多组学世界中的药物发现
作者：Mike Furness
罕见疾病在全球影响着数百万人，但每一种具体病症的患者数量却非常少。寻找治疗方法十分困难，因为市场规模不足以支撑巨额药物研发投入。多组学技术的发展即将改变这一切，该技术能够阐明疾病的确切病因及其对特定生物通路的影响。一旦明确了罕见疾病的基础生物学机制，已经获批用于其他疾病的、靶向同一代谢通路的药物便可以相对容易地重新用于治疗该疾病。
此外，在临床试验中失败但显示出良好效果的新药，如果针对少数患者有效，可以重新定位为孤儿药并收取高昂价格。长期以来人们已知不同基因型的患者对药物反应不同。从罕见遗传病研究中获得的新知识正在增进我们对重要生物通路的理解，从而创造出更有效治疗的机会。
基因组学正在改变疾病诊断和治疗的格局，这一趋势现已渗透到药物开发中。行业不再执着于寻找新化学实体，而是重新聚焦于更深入地理解基础生物学。
真正的游戏规则改变者是测序成本的下降。据EMBL-EBI主任Ewan Birney博士称，2003年对一个基因组进行测序的成本相当于伦敦最昂贵的豪宅；而到2013年，这一成本已急剧下降至一张阿森纳足球俱乐部赛季季票的价格。成本的降低使得全基因组测序更加可及，从而能够对罕见遗传病进行更深入的研究。
从罕见遗传病中获得的洞见
总体而言，罕见疾病影响着全球数百万人，但每一种具体病症的患者数量可能非常少。为这些患者找到有效治疗一直很困难，因为市场规模不足以支撑巨额药物研发投入。此外，测序成本意味着，迄今为止基因检测仅限于单个基因或针对已知突变的小型基因组合。在美国，美国分子遗传学家学院仅列出了46个基因，临床医生可以向患者报告这些基因的任何异常，因为这些基因有已知的干预措施。
然而，测序成本的下降正在改变这一状况，并促成了诸如发现性发育疾病项目（DDD）之类的研究。该项目由英国国家医疗服务体系（NHS）与惠康信托桑格研究所共同建立，加速了研究疾病中重要组学工具的开发。DDD是一项开创性研究，旨在为儿童发育疾病的诊断提供改进技术。许多此类疾病会限制生命，因此迫切需要尽快得出正确诊断。
传统上，疾病是根据其症状和身体部位来定义的。对于早期发育疾病，这意味着每种症状都由该领域的专科医生单独检查。患者辗转于不同临床医生之间。平均而言，患罕见遗传病的儿童在确诊之前会被七名医生接诊，历时五年。DDD为大约14,000名先前未经诊断的遗传病儿童及其父母提供了全基因组分析。
研究证实，大多数罕见遗传病由单个基因的突变引起，但并非所有突变都会导致疾病。这是因为蛋白质编码区仅占总DNA的1-2%，而DNA“非编码”部分的突变通常不会产生同等程度的影响。这表明，使用外显子组（基因组中编码蛋白质的部分）来支持诊断是足够的，从而缩小了寻找致病突变的范围。
研究人员进一步开发了最初在人类基因组计划中建立的基因注释系统，使非专业人士也能更清楚地看到哪些基因与疾病相关。DDD成功地为约35%的家庭提供了诊断，并为受影响的儿童集群（即那些具有相似临床特征且共享相同基因有害变异的孩子）确定了“临床表型”。研究结果目前已发表在15本以上的同行评审期刊上，其中包括《自然》杂志上一篇将12个新基因与发育障碍联系起来的论文。
创建临床表型对于推进这些疾病的知识非常重要。临床医生在职业生涯中可能只遇到一两种特定疾病病例，而且并非所有患某种疾病的患者都表现出完全相同症状。能够访问参考知识库来比较自己的患者，将大大加速诊断。
罕见遗传病的研究正在通过基因组学英格兰领导的10万人基因组项目继续进行。这项工作产生的新知识显著增进了我们对疾病病因的理解，并为受这些通路中的基因控制的重要通路提供了洞见。
对更常见疾病表型的好处
研究罕见临床表型很重要，因为这些信息可用于识别更常见疾病的治疗药物。获取测序数据的途径增多以及生物信息学工具的改进，推动了新兴多组学技术的发展，在此过程中，基因组、转录组（编码蛋白质的RNA）和蛋白质组（所有蛋白质）的信息被整合在一起。有了这些知识，我们就能更详细地了解疾病或失调的生物学机制，以及现有药物的作用模式。这揭示了新的治疗靶点。
一个很好的例子是对罕见人类骨病的研究，该研究识别出了调节骨形成的重要信号通路。新骨形成与旧骨分解之间的平衡对于确保骨骼具有正确的形状、大小和密度至关重要。骨硬化症是一种罕见的致残性疾病，患者骨骼增厚、变硬，导致面部扭曲，颅压升高造成失明和寿命缩短。研究发现，该病由SOST基因突变引起，该基因负责制造硬骨素，一种抑制骨形成的蛋白质。
全世界已知仅有100人患有此病，但研究获得的知识已催生了骨质疏松症的治疗方法。在试验中，单次注射一种抑制硬骨素的单克隆抗体，显著增加了绝经后女性的骨形成标志物。正在开发的新疗法预计市场覆盖1.5亿人，价值130亿美元。此外，对该通路的了解可为少数罹患此病的患者提供新疗法，目前他们的治疗措施是风险极高的手术。
超级人类
对一些人来说，罕见的遗传突变可能带来有益特征，一些制药公司已开始寻找这些“超级人类”。一个很好的例子是抗凝剂的偶然发现。英国剑桥阿登布鲁克医院调查科学部副主任兼血液学顾问Trevor Baglin博士的一位患者奇迹般康复，由此发现了这种抗凝剂。抗凝剂用于曾患血栓的患者，但不幸的是，这些药物无法区分异常凝血和健康凝血。因此，治疗是减少血栓与防止出血之间的微妙平衡。2008年，该患者因可能致命的头部损伤入院，症状与严重血友病一致。令Baglin博士惊讶的是，出血停止了，他观察到这一现象归因于患者血液中的一种抗体，该抗体“在没有出血的情况下产生了非凡的抗凝作用”——阻止了致命性凝血。随后，他与剑桥医学研究所的同事合作，设计出这种抗体的合成版本，两人意识到他们偶然发现了“抗凝药物的圣杯”以及对抗血栓及由此引发的心脏病的关键武器。该技术由大学商业化机构剑桥企业许可给X01 Ltd，并于2015年被Janssen Pharmaceuticals收购，以应对价值200亿美元的抗凝市场。正是这样的例子正在改变行业内的动态。
以患者为中心的药物开发
揭示突变如何影响代谢通路将改善罕见疾病的治疗。这些被称为孤儿病，目前已识别出7,000多种，其中只有600种有登记库（症状列表及其他相关信息）。患者支持团体在EURORDIS（欧洲罕见病组织）和遗传联盟等组织的帮助下，正在开始利用现有的登记库进行建设。一个新兴趋势是专家与患者团体合作，在其学科领域建立登记库。例如，英国伦敦大学学院儿童健康研究所遗传学与基因组医学系主任、转化基因组学中心主任及纤毛病实验室主管Phil Beales教授，就与患者团体合作建立登记库。Beales教授是纤毛病方面的专家。纤毛是几乎所有细胞外表面上的细小棒状结构。纤毛的生理重要性尚不明确，但它们似乎参与多种信号通路。与这些结构相关的疾病有多种，但由于纤毛几乎存在于所有组织中，症状差异很大，诊断困难。
例如，巴德-比德尔综合征（BBS）的临床特征包括肥胖、杆锥体营养不良（导致夜盲症，随后儿童期视力丧失）、部分患者出现特定学习困难、肾功能障碍以及一系列次要特征，如多指或并趾。即使在同一家族内，症状也有显著差异。利用全外显子组测序，可以推断出突变所在位置及其对通路产生的影响，从而产生临床表型。
Beales教授接收来自英国各地的患者转诊。通过使用匿名数据，正在开发一个临床表型登记库。登记库对患者家长及其顾问医生都有益处，因为它汇集了该疾病组的所有现有知识、管理方法和治疗方法，还能为临床试验寻找患者提供机会。这标志着制药公司与患者之间平衡的重大变化。生物科学公司现在与患者团体合作的好处大大增加。事实上，当患者团体足够大且资金充足时，它已经能够资助自己的药物试验。一个例子是癫痫协会，它专门为自己的研究购买了高通量测序仪。
在非适应症使用仿制药治疗疾病的情况下，进一步的研究可用于将这些药物重新用于治疗孤儿病。由于这些药物已上市，所需试验时间大大缩短，且由此产生的治疗药物可以收取高价。最近有几个例子表明，FDA允许在试验规模远小于通常的情况下批准药物上市，因为其有效性已得到证实。越来越明显的是，患有这些威胁生命疾病的患者具有与其他患者不同的风险特征，与患者支持团体等中介机构合作能大大提高试验的有效性。互联网在帮助罕见病患者相互联系方面发挥了宝贵作用，这导致了更多的众包数据和试验资金。
剑桥阿登布鲁克医院的患者主导研究中心的Thomas Hiemstra博士正在倡导这种方法。鼓励患者团体解释他们希望针对特定疾病采用何种疗法及其理由。如果有充分的科学假设，Hiemstra博士会将其纳入试验。这种方法的好处是已经有了药物有效性的证据，尽管通路尚未确定，但进一步的研究已经倾向于成功。在完成小型概念验证试验后，患者团体就可以向英国NHS提出：“使用这种治疗将为卫生服务节省X百万英镑，我们希望从中获得一定比例的资金以资助进一步研究。”
这种方法的财务回报已经得到证实。近期《福布斯》报告《被遗忘的药物做得好》概述了一些被大型制药公司搁置、但被更了解其作用模式的公司推向市场的药物。例如，Namenda（美金刚）用于治疗阿尔茨海默病中的认知症状（如记忆丧失和意识混乱），最初由礼来公司合成，由Merz开发，后授权给Forest Labs。该药物在2014年的销售额达到18亿美元。
提高试验成功率
近期报告显示，对于新机制，II期试验的有效结果成功率约为20%。失败率高的原因往往是药物仅对不到30%的患者有效。多组学证据表明，如果试验进行了分层，可能会发现高反应者具有相似的基因型，而专注于这些患者将使试验成功。分层已用于许多癌症药物。赫赛汀已开发出伴随诊断，用于确定患者是否具有特定变异；对于HIV，则有HLA检测。未来，我们可以看到在治疗前对患者进行基因分型的情况。这将为医生提供有关患者拥有哪些药物代谢酶的信息，以及哪些药物对该特定基因型最有效，同时还能告知应避免哪些药物。这将减少药物浪费，突出已知不良反应的潜在风险，并从一开始就实施最佳治疗。DDW
本文最初发表于《DDW》2015/16年冬季刊。
Mike Furness在基因组学领域拥有超过30年经验，现任Congenica公司销售与营销主管。Congenica是英国剑桥惠康信托桑格研究所的衍生公司。其Sapientia技术是一种用于基因组诊断的临床决策支持系统，整合了多组学数据并实现个性化治疗干预。
参考文献
1 Fitzgerald, TW, Gerety, SS, Jones, WD, Jones, M, van Kogelenbery, M et al. 发育障碍新遗传原因的大规模发现。Nature 2015年3月12日；519(7542)：223-8
2 30岁CEO凭空变出制药公司（2015年9月9日）摘自福布斯网站。
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