生物分析专栏 病理诊断技术在创新药物研发中的应用与

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  病理学(Pathol ogy)是从疾病的发病原因、病理变化的过程、病变部位及病理形 态等方面进行研究,是了解疾病发生的本质及其变化规律的重要手段,是医学科学的重要组成部分。 长期以来,病理学被形象地比喻为“桥梁学科”和“权威诊断”,这充分表明了它在医学中,特别是在临床医学中占有不可替代的重要地位。 病理学可以回答疾病状态下的形态结构、机能代谢的改变,这些改变与临床上出现的症状、体征之间的关系、疾病的诊断、转归和结局等临床医学中的种种问题。

  病理诊断(Pathological Diagnosis)在医学诊断中具有权威性,病理诊断在明确疾病性质,解释临床症状、决定治疗原则、评估预后以及明确死亡原因等方面起至关重要的作用,是疾病诊断的金标准。 病理诊断是在对器官的进行大体观察、镜下观察组织结构和细胞病变特征而做出的疾病诊断,因此它比临床上根据病史、症状和体征等做出的分析性诊断(常有多个诊断或可能性诊断)以及利用各种影像(如、X射线、CT、核磁共振等)所做出的诊断更具有客观性和准确性。 尽管现代分子生物学的诊断方法(如PCR、原位杂交等)已逐步应用于医学诊断,但到目前为止,病理诊断仍被视为带有宣判性质的、权威性的诊断。

  在现代科技的支撑下,创新药物的研发的效率已取得了明显的进步,但仍然面临巨大挑战。 病理学在创新药物研发领域逐渐发挥了举足轻重的作用。 它可以通过对疾病组织进行病理解剖、免疫组化及分子生物学研究,探讨组织、细胞和分子水平疾病发生机制,从而为寻找新的治疗靶点、提出新的治疗策略,为创新药物的安全性评价、药效评估、剂量选择、作用机制等提供有力的科学依据。 越来越多的研究表明,分子病理涉及肿瘤的早期诊断、预后判断及个体化分子靶点检测等多个方面,在肿瘤分子靶向创新药物研发中发挥重要作用。

  病理学是一门古老的学科,但是随着科技不断进步,病理诊断技术也在不断追求基础理论的探索和应用实践的创新。 已发展为传统的解剖、组织形态学和免疫组织化学及原位杂交等分子技术相互补充、综合应用的新阶段。 当代的病理诊断建立在细胞、组织结构和蛋白质、核酸分子改变共同构成的组织病变基础之上,从而为疾病的预防、早期诊断、精准治疗提供重要的理论和技术支撑。

  本文将从病理诊断技术的分类、技术流程、在创新药研发中的应用、在临床试验中的合规性要求以及在创新药物研发中的应用案例分享等方面进行阐述,以期帮助大家全面了解病理诊断技术及其在创新药物研发中的应用。 同时也热切地期待这门古老的学科的不断进步能够推动实现创新药精准治疗的研发进程,为人类健康事业做出更大的贡献。

  肉眼的大体观察和光学显微镜水平的形态学研究方法,是病理学诊断和研究中最经典、最基本的方法。随着生物医学新技术的快速发展与广泛应用,一些新的先进技术手段也逐渐应用在疾病的研究和病理学诊断中。 病理诊断通过分别与免疫诊断、分子诊断结合,形成了免疫病理和分子病理,将病理诊断从组织、细胞水平的形态学观察深入到蛋白与分子水平。下面介绍几种常用的病理诊断技术。

  (1)组织病理是病理学最重要、最基础、应用最广泛的技术。通过将病变组织制成切片,经不同的方法染色后用显微镜观察,分析和综合病变特点,做出疾病的病理诊断。组织病理的样本一般通过开放手术、内镜检查或经皮穿刺活检获取。常用的制片方式有常规石蜡切片、快速冰冻切片等。常用的染色方法是苏木素-伊红(Hematoxylin and eosin,HE)染色。

  (2)细胞病理是研究组织碎片、细胞群团、单个细胞形态和结构以及细胞间比邻关系。采集病变处的细胞或自然分泌物、体液、排泄物等,涂片染色后进行细胞学诊断。细胞病理的样本一般通过体液、拉网、细针穿刺、脱落细胞等途径获取。细胞病理常用制片技术分为巴氏涂片及液基薄层细胞学制片技术。

  免疫组织化学(Immunohistochemistry,IHC)和免疫细胞化学(Immunocytochemistry,ICC)是临床病理诊断中常用的技术和手段,是应用免疫学基本原理抗原抗体反应,即抗体和抗原之间的结合具有高度的特异性,先将组织或细胞中的某种化学物质提取出来,以此作为抗原或半抗原。 然后通过免疫动物后获得特异性的抗体,再用此抗体去探测组织或细胞中的同类抗原物质。 由于抗原与抗体的复合物是无色的,因此还必须借助于组织化学的方法(荧光素、酶、金属离子、同位素)将抗原抗体结合的部位显示出来,以其达到对组织或细胞中的未知抗原进行定性、定位或定量的研究。

  由 于具有特异性强、敏感性高、定位准确、形态与功能及代谢相结合等特点,免疫组化已经成为医学基础研究和临床病理诊断中不可或缺的技术手段之一,广泛应用于各种蛋白质或肽类物质表达水平的检测、细胞属性的判定、淋巴细胞免疫表型分析、激素受体和耐药基因蛋白表达的检测、细胞增殖和凋亡、细胞周期及信号传导的研究等。

  图3免疫组化染色的代表性图像:a鸟氨酸转氨基甲酰基酶(高表达);B精氨酸琥珀酸合成酶(低表达)[1]

  分子病理是应用分子生物学方法,以组织学/细胞学标本为载体,从基因水平上检测受检个体或其携带病毒、病原体的遗传物质的结构或含量的变化而做出诊断的技术,被广泛应用于传染性疾病、血液筛查、遗传性疾病、肿瘤伴随诊断等领域,以协助病理诊断和分型、指导靶向治疗、预测治疗反应及判断预后。

  目前分子病理技术主要包括原位杂交、荧光原位杂交(FISH)、基因重排、实时定量PCR、DNA测序、基因芯片技术等。 不同技术路线各有优劣,其中PCR与FISH技术平台发展相对较为成熟。 分子病理技术也可应用于肿瘤标志物的检测,在肿瘤微环境研究、肿瘤细胞克隆演化进程追踪等方面有着不可替代的作用。

  病理诊断技术流程主要包含取材、制片、诊断和报告四个步骤。 制片是病理诊断过程中相当重要且最复杂的阶段,包括组织脱水、包埋、切片、染色、封片。

  对免疫组化染色组织进行评分并不是一项简单的任务,因为在不同的细胞和组织类型中可能观察到不同的模式。 需要仔细观察染色模式、强度和面积,并将其纳入评分方案。 在肿瘤药物研发中,多使用免疫组化评价蛋白表达,将细胞的染色特征,如细胞质、细胞核或膜染色,根据染色强度级别(0-3分)、着色细胞占比或合并评分并建立阈值(cutoff value) 的方法进行免疫组化表达的评价[2, 3]。

  免疫组化结果解读时需要考虑假阴性和假阳性。 如果抗体已失活或浓度不合适; 或由于组织自溶或操作步骤不当导致的抗原丢失等,都有可能产生假阴性结果。 如果抗体与组织非特异性结合(所用抗体浓度过高或染色过程中切片干燥导致抗体与组织产生非特异性结合或在应用多克隆抗血清时抗体特异性较差),或组织或细胞中有内源性过氧化物酶、碱性磷酸酶及生物素等产生非特异性显色则可能得到假阳性结果。

  为了避免假阴性和假阳性结果,免疫组化的各个步骤须保持一致,包括样本固定,脱蜡(会对FFPE组织),抗原修复,尽量减少背景结合HRP或ALP,选择适当抗体(种类和交叉活性)等。 其次,可以通过图像分析工具对IHC图像采集进行量化,使样本之间判断标准统一。

  病理诊断在药物研发的各个阶段均有使用。无论是在药物发现早期的靶标筛选和靶标验证,还是临床前药效和药理毒理研究,以及临床试验过程中的病理检测和诊断,生物标志物的组织学检测和判读等,均需要使用病理诊断技术。

  (1) 在早期研发及动物实验中应用 安全、有效、质量可控是药物的三大属性,也是新药能否成功上市的标准。病理学诊断在药物非临床研究中发挥着重要的作用。在毒理学研究中,病理诊断是评价新药潜在毒性的重要手段,不仅可以提供药物剂量与毒性反应的关系,还可以确定药物毒性作用的靶器官。在药理学研究中,免疫组化试验可以用于阐明药物的药效作用及机制,对试验结果进行科学的解读。在抗肿瘤药物评价中,我们可以通过免疫组化技术检测肿瘤核增值抗原ki67的表达情况并评估药效,通过Caspase3/7等蛋白的表达,来判断药物治疗是否引起了肿瘤细胞凋亡。在干细胞产品评价中,成瘤性是评价干细胞治疗产品安全性的一个重要指标。因为实验使用免疫缺陷动物,个别动物可自发形成肿瘤,干扰结果判定。因此,试验过程中,对接种干细胞的动物形成的肿瘤,可通过免疫组化技术检测肿瘤是否表达人的抗原,来判断肿瘤是否来源于干细胞,从而排除自发肿瘤对结果判定的影响。免疫组化的结果不仅可以用于辅助诊断,还用于选择合适的体内肿瘤模型进行药物疗效研究。与生物标志物检测平台一起评估,也有助于理解药物的药代动力学-药效学(PK-PD)关系,为临床试验入组患者的选择及确定临床实验首次给药剂量的确定提供参考。(2) 在临床用药及创新药临床试验中的应用 免疫组化可为临床用药提供治疗方案。随着越来越多的肿瘤药物相关基因和蛋白的发现,可以通过免疫组化的方法来检测相关基因和蛋白的表达水平。免疫组化不仅提供了蛋白质丰度的半定量评估,而且还对表达的细胞进行定位[5]。一方面,在免疫PD-1/PD-L1的用药上,免疫组化是目前临床诊断级别评估肿瘤组织PD-L1表达水平的唯一方法。


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