Tappe storiche che hanno portato alla regolamentazione tossicologica per i Farmaci in fase pre-clinica -1930 (USA): gravi reazioni tossiche oculari per uso di cosmetici con i p-fenilendiammina -1937 (USA): un centinaio di morti per somministrazione di sulfamidici in glicol etilenico -1938 (USA): nascita della FDA (Food and Drug Administration) -anni ’60 (Europa): la talidomide antiemetico somministrato in gravidanza provoca una decina di migliaia di bambini affetti da focomelia Studi tossicologici nello sviluppo di un farmaco in fase preclinica sono di importanza fondamentale perché un'inaspettata tossicità del farmaco può compromettere il suo sviluppo e anche gli investimenti dell'azienda. Quindi tutte le figure professionali che, nell’industria farmaceutica, devono affrontare problematiche legate allo sviluppo non clinico di un nuovo principio attivo e di un farmaco devono avere conoscenze in campo tossicologico per poter adeguatamente: -programmare lo sviluppo tossicologico in accordo alle linee guida più recenti; -confrontarsi con Organizzazioni di Ricerca a Contratto (CRO); -discutere protocolli, analizzare, correggere e approvare i report; -interpretare i dati e proporre eventualmente soluzioni agli imprevisti; verificare se l'analisi rischio/beneficio supporta lo sviluppo di un nuovo farmaco; -proporre i dosaggi per i primi studi clinici. La differenziazione tra Farmacologia e Tossicologia inizia con i lavori scientifici di Philippus Aureulus Theophrastus Bombastus Von Hohenheim Paracelso (1493-1541) Si deve a Paracelso la moderna classificazione delle sostanze tossiche. “Tossico” è una sostanza chimica primaria e non una mescolanza di principi. Inoltre il tossico è un unicum con il farmaco. Paracelso sosteneva i seguenti corollari tuttora validi: • La sperimentazione è essenziale nell’esame delle risposte dell’ organismo alle sostanze chimiche • Si deve poter distinguere tra proprietà terapeutiche e proprietà nocive delle sostanze chimiche ma – Nessuna sostanza di per sé è un veleno, è la dose che fa di una sostanza un veleno – Si dovrebbe accertare un grado di specificità delle sostanze chimiche e dei loro effetti terapeutici o tossici. Nel passato in medicina si faceva gran uso di sostanze tossiche come l’arsenico, basandosi sull’erronea convinzione che basse dosi di una sostanza tossica potessero aiutare l’organismo nella guarigione, stimolando, come fanno alcuni agenti infettivi, le difese naturali. Anche sostanze decisamente tossiche e non selettive per le cellule neoplastiche come la cicuta erano usate nella terapia antitumorale. Tossicità= rottura di equilibri biologici Per capire la tossicità di un fattore chimico o fisico bisogna conoscere: 1. La sua reattività con le strutture biologiche. 2. Se tale reattività supera le capacità omeostatiche del sisema biologico interessato. La natura degli effetti tossici Il meccanismo e la gravità degli effetti tossici delle sostanze dipende da numerosi fattori biologici interconnessi in maniera complessa: • Le proprietà chimico-fisiche della sostanza • Le condizioni ambientali e quelle patologiche dell’organismo esposto • L’eventuale biotrasformazione della sostanza • Le capacità di bioprotezione dell’organismo Rapporto Salute / Dose SALUTE Omeostasi Compensazione Normalità Sbilanciamento Patologia Soglia di RISCHIO Rottura di equilibrio Morte NOEL Benchmark o similari Dose SALUTE Elemento non essenziale Elemento essenziale o Farmaco Normalità Patologia Mortecarenza Intervallo terapeutico Dose sovradosaggio Fase di esposizione Disponibilità all’assorbimento Escrezione Fase Tossicicinetica Assorbimento e distribuzione Accumulo o deposito Biotrasformazione Biodisponibilità* Iterazione con le strutture bersaglio Fase Tossicodinamica EFFETTO * Biodisponibilità= concentrazione in forma attiva in grado di interagire con le strutture bersaglio ANALISI STATISTICHE APPROPRIATE Dati Quantitativi Distribuzione normale? si no Confronti tra medie, deviazioni standard, errori standard Dati semi-quantitativi Dati qualitativi Analisi per dati non parametrici Misura graduale Effetto che non necessita interazione specifica [T] [T] Reattività Chimica/Fisica Bersaglio Biologico f Effetto Misura graduale Effetto che necessita interazione specifica [T] + Bersaglio Biologico [B] K2/K1 [TB] f Effetto [T] Rrisosta cumulativa 1927 Trevan Frequenz di risosta Resistenti Frequenz di risosta Dose o Concentrazione µ-2σ μ µ+2σ LOG Dose o Concentrazione μ LOG Dose o Concentrazione Frequenz di risosta Frequenz di risosta σ =1 σ =2 µ-2σ μ σ =3 μ µ+2σ Tra µ-2σ e µ +2 σ è sempre compresa la risposta del 95,5% della popolazione e tra µ-1σ e µ +1σ è compresa la risposta del 68,2 % σ =1 Rrisosta cumulativa LOG Dose o Concentrazione σ =2 μ 1933 Gaddum introduce la scala NDE= Deviazione normale equivalente Tale scala trasforma le frequenze di risposta espresse in % in Unità di deviazione standard la sasala va da -3 a +3 e comprende lo O che corrisponde alla risposta del 50% della popolazione. Questo permette di trasformare la sigmoide % di risposta sul Log della concentrazione in una funzione pressoché lineare 100 NDE Percentuale di occorrenza +3 8 Scala probit 50 0 -3 0 µ-3σ µ µ+3σ 1944 Bliss introduce la scala Probit : NDE+5 (in questa sacla non esiste valore per 0% e 100%) 5 2 100 % Risposta (scala Probit) 99% 75 50% 50 25 1% 0 0 2 4 6 8 10 Log dose (mg/Kg) Comparazione di: ED= dose efficace TD= dose tossica LD= dose letale Indice Terapeutico=IT=LD50/ED50 Margine di sicurezza= LD1/ED99 Compito degli Studi Tossicologici in fase preclinica 1. Definizione della dose massima che non induce alcun effetto diretto o indiretto su organi e sistemi 2. Definizione della dose che induce effetto nocivo e il tipo dell’effetto 3. Definizione della relazione dose terapeutica e dose tossica 4. Individuare il bersaglio dell’effetto (molecola, struttura cellulare, organo o sistema) sia del composto originale che dei suoi metaboliti 5. Definire la reversibilità o meno degli effetti La Tossicità dei Farmaci TOSSICITÀ PER ECCESO DI EFFETTO TERAPEUTICO : EFFETTI FACILMENTE PREVEDIBILI DA: ECCESSO DI USO, ABUSO, USO IMPROPRIO, ERRORE TERAPEUTICO TOSSICITÀ DIFFERENTE DALL’ EFFETTO TERAPEUTICO (EFFETTI COLLATERALI): EFFETTI POTENZIALMENTE PREVEDIBILI IN BASE A : • STUDI DI TOSSICOCINETICA APPROFONDENDO LE BIOTRASFORAZIONI (METABOLISMO) • STUDI DI TOSSICODINAMICA: CONOSCENZA DEGLI EFFETTI, DELLE INTERAZIONI PIÙ PROBABILI TRA FARMACI /TOSSICI SIA IN FASE TOSSICODINAMICA CHE TOSSICOCINETICA COMUNQUE L’EFFETTO TOSSICO (ET) DI UNA MOLECOLA (o Fattore fisico) DIPENDE DA: La sua concentrazione (o intensità-energia) (QT) La durata d’esposizione (t) ET = QT* t • TOSSICITÀ ACUTA= Effetto/i nocivo/i derivato/i da esposizione unica (improvvisa) o di breve durata a una relativamente elevata quantità di agente tossico. • TOSSICITÀ CRONICA= Effetto/i nocivo/i derivato/i da esposizione ripetuta o molto prolungata nel tempo a relativamente piccole quantità di agente tossico(Tossicità subacuta e Tossicità subcronica) Altre classificazioni e terminologie dell’effetto tossico: • EFFETTO LOCALE o EFFETTO SISTEMICO • Effetto immediato o Effetto ritardato (con latenza) • Effetto reversibile o Effetto persistente (irreversibile) • Effetto specifico o Effetto aspecifico • Allergie e Idiosincrasie Un tipo particolare di effetto sono l’Allergia e l’Idiosincrasia L’allergia è una risposta indesiderata su base immunologica ed è il risultato di una percedente esposizione alla medesima sostanza o a sostanze analoghe. L’idiosincrasia è una risposta anomala agli agenti chimici su base genetica. Un esempio è, in soggetti geneticamente carenti dell’enzima glucosio-6-fosfatodeidrogenasi, l’ipersensibilità a sostanze ossidanti come I nitroaromatici, i clorati e gli anti malarici con conseguente manifestazione di anemia emolitica . Tipologia dei meccanismi di danno cellulare Tossico A Interazione con Molecole bersaglio Disfunzione cellulare, danno Riparazione insufficiente o errata B C TOSSICITÀ Presenza nell’organismo A: Anche la sola presenza provoca tossicità senza specifiche interazioni con molecole bersaglio l’azione è piuttosto dovuta ad alterazione del microambiente cellulare; B: l’effetto deriva da interazione con specifiche molecole bersaglio; C: il danno e correlato a meccanismi di riparazione Quale è lo scopo degli studi di tossicità acuta: • • • • • • • • • • Determinare il massimo rischio causato dalla somministrazione per la via prescelta, dalla esposizione accidentale (di solito ingestione) o dalla massima esposizione sistemica possibile (via endovenosa) Stabilire grossolanamente l’organo (il sistema) bersaglio Definire le dosi con cui partire negli studi di tossicità subacuta (dosi per gli studi preliminari di DRF) TOSSICITÀ ACUTA •Spesso effetti quantali (tutto o nulla) •Durata da pochi minuti a qualche giorno ma con esposizione unica •Dato espresso in numero di individui che hanno una risposta: il dato è trasformato in frequenza di risposta e quindi in risposta cumulativa •Calcoli ED50, LC50, LD50 DL50= dose letale in grado di provocare la morte nel 50% della popolazione X in Log Y in probit Probit 50% =5 Y=a+bX 5a ) b Significatività χ2 confronto tra % teorica e sperimentale ( non devono essere differenti) DL50 AntiLog( Gli studi di tossicità acuta: Superata per motivi etici la determinazione della Dose Letale 50% (DL50, linea guida 401 OECD) sono stati proposti metodi alternativi: •Fixed dose (OECD 420) •Acute Toxic Class (OECD 423) •Up and down procedure (OECD 425) Tossicità Acuta Acute Toxic Class: Start 5mg/kg 3 animals 2-3 50mg/kg 3 animals 0-1 2-3 5mg/kg 3 animals 2-3 GHS Category 1 > 0-5 5 0-1 2-3 - 2-3 other 30 0-1 50 3 (at 300) at first step 200 2000mg/kg 3 animals 0-1 2-3 300mg/kg 3 animals 2-3 Category 3 > 50 - 300 Category 2 > 5 - 50 25 0-1 50mg/kg 3 animals 3 (at 50) at first step LD50 cut-off mg/kg b.w. 300mg/kg 3 animals 2000mg/kg 3 animals 0-1 2-3 300 3 at 2000 st 1 step 2 at 2000 st 1 step 500 1000 0-1 Category 5 >2000 - 5000 Category 4 > 300 - 2000 other 0-1 1 2000 per step three animals of a single sex (normally females) are used 0,1,2,3 Number of moribund or dead animals at each step : unclassified GHS: Globally Harmonized Classification System (mg/kg b.w.) 2500 5000 0 0 0 Risposte e procedura nel programma Le tre possibili opzioni scelte in base ai risultati del trattamento: •Nessun altro trattamento •Ripetizione della dose su altri tre animali •Trattamento di altri 3 animali con dose inferiore o superiore in base al risultato Classi DL50 (os Ratto) Dose letale per l’uomo (70Kg) Estremamente tossico Altamente tossico Molto tossico Moderatamente tossico Debolmente tossico Praticamente non tossico 5mg/Kg o meno 1-50mg 5,1-50mg/Kg 51mg-5g o ml 51-500mg/Kg 5,1-30g o ml 501-5000mg/kg 31-500g o ml 5,1-15g/Kg 501-1000g o ml Oltre15g/Kg Oltre 1Kg o 1 litro TOSSICITÀ SubCRONICA •Spesso effetti graduali •Durata da qualche giorno a mesi/anni con esposizione continua o ripetuta •Obiettivo: individuazione di soglia di tossicità •Calcoli: NOAEL, NOEL, LOAEL, Benchmark. K1 K [T ] [ B] 2 [TB] EFFETTO 1 NOEC o NOEL 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,30 0,4 0,5 0,75 1 2 2,5 3 4 5 7 La pianificazione degli studi di tossicità subacuta (dosi ripetute per 2 o, di preferenza, 4 settimane) è una delle fasi chiave dello sviluppo tossicologico di un nuovo prodotto: • Si tratta, in genere, degli studi che consentiranno di redigere il dossier per la prima somministrazione nell’uomo • I risultati di questa fase serviranno come base per la scelta delle dosi da somministrare negli studi di tossicità subcronica e cronica • Gli organi bersaglio saranno definiti in modo preciso • I risultati in termini di NOAEL (No Adverse Effect Level), serviranno a stabilire le dosi da cui partire negli studi clinici di fase I • A questi studi è delegata la valutazione circa la necessità di studi specifici di immunotossicità, nonché la determinazione di eventuali rischi per la funzione riproduttiva (fertilità maschile) * Significativo Effetto (Risposta) rispetto al controllo * * 0 1 2 3 4 5 6 7 Controllo Trattato * Concentrazione NOEL=NO OBSERVED EFFECT LEVEL(CONCENTRATION) La più alta concentrazione che nel test tossicologico non ha dato differenza significativa di risposta rispetto al controllo NOEL e NOAEL (valore più appropriato per Farmaci o Fito-Farmaci) INCONGRUENZE DELLA NOEL (NOAEL) 1. Non tiene conto dell’intera sperimentazione 2. Deve comunque essere una concentrazione effettivamente sperimentata 3. Dipende in misura inaccettabile dalla numerosità del campione e dalla sua variabilità 4. Talvolta la NOEL statisticamente valutata corrisponde ad una concentrazione che da un incremento del parametro considerato e del rischio associato anche superiore al 20% % incremento del valore basale (controllo) del parametro 40 20 30 10 20 5 1 10 BMR(5) Benchmark concentration BMR=Benchmark response Crump 1984 ED5 BMR(10) ED10 concentrazione Valore del parametro 40 Incidenza di risposta QUALE NOEC ?? NOAEL LOAEL NOAEL LOAEL NOAEL LOAEL Dose Tossicità Cronica FDA note on duration of chronic toxicity testing in nonrodents: The ICH guidance recommends 9-month chronic toxicity studies in nonrodents. FDA considers 9-month studies in nonrodents acceptable for most drug development programs, shorter studies may be equally acceptable in some circumstances and longer studies may be more appropriate in others, as follows: · Six-month studies may be acceptable for indications of chronic conditions associated with short-term, intermittent drug exposure, such as bacterial infections, migraine, erectile dysfunction, and herpes. · Six-month studies may be acceptable for drugs intended for indications for life-threatening diseases for which substantial long-term human clinical data are available, such as cancer chemotherapy in advanced disease or in adjuvant use Tossicità Cronica Twelve-month studies may be more appropriate for chronically used drugs to be approved on the basis of shortterm clinical trials employing efficacy surrogate markers where safety data from humans are limited to short-term exposure, such as some acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) therapies. · Twelve-month studies may be more appropriate for new molecular entities acting at new molecular targets where postmarketing experience is not available for the pharmacological class. Thus, the therapeutic is the first in a pharmacological class for which there is limited human or animal experience on its long-term toxic potential. La valutazione di potenziali effetti indesiderati a carico del sistema immunitario deve essere inclusa nello sviluppo standard dei farmaci • Immunosoppressione: risposta immune a infezione o cellule tumorali. • Immunostimolazione: autoimmunità, ipersensibilità. Questi effetti possono essere associati a: 1) Farmaci concepiti per modulare il sistema immunitario (per es. per prevenire il rigetto da trapianto). In questo caso un’esagerata immunosoppressione è da considerare un’azione farmacologica esagerata. 2) Farmaci non concepiti per colpire le funzioni immunitarie, ma che possono causare immunotossicità (necrosi o apoptosi di cellule immunocompetenti, interazione con recettori condivisi tra il tessuto target e le cellule immunitarie ). Es: Agenti anti-proliferativi (antitumorali) possono produrre immunosoppressioneindesiderata. Safety Pharmacology Test principali Cenni di Tossicologia dei farmaci L’indice della sicurezza del farmaco è talvolta definito come rapporto LD50/ED50 detto anche indice terapeutico, ma questo può essere ingannevole se le curve risposta-Log dose per effetto desiderato e morte non sono parallele. Perciò è preferibile calcolalo come LD10/ED90 Il MARGINE DI SICUREZZA è un evoluzione ulteriore di questi indici ed è NOAEL/ED80 Importanza dei test di genotossicità Per la gravità e irreversibilità degli effetti genetici, la verifica dell’attività genotossica è un elemento fondamentale nella valutazione del rischio delle sostanze chimiche Essa è normalmente ritenuta indispensabile per tutte le sostanze per le quali è prevedibile una esposizione umana Obiettivi degli studi di mutagenesi (OECD, 1986) Identificazione delle sostanze capaci di indurre danni genetici nella progenie in seguito all’interazione con il materiale genetico delle cellule germinali (hazard identification) e stima quantitativa del danno genetico trasmissibile (risk characterization) Predizione dell’attività cancerogena conseguente alla interazione con il materiale genetico delle cellule somatiche (hazard identification) Valutazione del meccanismo di azione (MoA, mode of action) di cancerogeni chimici (risk characterization) Modelli sperimentali di mutagenesi I test di mutagenesi possono essere definiti come test in vitro e in vivo che hanno il compito di evidenziare composti che inducono danno genetico attraverso meccanismi diversi: - Mutazioni geniche - Aberrazioni cromosomiche - Modifiche nel numero di cromosomi Test di mutagenesi a breve termine (Short term tests, STT) In vitro Test di mutazione genica nei batteri Test di mutazione genica su cellule di mammifero Test citogenetici (Aberrazioni cromosomiche, Micronucleo) Test di danno/riparazione (UDS, Comet) In vivo Test citogenetici (Aberrazioni cromosomiche, Micronucleo) su cellule somatiche (midollo osseo, sangue) e germinali (spermatogoni, spermatociti) UDS nel fegato, Comet in vari tessuti Test a breve termine di uso routinario In vitro Ames test (OECD 471) Test di mutazione genica su cellule di mammifero (HPRT o tk) (OECD 476) Test di aberrazioni cromosomiche (OECD 473) Test del micronucleo (OECD 487) In vivo Test di aberrazioni cromosomiche (OECD 475) Test del micronucleo (OECD 474) Test dell’UDS nel fegato del ratto (OECD 486) Comet assay in vivo Strategie di saggio STANDARD BATTERY Si possono seguire indifferentemente due opzioni: Opzione 1 Un test di mutazione genica nei batteri Un test citogenetico in vitro per evidenziare il danno cromosomico (test di aberrazioni cromosomiche o del micronucleo) oppure il test di mutazione genica su cellule di linfoma di topo (mouse lymphoma test) Un test in vivo per evidenziare il danno cromosomico (in genere micronuclei o aberrazioni cromosomiche in cellule ematopoietiche di roditore) Mutazione genica nei batteri Test di Ames PRINCIPIO DEL TEST (OECD No. 471) Nel test di Ames vengono utilizzati dei ceppi batterici auxotrofi per alcuni aminoacidi essenziali (incapaci di sintetizzare l’aminoacido e quindi di crescere e formare colonia) Il test di Ames permette di evidenziare qualsiasi mutazione in grado di ripristinare la corretta funzionalità dei geni precedentemente mutati (reversione) e che permette ai batteri di crescere I batteri revertenti vengono evidenziati in base alla loro capacità di crescere in assenza dell’aminoacido che era invece richiesto dal ceppo parentale Test di Ames GROW ON MINIMAL AGAR PLATE CONTROL + MUTAGEN DRUG Spontaneous mutations Induced mutations Test di Ames CEPPI BATTERICI UTILIZZATI • Salmonella typhimurium (mutazione in uno dei geni dell’operone per la biosintesi dell’istidina) TA 1535 e TA 100: SOSTITUZIONE DI BASE TA 1537 e TA 98: INSERZIONE / DELEZIONE DI BASI • Escherichia coli (mutazione in un gene dell’operone per la biosintesi del triptofano) WP2 uvrA: SOSTITUZIONE DI BASE * Mutazioni addizionali sono state introdotte in questi ceppi per renderli più sensibili ad un’ampia varietà di sostanze Test di Ames PROTOCOL Strains: TA1535, TA1537, TA98, TA100, WP2 uvrA Test article: five dose levels (max. 5 mg/plate) Metabolic Activation: +/- S9 microsomal fraction Experimental Procedures: Preincubation Test or standard plate incorporation assay Positive and negative controls: – Positive (-S9): Sodium Azide, 9-aminoacridine,2-nitrofluorene, methylmethanesulphonate – Positive(+S9) : 2-aminoanthracene, Benzopyrene One experiment is generally sufficient with clearly negative or positive compounds. Equivocal or weak positive results should be confirmed in a second experiment. Test di Ames PLATE INCORPORATION ASSAY + 2 mL Soft Agar + essential a.a. 0.1 mL Bacterial Strain + 0.1 mL Test compound or solvent + Glucose minimal Agar plate Count number of revertants 37C° for 48 or 72 hr 0.5 mL S9 mix or buffer Test di Ames VALUTAZIONE ED INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI Un composto viene considerato mutageno se determina un incremento dose-dipendente del numero di colonie revertenti in uno o più ceppi ( 2 volte) Un composto viene considerato non mutageno se non induce un aumento dose-dipendente del numero di colonie revertenti in tutti i ceppi impiegati I risultati del test si definiscono inconclusivi quando non permettono di identificare il composto in esame come mutageno o non mutageno Test di aberrazioni cromosomiche TEST DI ABERRAZIONI CROMOSOMICHE IN CELLULE DI MAMMIFERO (OECD No. 473) Lo scopo del test di aberrazioni cromosomiche in vitro è di identificare sostanze che causano aberrazioni cromosomiche strutturali Le cellule più comunemente usate sono i linfociti umani di sangue periferico e le linee cellulari di Hamster cinese Le colture cellulari vengono esposte alla sostanza da testare (max conc. 1 mM o 0.5 mg/ml) in assenza e in presenza di un sistema di attivazione metabolica (S9) Ad intervalli di tempo predeterminati, le cellule vengono trattate con una sostanza che le arresta in metafase, raccolte, colorate ed analizzate al microscopio per la presenza di aberrazioni cromosomiche. Test di aberrazioni cromosomiche in linfociti umani SCHEMA SPERIMENTALE Le cellule vengono trattate con il composto da testare per 3 - 6 ore in presenza e in assenza di attivazione metabolica Dopo aver allontanato il terreno contenente il composto, le cellule vengono coltivate in terreno di coltura fresco per un periodo di tempo corrispondente a circa 1.5 volte il ciclo cellulare dall’inizio del trattamento Un trattamento continuo senza attivazione metabolica è necessario solo in caso di risultati negativi o equivoci nei trattamenti brevi I controlli positivi devono sempre essere inclusi per verificare la sensibilità del test system utilizzato Test di aberrazioni cromosomiche in linfociti umani SCHEMA SPERIMENTALE TRATTAMENTO CONTINUO SENZA ATTIVAZIONE METABOLICA T=0h T = 48 h T = 72 h Test di aberrazioni cromosomiche in linfociti umani ABERRAZIONI DI TIPO CROMATIDICO Test di aberrazioni cromosomiche in linfociti umani ESEMPI DI ABERRAZIONI CROMOSOMICHE Test di aberrazioni cromosomiche in linfociti umani VALUTAZIONE ED INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI Un prodotto viene considerato positivo in questo test se induce un aumento del numero di cellule con aberrazioni cromosomiche rispetto al controllo negativo, che sia correlato con la dose e riproducibile Generalmente vengono utilizzati dei metodi statistici come aiuto supplementare nella valutazione dei risultati Un aumento del numero di cellule poliploidi può indicare che la sostanza può inibire i processi mitotici e di indurre aberrazioni cromosomiche di tipo numerico. Modelli sperimentali di mutagenesi TEST DEL MICRONUCLEO IN CELLULE DI MAMMIFERO (OECD No. 487 DRAFT) Permette di identificare sostanze che causano perdita di cromosomi o rotture cromosomiche, per cui un micronucleo può contenere interi cromosomi o un frammento acentrico Le cellule più comunemente usate sono i linfociti umani di sangue periferico e le linee cellulari di Hamster cinese Le colture cellulari vengono esposte alla sostanza da testare (max conc. 1 mM o 0.5 mg/ml) in assenza e in presenza di un sistema di attivazione metabolica (S9) Ad intervalli di tempo predeterminati, le cellule vengono trattate con una sostanza che blocca la divisione cellulare, raccolte, colorate ed analizzate al microscopio per la presenza di micronuclei Test del micronucleo Human lymphocytes purified from whole blood by gradient centrifugation 72h of culture + PHA, genotoxic agent, Cytochalasin B Harvested on glass slides by cytospin Giemsa staining Scoring Human Lymphocytes Modelli sperimentali di mutagenesi TEST DEL MICRONUCLEO NEGLI ERITROCITI DI RODITORI (OECD No. 474) Rivela i danni sia cromosomici che dell’apparato mitotico che una sostanza o un suo metabolita può provocare dopo somministrazione ad un roditore (topo o ratto) Il metodo è basato sull’aumento, nel midollo osseo, degli eritrociti policromatici micronucleati negli animali trattati, rispetto agli animali di controllo I micronuclei sono costituiti da frammenti cromosomici o da cromosomi interi che durante la mitosi non raggiungono i poli del fuso e non vengono inclusi nel nucleo delle cellule figlie I micronuclei rimangono nel citoplasma dell’eritrocita policromatico, mentre il nucleo principale è espulso Test del micronucleo negli eritrociti di roditori SCHEMA SPERIMENTALE Topi di 5-7 settimane o ratti di 7-9 settimane 5 maschi e 5 femmine per gruppo sperimentale 3 dosi della sostanza in esame + un controllo negativo e un controllo positivo La dose più alta dovrebbe essere la massima dose tollerata (MTD) o la massima tecnicamente somministrabile Singola somministrazione, anche se si possono eseguire trattamenti ripetuti, in base ad indicazioni tossicologiche Il prelievo del midollo osseo viene eseguito 24 e 48 ore dopo la somministrazione della sostanza. Test del micronucleo negli eritrociti di roditori Test del micronucleo negli eritrociti di roditori VALUTAZIONE DEI RISULTATI La percentuale degli eritrociti policromatici micronucleati dei gruppi trattati con la sostanza in esame viene confrontata con il guppo di controllo utilizzando test statistici La sostanza viene considerata positiva se almeno due gruppi di trattamento, con una relazione biologica tra di loro, inducono un aumento statisticamente significativo degli eritrociti policromatici micronucleati rispetto al controllo negativo. Test della cometa Single Cell Gel Electrophoresis Può essere condotto sia in vitro che in vivo Permette di evidenziare rotture al DNA sia a singolo che doppio filamento Le cellule, sospese in agarosio liquido, vengono stratificate su un vetrino, lisate con detergenti e soluzioni saline, e il DNA viene fatto correre in un campo elettroforetico I vetrini, colorati con bromuro di etidio, vengono osservati al microscopio a fluorescenza In assenza di danno, il nucleo risulta compatto e rotondeggiante Se vi sono rotture al DNA, i frammenti migrano verso l’anodo, conferendo al materiale nucleare la morfologia di una cometa Test della cometa Single Cell Gel Electrophoresis Valutazione dei risultati dei tests di mutagenesi I tests di mutagenesi (in vitro e in vivo) individuano cancerogeni che agiscono attraverso un meccanismo che implica un danno genetico diretto. Non individuano cancerogeni non genotossici. Se i risultati della batteria di tests indicano l’assenza di un potenziale genotossico, i trials clinici possono essere condotti sia in soggetti sani che in pazienti. Modelli sperimentali di cancerogenesi STUDI DI CANCEROGENESI Mentre gli studi di mutagenesi devono essere condotti durante lo sviluppo clinico della maggior parte dei farmaci, la conduzione degli studi di cancerogenesi dipende dalla durata del trattamento nell’uomo Linee Guida per la Conduzione degli Studi di Cancerogenesi • ICH S1A, S1B, S1C(R2): CARCINOGENICITY STUDIES (1995, 1997, 2008) • EMEA “NOTE FOR GUIDANCE ON CARCINOGENICITY POTENTIAL” (2003) • EMEA SWP “CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS ON THE USE OF GENETICALLY MODIFIED ANIMAL MODELS FOR CARCINOGENICITY ASSESSMENTS” (2004) • OECD GUIDELINES FOR TESTING OF CHEMICALS Carcinogenicity studies: 451 • ICH M3 (R2): TIMING OF TOXICOLOGY STUDIES (2009) Modelli sperimentali di cancerogenesi STUDI DI CANCEROGENESI Gli studi di cancerogenesi devono essere condotti per ogni prodotto farmaceutico che si prevede usare in modo continuo per almeno 6 mesi Gli studi di cancerogenesi sono generalmente necessari anche per prodotti usati di frequente in maniera intermittente nel trattamento di malattie croniche o ricorrenti Prodotti somministrati non di frequente o per periodi brevi non necessitano di studi di cancerogenesi a meno che non ci siano motivi di preoccupazione (cause for concern) Modelli sperimentali di cancerogenesi “CAUSE FOR CONCERN” Precedente evidenza di potenziale cancerogeno nella classe chimica a cui il prodotto appartiene Relazione struttura-attività che suggerisce un rischio cancerogeno Evidenza di lesioni preneoplastiche in studi di tossicologia a dose ripetuta Ritenzione del prodotto o dei suoi metaboliti nei tessuti per periodi lunghi, dando luogo a reazioni tissutali locali o ad altre reazioni patofisiologiche. Modelli sperimentali di cancerogenesi PRODOTTI GENOTOSSICI Prodotti che sono inequivocabilmente genotossici non necessitano di studi di cancerogenesi a lungo termine. Comunque, se il prodotto deve essere somministrato all’uomo cronicamente, uno studio di tossicità cronica nell’animale (fino ad 1 anno) può essere necessario per evidenziare effetti cancerogeni precoci Modelli sperimentali di cancerogenesi “TIMING” DEGLI STUDI DI CANCEROGENESI Quando è necessario condurre gli studi di cancerogenesi, questi devono essere completati prima della registrazione del prodotto Per prodotti sviluppati per il trattamento di malattie gravi, gli studi di cancerogenesi possono essere condotti dopo la registrazione, per anticipare la disponibilità del prodotto Per malattie in cui l’aspettativa di vita è breve (meno di 2-3 anni), gli studi di cancerogenesi non sono necessari (per es. antitumorali); al contrario, in caso di terapia adiuvante in pazienti senza tumore, gli studi di cancerogenesi sono generalmente richiesti Modelli sperimentali di cancerogenesi APPROCCIO DA SEGUIRE PER LA VALUTAZIONE DEL POTENZIALE CANCEROGENO DI PRODOTTI FARMACEUTICI 1. Uno studio di cancerogenesi a lungo termine nei roditori 2. Un test a breve termine che utilizza modelli transgenici o roditori neonati, oppure uno studio a lungo termine in una seconda specie roditrice Studi di cancerogenesi a lungo termine nei roditori SELEZIONE DELLA SPECIE La specie viene selezionata sulla base dei dati di farmacologia, tossicologia, farmacocinetica e metabolismo della sostanza in esame In assenza di chiare evidenze sperimentali in favore di una determinata specie, il ratto è la specie raccomandata Studi di cancerogenesi a lungo termine nei roditori DURATA DELLO STUDIO In genere 24 mesi per il ratto ed almeno 18 mesi per il topo e hamster Comunque, lo studio può essere terminato quando la sopravvivenza delle dosi più basse e del gruppo di controllo raggiunge il 25 %. Studi di cancerogenesi a lungo termine nei roditori OSSERVAZIONI Segni clinici e mortalità Peso corporeo Consumo di cibo Oftalmoscopia Masse palpabili Parametri biochimici ed ematologici Analisi delle urine Esposizione sistemica Studi di cancerogenesi a lungo termine nei roditori PATOLOGIA Necroscopia: su tutti gli animali morti durante lo studio o sacrificati in extremis e sugli animali sopravvissuti alla fine dello studio Istopatologia: - tutti i tumori visibili e lesioni sospette - tutti gli organi e tessuti previsti dal protocollo a) di tutti gli animali morti o sacrificati durante lo studio b) degli animali della dose più alta e di controllo - se si osservano differenze significative nelle lesioni neoplastiche tra la dose più alta e il controllo, l’esame microscopico degli organi/tessuti coinvolti deve essere condotto su tutti gli animali