Derzeit gibt es zahlreiche nicht-klinische In-vitro- und In-vivo-Forschungsmethoden sowie Erfahrungen aus der Entwicklung von marktreifen Medikamenten. Die Vorhersage der klinischen Wirksamkeit und Sicherheit durch optimierte nicht-klinische Studien bleibt jedoch eine Herausforderung, und dieser Artikel bietet eine eingehende Analyse zu diesem Thema.
Die idealen ADCs sollten mindestens die folgenden drei Eigenschaften besitzen:
1. Zielbindungsfähigkeit: Das ideale ADC-Zielantigen wird nur auf der Oberfläche von Tumoren und in hohen Konzentrationen exprimiert, ohne sich leicht abzulösen.
2. Transformationsprozess: Bevor das zytotoxische Molekül die Zielzellen erreicht, sollte es sich idealerweise nicht vom ADC lösen, d. h. das gesamte ADC wird in die Zellen internalisiert.
3. Freisetzung des kleinen Toxinmoleküls: Das kleine Molekül sollte rasch und in großen Mengen in den Tumorzellen freigesetzt werden. Es sollte eine hohe Toxizität besitzen, um die Tumorzellen wirksam abzutöten.
Strategie zur pharmakologischen Bewertung von ADCs
Pharmakologische Aktionsforschung wird normalerweise während der Arzneimittelentdeckungs- oder präklinischen Evaluierungsphase durchgeführt. Die wichtigsten experimentellen Projekte, die durchgeführt werden müssen, umfassen Zielbindungsaktivität, antikörpervermittelte Internalisierung, In-vivo- und In-vitro-Hemmung der Tumorproliferation (für Anti-Tumor-ADCs), antikörperabhängige zelluläre Zytotoxizität (ADCC) und komplementabhängige Zytotoxizität (CDC).
Bei der Untersuchung der Pharmakodynamik von ADCs bei Tieren sind zunächst die Unterschiede zwischen den Spezies zu berücksichtigen. Wenn ADCs keine oder nur eine geringe Bindungsaktivität mit Antigenen bei Mäusen aufweisen, muss die Verwendung transgener Tiere für pharmakodynamische Experimente in Betracht gezogen oder pharmakodynamische Studien in vivo mit Antikörpern tierischen Ursprungs durchgeführt werden. Transgene Tiere können die Verwendung alternativer Antikörper vermeiden, und wenn das Zielantigen in den Blutgefäßen oder im Stroma des Wirts exprimiert wird, können transgene Tiere nicht nur die pharmakodynamischen Wirkungen bewerten, sondern bis zu einem gewissen Grad auch Toxizitätsreaktionen beobachten. Wenn das Zielantigen nur in menschlichen Tumorzellen exprimiert wird, sind transgene Tiere nicht erforderlich; die pharmakodynamischen Wirkungen können in Nacktmausmodellen untersucht werden, denen menschliche Tumorzellen implantiert wurden. Bei der Durchführung pharmakodynamischer Studien auf Zellebene oder auf Tiermodellebene kann die gleichzeitige Durchführung von PK/PD-Studien, die Analyse der Arzneimittelzielverteilung, der Rezeptorbesetzungsrate und der Beziehung zwischen Arzneimittelexposition und -wirkung bei der Entwicklung klinischer Dosierungsschemata und der Analyse der Ergebnisse von Sicherheitsstudien hilfreich sein.
Toxikologische Bewertungsstrategie für ADCs
Auswahl der Tierart: Um die Toxizitätseigenschaften von ADCs in nichtklinischen Sicherheitsstudien vollständig aufzudecken und so die klinische Entwicklung von ADCs zu unterstützen, ist die Bewertung der Relevanz der Tierarten und der Übertragbarkeit der Ergebnisse nichtklinischer Studien von entscheidender Bedeutung. Diese Bestimmung umfasst normalerweise die Überprüfung der Bindungsaffinität von ADCs an Zielantigene bei nichtklinischen Arten im Vergleich zu Menschen sowie den Vergleich des immunhistochemischen Färbespektrums bei Studien zur Kreuzreaktivität von Geweben. Die Effektorfunktionen oder die Immunogenität von Antikörpern können aufgrund von Artenunterschieden ebenfalls variieren.
Expositionsparameter und Stoffwechsel: Wie bei anderen Arzneimitteln und biologischen Produkten sollte die Extrapolation der Ergebnisse nichtklinischer Studien auf den Menschen außerdem einen Vergleich der Expositionsparameter und des Stoffwechsels umfassen. Beispielsweise ist BR-96 ein ADC, das durch kovalente Verknüpfung von Doxorubicin (DOX) mit den Cysteinresten eines humanisierten BR96-monoklonalen Antikörpers über einen 6-Maleimidohexansäurehydrazid-Linker gebildet wird. Toxikologische Studien haben gezeigt, dass Hunde im Gegensatz zu Ratten und Affen empfindlicher auf die toxischen Wirkungen von BR-96 reagieren, wobei hämorrhagische Enteritis die dosislimitierende Toxizität darstellt. Überraschenderweise weisen BR96-DOX und der unmodifizierte monoklonale Antikörper BR96 die gleiche dosislimitierende Toxizität auf, was darauf hindeutet, dass die Toxizität durch den monoklonalen Antikörper verursacht wird. Im Gegensatz zu unmodifiziertem DOX induzierten ADCs in Rattenmodellen keine Kardiomyopathie. Daher erfolgte die Dosisfestlegung für die klinische Phase-I-Studie von BR96-Dox an menschlichen Probanden auf Grundlage der toxikologischen Ergebnisse bei Hunden.
Antikörper-Zielexpression: Wie bei therapeutischen monoklonalen Antikörpern kann die nichtklinische Bewertung von ADCs durch das Fehlen von Antigen-Zielen bei den Tierversuchsarten erschwert werden. In den ICH S6 (R1)-Richtlinien zur präklinischen Sicherheitsbewertung von Arzneimitteln biotechnologischer Herkunft (2011) heißt es: „Die Artenauswahl für Antikörper-Wirkstoff-/Toxin-Konjugate (ADCs), die neuartige Toxine/Toxine enthalten, sollte denselben allgemeinen Grundsätzen folgen wie für die unmodifizierten Antikörper. Die relevanten Tierarten für die Prüfung monoklonaler Antikörper sind diejenigen, die das erforderliche Epitop exprimieren und ein Gewebe-Kreuzreaktivitätsspektrum aufweisen, das dem von menschlichem Gewebe ähnelt. Daher können Art- und Krankheitsspezifität die nichtklinische Bewertung bestimmen oder einschränken.“
Die Expression des Zielantigens in normalem Gewebe ist ein großes Sicherheitsrisiko für die ADC-Therapie. Idealerweise sollte das Zielantigen auf normalen Zellen in sehr geringen Mengen exprimiert werden; wie in den beiden obigen Beispielen erwähnt, sind Antikörper in der Praxis jedoch nicht immer spezifisch. Andere potenzielle Toxizitätsbeispiele im Zusammenhang mit einem Mangel an Spezifität für ADC-Ziele sind NaPi2b, ein natriumabhängiger Phosphattransporter, der in mehreren Tumorarten, aber auch nachweisbar in normalem Gewebe exprimiert wird, wo er eine Rolle bei der anorganischen Phosphathomöostase spielt. Ein ADC (Anti-NaPi2b-vc-MMAE) wurde entwickelt, indem ein humanisierter IgG1-Anti-NaPi2b-monoklonaler Antikörper über einen vc-Peptidlinker mit MMAE konjugiert wurde, und es wurde bestätigt, dass es eine spezifische Bindungsaffinität in normalem Gewebe von Menschen und Krabbenaffen aufweist. Trotz der hohen Expression in den normalen Lungen von Affen kann die Sicherheit dieser Kreuzreaktivität jedoch akzeptabel sein, wobei dosislimitierende Toxizitäten nicht mit der Expression in normalem Gewebe zusammenhängen. Die toxikologischen Wirkungen bei normalen Ratten, nicht bindenden Arten und Affen stimmen mit der Pharmakologie von MMAE überein.
Allgemeine toxikologische Designprinzipien: Im Allgemeinen besteht keine Notwendigkeit, separate Gruppen für monoklonale Antikörper/nackte Antikörper, Linker/Linker-Toxin festzulegen, da das monoklonale Antikörpermolekül einer der Hauptfaktoren ist, die die systemische Exposition beeinflussen oder bestimmen. Bei der Dosierungsplanung sollten die pharmakodynamische Dosis der ADCs, die Eigenschaften des Antikörpermoleküls und die Toxizitätsmerkmale des niedermolekularen Toxins berücksichtigt werden.
Schwerpunkt Nutzlastbezogene Toxizität:Obwohl durch die gezielte Freisetzung von niedermolekularen Verbindungen eine Arzneimittelanreicherung in Zielgeweben erreicht wird und das therapeutische Fenster verbessert wird, sind die wichtigsten Toxizitätseigenschaften von ADCs immer noch ähnlich denen der verbundenen niedermolekularen Verbindungen. Die meisten ADC-Toxizitätsreaktionen sind weniger schwerwiegend als bei der direkten Verabreichung niedermolekularer Verbindungen, aber einige ADCs können die Gewebetoxizitätsreaktionen verstärken, die mit der Bindung von Antikörpern an Zielmoleküle oder Off-Target-Bindungen verbunden sind. Obwohl ADCs die gezielte Freisetzung niedermolekularer Verbindungen verstärken, werden einige niedermolekulare Verbindungen immer noch vorzeitig freigesetzt, und einige freie niedermolekulare Verbindungen können schnell von Zielzellen in umliegende Gewebe und den systemischen Kreislauf diffundieren oder übertragen werden, oder Apoptose und Schädigung von Zielzellen können dazu führen, dass freie niedermolekulare Verbindungen in den systemischen Kreislauf gelangen. Der Antikörperteil von ADCs kann auch an andere Oberflächenrezeptoren oder Epitope von Organzellen anderer Nicht-Zielgewebe binden, wie z. B. Fc-Rezeptor-vermittelte zelluläre Phagozytose, und das Arzneimittel kann nach dem metabolischen Abbau toxische Wirkungen auf entsprechende Gewebezellen ausüben. Daher hängt die Toxizität von ADCs eng mit den Eigenschaften der Antikörper, niedermolekularen Verbindungen und Linker zusammen, und die Toxizitätseigenschaften von ADCs ändern sich mit der Variation der Antikörper, niedermolekularen Verbindungen und Linker. In nichtklinischen Sicherheitsstudien sollte auf die Auswirkungen der Arzneimittelzusammensetzungsstruktur und der pharmakokinetischen Eigenschaften auf die Toxizität geachtet werden, und die Ergebnisse der Experimente sollten umfassend analysiert werden.
Genotoxizität:Biologische Makromoleküle interagieren im Allgemeinen nicht direkt mit DNA, und der ADC und sein Antikörperteil müssen normalerweise keinen Genotoxizitätstests unterzogen werden. Die potenzielle Genotoxizität von ADCs geht auf die niedermolekularen Verbindungen zurück. Handelt es sich bei der Nutzlast der niedermolekularen Verbindung um eine neue Verbindung, sollten Genotoxizitätstests durchgeführt werden; bei neuen freien niedermolekularen Verbindungen und/oder neuen im Körper produzierten Linkern sollten die Zieltestmaterialien anhand der physikochemischen Eigenschaften, Spaltungseigenschaften und Struktur der Spaltprodukte der ADCs bewertet werden; wenn ausreichende Daten darauf hinweisen, dass das Zieltestmaterial Genotoxizität aufweist, sind keine Genotoxizitätsstudien erforderlich.
Reproduktionstoxizität:Die niedermolekularen Verbindungen, Linker und nackten Antikörper in ADCs können sich nachteilig auf die Fortpflanzungsorgane, die Fruchtbarkeit, die embryonale und fetale Entwicklung sowie die Entwicklung der Nachkommen auswirken. Daher sollte das Risiko einer Reproduktionstoxizität bei ADCs beachtet werden. Die Forschungsstrategie, das experimentelle Design, die Durchführung und die Bewertung der Reproduktionstoxizität von ADCs sollten sich an den ICH S5-Richtlinien orientieren und den Wirkungsmechanismus und die Zielgruppe der ADCs kombinieren, um eine spezifische problemspezifische Analysestrategie zu verfolgen. ADCs, die für Tumorpatienten im Spätstadium bestimmt sind, können sich an den ICH S9-Richtlinien für die Forschung zur Reproduktionstoxizität orientieren.
Bei biologischen Produkten wird die Reproduktionstoxizität normalerweise an pharmakologisch relevanten Tierarten bewertet. Wenn sowohl Nagetiere als auch Kaninchen mit der Zielbindung verwandte Tierarten sind, sollten zwei Tierarten verwendet werden, um Tests zur embryo-fetalen Entwicklungstoxizität durchzuführen, es sei denn, bei einer Art wurde embryonale Letalität oder Teratogenität bestätigt. Wenn die Zielbindungstierarten nichtmenschliche Primaten sind oder es keine relevanten Tierarten gibt, werden Ratten oder Kaninchen normalerweise zuerst für Tests zur Reproduktionstoxizität in Betracht gezogen, um die Reproduktionstoxizität freier niedermolekularer Verbindungen zu untersuchen. Wenn die Studienergebnisse positiv sind, ist es nicht erforderlich, die Reproduktionstoxizität mit Zielbindung verwandten Tierarten zu untersuchen; andernfalls sollten nichtmenschliche Primaten oder transgene Tiere oder alternative Moleküle für Tests zur Identifizierung antigenvermittelter Reproduktionstoxizität in Betracht gezogen werden. Wenn es Literaturdaten für den Antikörper oder die niedermolekulare Verbindung in ADCs gibt, die eindeutig potenzielle Risiken der Reproduktionstoxizität zeigen, sind keine Studien zur Reproduktionstoxizität erforderlich und die relevante Risikokontrolle kann auf Literaturinformationen basieren.
Karzinogenität:Basierend auf den Eigenschaften von ADCs kann die Notwendigkeit von Karzinogenitätsstudien gemäß ICH S1, ICH S6, ICH S9 und anderen relevanten Richtlinien erwogen werden.
Immunogenität/Immunotoxizität:ADCs können nach dem Eindringen in den Körper Immunogenität verursachen und Anti-Arzneimittel-Antikörper produzieren. Die Bewertung der Immunogenität von ADCs hilft bei der Analyse der Pharmakokinetik, Wirksamkeit und Sicherheitsergebnisse des Arzneimittels, daher wird der Nachweis von Anti-Arzneimittel-Antikörpern normalerweise von nichtklinischen Sicherheitsstudien zu ADCs begleitet. Anti-Arzneimittel-Antikörper können aus dem Antikörperteil und dem Linkerteil von ADCs produziert werden, und ob eine weitere Untersuchung von Antigen-Epitopen erforderlich ist, sollte auf dem Risiko der Immunogenität beruhen. Die Entwicklung, Validierung und analytische Nachweisstrategie für die Immunogenitätsanalyse von ADCs sollte den „Technischen Richtlinien für die Arzneimittelimmunogenitätsforschung“ folgen. ADCs können sich auf ICH S6, ICH S8, ICH S9 und andere Richtlinien beziehen und Indikatoren zur Immuntoxizitätserkennung vernünftigerweise basierend auf Faktoren wie der Art und dem Wirkungsmechanismus von ADCs entwerfen. Zusätzlich zu routinemäßigen Immuntoxizitätsstudien sollten bei Bedarf zusätzliche Immuntoxizitätsstudien in Betracht gezogen werden.
Optische Sicherheit:Vor klinischen Studien der Phase I sollte die potenzielle Phototoxizität vorab anhand der photochemischen Eigenschaften und pharmakologischen/chemischen Kategorien der niedermolekularen Verbindungen (einschließlich Linker) bewertet werden. Wenn diese Daten auf potenzielle Risiken hinweisen, sollten geeignete Schutzmaßnahmen für die Probanden der klinischen Studie getroffen werden. Wenn das Risiko der Phototoxizität anhand nichtklinischer Daten oder klinischer Erfahrung nicht vollständig bewertet werden kann, sollte vor klinischen Studien mit großen Stichproben (Phase III) eine Bewertung der Phototoxizität gemäß den in ICH S10 beschriebenen Grundsätzen durchgeführt werden.
Kreuzreaktivität im Gewebe:Studien zur Kreuzreaktivität von Gewebe sind In-vitro-Gewebebindungstests, die mithilfe immunhistochemischer Techniken durchgeführt werden, um die Bindungseigenschaften von Antikörpern und Antigen-Epitopen in Geweben zu bestimmen. Studien zur Kreuzreaktivität von Gewebe können nützliche Zusatzinformationen zum Verständnis der Zielverteilung liefern und auch Informationen zu möglichen unerwarteten Bindungen liefern. Studien zur Kreuzreaktivität von Gewebe mit menschlichem Gewebe sind ein wesentlicher Bestandteil der ersten klinischen Sicherheitsbewertungsreihe zur Dosierung von Antikörpermedikamenten. Wenn keine mit der Zielbindung verwandten Tierarten vorhanden sind, sind Informationen zur Kreuzreaktivität von Gewebe besonders wichtig, um Toxizitätsrisiken für Menschen vorherzusagen. Für ADCs, die für Tumorindikationen im Spätstadium vorgesehen sind, sind Studien zur Kreuzreaktivität von Gewebe nicht erforderlich, wenn nach der Bewertung der toxikologischen Auswirkungen bei relevanten Tierarten keine besonderen Bedenken bestehen.
Derzeit haben ICH, FDA, NMPA und andere Behörden relevante technische Richtlinien für die nichtklinische pharmakologische und toxikologische Forschung zu ADCs herausgegeben. Forscher können wissenschaftlich sinnvolle nichtklinische pharmakologische und toxikologische Studien auf der Grundlage der Eigenschaften der Arzneimittel entwerfen, die Extrapolation nichtklinischer pharmakodynamischer Wirkungen und Toxizitätsreaktionen auf den Menschen maximieren und die Wirksamkeit und Sicherheit von ADCs in klinischen Anwendungen vorhersagen, wodurch die Erfolgsquote klinischer Studien verbessert und Entwicklungsrisiken verringert werden. Arzneimittelentwickler können auf der Grundlage vorläufiger Forschungsergebnisse und bestehender Probleme mit Aufsichtsbehörden kommunizieren, um wissenschaftlich standardisierte Informationen zur Unterstützung der nichtklinischen Forschung zu erhalten.
