前言

幾十年來，臨床前毒理學(xué)基本上是一門描述性學(xué)科，在該學(xué)科中，會詳細(xì)分析與治療相關(guān)的影響因素，并用作計(jì)算候選藥物臨床安全劑量范圍的基礎(chǔ)。然而，近年來，技術(shù)進(jìn)步越來越多地使研究人員能夠深入了解毒性機(jī)制，不斷改善毒理學(xué)研究中的新工具和策略，以減少藥物開發(fā)中與安全相關(guān)的損耗。至關(guān)重要的是，毒理學(xué)在發(fā)現(xiàn)階段的目標(biāo)不僅僅是簡單的“前負(fù)荷”消耗，而是通過優(yōu)化藥物設(shè)計(jì)和選擇的安全性維度來增加藥物臨床成功的可能性。

藥物毒理學(xué)研究成功的關(guān)鍵是將安全性數(shù)據(jù)與其他特定分子特征有效結(jié)合，例如吸收、分布、代謝和排泄（ADME）以及理化特性，從而解決潛在靶點(diǎn)和潛在先導(dǎo)藥物的固有風(fēng)險(xiǎn)。這涉及到一種模式的轉(zhuǎn)變，即從使用經(jīng)典的體內(nèi)毒理學(xué)方法轉(zhuǎn)向可轉(zhuǎn)化的機(jī)制性體外試驗(yàn)，該試驗(yàn)可作為體內(nèi)研究的可靠預(yù)測替代物。近年來，人們在諸如誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）、3D組織模型、微物理系統(tǒng)（MPS）和成像技術(shù)等領(lǐng)域取得了重大創(chuàng)新性進(jìn)展，這些領(lǐng)域有可能大大提高毒理學(xué)研究分析的預(yù)測價(jià)值。

毒理學(xué)研究的目標(biāo)和方法

毒理學(xué)研究可大致分為兩種方法：在化合物進(jìn)行非臨床體內(nèi)或臨床試驗(yàn)之前預(yù)測潛在毒性（前瞻性方法），或提供對非臨床體內(nèi)和臨床毒性結(jié)果的機(jī)制理解（回顧性方法）。

些方法有兩個主要目標(biāo)：在藥物發(fā)現(xiàn)階段，目的是指導(dǎo)確定最有前途的候選藥物（即提供最佳治療指標(biāo)的安全候選藥物），并盡早排除選擇毒性最強(qiáng)的候選藥物。在臨床前和臨床開發(fā)階段，目的是提供機(jī)制安全性數(shù)據(jù)，從而能夠做出良好的風(fēng)險(xiǎn)評估和管理，以支持臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

對靶標(biāo)的評估

在傳統(tǒng)的毒理學(xué)評估方法中，一些毒理學(xué)發(fā)現(xiàn)可能歸因于藥物的主要靶點(diǎn)介導(dǎo)的效應(yīng)。在過去的十年中，傳統(tǒng)的毒理學(xué)分析已經(jīng)擴(kuò)展到考量靶標(biāo)在健康和疾病中更廣泛的生理作用。例如，靶標(biāo)的主要功能以及上游和下游信號通路、相關(guān)靶標(biāo)（直系同源和旁系同源）、跨物種靶標(biāo)同源性分析、跨物種的功能和組織表達(dá)，以及動物對靶標(biāo)基因修飾的表型后果。

徹底的靶標(biāo)安全性評估有助于選擇最合適的臨床前安全性研究物種。它還可以識別需要納入研究的潛在受影響的靶器官和組織，以及用于監(jiān)測藥效學(xué)反應(yīng)發(fā)生和程度的生物標(biāo)志物。最終，靶標(biāo)安全評估可能決定研究的繼續(xù)或中止決策，以及在項(xiàng)目進(jìn)一步進(jìn)行時(shí)量化風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。

例如，哺乳動物的天冬氨酸蛋白酶家族是一個重要的藥物靶標(biāo)。然而，對某些天冬氨酸蛋白酶的選擇性不足可能會阻礙安全有效治療的發(fā)展。其中，組織蛋白酶D和E可能是最具毒理學(xué)相關(guān)性的。據(jù)報(bào)道，人類組織蛋白酶D缺乏是先天性人類神經(jīng)元類蠟狀脂褐質(zhì)病的原因，其特征是神經(jīng)變性、發(fā)育退化、視力喪失、癲癇和脂褐素的過度組織積累而導(dǎo)致的過早死亡。組織蛋白酶D的脫靶抑制是此類藥物眼部毒性的主要驅(qū)動因素。這個例子說明了在為天冬氨酸蛋白酶等家族靶點(diǎn)開發(fā)藥物時(shí)，需要徹底評估抑制密切相關(guān)靶點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

使用體外模型

使用體外細(xì)胞模型，可以以不同的置信水平來預(yù)測和/或理解器官特異性藥物毒性。然而，體外細(xì)胞毒性和器官功能改變之間不一定具有必然聯(lián)系，因此人們開發(fā)了更復(fù)雜的模型來評估化合物誘導(dǎo)的細(xì)胞功能擾動，從而提供特定組織和器官不良影響的潛在信息。

最初，人們側(cè)重于測量簡單的終點(diǎn)，例如通過ATP含量測量細(xì)胞存活率或器官衍生細(xì)胞系中的其他細(xì)胞毒性終點(diǎn)，這些方法可接受高通量篩選（HTS），目前仍在工業(yè)中大量使用。最近，人們已經(jīng)開發(fā)了2D和3D培養(yǎng)物以及微物理系統(tǒng)，試圖通過結(jié)合多細(xì)胞組織、支架和基于細(xì)胞的機(jī)械因素來模擬微環(huán)境條件，例如源自iPSCs或擴(kuò)展多能干細(xì)胞（ePSCs）的心肌細(xì)胞。

事實(shí)上，從簡單細(xì)胞系到MPS，每一種體外靶器官方法都有內(nèi)在的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，因此使用多種“恰當(dāng)用途”的檢測方法最能代表當(dāng)前的實(shí)踐。具有相對直接終點(diǎn)的簡單細(xì)胞培養(yǎng)物可以為篩選和特定機(jī)制研究提供高通量和耐用的方法，但不需要反映體內(nèi)情況所需的雜性；而關(guān)于復(fù)雜性可以用類器官或MPS補(bǔ)充，以提供深入的機(jī)制理解。

臨床前研究闡明與人類的相關(guān)性

體外試驗(yàn)可能有助于了解各種動物研究中觀察到的病理效應(yīng)的分子和細(xì)胞機(jī)制，并闡明其與人類的潛在相關(guān)性。下面這個例子說明了在候選藥物進(jìn)入臨床試驗(yàn)或上市過程中，對毒性作用機(jī)制理解的影響。

藥物誘導(dǎo)的腫瘤變化是體內(nèi)安全性研究中的一個常見情況，尤其是在嚙齒類動物中。例如，改變的肝細(xì)胞病灶被認(rèn)為是可能的腫瘤前病變，可自發(fā)發(fā)生或由化學(xué)物質(zhì)或藥物誘導(dǎo)。但在致癌性研究中，嚙齒類動物病灶的增加并不一定會導(dǎo)致腫瘤。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種煙堿α7受體部分激動劑候選藥物RG3487的非遺傳毒性可誘導(dǎo)大鼠肝細(xì)胞改變，進(jìn)而誘發(fā)腫瘤，這可能妨礙人類臨床研究。

然而，在大鼠中觀察到的肝細(xì)胞改變在小鼠或狗的肝臟中并沒有看到。為了評估人類相關(guān)性，使用嚙齒類動物、犬和人類干細(xì)胞以及患者衍生的3D細(xì)胞模型表型分析來探索致瘤的潛在機(jī)制。發(fā)現(xiàn)嚙齒類動物表型模型表現(xiàn)出體內(nèi)效應(yīng)，而人類和犬類模型明顯顯示出無效應(yīng)，研究表明藥物誘導(dǎo)的效應(yīng)使嚙齒類動物核受體驅(qū)動的肝臟增殖，但與人類模型無關(guān)。這些數(shù)據(jù)支持RG3487進(jìn)入臨床試驗(yàn)。這個案例的數(shù)據(jù)突出顯示了在分子和表型水平上使用跨物種體外模型進(jìn)行人類毒理學(xué)研究的重要性。

識別臨床事件的潛在機(jī)制

在評估臨床開發(fā)或批準(zhǔn)后出現(xiàn)的安全問題時(shí)，毒理學(xué)研究也至關(guān)重要。這種支持不僅限于母體藥物，也可能包括藥物雜質(zhì)、降解物和代謝物。

例如，在用重組人促紅細(xì)胞生成素（rhEPO）治療的貧血患者中，由rhEPO的聚集形式產(chǎn)生的免疫原性后果可能導(dǎo)致純紅細(xì)胞再生障礙（PRCA），因此了解蛋白質(zhì)聚集的潛在原因?qū)τ诎踩�使用rhEPO至關(guān)重要。T細(xì)胞試驗(yàn)證實(shí)了與一例抗體介導(dǎo)的PRCA相關(guān)的臨床批次中鎢誘導(dǎo)的rhEPO聚集體的免疫原性，這一發(fā)現(xiàn)作為根本原因分析的一部分有助于獲得監(jiān)管批準(zhǔn)。因此，產(chǎn)品最終修改了注射器的生產(chǎn)模式，以避免鎢污染的可能性。

臨床試驗(yàn)不良事件的事后調(diào)查并不總能挽救產(chǎn)品，但可能為后續(xù)候選藥物提供解決方案。例如，在抗CD40L抗體因意外血栓并發(fā)癥而終止用于治療自身免疫性疾病的臨床開發(fā)后，使用血管芯片模型的研究揭示了血栓前效應(yīng)的機(jī)制。用不與人血小板上FcγRIIa受體結(jié)合的Fc結(jié)構(gòu)域修飾后續(xù)抗體可減輕血栓前效應(yīng)。

毒理學(xué)研究方面的重大創(chuàng)新

成像技術(shù)

藥物對細(xì)胞和組織影響的空間分辨率提供了對藥物毒性的寶貴見解；此外，多參數(shù)成像生物標(biāo)志物為機(jī)理理解提供了基礎(chǔ)。體外和體內(nèi)成像技術(shù)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展和應(yīng)用，包括高內(nèi)涵成像（HCI）、熒光和生物發(fā)光成像、MRI、CT以及使用MSI對細(xì)胞和組織樣本進(jìn)行的高維分子譜分析。

組學(xué)技術(shù)

毒理基因組學(xué)（TGx），即通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)或基因表達(dá)的細(xì)胞輸出（即蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)）對毒理學(xué)效應(yīng)進(jìn)行分子評估。這些技術(shù)可以大大加強(qiáng)臨床前毒理學(xué)研究。

在藥物早期發(fā)現(xiàn)過程中對化合物進(jìn)行優(yōu)先排序的轉(zhuǎn)錄譜分析是制藥行業(yè)的一種常見方法�；�合物的基因表達(dá)特征可用于捕獲一系列多藥理作用，并可用于監(jiān)測藥物化學(xué)優(yōu)化的影響。此外，它還可以用來推測分析什么樣的化合物子結(jié)構(gòu)對給定的效果負(fù)責(zé)，并最終支持藥物化學(xué)家設(shè)計(jì)新的合成結(jié)構(gòu)。最近，基于轉(zhuǎn)錄組和藥物誘導(dǎo)基因組效應(yīng)分析方法已被證明可以解釋肝毒性的機(jī)制，并使用基因網(wǎng)絡(luò)模塊關(guān)聯(lián)預(yù)測不同的毒性表型。

預(yù)測藥物毒性的計(jì)算和建模

多個測試平臺的集成會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)集，需要使用高性能計(jì)算和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的建模，以充分實(shí)現(xiàn)機(jī)制分析或做出有效預(yù)測。在某些特定情況下，基于體外測定數(shù)據(jù)的模型在預(yù)測人體毒性方面可能比動物毒性研究表現(xiàn)更好。

此類方法的一個主要例子是預(yù)測腫瘤藥物的骨髓抑制，這在過去常常是一種劑量限制性毒性。為了預(yù)測和更好地告知給藥后骨髓抑制的時(shí)間過程，已經(jīng)構(gòu)建了半生理學(xué)數(shù)學(xué)模型。這些模型不僅可以預(yù)測新型藥物引起的骨髓抑制的程度，還可以預(yù)測它們?nèi)绾闻c骨髓抑制標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理療法相互作用。這使得最有利的腫瘤候選藥物能夠被優(yōu)先考慮，并且還可以通過聯(lián)合劑量研究的探索來指導(dǎo)臨床使用。

iPSC和先進(jìn)的細(xì)胞模型

為了生成更多與轉(zhuǎn)化相關(guān)的數(shù)據(jù)，毒理學(xué)家越來越多地使用復(fù)雜的人類和動物MPS模型來深入了解器官特異性和器官間毒性概況。

iPSC衍生心肌細(xì)胞（iPSC CM）是制藥行業(yè)中用于評估心臟毒性和心臟電生理的最先進(jìn)的iPSC衍生模型。3D肝細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的進(jìn)展導(dǎo)致了生理組織和器官水平功能的進(jìn)一步改善。此外，基于原代肝細(xì)胞以及非實(shí)質(zhì)細(xì)胞和免疫細(xì)胞的肝MPS有可能模擬供體的遺傳、生理和疾病環(huán)境，并復(fù)制特定環(huán)境的毒理學(xué)。

此外，在其他MPS組織模型上也取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，包括胃腸道、肺和腎。這些模型仍然需要開發(fā)和驗(yàn)證，以適合用于藥物發(fā)現(xiàn)和安全性測試。

基因編輯

CRISPR–Cas9等基因編輯平臺的開發(fā)使研究人員能夠深入了解單基因產(chǎn)物對疾病的貢獻(xiàn)。當(dāng)專注于了解毒性的特定生物學(xué)機(jī)制或不良結(jié)果途徑時(shí)，具有準(zhǔn)確和特異性刪除或修飾特定基因的能力也可以深入了解藥物靶點(diǎn)的潛在安全性。

小結(jié)

藥物毒理學(xué)是根據(jù)藥物的理化特性, 運(yùn)用毒理學(xué)的原理和方法, 對藥物進(jìn)行全面系統(tǒng)的安全性評價(jià)并闡明其毒性作用機(jī)制。其主要目的在于指導(dǎo)臨床合理用藥, 降低藥物不良反應(yīng)及減少因藥物毒性導(dǎo)致的新藥開發(fā)失敗。近年來, 隨著各種前沿學(xué)科及相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，賦予了藥物毒理學(xué)新的發(fā)展契機(jī)。

特別是近些年，藥物毒理學(xué)研究模式也正在發(fā)生巨大變革，以滿足藥物研發(fā)中提早決策， 縮短新藥開發(fā)時(shí)間和降低成本的實(shí)際需要，并在最可能導(dǎo)致新藥開發(fā)失敗的毒性問題研究過程中促進(jìn)制藥企業(yè)、學(xué)術(shù)界和監(jiān)管部門的緊密協(xié)作。

參考文獻(xiàn)：

1.Theevolving role of investigative toxicology in the pharmaceutical industry. NatRev Drug Discov.2023 Feb 13;1-19.

       原文標(biāo)題 : 制藥工業(yè)中毒理學(xué)研究的進(jìn)展和創(chuàng)新