研究前沿 | 藥物雜質研究中的毒理學評估

藥物雜質

在藥物研發中雜質的研究貫穿其整個階段，是保證藥品質量的重要內容。藥品中的雜質一般分為三類：有機雜質、無機雜質及殘留溶劑。

有機雜質是指在藥品的生產與儲存過程中引入的有機化合物雜質，這些雜質可以是已知的、未知的、揮發性的或不揮發性的雜質。其來源多種多樣，主要包括：降解產物、聚合物、原料藥與輔料或內包材的反應產物、以及原料藥制備過程中引入的起始原料、副產物、中間體、反應試劑、配位體與催化劑。

無機雜質是指在藥品的生產過程中引入的無機物質，這些雜質通常是已知的，主要包括：反應試劑、配位體與催化劑、重金屬或其它殘留的金屬、無機鹽、過濾助劑、活性炭等其它物質。

藥品中的殘留溶劑系指原料藥或輔料的生產中，以及制劑制備過程中使用的，但在工藝操作過程中未能完全去除的有機溶劑，一般具有已知的毒性。

雜質研究及控制是藥品安全保證的關鍵要素之一，是藥品研發中風險控制意識的重要體現,藥品臨床使用中的不良反應除了與藥品本身的藥理活性有關外，有時還與藥品中的雜質有關，須嚴格控制。

ICH Q3藥物雜質指導原則

藥物原料或制劑中的雜質可能引起臨床不良反應。雜質毒理學評估是藥物研究的重要內容。化學合成藥的原藥和制劑中雜質的毒性，尤其是遺傳毒性，是影響藥物安全性的重要因素。

ICH (International Council on Harmonization of Technical Requirements for Pharmaceuticals for Human Use, 國際人用藥品注冊技術要求協調會)制定了如何控制藥品雜質的指導原則，現行指導原則包括：

Q3A (R2)：新原料藥中的雜質(Impurities in New Drug Substances)

Q3A主要闡述了原料藥中對雜質控制的整體思路、方法和限度。Q3A中規定了新活性藥物成分（active pharmaceutical ingredient, api）中雜質需要進行報告、鑒定和界定的限度。如雜質含量超過鑒定限度或達到質控限度，藥物研發者有義務對雜質的安全性進行評價。

Q3B (R2)：新藥制劑中的雜質(Impurities in New Drug Products)
Q3B闡述了新藥制劑中雜質控制，包括藥物原料的降解產物或者藥物與賦形劑和/或直接接觸容器的反應產物。Q3B中規定了新藥制劑中降解產物的報告、鑒定和界定的限度。

Q3C (R8)：雜質：殘留溶劑的指導原則(Impurities：Guideline for Residual Solvents)

Q3C引入了每日最大允許量(permitted daily exposure, pde)的概念，指藥物中的雜質每日最大可接受而不產生毒性的攝入量，同時描述了PDE的計算方式。Q3C依據可能的健康風險程度，將常見的藥物制劑中殘留溶劑分為3類，并規定了相應殘留溶劑的PDE值，如二甲苯的PDE值為21.7 mg/天。

Q3D (R2)：元素雜質指導原則(Guideline for Elemental Impurities)

Q3D對元素雜質的控制思路和策略類似于殘留溶劑的控制。根據元素雜質的毒性和制劑中存在的可能性，Q3D將24種元素雜質分為四類，并給出不同暴露途徑下相應PDE值。

毒理學風險評估

傳統的毒理學評估主要是基于動物試驗，但體內試驗復雜且費用高昂，同時由于保障動物福利等原因，故在化學品安全評估中，需要優先考慮減少動物測試，要求更積極地采用動物替代方法來獲取化合物特性數據。化合物的毒理學風險評估是利用相關數據庫和文獻資料，針對特定化合物進行風險評估的方法。其檢索評估的成本遠低于生物學試驗。因此結合文獻資料和數據庫進行毒理學風險評估已逐步代替生物學試驗。部分監管單位如美國FDA也建議結合化合物的毒理學數據來開展風險評估。

1. 毒理學評估流程

圖1：毒理學評估流程

毒理學數據來源：

權威機構文件：ICH、FDA、U.S.EPA、WHO/JECFA、EFSA、OECD和ATSDR等

公開數據庫：ECHA、HSDB等

2. 非基因毒雜質的評估（PDE法）

對于非基因毒性化合物或具有實際閾值的基因毒物質，根據ICH Q3C和ICH Q3D指導原則推導PDE值。

PDE值是由POD（Point of Departure）結合不確定因子推導得到，PDE的計算公式如下：

PDE = POD × BW ÷ (F1 × F2 × F3 × F4 × F5 ×F6)

POD是檢索獲得的人類或動物相關毒理學試驗的數據，是在對化合物的全身毒性、基因毒性、致癌性、生殖發育毒性、神經毒性等生物學終點進行全面考察，并依據產品的接觸途徑、接觸人群、接觸時間等信息來綜合判斷選定的，如NOAEL (No observed adverse effect level)，LOAEL (Lowest observed adverse effect level)，BMDL (Benchmark dose low)，RfD (Reference Dose)等。

BW為質量調整系數，ICH假設任何性別的成人體重均為50 kg。

F1~F6：不確定因子，對選擇的POD進行種內差異、種間差異、暴露時間、途徑轉換等修正。

3. 基因毒雜質的評估

基因毒性雜質（genotoxic impurity，GTI）是指藥物中能直接或間接導致DNA受損引起基因突變，并具有致癌性或者潛在致癌可能性的一類雜質。基因毒性雜質是受到藥品監管機構和制藥企業重點關注和控制的對象，由于其較一般雜質具有微量水平就存在潛在致突變性和致癌性風險的特點，需要嚴格控制其在藥物中的含量以保證藥物質量與臨床應用的安全性。

藥物雜質研究中，首先基于警示結構，鑒別并分離出其中可能的基因毒性雜質。通過數據庫文獻檢索、定量結構-效應關系（Quantitative Structure-Activity Relationship, QSAR）評估和體內外相關毒理學試驗，對可能存在的基因毒性雜質進行分類并確定可接受的限度標準。

ICH M7 (R2) 評估和控制藥物中DNA反應性（致突變）雜質以限值潛在致癌風險(Assessment and control of DNA reactive (mutagenic) impurities in pharmaceuticals to limit potential carcinogenic risk) 根據雜質的致突變性和致癌性分為5類。

3.1.有數據物質的限值推導（AI法）

對于已知的基因毒性致癌類化合物，可以根據其致癌性數據（TD₅₀或SF）和線性外推的方法計算出該化合物特定的AI（acceptable intake）值。具體有以下兩種方法。

TD₅₀法：當動物致癌試驗的數據可用時，將TD₅₀（腫瘤發生率為50%時對應的劑量，相當于致癌風險水平為1:2）線性外推至致癌風險為10^-5時對應的劑量，以此得到AI值。

AI（mg/kg/天）= TD₅₀（mg/kg/天）÷ 50,000

SF法：斜率因子（slope factor）是暴露于1 mg/kg/天致癌化合物的單位癌癥發生率。當斜率因子可用時，可以通過計算終生致癌風險為10^-5時對應的劑量得到AI值。

AI（mg/kg/天）= 10^-5 ÷ SF（mg/kg/天）^-1

對于有數據支持為非基因毒性化合物或具有實際閾值的基因毒物質，根據ICH Q3C和ICH Q3D指導原則推導PDE值。計算方法同上述非基因毒物質PDE推導方法。使用該方法時需要更多的毒理學數據，證明閾值機制的存在。

3.2.無數據物質的限值確定（QSAR軟件預測和TTC法）

根據ICH M7中的描述，危害性評估首先通過對數據庫和文獻的檢索獲得雜質致癌性和細菌致突變數據對實際和潛在雜質進行初步分析，并將其歸為1、2或5類。如果無法獲得化合物的致突變和致癌性數據及分類依據，則可進行定量結構-效應關系（QSAR）預測，如預測細菌回復突變性。常見的QSAR模型可分為專家知識模型（rule-based model）和統計學模型（statistic-based model）。專家知識模型是基于專家經驗制定的各種規則所建立的；而統計學模型則是基于回歸分析、偏最小二乘、神經網絡等數學模型所建立。如果經兩種互補的QSAR方法（專家知識模型和統計學模型）預測均無致突變性，則可認為該雜質沒有致突變性，不建議做進一步的檢測，可以判定該雜質為5類。

當缺乏足夠的毒理學數據推導化合物的AI值，且QSAR預測細菌回復突變為陽性時，應使用M7 TTC法。ICH M7中的毒理學關注閾值（Threshold of Toxicological Concern，TTC），低于該水平時，可以認為暴露于該化合物對人類健康無明顯風險。在使用TTC評估原料藥和制劑中致突變雜質的可接受限度時，終生限度為1.5 μg/天。若存在同類基因毒雜質，可根據多個雜質的可接受攝入量來制定限度。

對于短于終生給藥的藥品中致突變雜質的TTC值可調整為更高劑量，不同給藥時長的單個雜質TTC如下：

3.3. 遺傳毒性試驗：

當QSAR軟件評估致突變得到陽性結果時，也可進一步進行體外評估（如：Ames試驗）。如果Ames試驗為陰性，則該雜質應歸為5類。如果Ames試驗結果為陽性，后續應進行體內試驗，明確體內致突變風險。

小結：

PDE法多用于非基因毒致癌物。對于致癌性數據為陽性的致突變雜質，需使用AI法進行評估。在目標化合物數據無法獲得的情況下，可以通過QSAR預測并使用TTC值進行評估。

毒理學風險評估的應用

1.藥包材相容性

藥物在儲存過程中，有效成分會持續與主要包裝系統的材料發生相互作用。包裝材料中的物質可能會遷移到藥物中，對藥效產生不利影響或者導致毒性。可提取物和可浸出物(E&Ls, extractable and leachables)研究可提供其相互作用的數據，從而評估其潛在風險。任何測得超過分析評估閾值（AET）的化合物都應該被識別出來并報告其檢出量，該檢出量應根據藥品使用方式轉化為患者潛在暴露的估計值，再與化合物對應的允許限量（如PDE）進行比較，判斷風險。

2.雜質限度

當企業在新藥研發過程中，某特定雜質超出了ICH Q3的限度要求，應當除去這個雜質或降低到ICH Q3要求的限度水平，但這可能是非常困難或代價非常高的。那么可以根據該雜質的毒性水平制定其PDE值。PDE與限度本質上等同，都用于表示雜質控制的水平，不同在于ICH Q3中的限度通常以百分比（%）表示，而PDE為某種化合物的特定限度，是根據其毒性數據專門推導得到，通常用μg/天表示。PDE除以產品的最大日服用劑量，得出特定化合物的安全限度值。

3.共線生產中的殘留限度

當一個共用設施替代多個專用設施生產不同藥品時，首先要解決如何防止交叉污染的問題。產線上的一種藥品的殘留對同產線其他藥品使用的患者來說可能屬于污染物，從而帶來潛在風險。因此，在共線生產過程中建立科學的清潔限度尤其重要。基于健康的暴露限度（health-based exposure limit，HBEL，如PDE值）常被用于共線生產中用于設定清潔驗證的殘留限度。

傳統方法：1/1000最低日治療劑量、10ppm方法等。統一限度，但存在風險和局限。

HBEL法：使用PDE、ADE（acceptable daily exposure）等，更加科學合理。

2014年歐洲藥品管理局(EMA)發布的共用設施中生產不同藥品的暴露限度設定指南《Guideline on setting health based exposure limits for use in risk identification in the manufacture of different medicinal products in shared facilities》和2020年世界衛生組織（WHO）發布的清潔驗證指南草案《Points to consider when including Health-Based Exposure Limits (HBEL) in cleaning validation》，均提出需要使用以HBEL為基礎的殘留限度。

2023年，中國國家藥品監督管理局藥品審核查驗中心（CFDI）發布《藥品共線生產質量風險管理指南》，其中提到“活性物質殘留限度標準應當基于產品毒理試驗數據或毒理學文獻資料結合實際生產情況建立。相對于傳統方法設定的限度來說，基于健康的暴露限度（HBEL）的可接受標準（如PDE值）在評估清潔殘留數據時更具有科學性和優勢”。體現出國內對于HBEL方法的關注度也逐漸提高。

SGS生命科學服務部有豐富的藥品包材相容性和雜質的評估經驗，同時擁有多名毒理學專家，每年服務項目上百個，涵蓋多種藥物制劑形式和給藥途徑。我們的毒理學專家專業背景覆蓋毒理學、藥理學、生物學、材料學、化學等多個領域，擁有美國（DABT）、歐盟（ERT）和英國（UKRT）分別認可的毒理學專家資格，保障評估的專業性和認可度。專家們熟稔國內外相容性研究相關指導原則和法規（如USP1663/1664、ICH Q3C、ICH Q3D、ICH M7和美國PQRI），依托SGS豐富的數據庫資源和專業的毒理學軟件，對檢出的化合物進行評估，推導合適的安全限值，提供高效的報告定制撰寫服務，為藥品的安全性評價提供支持。