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S7A

37 min read

SAFETY PHARMACOLOGY STUDIES FOR HUMAN PHARMACEUTICALS

1.        INTRODUCTION

1.1      Objectives of the Guideline

This  guideline  was   developed  to  help  protect  clinical  trial  participants   and  patients receiving  marketed  products  from  potential  adverse  effects  of  pharmaceuticals,  while avoiding unnecessary use of animals and other resources.

This  guideline  provides  a  definition,  general principles  and recommendations for  safety pharmacology studies.

1.2      Background

Pharmacology studies have been performed worldwide for many years as part of the non- clinical  evaluation  of  pharmaceuticals  for  human  use.    There  have  been,  however,  no internationally  accepted  definitions,  objectives  or  recommendations  on  the  design  and conduct of safety pharmacology studies. (Note 1)

The term “safety pharmacology studies” first appeared in the ICH topics, “Timing of Non-  Clinical Safety Studies for the Conduct of Human Clinical Trials for Pharmaceuticals (M3)” and  “Preclinical   Safety  Evaluation  of  Biotechnology-Derived  Pharmaceuticals   (S6)”  as  studies that should be conducted to support use of therapeutics in humans (1, 2). Details of the  safety  pharmacology  studies,  including  their  definition  and  objectives,  were  left  for  future discussion.

1.3      Scope of the Guideline

This  guideline  generally  applies  to  new  chemical  entities  and  biotechnology-derived products for human use. This guideline can be applied to marketed pharmaceuticals when appropriate (e.g., when adverse clinical events, a new patient population, or a new route of administration raises concerns not previously addressed).

1.4      General Principle

It  is  important  to  adopt  a  rational  approach  when  selecting  and  conducting  safety pharmacology studies. The specific studies that should be conducted and their design will vary  based  on  the  individual  properties  and  intended  uses  of  the  pharmaceuticals. Scientifically valid methods should be used, and when there are internationally recognized methods that are applicable to pharmaceuticals, these are preferable. Moreover, the use of new  technologies  and  methodologies  in  accordance  with  sound  scientific  principles  is encouraged.

Some  safety  pharmacology  endpoints  can  be  incorporated  in  the  design  of  toxicology, kinetic, clinical studies, etc., while in other cases these endpoints should be evaluated in specific  safety  pharmacology  studies.  Although  adverse  effects  of  a  substance  may  be detectable at exposures that fall within the therapeutic range in appropriately designed safety pharmacology studies, they may not be evident from observations and measurements used to detect toxicity in conventional animal toxicity studies.

1.5      Definition of Safety Pharmacology

Pharmacology  studies  can  be  divided  into  three  categories:  primary  pharmacodynamic, secondary pharmacodynamic and safety pharmacology studies.

For the purpose of this document, safety pharmacology studies are defined as those studies that  investigate  the  potential  undesirable  pharmacodynamic  effects  of  a  substance  on

physiological functions in relation to exposure in the therapeutic range and above.  (See Note  2  for  definitions  of  primary  pharmacodynamic  and  secondary  pharmacodynamic studies.)

In some cases, information on the primary and secondary pharmacodynamic properties of the  substance  may  contribute  to  the  safety  evaluation  for  potential  adverse  effect(s) in humans and should be considered along with the findings of safety pharmacology studies.

2.        GUIDELINE

2.1      Objectives of Studies

The    objectives    of   safety    pharmacology    studies    are:    1)    to    identify    undesirable pharmacodynamic properties of a substance that may have relevance to its human safety; 2) to evaluate adverse pharmacodynamic and/or pathophysiological effects of a substance observed in toxicology and/or clinical studies; and 3) to investigate the mechanism of the adverse pharmacodynamic effects observed and/or suspected.   The investigational plan to meet these objectives should be clearly identified and delineated.

2.2      General  Considerations  in  Selection  and  Design  of Safety  Pharmacology Studies

Since  pharmacological  effects  vary   depending  on  the   specific  properties  of  each  test substance, the studies should be selected and designed accordingly. The following factors should be considered (the list is not comprehensive):

1)   Effects related to the therapeutic class of the test substance, since the mechanism of action may suggest specific adverse effects (e.g., proarrhythmia is a common feature of antiarrhythmic agents);

2)  Adverse  effects  associated  with  members  of  the  chemical  or  therapeutic  class,  but independent  of  the  primary  pharmacodynamic  effects  (e.g.,  anti-psychotics  and  QT prolongation);

3)  Ligand binding or enzyme assay data suggesting a potential for adverse effects;

4)  Results from previous safety pharmacology studies, from secondary pharmacodynamic studies, from toxicology studies, or from human use that warrant further investigation to establish and characterize the relevance of these findings to potential adverse effects in humans.

During early development, sufficient information (e.g., comparative metabolism) may not always be available to rationally select or design the studies in accordance with the points stated  above;  in  such  circumstances,  a  more  general  approach  in  safety  pharmacology investigations can be applied.

A hierarchy of organ systems can be developed according to their importance with respect to life-supporting functions. Vital organs or systems, the functions of which are acutely critical for life, such as the cardiovascular, respiratory and central nervous systems, are considered to be the most important ones to assess in safety pharmacology studies. Other organ systems, such as the renal or gastrointestinal system, the functions of which can be transiently  disrupted  by  adverse  pharmacodynamic  effects  without  causing  irreversible harm,  are  of  less  immediate  investigative  concern.  Safety  pharmacology  evaluation  of effects on these other systems may be of particular importance when considering factors such as the likely clinical trial or patient population (e.g. gastrointestinal tract in Crohn’s disease,    renal     function    in     primary     renal    hypertension,     immune     system    in immunocompromised patients.).

2.3      Test Systems

2.3.1   General Considerations on Test Systems

Consideration  should be  given  to  the  selection  of relevant  animal  models  or  other  test systems so that scientifically valid information can be derived. Selection factors can include the pharmacodynamic responsiveness of the model, pharmacokinetic profile, species, strain, gender   and   age   of   the    experimental   animals,   the    susceptibility,   sensitivity,   and reproducibility of the test system and available background data on the substance. Data from humans (e.g., in vitro metabolism), when available, should also be considered in the test  system  selection.     The  time  points  for  the  measurements  should  be  based  on pharmacodynamic and pharmacokinetic considerations.   Justification  should be provided for the selection of the particular animal model or test system.

2.3.2   Use of In Vivo and In Vitro Studies

Animal models as well as ex vivo and in vitro preparations can be used as test systems. Ex vivo and in vitro systems can include, but are not limited to: isolated organs and tissues, cell   cultures,    cellular    fragments,   subcellular   organelles,    receptors,    ion   channels, transporters  and  enzymes.  In  vitro  systems  can  be  used  in  supportive  studies  (e.g.,  to obtain a profile of the activity of the substance or to investigate the mechanism of effects observed in vivo).

In conducting in vivo studies, it is preferable to use unanesthetized animals. Data from unrestrained animals that may be chronically instrumented for telemetry, other suitable instrumentation methods for conscious animals, or animals conditioned to the laboratory environment are preferable to data from restrained or unconditioned animals. In the use of unanesthetized animals, the avoidance of discomfort or pain is a foremost consideration.

2.3.3   Experimental Design

2.3.3.1   Sample Size and Use of Controls

The size of the groups should be sufficient to allow meaningful scientific interpretation of the  data  generated.  Thus,  the  number  of  animals  or  isolated  preparations  should  be adequate to demonstrate or rule out the presence of a biologically significant effect of the test substance. This should take into consideration the size of the biological effect that is of concern for humans. Appropriate negative and positive control groups should be included in the experimental design. In well-characterized in vivo test systems, positive controls may not be necessary. The exclusion of controls from studies should be justified.

2.3.3.2  Route of Administration

In  general,  the  expected  clinical  route  of administration  should be  used  when  feasible. Regardless of the route of administration, exposure to the parent substance and its major metabolites  should  be  similar  to  or  greater  than  that  achieved  in  humans  when  such information is available. Assessment of effects by more than one route may be appropriate if the test substance is intended for clinical use by more than one route of administration (e.g. oral and parenteral), or where there are observed or anticipated significant qualitative and quantitative differences in systemic or local exposure.

2.4      Dose Levels or Concentrations of Test Substance

2.4.1   In Vivo Studies

Safety pharmacology studies should be designed to define the dose-response relationship of the adverse effect observed. The time course (e.g., onset and duration of response) of the adverse  effect  should  be  investigated,  when  feasible.  Generally,  the  doses  eliciting  the adverse  effect  should be compared to the  doses  eliciting the primary pharmacodynamic effect in the test  species or the proposed therapeutic effect in humans, if feasible. It is recognized that there are species differences in pharmacodynamic sensitivity. Therefore, doses should include and exceed the primary pharmacodynamic or therapeutic range.   In the absence of an adverse effect on the safety pharmacology parameter(s) evaluated in the study, the highest tested dose should be a dose that produces moderate adverse effects in this or in other studies of similar route and duration. These adverse effects can include dose-limiting pharmacodynamic effects or other toxicity. In practice,  some effects in the toxic  range  (e.g.,  tremors  or  fasciculation  during  ECG  recording)  may  confound  the interpretation of the results and may also limit dose levels. Testing of a single group at the limiting dose as described above may be sufficient in the absence of an adverse effect on safety pharmacology endpoints in the test species.

2.4.2   In Vitro Studies

In vitro  studies  should be  designed to  establish  a concentration-effect relationship. The range of concentrations used should be selected to increase the likelihood of detecting an effect  on the test  system.  The upper limit  of this range  may be influenced by physico- chemical properties of the test substance and other assay specific factors. In the absence of an effect, the range of concentrations selected should be justified.

2.5      Duration of Studies

Safety pharmacology studies are generally performed by single dose administration. When pharmacodynamic effects occur only after a certain duration of treatment, or when results from repeat dose non-clinical studies or results from use in humans give rise to concerns about safety pharmacological effects, the duration of the safety pharmacology studies to address these effects should be rationally based.

2.6      Studies on Metabolites, Isomers and Finished Products

Generally, any parent compound and its major metabolite(s) that achieve, or are expected to  achieve,  systemic  exposure  in  humans  should  be  evaluated  in  safety  pharmacology studies.  Evaluation  of  major  metabolites  is  often  accomplished  through  studies  of  the parent compound in animals. If the major human metabolite(s) is (are) found to be absent or present only at relatively low concentrations in animals, assessment of the effects of such metabolite(s)  on  safety  pharmacology  endpoints  should  be  considered.  Additionally,  if metabolites from humans  are known to  substantially contribute to the pharmacological actions of the therapeutic agent, it may be important to test such active metabolites. When the in vivo studies on the parent compound have not adequately assessed metabolites, as discussed  above,  the  tests  of  metabolites  can  use  in  vitro  systems  based  on  practical considerations.

In vitro or in vivo testing of the individual isomers should also be considered when the product contains an isomeric mixture.

Safety pharmacology studies with the finished product formulation(s) should be conducted only    for     formulations     that     substantially     alter     the     pharmacokinetics     and/or

pharmacodynamics of the active substance in comparison to formulations previously tested (i.e. through active excipients such as penetration enhancers, liposomes, and other changes such as polymorphism).

2.7      Safety Pharmacology Core Battery

The purpose of the safety pharmacology core battery is to investigate the effects of the test substance on vital functions. In this regard, the cardiovascular, respiratory  and central nervous systems are usually considered the vital organ systems that should be studied in the core battery. In some instances, based on scientific rationale, the core battery should be supplemented (see section 2.8) or need not be implemented (see also section 2.9).

The exclusion of certain test(s) or exploration(s) of certain organs,  systems or functions should be scientifically justified.

2.7.1   Central Nervous System

Effects   of  the   test   substance   on   the   central   nervous   system   should   be   assessed appropriately.  Motor   activity,  behavioral   changes,  coordination,   sensory/motor  reflex responses   and  body  temperature   should  be   evaluated.     For   example,   a   functional observation battery  (FOB)  (3),  modified Irwin’s  (4), or other  appropriate test  (5) can be used.

2.7.2   Cardiovascular System

Effects of the test substance on the cardiovascular system should be assessed appropriately. Blood pressure, heart rate, and the electrocardiogram should be evaluated. In vivo, in vitro and/or   ex   vivo   evaluations,   including   methods   for   repolarization   and   conductance abnormalities, should also be considered. (Note 3)

2.7.3   Respiratory System

Effects of the test substance on the respiratory system should be assessed appropriately. Respiratory  rate  and  other  measures  of  respiratory  function  (e.g.,  tidal  volume  (6)  or hemoglobin  oxygen  saturation)  should  be  evaluated.  Clinical  observation  of  animals  is generally not adequate to assess respiratory function, and thus these parameters should be quantified by using appropriate methodologies.

2.8      Follow-up and Supplemental Safety Pharmacology Studies

Adverse effects may be suspected based on the pharmacological properties or chemical class of the test substance. Additionally, concerns may arise from the safety pharmacology core battery, clinical trials, pharmacovigilance, experimental in vitro or in vivo studies, or from literature reports. When  such  potential  adverse  effects raise  concern for human  safety, these  should  be  explored  in  follow-up  or  supplemental  safety  pharmacology  studies,  as appropriate.

2.8.1   Follow–up Studies For Safety Pharmacology Core Battery

Follow-up  studies  are  meant  to  provide  a  greater  depth  of  understanding  than,   or additional knowledge to, that provided by the core battery on vital functions. The following subsections provide lists of studies to further evaluate these organ systems for potential adverse  pharmacodynamic  effects.  These  lists  are  not  meant  to  be  comprehensive  or prescriptive, and the studies should be selected on a case-by-case basis after considering factors  such  as  existing  non-clinical  or  human  data.  In  some  cases,  it  may  be  more appropriate to address these effects during the conduct of other non-clinical and/or clinical studies.

2.8.1.1  Central Nervous System

Behavioral pharmacology, learning and memory, ligand-specific binding, neurochemistry, visual, auditory and/or electrophysiology examinations, etc.

2.8.1.2  Cardiovascular System

Cardiac  output,  ventricular  contractility,  vascular  resistance,  the  effects  of  endogenous and/or exogenous substances on the cardiovascular responses, etc.

2.8.1.3 Respiratory System

Airway resistance, compliance, pulmonary arterial pressure, blood gases, blood pH, etc.

2.8.2   Supplemental Safety Pharmacology Studies

Supplemental studies are meant to evaluate potential adverse pharmacodynamic effects on organ system functions not addressed by the core battery or repeated dose toxicity studies when there is a cause for concern.

2.8.2.1 Renal/Urinary System

Effects of the test substance on renal parameters should be assessed. For example, urinary volume, specific gravity, osmolality, pH, fluid/electrolyte balance, proteins, cytology, and blood  chemistry  determinations  such  as  blood   urea  nitrogen,  creatinine  and  plasma proteins can be used.

2.8.2.2 Autonomic Nervous System

Effects of the test  substance on the  autonomic nervous  system  should be  assessed.  For example,  binding  to  receptors  relevant  for  the  autonomic  nervous   system,  functional responses to agonists or antagonists  in  vivo or  in  vitro, direct stimulation of autonomic nerves and measurement of cardiovascular responses, baroreflex testing, and heart rate variability can be used.

2.8.2.3 Gastrointestinal System

Effects  of  the  test  substance  on  the  gastrointestinal  system  should  be  assessed.  For example, gastric secretion, gastrointestinal injury potential, bile secretion, transit time in vivo, ileal contraction in vitro, gastric pH measurement and pooling can be used.

2.8.2.4 Other Organ Systems

Effects  of  the  test  substance  on  organ  systems  not  investigated  elsewhere  should  be assessed when there is a reason for concern. For example, dependency potential or skeletal muscle, immune and endocrine functions can be investigated.

2.9      Conditions under which Studies are not Necessary

Safety pharmacology studies may not be needed for locally applied agents (e.g., dermal or ocular)  where  the  pharmacology  of the  test  substance  is  well  characterized,  and where systemic exposure or distribution to other organs or tissues is demonstrated to be low.

Safety pharmacology studies prior to the first administration in humans may not be needed for  cytotoxic  agents  for  treatment  of  end-stage  cancer  patients.  However,  for  cytotoxic agents  with  novel  mechanisms  of  action,  there  may  be  value  in  conducting  safety pharmacology studies.

For  biotechnology-derived  products  that  achieve  highly  specific  receptor  targeting,  it  is often sufficient to evaluate safety pharmacology endpoints as a part of toxicology and/or

pharmacodynamic studies, and therefore safety pharmacology studies can be reduced or eliminated for these products.

For biotechnology-derived products that represent a novel therapeutic class and/or those products that do not achieve highly specific receptor targeting, a more extensive evaluation by safety pharmacology studies should be considered.

There may be additional exceptions where safety pharmacology testing is not needed, for example, in the case of a new salt having similar pharmacokinetics and pharmacodynamics.

2.10    Timing    of    Safety     Pharmacology    Studies    in     Relation    to    Clinical

Development

When  planning  a  safety  pharmacology  program,  section  2.9  should  be  reviewed  to determine whether or not specific studies are recommended.

2.10.1 Studies Prior to First Administration in Humans

The  effects  of a  test  substance  on  the functions listed in the  safety  pharmacology  core battery should be investigated prior to first administration in humans. Any follow-up or supplemental studies identified as appropriate, based on a cause for concern, should also be conducted.  Information  from  toxicology  studies  adequately  designed  and  conducted  to address safety pharmacology endpoints can result in reduction or elimination of separate safety pharmacology studies.

2.10.2 Studies During Clinical Development

Additional studies may be warranted to clarify observed or suspected adverse effects in animals and humans during clinical development.

2.10.3 Studies Before Approval

Safety pharmacology effects on systems listed in section 2.8 should be assessed prior to

product approval, unless not warranted, in which case this should be justified. Available

information from toxicology studies adequately designed and conducted to address safety   pharmacology endpoints, or information from clinical studies, can support this assessment and replace safety pharmacology studies.

2.11    Application of Good Laboratory Practice (GLP)

It is important to ensure the quality and reliability of non-clinical safety studies.  This is normally accomplished through the conduct of the studies in compliance with GLP.  Due to the unique design of, and practical considerations for, some safety pharmacology studies, it may not be feasible to conduct these in compliance with GLP.  It has to be emphasized that data quality and integrity in safety pharmacology studies should be ensured even in the absence of formal adherence to the principles of GLP.  When studies are not conducted in compliance   with   GLP,    study   reconstruction   should   be    ensured   through   adequate documentation of study conduct and archiving of data. Any study or study component not conducted in compliance with GLP should be adequately justified, and the potential impact on evaluation of the safety pharmacology endpoints should be explained.

The safety pharmacology core battery should ordinarily be conducted in compliance with GLP.  Follow-up and supplemental studies should be conducted in compliance with GLP to the greatest extent feasible. Safety pharmacology investigations can be part of toxicology studies; in such cases, these studies would be conducted in compliance with GLP.

Primary pharmacodynamic studies do not need to be conducted in compliance with GLP.

Generally, secondary pharmacodynamic studies do not need to be conducted in compliance with   GLP.  Results  from   secondary  pharmacodynamic   studies  conducted   during  the compound selection process may contribute to the safety pharmacology evaluation; when there is no cause for concern  (e.g., there are no findings for the  safety pharmacological endpoint  or  the  chemical  or  therapeutic  class),  these  studies  need  not  be  repeated  in compliance  with  GLP.  In  some  circumstances,  results  of  secondary  pharmacodynamic studies  may  make  a  pivotal  contribution  to  the  safety  evaluation  for  potential  adverse effects in humans, and these are normally conducted in compliance with GLP.

3.        NOTES

1.        General  pharmacology  studies  have  been  considered  an  important  component  in drug safety assessment. General pharmacology studies were originally referred to as those designed to examine effects other than the primary therapeutic effect of a drug candidate. Safety pharmacology studies were focused on identifying adverse effects on  physiological  functions.  All  three  regions  have   accepted   data  from   general pharmacology studies (Japan and EC) or safety pharmacology studies (USA) in the assessment  of  a   marketing  application.  The  Japanese  Ministry  of  Health  and Welfare (MHW) issued the “ Guideline for General Pharmacology“ in  1991. In this MHW  guideline,  general pharmacology  studies include those  designed to identify unexpected  effects  on  organ  system  function,  and  to  broaden   pharmacological characterization    (pharmacological    profiling).    However,    there    has    been    no internationally  accepted  definition  of  the   terms  “primary  pharmacodynamics”, “secondary    pharmacodynamics”    and    “safety    pharmacology.”    The    need    for international  harmonization  of  the   nomenclature   and  the  development  of  an international guideline for safety pharmacology has been recognized.

2.        Studies on the mode of action and/or effects of a substance in relation to its desired therapeutic target are primary pharmacodynamic studies. Studies on the mode of action and/or effects of a substance not related to its desired therapeutic target are secondary pharmacodynamic studies (these have sometimes been referred to as part of general pharmacology studies).

3.        There  is  no  scientific  consensus  on  the  preferred  approach  to,  or  internationally recognized  guidance  on,  addressing risks for repolarization-associated ventricular tachyarrhythmia (e.g., Torsade de Pointes). A guideline (S7B) will be prepared to present   some  currently   available  methods  and  discuss  their  advantages  and disadvantages. Submission of data to regulatory authorities to support the use of these methods is encouraged.

4.        REFERENCES

1)        ICH  Harmonized Tripartite  Guideline  (M3) “Timing of Non-clinical Safety Studies for the Conduct of Human Clinical Trials for Pharmaceuticals” (1997)

2)        ICH   Harmonized   Tripartite   Guideline   (S6)   “Preclinical   Safety   Evaluation   of Biotechnology-derived Pharmaceuticals” (1997)

3)        Mattsson, J. L., Spencer, P. J. and Albee, R. R.: A performance standard for clinical and Functional Observational Battery examinations of rats.  J. Am. Coll. Toxicol. 15, 239 (1996).

4)        Irwin,  S.:  Comprehensive observational assessment:  1a. A systematic, quantitative procedure  for  assessing  the  behavioural  and  physiologic  state  of  the   mouse. Psychopharmacologia (Berl.) 13, 222-257(1968).

5)        Haggerty,  G.C.:  Strategies  for  and  experience  with  neurotoxicity  testing  of  new pharmaceuticals.  J. Am. Coll. Toxicol. 10:677-687 (1991).

6)        Murphy,  D.J.:  Safety  Pharmacology  of  the  Respiratory  System:  Techniques  and Study Design. Drug Dev. Res. 32: 237-246 (1994).

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Updated on March 3, 2025
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