转化医学时代的药物创制

杨小平

(湖南师范大学医学院，湖南长沙 410081)

1 转化医学

1992年，《Science》明确提出“从实验室到病床(Bench to Bedside)”的观点[1]，1996 年，《Lancet》第一次出现了转化医学(translational medicine)这个术语[2]，尤其是 2003 年 Zerhouni在《Science》上发表文章美国国立卫生院的Roadmap后，引起了学术界对转化医学的密切关注[3]。转化医学是把生物基础研究的最新成果快速有效地转化为临床医学技术的过程，即从实验室到病床(Bench to Bedside)再从病床到实验室(Bedside to Bench)的良性互动。转化医学强调理论与实践的深度融合，目的是将基础研究成果尽快应用到临床上去4。这个新时代将打破基础研究与临床医学之间严重分割的状态，真正实现基础研究成果向临床治疗应用的快速转换，促进基础研究成果快速为临床医学服务，并反过来，临床的医学现象和需求将尽快反馈到基础研究中，为基础研究带来全新的研究课题，这样，更好地为疾病防治和完善政府公共卫生政策服务。我们认为它是医学研究和发展的必由之路，它应该成为现代和未来医学研究的主要模式[4]。这样一个全新的模式，为药物创制提出了更贴近临床医学的要求。药物创制在思路、手段和方法上，都既与现代分子生物学、现代有机合成方法和手段[5]、自动化信息技术[6]、各种组学及基因遗传学[6-8]等紧密相连，又与现代病理学、现代药物学及诊断与综合治疗等息息相关[4]。临床的医学现象和需求成为新药研发的重要引擎[4]。因此必须打破研究课题组单一学科或有限合作的模式，强调多学科组成课题攻关小组，发挥各自优势，通力合作[4,9]。

2 转化医学背景下药物创制思路

与传统的药物创制不同，转化医学背景下既要求药物创制与临床更为紧密结合，同时，又要运用最新的技术和手段。这样，要求从事药物创制的顶层设计者必须具备很雄厚的多学科尤其是医学和病理学的背景知识。现已经很清楚，恶性肿瘤和心脑血管病及糖尿病等大多数慢性病是多病因疾病，其发病机制复杂、疾病异质性很大。因此，对这些疾病不能采用单一方法来进行疾病诊治。一种药物适合所有同类病人的医疗时代已经过去。分子医学(molecular medicine)和个性化医学(personalized medicine)都是转化医学研究产生的结果[10]。因此，在进行药物设计时，一般要考虑针对某中特定疾病的特种亚型进行设计。

如乳腺肿瘤按ER、PR和Her2/Neu是否有表达等分亚型，每种亚型的肿瘤形成机理和治疗方案都不同[11]。因此，现在的抗体蛋白药物Herceptin(赫赛汀)就不适合用于三阴的乳腺肿瘤病人[11]。肺癌病人的EGFR表达水平和变异与否对Gefitinib(吉非替尼)的反应也不同，EGFR低表达和野生型的肺癌病人对该药的反应很低，因此这样的病人就不适合用该药[12]。在膀胱肿瘤中，有FGFR3高表达或变异和p53变异的亚型，FGFR3高表达或变异主要发生在浅表性的膀胱肿瘤中，p53变异的膀胱肿瘤主要发生在侵润性的膀胱肿瘤中[13]。因此，以这些基础的临床医学背景设计药物和考虑病人处理方案都很重要。

从根本上看，肿瘤的发病机制就是健康细胞转化为肿瘤细胞。这有两个可能：一是外来致癌性物质的刺激，二是自身遗传下来的致癌基因在生长过程中发作[14]。这两个情况在细胞分子生物学看，都需要经过细胞信号通路，从而产生细胞的变态生长。就是细胞的外的一些物质，如各种生长因子(growth factors:EGF、FGF、TGF、HGF)、细胞因子(cytokines:IL-1,IL-6,TNF-α)、趋化因子(chemokines:CCL-1～28,CXCL1～17)等，他们首先与细胞外表面的膜蛋白接触，这种接触导致膜蛋白的构象发生变化，激活细胞内的其他与信号通路有关的蛋白，这种通路最后会达到细胞核内，导致细胞核内有关基因转录变化，从而产生一系列的细胞反应，如细胞迁移 (migration)过快，细胞生长(proliferation)过快，细胞附着力(adhesion)增强等[14]。因此，细胞信号通路变化是细胞癌变的一个极为重要的分子生物学学说，也是最近几年来生物学基础研究对医学重大贡献之一，也被认为是转化医学时代到来的重要标志之一。这为药物创制提供了一个很重要的思路，就是:理论上看，如果我们阻断细胞信号通路任何一个环节，我们都能遏制肿瘤的生长。基于这样的思路，已经研究出很多成功的药物，如酪氨酸抑制剂及抗体药物。 典型的酪氨酸抑制剂有：小分子药物 Gefitinib(又叫易瑞沙)、Lapatinib(拉帕替尼，别称泰克泊)、Erlotinib(厄罗替尼，亦名特罗凯)、Imatinib(伊马替尼，又名给你活)。典型的抗体药物有Herceptin(又称曲妥珠单抗)和Erbitux(艾比特思，亦称西妥昔单抗)[15]。这些均是新一代重要的靶向药物，即将成为肿瘤药物市场的主流药品。另一个很引人注目的靶向抗肿瘤药物是雷帕霉素靶蛋白mTOR (mammalian Target of Rapamycin)的靶向小分子药物如：Everolimus(依维莫司)、Sirolimus(西罗莫司)、Temsirolimus(坦西莫司)[16,17]。

在心血管疾病中，针对肾上腺素有关的儿茶酚胺(catecholamine)的信号通路，发现了α和β阻滞药， 有如 practolol(醋氨洛尔)、metoprolol(美托洛尔)、acebutolol(醋丁洛尔)、bucindolol(布新洛尔)、carvedilol(卡 维 地 洛)、 bisoprolol(比 索 洛 尔 )、nebivolol(奈比洛尔)等[18,19]。

3 转化医学背景下药物创制手段和方法

3.1 充分利用我国大量的临床病人标本和资源

对病人进行详细的分子生物学的分析。如我们从钙化的心脏瓣膜的病人中分离出主动脉瓣和肺动脉瓣间质细胞20,21，并与心脏移植的病人中分离的同类细胞进行比较，发现两者的TLR有区别，以此为起点，我们进行了一系列的分子生物学的机理研究，证实了内在免疫受体(innate immune receptors)在瓣膜钙化中起很重要的作用，因此，我们认为，针对内在免疫受体的细胞信号通路设计药物将是治疗和预防瓣膜钙化很好的途径[20,21]。值得引起注意的是，使用病人的标本时，伦理委员会应该开展与国际接轨的审批程序。

3.2 加大力度建立更接近疾病形成和发展的动物模型

我们知道，肿瘤生长微环境对肿瘤治疗关系密切[22]。但是，现在大多肿瘤模型都是将肿瘤细胞通过皮下注射到裸鼠中，不能准确地反映肿瘤生长的微环境。我们把肿瘤膀胱细胞直接注射到小鼠膀胱内，并事先对细胞进行标记，得到了可以无创跟踪肿瘤生长的原位膀胱肿瘤小鼠模型，这为临床前评价治疗肿瘤药物提供了较理想的模拟膀胱肿瘤生长生理条件的动物模型。同样，国际上对于动物使用也有严格的审批程序，要引起我们重视。

姜黄素是近年来研究很突出的天然化合物之一，每年有大约好几百篇研究论文发表，很多研究发现它在体外具有很强的生物活性，但它在体内容易被代谢，而且它的高脂溶性，导致在动物实验中生物利用度很低[23]。而且它很辣，不适合做成口服药物[23]。对此，我们在体外细胞实验证实姜黄素与PDGF的信号通路有关的基础上，设计了大鼠颈动脉血管增厚的动物模型，把姜黄素直接敷在受损的颈动脉血管上，这样，发现姜黄素对大鼠颈动脉血管增厚抑制有很显著的效果[24]。

我们针对胰岛素的信号受体，设计合成了能使胰岛素增敏的鉻络合物[25,26]，并通过体外细胞实验和体内肥胖小鼠动物模型等，系统地证实了该络合物不仅能增加胰岛素信号通路，而且具有抑制脂肪的过氧化，抑制蛋白中羰基成分及改善血清中胆固醇的成分均表现出明显的改善作用[25,26]。进一步研究将为开发该类化合物成为胰岛素增敏的药剂提供强有力的基础。

3.3 有机化学尤其是有机合成

仍将在药物新化合物的发现中起重要的作用[5]。对有生物活性的天然化合物进一步结构修饰仍将是新药创制的一个很重要的途径之一[27]。

3.4 分子标志物的鉴定和应用

这些标志物的开发应用，将对疾病预防和诊断及治疗发挥有效的指导作用[28]。如对I型糖尿病的诊断，已经从单一指标到四个指标的联合使用，大大的提高了诊断准确度29]。在美国，对乳腺癌病人的PR，ER状态的等诊断，已经成为医生开展有针对性的药物治疗(个性化治疗)的常规步骤[30]。

生物技术如基因芯片，高通量筛选，基因组学和蛋白质组学正在成为从实验室走向市场的转型时期(transition status)，有很多机遇有待我们去把握[6,8,31]。

4 转化医学背景下药物创制面临的挑战

当前，药物创制研究步骤已经越来越系统化，程序化和国际化。申报新药必须有详尽的系统的体外和临床前动物实验结果。在进入临床前，对这些数据必须反复论证。临床试验必须很慎重。对病人组别的设计，病人在进入临床前的用药历史和进入临床后的用药状态的详细记录等都很重要[32]。

要申报新药，药物的特异性靶标的资料准备很重要。现阶段，我国的中药或一般的天然产物在这方面比较欠缺：要么什么信息也没有，要么很多可能的作用靶标。例如姜黄素，很多年以前，对它的靶标很不清楚，但现在，已经发现它有可能作用多个靶向[33,34]，哪个为主？特异性如何？如果这些信息都不清楚的话，对成为国际化认可的药物很不利。笔者认为，我国中药要现代化，就需要对疗效确切中药的作用机理多做研究，以便于让国际认同。

特异性靶向药物，因为不具广谱性，增加病人的治疗成本，因此，如何很好地把靶向治疗与药物的广谱性结合是我们下一代药物创制应该引起广泛关注新的课题。同时，特异性靶向药物由于引起其他蛋白的高调，信号通路的回路等机理，容易发展抗药性，如果刚获FDA批准的Braf抑制剂Vemurafenib和Crizotinib(克唑替尼)，就开始出现严重的抗药性[31,35]，引起了大家的广泛关注。

如前所述，由于遗传背景的差异以及疾病的特异性，基于分子分型的个体化治疗的需求明确地提出来了[7,8,28]。例如由于病人的肾上腺素能受体β1(ADRB1)多型型差异(polymorphic variation)或变异，病人的肾素-血管紧张素系统 (renin-angiotensin system)和血管-紧张素转换酶(angiotensin converting enzyme)个体差异有很大的关系，对α和β阻滞药的药物反应也不同19，这为心血管疾病病人的个性化治疗提出了新的挑战。

同时，针对基因组学、蛋白质组学等各种组学等海量生物学信息，如何去粗取精，去伪存真，都需要多学科团队合作。科学研究从微观向宏观互动，为改变医学研究模式提出了强有力的需求[7,9,36]。

这是一个转化医学变革的新时代，只要我们抓住机遇，有效合理地利用现有资源和优势，脚踏实地，从一点一滴做起，一定能作出在国际上有较大影响的成果。

[1]Choi DW.Bench to bedside:the glutamate connection[J].Science,1992;258(5080):241-243.

[2]Geraghty J.Adenomatous polyposis coli and translational medicine[J].Lancet,1996,348(9025):422.

[3]Zerhouni E.Medicine.The NIH Roadmap[J].Science,2003;302(5642):63-72.

[4]Horig H,Marincola E,Marincola FM.Obstacles and opportunities in translational research[J].Nat Med,2005;11(7):705-708.

[5]MacCoss M,Baillie TA.Organic chemistry in drug discovery[J].Science,2004,303(5665):1810-1803.

[6]Doring Y,Noels H,Weber C.The use of high-throughput technologies to investigate vascular inflammation and atherosclerosis[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2012;32(2):182-195.

[7]Bianchi DW.From prenatal genomic diagnosis to fetal personalized medicine:progress and challenges[J].Nat Med,2012,18(7):1041-1051.

[8]Chin L,Andersen JN,Futreal PA.Cancer genomics:from discovery science to personalized medicine[J].Nat Med,2011,17(3):297-303.

[9]Bornstein SR,Licinio J.Improving the efficacy of translational medicine by optimally integrating health care,academia and industry[J].Nat Med,2011,17(12):1567-1569.

[10]Haber DA,Gray NS,Baselga J.The evolving war on cancer.Cell 2011;145(1):19-24.

[11]Al-Allak A,Lewis PD,Bertelli G.Decision-making tools to assist prognosis and treatment choices in early breast cancer:a review[J].Expert Rev Anticancer Ther,2012,12(8):1033-1043.

[12]Galvani E,Alfieri R,Giovannetti E,et al.Epidermal Growth Factor Receptor Tyrosine Kinase Inhibitors:current status and future perspective in the development of novel irreversible inhibitors for the treatment of mutant non-small cell lung cancer[J].Curr Pharm Des,2012.

[13]Lamont FR,Tomlinson DC,Cooper PA,et al.Small molecule FGF receptor inhibitors block FGFR-dependent urothelial carcinoma growth in vitro and in vivo[J].Br J Cancer,2011,104(1):75-82.

[14]Weis SM,Cheresh DA.Tumor angiogenesis:molecular pathways and therapeutic targets[J].Nat Med,2011,17(11):1359-1370.

[15]Baselga J,Cortes J,Kim SB,et al.Pertuzumab plus trastuzumab plus docetaxel for metastatic breast cancer[J].N Engl J Med,2012,366(2):109-119.

[16]Gentzler RD,Altman JK,Platanias LC.An overview of the mTOR pathway as a target in cancer therapy[J].Expert Opin Ther Targets,2012.

[17]Laplante M,Sabatini DM.mTOR signaling in growth control and disease[J].Cell,2012,149(2):274-293.

[18]Weber C,Noels H.Atherosclerosis:current pathogenesis and therapeutic options[J].Nat Med,2011,17(11):1410-1422.

[19]Bristow MR.Pharmacogenetic targeting of drugs for heart failure[J].Pharmacol Ther,2012,134(1):107-115.

[20]Yang X,Meng X,Su X,et al.Bone morphogenic protein 2 induces Runx2 and osteopontin expression in human aortic valve interstitial cells:role of Smad1 and extracellular signal-regulated kinase 1/2[J].J Thorac Cardiovasc Surg,2009,138(4):1008-1015.

[21]Yang X,Fullerton DA,Su X,et al.Pro-osteogenic phenotype of human aortic valve interstitial cells is associated with higher levels of Toll-like receptors 2 and 4 and enhanced expression of bone morphogenetic protein 2[J].J Am Coll Cardiol,2009,53(6):491-500.

[22]Ostman A.The tumor microenvironment controls drug sensitivity[J].Nat Med,2012,18(9):1332-1334.

[23]Anand P,Kunnumakkara AB,Newman RA,et al.Bioavailability of curcumin:problems and promises[J].Mol Pharm,2007,4(6):807-818.

[24]Yang X,Thomas DP,Zhang X,et al.Curcumin inhibits platelet-derived growth factor-stimulated vascular smooth muscle cell function and injury-induced neointima formation[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2006,26(1):85-90.

[25]Yang X,Li SY,Dong F,et al.Insulin-sensitizing and cholesterol-lowering effects of chromium (D-Phenylalanine)3[J].J Inorg Biochem,2006,100(7):1187-1193.

[26]Yang X,Palanichamy K,Ontko AC,et al.A newly synthetic chromium complex--chromium(phenylalanine)3 improves insulin responsiveness and reduces whole body glucose tolerance[J].FEBS Lett,2005,579(6):1458-1464.

[27]Paterson I,Anderson EA.Chemistry.The renaissance of natural products as drug candidates[J].Science,2005,310(5747):451-453.

[28]Blennow K.Biomarkers in Alzheimer's disease drug development[J].Nat Med,2010,16(11):1218-1222.

[29]Pietropaolo M,Towns R,Eisenbarth GS.Humoral autoimmunity in type 1 diabetes:prediction,significance,and detection of distinct disease subtypes[J].Cold Spring Harb Perspect Med,2012,2(10).

[30]Lim E,Metzger-Filho O,Winer EP.The natural history of hormone receptor-positive breast cancer[J].Oncology(Williston Park),2012;26(8):688-94,96.

[31]Shi H,Moriceau G,Kong X,et al.Melanoma whole-exome sequencing identifies(V600E)B-RAF amplificationmediated acquired B-RAF inhibitor resistance[J].Nat Commun,2012,3:724.

[32]Fuster V,Sanz J.Gene therapy and stem cell therapy for cardiovascular diseases today:a model for translational research[J].Nat Clin Pract Cardiovasc Med,2007,Suppl 1:S1-8.

[33]Lopresti AL,Hood SD,Drummond PD.Multiple antide-pressant potential modes of action of curcumin:a review of its anti-inflammatory,monoaminergic,antioxidant,immune-modulating and neuroprotective effects[J].J Psychopharmacol,2012.

[34]Esatbeyoglu T,Huebbe P,Ernst IM,Chin D,Wagner AE,Rimbach G.Curcumin--from molecule to biological function[J].Angew Chem Int Ed Engl,2012,51(22):5308-5332.

[35]Katayama R,Shaw AT,Khan TM,et al.Mechanisms of acquired crizotinib resistance in ALK-rearranged lung Cancers[J].Sci Transl Med,2012,4(120):120.

[36]Coombes KR,Wang J,Baggerly KA.Microarrays:retracing steps[J].Nat Med,2007,13(11):1276-1277.