Swiss Association for Quality “Verunreinigungen in Arzneimitteln: Analytik & Toxikologie“ 14. Oktober 2004, Olten, Schweiz Qualifizierung von (genotoxischen) Verunreinigungen: Richtlinien und Vorgehen Dr. Peter Kasper Fachgebiet Genetische Toxikologie Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte, Bonn

Überblick Qualifizierung nach ICH Q3A/B: ausreichende Detektierung genotoxischer Verunreinigungen? EU Draft Guideline „Limits of Genotoxic Impurities“ Vorgehen zur Festlegung akzeptabler Limits Threshold of Toxicological Concern: Ableitung und Anwendung „Decision Tree“ für die Bewertung akzeptierter Limits

Potenziell genotoxische Verunreinigungen in Arzneimittel Herstellungs-bedingt Ausgangsstoffe (z.B. Verwendung v. Alkylantien oder ähnlich reaktiven Stoffen) Zwischenprodukte, Nebenprodukte (z.B. aus Sulfonsäure/Alkohol-Interaktionen: EMS, MMS u.a.) Katalysatoren (z.B. Platinoide) Lagerungs-bedingt Abbauprodukte Eine vollständige Eliminierung oft nicht möglich! Nachweismethoden immer sensitiver!

Schwellenwerte für die Verunreinigungen im Wirkstoff (ICH Q3A) Festlegung von Verunreinigungs-Höchstgrenzen unter Berücksichtigung von klinischen & nicht-klinischen Sicherheitsdaten aber: keine explizite Regelung für genotoxische Verunreinigungen; dadurch inkonsistente & kontroverse regulatorische Entscheidungen

Ist der gemäß ICH Q3A/B empfohlene Qualifizerunsprozess ausreichend geeignete die biologische Sicherheit von Verunreinigungen hinsichtlich Genotoxizität zu etablieren?

Qulification of Impurities: ICH Q3A/B Qualification is the process of acquiring and evaluating data that establishes the biological safety of an impurity..... The level of any impurity present in a DS/DP that has been adequately tested in safety studies would be considered qualified. If data are unavailable to qualify additional safety testing should be considered (e.g. gentox -> “Decision Tree“ ICH Q3A/B) Such studies can be conducted on the DS/DP containing the impurities to be controlled, although studies using isolated impurities can sometimes be appropriate.

Power of DS batch testing for detection of genotoxic impurities is limited Examples: Ethyl methane sulfonate (EMS) Methyl methane sulfonate (MMS) LOEC for EMS (MMS) in Ames test is 1500 (15) µg/plate, therefore only detected at 30% (0.3%) of drug substance (max. concentration in Ames test is 5000 µg/plate) Standard genotoxicity testing of drug substance very unlikely to detect genotoxic impurities when content is < 1500 ppm (0.15%)

How to pick up genotoxic impurities present at low levels in DS? only realistic approach: prediction of chemicals of concern by expert assessment of synthesis scheme, i.e. chemical reactions & conditions/chemicals involved suspicious chemicals should be tested (Q3A: “lower thresholds for qualification...appropriate...based on level of concern“) safety data generated under existing regulations (workplace safety, chemical notification etc.)

Recommendations when assessing genotoxicity of impurities do not rely on negative testing of DS batches (only) consider possible causes for concern, e.g. use of (DNA) reactive starting materials SAR analysis reveals structural alerts steps of synthesis known/suspected to result in genotoxic intermediates if indicated, test isolated impurity

EU Draft Guideline on the Limits of Genotoxic Impurities Erarbeitung eines Guideline-Entwurfs durch Safety Working Party des CHMP (Committee for Human Medicines for Human Use) 12/2002: Veröffentlichung des 1. Drafts durch European Medicine Agency (EMEA) 2003/04: Kommentierung / Überarbeitung 06/2004: Veröffentlichung d. 2. Drafts Deadline für Kommentierung: Ende 2004

Warum eine Sonderbehandlung für genotoxische Verunreinigungen Warum eine Sonderbehandlung für genotoxische Verunreinigungen? Das „Schwellenwert-Dogma“! Draft EU Guideline on the Limits of Genotoxic Impurities: “.... genotoxic compounds have the potential to damage DNA at any level of exposure and such damage may lead/contribute to tumor development. Thus for genotoxic carcinogens it is prudent to assume that there is no discernable threshold and that any level of exposure carries a risk.“

Ausnahmen vom “Dogma“ möglich Verschiedene Mechanismen für genotoxische Substanzen, für die ein Schwellenwert angenommen wird Interaction with mitotic spindle Topoisomerase inhibition Inhibition of DNA synthesis Metabolic overload Physiological disturbances (e.g. hypo- & hyperthermia) Berechnung d. “Permitted Daily Exposure“ (ICH Q3C): No Observed Effect Level (NOEL) aus geeigneter Tierstudie und “Uncertainty Factors“ PDE (mg/day) = F1 x F2 x F3 x F4 x F5 NOEL (mg / kg) x human bodyweight (50 kg)

Akzeptable Höchstgrenzen für genotoxische Verunreinigungen mit Wirkschwelle Beispielrechnung f. Aneugen PDE = 24 mg / kg x 50 kg 12 x 10 x 10 x 1 x 1 = 1 mg/day Spindelinhibitor, positiv im Maus-Mikrokerntest, NOEL = 24 mg/kg F1 = 12 (scaling from mouse to human) F2 = 10 (inter-individual variation) F3 = 10 (short-term study) F4 = 1 (threshold established, not severe) F5 = 1 (NOEL determined) 0.05 0.25 0.5 1.0 2.0 5.0 g/day (20000) 4000 2000 1000 500 200 ppm dose of drug impurity limit Limits für Verunreinigung in ppm im Arzneimittel bei unterschiedl. Tagesdosen:

Akzeptable Höchstgrenzen für genotoxische Verunreinigungen ohne Wirkschwelle? Bestimmendes Prinzip: As Low As Reasonably Practicable! (“ALARP principle“) Rechtfertigung der Herstellungsstrategie: Kann Verunreinigung durch Veränderung der Wirkstoff-Synthese vermieden werden? Evaluierung der Anstrengungen zur best möglichen Reduzierung Toxikologische Bewertung akzeptabler Höchstmengen basiert auf dem Konzept des „Acceptable Risks“ Methoden richten sich nach Quantität & Qualität d. verfügbaren Daten

Akzeptable Höchstgrenzen für genotoxische Verunreinigungen ohne Wirkschwelle? Daten aus Kanzerogenitätsstudien vorhanden: Extrapolation aus dem Hochdosisbereich des Tierversuchs in den Bereich des für den Menschen “hinnehmbaren Risikos“ 1 zusätzlicher Krebstodesfall bei 1.000.000 lebenslang exponierten Personen: “virtually safe dose“ für Arzneimittel akzeptiert: 10-5 lifetime excess risk of cancer Daten aus Kanzerogenitätsstudien nicht vorhanden: für Verunreinigungen i.d.R. nur In-vitro-Gentoxdaten / SAR Berechnung sog. „Safety Multiples“ nicht akzeptabel (Gentoxdaten für hazard ID nicht risk assessment!) Substanz(daten)-spezifische Ableitung akzeptaler Limits unmöglich

Threshold of Toxicological Concern (TTC) Allgemein gültiger Schwellenwert für eine tägliche Aufnahmemenge (auch für Chemikalien unbekannter Toxizität), unterhalb dessen ein signifikantes Risiko für die menschliche Gesundheit praktisch nicht gegeben ist. Ursprünglich von FDA entwickelt (“Threshold of Regulation“) as a level “low enough to ensure that public health is protected, even in the event that a substance exempted from regulation as a food additive is later found to be carcinogenic.“

Threshold of Toxicological Concern (TTC) Herleitung basiert auf einer Analyse der Wirkstärke von über 700 chemischen Kanzerogenen der carcinogenic potency database von Gold et al. Abschätzung eines Schwellenwertes, der mit ausreichend großer Wahrscheinlichkeit das Lebenszeit-Krebsrisiko von 1x10-6 nicht übersteigt: 1.5 µg/Person/Tag (= keine Sicherheitsbedenken!) in der Datenbank sind genotoxische und nicht-genotoxische Kanzerogene berücksichtigt!

Cancer Potency Data Base (CPDB) (http://potency. berkeley. edu/cpdb enthält Daten aus 5733 Experimenten mit 1364 Substanzen (alle Bioassays d. NCI/NTP & valide publ. Daten) > 700 (Nager-) Kanzerogene TD50 als standardisiertes Maß für die kanzerogene Wirkstärke (carcinogenic potency) TD50 -Werte d. DB variieren um Faktor 107!

http://potency.berkeley.edu/cpdb.htm

Lineare Extrapolation aus dem Hochdosisbereich (TD50) des Tierversuchs in den Bereich des für den Menschen “hinnehmbaren Risikos“ 1 TD50 aus Nagerlangzeitstudie bestimmt 0.5 10-1 rein formales Vorgehen; keine Berücksichtigung von biologischen Aspekten sehr konservatives Vorgehen (i. d. meisten Fällen erhebliche Überschätzung des Risikos) Abschätzung “auf der sicheren Seite“ 10-2 Risikohöhe (Krebs) 10-3 10-4 10-5 1 zusätzlicher Krebstodesfall bei 1 Mio. exponierten Patienten 10-6 0.1 1.0 10 100 1000 10000 tägliche Aufnahmemenge (µg/day)

From TD50s distribution to 1x10-6 Risk distribution Distribution of TD50s for 343 rodent carcinogens from Gold et al. (1984) CPD and distri- bution of 1 x 10-6 risks calculated by linear extrapolation from the TD50s (modified from Rulis 1989 & Munro et al. 1999) -log10 Dose - mg/kg bodyweight/day 1 2 1,5 µg/day Relative Probability Density Gold et al. Carcinogens TD50s Gold et al. Carcinogens Shifted to 1 x10-6 Risk

Erweiterung der CPDB erbrachte keine Veränderung der Potency distribution curve! Rulis 1986/1989: 343 carcinogens Munro 1990: 492 carcinogens Cheeseman et al. 1999: 709 carcinogens Kroes et al. 2004: 730 carcinogens Gold et al. potency data base = repräsentativ für “alle“ Kanzerogene

Probability of a target risk not being exceeded at various threshold values 0.15 0.3 0.6 1.5 3 6 86 80 74 63 55 46 93 90 87 82 77 73 97 96 95 91 89 99 98 94 >99 Threshold value (µg/day 10-6 Target risk 10-5 Target risk 100% 50% 20% 10% Percentage of chemicals presumed carcinogenic (modified from Munro 1999) CHMP risk management decision: A 90% probabilty of not exceeding a 10-5 lifetime cancer risk is a sufficient safety level

Recent evaluation by ILSI Europe (Kroes et al. 2004) Numbers and fractions of compounds in different structural groups that are estimated to give a risk greater than one in a million at different intake levels Aflatoxin-like compounds Aromatic amines Aromatic nitrates Azo compounds Azoxy compounds Benzidine derivatives Carbamates Heavy metal containing comp. Highly chlorinated comp. Hydrazines Miscellaneous ashby alerts @-Nitro Furyl Comp. N-Nitroso Compounds Organophosphorus comp. Steroids Strained rings Tetrahalogenated dibenzodioxins and dibenzofurans (2,3,7,8) Vinyl containing compounds = 1.5 µg/day for 1 x 10-5 risk “Cohort of Concern“: significant group number with a risk > 10-6 risk

Anwendung eines angemessenen TTC-Wertes für genotoxische Verunreinigungen in Arzneistoffen “alle“ Substanzen & 10-6 Cancer lifetime risk TTC von 1.5 µg/Tag genotoxische Substanzen & 10-6 Cancer lifetime risk TTC von 0.15 µg/Tag (Grundlage: Evaluation durch ILSI Europe Task Group, Kroes et al. 2004) genotoxische Verunreinigungen in AM & 10-5 Cancer lifetime risk TTC von 1.5 µg/Tag

TTC translated into ppm impurity in drug 1000 0.1 ppm 1 ppm 10 ppm Analytical control: impractical? technically challenging readily achievable Limit of Impurity [ppm] = 1.5 µg Daily Dose of Drug [g] 100 Limit of Impurity [ppm] 10 1 0.1 0.005 0.05 0.15 0.5 1.5 5 Daily Dose of Drug [g]

TTC > 1.5 µg/Tag möglich (plausible Begründung erforderlich) Behandlungs- (Expositions-)dauer < 30 Tage Indikation (banal vs. lebensbedr. / Alternativen?) Patientenpopulation Toxizität d. Verunreinigung in Relation zur aktiven Substanz andere Pfade mit deutlich höherer Exposition (z.B. Nahrung) bekannt

TTC-Konzept als praktisches, aber beschränktes Hilfsmittel zur Festlegung hinnehmbarer Risiken TTC-Wert (1,5 µg/Tag) suggeriert Präzision, die er nicht besitzt!! Begriff “TTC“ missverständlich: Überschreitung des Wertes bedeutet nicht zwangsläufig “Level of Concern“ Probabilistischer Ansatz: TTC definiert kein “Nullrisiko“

Vorteile für die Anwendung des TTC-Konzeptes kann ohne (toxikologische) Daten angewendet werden wissenschaftlich aus großer Datenbasis abgeleiteter Schwellenwert (im Gegensatz zur eher willkürlichen Festlegung von UFs) konservativer Ansatz mit niedrigen ppm-Werten (Akzeptanz!) gewährleistet ein konsistenteres Vorgehen in der Kontrolle genotoxischer Verunreinigungen (verglichen mit bisheriger case-by-case-Festlegung v. Grenzwerten) bereits akzeptiert für andere regulatorische Zwecke (aber nicht explizit für genotoxische Substanzen)

Decision Tree for Assessment of Acceptability of Genotoxic Impurities Genotoxic impurity: Evidence from in vivo and/or in vitro studies Yes Calculate PDE* (NOEL/UF* analysis): Safe exposure? No Reduce to safe level No further action Decision Tree for Assessment of Acceptability of Genotoxic Impurities Sufficient evidence for threshold-related mechanism of genotoxicity? Presence of genotoxic impurity unavoidable? Use alternative w/o genotoxic impurity No Level as low as reasonably practicable? Yes Reduce to as low as reasonable level EU Guideline on the Limits of Genotoxic Impurities CPMP/SWP/5199/02 Does estimated intake exceed TTC* of 1.5 µg/day? Yes No Negligible risk1) Restrict or reject applied use Yes Intake level >1.5 µg/day acceptable? 2) No Negligible/ acceptable risk