前言

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

藥物毒理學研究成功的關鍵是將安全性數(shù)據(jù)與其他特定分子特征有效結合，例如吸收、分布、代謝和排泄（ADME）以及理化特性，從而解決潛在靶點和潛在先導藥物的固有風險。這涉及到一種模式的轉變，即從使用經典的體內毒理學方法轉向可轉化的機制性體外試驗，該試驗可作為體內研究的可靠預測替代物。近年來，人們在諸如誘導多能干細胞（iPSC）、3D組織模型、微物理系統(tǒng)（MPS）和成像技術等領域取得了重大創(chuàng)新性進展，這些領域有可能大大提高毒理學研究分析的預測價值。

毒理學研究的目標和方法

毒理學研究可大致分為兩種方法：在化合物進行非臨床體內或臨床試驗之前預測潛在毒性（前瞻性方法），或提供對非臨床體內和臨床毒性結果的機制理解（回顧性方法）。

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

對靶標的評估

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

徹底的靶標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)測藥效學反應發(fā)生和程度的生物標志物。最終，靶標安全評估可能決定研究的繼續(xù)或中止決策，以及在項目進一步進行時量化風險的實驗計劃。

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。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可能是最具毒理學相關性的。據(jù)報道，人類組織蛋白酶D缺乏是先天性人類神經元類蠟狀脂褐質病的原因，其特征是神經變性、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動因素。這個例子說明了在為天冬氨酸蛋白酶等家族靶點開發(fā)藥物時，需要徹底評估抑制密切相關靶點的風險。

使用體外模型

使用體外細胞模型，可以以不同的置信水平來預測和/或理解器官特異性藥物毒性。然而，體外細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)了更復雜的模型來評估化合物誘導的細胞功能擾動，從而提供特定組織和器官不良影響的潛在信息。

最初，人們側重于測量簡單的終點，例如通過ATP含量測量細胞存活率或器官衍生細胞系中的其他細胞毒性終點，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，人們已經開發(fā)了2D和3D培養(yǎng)物以及微物理系統(tǒng)，試圖通過結合多細胞組織、支架和基于細胞的機械因素來模擬微環(huán)境條件，例如源自iPSCs或擴展多能干細胞（ePSCs）的心肌細胞。

事實上，從簡單細胞系到MPS，每一種體外靶器官方法都有內在的挑戰(zhàn)和機遇，因此使用多種“恰當用途”的檢測方法最能代表當前的實踐。具有相對直接終點的簡單細胞培養(yǎng)物可以為篩選和特定機制研究提供高通量和耐用的方法，但不需要反映體內情況所需的雜性；而關于復雜性可以用類器官或MPS補充，以提供深入的機制理解。

臨床前研究闡明與人類的相關性

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

藥物誘導的腫瘤變化是體內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，改變的肝細胞病灶被認為是可能的腫瘤前病變，可自發(fā)發(fā)生或由化學物質或藥物誘導。但在致癌性研究中，嚙齒類動物病灶的增加并不一定會導致腫瘤。已經發(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大鼠肝細胞改變，進而誘發(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。為了評估人類相關性，使用嚙齒類動物、犬和人類干細胞以及患者衍生的3D細胞模型表型分析來探索致瘤的潛在機制。發(fā)現(xiàn)嚙齒類動物表型模型表現(xiàn)出體內效應，而人類和犬類模型明顯顯示出無效應，研究表明藥物誘導的效應使嚙齒類動物核受體驅動的肝臟增殖，但與人類模型無關。這些數(shù)據(jù)支持RG3487進入臨床試驗。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行人類毒理學研究的重要性。

識別臨床事件的潛在機制

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

例如，在用重組人促紅細胞生成素（rhEPO）治療的貧血患者中，由rhEPO的聚集形式產生的免疫原性后果可能導致純紅細胞再生障礙（PRCA），因此了解蛋白質聚集的潛在原因對于安全使用rhEPO至關重要。T細胞試驗證實了與一例抗體介導的PRCA相關的臨床批次中鎢誘導的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。因此，產品最終修改了注射器的生產模式，以避免鎢污染的可能性。

臨床試驗不良事件的事后調查并不總能挽救產品，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的機制。用不與人血小板上FcγRIIa受體結合的Fc結構域修飾后續(xù)抗體可減輕血栓前效應。

毒理學研究方面的重大創(chuàng)新

成像技術

藥物對細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)成像生物標志物為機理理解提供了基礎。體外和體內成像技術已經取得了重大進展和應用，包括高內涵成像（HCI）、熒光和生物發(fā)光成像、MRI、CT以及使用MSI對細胞和組織樣本進行的高維分子譜分析。

組學技術

毒理基因組學（TGx），即通過轉錄組學或基因表達的細胞輸出（即蛋白質組學和代謝組學）對毒理學效應進行分子評估。這些技術可以大大加強臨床前毒理學研究。

在藥物早期發(fā)現(xiàn)過程中對化合物進行優(yōu)先排序的轉錄譜分析是制藥行業(yè)的一種常見方法�；�合物的基因表達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構對給定的效果負責，并最終支持藥物化學家設計新的合成結構。最近，基于轉錄組和藥物誘導基因組效應分析方法已被證明可以解釋肝毒性的機制，并使用基因網(wǎng)絡模塊關聯(lián)預測不同的毒性表型。

預測藥物毒性的計算和建模

多個測試平臺的集成會產生大量數(shù)據(jù)集，需要使用高性能計算和基于機器學習的建模，以充分實現(xiàn)機制分析或做出有效預測。在某些特定情況下，基于體外測定數(shù)據(jù)的模型在預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。為了預測和更好地告知給藥后骨髓抑制的時間過程，已經構建了半生理學數(shù)學模型。這些模型不僅可以預測新型藥物引起的骨髓抑制的程度，還可以預測它們如何與骨髓抑制標準護理療法相互作用。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臨床使用。

iPSC和先進的細胞模型

為了生成更多與轉化相關的數(shù)據(jù)，毒理學家越來越多地使用復雜的人類和動物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的iPSC衍生模型。3D肝細胞培養(yǎng)系統(tǒng)的進展導致了生理組織和器官水平功能的進一步改善。此外，基于原代肝細胞以及非實質細胞和免疫細胞的肝MPS有可能模擬供體的遺傳、生理和疾病環(huán)境，并復制特定環(huán)境的毒理學。

此外，在其他MPS組織模型上也取得了實質性進展，包括胃腸道、肺和腎。這些模型仍然需要開發(fā)和驗證，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物對疾病的貢獻。當專注于了解毒性的特定生物學機制或不良結果途徑時，具有準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的潛在安全性。

小結

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

特別是近些年，藥物毒理學研究模式也正在發(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)時間和降低成本的實際需要，并在最可能導致新藥開發(fā)失敗的毒性問題研究過程中促進制藥企業(yè)、學術界和監(jiān)管部門的緊密協(xié)作。

參考文獻：

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

       原文標題 : 制藥工業(yè)中毒理學研究的進展和創(chuàng)新