“感知與反饋”對生物分析實踐的啟示性意義

前言

生物分析能力是藥物臨床前研究和臨床研究的基石能力，是hjc黄金城這類CRO機構助力國內外客戶順利推進藥物開發進程的技術基礎。生物分析雖然是一門技術性很強實踐性很強的工作領域，如果僅就分析看分析，僅就技術本身思考技術對於研發過程中遇到各種情況和問題的解決可能會帶來思路上的局限性。做好生物分析工作，離不開技術實踐，更離不開相關基礎理論知識的支撐，實踐反饋理論，理論指導實踐，一些基礎理論不僅具指導價值，有時也具啟發性，有利於廣拓視角。hjc黄金城美研小編團隊推出生物分析係列專欄，邀請本領域的資深專業人員從不同的視角筆談生物分析相關的話題。

感知與反饋調節是生命體的一種基本調節能力，機體的感知是實施反饋調節的基礎，機體各大生理性係統中都存在著這種感知與反饋的能力，如免疫係統、內分泌係統等無疑都存在著這種基本的能力。感知與反饋調節能力的有些表象可以被生命體直接感受到，而有些表象則比較潛隱，需要一定的檢測分析手段才能發現與鑒別。

感知與反饋表麵上看僅僅是生理學領域所需要關注的內容而與我們支持毒代動力學以及免疫原性或毒性研究的生物分析領域似乎沒有什麽關係。其實不然，認識到“感知與反饋”，對於生物分析領域的人員在實踐中思考問題、解決問題、分析問題和解釋最終數據都有著重要的啟示性意義。

I 免疫應答中“感知與反饋”的啟示

免疫係統能夠感知外來抗原的入侵而產生免疫應答，還可以針對免疫應答的強弱進行反饋和調節，這種能力不僅能表現在應答的有無，還能表現在對量的變化的感知與反饋上。

對於免疫係統的感知與反饋調節能力，在經典的免疫學原理相關教材中都有係統性描述，其中經典的例證就是動物血清交換實驗。家兔經某個抗原免疫後，血清中出現了高滴度的抗體，如果用一隻未經免疫的家兔的血清與之交換，即人為降低了原家兔的抗體濃度，隨後體內會出現一個抗體突然升高的現象，然後重新緩慢下降（圖1）。

這種升高，不是因為加注了抗原，而僅僅因為該家兔有效地感知到血清中免疫應答產物即抗體含量突然下降的濃度變化而迅速引起抗體產生量的反饋性升高，達一定強度後則逐漸下降。這一實驗現象的描述生動地呈現了免疫係統中重要的感知與反饋調節能力。

Figure 1 機體對抗體濃度變化的感知與反饋性自我調節

機體免疫係統除了對某抗原產生的抗體濃度變化有感知外，對抗原數量和濃度變化的反應也是其感知的重要方向，有效的免疫應答和抗體的產生在很大程度上取決於抗原劑量。生物技術藥物的生物分析往往依賴於免疫分析的技術而離不開抗原-抗體的反應，因而離不開抗體的製備；經常需要考察大分子藥物的免疫原性，也離不開抗體變化水平等分析。

其實，在機體內的抗體產生過程中，外來的具有免疫原性的物質（如藥物）劑量過高或過低均不易誘導相應特異性抗體的產生，其背後的因素之一就是免疫係統對抗原的感知有其量上的敏感性，不高不低的適量抗原才能有效激發機體的免疫應答產生抗體，劑量過低會出現低帶耐受，劑量過高則會出現高帶耐受（圖2）。

類似的機製也與抗抗體的產生以及抗原特異性記憶性細胞的形成密切相關，如抗抗體隻有當抗體數量積累到一定水平後才能出現，記憶性細胞的形成依賴於合適濃度的激發，抗原刺激過弱或過強均不易於誘導出相應的抗原特異性免疫。上述這些方麵的機理對在生物分析實踐中掌握好機體的抗體形成規律，實施好抗原免疫劑量、把握好抗體製備收集的時間規律，以及分析不同劑量組間免疫原性結果差異、探究細胞免疫的能力差異都有一定的理論提示性作用的。

Figure 2：免疫應答產生抗體依賴於初次免疫應答所用抗原劑量

II “感知與反饋”對藥物免疫原性分析的啟示

在生物分析實踐中，常會發現所獲得的免疫原性的數據並非和給藥劑量成很好的正相關性。如果對本文中前一部分知識有所了解，相關人員可能就不會詫異這樣的數據結果了。因為藥物因其免疫原性所引起的免疫應答進而產生抗體與抗原劑量相關，劑量太高或劑量太低，機體對免疫原的反應並不明顯，所以有時我們看到像下圖（圖3）一樣僅僅是中劑量組產生了較為明顯的抗藥性抗體而影響了藥代動力學曲線並不必太奇怪。

當然圖3是一個出於筆者實驗室的較為典型的例子，有許多情況下，抗藥物抗體的出現規律並非都如此，因為在給藥劑量設計的時候，並非根據可能引起免疫應答的閾值、強弱或抗原耐受閾值而設計動物試驗或臨床試驗劑量的。如果三個試驗劑量組整體劑量都較高，則可能在低劑量組出現較其它劑量組更為明顯的抗藥物抗體產生；如果三個劑量組都很低，則可能到了高劑量組才刺激機體產生明顯的抗藥物抗體，這種種免疫原性分析結果的出現的情況都是可能的，因此評判數據時也要注意結合劑量與此機製動態地思考和剖析所獲得的免疫原性數據。

Figure 3：某抗體藥中劑量因ADA的產生而影響了PK Profile

對免疫原性的影響的上述描述是比較直觀和直接的現象，感知與反饋調節不僅僅影響到免疫原性反應也可能受到外來成分的免疫毒性的幹預，調節機能不僅能感知到外在藥物濃度的變化，還常伴隨著調節因子或受體的參與。具有潛在誘導免疫抑製的藥物有可能通過抑製性免疫相關調節因子或受體等間接作用抑製免疫係統活性，引起免疫抑製，潛在會使應答失靈，而可能需要執行TDAR等相關的生物分析考察，甚至分析評價對關鍵的免疫細胞的數量、比例和/或功能的影響。

當然，具有增強免疫係統活性的藥物可能通過激活免疫相關調節因子或受體等激發免疫係統活性，反饋調節可能失衡，潛在引起免疫毒性相關的細胞因子過度釋放而需要進行額外的細胞因子分析工作。這些還需要結合具體藥物的性質和機理進行考慮。

III “感知與反饋”對的PK分析的啟示

內分泌係統是機體的另一大生理係統，其本身就是神經係統外的又一大重要的身體機能調節係統。許多激素類物質都是由內分泌係統分泌，在全身發揮著調節功能。激素一般以相對恒定速度或一定的節律釋放，生理或病理因素均可影響激素的基礎性分泌，也由機體傳感器感知監測和調節激素水平，反饋調節體係是內分泌係統中的重要自我調節機製。激素不僅能執行常規的其生理性網絡的調節，也對外來自身物質或自身類似物質的注入很敏感，可以感知自身物質濃度的變化而實行自我反饋調節，通過一定的監測手段，有時我們可以分析到這樣的變化。

當前，許多激素都已經被開發成為了藥用產品，如甲狀旁腺激素（PTH）可用於治療骨質疏鬆，胰島素可以治療糖尿病等皆已眾所周知，還有許多藥物研發機構競相開發或拓展類似的產品。

外源性激素作為藥物被研究開發有時也給生物分析領域的藥代動力學分析評價帶了難題和挑戰，因為許多激素類藥物都存在內源性對應物，這種情況下，分析的方法和手段有時是較為難以區分內外源物質的。雖然若采用對外源性激素藥物進行同位素標記進行分析就可以區分，但並非每一個研究階段都可以適用這種手段；不能區分的情況下，如果采用假設給藥前試驗個體的內源性對應物的濃度水平恒定而作為本底扣除的方式或采取扣除統計學意義上得知的受試群體的給藥前內源性對應物的平均濃度水平的方式都不是很科學精確，因為內源性物質的分泌往往是動態的、節律性的甚至受個體狀態的影響。分泌激素的內分泌細胞會感知靶細胞及血中該激素濃度變化的信息,而執行使其分泌減少或增加的反饋調節，外源性激素引起的濃度變化也是會被感知的。

如果我們預知有些激素當外源性對應物注射入機體以後，內源性對應物的分泌將會相應減少的這一機體感知與反饋調節的規律，內源性對應物對藥代動力學分析影響的擔憂也就減少甚至可以被忽略。Eli Lilly 的J. Satterwhite等就特立帕肽(Teriparatide)的臨床研究報道中指出，I期和III期臨床研究的結果表明，注射特立帕肽後內源性甲狀旁腺激素分泌則受到顯著抑製；因此，內源性甲狀旁腺激素對甲狀旁腺激素藥物定量分析的幹擾可以忽略不計，也與筆者實驗室就此分析物的研究情況吻合。基於此機理，內源性PTH對生物分析幹擾的問題就可從理論和他人實踐上得到解決與排除。

筆者實驗室在對胰島素進行藥代動力學分析時，也注意並發現了類似的變化規律，我們采用兩個高度特異且靈敏的分析方法分別檢測外源性胰島素藥物以及內源性胰島素的濃度，明顯發現隨著外源性對應物的注入，內源性胰島素會有顯著的減低，隨著外源性對應物濃度降低，內源性胰島素的水平又逐漸升高，基本上是此消彼長的一個對應關係（圖4），也基本和我們在開展試驗前的理論預期相符合。可能不僅僅是一些激素類有這樣的分泌規律，也許不排除其它類內源性物質也有相似的調節規律為我們所利用，值得進一步研究。

Figure 4：內源性胰島素相應於某外源性胰島素藥物的近乎此消彼長的濃度變化

總結

感知與反饋的這一生理性調節機能普遍存在並且也有許多經典的教材對其進行描述，生命體的許多方麵都涉及到類似的調節機製，其內容複雜多變，但這些複雜多變的調節機製為藥物的研發提供了基礎，當然還有許多機製未徹底闡明，形式可能多樣，本文結合筆者所在實踐領域和所遇案例，僅就此機製對生物分析實踐過程中的一點啟示略作淺談，供大家參考。

生物分析所產生的結果和數據趨勢是隨不同因素而異的，在不同情況下會受到不同機製的影響，因此針對具體研究內容在製定預案、過程實踐和結果分析時往往要結合一些生物學機製等基礎理論知識思考，看似這些基礎理論離自己很遙遠，但對其有所認知的話在需要的時候可以給我們拓寬思路，帶來啟示，幫助我們在各項生物分析實踐中思考、解決或解釋問題和結果。

譬如此文所提及這方麵的現象和機製提示我們思考具體藥物引起特異性免疫應答和抗體分泌的節律與劑量影響的關係；又如具體在研藥物內源性對應物是不是潛在具有類似激素的對外源劑量的感知與反饋調節規律從而減少我們實踐上的擔憂或基於此生物學現象進行一個探索驗證以減少或克服後續的擔憂；還如除了B細胞免疫分泌抗體受抗原劑量影響外， T細胞免疫也同理應該能對抗原劑量有其感知能力；另外，有感知即有反饋調節，還是兩者在某些情況下是否獨立的？這種機能在不同情況下會受什麽樣的劑量閾值限製和影響？低於下限劑量閾值而使感知失靈，高於上限閾值劑量而使反饋調節失能，甚至一些藥物因為某方麵毒性或劑量而潛在破壞這種感知和反饋調節到穩態範圍內而需要從研究上補充額外的分析考察項？等等這些可能都需要我們結合日常實踐根據具體案例和具體數據進行多維度地觀察與思考。

[1]. Satterwhite, J., et al., Pharmacokinetics of Teriparatide (rhPTH[1–34]) and Calcium Pharmacodynamics in Postmenopausal Women with Osteoporosis [J]. Calcified Tissue International, 2010. 87(6): p. 485-492.

[2]. 周光炎. 免疫學原理[M]. 北京: 科學出版社, 2017.

[3]. 彭雙清，郝衛東. 藥物安全性評價關鍵技術[M]. 北京: 軍事醫學科學出版社, 2013.

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