi masukan bagi interpretasi data praklinis dan desain penelitian selanjutnya.
Strategi biomarker yang bisa diterapkan bertumpu pada tiga persyaratan:
- Validitas biologis:apakah biomarker mencerminkan mekanisme biologis yang diinginkan?
- Validitas analitis:dapatkah itu diukur secara akurat dan dapat direproduksi?
- Relevansi klinis:apakah perubahan yang diukur memberikan informasi yang berarti untuk pengembangan obat atau hasil pasien?
Biomarker yang memenuhi satu atau dua di antaranya masih digunakan dalam penelitian eksplorasi; kemampuannya untuk mendukung keputusan klinis masih terbatas.
Oleh karena itu, pemilihan biomarker, pengembangan pengujian, strategi pengambilan sampel, dan evaluasi lintas spesies termasuk dalam desain penelitian awal, sebelum hasil kemanjuran tersedia.
Implikasi untuk Penelitian Translasi Praklinis
Peralihan dari farmakologi praklinis ke pengembangan klinis memerlukan lebih dari sekedar bukti bahwa calon obat menghasilkan efek pada model hewan. Hal ini memerlukan pandangan tentang bagaimana paparan obat, keterlibatan target, aktivitas biologis hilir, dan hasil terkait penyakit saling terhubung.
Studi PK/PD terpadu dan evaluasi biomarker adalah cara membangun pandangan tersebut.
Dalam penelitian primata non-manusia, penilaian tersebut dikombinasikan dengan pengukuran fisiologis longitudinal,pencitraan klinis, pengambilan sampel jaringan dan titik akhir fungsional dalam kerangka eksperimental tunggal. Studi NHP CNS, misalnya, dapat mengintegrasikan konsentrasi obat dalam plasma dan cairan serebrospinal, penilaian berbasis pencitraan, keterlibatan target spesifik jaringan, dan titik akhir neurologis atau perilaku. Hasilnya adalah beberapa lapisan bukti, bukan pengukuran terminal tunggal.
Di Prisys Biotech,farmakologi NHPstudi menggabungkan evaluasi PK/PD, penilaian biomarker terkait penyakit, pencitraan klinis dan analisis titik akhir fungsional sesuai dengan tujuan program penelitian. Desain penelitian spesifik dan strategi analisis ditentukan oleh kandidat obat, mekanisme kerja, dan tujuan aplikasi klinis.
Perbedaan praktisnya adalah memperlakukan biomarker sebagai masukan keputusan dan bukan sebagai volume. Ketika aktivitas biologis dapat diukur dan diinterpretasikan secara konsisten di seluruh model eksperimental dan studi klinis, keputusan pengembangan didasarkan pada bukti, dan jarak antara kemanjuran praklinis dan respons manusia menjadi sesuatu yang dapat diselidiki secara langsung oleh suatu program.
