1. 임상시험을 위한 비임상 독성시험의 항목 및 일정
임상시험 1상, 2상 3상 및 신약허가의 단계별로 필요한 비임상 독성시험 항목설정의 예를 알아보자.
가정 : 개발진행 중인 약물로는 경구투여용 위궤양치료제로 독성이 거의 없으며 허가를 조기에 획득하는 것을 목표로 한다. 임상1상시험은 건강한 성인 남성을 대상으로 단회용량증량시험 및 10일 반복용량증량시험을 실시하고 추가로 반복용량증량시험시 음식물의 영향, 노령자, 약물상호작용에 대해 동시진행하는 것으로 가정하고 임상 1상시험은 1년이내에 종료한다.
임상2상시험은 남성, 비가임여성 및 피임가임여성을 대상으로 2주이내 투여하여 surrogate marker를 통하여 약효를 확인한다. 임상2상시험은 2년 이내에 종료하는 것으로 목표로 한다.
임상3상시험은 남성, 비가임여성 및 150명 이내의 피임가임여성을 대상으로 3개월이내 투여하여 치료효과를 확인한다. 임상3상시험은 2년 이내에 종료하는 것으로 목표로 한다. 품목허가는 남성 및 여성을 대상로 3개월 이상 투여할 수 있는 약물을 개발코자 한다
이러한 가정하에 각 단계별로 필요한 독성시험 및 안전성약리시험 항목을 설정하여 보자. 임상 1상을 위해서는 한국 식약처의 임상시험계획승인지침에 따라 설치류 및 비설치류의 단회 투여독성시험, 설치류 및 비설치류의 2주 이상의 반복투여 독성시험, In vitro 유전독성시험 및 안전성약리 care battery시험을 수행하여야 한다. 임상2상시험에서는 가임여성이 포함되므로 생식독성시험자료가 모두 요구되며, 또한 In vivo 유전독성시험도 임상2상전에 제출하여야 한다. 임상3상시험의 경우 투여기간이 3개월이므로 설치류 및 비설치류를 대상으로 한 3개월 이상의 반복투여독성시험자료가 필요하다. 3개월 이상 투여할 수 있는 품목허가를 위해서는 설치류 6개월, 비설치류 9개월 반복투여독성시험자료와 발암성시험 및 추가 안전성약리시험 자료가 요구된다.
한편, 한국 식약처고시와 ICH M3R2가이드라인의 차이점으로, 단회투여독성시험은 임상 1상시험전에 수행하지 않아도 되며 3상전 1종에 대한 non-GLP자료를 제출할 수 있다. 또한 생식독성시험자료의 경우 임상 2상은 2주이내투여이므로 피임을 실시할 경우 생식발생독성시험 없이 시험을 실시할 수 있으며, 3개월간 반복투여되는 임상 3상 시험에서도 150명 이내의 피임 가임여성을 대상으로 하는 경우는 수태능 및 초기배 발생독성시험(Seg.1)과 배태자 발생시험 예비시험 자료로 임상시험이 가능하다. 배태자 발생시험 본시험(Seg.2)과 출생전후 발생 및 모체기능시험 (Seg. 3)자료는 품목허가시 제출할 수 있다.
각 시험의 시험수행 기간을 고려한 시험착수시기를 알아보면 그림과 같다. 임상 1상 시험을 승인 받기위한 IND자료의 준비를 위해 필요한 비임상시험에 필요한 기간은 6~1년이 소요되며, 한국 식약처의 임상 2상 시험 허가를 위해서 필요한 생식독성시험은 예비시험을 포함할 경우 2년 이상이 소요되므로 임상 1상 착수전에 생식독성시험 예비시험을 수행하여야 한다. 만약 ICH M3R2 규정에 따라 시험을 수행할 경우 생식독성시험은 임상3상 혹은 품목허가시에 제출할 수 있다. 각 임상시험에 필요한 비임상시험의 시험기간을 미리 고려하여 비임상시험에 착수하여야 임상시험을 일정에 맞게 수행할 수 있다. 만약 임상 2a (POC임상)시험 이후에 기술수출 (Licensing-out)을 계획하고 있다면 비용이 많이 소요되는 만성독성시험, 생식독성시험, 발암성시험 등을 미리 수행하지 않을 수 있다.
2. 비임상독성시험의 결과해석시 고려 사항
비임상독성시험의 결과해석시 아래의 사항을 충분히 고려하여야 한다. 먼저 관찰된 이상소견이 투여한 시험물질과 관련된 변화인지를 파악하고, 이러한 이상소견이 정상상태에서도 관찰될 수 있는 견딜 수 있는 수준인지 독성으로 평가될 정도의 이상소견인 지를 판단하여야 한다.
만약 독성으로 평가될 정도의 이상소견이라면 이것이 약물의 기전과 관련된 독성 (On target toxicity) 인지, 기전과 관련없는 독성 (off target toxicity)인지를 살펴보고, 회복군을 두어 독성 소견이 회복이 되는지도 관찰하여야 한다. 또한, 관찰소견이 얼마나 심각한 소견인지를 파악하여야 하는데, 심각성의 정도는 적응증과 기존의 치료제 유무에 따른 위해-유익 분석 (risk-benefit analysis)에 따라 판단한다. 즉, 악성 종양과 같은 생명을 위협하는 질환의 치료제로 기존의 치료제로 치료효과를 기대하기 어렵다면, 새로 개발되는 신약의 경우 어느 정도 부작용이 있더라도 효과가 충분하다면 심각도는 낮다고 할 수 있다. 반면, 소화제와 같이 생명을 직접 위협하는 질환이 아니거나 당뇨병과 같이 안전하고 유효한 약물이 많이 개발되어 있고 환자수가 많은 적응증의 경우는 평균혈압을 미약하게 상승시키는 정도의 부작용이라도 매우 심각하게 받아들여야 한다.
독성시험에서 관찰된 독성이 사람에서도 나타날 수 있는 독성인지 (Human relevance), 사람에서 쉽게 측정 가능한 독성소견인지 (Monotorability), 사람에서 독성여부를 측정하기 위한 적절한 바이오마커가 개발되어 있는지 등도 중요한 고려사항이다. 단회 및 반복투여독성시험과 같은 일반독성시험에서 가장 중요한 고려사항으로는 무독성량 (No Observed Adverse Effect Level, NOAEL)과 최대내성(Maximum Tolerable Dose) 및 안전역 (Safety Margin) 이다.
3. 최초 임상시험 계획시 주요 고려사항
최초 임상시험을 계획할 시에 주요한 고려사항은 아래와 같다.
1) 누구를 대상으로 할 것인가? 건강한 성인을 대상으로 할 것인지, 환자를 대상으로 할 것인지, 남성만을 대상으로 할 것인지, 대상연령대 등에 대한 고려가 필요하다.
2) 최초 투여용량은 어떻게 결정할 것인가?
3) 용량을 증량할 경우 얼마씩 증량할 것인가?
4) 최대 얼마의 용량까지 투여할 것인가?
5) 반복투여한다면 얼마나 오랫동안 투여할 수 있는가?
6) 투여경로는 어떻게 설정할 것인가?
7) 관찰항목은 어떻게 설정할 것인가?
이중 4)~7)의 경우 비임상 약효 및 독성시험 결과에 따라 설정이 가능하며, 이번 장에서는 1)~3)에 대해 자세히 알아본다.
4. 대상 피험자의 선정
최초로 사람에게 실시하는 임상시험의 경우 대상피험자를 환자를 대상으로 할 것인지, 건강인을 대상으로 실시할 것인지는 비임상시험결과와 적응증을 고려하여 결정하여야 한다. 비임상시험 결과 중 약효와 독성을 비교하여 그 비율이 충분히 크고 (안전역이 크고) 관찰된 독성이 심각하지 않고 사람에서 쉽게 측정이 가능하며 약물투여 중단시 회복가능하다면 건강한 피험자를 대상으로 임상시험을 실시할 수 있다. 반면, 적응증이 치명적인 질환을 대상으로 하는 약물이면서, 비임상시험에서의 안전역이 크지 않고, 관찰된 독성이 심각하거나 사람에서 측정이 어렵고 회복이 되지 않는 경우라면 환자를 대상으로 임상시험을 실시하여야 한다. 이 두가지 경우에 포함되지 않는 약물의 경우는 다른 대안의 약물이 있다면 임상시험허가를 받기 어렵다.
5. 임상 초회용량 설정방법
임상 초회용량 설정방법에는 아래와 같이 4가지의 방법이 있다.
1) NOAEL/PAD Based Approach
2) MABEL Based Approach
3) PK-guided Approach
4) 항암제 case
6. NOAEL/PAD Based Approach
먼저 NOAEL/PAD 기반의 용량설정법은 미국 FDA에서 2005년 7월 발간된 가이드라인에 자세히 기술되어 있다. NOAEL/PAD 기반의 용량설정법은 합성신약 혹은 생물의약품에 적용이 가능하지만 내인성호르몬, 생리적인 농도로 사용되는 단백질 (예를 들면,재조합응고 인자), 예방백신 등에는 적용되지 않는다. 또한, 전신노출을 목적으로 하는 의약품에 적용할 수 있으며, 국소제제, 비강투여, 조직내투여, 구획내투여, 서방제 등에는 적용되지 않는다. 이 용량설정법은 임상시험을 위해 정상성인의 초기 임상개시 가능 최고용량 (Maximum Recommended Starting Dose, MRSD)을 결정하는 과정으로 환자를 대상으로 실시되는 임상시험(일부 세포독성 유발 항암제 등)에는 적용되지 않는다.
초기 임상시험에서 독성이 관찰되어서는 안된다. 그러나, 용량은 임상1상시험의 목적(예를 들어, 치료의 내약성평가, 약물동태학적 또는 약물동태학적 프로파일)을 합리적으로 빠르게 성취 될 수 있도록 용량을 선택하는 것이 필요한다. MRSD를 결정할 때, 약리 활성 용량에 대한 정보, 모든 독성시험자료 및 약물동태(흡수, 분포, 대사, 배설)자료 등의 모든 전임상시험 결과를 모두 고려하여야 한다. MRSD이하의 용량부터 임상시험을 실시할 수 있다. 즉 MRSD는 최대 가능 용량을 뜻한다 (upper limit).
NOAEL/PAD 기반의 용량설정법에서의 용량설정 절차는 아래와 같다.
① 독성실험에서 각 동물종의 NOAEL 결정
② HED 계산
③ 가장 적당한 동물종 선정
④ Safety factor의 적용
⑤ MRSD의 산정
⑥ PAD를 고려한 Clinical Starting Dose 산정
1) 무독성량 (No Observed Adverse Effect Level, NOAEL)
무독성량은 대조군 대비 부작용이 유의하게 증가하지 않는 최고용량을 뜻하는 것으로, 여기서 유의하다는 의미는 생물학적 유의성을 의미한다. 즉 통계적 유의성이 없더라도 생물학적 유의 성이 있다면 부작용으로 평가되어야 한다. 즉, NOAEL은 약력학적 작용에 의한 수용할 수 있는 수준의 효과로서 안전성의 우려가 없는 용량 포함 (안전성우려가 없는 작용량 포함)하며, 부작용이 일부 있으나 생물학적으로 유의미 하지 않은 정도의 용량을 포함한다.
NOAEL 산정에 사용되는 비임상 독성시험에서의 3가지 독성 형태로 첫째, 임상증상, 육안적 & 현미경적 병변 등과 같은 분명한 독성 (overt toxicity), 둘째, 간효소수치 (ALT, AST 등)와 같은 독성 대리지표 (surrogate markers of toxicity), 셋째, 과도한 약리작용 (exaggerated pharmacodynamic effects)이 있다. 과도한 약리작용에 의한 독성의 예로 erythropoietin이 있다. Erythropoietin(EPO)은 적혈구 산생인자로 EPO투여시 골수에서 적혈구산생을 촉진시켜 빈혈치료에 사용되는 약물이지만, 과도하게 많은 독성용량을 실험동물에 장기간 투여할 경우, 적혈구가 과도하게 생산되어 말초혈관이 막히는 부작용이 발생하게 되고, 심할 경우 꼬리 및 사지 괴사, 호흡부전, 심근경색, 뇌경색 등에 의해 폐사까지 유발된다.
동일한 독성증상이라 하더라도 치료제의 종류 따라 부작용인지 아닌지가 달라질 수 있다. 즉 risk-benefit analysis에서 예를 든 것과 같이 소화제와 항암제의 경우 유사한 탈모증상이 관찰된다 하더라도 치료제의 종류에 따라 독성으로 판단할 수도 있고, 독성이 아니라도 볼 수도 있으므로 어떠한 작용이 부작용인지 아닌지를 명문화 하여 규정하기 어렵다 (Case-by-Case approach 필요).
2) 사람등가용량 (Human Equivalent Dose, HED)의 계산
독성실험에서 NOAEL 산정되면 이를 사람용량으로 외삽하는 가장 적합한 방법을 사용하여 HED를 산출한다. HED를 산출하는 방법은 체표면적 기준 변환법, mg/kg 용량사용법, 기타 다른 변환법이 있다 (일반적으로 체표면적을 기준으로 하는 변환법 사용).
가) 체표면적 기준 변환법
체표면적 기준 변환법은 Freireich 등 (1966) 과 Schein 등(1970)이 항암제 용량을 표준화 (normalize) 하데 있어서 체표면적을 이용하는 것이 가장 적합하다는 것을 최초로 증명하였다. 이후에 동물에게 전신 투여된 약물의 독성지표(MTD 등)는 체표면적(mg/m2)으로 표준화 (normalize)하였을 때 종간 외삽에 가장 적합하다는 것을 EPA (1992) 및 Lowe 와 Davis(1998) 등이 보고하였고, Contrera 등(1995)은 Rat와 사람에서의 AUC/time curve도 용량을 체표면적으로 표준화하였을 때 가장 적합하다고 보고하면서 일반화되기 시작하였다.
체표면적 계산에 있어서 내재적 체표면적인 W0.67 보다 W0.75로 환산하는 것이 더 적합하다는 보고도 있으나(Travis and White 1988; Watanabe et al. 1992), 내재적 체표면적을 이용한 용량표준 화(W0.67)가 더 널리 사용되고 있다(이때 W는 체중을 의미함). FDA 에서 NOAEL을 HED로 변환시 체표면적 기준 환산법(W0.67)을 사용하는 이유는 아래와 같다.
① 체표면적 평준화는 독성 및 PK 연구에 널리 사용되고 있다.
② W0.75에 비해 더 보수적인 접근방법이다.
③ NOAEL의 변환에 현재까지 더 우월한 방법이 없다.
④ CDER에서 체표면적 평준화로 초회용량을 설정한 많은 경험이 있다.
동물별 mg/kg 용량을 mg/㎡ 용량으로 변환하는 공식은 mg/㎡ = mg/kg x Km 이다.
예를들면, Mouse의 Km = 3 이므로 mouse의 120 mg/kg 은 360 mg/㎡ 와 같다. Rat의 Km = 6 이므로 rat의 60 mg/kg 은 360 mg/㎡ 와 같다.
Monkey의 Km = 12이므로 monkey의 30 mg/kg 은 360 mg/㎡ 와 같다.
Dog의 Km = 20이므로 dog의 20 mg/kg 은 400 mg/㎡ 와 같다.
Human의 Km = 37이므로 human의 10 mg/kg 은 370 mg/㎡ 와 같다.
즉, Human: Dog: Monkey (Rabbit): Rat: Mouse = 1: 2: 3: 6: 12 (mg/kg) = 유사한 mg/㎡ 용량이 된다.
Table 1은 FDA에서 제시하고 있는 체표면적 환산을 위한 상수(Km)를 나타낸것이다.
a : 사람은 체중을 60 kg으로 가정함. 표준체중을 벗어나거나 여기에 제시되지 않은 동물의 경우는 아래의 공식으로 계산가능하다.
HED = animal dose in mg/kg x (animal weight in kg/human weight in kg)0.33.
b : 소아가 임상1상시험 자원자인 경우는 거의 없으므로 이 Km값은 단순 참고로 제공된 것임.
c : 원숭이는 Cynomolgus monkey(게잡이원숭이), rhesus monkey(붉은털원숭이), stumptail monkey(대머리원숭이) 등을 말한다.
체표면적을 기준으로 동물의 용량을 사람의 용량으로 변환하는 공식은 아래와 같다.
HED (mg/kg) = mg/kg x (KmAnimal / KmHuman)
Mouse 120 mg/kg 은 Human의 몇 mg/kg 에 해당하는가?
120 mg/kg x ( 3/37) ≒ Human 10 mg/kg
마우스의 120 mg/kg이 사람에서는 10 mg/kg과 유사한 용량이라는 의미이며, 랫드의 60 mg/kg, 원숭이의 30 mg/kg, 개의 20 mg/kg 이 각각 사람의 10 mg/kg과 유사하다는 의미이다.
Rat 60 mg/kg x ( 6/37) ≒ Human 10 mg/kg
Monkey 30 mg/kg x (12/37) ≒ Human 10 mg/kg
Dog 20 mg/kg x (20/37) ≒ Human 10 mg/kg
나) mg/kg 용량 사용법
동물의 mg/kg용량을 그대로 사람에게 적용하는 것이 적합한 경우는 아래와 같다.
① 독성시험에서 NOAEL이 종간에 유사한 mg/kg 용량을 나타낼 때 (단순 BA의 차이로 인해 NOAEL이 동일한 경우 제외), 즉, 마우스, 랫드, 개, 원숭이 등에서 체중이나 체표면적에 상관 없이 NOAEL이 모두 30 mg/kg으로 유사하다면 동물의 특정 용량을 사람등가용량으로 변환 시 동물의 용량을 그대로 적용할 수 있다.
② 두종의 동물에서 두개의 NOAEL 정보만 있고, 아래의 경우에 해당될 때 동물의 특정 용량을 사람등가용량으로 변환시 동물의 용량을 그대로 적용할 수 있다.
- 경구 투여 약물로 독성이 위장관에 국한된 경우 (위장관 무게 평준화식 W0.94)
- 사람의 독성증상이 exposure parameter (AUC, Cmax 등)에 따르는 것으로 알려져 있고, 종간 exposure parameter가 mg/kg 용량에 비례할 때.
ex) 사람에서 antisense oligonucleotide의 전신투여에 의한 보체활성은 Cmax와 일치한다고 알려짐 (Geary et al. 1997). 어떤 antisense drug은 종간 mg/kg 용량이 Cmax와 비례하며 이러한 경우는 mg/kg 용량을 HED산정에 사용
- 다른 약리학적, 독성학적 지표의 종간 변환에 mg/kg이 사용되는경우
ex) MTD, lowest lethal dose, pharmacologically active dose 등
- plasma drug levels (Cmax and AUC)이 mg/kg 용량과 견고한 상관관계를 가질 때
다) 기타 변환법
경피투여, 비강투여 피하투여, 근육내투여 등과 같은 투여경로를 가지며 독성증상이 해당 투여경로에 국소적으로만 나타나는 경우는 투여되는 약물의 농도 혹은 적용부위의 약물량 (mg)으로 용량을 표준화하여 사람등가용량을 산출하여야 한다. 척추강내투여, 방광내투여, 안구내투여, 흉막내투여 등과 같이 해부학적 구획내에 투여되는 약물로, 전신로 거의 노출되지 않는 약물의 경우 사람등가용량은 구획의 크기와 약물의 농도를 기준으로 평준화 할 수 있다. 또한, 100,000 dalton이상의 단백질이 혈관내 투여되는 경우 이러한 약물은 혈관외 조직으로의 분포가 거의 없으므로 mg/kg 용량을 그대로 사용할 수 있다.
3) 가장 적합한 종의 선택
초기 임상개시 가능 최고용량 (Maximum Recommended Starting Dose, MRSD) 산출을 위해 서는 가장 적당한(appropriate) 동물종의 data로부터 산출된 HED사용하여야 한다. 이때 가장 적당한 동물종이라함은 가장 적합한 (relevant) 동물종(사람과 가장 유사한 결과를 나타내는 동물종)을 말하며, 가장 적합한(relevant) 동물종으로 확정할 수 있는 data가 불충분 할 경우, 가장 민감한(most sensitive) 동물종 (HED가 가장 낮은 동물종)을 선택할 수 있다. 동물종 선택에 영향을 미치는 인자는 다음과 같다.
① 종간 ADME의 차이: 각 동물에서의 산출된 HED와 in vivo metabolic profile이 현저히 다를 경우, in vitro metabolism data가 사람과 유사한 종 선택하여야 한다.
② 동일계열 약물 사례: 기존에 개발된 동일계열 약물의 동물 및 사람에서의 시험결과가 있을 경우, 이들 약물에서 사람의 독성을 가장 잘 예측할 수 있는 동물종을 선택하여야 한다. 예를 들면 Antisense drug의 경우 원숭이가 가장 적합한 종으로 알려져 있다.
③ 사람유래 단백질과 같은 특정 생물의약품의 경우 receptor 혹은 epitope 의 적합성 (relevance)을 종선택에 중요한 인자로 활용할 수 있다.
4) Safety Factor (안전계수)의 적용
적당한 동물종에서의 HED(사람등가용량)가 산출되었다면 이 HED를 안전계수로 나누어 초기 임상개시 가능 최고용량 (Maximum Recommended Starting Dose, MRSD)을 산출할 수 있다. 안전계수는 임상자원자를 보호하기 위해 안전역을 확보하기 위하여 적용된다.
안전계수가 필요한 이유는 1. 동물의 시험결과를 사람에 외삽할때 있을 수 있는 변수 고려, 2. 사람의 약물 에 대한 민감도에 대한 불확실성, 3. 두통, 심리적 불안 등과 같이 동물에서 검출이 어려운 독성이 사람에서 발현될 가능성, 4. 사람과 동물에서의 수용체 밀도와 친화력의 차이 (receptor densities or affinities), 5. 동물에서 예측되지 못한 독성의 발현 가능성, 6. 사람과 동물에서의 ADME 차이 등이다.
FDA에서 기본으로 설정한 안전계수는 10이며 특정조건에 따라 증감하여 야 한다. 먼저 안전계수를 증가시켜야 하는 경우는 아래와 같다.
① 급격한 용량반응 곡선: 그림에서 보는 바와 같이 약물 A의 경우는 용량을 조금만 올려도 독성이 현저히 증가하지만, 약물 B의 경우 용량을 어느정도 올려도 독성이 완만하게 증가됨을 알 수 있다. 약물 A의 경우는 급작스런 독성반응이 나타날 가능성이 높으므로 안전계수를 증가시켜 임상자원자 보호를 강화할 필요가 있다.
② 중추신경계 독성과 같은 심각한 독성이 유발되는 약물
③ 다양하거나 낮은 생체이용률: 동물에서의 생체이용률이 종별로 편차가 크거나 생체이용률이 헌저히 낮은 경우, 사람에서 생체이용률이 매우 높아진다면 독성이 발현될 가능성이 있으므로 안전계수를 증가시켜 임상초회용량에서 독성이 관찰되지 않도록 하여야 한다.
④ 동물에서 관찰된 독성소견이 가역적이지 않은 경우는 가벼운 독성이라도 평생을 회복이 되지 않을 수 있으므로 안전계수를 증가시켜야 한다.
⑤ 동물실험에서 원인불명이 폐사가 관찰된 경우
⑥ 사람에서 추적 불가한 독성: 동물에서 임상병리적 변화를 동반하지 않는 조직병리학적 변화가 관찰된 경우 임상시험에서는 조직병리검사를 할 수 없으므로 암상자원자의 안전을 확보 하기 위해서 안전계수를 증가시켜야 한다.
⑦ 전구증상이 없이 발현되는 심각한 독성이 있는 경우
⑧ 종간 혹은 동물간 독성을 유발하는 용량이나 혈중농도의 차이가 클 경우
⑨ 비선형성 약물동태 (Nonlinear pharmacokinetics)를 보이는 약물의 경우 예측력이 낮으므로(Low predictability) 안전계수를 증가시킬 필요가 있다.
⑩ 부적절한 용량반응 자료: 부적절한 독성시험 디자인 (예를 들면, 적은 용량군수, 넓은 용량 범위 등), 용량대비 반응의 큰 차이 등이 있을 경우
⑪ 새로운 target의 약물 (First in Class 약물)
⑫ 동물모델의 제한된 유용성: 특정 생물의약품의 경우, 종간 교차반응성이 없거나 면역원성을 가지는 경우 혹은 사람과 동물에서의 작용기전이 일치하지 않는 경우
이상과 같은 경우에서는 임상자원자의 안전을 위해 안전계수를 높일 필요가 있다.
다음의 경우는 반대로 임상자원자의 안전이 어느정도 확보되어 있다고 판단되어 안전계수 를 낮출 수 있는 경우이다.
① 특성이 잘 알려진 calss약물로, 동물과 사람에서 질환의 치료를 위해 동일한 투여경로, 투여간격 및 기간일 경우 혹은 유사한 생체이용률, 독성 프로파일 및 대사 프로파일 (metabolic profile)을 가지는 경우
② 독성소견이 쉽게 측정가능하고 가역적이며 예측가능한 독성을 나타내거나 중등도의 완만한 용량반응 곡선을 가지고 종간 이관성 있는 독성을 보이는 경우
③ 임상대비 장기독성시험에서의 NOAEL을 사용시 (일반적으로 임상1상 초회투여시는 2주 ~ 4주 반복투여독성시험자료를 제출하며 이때의 NOAEL로 MRSD를 계산하지만, 3개월이상의 장기간의 독성시험자료를 제출하고 그 시험에서의 NOAEL을 사용하여 MRSD를 계산할 경우), 단기독성에서는 관찰되지 않았으나 투여기간이 증가함에 따라 누적되어 나타나는 독성으로 인해 NOAEL이 낮아졌을 때, 임상초회용량 설정을 위한 안전계수를 낮출 수 있다.
5) MRSD의 산정
결론적으로, 적당한 동물종에서의 NOAEL로부터 산출된 사람동등용량(HED)을 안전계수(safety factor)로 나눈 용량을 MRSD로 설정하면 된다.
MRSD의 산출례를 살펴보자.
Rat 4주 반복투여 독성시험에서의 NOAEL이 60 mg/kg 이었다. Rat가 appropriate animal species이고, safety factor를 10으로 설정시 임상 1상시험을 위한 MRSD는 얼마인가? 우선, HED (mg/kg) = 60 mg/kg x (6/37) ≒ Human 10 mg/kg 이고, MRSD = HED/SF = 10/10 = 1 mg/kg = 60 mg (Human 60 kg 가정) 이다. 따라서 rat에서 의 NOAEL 이 60 mg/kg이면 MRSD는 60 mg이 된다.
마찬가지로 계산해 보면, Mouse에서의 NOAEL이 120 mg/kg 이면 MRSD는 60 mg, Monkey (Rabbit)에서의 NOAEL이 30 mg/kg 이면 MRSD는 60 mg, 개에서의 NOAEL이 20 mg/kg 이면 MRSD는 동일하게 60 mg이 된다. 랫드를 기준으로 더 작은 동물은 NOAEL을 높게, 더 큰 동물은 MOAEL을 낮게 생각하면 쉽게 적용할 수 있다.
6) 약리학적 활성용량 고려
임상초회용량 (clinical starting dose)을 확정하기 위해서는 약효용량과 독성용량을 비교하여 낮은 용량을 선택한다. 우선, 동물에서의 약리학적 활성용량 (Pharmacologically Active Dose, PAD)을 사용하여 HED 를 산출한다. 이때 사용하는 방법은 MRSD산출시 사용한 변환방법을 동일하게 사용한다. 만약 MRSD 산출시 체표면적을 이용하여 변환하였다면 PAD-HED산출시도동일하게 체표면적을 이용하여 계산한다. 이때 계산된 PAD-HED(safety factor 적용 않음) 와 MRSD를 비교하여 낮은 용량을 임상초회용량으로 선정한다.
예를 들어, 적당한 동물종이 Rat인 약물의 NOAEL = 60 mg/kg, PAD = 3 mg/kg 일 때, 임상 초회 용량 (Clinical Starting Dose)은 얼마로 설정할 수 있는지 알아보자(단, safety factor = 10으로 가정). MRSD는 앞에서 계산한 바와 같이 60 mg/human이 되고 PAD-HED = 30 mg/human 이 된다. PAD-HED가 MRSD보다 작으므로 임상초회용량 (Cinical Starting Dose)는 30 mg/human 으로 설정할 수 있다.
7. MABEL을 이용한 임상초회용량 설정법
2005년 7얼 FDA에서 임상개시용량설정을 위한 가이드라인이 발표되고 난 다음해인 2006년에 3월에 영국 런던의 한 병원에서 실시된 TGN-1412에 대한 임상 1상 시험에서 최초로 약물을 투여받은 6명의 건강한 자원자에서 모두가 전신장기부전으로 1~4개월간 입원하였고 퇴원 후에도 상당기간 후유증이 유발되는 사건이 발생하였다.
TGN-1412는 만성 림프모구 백혈병 (B cell chronic lymphocytic leukemia, B-CLL)과 류마티스 관절염을 적응증으로 하는 면역조절 약물 후보물질로 CD28-Super Mab 이었다. 임상 1상 초회용량은 0.1 mg/kg으로 설정되었으며 이 용량은 원숭이 NOAEL인 50 mg/kg의 500배 이하의 용량이며, 체표면적 기준 변환에 의한 HED를 기준으로 160배 낮은 용량이었다. 즉 안전계수를 160으로 적용한 용량이었다. 이 사건이후에 임상 초회용량에 대한 재검토가 이루어졌으며, in vito 시험결과를 통해 예측하였을 때, 이 용량은 사람에서 CD28 receptor 90% binding할 수 있는 용량인 것으로 나타났다.
일반적으로 길항제(antagonist)의 경우는 수용체에 90%이상 결합하여야 길항작용이 충분히 발현될 수 있으나, 작용제 (agonist)의 경우는 10% 정도만 결합하여도 충분히 약효를 나타낼 수 있다. 이 약물은 CD28 작용제로 약효를 나타내기 위해서는 10%의 수용체와 결합할 수 있는 농도 즉 1 ug/kg 정도의 용량이면 충분히 약효를 나타낼 수 있었으나 실제 임상초회용량으로 투여 된 량은 이보다 100배나 많은 0.1 mg/kg 이었다.
이 TGN-1412사건 이후 유럽의 EMEA에서는 임상초회용량의 설정에 대한 논의를 시작하여 2007년 9월 1일자로 최소효력예측용량 (Minimal Anticipated Bilogical Effect Level, MABEL)을 기준으로 임상초회용량을 설정하고 위험도를 낮추기 위한 전략을 기술한 가이드라인을 발간하였다. 이 가이드라인에서는 위험도에 영향을 미치는 인자로 작용기전, target의 특성, 동물 모델의 적절성 등이 있으며 이러한 인자로 인해 위험이 높아질 수 있는 물질의 경우는 MABEL을 기준으로 임상초회용량을 설정토록 하고 있다.
최소효력예측용량 (Minimal Anticipated Biological Effect Level, MABEL)이란 사람에서 최소의 생리적 효과를 나타낼 것으로 기대되는 (예측되는) 용량을 말한다. 실제로는 사람에게 한번도 투여된 적이 없는 물질에 대한 예측이므로 정확한 값을 산출할 수는 없으나 최신의 기술을 모두 사용하여 예측값을 찾는 것이다.
MABEL산출방법으로는 여러 동물에서의 in vitro 시험결과 (Target binding, Receptor occupancy, 농도/반응 관계 등)와 여러 동물에서의 in vivo 결과 (PK/PD, PK/PD 모델링을 이용한 용량 혹은 노출/반응 관계 등)을 상호 비교하여 in vitro와 in vivo와의 상관관계를 동물 크기에 관한 함수식으로 만들고 (allometric scaling), 이것을 사람의 in vitro 결과에 대입함으로서 사람에서의 최소약효용량(MABEL)을 예측할 수 있다.
사람의 최회용량은 이렇게 산출된 MABEL을 안전계수로 나누어 산출한다. 만약 NOAEL과 MABEL을 이용하여 각각 산출한 임상초회용량이 서로 다를 경우는 낮은 용량을 임상초회용량에 사용한다. NOAEL을 기준으로 하는 산출법은 약효와 무관하게 독성을 기준으로 용량을 설정하지만, MABEL을 기준으로 하는 산출법은 독성과 무관하게 사람에서 약효가 나올 수 있는 용량을 기준으로 용량을 설정한다는 차이점이 있다.
8. 임상 초회용량 산출을 위한 PK-guided Approach
PK를 이용한 계산법은 용량(dose) 대신 전신노출(systemic exposure)을 이용하여 동물결과를 외삽 (extrapolation)하는 방법이다. 우선 동물 NOAEL 용량에서의 노출 (AUC) 값을 산출하고 (여러 동물 결과 있으면 가장 낮은 AUC 적용), 동물실험 결과를 allometric scaling 하여 인체에서의 Clearance (CLh) 산출한 다음 이 두 값을 곱하여 임상초회용량으로 설정한다.
SD (starting dose)=AUC x CLh
PK를 이용한 계산법의 예제
혈중 단백질과 결합하지 않고 용량-AUC 특성이 선형성을 지니며, 활성 대사물이 없는 약물 A에 대해 비글견에서 NOAEL용량에서의 AUC는 20g*hr/mL이고, 생쥐, 쥐, 비글견을 대상으로 약동학 시험 결과 예상되는 인체내 제거율 (CLh)는 15.0L/hr 이었다. 동물과 사람의 효력 (in vitro potency)차이가 0.1 (EC50 human/EC50animal)이어서 Safety Factor는 10을 적용하였다면, 인체에서의 starting dose (SD)는? 20g*hr/mL x 15.0L/hr=300mg, Safety Factor 10을 적용하면, 300/10=30mg 즉, 30 mg을 임상초회용량으로 설정할 수 있다.
9. 항암제 임상초회용량설정법
항암제 임상1상 시험시는 건강인이 아닌 난치성 악성종양환자를 대상으로 시험하는 경우가 많다. 이때, 안전성을 고려하여 너무 낮은 용량을 투여한다면 환자에서 치료효과를 볼 수 없으므로, 어느정도 안전성도 확보되면서 치료효과도 기대할 수 있는 용량을 선정하는 것이 중요하다.
ICH S9가이드라인에서는 대부분의 저분자 항암제에서 일반적으로 사용하고 있는 용량설정법을 2가지 제시하고 있다. 첫째는 설치류 독성시험에서 10%의 동물이 심각한 독성이 나타나는 용량 (Severely Toxic Dose 10, STD10)의 1/10 용량을 사용하는 방법이고, 둘째는 비설치류 독성시험에서 폐사, 치명적인 독성 혹은 비가역적인 변화 등과 같은 심각한 독성이 관찰되지 않는 최고용량 (Highest Non-Severely Toxic Dose, HNSTD)의 1/6 용량을 사용하는 방법이다.
10. 용량증량계획(Dose Escalation Schemes, DES)
마지막으로 임상초회용량이 설정되었으면, 이후에 얼마씩 용량을 증가시키는 것이 용량증량계획(Dose Escalation Schemes, DES)에 대해서 알아보자.
초회투여용량 설정과 함께, 임상시험에서 적용하고자 하는 최대 투여용량과 두 용량 (초회투여용량과 최대 투여용량)간의 단계 수를 설정하여야한다. 용량을 증량하는 방법으로는 산술적 증량 ( x, 2x, 3x, 4x, 5x ····), 기하적 증량 (x, 2x, 4x, 8x, 16x ····), 피보나치 변형법(x, 2x, 3.3x, 5x, 7x, 9x, 12x ····), 앞 용량에서의 PK를 통한 전신노출 및 동물 NOAEL에서의 AUC를 비교하여 다음 용량을 설정하는 방법 및 약효결과를 확인하고 다음 용량을 설정하는 방법 등이 있다.
용량증량 계획시는 용량반응곡선의 기울기, 동물 독성시험에서의 심각성과 가역성, 사람에서의 부작용 측정 가능성 (monitorability), 용량별 PK의 직선성, NOAEL용량에서의 AUC와 사람에서의 전신노출 정도 등을 고려하여 용량증량계획을 수립하여야 한다.
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