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从肝素到NOAC,抗凝药物发展史中的14个里程碑

抗凝药物被用于预防和治疗血栓性疾病。近日,Nature官网回顾了抗凝药物发展历史,总结了14个里程碑,包括肝素和华法林的发现、低分子肝素的合成以及新型口服抗凝药和解毒剂的出现等。出血和凝血之间的平衡仍然推动着新药研究和最佳剂量方案的探索。


里程碑1:肝素的发现和提纯


肝素是第一个被发现和分离出来用于医疗的抗凝药,是目前仍在用于临床的最古老的药物之一。事实上,肝素仍然在WHO基本药物标准清单中,是一种安全有效的药物。


肝素是一种体内肥大细胞和嗜碱性粒细胞产生的天然黏多糖。这种物质在百年前被发现。1916年,Jay McLean还是美国约翰霍普金斯医学院的二年级医学生,师从于生理学家William Henry Howell。他们最初研究脑磷脂,当时认为是一种促凝血物质,可以中和抗凝血酶,从而使凝血酶原激活,导致凝血。这项工作之后,McLean从狗的肝脏中提取了脂溶性化合物,这种物质在体外似乎具有抗凝作用。后来,McLean在宾夕法尼亚大学继续他的脑磷脂研究,而Howell实验室继续开展抗凝药的研究工作。


透射电镜:活化的肥大细胞释放含肝素和组胺的颗粒

图片来源:Science Photo Library / Alamy Stock Photo


1918年,Howell等人分离出另一种脂溶性抗凝药,命名为heparin(肝素)。1922年,Howell提出了水提取方案,并于1926年对方案进行了完善,得到了水溶性多糖抗凝药,他也命名为“肝素”,尽管与之前分离出的化合物不同。商业生产的水溶性肝素含有杂质,会引起头痛、发热、恶心等不良反应,限制了药物的使用。


1929年,Charles Best(与Frederick Banting共同发现了胰岛素)和研究生Arthur Charles决定进一步提纯肝素,以减少或消除不良反应,并证明其在预防血栓形成方面的作用。1937年4月16日,肝素的纯化形式首次用于人体,可延长凝血时间且没有毒副作用。


1935年,瑞典生理学家发表了他对肝素结构的研究,并允许一家瑞典公司生产静脉注射用肝素。1949年,Peter Moloney和Edith Taylor获得了低成本、高收率生产肝素的专利,使这种药物得以被广泛使用。


里程碑2:华法林——从灭鼠药到医用抗凝药


华法林的发现溯源于20世纪20年代加拿大和美国北部草原。当时人们发现,很多以前健康的牛开始死于不明原因的内出血。当地兽医Frank W. Schofield和Lee M. Roderick调查后得出结论,发霉的甜三叶草是引起出血的原因,通过喂食时撤除发霉的干草或输入新鲜血液可以逆转这种疾病。这种疾病最初被命名为“甜三叶草病”,Roderick则将这种获得性凝血障碍命名为“血浆凝血酶原缺陷”。


1940年,Karl Link等人从发霉的干草中分离出了具有抗凝作用的双香豆素。1945年,Link考虑使用香豆素衍生物作为灭鼠药。双香豆素的作用太慢,Link等人从150中香豆素变异结构中找到了42号,后来被命名为“华法林”,并于1948年作为灭鼠药上市。


1951年,一名美国士兵服下华法林鼠药试图自杀。这位老兄被送到医院,意外地经过维生素K治疗后就完全康复了。自此,人们发现维生素K可以对抗华法林的“毒性”作用。经过研究,1954年华法林被用于某些需要抗凝治疗的患者。华法林的主要优点是口服生物利用度高,水溶性强,其作用可被维生素K逆转。早期服用华法林的患者就包括美国总统艾森豪威尔(Dwight D. Eisenhower),他在1955年因心肌梗死接受华法林治疗。


尽管应用广泛,华法林的作用机制直到1978年才被揭示,John W. Suttie等人证实,华法林通过抑制环氧化物还原酶来破坏维生素K的代谢。


里程碑3:肝素和VKA——成功的组合


肝素和香豆素衍生物华法林在20世纪50年代被广泛用于治疗血栓形成。20世纪50年代后期,一些临床研究表明,这些抗凝药可能对肺栓塞的治疗有效。1947年,Allen等人报道,329名肺栓塞患者接受肝素和双香豆素治疗后只有1例死亡。1959年,Bauer报道,627例静脉血栓患者接受肝素治疗后,仅有5例死于肺栓塞。


1960年,Barritt和Jordan在《柳叶刀》发表了第一个评估这些抗凝药治疗肺栓塞的随机临床试验结果。急性肺栓塞且无抗凝禁忌证的患者被随机分配到肝素+香豆素衍生物醋硝香豆素抗凝组和不抗凝组。主要终点是肺栓塞死亡,次要终点是非致死性复发和其他原因导致的死亡。1958年4月,研究者对35例患者进行了中期分析:不抗凝组(n=19)中有5人死于肺栓塞,抗凝组(n=16)中无死亡病例(P = 0.036);此外,抗凝组中未发生复发,不抗凝组中有5次非致命复发。由于中期分析时复合终点改善非常显著,研究者决定把所有新招募的患者都分到抗凝组,这些患者中无人死于肺栓塞,只有1例非致命性复发。

这项开创性研究对该领域产生了深远的影响,首次证实了使用肝素和维生素K拮抗剂(VKA)进行抗凝治疗能够显著降低肺栓塞死亡和复发风险,具有里程碑意义。这种治疗策略在今天仍然是静脉血栓栓塞(VTE)治疗的金标准。


里程碑4:VTE预防,小剂量肝素显身手


肺栓塞是胸腹腔等外科手术的常见并发症,可在栓塞事件发生后30分钟内导致患者死亡,留给医生的诊断和治疗机会非常有限,因此预防很重要。20世纪70年代,临床医生进行了一系列试验来评估小剂量肝素预防术后VTE的效果。


70年代中期,共有27个临床试验发表,其中最大的一项是发表在《柳叶刀》的国际多中心随机试验。4,121名接受各种择期大手术的患者随机分为两组,治疗组(n=2076)给予小剂量肝素,对照组(n=2045)不使用肝素。治疗组80例死亡,对照组100例死亡,分别有66%和72%的病例进行了尸体解剖,发现死于急性大面积肺栓塞者分别有2例和16例(P<0.005)。部分患者(治疗组625例,对照组667例)进行了125I-纤维蛋白原检测,以检测深静脉血栓(DVT);治疗组DVT发生率明显低于对照组(7.7% vs 24.6%; P < 0.005);30例在尸检时发现DVT,治疗组6例,对照组24例(P<0.005)。


1978年,Vijay V. Kakkar发表了对不同临床试验的总结,支持上述试验结果。共涉及4000例患者,小剂量肝素治疗患者的静脉血栓形成的平均发生率为7%,而对照组为25%。Kakkar总结道,小剂量肝素预防术后致命性肺栓塞非常有效,未发生严重出血。标准给药方案是术前2小时给予肝素5,000单位,然后每8–12 h给药一次,用药7天。


里程碑5:大剂量肝素用于二级预防


到20世纪70年代末,有两种抗凝药物可用于血栓性疾病,即口服的VKA和静脉注射的肝素。标准治疗是长期口服抗凝药来预防静脉血栓栓塞复发。然而使用口服抗凝药物进行二级预防的策略是基于回顾性研究而没有随机化。而且,VKA与出血并发症高风险相关。这些问题促使Russell Hull等人采用随机方法评估口服抗凝药用于复发性VTE的二级预防,并将这种治疗与小剂量皮下肝素进行了比较。


图片来源:S. Fenwick/Macmillan Publishers Limited


1979年发表的一项研究中,Hull等纳入68名深静脉血栓患者,首先接受静脉注射肝素,然后随机分为两组进行二级预防,一组给予小剂量肝素皮下注射(每12小时5000单位),另一组给予华法林并根据凝血酶原时间(PT)调整剂量。研究显示,华法林对预防复发性VTE更有效:华法林组33例患者中无新发VTE,而小剂量肝素组35例患者中有9例(P=0.001)。然而,华法林与小剂量肝素相比出血风险更高(7例vs. 0例,P<0.005)。值得注意的是,新发VTE只出现在基线时有近端静脉血栓形成的患者。


鉴于上述结果,Hull等启动了一项新的随机临床试验,来评估大剂量肝素皮下注射的有效性和安全性。106例急性近端静脉血栓形成患者先静脉注射肝素治疗,然后随机分配到调整剂量的皮下注射肝素或华法林治疗组。研究开始时调整皮下注射肝素的剂量,然后固定,每12小时平均剂量为10,000单位。数据显示,肝素和华法林的有效性相当(复发性VTE发生率3.8% vs. 1.9%),而前者更安全(出血并发症1.8% vs. 17.0%)。


该试验表明,对于VTE的二级预防,大剂量皮下注射肝素是华法林的有效替代方法。


里程碑6:INR的提出


五十多年来,华法林是抗凝治疗的中流砥柱,今天仍然广泛用于临床。但华法林的有效性和安全性存在较大的个体差异,成为其临床应用中的困扰。1935年,Armand Quick等采用凝血酶原时间(PT)来进行口服抗凝药物监测。但这一指标存在很大的缺陷,例如不同实验室的PT检测结果不一致等。


直到1977年,WHO生物标准化专家委员会认识到需要对PT检测进行标准化,提出了校准凝血活酶的方案。1983年,英国国家生物标准和控制研究所的Tom Kirkwood等人对这一方案进行了修订。同年,WHO专家委员会批准了这一修订方案,国际标准化比率(INR)由此诞生。


目前,对于有复发性VTE风险者或卒中风险中-高危的房颤患者,口服抗凝的最佳INR范围是2.0-3.0;机械心脏瓣膜患者INR应保持在2.5-3.5。


里程碑7:LMWH——血栓形成院外治疗的突破


肝素和VKA这两种抗凝药都有许多缺点,包括抗凝效果的不可预测性,这就需要频繁的实验室检测凝血功能来调整药物剂量。20世纪70年代后期至80年代初期,低分子量肝素钙(LMWH)的出现开辟了VTE防治的新途径。


通过解聚肝素(分子量为12,000-16,000 Da)获得了LMWH(分子量为4,000-5,000 Da)。与普通肝素相比,LMWH的药代动力学更优越,血浆半衰期更长,生物利用度更高,抗凝作用可预测性更好,可以皮下注射,不需要常规实验室监测。LMWH使用更方便,患者可以在家中自行注射,在降低医疗成本的同时还降低了院内感染风险。


1996~1997年,四项大型随机临床试验发表,证实院外、不监测皮下注射LMWH与院内静脉注射普通肝素治疗血栓性疾病的疗效和安全性相当。这些试验结果改变了血栓形成的临床管理,LMWH逐步取代普通肝素用于血栓性疾病的预防和治疗。尽管如此,LMWH仍有一些缺点,例如需要注射给药、需密切监测极端体重患者等,于是科学家们继续寻找更安全、更方便的抗凝药物。


里程碑8:一个良好的靶点——Xa因子


2002年,Turpie等发表了一项荟萃分析,纳入4项研究,结果显示一种新合成物戊糖具有抗凝潜力。这就是首个选择性Xa因子间接抑制剂磺达肝癸钠。


图片来源:Blood coagulation factor Xa. molekuul.be / Alamy Stock Photo


21世纪初,普通肝素是肺栓塞的标准治疗。2003年发表的一项开放性试验纳入2,213例急性症状性肺栓塞患者,随机分配到普通肝素组和磺达肝癸钠组,结果显示二者安全性和有效性不相上下。2004年,Büller等发表了一项多中心随机双盲试验结果,在154个中心纳入2,205例深静脉血栓患者,结果表明磺达肝癸钠和依诺肝素的安全性和有效性相似。


对于急性冠脉综合征患者,抗凝、抗血小板和介入治疗的联合被认为是降低缺血性冠脉事件风险的标准方法,但这也增加了出血风险。2006年发表的OASIS-5研究评估了磺达肝癸钠对缺血事件和出血并发症的影响。共有20,078名急性冠脉综合征患者被随机分配接受磺达肝癸钠或依诺肝素治疗。值得注意的是,磺达肝癸钠治疗大大降低了大出血风险,降低了远期死亡率,而在缺血事件保护方面效果与依诺肝素相当。


这些具有里程碑意义的研究结果提示,Xa因子是抗血栓治疗的良好靶点。


里程碑9:希美加群为NOAC绽放奠定基础


2003年,口服直接凝血酶抑制剂希美加群(Ximelagatran)在欧洲被批准用于骨科术后短期VTE预防。上市短短几年后,该药被制药公司在全球范围内召回,因为XTEND研究显示,接受希美加群治疗的患者中观察到肝酶水平升高。鉴于上述不良反应,FDA拒绝该药的审批。然而,希美加群的研发提示,凝血酶是抗凝治疗的合理候选靶点,特异性口服凝血酶抑制剂可以有效治疗血栓性疾病,无需凝血监测。


从20世纪80年代的Inogatran到Melagatran再到希美加群,口服直接凝血酶抑制剂的研发运用了计算机建模等新兴技术。多项希美加群的临床试验取得了阳性结果,例如THRIVE III、EXULT A试验等,涉及外科手术后VTE预防、症状性VTE的治疗、房颤的卒中预防以及心梗后主要心血管事件的二级预防。这些研究结果促成了该药在十多个欧美国家获得审批。无症状性转氨酶水平升高让希美加群折戟沉沙,但它为非维生素K拮抗剂类口服抗凝药(NOAC)的开发奠定了基础。计算机建模以及肠吸收模型等工具在药物开发中大显身手。


里程碑10:开启NOAC新时代


为了克服VKA的局限性,NOAC应运而生。目前,已经有4种NOAC被批准用于治疗多种血栓性疾病,即达比加群、利伐沙班、阿哌沙班和依度沙班。与VKA不同,NOAC靶向凝血级联中的特定因子,如凝血酶或因子Xa。


达比加群以浓度依赖性和竞争性方式抑制游离凝血酶。对RE-MODEL、RE-MOBILIZE和RE-NOVATE试验的汇总分析显示,达比加群在膝关节或髋关节置换术后血栓预防方面至少与依诺肝素等效。RE-COVER I和II试验显示,达比加群对于治疗急性VTE的疗效不劣于华法林。RE-LY研究纳入了18,000例房颤患者,结果表明在卒中和全身性栓塞的预防方面达比加群不劣于华法林。


RECORD I-IV试验显示,利伐沙班在预防全髋关节或膝关节置换术后VTE方面优于依诺肝素。EINSTEIN-DVT和EINSTEIN-PE试验显示,利伐沙班在VTE治疗方面不劣于依诺肝素或华法林。ROCKET-AF试验表明,在房颤患者的卒中和全身性栓塞预防中,利伐沙班不劣于华法林。


三项ADVANCE试验表明,与依诺肝素相比,阿哌沙班降低了VTE发生率和全因死亡率。III期AMPLIFY试验发现,阿哌沙班治疗急性VTE不劣于依诺肝素或华法林。ARISTOTLE试验显示,阿哌沙班在房颤患者的卒中预防方面优于华法林,且出血事件减少。


III期STARS-E3和STARS-J5试验显示,依度沙班预防全膝关节或髋关节置换术后血栓形成的效果不劣于依诺肝素,安全性相似。Hokusai-VTE试验表明,依度沙班治疗复发性症状性VTE不劣于华法林。ENGAGE-TIMI 48试验显示,依度沙班预防房颤患者卒中方面不劣于华法林。


里程碑11:寻求最佳VTE抗凝疗程


VKA治疗的获益与风险并存,风险主要来自出血风险升高。很多试验试图比较不同疗程的VKA治疗VTE的获益和风险,期望找到将复发风险降低到低水平的最短抗凝治疗时间。20世纪70年代和80年代发表的几项小型随机研究结果表明,将抗凝时间从3或6个月缩短到3~6周不增加VTE复发风险。而1995年发表的DURAC多中心随机试验显示,口服抗凝治疗从6周延长至6个月,复发性血栓栓塞风险显著降低。这些研究并没有解决问题

2011年发表的一项研究共纳入2,925名受试者,12%的患者抗凝治疗时间为12或27个月,27%为6个月,36%为3个月,25%为1或1.5个月。四个治疗组停用抗凝药物后24个月内复发性VTE风险各不相同,1或1.5个月最高,其他三组相似。研究者总结,VTE抗凝治疗通常应该3个月时停止。


里程碑12:寻找更好的药物,预防器械诱发的血栓形成


血液接触医疗器械(如机械心脏瓣膜和导管)会诱发血栓形成。因此,暴露于这些装置的患者通常需要抗凝治疗。标准治疗是普通肝素或VKA(如华法林),但这些药物存在一些局限,因此需要寻找更好的药物。


OASIS-5和OASIS-6试验结果显示,PCI治疗的患者中,磺达肝癸钠与普通肝素或低分子肝素相比,导管诱导的血栓形成风险更高。评估机械心脏瓣膜患者使用达比加群的RE-ALIGN试验不得不提前终止,因为与华法林相比,达比加群组出血并发症发生率较高;此外,即使是大剂量达比加群(300mg bid)在预防血栓栓塞并发症方面的效果也不如华法林。


直接Xa因子抑制剂可能是抑制血栓形成的更好选择,因为每个Xa因子的分子诱导产生1,000个凝血酶分子。事实上,阿哌沙班和利伐沙班的临床前研究结果是有希望的。对于预防动物模型(猪)植入心脏瓣膜血栓形成方面,利伐沙班口服给药优于LMWH皮下注射;阿哌沙班实验结果与之相似。要成功用于临床实践,阿哌沙班和利伐沙班还需要更进一步的动物实验和人体研究。


里程碑13:踩刹车——NOAC解毒剂


服用NOAC的患者中,有大约2%~3%发生大出血。NOAC解毒剂主要有三种:Idarucizumab、Andexanet和Ciraparantag。

Idarucizumab是一种能够与达比加群结合的单克隆抗体片段,于2015年获得FDA批准。关键III期试验是一项多中心、前瞻性、开放性研究,纳入503名未控制的出血患者(A组,301例)和拟接受紧急手术的患者(B组202例)。A组患者主要表现为消化道出血或颅内出血,解毒剂止血时间2.5 h;B组患者中93.4%术前达到止血(Idarucizumab给药后中位时间为1.6 h)。


Andexanet是一种重组修饰的人因子Xa蛋白,可以与因子Xa抑制剂结合,使患者自身体内的Xa因子再次参与凝血过程。Andexanet可以逆转的NOAC包括阿哌沙班、依度沙班和利伐沙班。接受阿哌沙班或利伐沙班的50~75岁健康志愿者中,100%患者在使用Andexanet后2~5分钟完全恢复凝血酶的产生。


Ciraparantag是一种合成的小分子(D-精氨酸化合物),可以广泛地拮抗肝素、低分子肝素、达比加群和直接因子Xa抑制剂。一项健康志愿者研究显示,该药可在10分钟内将全血凝血时间减少至患者正常基线值的10%。


解毒剂的出现,让临床应用NOAC更加安全。


里程碑14:COMPASS试验指导二级预防


2017年8月27日,备受关注的COMPASS试验结果在ESC年会上重磅揭晓。数据显示,对于稳定性动脉粥样硬化性血管疾病患者,与阿司匹林单药治疗相比,小剂量利伐沙班加阿司匹林治疗可降低心血管事件发生率,尽管大出血时间更多,但具有良好的临床净获益。研究结果同期发表于《新英格兰医学杂志》。


COMPASS试验是一项大型双盲 III 期临床试验,纳入了27,395名患有稳定性动脉粥样硬化性血管疾病的患者(冠心病90.6%,外周动脉疾病27.3%);分别接受利伐沙班(2.5 mg bid)+阿司匹林(100mg qd)、利伐沙班(5mg bid)或阿司匹林(100mg qd)治疗。主要疗效终点为首次发生心血管死亡、卒中或心肌梗死的复合终点;主要安全性终点为大出血。原计划随访5年,在平均随访23个月时观察到联合治疗组获益显著时停止。


结果显示,与阿司匹林单药治疗组相比,联合治疗组主要终点发生率降低(4.1% vs 5.4%,HR 0.76,95%CI 0.66-0.86,P<0.001);联合治疗的全因死亡率也显著降低(3.4% vs 4.1%,HR 0.82,P=0.01)。联合治疗组和阿司匹林单药治疗组的大出血事件发生率分别为3.1%和1.9%(HR 1.70,95%CI 1.4-2.05,P<0.001),颅内出血或致死性出血两组无显著差异。


随后,研究者在《柳叶刀》发表了对稳定性冠心病和外周动脉疾病患者的独立分析。在24,824例稳定性冠心病患者中,与阿司匹林单药治疗组相比,联合治疗降低了主要终点发生率(HR 0.74,95%CI 0.65-0.86,P <0.0001)和死亡率(HR 0.77,95%CI 0.65-0.90,P=0.0012),但大出血风险升高(HR 1.66,95%CI 1.37-2.03,P <0.0001),主要是胃肠道出血。在7,470名外周动脉疾病患者中,与阿司匹林单药治疗相比,联合治疗降低了主要终点事件发生率(HR 0.72,95%CI 0.57-0.90,P=0.0047)以及包括截肢在内的主要不良肢体事件(HR 0.54,95%CI 0.35-0.82,P=0.0037),而大出血风险升高(HR 1.61,95%CI 1.12-2.31,P=0.0089)。


这一研究结果可能改变临床实践以及今后的指南修订,影响冠心病和外周动脉疾病的二级预防。但出血风险升高的问题也不容忽视,临床医生需要充分考虑获益风险比,为患者提供最佳的治疗方案。



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