Dr. Peter Kasper Fachgebiet Genetische Toxikologie

Position Paper on the Limits of Genotoxic Impurities

1

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



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)

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



Ist der gemäß ICH Q3A/B empfohlene Qualifizerunsprozess ausreichend

geeignete die biologische Sicherheitvon 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 impuritieswhen 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?

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

• 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:



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.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!



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



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



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



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 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



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



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



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



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 bisherigercase-by-case-Festlegung v. Grenzwerten)

• bereits akzeptiert für andere regulatorische Zwecke (aber nicht explizit für genotoxische Substanzen)



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

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