Tossicocinetica (TK)descrive l'esposizione sistemica a un composto durante gli studi tossicologici e aiuta a stabilire la relazione tra dose, esposizione e potenziali effetti tossici. Gli esseri umani e gli animali da laboratorio condividono i processi fisiologici fondamentali che governano l'assorbimento, la distribuzione, il metabolismo e l'escrezione (ADME). Laddove i due divergono, le conseguenze per l’esposizione al farmaco sono spesso ampie e determinano il modo in cui dovrebbe essere letto un risultato non clinico.
Queste differenze sono alla base di tre decisioni di routine: quale modello animale scegliere, come interpretare un risultato di tossicità e dove impostare una dose iniziale per lo studio clinico. Lettura della tossicocinetica a fiancofarmacocinetica (PK)Efarmacodinamica (PD)mostra se un effetto osservato deriva dall'esposizione sistemica, dall'impegno contro il bersaglio o da una risposta biologica specifica per la specie.
In che modo la tossicocinetica differisce tra esseri umani e animali?
Le differenze tra le specie nella TK derivano dalla fisiologia gastrointestinale, dal legame con le proteine plasmatiche, dall'attività degli enzimi metabolici, dall'espressione dei trasportatori e dall'eliminazione renale e biliare. Le loro dimensioni sono specifiche del composto e nessun singolo fattore di scala interspecie le prevede in modo affidabile.
Assorbimento e biodisponibilità.Il pH gastrointestinale, il tempo di transito, la permeabilità intestinale, le caratteristiche della formulazione e l’attività del trasportatore determinano la velocità e l’entità dell’assorbimento del farmaco. I modelli animali e gli esseri umani differiscono sotto questi aspetti, il che sposta la concentrazione plasmatica massima (Cmax), il tempo alla concentrazione massima (Tmax) e l'esposizione complessiva misurata dall'area sotto la curva concentrazione-tempo (AUC). Il divario è ampio per i composti somministrati per via orale con solubilità dipendente dal pH o permeabilità intestinale limitata.
Distribuzione e legame con le proteine plasmatiche.La distribuzione del farmaco dipende dalla perfusione tissutale, dalla permeabilità della membrana, dall’attività dei trasportatori e dal legame con le proteine plasmatiche. Poiché l’affinità di legame e l’abbondanza di proteine differiscono tra le specie, lo stesso vale per la frazione non legata. Le concentrazioni non legate spesso seguono l’attività farmacologica e la distribuzione tissutale più da vicino rispetto alle concentrazioni totali, motivo per cui la concentrazione plasmatica totale da sola potrebbe non spiegare completamente una differenza di risposta tra le specie.
Metabolismo.Gli enzimi che metabolizzano i farmaci, inclusi gli enzimi del citocromo P450 (CYP) e le vie di coniugazione, differiscono tra le specie e determinano sia la velocità di eliminazione del farmaco che il modello di formazione dei metaboliti. Un composto può essere metabolizzato attraverso percorsi diversi in specie diverse, producendo profili metabolitici distinti. Ciò complica l’interpretazione dei risultati sulla tossicità, in particolare quando un metabolita è farmacologicamente attivo o contribuisce alla tossicità.
Escrezione e clearance.La filtrazione renale, la secrezione tubulare attiva, il riassorbimento, l'escrezione biliare e l'attività di trasporto determinano le modalità di eliminazione di un composto. Questi processi variano da specie a specie e la variazione è conseguente per i composti con sostanziale clearance renale o biliare. Per i farmaci biologici, inclusi gli anticorpi monoclonali, la clearance dipende anche dalla disposizione mediata dal bersaglio, dal catabolismo non specifico, dall'immunogenicità e dall'espressione del bersaglio.
Le differenze tra le specie dovrebbero essere giudicate sulla base di prove specifiche del composto piuttosto che sulla dimensione corporea o sulla vicinanza tassonomica.
Perché queste differenze sono importanti negli studi tossicologici?
I dati TK stabiliscono l’esposizione sistemica raggiunta a ciascun livello di dose e mostrano se l’esposizione aumenta in proporzione alla dose. Considerati gli endpoint tossicologici, essi supportano l’interpretazione delle relazioni esposizione-tossicità e la scelta dei livelli di dose per gli studi che seguono.
L’esposizione che aumenta in modo sproporzionato con la dose indica la saturazione delle vie metaboliche o di eliminazione, un cambiamento nella biodisponibilità o qualche altro processo non lineare. Le differenze nell’esposizione tra i sessi, o tra gli intervalli di dosaggio, hanno lo stesso peso quando vengono interpretati i risultati della tossicità a dosi ripetute.
Un punto merita di essere sottolineato:la stessa dose somministrata non produce necessariamente la stessa esposizione sistemica tra le specie. Un confronto basato solo su mg/kg o sulla superficie corporea non è quindi sufficiente per comprendere una differenza nella risposta farmacologica o tossicologica. AUC, Cmax, concentrazioni non legate e, ove appropriato, dati sui metaboliti forniscono una base più informativa perinterpretazione interspecie.
Vale anche la cautela inversa. Un effetto avverso in un animale non è né automaticamente rilevante per l’uomo né automaticamente irrilevante. Il suo significato si basa sul meccanismo che sta dietro ad esso, sull’esposizione alla quale appare, sui percorsi coinvolti e in che misura tali percorsi sono presenti e funzionalmente comparabili negli esseri umani.
Integrazione di TK, PK e PD per migliorare l'interpretazione traslazionale
TK, PK e PD rispondono a domande complementari. La PK caratterizza l'andamento temporale dell'esposizione al farmaco, la TK valuta l'esposizione all'interno di un contesto tossicologico e la PD esamina gli effetti biologici della somministrazione del farmaco.
Integrati, i tre set di dati separano tre scenari che altrimenti sembrano simili: una risposta limitata causata da un’esposizione insufficiente, un effetto farmacologico che si stabilizza all’aumentare dell’esposizione e una risposta avversa legata a un’eccessiva esposizione sistemica. Distinguerli è ciò che consente di stabilire una relazione esposizione-risposta e di giudicare un risultato in un dato modello animale rispetto allo sviluppo clinico.
Gli esperimenti sul metabolismo in vitro, le valutazioni dei trasportatori, gli studi sul legame delle proteine plasmatiche e i sistemi di derivazione umana aggiungono un ulteriore livello a un programma non clinico. Identificano le potenziali differenze tra le specie prima che esistano dati clinici sull'esposizione e sulla risposta. Il limite, però, è insito: i risultati in vitro non riproducono le interazioni fisiologiche che determinano la disposizione del farmaco e l’attività biologica in vivo.
Il ruolo dei primati non umani nella farmacologia traslazionale
I primati non umani (NHP), comprese le scimmie cynomolgus, diventano utili quando la biologia specie-specifica limita ciò che i dati di altri modelli animali possono supportare. L’argomentazione si applica principalmente ad alcuni farmaci biologici e alle terapie dirette contro bersagli umani, dove la reattività crociata, la distribuzione dei bersagli o la somiglianza funzionale differiscono sostanzialmente tra le specie.
Nel programma giusto, uno studio NHP integra la caratterizzazione farmacocinetica con endpoint farmacodinamici per valutare l’impegno del bersaglio, l’attività biologica, le relazioni dose-risposta e la durata di un effetto farmacologico. Combinato con biomarcatori, imaging o valutazioni comportamentali quantitative, aggiunge prove su come l’esposizione sistemica si collega ai cambiamenti nella biologia rilevante per la malattia.
I NHP, tuttavia, non sono universalmente più predittivi degli esiti umani rispetto ad altri modelli. L’idoneità dipende dalla modalità terapeutica, dalla biologia bersaglio, dal meccanismo della malattia e dalla domanda di ricerca. Per alcuni composti i roditori o altre specie forniscono maggiori informazioni, e i sistemi umani in vitro spesso forniscono prove complementari. La selezione delle specie è quindi un argomento scientifico che deve essere in linea con gli obiettivi del programma.
PerFarmacologia NHPstudi,l’integrazione di PK e PDè importante perché l’esposizione da sola non può stabilire se un candidato produce la risposta biologica desiderata, mentre un effetto farmacodinamico è difficile da interpretare senza l’esposizione che lo ha prodotto. Tenute insieme, le due misurazioni forniscono una valutazione più completa dell’attività farmacologica e alimentano il ciclo successivo di selezione della dose e progettazione dello studio.
Implicazioni per la progettazione dello studio preclinico
Una valutazione interspecie ben progettata inizia con una chiara comprensione del meccanismo d'azione del composto, delle vie metaboliche previste e dei relativi problemi di sicurezza. I ricercatori possono quindi selezionare le specie appropriate e definire gli endpoint farmacologici e tossicologici di esposizione necessari per raggiungere gli obiettivi dello studio.
L'interpretazione dovrebbe considerare non solo la dose e le concentrazioni plasmatiche totali, ma anche i metaboliti rilevanti, l'esposizione non legata, l'impegno del target e il potenzialefarmacocinetica non lineare. Per i prodotti biologici, l'espressione del bersaglio, la reattività crociata delle specie, l'immunogenicità e la disposizione mediata dal bersaglio possono richiedere particolare attenzione.
Laddove vengono identificate differenze sostanziali tra le specie, l’integrazione dei dati animali con i sistemi umani in vitro e le analisi meccanicistiche chiarisce ciò che implicano. Le prove vengono lette nel loro insieme, non attraverso singoli parametri o modelli animali.
Presso Prisys Biotechnologies, farmacologia dei primati non umani estudi di efficacia basati su modelli di malattiastudiare le relazioni esposizione-risposta in vivo. Laddove il programma lo richiede, le misurazioni della farmacocinetica sono integrate con endpoint farmacodinamici, imaging e valutazioni comportamentali per caratterizzare le risposte biologiche e supportare decisioni basate sull'evidenza durante lo sviluppo preclinico.
Conclusione
Le differenze tra specie nella tossicocinetica possono influenzare l’esposizione sistemica, la formazione di metaboliti e l’interpretazione dei risultati preclinici sulla sicurezza. Le loro implicazioni dipendono dal composto, dai meccanismi biologici coinvolti e dal contesto sperimentale.
L’integrazione della TK con la PK, la PD e le prove meccanicistiche fornisce una base più completa per interpretare gli studi sugli animali e valutare la loro rilevanza per l’uomo. Per programmi di sviluppo di farmaci selezionati, gli studi di farmacologia NHP possono aggiungere importanti prove traslazionali collegando l’esposizione al farmaco all’attività biologica e agli endpoint rilevanti per la malattia. La selezione del modello e l'interpretazione integrata dei dati portano avanti questo ragionamento attraverso il resto dello sviluppo preclinico.
