GLOBAL臨床研究によって、オミクスに基づいた創薬アプローチの価値が実証された

はじめに

Szilard Voros医学博士は、バージニア大学で心臓学トレーニングを受けながら、製薬の研究開発と起業家のイノベーションに興味を持ちました。彼は、クラス初のコレステロール低下薬であるエゼチミブの開発を支援するために心血管イメージングに取り組んでいました。Voros博士はその後、ジョージア州アトランタのPiedmont Heart Instituteに移り、そこで博士と彼のチームは、異なる臓器内の疾患プロセスを画像化して測定する新しい方法を開発しました。彼らはすぐに、イメージング技術をゲノミクス、プロテオミクス、メタボロミクスと組み合わせた別のプロジェクトを開始しました。これはマルチオミクスアプローチで、現在はパノミクスと呼ばれています。

2011年初頭、Voros博士は、これらのすべてのデータを統合することで、創薬と開発プロセス、ならびにバイオマーカーの発見と開発を大幅に改善できることが明らかになりました。また、患者の疾患プロセスの状態を理解し、最も効果的な予防と治療を知らせる情報を医師に提供することもできます。彼はGlobal Genomics Group（G3）を設立し、画期的な国際臨床試験でパノミクスアプローチの可能性を証明し、適切にGenetic Loci and the Burden of Atherosclerotic Lesions（GLOBAL）研究と命名しました。

Voros博士は、7年間、7,000を超える臨床被験者、そして何兆ものデータポイントを経て、先見の明のある存在であることを証明してきました。G3は、イメージング、パノミクス、データ解析を強力な創薬エンジンに統合することに成功しています。同社は、製薬パートナーと共同で開発中の新しい診断法といくつかの薬剤候補の導入により、その新しいアプローチの価値を実証してきました。

iCommunityはVoros博士と、G3チームがパノミクスアプローチをどのように開発し、微調整したか、その結果生じた診断および治療プロジェクト、イルミナの製品とシステムが成功にどのように貢献しているかについて話しました。

Szilard Voros, MDはG3の創設者兼最高経営責任者です。

Q：なぜG3を開始したのですか？

Szilard Voros（SV）：G3のインスピレーションの一部は、開業医としての不満から生まれました。予防心臓学プログラムを運営し、患者を診察し、個人ではなく集団に焦点を当てたエビデンスベースのガイドラインに基づく医療を実践していました。落胆しました。多くの患者の生活の質に良い影響を与えているとは感じませんでした。21世紀のことで、もっと良い方法があると感じました。

初期の学術的キャリアにおいて、私たちは新しい心血管系薬剤の同定をサポートする新しいイメージングアプローチとテクノロジーを開発しました。本質的に表現型解析ツールであり、疾患のさまざまな側面を同定し測定するための具体的で定量的な方法を提供しました。私はこの会社を設立し、イメージングデータをパノミクスデータに統合する方法を特定し始め、高度なアナリティクスを使用してすべてを解析しました。

Q：G3の作成においてどのような課題に直面しましたか？

SV：非常に大きな仕事でした。当社のアイデアは、すべての異なるオミクステクノロジーを単一のプロジェクトとして単一の目的にまとめることでした。当時、この分野は信じられないほどサイロ化していました。ゲノミクス、プロテオミクス、メタボロミクス、メタゲノミクスの企業はありましたが、彼らは同じ言語を話していませんでした。どのデータセットも統合しようとしたことはありませんでした。概念的にも、科学的にも、非公式にも、すべての情報を共通の語彙に変換する方法はありませんでした。

Q：プロセスを確立する上で、何が最も不明でしたか？

SV：最大の不明点は、データを非公式に統合する方法でした。このソリューションでは、さまざまなアプローチを並行して相乗的に使用することがわかりました。例えば、ゲノムワイド関連解析（GWAS）と定量的形質座位（QTL）解析、メンデルランダム化とベイズネットワーク解析を統合しています。これは、解析目的に応じて変化する統合アプローチです。

図1：パノミクスアプローチを用いて、G3は、グローバル臨床試験の各被験者について最大数十億データポイントのイメージング、ゲノミクス、トランスクリプトミクス、メチルオミクス、プロテオミクス、メタボロミクス/リピドミクスデータをキャプチャし、解析します。

Q：どの疾患にフォーカスしていますか？

SV：心血管疾患、脂肪性肝疾患、糖尿病、骨粗鬆症、肥満などの多因子性、多遺伝子性、一般的な慢性疾患に焦点を合わせています。これらの疾患はヒトの寿命に直接影響を及ぼします。私たちは、これらの疾患の経過を理解し、研究し、影響を与えるために、当社のアプローチを使用しています。

Q：G3アプローチとは？

SV：当社のアプローチは、3つの基本的な柱に基づいています。最初の柱は、疾患のさまざまな側面を定量化するためのイメージングを使用したディープフェノタイピングです。2つ目の柱は、血液サンプル中のDNA、RNA、タンパク質、脂質、その他の低分子を解析するパノミクスプロファイリングです。3つ目の柱は、システム生物学に基づくバイオインフォマティクスを使用して、ディープフェノタイピングとパノミクスデータを統合することです。臨床試験のデータ解析ステップは、各被験者の数十億のデータポイントの統合で構成されています。目標は、データを翻訳し、理解して、新しい診断と治療法の開発に情報を提供することです。

"まずゲノムデータから始め、遺伝子発現、プロテオミクス、リピドミクス、メタボロミクス、その他のオミクスでギャップを埋める作業を行います。"

Q：これらのサンプルについて、シーケンスとオミクスの研究を非常に多く行っているのはなぜですか？

SV：我々は、遺伝性の欠損の問題を解決したいと考えていました。2011年に会社を設立したとき、心血管疾患の双子の研究では、疾患リスクの約半分が遺伝的要因と遺伝性要因によって引き起こされ、約半分が環境によって引き起こされることが示されました。¹ また、疾患関連バリアントは心血管疾患表現型の5～7%を超える原因を説明できないこともわかっていました。さらに、疾患関連SNPの97%は、タンパク質に翻訳されるゲノム領域であるエクソームには見つかっていません。²これらのギャップを埋め、多因子疾患における遺伝可能性の欠損を見つける方法について考え始めました。

遺伝的バリアントは、誰かが疾患を発症する可能性を高める可能性がある一方で、体内で起こっていることを経時的に把握することはできません。そのため、ゲノムデータから始め、遺伝子発現、プロテオミクス、リピドミクス、メタボロミクス、その他のオミクスでギャップを埋める作業を行います。これは、会社の背後にある基本的な概念です。

Q：なぜこのような大規模で野心的な臨床試験を実施することにしたのですか？

SV：ビッグデータに基づいて薬物やバイオマーカーの発見を変革したい場合、大規模な臨床試験でそのアプローチを示す必要があることに気づきました。2013年、当社はGLOBAL試験への登録を開始しました。これは、世界中の患者集団からサンプルを前向きに収集するための野心的な取り組みです。この研究は、有用なデータを得るために必要な統計的検出力を備え、大規模でなければならないことがわかっていました。計算によると、サンプルサイズは6,500～7,000でした。3大陸9か国の48の臨床施設で7,700～7,800人の患者を登録しました。これは、薬物およびバイオマーカーの発見という特定の目的のためにマルチオミクスデータを収集する、最大かつ最も包括的な前向き研究であると考えています。

Q：8,000人の被験者を対象とした臨床試験では、バリアントの関連を検出するのに必要な統計的検出力をどのように得ることができますか？

SV：各バリアントの機能的意味を理解するために、いくつかのオミクス測定を重ねています。生物学的パスウェイは互いに収束するため、関連を検出するのに必要な統計的検出力を持つために必要な被験者数を減らすことができます。

Q：臨床試験の状況はどのようなものですか？

SV：2014年半ばにGLOBAL臨床試験への登録を完了しました。何千人もの人々のすべての遺伝子をシーケンスし、同じ被験者で何十万もの中間バイオマーカーを測定しました。すべての生データ、画像、血液サンプルがあり、オミクス解析のほぼ半分です。理論的には、表現型情報がある疾患について、あらゆるターゲットを検証することができます。今後数年間、データを確認し、関心のある一般的な慢性疾患のターゲットを特定します。

"ベイジアン解析では、同じ生物学的パスウェイに収束した階層的なパノミクスネットワークが明らかになり、遺伝子の分散がネットワークを駆動し、続いてRNAとタンパク質のネットワークが明らかになりました。"

Q：何個のデータポイントを解析していますか？

SV：イメージングの面では、造影剤の有無にかかわらず、胸部、心臓、上腹部のCATスキャンを実施しました。各血液サンプルについて、全ゲノムシーケンス（WGS）を実施し、RNA-SeqおよびmicroRNA解析で転写イベントを評価し、DNAメチル化解析でエピジェネティクスを研究しました。また、プロテオミクス、リピドミクス、メタボロミクスの研究を実施して、低分子を評価しました。治験の各被験者について、合計で数十億データポイントになります（図1）。

Q：各血液サンプルに対して実施される解析数を考慮すると、データ品質をどのように確保しますか？

SV：当初から、収集レベルでデータ品質を確保することが重要だと感じていました。これらのサンプルの取り扱いには細心の注意を払っています。採血後、血液を遠心分離し、47本の分取管に分離し、瀉血後70分以内に冷蔵します。アリコートはAとBの検体に分けられ、その後、災害復旧の目的で、異なる日、異なるトラックまたは航空機、異なる州に出荷されます。

バイオバンクに血液サンプルがある場合、クラス最高のサービスプロバイダーがさまざまなオミクス解析を行います。これには、WGS用のイルミナシーケンスサービス、RNA-Seq、miRNA-Seq、DNAメチル化、タンパク質、脂質、および低分子/代謝産物解析用の発現解析/IQVIAが含まれます。

Q：どのような科学的観察を行いましたか？

SV：多くの科学的観察が行われてきましたが、最も高いレベルでは、2つの主要な洞察があります。1つ目は、機能的な収束を明らかにし、コンセプトを検証したことです。初期の解析の1つで、数百人の患者に1兆のデータポイントがあり、心血管疾患、非アルコール性脂肪性肝炎（NASH）、骨粗鬆症につながる経路を探していました。ベイズ解析により、同じ生物学的経路に収束する階層的なパノミクスネットワークが明らかになりました。これらは、ネットワークを駆動し、続いてRNAおよびタンパク質ネットワークを駆動する遺伝子の差異を持つ生物学的ドグマに基づいて予想されるのと同じでした。また、最もよく知られている心血管疾患のパスウェイの1つであるLDLパスウェイを含む、既知のパスウェイも再発見しました。

2回目の観察は、少し不明瞭です。各疾患状態について、各オミクスデータセットの上位ヒットまたは最も強い関連性をゲノム全体で調べました。ゲノム全体にランダムに分布するのではなく、クラスター内のヒットを発見しました。その関連性を科学的に判断し始めています。

"...トランスクリプトミクスデータから潜在的なターゲットを特定しました。その後、WGSデータを使用し、LOFバリアントに基づくターゲットの遺伝子検証を実施しました。"

Q：パノミクスアプローチを使用して、商業的に可能性のある新しいターゲットを特定しましたか？

SV：心血管疾患について同定した診断バイオマーカーの特許を取得しました。これは、質量分析によるメタボロミクスデータから導き出されました。これは非常に簡単な血液検査で、胸痛で診療所に来院する患者のストレス検査のゲートキーパーになる可能性があります。

大手製薬会社との協力の下、別のターゲットを同定することができました。偏りのないベイズネットワーク解析により、トランスクリプトミクスデータから潜在的なターゲットが特定されました。その後、WGSデータを使用し、機能喪失（LOF）バリアントに基づいてターゲットの遺伝子検証を実施しました。当社の製薬パートナーは、in vitro環境でNASHターゲットを確認しました。

また、心血管疾患および脂肪性肝疾患に対する新しい生物学的経路と薬物ターゲットも特定しました。パスウェイは2つの疾患パスウェイの交差点です。このターゲットに基づく薬剤の開発を開始しています。パノミクスアプローチを用いて既知のパスウェイを再発見したという事実は、このパスウェイと、これまでに特定した他のいくつかの新しいパスウェイの有効性に自信を与えてくれます。

驚くべきことに、これらの発見は、私たちが解析した最初の数千の主題のデータのみに基づいているのです。すべてのデータの表面を傷付けたことすらありません。

Q：パノミクスアプローチは医薬品開発に新しい概念を導入できるか？

SV：パノミクスアプローチは、遺伝子バリアントの同定と検証に時間とコストがかかる現在のプロセスを加速します。例えば、GWASは、冠動脈石灰化（CAD）イベントのリスク増加に関連する染色体9p21遺伝子座を特定しました。³ これらのバリアントの機能面を理解するのに約15年かかりました。心血管疾患における最新の治療法の1つは、PCSK9プロテアーゼをターゲットとしています。最初の観察は、約7,000～9,000人の患者に対して行われ、ターゲットの同定には何年もかかりました。

当社のアプローチは、2つの方法でバリアントの機能的影響の同定を加速します。まず、WGSを使用して各バリアントを調べます。以前に同定されたバリアントに依存するジェノタイピングアプローチとは異なり、WGSを使用して検出されるバリアントは、当社のデータセットのケースとコントロールの違いに基づいています。以前に実施された研究によってバイアスを受けることはありません。実際に、新規ターゲットの一部について同定した重要なバリアントの一部は、このように発見されました。

次に、そのバリアントの機能的な意味を理解するために、いくつかのオミクス測定を行います。オミクスの定量的形質遺伝子座（oQTL）の概念を導入し、遺伝子発現、マイクロRNA、タンパク質、脂質、代謝産物に対して単一のバリアントの定量的解析を実施しました。このデータにより、数百人の患者から同じ洞察を得ることができます。例えば、NASHターゲットは、データセットが収集されてからわずか数か月で特定され、<500名の患者で高い統計的有意レベルで検証が完了しました。

臨床研究は、医薬品開発のための多額の投資です。当社のパノミクスアプローチは、新しい治療法の開発に必要な資金を削減できると考えています。

"正確なWGSは、ジェノタイピングや全エクソームシーケンスよりも大きな増分値をもたらすと考えています。"

Q：パノミクスアプローチにおけるWGSの価値とは？

SV：WGSは主に遺伝子ターゲットの検証に使用されます。しかし、多くの場合、プロテオミクスや遺伝子発現研究から生成された機能的非DNAデータから潜在的なターゲットを特定することができます。検証するには、WGSデータに移動し、そのタンパク質または受容体をコードする遺伝子を調べます。次に、その遺伝子内のバリアントを同定し、疾患のバイオマーカーと表現型に関連するLOFバリアントを探します。NASHターゲットの同定にこのアプローチを使用しました。

Q：オミクス解析パートナーをどのように選択しましたか？

SV：G3を設立したとき、2つの選択肢がありました。1つは、すべての機器を購入し、当社のラボでオミクス測定を実行するか、クラス最高のプロバイダーにすべてを外注することでした。デュー・ディリジェンスが完了した後、正しい答えはアウトソーシングであることは明らかでした。

イルミナのFastTrackシーケンスサービスをWGSサービスプロバイダーに選定しました。以前の学歴では、iScanシステムとInfiniumジェノタイピングアレイを使用して心血管疾患のGWASを実施していました。イルミナの製品は信頼性が高く、正確で、優れたサポートを提供してくれたことを知っていました。正確なWGSは、ジェノタイピングや全エクソームシーケンスよりも大きな増分値をもたらすと考えています。

G3の設立前は、Expression Analysis/IQVIAとうまく連携していました。他のオミクス研究を実施するために選択し、その一部はイルミナ製品によるものです。例えば、発現解析では、HiSeq 4000システムでRNA-およびmicroRNA-Seq、Human Methylation 450K BeadChipでDNAメチル化解析を実施しています。

"パノミクスアプローチは、遺伝子バリアントの同定と検証に時間とコストがかかる現在のプロセスを加速します。"

Q：G3の次のステップは何ですか？

SV：今後数年で何が起こるか楽しみにしています。この道のりのわずか7年後には、血液検査が市場に出て、いくつかの薬剤ターゲットが開発されています。心血管、心血管代謝、および肝臓疾患における当社のパノミクスアプローチの価値を実証したところで、他の疾患状態にも適用したいと思います。アルツハイマー病には特に関心があります。多因子性、多遺伝子性の一般的な慢性疾患であり、当社のパノミクスアプローチと組み合わせた定量的精密表現型検査が必要になります。アルツハイマー病やその他の認知症を研究するパートナーを探しています。同じアプローチを取り、神経変性疾患や筋骨格疾患にも適用したいと考えています。最終的には、腫瘍学のプロジェクトも開始したいと考えています。

Q：G3アプローチは医療にどのような影響を与えるか？

SV：1990年代と2000年代初頭は、集団ベースのガイドライン主導の医療の時代でした。当社のアプローチが分子プロファイルへの移行に役立つことを願っています。当社のビジョンは、医師が将来検査室に入室する際に、当社のアプローチにより、患者のプロファイルと分子指紋を確認し、その横に座っている患者に個別化された治療を処方できるということです。