哮喘是一種與氣道重塑相關(guān)的異質(zhì)性炎癥性氣道疾病,患者由于氣道阻塞和氣道高反應(yīng)性而出現(xiàn)氣短、氣喘等癥狀。預(yù)計到2025年,哮喘將影響全球4億人。目前,哮喘治療主要基于吸入皮質(zhì)類固醇和支氣管擴(kuò)張劑,抑制癥狀而不是改變疾病的自然病史,不足以控制5%-10%的患者的癥狀。哮喘被認(rèn)為一種真正的多因素疾病,由多種環(huán)境因素和個體遺傳組成結(jié)合所致的相互作用,但同時也意味著了解哮喘的遺傳基礎(chǔ)有可能解開致病機(jī)制的問題。
在過去30年里,人們對了解哮喘的遺傳危險因素的興趣增加。這些風(fēng)險因素主要是單堿基對變異,即單核苷酸多態(tài)性(SNP),這是一種等位基因頻率在人群中超過1%的遺傳變異。之后引入陣列技術(shù),并使全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWASs)成為可能,分析患有和不患有哮喘的大量人群。在過去3年里,大樣本的合作研究以前所未有的速度加速對哮喘遺傳基礎(chǔ)的理解,使哮喘相關(guān)的獨(dú)立基因座數(shù)目增加到128個。
近日,《柳葉刀呼吸醫(yī)學(xué)》雜志發(fā)布了哮喘遺傳學(xué)的最新進(jìn)展,提供了來自GWASs的最新基因發(fā)現(xiàn);利用表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)(eQTL)定位和編碼變異,將哮喘相關(guān)的SNP與可能的藥物靶點(diǎn)聯(lián)系起來,提出了新的藥物靶點(diǎn);并考慮了基于基因組學(xué)的藥物重新定位治療哮喘的可能性。
哮喘的GWAS與基因網(wǎng)絡(luò)
第一份哮喘GWAS結(jié)果于2007年發(fā)布,指出了染色體17q12-21的遺傳變異與兒童哮喘有關(guān)。該位點(diǎn)的哮喘相關(guān)SNP與淋巴母細(xì)胞系中ORMDL3的mRNA表達(dá)水平相關(guān)。隨后的研究還將該位點(diǎn)的SNPs與全血細(xì)胞和肺組織中GSDMA、GSDMB、CRKRS、zpbb2和IKZF2的表達(dá)聯(lián)系起來。2017年研究發(fā)現(xiàn),在一個特定的位點(diǎn)上密切相關(guān)的SNP可能都與哮喘有關(guān),但只反映一個獨(dú)立的信號。在分析SNP的獨(dú)立性的基礎(chǔ)上,產(chǎn)生了31個頂級SNP。截至2019年4月,已發(fā)表論文確定了128個獨(dú)立哮喘相關(guān)SNPs。
值得注意的是,17q12-21位點(diǎn)與兒童期哮喘有關(guān),但與成人期哮喘無關(guān)。這一關(guān)聯(lián)表明,遺傳危險因素對哮喘患者的亞群可能特別重要。
此外,GWAS可用于識別復(fù)雜疾病背后的生物網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)哮喘靶基因不是孤立地起作用,而是可能聚集在與疾病發(fā)展有生物學(xué)相關(guān)性的網(wǎng)絡(luò)中。對這些網(wǎng)絡(luò)的識別可能為下游干預(yù)提供新的機(jī)會。
這種通路阻斷的方法通常用于癌癥治療,因?yàn)橐环N癌癥可能是由于不同患者的不同基因突變引起,但也可以通過阻斷一個共同的下游通路來治療。GWASs在哮喘中涉及的途徑或基因網(wǎng)絡(luò)如導(dǎo)致嗜酸性粒細(xì)胞增多的IL-33–IL-1RL1受體途徑(導(dǎo)致嗜酸性粒細(xì)胞增多),或T輔助型2(Th2)細(xì)胞因子IL-5和IL-4RA受體(導(dǎo)致2型炎癥或病毒反應(yīng))。
研究將161個哮喘靶基因通過多途徑分析,共發(fā)現(xiàn)了47條基因富集途徑,每條途徑中均有3-8個基因。同時,研究觀察到免疫通路的優(yōu)勢,尤其是受到MHC II和細(xì)胞因子及其受體(IL-33、IL-1RL1、IL-6R、IL-2)驅(qū)動的通路,如IL-2和IL-4信號通路、Th2途徑、T細(xì)胞與B細(xì)胞相互作用途徑以及腺苷A1受體信號途徑。
但與此同時,161個哮喘靶基因中有71個(44%)沒有被注釋到任何途徑,如GSDMB、WDR36、ADAMTS4和PEX14,這表明目前對哮喘靶基因的生物學(xué)解釋由于缺乏功能證據(jù)而受到限制。
基于哮喘遺傳學(xué)的靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與藥物重新定位
為了使藥物有效,它需要靶向與疾病因果途徑有關(guān)的蛋白質(zhì)或這種因果途徑的生理抑制劑。在藥物靶點(diǎn)驗(yàn)證之后,藥物開發(fā)仍然是一個耗時耗資的過程,包括毒理學(xué)研究、確定藥物的理化性質(zhì)、優(yōu)化制造工藝和藥物配方,然后進(jìn)行三個階段的臨床試驗(yàn)。因此,與疾病高度相關(guān)但不是致病機(jī)制的一部分的生物標(biāo)志物不是合適的藥物靶點(diǎn)。
GWASs可以識別與疾病相關(guān)的基因,從而為驗(yàn)證現(xiàn)有靶點(diǎn)和揭示新的藥物靶點(diǎn)提供了一種強(qiáng)有力的技術(shù)。許多疾病的遺傳學(xué)研究已經(jīng)確定了編碼蛋白質(zhì)的基因,這些蛋白質(zhì)已經(jīng)被市場上的藥物所靶向。例如,一項(xiàng)血脂異常的GWAS鑒定出HMGCR基因,該基因編碼HMG-CoA還原酶蛋白。HMGCR的靶向是他汀類藥物,他汀類藥物被開發(fā)用于降低血液中膽固醇的濃度。這一發(fā)現(xiàn)具有高度相關(guān)性,因?yàn)樗呀?jīng)表明,以基因研究為靶點(diǎn)的藥物上市成功率(從第一階段到批準(zhǔn))大約是為沒有遺傳證據(jù)的靶點(diǎn)開發(fā)的藥物的兩倍。雖然呼吸疾病領(lǐng)域沒有基于基因組學(xué)的靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的例子,但脂質(zhì)領(lǐng)域的例子可能說明了它的潛力。
遺傳學(xué)也可以用來幫助預(yù)測靶點(diǎn)的“副作用”,比如那些有所謂保護(hù)性基因變異的個體。例如,那些在IL33中有一個罕見的遺傳變異(rs146597587-C)的人,哮喘發(fā)生的風(fēng)險較低,循環(huán)血嗜酸性粒細(xì)胞也較低。這表明降低IL-33濃度或部分阻斷IL-33功能是安全的。
最新研究將現(xiàn)有的142個蛋白質(zhì)編碼基因(即潛在的哮喘藥物新靶點(diǎn))分為了兩類:一,針對藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn),選擇藥物處于臨床開發(fā)1期或更早的靶點(diǎn);二,對于藥物重新定位,選擇了在2期臨床試驗(yàn)或更高階段臨床開發(fā)藥物的目標(biāo)。
根據(jù)以上步驟及多次篩選,最終產(chǎn)生了22個藥物靶點(diǎn)。這22個靶點(diǎn)分為7類,包括酶、細(xì)胞表面受體、載體、離子通道、結(jié)構(gòu)蛋白、轉(zhuǎn)錄因子等)。細(xì)胞表面受體可產(chǎn)生有趣的候選藥物,因?yàn)樗鼈兒苋菀妆患觿┘せ睿虮桓偁幮赞卓箘┘芭潴w導(dǎo)向、受體導(dǎo)向抗體所拮抗。研究強(qiáng)調(diào)了以下編碼受體的靶基因:IL7R、CCR7、IL2RB、ITGB8和GPR183。
藥品重新定位的概念是指對某一特定條件下上市或開發(fā)中的藥品進(jìn)行鑒定,目的是將其用于另一種疾病。因?yàn)橐呀?jīng)建立了藥物安全性,這種方法提高了藥物開發(fā)效率,降低了成本和時間。分析表1中22個靶基因的在研藥物發(fā)現(xiàn),有些是目前可用的,有些是在2期或更高階段的臨床研究中。其中10個是針對哮喘的新靶點(diǎn)。
在這10個新靶點(diǎn)中,3個靶點(diǎn)的藥物已經(jīng)上市,分別為靶向HDAC3的tucidinostat和vorinostat,靶向IL6R的sarilumab和tocilizumab,以及靶向SLC22A5的諾氟沙星;1個靶點(diǎn)(APOA2)的藥物處于3期臨床試驗(yàn);5個靶點(diǎn)處于2期臨床試驗(yàn),分別靶向ERBB3、NOD2、TLR6、LTA、PSMB9;1個靶點(diǎn)(EP300)的藥物處于1/2期臨床試驗(yàn)。其中有兩個突出的靶點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào),即IL6R和NOD2。
未來發(fā)展方向
在靶向治療的發(fā)展中,使用基因研究方法可能會為精確醫(yī)學(xué)在以下三種不同情況下鋪平道路。
第一,基因測試可以識別那些風(fēng)險基因型與市場上的藥物靶點(diǎn)有關(guān)的基因型。有遺傳風(fēng)險的個體可能比沒有風(fēng)險基因型的人對這種藥物的反應(yīng)更好。如果相當(dāng)大比例的疾病是由這種風(fēng)險等位基因引起的,針對該基因的療法將可能是成功的。雖然已知哮喘基因變異在人群水平上能夠解釋哮喘的比例很小,但尚不清楚這些變異及其相互作用在個體水平上的重要性;需要進(jìn)行干預(yù)研究來解決這個問題。
第二,哮喘風(fēng)險等位基因也可能與生物標(biāo)記物(如細(xì)胞因子或可溶性受體)相連,這些生物標(biāo)記物可作為選擇潛在應(yīng)答者的標(biāo)記物。例如,編碼IL-33受體IL1RL1的基因中的哮喘風(fēng)險變體與肺和血清中較低濃度的可溶性受體蛋白IL1RL1-a有關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)可能表明,低濃度IL1RL1-a的個體對抗IL-33–IL1RL1治療有反應(yīng),這有待進(jìn)一步研究。
第三,對哮喘患者亞組的基因研究可能揭示出對該亞組很重要的基因變異,如兒童哮喘、嗜酸性哮喘或中重度哮喘患者。在這種表型驅(qū)動的方法中,針對這些表型特異基因的藥物可能對這些患者亞群有效。
除了遺傳學(xué),許多因素可能最終決定治療反應(yīng)。個體間和個體內(nèi)治療反應(yīng)的這種差異可能是由于不同的因素造成的,如時間特異性和組織特異性表觀遺傳效應(yīng)、主要的免疫炎癥途徑、重塑組織的貢獻(xiàn)以及靶點(diǎn)藥物的局部效應(yīng)和濃度。此外,環(huán)境因素如吸煙、過敏原暴露、營養(yǎng)或微生物因素可能與遺傳因素相互作用,從而影響哮喘的臨床特征、病程和治療反應(yīng)。
盡管在過去的幾年里已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多新的哮喘靶基因,但一個重要的問題仍然存在:醫(yī)學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域如何利用這些見解來開發(fā)新的藥物或重新利用現(xiàn)有治療哮喘的藥物?最近在哮喘基因變異鑒定方面的進(jìn)展指出了許多有趣的藥物靶點(diǎn),包括經(jīng)典的表面受體。此外,利用基于基因組學(xué)的藥物重新定位,如現(xiàn)有的藥物olamkicept和inarigivir soproxil,可能會被用于哮喘患者的臨床研究。
研究指出,目前的回顧和分析受到在歐洲血統(tǒng)人群研究中占主導(dǎo)地位的限制,迫切需要對其他種族的人群進(jìn)行更多的研究。更重要的是,對于許多哮喘基因來說,相關(guān)的途徑研究是缺失的,因?yàn)楣δ茏C據(jù)的出現(xiàn)滯后于基因發(fā)現(xiàn)。整合基因發(fā)現(xiàn)、功能證據(jù)和治療干預(yù)的多學(xué)科研究可能為開發(fā)急需的哮喘治療方法提供一條前進(jìn)的道路。
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