Position Paper on the Limits of Genotoxic Impurities
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Swiss Association for Quality“Verunreinigungen in Arzneimitteln: Analytik & Toxikologie“
14. Oktober 2004, Olten, Schweiz
Dr. Peter Kasper Fachgebiet Genetische Toxikologie
Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte, Bonn
Qualifizierung von (genotoxischen) Verunreinigungen:Richtlinien und Vorgehen
Genotoxische Verunreinigungen
2P. Kasper - Olten 2004
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
Genotoxische Verunreinigungen
3P. Kasper - Olten 2004
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!
Genotoxische Verunreinigungen
4P. Kasper - Olten 2004
Schwellenwerte für die Verunreinigungen im Wirkstoff (ICH Q3A)
MaximumDaily Dose
ReportingThreshold
IdentificationThreshold
QualificationThreshold
< 2g/day 0.05%0.10% or 1.0mg per day
intake
0.15% or 1.0mg per day
intake
> 2g/day 0.03 % 0.05% 0.05%
• Festlegung von Verunreinigungs-Höchstgrenzen unter Berücksichtigung von klinischen & nicht-klinischen Sicherheitsdaten
• aber: keine explizite Regelung für genotoxische Verunreinigungen;dadurch inkonsistente & kontroverse regulatorische Entscheidungen
Genotoxische Verunreinigungen
5P. Kasper - Olten 2004
Ist der gemäß ICH Q3A/B empfohlene Qualifizerunsprozess ausreichend
geeignete die biologische Sicherheitvon Verunreinigungen
hinsichtlich Genotoxizität zu etablieren?
Genotoxische Verunreinigungen
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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.
Genotoxische Verunreinigungen
7P. Kasper - Olten 2004
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 impuritieswhen content is < 1500 ppm (0.15%)
Genotoxische Verunreinigungen
8P. Kasper - Olten 2004
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.)
Genotoxische Verunreinigungen
9P. Kasper - Olten 2004
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
Genotoxische Verunreinigungen
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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
Genotoxische Verunreinigungen
11P. Kasper - Olten 2004
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.“
Genotoxische Verunreinigungen
12P. Kasper - Olten 2004
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)
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Akzeptable Höchstgrenzen für genotoxische Verunreinigungen mit Wirkschwelle
Beispielrechnung f. Aneugen
• 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)
PDE = 24 mg / kg x 50 kg
12 x 10 x 10 x 1 x 1 = 1 mg/day
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:
Genotoxische Verunreinigungen
14P. Kasper - Olten 2004
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
Genotoxische Verunreinigungen
15P. Kasper - Olten 2004
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
Genotoxische Verunreinigungen
16P. Kasper - Olten 2004
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.“
Genotoxische Verunreinigungen
17P. Kasper - Olten 2004
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!
Genotoxische Verunreinigungen
18P. Kasper - Olten 2004
Cancer Potency Data Base (CPDB)(http://potency.berkeley.edu/cpdb.html)
• 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!
Genotoxische Verunreinigungen
19P. Kasper - Olten 2004
http://potency.berkeley.edu/cpdb.htm
Genotoxische Verunreinigungen
20P. Kasper - Olten 2004
10-6
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0.1 1.0 10 100 1000 10000
10.5
Ris
iko
hö
he
(Kre
bs)
TD50 aus Nagerlangzeitstudie bestimmt
tägliche Aufnahmemenge (µg/day)
Lineare Extrapolation aus dem Hochdosisbereich (TD50) des Tierversuchsin den Bereich des für den Menschen “hinnehmbaren Risikos“
• rein formales Vorgehen; keine Berücksichtigung von biologischen Aspekten
• sehr konservatives Vorgehen (i. d. meisten Fällen erhebliche Überschätzung des Risikos)
• Abschätzung “auf der sicheren Seite“
1 zusätzlicher Krebstodesfall bei 1 Mio. exponierten Patienten
Genotoxische Verunreinigungen
21P. Kasper - Olten 2004
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
Re
lati
ve
Pro
ba
bil
ity
De
ns
ity
Gold et al. Carcinogens TD50sGold et al. Carcinogens Shifted to 1 x10-6 Risk
1
2
From TD50s distribution to 1x10-6 Risk distribution
Genotoxische Verunreinigungen
22P. Kasper - Olten 2004
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
Genotoxische Verunreinigungen
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Probability of a target risk not being exceededat 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
93
91
89
99
98
97
96
95
95
96
94
91
86
80
74
98
97
96
93
90
87
99
99
98
97
96
95
>99
99
99
99
98
97
Thresholdvalue
(µg/day 10-6 Target risk 10-5 Target risk
100% 50% 20% 10%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
Genotoxische Verunreinigungen
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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
Numbers and fractions of compounds in different structural groups that areestimated to give a risk greater than one in a million at different intake levels
= 1.5 µg/day for 1 x 10-5 risk
Recent evaluation by ILSI Europe (Kroes et al. 2004)
“Cohort of Concern“:significant group number with a risk > 10-6 risk
Genotoxische Verunreinigungen
25P. Kasper - Olten 2004
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
Genotoxische Verunreinigungen
26P. Kasper - Olten 2004
0.1
1
10
100
1000
Daily Dose of Drug [g]
Lim
it o
f Im
pu
rity
[pp
m]
50.50.050.005
Limit of Impurity [ppm] =1.5 µg
Daily Dose of Drug [g]
0.15 1.5
TTC translated into ppm impurity in drug
0.1 ppm
1 ppm
10 ppm
Analyticalcontrol:
impractical?
technicallychallenging
readilyachievable
Genotoxische Verunreinigungen
27P. Kasper - Olten 2004
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
Genotoxische Verunreinigungen
28P. Kasper - Olten 2004
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“
Genotoxische Verunreinigungen
29P. Kasper - Olten 2004
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 bisherigercase-by-case-Festlegung v. Grenzwerten)
• bereits akzeptiert für andere regulatorische Zwecke (aber nicht explizit für genotoxische Substanzen)
Genotoxische Verunreinigungen
30P. Kasper - Olten 2004
Sufficient evidence forthreshold-related mechanism
of genotoxicity?
Genotoxic impurity:Evidence from in vivo and/or in vitro studies
NoNegligible risk1)
Presence of genotoxic impurity
unavoidable?
Use alternative w/o genotoxic
impurity
No
Level as low asreasonably practicable?
Yes
NoReduce to aslow as reasonable
level
No
Does estimated intakeexceed TTC* of
1.5 µg/day?
Yes
Restrict or reject applied
use
YesIntake level>1.5 µg/day
acceptable? 2)
No Negligible/acceptable
risk
Yes
Yes Calculate PDE* (NOEL/UF* analysis):
Safe exposure?
Yes
No
Reduce tosafe level
No furtheraction
Decision Treefor Assessmentof Acceptability ofGenotoxic Impurities EU Guideline on the Limits of Genotoxic ImpuritiesCPMP/SWP/5199/02