为血癌治疗重新利用药用化合物
摘要
药物开发因其缺乏生产力而持续受到审视。新药开发成本高、失败率高且开发过程漫长。这些缺陷加上血癌对新治疗方法的巨大需求，使许多人开始考虑药物重新利用的方法。为已建立的药物物质寻找新的治疗适应症被称为药物的重定向、重新定位、重新调整或重新利用。可以筛选已过专利和仍在专利期内的药物，以发现额外的靶点和新的适应症，从而更快地将它们推进临床试验。这种方法为小型研究团体（如学术机构）提供了进入药物开发行业的机会。药物重新利用可以利用先前公布的关于剂量、毒理学和作用机制的数据。
引言
癌症是当今世界的主要死因之一，其发病率将在全球范围内上升，给医疗服务和制药公司带来压力，要求它们以竞争性的速度开发新疗法。
目前的药物发现模式因与之相关的高失败率而持续受到审视。为已建立的药物物质寻找新的治疗适应症被称为药物的重定向、重新定位、重新调整或重新利用[1]。在本综述中，该策略将被称为药物重新利用。这种开发新药治疗的方法正变得越来越有吸引力，因为它能大幅缩短获得批准并将药物推向市场所需的时间[2]。
在过去几十年里，即使信息和生物学技术取得了最近的进展，进入市场的新药数量并未显著增加。从1975年起，全球药物发现的研发总支出增长了至少15倍；然而，美国食品药品监督管理局（FDA）批准的新分子实体（NME）数量并未出现类似的急剧增长：1976年批准了26种新药，2014年批准了41种新型新药[3–5]。
总的来看，药物发现和开发的时间平均约为13年的研究和财务投资，才能将药物从实验室带到患者的病床前（图1）。药物开发过程包括多个步骤和试验阶段，以寻求FDA批准。临床试验前的步骤涉及测试药物的疗效、毒性以及药代动力学和药效学特征，通常通过细胞和动物研究进行。这些步骤成功后，药物将在人体受试者中测试疗效和安全性，这通常分三个阶段进行[6]：
- 第一阶段研究侧重于药物的安全性。
- 只有未发现具有不可接受毒性水平的药物才会进入第二阶段，以测试药物的有效性及其与预定靶点成功相互作用的能力。通常在第二阶段，对患有特定疾病的患者进行治疗，通常是那些对先前治疗无效或耐药的患者。
- 第三阶段是最后阶段，继续评估安全性和有效性，但也将疗法与标准治疗或不同剂量进行比较，通常采用随机试验的方式。这一阶段通常需要大量患者受试者，以生成有意义且可靠的数据来显示显著益处。
在成功完成第一、二、三阶段后，通常可获得FDA批准，这可能需要数年时间（图1）。药物未能有效靶向它们为之开发的疾病，或证明对人体不安全，因而未能获得FDA认证的情况很常见。
制药行业面临着重大的政治和财务挑战。在2014年由塔夫茨药物开发研究中心进行的一项研究中，开发一种获得上市批准的新药的估计成本为25.58亿美元，与2003年之前估计的8.02亿美元相比显著增加[7]。这一增长给公司带来压力，要求它们确保正在开发的药物获得批准，并导致药物上市后价格大幅上涨，使医疗中心和患者更难以负担。世界各国政府都在努力控制成本，由于医疗保健预算占政府支出的很大一部分，这些成本受到严格审查。在美国和其他地方，药品成本也是激烈政治讨论的主题[8]。
血癌的需求
所有癌症都需要新的治疗方法，在本综述中，我们专注于一种特定类型的癌症：血癌或血液系统恶性肿瘤。血癌有四大类：白血病、骨髓瘤、霍奇金淋巴瘤和非霍奇金淋巴瘤。这些合计约占所有癌症的9%，目前在全球男性和女性中都是第四大常见癌症[9]。
但这四大类包含60多种不同的亚型，最初在2001年，然后在2008年，世界卫生组织（WHO）制定了一份公认的血液系统恶性肿瘤分类，根据免疫表型、遗传异常和临床特征对每种类型进行了定义[10, 11]。这是首次将疾病的遗传学与形态学、细胞化学和临床信息相结合来定义疾病分类。在美国，估计2014年共有15.7万人被诊断出患有血癌，约5.5万人将死于血液系统恶性肿瘤[12]。
高发病率和死亡率凸显了开发新型有效治疗方法的必要性。这些药物也有必要以更快的速度推向市场。2005年至2014年间，FDA批准了268个新分子实体（NME）[5]，然而其中只有约10%的NME具有血液系统恶性肿瘤适应症[13]。总体而言，过去5年内FDA批准的84种癌症药物中，有23种与血癌相关（表1）。此外，在2012年获得FDA批准的癌症药物中，有11种定价为每位患者每年超过10万美元，这对于大多数患者和几乎所有医疗服务来说都是根本无法承受的[14]。
最早期的靶向疗法之一伊马替尼（商品名格列卫）在英国的市场价格从每位患者每年18,000英镑上涨至21,000英镑。格列卫非常成功，因此对于制药公司诺华来说是一种利润丰厚的药物，适应症包括慢性髓性白血病（CML）等。虽然所有的初始研发成本已经收回，但价格上涨可能基于其成功。
认识到与癌症相关的缺乏有效治疗方法的主要问题，已建立了多个项目，试图开发新流程以寻找新疗法。其中一个项目是肿瘤学药物重新利用（ReDO）项目[14]。
ReDO项目是美国Global Cures和比利时Anticancer Fund之间的合作，其目标是寻找现有的非抗癌药物，并测试它们成为新的、重新利用的癌症治疗方法的潜力[14]。新肿瘤药物在第一阶段试验中的成功率为6.7%，是非肿瘤药物成功率的一半[14]；因此，肿瘤药物开发的成本每年对健康和全球经济产生巨大影响。因此，药物重新利用的方法应通过减少当前药物开发模式相关的早期研发成本来减轻控制成本的压力。主要担忧之一是未来癌症发病率增加将对新治疗方法的定价产生的经济影响。由于高失败率和投资减少，这些治疗方法的成本正在增加[15]，而许多获批药物对于罕见和突变形式不够特异。肿瘤对当前治疗产生耐药性，并表现出高水平的肿瘤内遗传异质性，因此治疗可能起到了选择压力的作用[15]。因此，使用单一化合物靶向治疗对于耐药肿瘤将无效。显然，应考虑将新的和重新利用的药物与其他靶向化合物联合使用，或在疾病的早期阶段使用。靶向疗法与传统化疗药物的组合现在被广泛使用[16]。
ReDO项目认识到，除了现有的制药武器库之外，还有多种来源的抗癌药物。该项目旨在重新利用众所周知且非抗癌的药物，并为这些药物找到作为抗癌治疗的新适应症[14]。2014年，ReDO发布了一份初始报告，阐述了肿瘤学中当前的问题，说明了项目的目标以及被认为具有重新利用潜力的前六种化合物。这六种化合物是基于它们众所周知、是仿制药且具有详细毒理学出版物的事实而选定的。这六种化合物是甲苯咪唑、硝酸甘油、西咪替丁、克拉霉素、伊曲康唑和双氯芬酸。迄今为止，该项目已发表了西咪替丁、克拉霉素和甲苯咪唑抗癌活性的证据，其中甲苯咪唑正在评估其对白血病的有效性[17–19]。
药物重新利用的优势
支持这种药物开发方法的最普遍论据是缩减了将药物推向市场和患者病床前的研发时间。据估计，新药的开发可能长达17年；而重新利用药物的过程可能只需要3到12年（图1）[1]。重新利用药物提供了高水平的安全性，因为已经有大量可获取的数据描述了这些药物的药代动力学、毒性、生物利用度、剂量和方案[16]。由于约30%的试验药物因安全性而失败，而重新利用的药物具有降低失败率的优势，因为它们已经过安全性测试。第一阶段临床试验通常允许确定剂量限制，并且可以避免或使用预定的剂量方案[16]，并且重新上市的成本比新化合物上市的成本要低。
药物重新利用的潜在障碍和限制
重新利用药物时出现了一些限制。在各种情况下，一种药物可能对新适应症显示出良好的疗效，但所需剂量远高于先前批准的剂量，从而导致与毒性相关的可能不良影响[16]。研究公司可能专注于某些疾病领域，因此药物的潜在适应症可能未经测试[20]。专利独占性可能在限制药物重新利用潜力方面发挥主要作用。开发中的制药公司需要药物专利，这样它们才能成为唯一能够制造、销售和从药物中获利公司。
然而，在美国，专利提供长达20年的保护期，自申请日起算。欧洲专利公约（EPC）也授予类似的20年专利保护期。通常，制药公司会在开始临床试验之前申请专利。当专利到期时，该药物被称为“仿制药”，因此其他公司可以制造和销售。这一过程的一个很好的例子是对乙酰氨基酚，其专利于2007年到期；此后，出现了许多不同品牌的版本[21]。
格列卫（伊马替尼）的基本化合物专利在美国于2015年7月到期，2016年在欧洲主要国家到期，尽管对于格列卫的其他多晶型形式，专利于2019年到期。还有仿制药版本等待美国FDA批准，这些版本将以远低于当前每位患者每年价格的价格销售。2014年的诉讼导致诺华允许Sun Pharma的子公司从2016年2月起在美国销售格列卫的仿制药[22]。
目前与药物开发相关的法规也可能阻碍某些研究小组重新利用药物。重新利用专利药物涉及严格的立法。可以在无需化学和制造申请或寻求原所有者批准的情况下，筛选仍在专利期内的药物以寻找新的适应症，前提是产品的使用与批准的标签一致。对于已过专利或仿制药，新适应症必须是新颖的并具有临床益处。对于这两种适应症，新的声明不得先前已发表或在过去的文献中被提出。研究的一个主要障碍是需要开发一种新制剂，以便能够为拟议的新适应症获得市场独占性。鼓励团体承担这一过程的动力是1983年制定的《孤儿药法案》（ODA），旨在鼓励制药公司解决罕见疾病新疗法的需求[23, 24]。欧盟将罕见疾病定义为影响一般人口中少于5/10,000人的疾病，而在美国，罕见疾病影响少于20万人。血液系统恶性肿瘤包括急性髓性白血病（AML）、慢性髓性白血病（CML）和多发性骨髓瘤（MM）被认为是罕见和孤儿疾病。ODA向制药公司提供激励措施，将其研究用于开发此类罕见疾病的治疗方法。如果研究针对孤儿疾病，可能会获得资助的拨款和合同。FDA在审查孤儿药申请时也会接受较少的患者数量。药物申请通常涉及费用；然而，在这些情况下，不收取此类费用。如果获得批准，根据ODA，在美利坚合众国将获得7年的市场独占权，在欧盟为10年。自1983年该法案通过至2010年，FDA已通过其孤儿产品开发办公室（OOPD）批准了353种孤儿药，并授予2116种化合物孤儿药资格。对孤儿药和罕见疾病的关注持续存在，在2013年FDA批准的27种药物中，有9种用于治疗罕见疾病[20]。
重新利用的类型
一般来说，识别药物重新用于新适应症的潜力背后有两个简单的概念。第一个概念是识别一种药物与多种疾病相关的多个靶点相互作用。这些额外的靶点（即脱靶）可能通过筛选或观察到的副作用偶然出现。在某些情况下，这些次要靶点会导致该药物因产生不良副作用而被标记为特定适应症的“脏药”。然而，某个靶点可能对新适应症有益。当发现一种药物具有有益的脱靶效应时，它可以被称为“理想的多效性”。第二个概念是识别多种疾病，其中有一个靶点与它们的发展都相关。这些新适应症的发现通常来自对已建立和/或搁置化合物库（如约翰霍普金斯库，包含3500种药物）的已知靶点筛选。
迄今为止，药物重新利用最成功的机会是偶然出现的，通常是由于观察到的副作用。沙利度胺是这种偶然观察导致其重新用于麻风病和多发性骨髓瘤的典型例子，将在本综述后面进一步探讨[25]。
药物重新利用可应用于药物发现和开发的许多阶段，但当药物已经过安全性和有效性测试时潜力更大。了解疾病背后的生物学对于寻求重新利用药物尤为重要。了解疾病进展的机制对于确定其预防靶点至关重要。伊马替尼是通过研究其机制而确定新适应症的（将在后面讨论）。
药物重新利用的方法
盲筛或筛选方法
这些方法基于不考虑任何已知药理学或生物学数据的盲筛，通常源于偶然观察[26]。盲筛和筛选具有灵活性，可应用于多种靶疾病[27]。1999年至2009年间，约34%的FDA批准的小分子和生物制品是通过这种方法确定的。通过这种方法被FDA批准在标签适应症之外重新利用的药物包括用于勃起功能障碍的枸橼酸西地那非、用于乳腺癌的利妥昔单抗和用于膀胱癌的依托泊苷[28]。
基于靶点的方法
基于靶点的药物重新利用方法涉及药物的高通量体内和体外筛选。筛选旨在从复杂的化合物库中识别具有特定生物标志物或感兴趣蛋白质的药物[29]。与盲筛方法相比，成功发现潜在药物的可能性要高得多，因为大多数靶点将直接与疾病机制相关。基于靶点的重新利用允许在几天内高效筛选大型药物或化合物库。这种方法在研究小组尝试开发新治疗时特别受欢迎[30]。
基于知识的方法
在基于知识的药物重新利用方法中应用了生物信息学或化学信息学分析。该方法利用了临床试验信息、药物-靶点网络、已识别的药物及其靶点的化学结构以及参与药物活性的通路等已有信息[31]。使用基于知识方法的研究人员利用已发布的信息来预测药物的相似性并识别潜在的新靶点。这使得能够识别药物的新靶点，而这在前两种方法中是不可能的。使用这种方法，药物重新定位得到了改善，因为它与降低的失败率相关，特别是如果该药物已经成功获得FDA批准[32]。
基于特征的方法
基于特征的方法应用来自疾病组学数据（有或没有治疗）的基因特征，以发现未知的脱靶或未知的疾病机制[33, 34]。随着微阵列和下一代测序技术的进步，可用的基因组学数据量呈指数级增长。这些进展对于药物重新利用意义重大，因为基因组数据库不断被构建。通过这种方法可以揭示药物的未知机制。计算方法在基于特征的方法中特别重要[26]。西罗莫司通过这种方法被重新利用于患有地塞米松耐药的急性淋巴细胞白血病患者，其方式是利用基因特征连接药物治疗的疾病[35]。
基于通路或网络的方法
与基于特征的方法类似，基于通路或网络的药物重新利用方法利用了疾病组学数据。此外，该方法利用可用的信号或代谢通路以及蛋白质相互作用网络，来重建提供重新定位药物关键靶点的疾病特异性通路[36]。这种方法的主要优点是使用大量多样化的信息，将一般的信号网络缩小到具有少数蛋白质/靶点的特定网络[32]。
基于靶向机制的方法
基于靶向机制的方法通过结合基于蛋白质相互作用网络、信号通路和治疗组学数据的信息，来识别未知的药物作用机制。这种方法在患者可能对药物产生耐药性的研究中显得尤为重要，表明成功的药物治疗还必须包括对药物作用机制的研究，从而能够识别更好的药物靶点[30]。这种方法的最大优势是能够识别与药物治疗其特定疾病相关的机制[26]。总体而言，药物重新利用的方法共享一个由分析、假设生成和验证组成的共同顺序过程。
血癌中重新利用药物的例子
沙利度胺
沙利度胺在20世纪50年代被开发为镇静剂，用于缓解孕妇的孕吐。然而，人们注意到该药物可能导致严重的先天缺陷，导致沙利度胺从市场撤回。在此期间，估计在超过46个国家中至少有10,000名婴儿出生时患有肢体和其他身体末端畸形[37]。在随后的几十年里，研究人员（如制药公司Celgene）继续测试沙利度胺的治疗效果。在此期间，D'Amato在Judah Folkman的实验室进行的研究表明，沙利度胺显著减少了新血管新生[38]。最终，该药物在难治性多发性骨髓瘤患者中进行了测试，并通过抑制肿瘤坏死因子α诱导了持久的反应[39]。2006年，FDA批准沙利度胺联合地塞米松用于治疗多发性骨髓瘤。
伊马替尼
癌症治疗药物常常在其最初获批的广泛疾病亚型内被重新利用。例如，甲磺酸伊马替尼（格列卫）最初被批准用于治疗慢性髓性白血病。但由于伊马替尼是ABL激酶的抑制剂，它也显示出与KIT激酶的交叉反应性和抑制能力。导致KIT酪氨酸激酶激活的突变被确定为胃肠道间质瘤（GIST）的病因[40]，提示应测试伊马替尼对GIST的疗效。进行了临床前研究来验证这一潜在适应症的假设，结果揭示伊马替尼确实能诱导GIST细胞死亡，这似乎与抑制KIT激酶有关。这些研究导致伊马替尼被批准用于治疗GIST[40]。伊马替尼现在用于不同的血癌适应症，如急性淋巴细胞白血病、慢性嗜酸性粒细胞白血病和骨髓增生异常/骨髓增生性肿瘤，并且由于与血小板衍生生长因子受体激酶的反应，也获得了治疗系统性肥大细胞增多症和隆突性皮肤纤维肉瘤的批准[36]。
达沙替尼
与伊马替尼类似，达沙替尼最初被批准用于治疗慢性髓性白血病（CML），并被重新利用于治疗对先前疗法耐药或不耐受的费城染色体阳性急性淋巴细胞白血病（ALL）患者。达沙替尼以商品名Sprycel生产，是一种口服酪氨酸激酶抑制剂，目前也在临床试验中用于治疗胶质母细胞瘤[41]，并且已通过基于网络的方法，通过重建疾病特异性网络以识别关键靶点，被重新利用于乳腺癌脑转移[42]。
提高药物重新利用的成功率
药物重新利用的成功关键在于其提高疗效的能力。由于该过程利用了先前发表的毒理学和临床信息，因此药物安全性更高，失败风险降低。
在整个新药开发过程中，有多个阶段可以预测和验证药物具有额外适应症。正如所料，在发现和开发过程中越靠后，药物重新利用预测的置信度就越高。在药物开发的时间线上有多种不同的方法可以应用：第一种是大规模方法，涉及基因分析和分子建模。这种第一种方法由于涉及大量候选物，可预测性较低。大型制药公司可以将其方法应用于他们开发的每一种药物。大规模方法的一个限制是需要复杂的技术，而较小的研究和学术团体通常无法获得这些技术。增加这种方法复杂性的还有关于在重新利用药物时应该关注什么决策。公司可以测试单个药物在相同适应症内的第二靶点，或者为药物寻找第二适应症。他们也可以寻求确定该药物是否对罕见或孤儿疾病有效（这可以给公司带来好处），一个重要的决策是公司是否将考虑所有可用的化合物，还是只考虑他们自己开发的。第二步药物开发涉及临床试验和观察接受治疗的患者所经历的副作用。在观察到感兴趣的副作用后，必须进行单独的临床试验以确定该效应是否可重复。
另一种方法，虽然比之前讨论的任何方法都耗时得多，是回顾被处方特定感兴趣药物的患者的数据。这是一种相对简单的初始重新利用预测方法，通过寻找药物和疾病之间的关系。考虑一个患者因一种适应症接受特定药物治疗的场景，可以观察到它可能对患者可能患有的任何其他疾病产生治疗作用，从而提出进行重新利用研究的潜力。
在讨论药物重新利用时，一个需要涵盖的重要话题是动物模型的必要性。小鼠模型的使用被认为对开发新药是必要的。小鼠模型通常用于测试化合物的疗效。当药物的药代动力学在老鼠和人体试验中差异很大时，模拟人类的给药方案可能不切实际。由此，可能没有理由批准继续进行针对新适应症的人体临床试验[13]。有些人认为，如果在重新利用中剂量保持不变，可以跳过动物模型；然而，情况往往并非如此简单，新的适应症可能需要不同的剂量，这将需要小鼠模型进行疗效测试。
未来方向和结论
通过新技术，我们对疾病病理学的理解持续增长，使我们能够明确疾病病因及其持续入侵背后的生物学机制。提高药物开发生产力有两种流行方法：药物重新利用和个性化医疗。药物疗效在药物失败中起着重要作用。至少30%的药物因疗效不佳而失败[8]。个性化医疗旨在通过将患者按疾病分为亚型特异性治疗组，以努力提高药物疗效。对疗效的一个主要影响是人类疾病的复杂性和异质性。血癌与其他癌症一样，是许多疾病的集合，每种疾病都有亚型，有些受基因表达谱影响。个性化医疗计划诊断患者并开具针对疾病分子生物学基础的特定和定制治疗方案[43]。随着对疾病突变和生物学认识的加深，个性化医疗正变得越来越重要，并成为患者治疗的未来方向。测序个人DNA的能力意味着有潜力表征患者的疾病及其分子组成和机制。
个性化医疗的目标和药物重新利用的潜力是一种强大的结合，它们共同具有为罕见疾病和被称为“孤儿”的疾病开发治疗方法的可能性。通常，罕见疾病患者数量不足意味着临床试验不可能进行，因为难以招募足够数量的患者[43]。药物重新利用可以更有效、更及时地为这些患者（包括血癌患者）提供疗法。
人们认识到，药物重新利用要想有一个成功的未来，需要三个关键要素。首先是化合物及其安全性和先前临床研究信息的可用性。此外，建议将化合物列表及其相关信息提供给所有研究和学术团体。第二个要素是在筛选潜在候选物时对广泛的适应症空间持开放态度。这可以作为一个项目组或多个子组来执行。最后，第三个关键要素是通过所有规模研究团体之间的联合或多个合作来最大化和整合想法[20]。
为了帮助持续进行重新利用研究，研究团体必须拥有或能够接触到药物化合物的实物收藏。这些药物收藏或药物数据库可以进行高通量筛选。一些已经建立的数据库包括罕见疾病重新利用数据库（RDRD）和国家临床指导中心（NCGC）药物收藏（NPC）。RDRD是由FDA提供的一个有前景的新资源[44]。该数据库发布了一份包含200多种已知产品的综合清单，这些产品有潜力被重新利用来治疗罕见疾病。该资源信息丰富，为赞助商提供了一个寻找开发罕见疾病患者小众疗法特殊机会的新工具。
NCGC-NPC是一个既定的、广泛的、开放获取的已批准和研究性药物数据库，支持重新利用和化学基因组学[20]。NPC信息学资源可供任何有互联网连接的研究人员进行虚拟筛选。NPC鼓励共享药物收藏，反过来，该公司要求研究人员分享借助该收藏进行的所有测试和发现，无论成功与否。重要的是，所有从相关研究收集的数据都将公开提供[45]。
仅就血液系统恶性肿瘤而言，白血病和淋巴瘤协会（LLS）最近制定了治疗加速计划（TAP），旨在加快血癌治疗和支持性诊断的开发[46]。该计划也支持药物重新利用项目。TAP由三个部门组成，每个部门都有该计划的唯一目标。第一个部门是学术礼宾部，通过拨款利用每年6300万美元的学术投资。该部门鼓励进一步开发具有临床前景的项目。凭借该部门的疾病和研究专家，项目还通过药物开发过程以及临床试验和批准申请方面的指导得到帮助。第二个部门是生物技术加速器。该部门的主要重点是识别和支持正在开发新型血癌疗法但缺乏专业知识或技术资源以充分发挥研究潜力并使患者受益的小型制药公司。最后一个部门是关键试验部门，涉及血癌患者。该部门为患者提供获取相关临床研究的工具。这突显了有效的重新利用需要合作伙伴关系，一种涉及研究界、制药行业、监管机构、慈善机构，也许最重要的是，患者需求的伙伴关系。
结论
当我们考虑到2014年FDA批准的41种新型新药中[5]只有3种（7.3%）具有血液系统恶性肿瘤适应症时，显然需要新的药物开发方法。药物重新利用提供了这一机会，其失败率更低，成本也更低。某些重新利用案例导致药物化合物的新适应症，而其他案例则为第二代更有效、更特异的组群提供了相同适应症的机会。这种方法也为小型研究和学术团体参与药物开发过程提供了机会。
很明显，药物有潜力在多个步骤中被重新利用。已撤回的药物、已获批的药物、目前处于临床试验中的药物或临床试验失败的药物都可能存在重新利用的机会。增加潜在的重新利用途径是基于多样化研究团体的合作以及慈善组织、学术团体和行业之间新发现的共享。预计对每个通过第一阶段临床试验的药物和已获批药物进行药物重新利用潜力的评估将成为常规。通常，血癌药物被重新用于其他癌症适应症或额外的血液系统恶性肿瘤；很少有药物从其他疾病中重新利用作为血癌的新疗法。然而，需要注意的是，任何从重新利用药物中识别血液系统恶性肿瘤新治疗方法的尝试，仍然需要对药物活性背后的机制进行详细分析。但重新利用将有助于改进和增加可用于血癌及其他癌症的治疗武器库。
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