Uno de los desafíos centrales en el desarrollo de fármacos es decidir si un efecto farmacológico observado en estudios preclínicos también aparecerá en humanos. Un candidato puede mostrar una eficacia convincente en un modelo animal y aún así no producir la respuesta clínica esperada. A menudo, la pieza que falta es un mecanismo biológico lo suficientemente bien caracterizado como para predecir su comportamiento en una segunda especie.
La misma molécula produce diferentes respuestas entre especies, porque la expresión objetivo, la distribución de receptores, el metabolismo de los fármacos, la exposición de los tejidos, la regulación inmune y la biología de la enfermedad son diferentes. Por lo tanto, una mejora en un modelo animal no establece por sí sola que un mecanismo se traducirá en un beneficio clínico.
Los biomarcadores ofrecen una manera de trabajar en esa brecha. Al medir los cambios asociados con la exposición a los medicamentos, la participación del objetivo, la modulación de las vías y la respuesta a la enfermedad, un programa puede establecer relaciones cuantitativas entrefarmacocinética (PK)yfarmacodinamia (PD). Esas relaciones dicen cuánta exposición se necesita, qué mecanismos biológicos se ven afectados y si la respuesta observada se relaciona con una enfermedad humana.
En la medicina traslacional, el objetivo es un marco coherente: las mediciones preclínicas informan las decisiones clínicas y las observaciones clínicas revisan las hipótesis preclínicas. Una lista de marcadores candidatos no es el resultado final.
1. ¿Qué hace que un biomarcador sea útil en el desarrollo de fármacos?
Un biomarcador es una característica medible que indica un proceso biológico, un proceso patogénico o una respuesta a una intervención. Califican las mediciones moleculares, las características celulares, los parámetros fisiológicos, los hallazgos de imágenes y los cambios de comportamiento objetivamente cuantificados.
Su valor depende de la pregunta biológica que deben responder. Cinco categorías se repiten en el desarrollo de fármacos.
Biomarcadores farmacodinámicosmuestran que se ha producido una respuesta biológica después de la dosificación: concentraciones de citoquinas, fosforilación de proteínas de señalización, expresión genética, actividad metabólica.
Biomarcadores de participación objetivomuestran que el fármaco ha interactuado con su objetivo molecular previsto. Las lecturas habituales son la ocupación del receptor, la unión al objetivo y la inhibición de las vías de señalización asociadas al objetivo.
Biomarcadores predictivosIdentificar a los pacientes con mayor probabilidad de responder a un tratamiento en particular. La expresión PD-L1 y las alteraciones de BRCA1/2 son ejemplos establecidos en entornos terapéuticos definidos.
Biomarcadores pronósticosdescribir el curso probable de una enfermedad independientemente de un tratamiento particular.
Biomarcadores de seguridadseñalar una posible toxicidad o alteración fisiológica relacionada con el tratamiento.
Las categorías no son mutuamente excluyentes. Un solo biomarcador puede contener diferentes tipos de información según el contexto del estudio.
Un biomarcador tampoco es un criterio de valoración clínico ni un criterio de valoración sustituto por defecto. Una reducción de un marcador inflamatorio circulante demuestra actividad biológica; no establece que un paciente experimentará una mejoría clínica significativa. Vincular un cambio de biomarcador con un resultado clínico requiere evidencia separada.
Esa distinción da forma a todo lo que ocurre aguas abajo. Medir el cambio es la parte sencilla. Interpretar lo que significa el cambio para la eficacia terapéutica es la más difícil.
2. La base preclínica: vincular la exposición a los medicamentos con la respuesta biológica
La contribución más útil de los biomarcadores durante el desarrollo preclínico es la conexión que establecen entre la exposición al fármaco y la actividad farmacológica.
Un estudio de eficacia convencional muestra que un tratamiento mejora un criterio de valoración relacionado con la enfermedad. Por sí solo, no dice si el efecto provino de una adecuada participación del objetivo, de una modulación de la vía descendente o de una respuesta biológica indirecta.
Un diseño más informativo establece tres relaciones conectadas: exposición al fármaco, compromiso con el objetivo y respuesta farmacodinámica. Cada uno responde una pregunta diferente.
Exposición al fármaco: ¿cuánta droga llega al compartimento biológico correspondiente?
Los estudios farmacocinéticos caracterizan la absorción, distribución, metabolismo y eliminación del fármaco. La concentración plasmática es un punto de partida importante, pero es un indicador de la exposición en el sitio de acción y, a veces, deficiente.
En el caso de los fármacos dirigidos al sistema nervioso central, la exposición al plasma por sí sola dice poco sobre la concentración disponible en el tejido cerebral. Los anticuerpos y otros productos biológicos grandes se distribuyen de manera diferente a las moléculas pequeñas por razones que están fuera de la concentración plasmática.
Dependiendo del mecanismo terapéutico, las mediciones relevantes incluyen concentraciones plasmáticas totales y libres, concentraciones tisulares, concentraciones en líquido cefalorraquídeo o distribución local del fármaco.
Compromiso con el objetivo: ¿Interactúa el fármaco con su objetivo previsto?
El compromiso con el objetivo vincula la exposición a los medicamentos con la actividad farmacológica.
Para los anticuerpos dirigidos a receptores, la ocupación de receptores (RO) estima la proporción de receptores disponibles unidos por el fármaco. Para los inhibidores de quinasas, los cambios en la fosforilación diana o en las proteínas de señalización posteriores proporcionan evidencia de inhibición de la vía. De cualquier manera, la medición responde si la dosis administrada produjo suficiente interacción biológica con el objetivo previsto.
Respuesta farmacodinámica: ¿La interacción con el objetivo produce el efecto biológico esperado?
Vinculación no es lo mismo que respuesta. Un fármaco puede ocupar su objetivo sin producir suficiente modulación de la vía descendente, particularmente cuando están involucrados mecanismos compensatorios o vías de señalización redundantes.
Los biomarcadores de la EP añaden esa capa de evidencia.
Un inhibidor de quinasa, por ejemplo, reduce la fosforilación de su objetivo previsto, luego desplaza las proteínas de señalización en sentido descendente y, finalmente, mueve un criterio de valoración relacionado con la enfermedad. La medición de los tres niveles separa la inhibición directa del objetivo de los efectos biológicos más amplios.
Cuantificar la relación exposición-respuesta
Una vez que las mediciones de exposición y farmacodinámica estén disponibles, un modelo puede caracterizar la relación entre ellas.
Una elección común es el modelo Emax:
E(C)=E0 + (Emáx x C) / (CE50 + C)
donde E(C) es el efecto farmacológico observado en la concentración C, E0 el efecto inicial, Emax el efecto máximo alcanzable y EC50 la concentración asociada con el 50% de ese máximo.
Los modelos más complejos añaden respuestas retardadas, mecanismos de respuesta indirectos, recambio de receptores o cambios dependientes del tiempo en la exposición a los fármacos.
La recompensa práctica es un rango de exposición en lugar de una dosis única. En lugar de tomar la dosis que produjo el mayor efecto observado en un estudio con animales, un programa puede identificar la exposición mínima requerida para alcanzar el objetivo y la exposición asociada con una respuesta de PD adecuada. Ésta es una base más racional para establecer dosis y objetivos de exposición en estudios clínicos posteriores.
3. De los estudios en animales a la primera selección de dosis en humanos
Seleccionar la dosis clínica inicial es uno de los usos más claros de los datos preclínicos de PK/PD y biomarcadores.
Los estudios de toxicidad no clínicos normalmente proporcionan el ancla de seguridad: un nivel sin efectos adversos observados (NOAEL) convertido a una dosis equivalente humana (DHE), luego dividido por un factor de seguridad apropiado.
Sin embargo, para un compuesto altamente potente o fuertemente biológicamente activo, una dosis inicial derivada sólo de observaciones toxicológicas puede pasar por alto la farmacología. Los anticuerpos monoclonales, los inmunomoduladores y otras terapias dirigidas a menudo producen efectos biológicos sustanciales en concentraciones relativamente bajas.
El nivel mínimo de efecto biológico previsto (MABEL) cubre ese caso. MABEL estima la dosis o exposición que se espera que produzca un efecto biológico mínimo en humanos, basándose en la evidencia farmacológica y no clínica disponible, y generalmente integra:
- Expresión objetivo y características de unión.
- Datos de concentración-respuesta in vitro.
- Ocupación del receptor y compromiso del objetivo.
- Actividad funcional en sistemas biológicos relevantes.
- Relaciones PK y PD entre modelos experimentales.
- Diferencias de especies en farmacología y biología objetivo.
MABEL no reemplaza la evaluación basada en NOAEL en todos los programas de desarrollo. Agrega una consideración basada en la farmacología, y es más importante cuando la activación o inhibición excesiva del objetivo conlleva consecuencias graves.
El ensayo clínico TGN1412 sigue siendo el caso de referencia de por qué los hallazgos toxicológicos por sí solos pueden ser insuficientes para un producto biológico que activa el sistema inmunológico. Los voluntarios sanos desarrollaron reacciones graves a la liberación de citocinas a pesar de las pruebas no clínicas anteriores. El episodio giró en torno a la farmacología específica de cada especie, la actividad biológica relevante para los humanos y la relación entre la dosis y la activación inmune, ninguno de los cuales había resuelto el paquete no clínico.
Para un programa traslacional, la lección es que los estudios preclínicos deben generar más que observaciones de toxicidad y resultados de eficacia. También necesitan explicar el mecanismo lo suficientemente bien como para anticipar la respuesta humana.
4. Desarrollo clínico temprano: confirmación de que el mecanismo funciona en humanos
Los hallazgos preclínicos de biomarcadores producen hipótesis. Los estudios clínicos prueban si se mantienen en humanos.
Durante la Fase I y el desarrollo inicial de la Fase II, los biomarcadores son más útiles para tres funciones: confirmar el compromiso del objetivo, localizar rangos de exposición biológicamente activos y describir la relación entre la dosis y la respuesta farmacológica.
La ocupación de receptores es un ejemplo.
Para los medicamentos dirigidos a los receptores de la superficie celular, la citometría de flujo u otro método analítico validado cuantifica la unión del fármaco y la disponibilidad del receptor en las poblaciones celulares circulantes relevantes. El muestreo en serie muestra si la ocupación aumenta con la dosis y si se acerca a la saturación.
La sangre periférica tiene límites. La ocupación de células inmunes circulantes no establece una participación objetivo equivalente en tejidos sólidos o en otros compartimentos relevantes para la enfermedad. Cuando la pregunta es compartimental, las biopsias de tejido, las mediciones del líquido cefalorraquídeo, los biomarcadores de imágenes u otras evaluaciones específicas de cada compartimento proporcionan la evidencia que falta.
Las mediciones de la ruta aguas abajo tienen el mismo peso. Los inhibidores de BTK se leen a través de cambios en la señalización asociada a BTK; Inhibidores de MEK mediante la modulación de la fosforilación de ERK.
Combinar el compromiso del objetivo con el desarrollo profesional posterior responde a dos preguntas distintas:
- ¿El fármaco ha alcanzado e interactuado con su objetivo previsto?
- ¿Ha producido esa interacción la respuesta biológica esperada?
El emparejamiento es importante a la hora de interpretar los datos clínicos de dosis-respuesta. Una dosis que logre una ocupación casi máxima de los receptores no tiene por qué producir el mayor beneficio clínico, y un mayor aumento puede agregar riesgos relacionados con el tratamiento y al mismo tiempo agregar poca actividad farmacológica.
Por lo tanto, la selección de dosis guiada por biomarcadores identifica un rango de dosis biológicamente activo y clínicamente apropiado, que es un objetivo diferente de la dosis máxima tolerada (MTD).
5. Biomarcadores en la selección de pacientes y evaluación de la eficacia clínica.
A medida que avanza el desarrollo, el papel de los biomarcadores pasa de confirmar la actividad farmacológica a identificar a los pacientes con mayor probabilidad de beneficiarse. Ese cambio es más importante para las terapias dirigidas, las inmunoterapias y los tratamientos dirigidos contra subgrupos de enfermedades molecularmente definidos.
El programa de pembrolizumab es un caso bien documentado.
Estudio de caso: Pembrolizumab y PD-L1 como biomarcador predictivo
Pembrolizumab es un anticuerpo monoclonal dirigido a la proteína de muerte celular programada 1 (PD-1). El bloqueo de la interacción entre PD-1 y sus ligandos, entre ellos PD-L1, restaura aspectos de la actividad antitumoral mediada por células T.
El desarrollo clínico inicial tenía dos preguntas que responder a la vez: qué dosis podría lograr una actividad farmacológica sostenida y qué pacientes tenían más probabilidades de responder.
Los estudios de ocupación de receptores proporcionaron la parte farmacológica. Las investigaciones clínicas demostraron una ocupación sustancial PD-1 en las células T circulantes en todo el rango de dosis evaluado, con una participación sostenida del objetivo, y esos hallazgos construyeron una imagen de cómo se relacionan la dosis, la exposición y la ocupación.
La selección de dosis se basó en algo más que la ocupación. Se sopesaron conjuntamente la farmacocinética clínica, los hallazgos farmacodinámicos y los datos de eficacia y seguridad. El programa clínico inicial evaluó múltiples regímenes de dosificación y 2 mg/kg cada tres semanas se convirtió en una dosis importante en el programa de desarrollo inicial.
La selección de pacientes fue la segunda pregunta.
La expresión PD-L1 se investigó como un posible biomarcador predictivo. La inmunohistoquímica cuantificó PD-L1 en muestras de tumores y los resultados se compararon con la respuesta al tratamiento.
Estudios clínicos posteriores establecieron la importancia de la expresión de PD-L1 en la selección de pacientes para determinadas indicaciones de pembrolizumab. KEYNOTE-024 evaluó el cáncer de pulmón de células no pequeñas (CPCNP) avanzado no tratado previamente con una puntuación de proporción tumoral (TPS) PD-L1 de al menos 50 % y sin alteraciones sensibilizantes de EGFR o ALK, en un entorno de tratamiento de primera línea enriquecido con biomarcadores. Pembrolizumab produjo mejores resultados clínicos en comparación con la quimioterapia basada en platino en esa población seleccionada.
El ensayo PD-L1 IHC 22C3 pharmDx se desarrolló como diagnóstico complementario para las indicaciones relevantes.
Dos aplicaciones complementarias se encuentran dentro de ese único programa. La ocupación de receptores apoyó la comprensión de la interacción fármaco-objetivo y la farmacología clínica; La expresión del tumor PD-L1 identificó una población de pacientes con mayor probabilidad de beneficiarse. Un marcador de compromiso objetivo y un marcador predictivo responden preguntas diferentes incluso cuando ambos pertenecen al mismo programa de desarrollo, razón por la cual cada uno se evalúa en función de su propio propósito clínico previsto.
6. Por qué los biomarcadores traslacionales deben evaluarse en todas las especies
Un biomarcador que funciona en un modelo animal no es automáticamente adecuado para su traducción clínica. Las diferencias en la estructura molecular, la expresión objetivo, la regulación inmune, el metabolismo y la distribución tisular afectan tanto a la medición en sí como a su interpretación biológica.
Por lo tanto, la comparabilidad entre especies pertenece al diseño de la investigación preclínica. Cuatro aspectos conllevan la mayor parte del riesgo.
Comparabilidad analítica.Los ensayos deben ser suficientemente específicos y sensibles en las especies relevantes. Los anticuerpos, cebadores, reactivos de detección y otros componentes analíticos pueden presentar diferentes características de rendimiento en muestras humanas y animales.
Relevancia biológica.Un cambio mensurable en un animal no siempre representa el mismo proceso biológico en los humanos. La pregunta es si el biomarcador refleja un mecanismo conservado o una respuesta específica de la especie.
Relevancia del tejido.Los biomarcadores medidos en sangre periférica a menudo indican erróneamente la actividad biológica en el órgano diana, lo cual es importante en el SNC, la oncología y la investigación inflamatoria de tejidos específicos.
Relevancia temporal.Los cambios de biomarcadores y las respuestas clínicas o funcionales pueden compensarse con el tiempo, por lo que el programa de muestreo determina si una relación exposición-respuesta es visible.
Los modelos de primates no humanos (NHP) se vuelven útiles cuando el mecanismo farmacológico depende de objetivos moleculares conservados, interacciones inmunes complejas o procesos fisiológicos que los modelos animales convencionales representan mal. Para productos biológicos y otras terapias sensibles a especies, los estudios de NHP caracterizan la participación del objetivo, la exposición sistémica, las respuestas inmunológicas y los efectos farmacodinámicos en un entorno fisiológicamente relevante.
Los estudios de NHP no eliminan las diferencias entre especies. Su valor depende de la relevancia del modelo seleccionado, la reactividad cruzada farmacológica de la molécula candidata y la idoneidad de los biomarcadores que se miden.
Por lo tanto, una estrategia traslacional de biomarcadores se construye en torno al mecanismo de acción y la aplicación clínica prevista, en lugar de en torno a los criterios de valoración que resultan convenientes medir.
7. Integración de biomarcadores en una estrategia de desarrollo cuantitativa
Los biomarcadores dan mejores resultados cuando se integran dentro de una estrategia de desarrollo integrada en lugar de llegar como mediciones aisladas.
Durante el desarrollo preclínico, las mediciones farmacocinéticas establecen la exposición sistémica y, cuando sea relevante, la exposición tisular. Los ensayos de participación del objetivo determinan si el candidato interactúa con su objetivo molecular previsto. Los biomarcadores de la EP caracterizan las respuestas biológicas posteriores y los criterios de valoración relacionados con la enfermedad proporcionan evidencia de mejora funcional o patológica.
Luego, los modelos PK/PD y el análisis de exposición-respuesta consolidan esos datos en decisiones sobre la selección de dosis, los intervalos de dosificación y el diseño de los primeros estudios clínicos.
Durante el desarrollo clínico, el mismo marco se perfecciona con la farmacocinética humana, la ocupación de receptores, la actividad de las vías, los hallazgos de imágenes y los resultados clínicos.
La información no fluye en una dirección. Las observaciones clínicas pueden mostrar que un biomarcador tiene un valor predictivo limitado, que un objetivo no está suficientemente involucrado en el tejido relevante o que las vías compensatorias influyen en la respuesta al tratamiento. Esos hallazgos se retroalimentan en la interpretación de los datos preclínicos y el diseño de estudios posteriores.
Una estrategia viable de biomarcadores se basa en tres requisitos:
- Validez biológica:¿Refleja el biomarcador el mecanismo biológico previsto?
- Validez analítica:¿Se puede medir de forma precisa y reproducible?
- Relevancia clínica:¿El cambio medido proporciona información significativa para el desarrollo de fármacos o los resultados de los pacientes?
Un biomarcador que satisfaga uno o dos de estos todavía tiene uso en la investigación exploratoria; su capacidad para respaldar decisiones clínicas sigue siendo limitada.
Por lo tanto, la selección de biomarcadores, el desarrollo de ensayos, la estrategia de muestreo y la evaluación entre especies pertenecen al diseño inicial del estudio, antes de que los resultados de eficacia estén disponibles.
Implicaciones para la investigación traslacional preclínica
Pasar de la farmacología preclínica al desarrollo clínico requiere más que evidencia de que un fármaco candidato produce un efecto en un modelo animal. Requiere una visión de cómo se conectan la exposición a los medicamentos, el compromiso con el objetivo, la actividad biológica posterior y los resultados relacionados con las enfermedades.
Los estudios PK/PD integrados y la evaluación de biomarcadores son la forma en que se construye esa visión.
En la investigación con primates no humanos, esas evaluaciones se combinan con mediciones fisiológicas longitudinales,imágenes clínicas, muestreo de tejido y criterios de valoración funcionales dentro de un único marco experimental. Un estudio del NHP sobre el sistema nervioso central, por ejemplo, puede integrar concentraciones de fármacos en plasma y líquido cefalorraquídeo, evaluación basada en imágenes, compromiso con objetivos específicos de tejido y criterios de valoración neurológicos o conductuales. El resultado son varias capas de evidencia en lugar de una única medición terminal.
En Prisys Biotech,Farmacología del NHPLos estudios incorporan evaluación PK/PD, evaluación de biomarcadores relacionados con la enfermedad, imágenes clínicas y análisis de criterios funcionales de acuerdo con los objetivos del programa de investigación. El diseño específico del estudio y la estrategia analítica están determinados por el fármaco candidato, el mecanismo de acción y la aplicación clínica prevista.
La diferencia práctica es tratar los biomarcadores como elementos de decisión en lugar de como volumen. Cuando la actividad biológica puede cuantificarse e interpretarse de manera consistente en modelos experimentales y estudios clínicos, las decisiones de desarrollo se basan en evidencia y la distancia entre la eficacia preclínica y la respuesta humana se convierte en algo que un programa puede investigar directamente.
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