【建模文章解读】新MDM2拮抗剂(Idasanutlin)在食蟹猴体内的自身诱导作用及该诱导与人体相关性的研究
导 读
该案例结合体外数据及PBPK建模,解释和证明了RG7388多次给药后在猴子体内暴露减小的机理;并在动物模型的基础上开展了FIH PK的预测。
案例提供了一种简单的方式理解临床前动物PK的特征并指导合理预测人体PK,这对药物早期开发决策特别是能否进一步推进到临床非常有用。
参考文献作者及单位
Kelli J. Glenn, Li J. Yu, Micaela B. Reddy, Adrian J. Fretland, Neil Parrott, Sazzad Hussain, Mary Palacios, Faye Vazvaei, Jianguo Zhi, Dietrich Tuerck
罗氏制药创新中心(美国)的制药科学部门和临床药理部门
诺华肿瘤事业部(美国)
Array BioPharma制药公司(美国)
阿斯利康制药公司(美国)
Vertex制药公司(美国)
基因泰克(美国)
参考文献
Glenn KJ, Yu LJ, Reddy MB, et al., Investigating the effect of autoinduction in cynomolgus monkeys of a novel anticancer MDM2 antagonist, idasanutlin,and relevance to humans. Xenobiotica. 2016 Aug; 46(8): 667-76. IF: 1.857
推荐理由
该案例结合体外酶实验结构以及PBPK建模与模拟,解释和证明了RG7388多次给药后在猴子体内暴露减小的机理,模拟结果指示该减小的原因是给药后药物对肝脏和肠道中CYP3A酶的诱导作用,增强了酶的活性;进一步的FIH预测结果表明,该诱导作用具有猴种属的特异性,人体暴露不会减小。
因此,该案例提供了一个简单的方式用于理解猴体内暴露减小的可能机理,这对该药早期开发决策特别是能否进一步推进到临床试验非常有用。
软件用途
案例中,利用GastroPlus软件搭建了RG7388单次及多次给药后在猴子体内的PBPK模型,并预测了多次给药后导致代谢酶发生诱导情况下的PK曲线,其预测的结果基本与观测结果一致,探讨和确证了猴子体内暴露减小的机理;并进一步用于首次人体PK的预测,考察和分析了RG7388对CYP3A的诱导具有种属特异性,人体PK的暴露不会发生较大变化。
案例摘要
该案例目的:研究Idasanutlin (RG7388)口服多次给药后在猴子体内血浆暴露量降低的原因,以及该降低的原因是否与人体具有相关性。
多次给药后收集猴子的肝脏和肠道微粒体的数据发现CYP3A8的酶活性显著增强,采用生理药代动力学模型证实RG7388体内暴露减小的主要原因是猴肠道中酶的诱导。
猴子和人原代肝细胞实验结果表明RG7388导致的CYP3A诱导主要发生在猴,人体未发现诱导作用的出现,表明该诱导具有猴种属特异性。
后续首次人体PK试验的结果也确认了联合人肝细胞和PBPK模型所预测人体无诱导发生的结论。
1 研究背景
RG7388 是第二代p53-MDM2 (双微体2蛋白)拮抗剂,临床前研究显示在低纳摩尔水平的RG7388就可以选择性地抑制P53与MDM2相互结合,RG7388 选择性结合在MDM2表面的P53位点,将p53与MDM2隔离,导致P53稳定后细胞凋亡程序被激活,从而杀死癌细胞。
目前,罗氏正在进行急性髓系白血病的III期临床研究。
单次给药后,RG7388在临床前种属中表现出低清除和中等的口服生物利用度。
前期的猴子研究中,在RG7388多次给药后,可发现相比第一天血浆中的药物暴露明显减少,在后续毒理学试验中也进一步证实了自身诱导的发生。
在人肝细胞中发现RG7388具有低转换率,其中CYP3A4是其主要的代谢酶,其次是发生葡萄糖醛酸化反应。
该案例的研究目的是:1) 解释和证明RG7388多次给药后血浆暴露减少的原因;2) 猴子体内的自身诱导作用是否与人体相关。
2 建模数据与处理
2.1 RG7388的相关建模参数
2.2 数据获取及处理
由于RG7388的溶解度差,Caco-2的数据不是很可靠且与体内PK的相关性差,模型中使用的数据是根据大鼠和猴子体内PK数据优化的结果;RG7388具有高蛋白结合(结合程度超过99.9%),猴子和人的模型采用统一优化的游离药物分数值(0.01%);溶解度的数值是根据微沉淀整装粉末 (MBP)制剂估算的,进入到首次人体PK试验后测定了MBP制剂的溶解度数值(41μg/ml);猴子和人的胃肠道模型采用GastroPlus ACAT模型,并选择默认的Opt logD Model SA/V 6.1模型;
RG7388肝细胞的固有清除率(CLint)是通过体外肝细胞孵育实验测定的相关数据,并采用下述公式进行计算得到:
2.3 猴子PBPK模型
猴子的Vss采用Rodgers and Rowland方法并结合游离药物分数及全血血浆药物浓度比进行计算得到。
药物的清除率由猴子Clint外推的数值是7.2 ml/min/kg,该数值与其体内观测的结果(1.6 ml/min/kg)有较大差异,造成该差异的原因可能是肝细胞实验中蛋白结合的限制导致了药物清除的增加。
由于肝细胞Clint放大的清除率与体内PK观测数值的差异,猴子模型最后采用的为静脉给药PK的CL计算值。
猴子肝脏的首过效应(Eh)是通过Eh=(CL/BPR)/QL计算的,其中CL是药物的清除率,BPR是全血血浆药物浓度比;QL是肝脏血流量,设定为44 ml/min/kg。
由于猴子的PK试验未控制在空腹状态下给药,默认猴子ACAT模型中的胃转运时间延长到1h以匹配观测结果。
为模拟RG7388的MBP制剂,模型中选择了混悬液的剂型,并设置给药体积为5ml/kg,API的粒径为1μm (因为所设计的该剂型是为了让制剂在小肠段时即可释放出小颗粒)。
初始的猴子PBPK模型结果高估了多次给药的PK,结合RG7388是CYP3A的底物和存在诱导作用的认知,肠道首过(Fg)又进一步整合到模型中以优化结果。
此外,模型假设诱导的发生主要通过CYP3A进行。
2.4 人体PBPK模型
在猴子PBPK模型搭建和认知的基础上,建立了人体PBPK模型。
人的Vss数值也采用Rodgers and Rowland方法进行计算得到;由于体外清除外推到体内清除的不确定性,人体清除率采用了两种方法计算得到,分别为猴子静脉观测的CL基于单种属异速放大的估算值以及人体外肝细胞外推的数值,并分别进行了人体PK曲线的预测。
人体吸收模型与猴子的类似,但人的胃排空时间设置为6min以及设定随同250ml水一起服用混悬液。
由于RG7388在人肝细胞中代谢稳定且动物模型得到相对较高的Peff数值,因此在人体模型中未引入肠道首过。
3 模型结果与分析
3.1 RG7388体内PK、体外酶实验结果
猴单次及多次给药10, 30和100 mg/kg RG7388后所观测的药代动力学曲线(毒代试验,GLP)
初始14天多次给药RG7388 (30mg/kg/day) 后,观察到该药在14天的暴露约为第一天的20%;上图GLP试验的毒代结果也进一步证实了RG7388在多次给药后体内暴露减少。
体外猴子原代肝细胞诱导实验表明,RG7388能够诱导CYP3A8 mRNA提高137倍,以及少量的酶活性增加。
人的数据正好相反,RG7388并没有能够诱导人CYP3A4 mRNA或活性的改变。
在RG7388猴子毒代试验结束后收集的组织结果分析表明:给药后的猴子肝微粒体蛋白没有增加;P450的总含量和CYP3A活性有少量但显著的提高。
肠道的微粒体改变更为显著,肠道P450酶含量提高了2倍以上,CYP3A酶活性则提高了4到5倍,且所有的增加一般在停药后32天恢复到正常状态。
这些数据表明肠道的代谢诱导可能是RG7388猴子体内暴露减少的原因。
3.2 RG7388静脉与单剂量口服给药PBPK模型
猴子单次给药RG7388 (A)1.25 mg/kg IV以及(B) 30 mg/kg PO后预测与观测的血浆浓度-时间曲线
PBPK模型所模拟的静脉和口服给药后的PK曲线基本与观测结果一致,这也说明了当前的吸收和清除模型能够合理反映MBP制剂给药后在猴子体内的ADME过程。
该模型也进一步发现猴子肝脏轻微的诱导对血浆暴露的影响不敏感。
3.3 RG7388诱导CYP3A的PBPK模型
进一步考察了当肝脏代谢被诱导50%时,以及肝脏和肠道均发生代谢酶的诱导作用后,猴子体内PK曲线的变化,以探讨、分析与验证多次给药后猴子体内暴露减少的机理,预测结果列举在下图:
30 mg/kg RG7388 (A)单次给药及(B)每天多次给药后的观测与预测的PK曲线
当假设肝脏代谢被诱导50%时,所模拟的第14天血浆暴露与第1天相比仅发生微小的降低;相反,在加入肠道首过代谢后,发现体内药物的暴露会明显降低,预测的结果与观测数值基本一致。
该案例中采用了文献报道的Qgut model考虑肠道的首过作用,该模型发现当Fg≤0.5时,肠道的首过对酶的诱导特别敏感,模型调整时考虑了三种不同的情况:(i) 若不存在肠道诱导时的Fg=0.8,这时肠道首过对血浆暴露的作用较弱:此时肠道加入5倍的诱导作用(猴子活体外的研究结果),模型预测血浆药物暴露仅有1.8倍的降低(Fg=0.44);(ii) 若不存在肠道诱导时的Fg=0.5:此时考虑诱导作用后,模型预测血浆暴露将减少3倍,导致Fg为0.17 (首过代谢为83%);(iii) 若不存在肠道诱导时的Fg=0.3,这时肠道首过对血浆暴露具有较大的影响:此时肠道发生诱导后,血浆暴露将减少3.8倍(Fg=0.079)。
表明导致多次给药后猴子血浆暴露减少的原因是肝脏和肠道酶诱导的作用,特别是肠道CYP3A酶的诱导作用。
3.4 RG7388首次人体PK预测
在猴子PBPK模型搭建及机理的解释与验证的基础上,进行了种属外推预测RG7388的首次人体PK结果。
由于体外清除外推到体内清除的不确定性,人体清除率采用了两种方法进行计算,并分别带入到模型中进行预测,模型预测的结果与临床观测的单次与多次给药的PK结果基本一致。
虽然前三组预测Cmax稍微高于观测值,但已经不影响推测的结论,表明采用PBPK模型、动物体内PK数据以及in silico数据在药物研发早期即可较准确地推测人体特征。
猴子和人体PBPK模型结果进一步解释和证实了RG7388对酶诱导的作用具有种属特异性,且与人体PK表现无关。相关人体PBPK模型及临床观测结果列举下表:
4 模型讨论
在RG7388进一步推进到人体临床研究前,多次给药后在猴子体内发现了明显的暴露降低。
因此,开展了一些额外的工作以理解该药物暴露的原因,包括体外肝细胞孵育后酶表达量及活性的测定、细胞活性的测定、活体外的微粒体蛋白、mRNA含量检测和PBPK建模等。
一些新的问题也随之而来,比如RG7388的肝细胞诱导实验能够预测体内的诱导?RG7388诱导CYP酶是猴子种属特异性,还是与人体也有关? 肝脏CYP3A的诱导能否解释药物体内暴露减少等? 为解释清楚上述问题,所开展的体外实验观察到RG7388会明显诱导猴子CYP3A mRNA水平提高,表明该结果会更加敏感地预测体内诱导作用;而同时在人体肝细胞中未发现明显的诱导,表明该诱导作用可能与人体无关;
该案例所建立的PBPK模型期望用于探索肠道或肝脏酶诱导的影响,以间接反映诱导作用导致清除率变化的相关位置。
采用建模与模拟的方式考察临床前种属的自身诱导作用很少有研究或报道,可能是因为如果在临床前研究中发现了显著的诱导现象,大多数分子不会进一步开发;或者研究者可能直接开展一个临床试验以评估人体的诱导性能。
对于当前的研究案例,则提供了一个较为简单的建模方式以理解药物在猴子体内暴露减少的原因,同时可以认为在RG7388早期开发阶段是非常有用的。
基于PBPK模型模拟的PK曲线表明多次给药后猴子体内暴露减少的原因肝脏和肠道代谢酶被诱导,该结论的得出是发现假设肝脏代谢活性被50%诱导减少时,所预测的结果与观测数值不吻合;而在此基础上额外增加肠道代谢活性被75%诱导增加后,得到的预测结果能够很好地重合观测数值。
这种联合体外酶诱导、活体酶活性实验以及PBPK建模的方式,能充分地理解猴子体内暴露减少的原因是肠道酶诱导。
通过各种方法的联合应用,充分解释了临床前种属PK的变化,增强了得到药物在人体暴露不会减少这一结论的信心。
尽管RG7388诱导CYP3A的情况具有猴子的种属特异性,但多次给药后的毒理学研究所出现的系统暴露显著减少,还是对RG7388被监管当局批准可以开展首次人体临床试验前,评估所设计的剂量范围在人体的暴露带来了不少挑战。
为了解决这个挑战,基于PBPK模型并假设不存在诱导现象的情况下预测了人体PK,以考察人体PK的变化特征。
尽管在早期阶段,所建立的PBPK模型采用的一些参数是基于in silico预测或者假设的数值,但该方法是非常符合目标的,以及所预测的相对较大范围的暴露数值反映了当前模型的不确定性以及为了确保临床安全性的评估。
此外,还结合了临床前药理学的模型构建了PK/PD模型以用于推荐人体每日的给药剂量。
4.2 基于PBPK模型设定右美沙芬DEX的产品技术标准
先进的产品技术标准应当反映其临床产品的性能,建立体内外相关性(IVIVC)是构建这种临床相关的方式之一。
构建体内外相关的传统方式是将体外药物溶出分数与进入机体循环的百分数建立关系,后者通过Wagner-Nelson和Loo-Riegelma方法将观测的血药浓度-时间曲线进行反卷积计算得到。
与这种方法不同的是,也有文献研究借助右美沙芬DEX的PBPK模型采用血浆数据去拟合药物在胃肠道的溶出曲线。
此外,也有采用带入体外溶出数据预测药物体内的PK行为,以间接构建体内外相关性。
这些方法都没有考虑药物进入肠细胞的吸收机理,也没有考虑溶酶体的捕获作用导致药物缓慢进入门静脉,以及肠道和肝脏的首过效应。
该工作所搭建的PBPK模型,发现药物能够快速溶出并快速进入到肠细胞,结果提示右美沙芬DEX在体内10min左右能够100%溶出,因此表明该药物的溶出与其临床疗效无关。
对于DEX速释片剂,体外崩解实验将更能反映制剂的特性。
在加入溶酶体捕获作用后,所建立的模型能够较好地反映右美沙芬DEX和DXO缓慢进入系统循环的特征。
由PBPK模型所提供的机理信息,发现DEX临床制剂的产品技术规范仅需保证药物的溶出超过药物的吸收即可。
5 总结
当前的研究表明RG7388对CYP3A酶的诱导具有猴子种属特异性,且与人体无关。
PBPK模型结构进一步显示RG7388多次给药后在猴子体内暴露的减少主要是因为肠道代谢的诱导作用,部分的贡献来自于肝脏清除的诱导。
首次人体PK试验的临床观测结果进一步证实了人肝细胞和PBPK模型的预测结论,即该诱导作用与人体无关。
6 该案例应用的软件是GastroPlus (version 6.1.0008),涉及模块有Base, PBPK, Metabolism & Transporter。
参考文献
Glenn KJ, Yu LJ, Reddy MB, et al., Investigating the effect of autoinduction in cynomolgus monkeys of a novel anticancer MDM2antagonist, idasanutlin,and relevance to humans. Xenobiotica. 2016 Aug; 46(8): 667-76. IF: 1.857