细数环孢素的发现与试验过程,几经曲折,终让器官移植成为可能

2021
07/12

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文章来源:药事纵横 | 作者:子炎

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1、简介


环孢素,也称环孢素A或环孢多肽A等,作为药物发现史上第一个选择性免疫抑制剂,开创了免疫抑制治疗的新时代,让器官移植成为可能。从1971年从真菌代谢物中被发现开始,环孢素的开发几经曲折,终于在1983年被FDA批准上市,用于器官移植。历时近40年,环孢素成为了临床应用最广泛的免疫抑制剂之一,主要用于器官移植、肾脏疾病和自身免疫性疾病等,也仍然是国内外相关指南推荐的常用免疫抑制剂之一。随着对环孢素研究的深入,其他一些药理活性,例如保护缺血组织、抗寄生虫、抗乙肝等,也逐渐被发现。

但是从环孢素的理化性质上看,环孢素绝对不是成药的优等生。其化学结构为环状多肽,水溶性极差,口服生物利用度的个体差异性极大,同时还是窄治疗指数药物。除此之外,还是CYP3A4和多种药物转运P-糖蛋白的抑制剂,能与多种药物发生相互作用。这个独特的环状分子汇集了药物开发过程中的诸多难题,其开发难度从中可见一斑,但是在医药研究者的不断努力下,环孢素最终还是走上了药物的舞台。


图1.环孢素的化学结构式



2、化合物发现:失败的抗微生物药物



自然演化的生物系统是药物发现的巨大宝库,很多在生物体中进化的分子结构成型艺术是人工设计合成所难以匹敌的。似乎从青霉菌中得到抗生素开始,从微生物中寻找药物便是新药发现的重要途径,链霉素、土霉素、红霉素,万古霉素等都是从土壤微生物的中得到的。为了发现更多的药物,世界的各大药厂喜欢利用各种手段从世界各地收集土壤。

瑞士的山德士公司的员工已经习惯于利用休假或商务旅行收集当地的土壤,带回实验室用于微生物的培养和代谢物分离。1970年左右,Z.L.Kis 从一份来自挪威哈当厄高原的土壤和一份来自美国威斯康星州的土壤中都分离得到了一种丝状真菌,随后分离得到一种全新的代谢产物。虽然这些分离得到的代谢产物没有抗菌活性,但显示出一定的抗真菌活性,具有进一步研究的价值。随后这种丝状真菌扩大培养,以确定是否能被开发为抗真菌药物。

也就是那时,两种代谢产物被分离出来并命名,即环孢素A和C,其中A是主要的代谢产物。进一步的研究结果却很遗憾,这些代谢产物难以被开发为抗真菌药物。

似乎,到此为止,这些关于环孢素的初始发现史的唯一意义便是为山德士药物发现数据库中的一份埋藏于历史的文档。



3、免疫抑制活性的发现:一般筛选下的意外发现



差不多在环孢素被发现的时候,山德士开始了一项宏大的筛选项目——“一般筛选程序”,其中包含了多达50多个药理试验,这有点像如今的高通量筛选,只是它并非是基于适应症的,而是基于化合物,正是这个项目真正发现了环孢素的前途所在。若不是山德士的科学家A.Rüegger敏锐的直觉,便不会有环孢素的发现。他认为微生物的代谢产物十分有趣,往往具有特殊的药理活性,说不定会带来惊喜。于是,他并没有遗忘那些从丝状真菌中提取的代谢物样品,将其提交给“一般筛选程序”进行筛选。幸运的是,科学家的直觉并没有让人失望,在所有的药理试验测试终于出现了一个阳性结果,那就是环孢素具有免疫抑制效果。


说到这里,不得不提一下山德士已经在免疫抑制药物开发上所做的工作,这些是环孢素免疫抑制活性被发现的基石。在1969年,山德士的药理学家斯特哈林在研究了众多抗肿瘤药物后发现,动物在接受抗肿瘤药试验后,可以用于免疫抑制药物筛选。

得益于这一模型的建立,山德士开始了免疫抑制药物的开发,其实山德士最先推进至临床的候选药物并不是环孢素,而是Ovalacin,其活性比环孢素高很多,跟大多数候选药物一样,由于毒副作用而没能走到最后。Ovalacin的失败让山德士几乎失去了开发免疫抑制剂药物的勇气,但科学家们最终还是说服了公司继续投入环孢素的开发,当然其中的是否有其他辛密故事,我们已经无从得知。

基于Ovalacin的很多开创性研究,山德士的科学家门在当时差不多已经完成已经建立起环孢素的基本性质,具有免疫抑制活性,没有非特异性的细胞抑制增殖作用,具有肾毒性。或许是当时并没明确环孢素的作用机理,山德士科学家Borel认为环孢素的性质“过于美好而不敢相信是真的。”这些关于环孢素的发现在1976年被发表,引起的广泛的关注。


在此之前,器官移植在临床的应用已经将近二十年,人们已经意识到器官移植后需要进行免疫抑制治疗并且已经开发出一些免疫抑制药物,但这些药物的作用是非特异性的,除了对免疫细胞的抑制之外同样会抑制正常其他细胞的增殖,实质上器官移植几乎无法成功。

环孢素的特异性免疫抑制活性的发现,无异于为器官移植打开了一扇新的大门。于是,许多动物试验相继开展,其中值得一提的是,器官移植的先锋Calne首先在心脏移植的猪模型上研究了环孢素的药效,优异的结果让Calne确信环孢素能够作为一种无毒且效用强大的免疫制剂应用于器官移植病人。环孢素的性质和临床应用前景得到了确认。



4、临床试验:曲折的未知探索



虽然环孢素的作用机理还没有被明确,在被发现后的第五年,环孢素的临床试验终于开始了。第一例人体试验是在1976年进行的,但是结果却不尽人意。得益于生物药剂学发展,我们现在很容易认识到难溶性药物口服吸收生物利用极低。

但在当时,开发环孢素的科学家们显然是没有认识到这一点,也或许是制剂在早期临床开发中的作用并未有被完全重视,他们或许只是按照全新药物的开发惯例,采用了纯药物粉末灌装胶囊的制剂,显然这一次,科学家们犯错了。

事实上,在非临床评价动物试验中,已经有迹象显示口服吸收的生物利用度问题,例如口服环孢素的狗身上无法看到环孢素的毒性;Calne在在心脏移植的猪模型上进行药效试验时,采用的是用椰油溶解环孢素的溶液。药物开发过程十分复杂,系统性的数据评估和分析是十分必要的,往往能够避免时间的浪费,而任何在开发过程中节约任何时间都极有可能转化为巨额回报。


在现代药物研究中,血药浓度的检测是早期临床试验中最为重要的内容之一。在环孢素临床试验伊始,却仍然没有建立起足够灵敏的检测方法以检测血液中药物的浓度。于是,山德士的科学家Stähelin推荐了一种在山德士实验室已经使用的一种间接检测方法,通过体外观察血液样品对丝裂原刺激小鼠淋巴细胞的抑制程度来确定血清中环孢素的浓度。虽然,随后开发环孢素的放射免疫分析和化学分析方法。


早期采用的间接方法显然为临床的推进起到了很大的作用。药物开发的科学家们已经知道了药物的吸收问题,也建立了血液中药物浓度的检测方法,改善药物的吸收似乎势在必行。这一次,山德士的科学家们选择了以身试药。在很多药物的开发过程中,研究者往往是首次“品尝”药物的那一波人,其中蕴藏着巨大的未知风险,无论成功与否,这些先行者值得被称颂与铭记。


这次研究中总共准备了三种处方的制剂,Borel服用的是由水,乙醇和吐温80溶解的环孢素水溶液,Stähelin服用的是椰油为载体的环孢素悬浮液,B. von Graffen服用的是环孢素粉末制成的胶囊。显然,Borel的血浆中环孢素浓度最高,Stähelin次之,B. von Graffen则几乎没有吸收。


基于这些一结果,山德士的科学家们最终决定同时开发口服和静脉注射两种制剂。药物吸收的问题解决之后,接下来才是真正的考察,大多数非临床评价表现优异的药物都失败在这一点上,缺乏有效性。环孢素早期的临床开发目标其实不是器官移植,而是针对免疫介导的疾病。例如,环孢素如今仍然可以作为银屑病的治疗药物。环孢素应用于器官移植的临床试验是在1978年开始的,研究者是器官移植的先锋Calne,也就是首次在心脏移植猪模型上测试环孢素疗效的研究者。在这次临床试验中,七位肾衰竭的病人接受了非匹配的肾移植。单独给予环孢素治疗,结果显示其能够有效抑制排异反应,与此同时能够观察到肾毒性和肝毒性,随后给予环磷酰胺和环孢素。除去一例病人死于系统性感染,一例病人由于肾炎切除了抑制的肾之外,其余五名病人成功出院,移植的肾也保持了正常的功能。


虽然首次临床试验的结果让人振奋,但Calne随后开展的临床试验结果却让研究者感到有些忧虑。接受试验的病人淋巴瘤的发生率很高,病人的移植肾几乎没有正常功能,死亡率也很高。这些问题后来被发现是因为过度的免疫抑制。而在实际的临床试验过程中,Calne将移植肾功能较弱的原因归结于排异而非环孢素的毒性,进一步的采用强的松龙和环磷酰胺衍生物治疗使得这一问题更为严重。即使是器官移植的专家,在面对新药开发的也出现了严重判断失误。幸运的是,降低环孢素的给药剂量后,临床试验得以继续。


1979年,Starzl和其合作者在随后的临床试验中发现,低剂量的环孢素与类固醇药物联用确实能够更好地控制排异反应,维持肾功能并降低死亡率。终于在1983年11月,在环孢素发现的13年之后,美国FDA批准环孢素用于抑制器官移植的排异反应。首次上市的制剂形式是注射剂和软胶囊。口服药物的生物利用度低,且不稳定。


1995年,诺华上市了环孢素的乳化剂,生物利用度问题得到了一定的解决,但仍然需要进行血药浓度的监测。随后市场上也开始有仿制药上市,但是由于环孢素的吸收受到制剂因素影响很大,在临床应用时需要特别谨慎,血药浓度监测仍然必不可少。除去在器官移植方面的应用,作为免疫抑制剂,环孢素仍然在不断拓展其临床应用领域,例如习惯性流产,干眼症等。此外,一些其他的药理活性也逐步被发现,例如抗病毒活性等。



5. 结语


在人类药物开发的历史上,很多药物的发现似乎意外,但事实上,每一款全新药物的发现莫不是长期知识累积和不懈追求的结果。环孢素的发现离不开长期的微生物分离和培养的实践,离不开药物筛选过程中积累的一般筛选程序中的各种药理筛选模型,离不开敢于在科学探索中不放弃,勇于尝试,不惧失败和未知的研究者。


环孢素开发过程中的里程碑事件:

1954年,第一例肾移植

1963年,第一例肝肺移植

1966年,第一例胰腺移植

1967年,第一例心脏移植

1971年,环孢素的发现

1976年,环孢素应用于器官移植动物模型;山德士科学家Borel发表了关于环孢素的文章

1978年,Calne首次将环孢素用于肾移植病人

1981年,首例心肺移植

1983年,环孢素用于肾移植的病人的多中心临床证明了环孢素的临床优势;美国FDA批准环孢素用于抑制器官移植的排异反应

1985年,Shumway的研究团队报道了使用环孢素治疗的心脏移植病人的1年生存率达到83%

1995年,环孢素微乳处方制剂上市

2002年,FDA环孢素滴眼液Restasis用于干眼症治疗


参考文献:

(1)D. COLOMBO and E. AMMIRSTI, Cyclosporine in transplantation-ahistory of converging timelines;

(2)David Moore's World of Fungi: where mycology starts;4.1 Origin of drugs in current use: the cyclosporine story(contributed by Harriet Upton, 2001);

(3)环孢素,上海医药,2020年第41卷,增刊-2期,35-36;

(4)彭蕾,极简新药发现史。


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关键词:
环孢素,器官,移植,药物,临床,免疫,真菌

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