化学药物中遗传毒性杂质的识别及其风险评估

基因毒性杂质
2022年9月19日

对于化学药物,在活性药物成分生产过程中,一些起始物料(Starting Material)、中间体(Intermediate)、试剂(Reagent)和反应副产物(Byproduct)不可避免地作为杂质存在于最终产品中,药物的安全性不仅取决于药物本身的毒性情况,也与其所含有的杂质密不可分。

2017年6月,国家食品药品监督管理总局加入ICH(国际人用药品注册技术协调会),标志着我国在药品安全方面正式与国际接轨,并在2020年版的《中国药典》中增加了“遗传毒性杂质控制指导原则”(指导原则9306),自此,国内监管机构对遗传毒性杂质研究与控制的关注程度日益提高。

遗传毒性杂质 

根据中国药典,遗传毒性杂质是指能引起基因毒性的杂质,包括致突变杂质和其他类型的致DNA损伤杂质

致突变杂质(Mutagenic Impurity)指在较低水平时也有可能直接引起DNA损伤,导致DNA突变,从而可能引发癌症的遗传毒性杂质。

DNA即脱氧核糖核酸(Deoxyribo Nucleic Acid),是生物细胞内含有的四种生物大分子之一核酸的一种。DNA共有三级结构,其一级结构是指四种核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的排列顺序,通过磷酸二酯链接形成的多核苷酸,由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同,又可称为碱基顺序。DNA的一级结构决定其高级结构,高级结构又决定和影响一级结构的功能。

致突变性研究 

在19世纪70年代Elizabeth C. Miller和James A. Miller对化合物致癌机理深入研究的基础上,提出来注明的化合物致癌的“亲电理论”,理论认为DNA的亲和活性基团主要有碱基上的氮、碱基上的氧、碱基上特定位置的碳一级磷酸酯骨架,这些位点与亲电试剂发生反应而产生不可逆的变化,从而引起基因突变,而基因突变是诱发癌症的重要原因。

组成DNA的四种碱基结构

附图1 组成DNA的四种碱基结构

(图片源自:王文娟,盛卸晃等,化学合成碱基对及其DNA结构性能研究新进展,山东师范大学学报(自然科学版),Vol.33 No.3 (2018) 253-264)

在Miller夫妇的理论研究之后,Bruce Ames博士在1975年提出并在1983年完善了致突变物的测试方法,即细菌回复突变实验(Bacterial Reverse Mutation Assay,也称Ames试验),本试验包含鼠伤寒沙门氏菌回复突变试验和大肠杆菌细菌回复突变试验。

该理论和试验方式起初由Ames等人对已知致癌的300个化合物使用该方法进行验证,后有多位科学家对该方法进行了验证,包括Purchase(Imperial Chemical Industries)、Sugimura(National Cancer Center Research Institute)、Bartsch(International Agency for Research on Cancer)等,以上验证研究中所包含的化合物虽有所重复,但是研究结果显示:接近90%的致癌物显示具有致突变性

在Miller夫妇所提出“亲电理论”的基础之上,John Ashby等在19世纪80年代提出了致癌性的警示结构概念(Structural Alert),其理论基础是具有相关功能基团或亚结构特征的化合物,可以进攻或修改DNA进而导致产生多种癌症。

John Ashby在对222个已经过NTP(National Toxicology Program)在大鼠和小鼠上研究确认的致癌物进行评估的基础上,评估每个化合物的警示结构片段以及Ames试验的致突变性结果和致癌性试验结果之间的关系。

研究结果显示,含有警示结构片段的化合物与Ames阳性试验结果的相关性约为90%。

包含各警示片段结构虚拟致癌物结构附图2 John Ashby提出的包含各警示片段结构虚拟致癌物结构

(图片源自:John Ashby, Fundamental Structural Alerts to Potential Carcinogenicity or Non-carcinogenicity, Environmental Mutagenesis 7:919-921 (1985).)

在Ashby等人相关研究的基础上,Romualdo Benigni和Cecilia Bossa等人在已知的4337个化合物致突变试验结果和1189个化合物致癌性试验结果的基础上,归纳总结了如下具有潜在风险的结构特征

警示结构片段

附图3 Benigni等人整理的警示结构片段

(图片源自:Romualdo Benigni, Cecilia Bossa, Structure alerts for carcinogenicity, and the Salmonella assay system: A novel insight through the chemical relational databases technology, Mutation Research, 659 (2008) 248-261.)

研究者Benigni等人在对相关致癌/致突变的警示结构片段归纳总结后,结合权威数据库约900个化合物的致癌性/致突变性结果,从灵敏度、专属性和准确度三个纬度对警示结构的假设进行了验证,结果显示:

对于致突变性预测,Benigni理论的验证得分为72%至85%,Ashby理论的验证得分为74%至82%;对于致癌性预测,Benigni理论的验证得分为64%至74%,Ashby理论的验证得分为64%至69%。

结果表明,以上两种警示结构的汇总,均可对于潜在遗传毒性杂质的识别起到重要作用,对化学药物研发过程中潜在杂质的风险评估和质量控制起到非常重要的价值。

化学药物的杂质研究 

对化学药物的杂质研究,要从其合成工艺入手,结合工艺过程中的试剂、溶剂等信息,综合考虑每步化学反应的反应机理及潜在的副反应,梳理反应过程中有潜在产生可能的杂质,再结合目前已有的相关警示结构信息,识别其中有潜在遗传毒性风险的杂质。

在对相关杂质进行梳理和识别的基础上,结合QSAR预测及文献检索、数据评价等手段,对相关杂质制定适宜的研究和控制策略,确保相关药品的安全性和有效性,以符合监管部门日益提高的审评要求。

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