Биомаркер (лекарство) - Biomarker (medicine)

Для использования в других целях см. Биомаркер (значения).

В медицине биомаркер измеримый индикатор тяжести или наличия какого-либо болезненного состояния. В более общем плане биомаркер все, что можно использовать в качестве индикатора определенного болезненного состояния или какого-либо другого физиологический состояние организма.

Биомаркером может быть вещество, которое вводится в организм как средство для исследования функции органа или других аспектов здоровья. Например, рубидий хлорид используется в изотопная маркировка для оценки перфузии сердечной мышцы. Это также может быть вещество, обнаружение которого указывает на конкретное болезненное состояние, например, наличие антитело может указывать на инфекционное заболевание. Более конкретно, биомаркер указывает на изменение экспрессии или состояния белка, которое коррелирует с риском или прогрессированием заболевания или с восприимчивостью заболевания к данному лечению. Биомаркеры могут быть характерными биологическими свойствами или молекулами, которые можно обнаружить и измерить в частях тела, таких как кровь или ткань. Они могут указывать как на нормальные, так и на патологические процессы в организме.[1] Биомаркерами могут быть определенные клетки, молекулы или гены, генные продукты, ферменты или гормоны. Сложные функции органов или общие характерные изменения биологических структур также могут служить биомаркерами. Хотя термин «биомаркер» является относительно новым, биомаркеры уже довольно давно используются в доклинических исследованиях и клинической диагностике.[2] Например, температура тела - известный биомаркер лихорадки. Артериальное давление используется для определения риска инсульта. Также широко известно, что уровень холестерина является биомаркером и индикатором риска коронарных и сосудистых заболеваний, и что С-реактивный белок (CRP ) является маркером воспаления.

Биомаркеры полезны по-разному, включая измерение прогрессирования заболевания, оценку наиболее эффективных терапевтических режимов для конкретного типа рака и установление долгосрочной предрасположенности к раку или его рецидивам.[3] Параметр может быть химическим, физическим или биологическим. С молекулярной точки зрения биомаркер - это «подмножество маркеров, которые могут быть обнаружены с помощью геномики, протеомических технологий или технологий визуализации. Биомаркеры играют важную роль в медицинской биологии. Биомаркеры помогают в ранней диагностике, профилактике заболеваний, идентификации мишеней лекарств, реакции на лекарства и т. Д. были идентифицированы для многих заболеваний, таких как сывороточный ЛПНП на холестерин, артериальное давление, и Ген P53[4] и ММП [5] так как онкомаркеры для рака.

Биомаркеры, связанные с заболеванием, и биомаркеры, связанные с лекарствами

Следует различать связанный с болезнью и биомаркеры, связанные с наркотиками. Биомаркеры, связанные с заболеванием, указывают на вероятное влияние лечения на пациента (индикатор риска или прогностические биомаркеры), если заболевание уже существует (диагностический биомаркер), или как такое заболевание может развиться в отдельном случае независимо от типа лечения (прогностический биомаркер). Прогностические биомаркеры помогают оценить наиболее вероятный ответ на конкретный тип лечения, в то время как прогностические маркеры показывают прогрессирование заболевания с лечением или без него.[6] Напротив, биомаркеры, связанные с лекарственными препаратами, показывают, будет ли лекарство эффективным для конкретного пациента и как организм пациента будет его обрабатывать.

В дополнение к давно известным параметрам, таким как включенные и объективно измеренные в анализ крови, существует множество новых биомаркеров, используемых в различных медицинских областях. В настоящее время идет интенсивная работа по открытию и разработке инновационных и более эффективных биомаркеров. Эти «новые» биомаркеры стали основой превентивной медицины, то есть медицины, которая распознает заболевания или риск заболевания на ранней стадии и принимает специальные меры для предотвращения развития болезни. Биомаркеры также считаются ключом к персонализированный медицина, лечение, индивидуально разработанное для конкретных пациентов, для высокоэффективного вмешательства в процессы заболевания. Часто такие биомаркеры указывают на изменение обменных процессов.

«Классический» биомаркер в медицине - это лабораторный параметр, который врач может использовать для принятия решения при постановке диагноза и выборе курса лечения. Например, обнаружение определенных аутоантитела в крови пациента - надежный биомаркер аутоиммунное заболевание, и обнаружение ревматоидные факторы был важным диагностическим маркером для ревматоидный артрит (РА) более 50 лет.[7][8]Для диагностики этого аутоиммунное заболевание антитела против собственного тела цитруллинированный белки имеют особую ценность. Эти ACPA, (ACPA означает Аnti-citrullinated протин / пептид аантитело) может быть обнаружен в крови до появления первых симптомов РА. Таким образом, они являются очень ценными биомаркерами для ранней диагностики этого аутоиммунного заболевания.[9] Кроме того, они указывают, грозит ли заболевание серьезным поражением костей и суставов,[10][11] что является важным инструментом для врача при постановке диагноза и разработке плана лечения.

Также появляется все больше и больше указаний на то, что ACPA могут быть очень полезными для мониторинга успеха лечения РА.[12] Это сделало бы возможным точное использование современных методов лечения с биологические препараты. Врачи надеются, что вскоре смогут индивидуально подбирать методы лечения ревматоидного артрита для каждого пациента.

По данным Häupl T. et al. Предсказание ответа на лечение станет важнейшей целью исследования биомаркеров в медицине. С ростом количества новых биологические агенты возрастает потребность в определении молекулярных параметров, таких как ACPA, которые не только будут определять терапевтическое решение, но также помогут определить наиболее важные цели, для которых новые биологические агенты должны быть протестированы в клинических исследованиях.[13]

В 1998 г. исследовательская группа NIH придерживалась следующего определения: «характеристика, которая объективно измеряется и оценивается как индикатор нормальных биологических процессов, патогенных процессов или фармакологических реакций на терапевтическое вмешательство». В прошлом биомаркеры были в первую очередь физиологическими показателями, такими как артериальное давление или частота сердечных сокращений. В последнее время биомаркеры становятся синонимом молекулярных биомаркеров, таких как повышенный уровень специфического антигена простаты в качестве молекулярного биомаркера рака простаты или использование ферментных анализов в качестве тестов функции печени. В последнее время наблюдается повышенный интерес к значимости биомаркеров в онкологии, включая роль KRAS в колоректальный рак и другие EGFR -ассоциированные раковые образования. У пациентов, опухоли которых экспрессируют мутированный ген KRAS, всегда «включен» белок KRAS, который является частью пути передачи сигналов EGFR. Эта сверхактивная передача сигналов EGFR означает, что передача сигналов продолжается ниже по течению - даже когда передача сигналов выше по течению блокируется ингибитором EGFR, таким как цетуксимаб (Эрбитукс) - и приводит к продолжающемуся росту и пролиферации раковых клеток. Тестирование опухоли на ее статус KRAS (дикий тип против мутантного) помогает определить тех пациентов, которым лечение цетуксимабом принесет наибольшую пользу.

В настоящее время эффективное лечение доступно лишь небольшому проценту больных раком. Кроме того, у многих онкологических больных диагностируется такая стадия, когда рак слишком далеко зашел для лечения. Биомаркеры могут значительно улучшить обнаружение рака и процесс разработки лекарств. Кроме того, биомаркеры позволят врачам разработать индивидуальные планы лечения для своих онкологических больных; таким образом, позволяя врачам подбирать лекарства, специфичные для типа опухоли пациента. Таким образом, повысится скорость реакции на лекарственные препараты, будет ограничена токсичность лекарств и уменьшатся затраты, связанные с тестированием различных методов лечения и последующим лечением побочных эффектов.[14]

Биомаркеры также охватывают использование молекулярных индикаторов воздействия окружающей среды в эпидемиологических исследованиях, таких как вирус папилломы человека, или определенные маркеры воздействия табака, такие как 4- (метилнитрозамино) -1- (3-пиридил) -1-бутанон (NNK). На сегодняшний день биомаркеры не установлены. рак головы и шеи.

Биомаркеры в разработке лекарств

После того, как предложенный биомаркер был проверен, его можно использовать для диагностики риска заболевания, наличия заболевания у человека или для адаптации лечения заболевания у человека (выбор лекарственного лечения или режимов введения). При оценке потенциальных лекарственных препаратов биомаркер может использоваться в качестве суррогата естественного конечная точка такие как выживаемость или необратимая заболеваемость. Если лечение изменяет биомаркер, который имеет прямую связь с улучшением здоровья, биомаркер служит суррогатная конечная точка для оценки клинической пользы. Некоторые из основных областей, в которых молекулярные биомаркеры используются в процессе разработки лекарств: ранние исследования разработки лекарств, исследования безопасности, доказательство концепции исследования и молекулярное профилирование.

Молекулярные биомаркеры часто используются в ранних исследованиях разработки лекарств. Например, они используются в исследовании фазы I для установления доз и режима дозирования для будущих исследований фазы II. Биомаркеры PD обычно реагируют (уменьшаются или увеличиваются) пропорционально дозе. Эти данные вместе с данными о безопасности помогают определить дозы для исследований фазы II. Кроме того, молекулярные биомаркеры безопасности десятилетиями использовались как в доклинических, так и в клинических исследованиях. клинические исследования. Поскольку эти тесты стали основными, они были полностью автоматизированы как для испытаний на животных, так и на людях. Среди наиболее распространенных тестов безопасности - тесты функции печени (например, на трансаминазы, билирубин, щелочная фосфатаза ) и функция почек (например., креатинин сыворотки, клиренс креатинина, цистатин С). Другие включают маркеры скелетная мышца (например, миоглобин) или сердечная мышца повреждение (например, CK-MB, тропонин I или T), а также биомаркеры костей (например, костно-специфическая щелочная фосфатаза).

Требования к биомаркерам

При хронических заболеваниях, лечение которых может потребовать от пациентов приема лекарств в течение многих лет, особенно важен точный диагноз, особенно когда от лечения ожидаются сильные побочные эффекты. В этих случаях биомаркеры становятся все более и более важными, потому что они могут подтвердить сложный диагноз или даже сделать его возможным.[15]Ряд заболеваний, таких как Болезнь Альцгеймера или ревматоидный артрит, часто начинаются с ранней фазы без симптомов. У таких пациентов без симптомов может быть большая или меньшая вероятность развития симптомов. В этих случаях биомаркеры помогают надежно и своевременно идентифицировать людей из группы высокого риска, чтобы их можно было лечить до начала болезни или как можно скорее после этого.[16][17]

Чтобы использовать биомаркер для диагностики, материал пробы должен быть как можно проще. Это может быть образец крови, взятый врачом, образец мочи или слюны или капля крови, которую пациенты с диабетом берут из собственных кончиков пальцев для регулярного контроля уровня сахара в крови.

Для быстрого начала лечения решающее значение имеет скорость получения результата теста на биомаркер. А экспресс-тест, который дает результат уже через несколько минут, является оптимальным. Это позволяет врачу обсудить с пациентом дальнейшие действия и, при необходимости, начать лечение сразу после теста.

Естественно, метод обнаружения биомаркера должен быть точным и максимально простым для выполнения. Результаты из разных лабораторий могут незначительно отличаться друг от друга, и биомаркер должен, естественно, доказать свою эффективность для диагностики, прогноза и оценки риска пораженных заболеваний в независимых исследованиях.

Биомаркер для клинического использования нуждается в хорошем чувствительность и специфичность например ≥0.9, и хорошо специфичность например ≥0,9[18] хотя их следует выбирать с учетом населения, чтобы положительная прогностическая ценность и отрицательная прогностическая ценность более актуальны.

Классификация и применение биомаркеров

Биомаркеры можно классифицировать по разным критериям.

По своим характеристикам их можно классифицировать как визуализирующие биомаркеры (КТ, ПЭТ, МРТ) или молекулярные биомаркеры с тремя подтипами: летучий, как дыхание,[19] жидкость тела, или же биопсия биомаркеры.

Молекулярные биомаркеры относятся к биомаркерам, не связанным с визуализацией, которые обладают биофизическими свойствами, которые позволяют проводить их измерения в биологических образцах (например, плазме, сыворотке, спинномозговая жидкость, бронхоальвеолярный лаваж, биопсия) и включают биомаркеры на основе нуклеиновых кислот, такие как генные мутации или полиморфизмы, и количественные экспрессия гена анализ, пептиды, белки, метаболиты липидов и другие небольшие молекулы.

Биомаркеры также можно классифицировать на основе их применения, например, диагностические биомаркеры (т. Е. Сердечный тропонин для диагностики инфаркт миокарда ), определение стадии биомаркеров заболевания (т. е. мозговой натрийуретический пептид за хроническая сердечная недостаточность ), биомаркеры прогноза заболевания (биомаркеры рака) и биомаркеры для мониторинга клинического ответа на вмешательство (HbAlc для противодиабетического лечения). Другая категория биомаркеров включает те, которые используются для принятия решений на раннем этапе. разработка лекарств. Например, фармакодинамические (PD) биомаркеры - это маркеры определенного фармакологического ответа, которые представляют особый интерес в исследованиях оптимизации доз.

Типы

Биомаркеры, подтвержденные методами генетической и молекулярной биологии, можно разделить на три типа.[20]

Открытие молекулярных биомаркеров

Основная статья: Открытие биомаркера

Молекулярные биомаркеры были определены как биомаркеры, которые можно обнаружить с использованием основных и приемлемых платформ, таких как геномика и протеомика. Доступны многие методы геномики и протеомики для открытие биомаркеров и несколько техник, которые используются в последнее время, можно найти на этой странице. Помимо методов анализа биомаркеров платформ геномики и протеомики, метаболомика, липидомика, гликомика, и секретомика являются наиболее часто используемыми методами идентификации биомаркеров.

Визуализирующие биомаркеры

Основная статья: Визуальный биомаркер

Многие новые биомаркеры разрабатываются с использованием технологий визуализации. Визуализирующие биомаркеры имеют много преимуществ. Обычно они неинвазивны и дают интуитивно понятные многомерные результаты. Предоставляя как качественные, так и количественные данные, они обычно относительно удобны для пациентов. В сочетании с другими источниками информации они могут быть очень полезны врачам, которые хотят поставить диагноз.

Кардиологическая визуализация - активная область исследования биомаркеров. Ишемическая ангиография, инвазивная процедура, требующая катетеризация, долгое время был золотым стандартом для диагностики артериального стеноза, но ученые и врачи надеются разработать неинвазивные методы. Многие считают, что сердечная компьютерная томография (CT) имеет большой потенциал в этой области, но исследователи все еще пытаются решить проблемы, связанные с «цветение кальция, ”Явление, при котором отложения кальция влияют на разрешение изображения. Другие методы внутрисосудистой визуализации, включающие: магнитно-резонансная томография (МРТ), оптической когерентной томографии (OCT) и ближняя инфракрасная спектроскопия также расследуются.

Другой новый биомаркер визуализации включает: радиоактивно меченый флудезоксиглюкоза. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) можно использовать для измерения того, где клетки тела поглощают глюкозу. Отслеживая уровень глюкозы, врачи могут находить сайты воспаление потому что макрофаги поглощают глюкозу в больших количествах. Опухоли также потребляют много глюкозы, поэтому для их мониторинга можно использовать стратегию визуализации. Отслеживание радиоактивно меченной глюкозы - многообещающий метод, поскольку он непосредственно измеряет шаг, который, как известно, имеет решающее значение для воспаления и роста опухоли.

Визуализация биомаркеров заболеваний с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ)

Основная статья: молекулярная визуализация

МРТ имеет преимущества очень высокого пространственного разрешения и очень хорошо подходит для морфологической и функциональной визуализации. Однако у МРТ есть несколько недостатков. Во-первых, МРТ имеет чувствительность около 10−3 Молл до 10−5 моль / л, что по сравнению с другими типами изображений может быть очень ограниченным. Эта проблема возникает из-за того, что разница между атомами в состоянии с высокой энергией и в состоянии с низкой энергией очень мала. Например, при 1,5 тесла, типичная напряженность поля для клинической МРТ, разница между состояниями с высокой и низкой энергией составляет примерно 9 молекул на 2 миллиона. Улучшения для повышения чувствительности МРТ включают увеличение напряженности магнитного поля и гиперполяризация через оптическую накачку или динамическую поляризацию ядра. Также существует множество схем усиления сигнала, основанных на химическом обмене, которые увеличивают чувствительность.

Чтобы получить молекулярную визуализацию биомаркеров болезни с помощью МРТ, требуются таргетные контрастные вещества для МРТ с высокой специфичностью и высокой релаксацией (чувствительностью). На сегодняшний день множество исследований было посвящено разработке контрастных агентов для таргетной МРТ для достижения молекулярной визуализации с помощью МРТ. Обычно пептиды, антитела или небольшие лиганды и небольшие белковые домены, такие как HER-2 аффибоди, были применены для достижения таргетинга. Чтобы повысить чувствительность контрастных агентов, эти нацеленные части обычно связывают с контрастными агентами для МРТ с высокой полезной нагрузкой или контрастными агентами для МРТ с высокой релаксацией.[21]

Возможные недостатки

Не все биомаркеры следует использовать в качестве суррогатных конечных точек для оценки клинических исходов. Биомаркеры могут быть трудными для валидации и требуют разных уровней валидации в зависимости от их предполагаемого использования. Если биомаркер должен использоваться для измерения эффективности терапевтического вмешательства, он должен отражать прямое действие этого лекарства.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Консорциум биомаркеров». Фонд национальных институтов здоровья.
  2. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2009-10-25. Получено 2010-01-27.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  3. ^ «Технологические платформы биомаркеров для диагностики и лечения рака». TriMark Publications, LLC. Июль 2014 г.
  4. ^ Лукопулос П., Торнтон-младший, Робинсон В.Ф. (май 2003 г.). «Клиническая и патологическая значимость индекса p53 в костных опухолях собак». Вет. Патол. 40 (3): 237–48. Дои:10.1354 / вп.40-3-237. PMID  12724563.
  5. ^ Лукопулос П., Мунгалл Б.А., Стро Р.К., Торнтон-младший, Робинсон В.Ф. (июль 2003 г.). «Участие матриксных металлопротеиназ-2 и -9 в опухолях собак». Вет. Патол. 40 (4): 382–94. Дои:10.1354 / вп.40-4-382. PMID  12824510. S2CID  26506655.
  6. ^ Тевак, З; Кондратович М; Мэнсфилд Э (2010). «Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США и персонализированная медицина: перспективы регулирования в области диагностики in vitro». Персонализированная медицина. 7 (5): 517–530. Дои:10.2217 / pme.10.53. PMID  29776248. Получено 1 мая 2011.
  7. ^ Ваалер Э (май 2007 г.). «О наличии фактора в сыворотке крови человека, активирующего специфическую агглютинцию тельцов крови барана. 1939». APMIS. 115 (5): 422–38, обсуждение 439. Дои:10.1111 / j.1600-0463.2007.apm_682a.x. PMID  17504400. S2CID  221426678.
  8. ^ Роуз Х.М., Рэган С. (май 1948 г.). «Дифференциальная агглютинация нормальных и сенсибилизированных эритроцитов барана сыворотками больных ревматоидным артритом». Proc. Soc. Exp. Биол. Med. 68 (1): 1–6. Дои:10.3181/00379727-68-16375. PMID  18863659. S2CID  36340687.
  9. ^ Банг Х., Эгерер К., Голиард А., Лютке К., Рудольф П.Е., Фреденхаген Г. и др. (2007). «Мутация и цитруллинирование превращают виментин в новый аутоантиген от ревматоидного артрита». Ревматоидный артрит. 56 (8): 2503–11. Дои:10.1002 / арт.22817. PMID  17665451.
  10. ^ Szodoray P, Szabó Z, Kapitány A, et al. (Январь 2010 г.). «Аутоантитела к цитруллинированным белкам / пептидам в сочетании с генетическими факторами и факторами окружающей среды как индикаторы исхода заболевания при ревматоидном артрите». Аутоиммунный Rev. 9 (3): 140–3. Дои:10.1016 / j.autrev.2009.04.006. HDL:2437/89144. PMID  19427413.
  11. ^ Матссон Л., Муллазехи М., Вик М.К. и др. (Январь 2008 г.). «Антитела против цитруллинированного виментина при ревматоидном артрите: более высокая чувствительность и расширенное прогностическое значение в отношении будущего рентгенографического прогрессирования по сравнению с антителами против циклических цитруллинированных пептидов». Ревматоидный артрит. 58 (1): 36–45. Дои:10.1002 / арт.23188. PMID  18163519.
  12. ^ Nicaise Roland P, Grootenboer Mignot S, Bruns A, et al. (2008). «Антитела к мутировавшему цитруллинированному виментину для диагностики ревматоидного артрита у пациентов, не принимающих анти-CCP, и для мониторинга терапии инфликсимабом». Исследования и лечение артрита. 10 (6): R142. Дои:10.1186 / ar2570. ЧВК  2656247. PMID  19077182.
  13. ^ Häupl T, Stuhlmüller B, Grützkau A, Radbruch A, Burmester GR (январь 2010 г.). «Информирует ли нас анализ экспрессии генов при ревматоидном артрите?». Энн Рум Дис. 69 (Приложение 1): i37–42. Дои:10.1136 / ard.2009.119487. PMID  19995742. S2CID  46118871.
  14. ^ http://www.cancer-biomarkers.com/introduction[постоянная мертвая ссылка ]
  15. ^ Белая книга Pharma Matters: Установление стандартов в исследованиях биомаркеров (2008 г.). Thomson Reuters
  16. ^ Крейг-Шапиро Р., Фаган А.М., Хольцман Д.М. (август 2009 г.). «Биомаркеры болезни Альцгеймера». Neurobiol. Дис. 35 (2): 128–40. Дои:10.1016 / j.nbd.2008.10.003. ЧВК  2747727. PMID  19010417.
  17. ^ Эгерер К., Фейст Э., Бурместер Г. Р. (март 2009 г.). «Серологический диагноз ревматоидного артрита: антитела к цитруллинированным антигенам». Dtsch Arztebl Int. 106 (10): 159–63. Дои:10.3238 / arztebl.2009.0159. ЧВК  2695367. PMID  19578391.
  18. ^ Брауэр V (март 2011 г.). «Биомаркеры: предзнаменования злокачественности». Природа. 471 (7339): S19–21. Bibcode:2011Натура 471С..19Б. Дои:10.1038 / 471С19а. PMID  21430715. S2CID  4336555.
  19. ^ N. SivaSubramaniam et al. Появление дыхательных тестов как нового неинвазивного метода диагностики нейродегенеративных заболеваний, Brain Research, Volume 1691, 15 июля 2018 г., страницы 75-86, https://doi.org/10.1016/j.brainres.2018.04.017
  20. ^ Файестейн, Гэри (2006). «Биомаркер под любым другим названием ...» Природа Клиническая Практика Ревматология. 2 (635): 635. Дои:10.1038 / ncprheum0347. PMID  17133243.
  21. ^ Сюэ С., Цяо Дж., Пу Ф, Кэмерон М., Ян Дж. Дж. (Январь 2013 г.). «Разработка нового класса контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии на основе белков для молекулярной визуализации биомаркеров рака». Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol. 5 (2): 163–79. Дои:10.1002 / wnan.1205. ЧВК  4011496. PMID  23335551.