Drug Discov Today｜用生物医学知识图谱阐释药物的临床结果路径

2022年2月16日，美国北卡罗来纳大学Eshelman药学院的Alexander Tropshab等人在Drug Discov Today杂志发表文章，提出了临床结果路径 (COP) 的概念，将其定义为有关药物分子治疗效果的一系列关键的分子和细胞事件。COP可以通过挖掘生物医学知识图谱进行计算阐释，这为产生新的、有指导意义的药物发现和再利用的假设铺平道路。

以下是全文内容。

亮点

我们定义了临床结果路径 (COP) 的概念。

COP是一系列关键事件：启动-中间事件-临床结果。

COP将加深我们对药物作用的生物学路径的理解。

COP概念可以加速药物发现和再利用。

摘要

在这里，我们提出了一个广义的“临床结果路径(COP)”的概念，它被定义为一系列关键的分子和细胞事件，这些事件是药物分子治疗效果的基础。我们将COP形式化为以下事件链：分子起始事件(molecular initiating event, MIE)→中间事件(intermediate event, s)→ 临床结果(clinical outcome)。我们用COP加速药物发现和再利用的案例来说明这一概念。我们描述了使用可公开获取的ROBOKOP生物医学知识图谱挖掘工具，对几种感兴趣的药物的COP进行了阐释。我们提出，在生物医学知识图谱的帮助下，更广泛地使用所发现的COP将可能加速药物发现和再利用的努力。

前言

从历史上看，按化学类别、主要靶点和/或作用机制(mechanism of action, MOA) 对药物进行分组是对药物作用和相应适应症进行分类的便捷手段。在这里，我们提出了对药物临床效果的一系列化学-生物相互作用的更详细的描述，我们正式将其定义为COP(Clinical Outcome Pathways)。

最近的文献中偶尔使用“COP”一词。例如，2017年，美国国家转化科学促进中心 (NCATS) 在“Request For Applications”公告中使用了该术语。2018年，该术语被用于Chemotext的应用说明中，这是一种用于揭示科学文献中本体术语之间关系的在线工具，如PubMed中所注释。然而，就我们所知，本文首次尝试将COP定义为一个总体的生物医学概念。此外，我们参考了ROBOKOP(Reasoning Over Biomedical Objects linked in Knowledge-Oriented Pathways, 以知识为导向的路径中链接的生物医学对象推理)中特定类型的基于COP的查询。ROBOKOP是一个以知识图谱形式组织的生物医学知识库，其设计部分是为了支持阐明与药物作用相关的生物路径。

尽管一直缺乏对COP的系统研究，但类似于“不良反应路径” (adverse outcome pathways，AOP)的概念已普遍用于化学毒理学监管中，“以支持基于机理推理的化学风险评估”。AOPs主要用于正式化和标准化描述将MIE (the initial interaction of an exogenous molecule with an organism，外源分子与生物体的初始相互作用) 与下游的"不良结果" (即可观察到的在整个身体层面对外源分子的不良反应) 联系起来的关键过程。AOPs的使用越来越多，通过对毒性现象更具体、更详细的描述，使化学毒理学研究得到了快速发展。AOP的多个示例可在AOP Wiki和经济合作与发展组织(OECD)库中找到。 

最近有人讨论了“治疗结果路径” (therapeutic outcome pathway，TOP) 的类似概念。它是在特定背景下引入的，作为帮助指导个性化体外化学敏感性和耐药性测定 (CSRA) 平台开发的一种手段，并与 AOP一起讨论，作为识别关键微环境成分和测定读数/终点的一般手段，可以帮助预测治疗反应和耐药性。一些文献中也讨论了“临床路径”（clinical pathway, CPW）的另一个相关概念，以及支持基于证据的、有组织的临床决策和有效的患者护理计划的工具或框架。

我们通过与AOP类比来定义COP，但是在系统化学生物学和临床药理学的更广泛背景下，而不仅仅是化学毒理学。

我们将COP正式定义为：由病人接触某种药物 (MIE) 开始的一系列分子和细胞事件，通过生物组织不同层次上的一系列功能关联扰动，导致特定的、可观察到的临床结果。根据这一定义，COP与上述MOA、TOP和CPW的概念有一些共同点，但范围更广，包容性更强，在一个全面的药物作用路径中把分子、生化和治疗事件联系起来。最重要的是，正如我们在下面所讨论的，COP可以通过挖掘生物医学知识图谱进行计算阐释，为产生新的、有指导意义的药物发现和再利用的假设铺平道路。

定义COP

我们将COP定义为一个功能相连的生物事件链，链上的每个元素都对应于生物医学本体中 (如MeSH或MONDO) 定义的一个共同术语。参照AOP，COP有三个关键因素：(i) MIE；(ii) 中间事件；(iii) 临床结果。

这三个组成部分进一步定义如下：(i) MIE指的是配体与靶点的相互作用；(ii) 中间事件包括一连串的一些或所有功能相关的生物过程，如 (a) 基因表达，(b) 蛋白质产生，(c) 受体信号传导路径，(d) 代谢路径，(e) 蛋白质-蛋白质相互作用，(f) 细胞-细胞相互作用，或（g) 组织功能；(iii) 临床结果，如 (a) 疾病症状的减少，(b) 临床药理学检测结果显示正常值，或 (c) 疾病完全复发。

为了说明这一概念，图1显示了几种药物及其美国FDA批准的适应症的COP。所有三个选定的例子（地西泮、二甲双胍和那他珠单抗）都展示了如何将完善的药物药理学特征映射到COP框架上。

图 1 美国FDA批准的三种药物（二甲双胍、那他珠单抗和地西泮）的COP案例。COP的阐明使用了详细描述每种药物药理学的科学文献。

COP的阐释和前瞻性价值

这里将展示几个药物治疗案例，进一步阐释COP的概念。

例如，属于同一药理类别的两种药物往往不会产生相同的临床结果。μ-阿片受体激动剂的功能选择性就是这一案例的例证，它可以对服用阿片类镇痛药的慢性疼痛患者造成（潜在的、致命的）呼吸抑制。最近研究表明，与非功能选择性的μ-阿片受体激动剂相比，功能选择性的μ-阿片受体激动剂不太可能引起呼吸抑制。观察到这些结果是因为功能选择性激动剂激活μ-阿片类受体，而不像非功能选择性激动剂那样同时激活β-arrestin信号转导途径。

与基于MOA的μ-阿片类激动剂分类相比，COPs突出了同一类药物之间在导致不同治疗结果（在此情况下，选择性μ-阿片类受体激动）的事件链中的基本区别。对这些区别的考虑对于多向药理学的研究也是至关重要的，这与药物发现和临床应用（如精神分裂症的治疗）高度相关。

任何药物有可能具有多种COP，针对不同的疾病有不同的治疗效果，这促使了药物重定位概念的兴起。因此，确认针对新的适应症的批准药物的COP假设，可以驱动药物重定位上的创新。最近对COVID-19病人的真实世界的临床观测表明，利用COP框架对于支持药物重定位的重要性。

在一项已发表的研究中，医生们观察到，患有COVID-19的患者，如果也有胃灼热病史，并使用非处方药Pepcid®治疗，那么与之前没有使用Pepcid治疗的类似患者相比，其死亡率较低。为了解释这些观察结果，有人假设法莫替丁（Pepcid的活性药物成分）可能改善COVID-19的临床结果，因为它是组胺能H2受体的拮抗剂。有人提出，法莫替丁与H2受体的结合导致随后抑制人体肺组织中肥大细胞的激活，从而有效地阻断或减少 "细胞因子风暴"，而这种风暴被认为是COVID-19相关死亡的一个诱因。这个案例的COP是：(MIE：法莫替丁→组胺能H2受体拮抗剂）→（中间事件：抑制肥大细胞活化→细胞因子水平降低）→（临床结果：COVID-19相关死亡率下降）。

法莫替丁作为其批准的适应症--胃食管反流病（GERD）21的治疗方法和其假设的适应症--COVID-19感染之间的分歧，见图2。

图2 以FDA批准的药物法莫替丁为例，不同的COP最终导致两个似是而非的临床结果

上面的路径对应于法莫替丁的批准适应症，即胃食管反流病（GERD）；下面的路径对应于最近提出的假设，以解释法莫替丁减少冠状病毒2019（COVID-19）相关死亡率的临床观察，因此，可以被重新利用作为该疾病的治疗。

COP的计算

在研究药物(例如法莫替丁)的应用如何导致特定的临床结果时，我们可以从不同的方面寻找我们共同认为是COP的过程，这需要对不同的知识来源进行一致的分析。

这些来源应包括已知的生物药物靶点、通路、器官和组织、疾病表型以及与疾病的药理学和病理生理学有关的其他生化实体的数据。此外，这些来源应当使用标准的本体术语整合进行一个协调的框架中，以便能够有效利用它们。

在过去20年里，生物医学基础知识的规模成倍增长。人们在努力巩固这些知识并在易于理解的用户界面中加以表示方面取得了一定的成功。通过知识抽取协议和可靠本体论的开发，现在可以构造一个高阶近似的当代生物医学知识范围，并将其存储在规范的数据库，且集成到生物医学知识图谱中。这样的图表可以挖掘潜在的COP，如ROBOKOP所实现的，为深入了解药物作用背后的途径提供了思路。这些阐明的COPs在概念上是理论性的，因此，主要是作为一种产生假设的手段，可以在临床环境中进行验证。

对生物医学知识图谱的挖掘可以帮助药物发现和再利用工作，如最近广为人知的使用商业知识图谱来确定巴立替尼作为COVID-19的再利用候选药物，以及发现对SARS-CoV-2有协同和拮抗作用的药物组合。值得注意的是，COP内各种生化实体（药物、基因、途径等）之间的关系可以直接转化为各自的图表示，生化实体为节点，它们之间的功能关系为边，可以用描述两个特定节点之间关系的术语来标注。

组织成知识图的海量生物医学数据的收集，已经被多个研究实验室开发和校正。可以查询这些知识图来识别与COP对应的子图。例如，口语化的科学查询：“地西泮如何减轻广泛性焦虑症患者的焦虑？”，可译成具有原始查询词(地西泮和焦虑)构成子图的节点，并由固定或任意数目的中间节点进行连接。

这样的查询可以针对知识图运行，如前所述，以识别具有特定中间术语的“子图”。通过这一过程，所提出的具有关键推测事件的COPs能够与相应的特定生物对象相匹配，并通过对相关文献的探索快速有效地进行验证，从而为药物发现和重定位提供有力的假设生成工具。对于现代知识图，复杂COP的"答案子图"数量可能是巨大的；因此，强调这些成果的汇总和排序对今后的工作至关重要。 

为COPs创建一个通用的结构化文本格式(如XML或JSON文件)，可以促进COP到各个数据库的共享和交换，以及促进通过API接口进行排序。例如，可公开访问的ROBOKOP使得感兴趣的药物COP能够自动化构建。我们期望，随着知识图变得更容易获取，生成受校正的数据驱动的COP将成为计算生物医学研究和发现的普通现象。努力实现这一目标是TRAPI倡议的一个关键目标。这里，我们详细介绍了两个ROBOKOP支持的COP计算案例。

二甲双胍重定位用于治疗脊索瘤

二甲双胍是FDA批准的治疗2型糖尿病的药物。大量的观察和队列研究表明二甲双胍可以治疗多种疾病，包括多种癌症。知识图谱已被证明可用于通过了解其作用机制重新利用药物治疗罕见疾病。

使用术语“二甲双胍”和“癌症”进行查询ROBOKOP发现，这种药物与脊索瘤之间存在多重联系。脊索瘤是一种罕见的骨癌，通常发生在颅骨或脊柱的骨骼中。图3a显示了结果图(answer graphs)中节点之间的关系，图3b详细介绍了二甲双胍、基因、通路、细胞和脊索瘤之间的多重联系。作为一个典型的例子，我们重点研究了过氧化氢酶(CAT)基因，因为它只与两类细胞(成骨细胞和体细胞)相关。ROBOKOP提供链接到已发表的论文或其他类型的数据，这些数据支持结果图中节点之间的边，并整合了对这些图的解释。因此，Dai等人报道二甲双胍能在不增加CAT表达的情况下提高小鼠CAT活性。另一项研究为CAT与"成骨细胞"节点之间的边提供了支持，报道了人线粒体CAT转基因小鼠的体外成骨细胞集落生长率比野生型小鼠高95%。最后，由于该类型肿瘤与其他肉瘤一样，以未分化成骨细胞不受控制的增殖和维持为特征，表现为成骨细胞正确分化增加，从而减少脊索瘤细胞的发育。

图3. 二甲双胍与脊索瘤之间可能存在的COP

图3 将二甲双胍与脊索瘤联系起来的可能的COP。(a)二甲双胍-脊索瘤COP的结果图；(b)以ROBOKOP链接的生物医学对象推理的完整知识图，显示二甲双胍、基因、生物路径或活动、细胞与解剖学实体、表型特征和脊索瘤之间的多种关系。(c) 二甲双胍和脊索瘤的COP，显示二甲双胍增加过氧化氢酶（CAT）的活性，该酶参与肌肉骨骼系统的成骨细胞分化。成骨细胞分化的增加已被证明可以减少肌肉骨骼系统的异常，减少肉瘤细胞的生长。

二甲双胍正在进行治疗不同类型肉瘤的临床试验，类似的推理也可以作为二甲双胍治疗脊索瘤的潜在假设提出来。图3c展示了标准ROBOKOP查询阐明的底层COP。值得注意的是，结果图可以转化为解释COP假说的陈述：二甲双胍增加CAT的活性，从而导致正确的成骨细胞分化，潜在减少包括脊索瘤在内的肉瘤中未分化成骨细胞的失控增殖和维持。 

伊马替尼重定位用于胃肠道间质瘤和哮喘

伊马替尼是FDA批准的用于改善慢性粒细胞白血病(CML)患者预后的激酶抑制剂。它也被用于治疗胃肠道间质瘤(GISTs)。2017年，一项临床试验证明伊马替尼治疗重症哮喘有效。伊马替尼首次被确定为BCR-ABL激酶的选择性抑制剂。后来发现这种药物还能与包括KIT在内的多种激酶结合。

这里，我们利用ROBOKOP阐明伊马替尼的COP，它通过抑制KIT从而达到治疗CML、GIST和哮喘的作用。这一过程至关重要，参与了ROBOKOP中确定的三种生物学路径：多细胞生物发育、造血和红细胞分化。

图4a显示了连接伊马替尼和CML的COP。作为第一个MIE，伊马替尼抑制KIT活性，降低了骨髓巨核细胞-红细胞祖细胞。因此，伊马替尼抑制了细胞核的增殖信号，从而诱导白血病细胞凋亡。

图4b显示伊马替尼和GIST的COP。在GISTs患者中发现的大多数KIT原癌基因突变会诱导构成性激酶激活，抑制细胞凋亡，刺激癌细胞增殖。肠道平滑肌细胞GIST患者的KIT抑制会诱导细胞凋亡。

图4c显示伊马替尼和哮喘的相关COP。KIT也存在于肺肥大细胞中，并被推测为严重难治性哮喘的病理基础，其特点是对传统的糖皮质激素哮喘治疗有不良反应。伊马替尼可降低严重哮喘患者的气道高反应性（严重哮喘的生理标志）和气道肥大细胞数量和活化。

伊马替尼-KIT-...-CML/GIST/哮喘的综合COP见图4d。

图4 伊马替尼慢性骨髓性白血病 (CML)、胃肠道 (GI)间质瘤 (GIST)和哮喘涉及KIT的COP。(a) 伊马替尼和CML；(b) 伊马替尼和GIST；(c) 伊马替尼和哮喘；以及(d) 综合COP。

总结

我们将COP定义为一连串的关键事件（MIE→中间事件→临床结果），这些事件以机制性的途径联系在一起，是药物作用的治疗结果的基础。

我们介绍了几个例子，说明如何通过人工和自动阐释COP，来分析药物与疾病的关系，并展示了COP在药物再利用中的潜力。我们认为，COP的形式化结构，加上通过对大型生物医学知识图谱的挖掘对其进行阐释，将加深我们对药物作用的生物途径的理解，并促进产生可测试的假设，以加速和推进药物发现和再利用工作。

参考资料

Korn D, Thieme AJ, Alves VM, Yeakey M, Borba JVVB, Capuzzi SJ, Fecho K, Bizon C, Edwards SW, Chirkova R, Colvis CM, Southall NT, Austin CP, Muratov EN, Tropsha A. Defining clinical outcome pathways. Drug Discov Today. 2022 Feb 16:S1359-6446(22)00065-4. doi: 10.1016/j.drudis.2022.02.008.

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