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Backes, Kathrin (2016): Speziesauswahl in der Neurowissenschaft bei toxikologischen Studien: retrospektive Evaluierung der speziesspezifischen Sensitivität für neurologische Symptome beim Nichtnager. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät
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Abstract

Um in klinischen Studien die Sicherheit für den Menschen zu gewährleisten, ist es in der Arzneimittelentwicklung im Rahmen der toxikologischen Studien gesetzlich vorgeschrieben, neue Wirkstoffe sowohl am Nager als auch am Nichtnager zu testen (ICH Guideline M3(R2), 2009). Die Zulassungsbehörden fordern die Verwendung der empfindlichsten Spezies (FDA, 2005) für eine gute Übertragbarkeit auf den Menschen. Im Bereich der Neurowissenschaften liegt einer der Schwerpunkte speziell auf der Bewertung von neurologischen Symptomen, da hier Arzneimittel entwickelt werden, die neurologische Symptome behandeln sollen und bei denen auch mit Nebenwirkungen neurologischer Art bei Mensch und Tier zu rechnen ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Literatur zum Thema Versuchstierauswahl des Nichtnagers zusammengetragen und eine Übersicht für Hund, Affe, Minipig, Kaninchen und Frettchen erstellt. Hunde (Beagle) und Affen (Cynomolgus) sind bis heute die am häufigsten genutzten Nichtnagerspezies in toxikologischen Studien (Smith & Trennery, 2002) (Jacobs, 2006). Da in der Literatur jedoch keine aussagekräftigen Daten zu finden waren, die einen direkten Vergleich für neurologische Symptome erlaubt hätten, wurde retrospektiv eine interne Datenbasis erstellt. Diese Datenbasis sollte daraufhin evaluiert werden, ob toxikologische Studien retrospektiv den direkten Vergleich zwischen den Spezies ermöglichen. Es wurden 15 Substanzen (Indikationsgebiete Neurowissenschaften und Schmerz) mit 7 Wirkmechanismen und insgesamt 174 toxikologische Studien aus einem Zeitraum von 1995 bis 2013 analysiert. Insgesamt wurden Daten von 1308 Mäusen, 7201 Ratten, 868 Hunden und 758 Affen berücksichtigt. Das Auftreten von neurologischen Symptomen war nicht bei allen Substanzen in beiden Nichtnagerspezies gleich stark, was eine Auswertung über alle Substanzen hinweg nicht gestattete. Für eine Substanz jedoch waren für einen Vergleich neurologische Symptome in beiden Nichtnagerspezies in ausreichender Inzidenz und bei robusten Tierzahlen vorhanden. Symptomgruppen, aber auch einzelne Symptome wie Krämpfe oder Tremor wurden ausgewertet. Wenn sie in Relation zu den Wirkstoffkonzentrationen im Blut gesetzt wurden, schienen bei Betrachtung der totalen Wirkstoffmenge im Blut Hunde leicht empfindlicher. Interessanterweise waren bei Berücksichtigung der freien Wirkstoffmenge im Blut (Cmax free) beide Tierarten ähnlich empfindlich, z.B. für Krämpfe. Spontane Krämpfe bei Kontrolltieren traten weder bei den Hunden noch bei den Affen auf. Die Inzidenz für Krämpfe war bei Hunden und Affen in etwa gleich und eine Geschlechtsdisposition beim Hund wurde in dieser Arbeit nicht beobachtet. Somit kann die Aussage aus der Literatur, der Hund sei empfindlicher für spontane Krampfanfälle (Redman & Weir, 1969) (Bielfelt et al., 1971) (Edmonds et al., 1979) (Easter et al., 2009) (Hasiwa & Bailey, 2011), anhand der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit für substanzinduzierte Krampfanfälle nicht bestätigt werden. Im Einklang mit der Literatur ist das Symptom Tremor besonders hervorzuheben (Lichtfield, 1961) (Fletcher, 1978). Tremor war in der vorliegenden Analyse eins der am häufigsten aufgetretenen Symptome (Hund 16,24%, Affe 13,72%), ist ein relativ objektiv zu beobachtendes Symptom im Tierversuch, war am vergleichbarsten zwischen den beiden Tierspezies aufgetreten und ist daher vermutlich ein wertvoller Vergleichsparameter mit hohem prädiktiven Wert im Hinblick auf den Menschen. Das Erkennen und Bewerten von neurologischen Symptomen in toxikologischen Studien wurde tierartspezifisch diskutiert, genauso wie Abhängigkeit bestimmter Symptome von den Haltungsbedingungen, dem Grad an Erfahrung des tierbetreuenden Personals und dem Vokabular des verwendeten Dokumentationsprogramms. Grenzen der retrospektiven Analyse ergaben sich vor allem durch das Studiendesign, wie z.B. die Evaluierung von Symptomen und Messung der Wirkstoffkonzentrationen in toxikologischen Studien, die nur zu festgelegten Zeitpunkten stattfinden. Wirkstoffmengen zum Zeitpunkt des Auftretens des Symptoms fehlten, werden jetzt als Ergebnis dieser Arbeit in den Studien aber zusätzlich entnommen. Die größte Schwierigkeit ist der Mangel an geeigneten Daten für einen direkten Vergleich. In dieser Arbeit wurde für eine geeignete Substanz eine eingehende Analyse erarbeitet. Über ein IQ-Konsortium mehrerer internationaler pharmazeutischer Unternehmen sollen weitere Beispiele gesucht und in gleicher Weise aufgearbeitet werden, was vor allem im Hinblick auf den Tierschutz von entscheidender Bedeutung ist, da so im Sinne des 3R-Prinzips die Datenbasis und Aussagekraft erweitert werden kann ohne zusätzliche Tierversuche durchführen zu müssen.

Abstract

To ensure human safety in clinical trials in the drug development process it is required by the regulatory agencies to test new drug candidates both on rodents and on non-rodents (ICH Guideline M3 (R2), 2009) in toxicological studies. The regulatory authorities require the use of the most sensitive species (FDA, 2005) for a good translatability to humans. In the field of neuroscience the focus is specifically on the evaluation of neurological symptoms, since in this field drugs are developed to treat neurological symptoms and are therefore prone to show neurological side effects in humans and animals. In this thesis the literature on non-rodent species selection was compiled and an overview for dog, monkey, minipig, rabbit and ferret was created. Dogs (Beagle), and monkeys (Cynomolgus) are up to now the most commonly used non-rodent species in toxicology studies (Smith & Trennery, 2002) (Jacobs, 2006). However, there was a lack of meaningful data in the literature hindering a direct comparison for neurological symptoms. Therefore an internal database was retrospectively generated. This data base was evaluated analyzing whether toxicological studies allow retrospective direct comparison between species. Fifteen compounds (indications neuroscience and pain) were analyzed with 7 modes of action and a total of 174 toxicological studies of a period from 1995 to 2013. Overall, data from 1308 mice, 7201 rats, 868 dogs and 758 monkeys have been considered. The occurrence of neurological symptoms was not equally strong for both species with all compounds, which made it impossible to evaluate all compounds as a whole in the two non-rodent species. Fortunately, for one compound neurological symptoms were present in both non-rodent species with sufficient incidence and reasonable animal numbers for comparison. Symptom groups as well as individual symptoms such as convulsions or tremor were evaluated. When compared in relation to drug levels in blood, dogs appeared slightly more sensitive by looking at the total substance amount (Cmax total). Interestingly, when considering the amount of free drug levels in the blood (Cmax free) both species were similarly sensitive, e.g. for convulsions. No spontaneous convulsions occured in control animals neither in dogs or in monkeys. The incidence of convulsions was similar in dogs and monkeys and a gender disposition in the dog was not observed in this thesis. Thus, the literature reports of dogs being more sensitive to spontaneous seizures (Redman & Weir, 1969) (Bielfelt et al., 1971) (Edmonds et al., 1979) (Easter et al., 2009) (Hasiwa & Bailey, 2011), could not be confirmed by the results of this thesis for substance-induced seizures. Consistent with literature reports the findings suggest that the symptom tremor is of particular interest (Litchfield, 1961) (Fletcher, 1978). In the present analysis tremor was one of the most frequently occurring symptoms (dog 16.24%, monkey 13.72%). It is a relatively objectively observable symptom in animal studies occurring in a comparable manner between the two animal species, and it is therefore considered to be a highly valuable parameter for comparison with a most probably high predictive value for humans. The identification and assessment of neurological symptoms in toxicology studies were discussed species-specifically as well as the impact of housing conditions, the level of experience of animal care staff, and the vocabulary of the documentation program used. Limitations of the retrospective analysis were given by the study design such as the evaluation of symptoms and measurement of drug concentrations in toxicological studies, which was conducted only at predefined time points. Drug levels at the time of occurrence of the symptoms were missing, but are now taken in all studies as a outcome of this thesis. The largest obstacle for direct comparison is the lack of data. In this thesis, a detailed analysis has been prepared for a suitable substance. Via an IQ consortium of several international pharmaceutical companies further examples will be seeked and analyzed similarly. This is particularly important with regard to animal welfare, since this would allow to extend the data base without further animal testing in the spirit of 3Rs.