发现和开发对抗疾病的有效疗法是生物医学研究的核心任务。临床前研究构成了潜在疾病治疗策略的基础，它指导着从科学发现到最终影响患者治疗效果的整个过程。然而，在过去二十年中，临床前研究常因无法复制一致结果而面临困境，据估计每年的损失高达280亿美元。在2003年至2014年间，进入i期试验的临床前研究所涉及的潜在疗法的批准率仅为10.4%，而2011年至2017年间，这一比率甚至更低，仅为6%至7%。令人失望的是，许多有希望的临床前研究结果未能转化为有效疗法，这一现象引起了科学界的严重关注。2015年对四家大型生物技术公司的回顾性分析揭示了失败的原因，分析显示自2003年以来i期和ii期临床试验终止的最常见原因是缺乏疗效（占所有试验的60%）和毒性问题（30%）。鉴于这些发现以及能够进行大规模体外人类样本测试的先进技术的出现，迫切需要重新评估我们研究人类疾病的方法。这些变革对于促进救命疗法的发展至关重要，这些疗法可以通过更有效地从实验室转移到临床来延长人们的健康寿命和总寿命。
自1938年《联邦食品、药品和化妆品法案》实施以来，fda要求使用动物模型对临床前治疗进行初步的科学和安全验证，以便进行一期临床试验。fda接受各种动物模型，只要它们能够反映目标疾病或状况。传统上，大多数生物医学研究依赖于啮齿动物模型，主要是因为这些动物寿命短、繁殖快且易于进行基因改造。虽然动物模型在理解基础生物学方面发挥了重要作用，但研究人员越来越意识到，动物模型与人类之间的基本物种差异在药物基因组学上具有重大意义。这些差异可能会导致结果的混淆，并可能极大地增加有前途的治疗方法进入后期临床试验的失败率。
为什么临床试验经常出错？
药物基因组学的研究重点是探究遗传学如何影响个体对药物的反应，以及为何不同个体在药物敏感性上存在显著差异。人类与其他动物模型在药物基因组学方面可能存在显著差异，这可能导致在评估新疗法的效果和毒性时得出截然不同的结论。例如，由于血流速率、组织特异性、器官大小和非保守性生物过程等因素的差异，小鼠与人类在药物吸收、分布、代谢和排泄（adme）方面存在不同。特别是，参与药物代谢的酶（例如细胞色素p450）的种类和数量的不同，使得药物在体内的分解和清除方式也存在差异。因此，当模式生物的药物基因组学与人类存在显著差异时，有潜力的候选药物可能会在临床试验中失败，或在上市后被撤回。例如，针对关节炎和b细胞淋巴细胞白血病（b-cll）的一种抗cd28单克隆抗体theralizumab，在balb/c小鼠模型中的临床前实验显示出巨大的效果，但在人类中即便是极低剂量（小鼠安全剂量的1/500）也会引发细胞因子风暴，导致器官衰竭和需要住院治疗。
这种明显的基因差异导致小鼠和人类对药物反应的方式不同，因此在研究方向的选择上，必须优先考虑基于最准确的科学。与人类相比，啮齿动物模型中使用的近交动物在基因多样性上的局限性是导致基于动物模型的治疗方法转化率低的一个重要因素。人类具有极高的遗传多样性，这导致在任何特定群体中个体的药物代谢、药物靶点和药物相互作用都存在变化。许多人类疾病是由遗传和环境因素的复杂相互作用引起的，这些因素在一生中不断积累。这种环境输入、压力源和生活经历的积累，促成了疾病的独特表现方式以及每个人对治疗的不同反应。小鼠模型无法准确模拟人类疾病表现的这种复杂性。
目前的数据显示，在常见药物治疗中，每25个人中只有1人会展现最佳反应，这引发了对当前临床试验形式的质疑：它们是否真的测试了足够多的个体，以准确描述某化合物在广泛的人类群体中的特性。对比之下，每只小鼠与其同一品系的其他小鼠在基因组上的相似度高达98.6%，这意味着它们能够有效地用于评估药物的脱靶效应，这种评估结合了结构生物学和多组学数据的分析。此外，生成式人工智能已被广泛用于增强稀缺的现实世界数据，并且可以用于模拟临床试验设计，甚至使用合成数字孪生技术。这些替代性的方法现在可以用于寻求美国食品药品监督管理局（fda）的豁免，以在临床前阶段评估药物的安全性和有效性。这种立法的变化标志着一个重大转变，它允许临床前研究采用基于最新科学进展的方法，这些方法能更准确地预测人类对药物的反应，而不是仅仅依赖于逐渐过时的动物测试。这种方法的转变反映了对药物发展过程中人类遗传多样性和复杂性的更深刻理解，以及对在临床前阶段使用更精确、更创新的方法的需求。通过利用先进的技术和数据分析方法，科学家们可以更准确地预测药物在人类中的安全性和效果，这将有助于提高药物研发的成功率，并最终更好地服务于广泛的人群。
连接临床前和临床转化的开创性技术
在临床前药物开发中，体外模型（如人类诱导多能干细胞，即ipscs）作为动物实验的有力替代品受到了广泛关注。这些模型能更可靠地反映人类的生理学、疾病特征和药物基因组学反应，因此为提高临床前研究的准确性和相关性提供了有效的替代方案。这些替代方案能够更好地实现从实验室到临床试验的转化。ipsc技术的核心是从容易获取的体细胞（如皮肤成纤维细胞、白细胞或尿液等）中制备细胞，并通过引入四种关键因子（oct4、sox2、klf4和cmyc）进行重新编程。自2006年该技术首次发布以来，ipsc的生成已经成为一种常规且易于管理的过程。全球已建立了许多生物库来存储ipsc，例如斯坦福心血管研究所就维护着一个超过2000个ipsc系的库（截至2023年秋季），这些系列来自不同性别、种族的健康个体和携带与常见及罕见人类疾病相关突变的个体。通过对携带特定基因突变的患者细胞进行重新编程，科学家们可以创建能够概括疾病特征的细胞模型。这些模型不仅有助于加深我们对疾病机制的理解，而且在药物测试中也显示出更高的准确性和相关性。这种方法在模拟人类疾病和评估药物反应方面优于传统的动物模型，因为它们更接近人类的遗传和生理条件。随着这些技术的发展和应用，预期能够显著提高药物研发的成功率，并为未来的治疗方法提供更为准确和有效的基础。
过去15年来，生物技术的快速发展使得生物工程等领域能够利用诱导多能干细胞（ipsc）开发出更多创新的个性化医疗方法。一个显著的例子是ipsc培养的2d到3d的转变，这一转变产生了一个生理上更为复杂和功能强大的系统，用于执行实验室中的转化性实验。ipsc衍生的技术，如类器官培养、工程化心脏组织、神经组织构建体和器官芯片（ooc），能够生成模拟特定组织功能的多细胞同基因组织。器官芯片技术特别精巧，设计高度针对性，它使用聚二甲基硅氧烷（pdms）层，通过光刻和等孔膜技术形成介质通道和细胞室。这些“芯片”或微生理设备能够混合和匹配不同类型的细胞，创建类似天然组织的架构和影响区域。它们甚至能在一个设备中包含多个器官，以模拟器官之间的相互作用。虽然这些3d技术目前尚不适合直接用于临床试验，但它们在生物工程领域的创新应用展示了ipsc在弥合临床前科学和临床试验之间差距方面的巨大潜力。通过创造更多生理相关的体外测定，ipsc技术不仅提高了疾病模型的准确性，还为新药的开发和测试提供了更加有效的平台。这一进步有助于实现更精确的药物靶向，降低研发成本，并加速新疗法的临床转化，最终为患者带来更好的治疗效果。
人类细胞模型和培养皿临床试验方法在提高临床前药物发现的准确性和效率方面具有巨大潜力。然而，这些方法面临着两个主要障碍。首先，处理人类遗传多样性是一大挑战，因为增加所测试的单个细胞系的数量需要更多的研究时间和空间资源。其次，正确复制生物学组织的生物工程3d模型通常缺乏扩展细胞数量的能力，而这对于实施高通量方法以测试更多细胞系是必要的。为了解决这些问题，基于ipsc的临床前研究方法需要扩大规模，以更好地代表不同个体群体的遗传多样性，同时保持在学术研究环境中进行实验的成本效益。单细胞技术的最新进展为在大规模上使用混合细胞系或“细胞村”提供了可能。这些细胞村通过使用全基因组测序技术来捕获小序列读数变化而变得可行，这样每个细胞系都可以带有唯一的条形码，使得单细胞测序方法（如rna和atac测序）能够被追溯到原始捐赠者。
这种创新方法不仅使研究人员能够显著提高实验通量，还能够同时分析多种不同遗传背景的基因表达模式。这使得该领域在进行大规模临床前功效和毒理学试验方面迈出了重要一步。数百甚至数千个不同的人类ipsc系列的使用，有望极大地提高药物研发的成功率，同时减少对传统动物模型的依赖。通过这种方法，科学家们可以更精确地模拟和理解人类疾病的复杂性，从而为开发更有效、更安全的治疗方法铺平道路。
结论
发现和开发有效的抗疾病疗法是生物医学研究的核心。临床前研究作为一个关键环节，连接了科学发现与实际的患者治疗效果，但它经常难以提供积极的结果。美国食品和药物管理局（fda）的现代化法案2.0为寻找临床前数据管道的替代方法铺平了道路，旨在减少对动物模型的依赖，这些动物模型往往导致治疗方法的研发陷入死胡同。在这些新的替代方案中，诱导多能干细胞（ipsc）因其在提供与疾病机制和药物反应更相关的生理见解方面的潜力而受到特别关注。当ipsc与新兴的生物工程3d技术和测序技术结合时，它们目前代表着改进新疗法从临床前到临床试验阶段流程的最佳希望。ipsc技术使得科学家们可以更直接地模拟和研究人类疾病的机理，而不是依赖于动物模型。这种方法提供了一个更接近人类生理状态的环境来测试新药和治疗方法，从而增加了这些疗法成功转化为有效临床治疗的可能性。结合先进的生物工程和测序技术，ipsc在药物开发过程中提供了一个更高效、更准确的平台，为开发安全有效的新疗法提供了有力支撑。这种进步不仅有助于加快新疗法的上市速度，也意味着未来患者能够更快地获得更为个性化和有效的治疗方案。