Skip to content
biopharma.ai
  • Home
  • Design
  • Produce
  • Test
  • News
  • Docs
  • Events
    • Webinars
  • About
Contact Us
Contact Us
biopharma.ai
  • Home
  • Design
  • Produce
  • Test
  • News
  • Docs
  • Events
    • Webinars
  • About

Docs

  • ICH guidlines
    • Safety Guidelines
      • S10
      • S11
      • S12
      • S9
      • S8
      • S7B
      • S7A
      • S6(R1)
      • S5(R3)
      • S4
      • S3B
      • S3A
      • S2(R1)
      • S1C(R2)
      • S1B(R1)
      • S1A
View Categories
  • Home
  • Docs
  • Docs
  • ICH guidlines
  • Safety Guidelines
  • S1C(R2)

S1C(R2)

36 min read

DOSE SELECTION FOR CARCINOGENICITY STUDIES OF PHARMACEUTICALS

1.        INTRODUCTION

Traditionally,  carcinogenicity  studies  for  chemical  agents  have  relied  upon  the maximally tolerated dose (MTD) as the standard method for high dose selection (Note 1). The MTD is generally chosen based on data derived from toxicity studies of 3 months’ duration.

In the past, the criteria for high dose selection for carcinogenicity studies of human pharmaceuticals have not been uniform among international regulatory agencies. In Europe  and  Japan,  dose  selection  based  on  toxicity  endpoints  or  attaining  high multiples of the maximum recommended human daily dose (>100x on a mg/kg basis) has been accepted. However, in the United States, dose selection based on the MTD has traditionally been considered the only appropriate practice. All regions have used a maximum feasible dose as an appropriate endpoint.

For  pharmaceuticals  with  low  rodent  toxicity,  use  of  the  MTD  can  result  in  the administration of very large doses in carcinogenicity studies, often representing high multiples of the clinical dose. This has led to the concern that exposures in rodents greatly in excess of the intended human exposures might not be relevant to human risk; because they so greatly alter the physiology of the test species, the findings might not reflect what would occur following human exposure.

Ideally, the doses selected for rodent bioassays for pharmaceuticals should provide an exposure to the agent that (1) allows an adequate margin of safety over the human therapeutic  exposure,   (2)  is  tolerated  without   significant   chronic  physiological dysfunction and is compatible with good survival, (3) is guided by a comprehensive set of animal and human data that focus broadly on the properties of the agent and the suitability of the animal, and (4) permits data interpretation in the context of clinical use.

In  order  to  achieve  international  harmonisation  of  requirements  for  high  dose selection for carcinogenicity studies of pharmaceuticals, and to establish a rational basis for high dose selection, the ICH Expert Working Group on Safety initiated a process  to  arrive  at  common,  scientifically  based  criteria  for  high  dose  selection. Several features of pharmaceutical agents distinguish them from other environmental chemicals and can justify a guideline which might differ in some respects from other guidelines.  This  should  enhance  the  relevance  of  the  carcinogenicity   study  for pharmaceuticals.  Thus  much  knowledge  might  be  available  on  the  pharmacology, pharmacokinetics,  and  metabolic  disposition  in  humans.   In   addition,  there  will usually be information on the patient population, the expected use pattern, the range of exposure, and the toxicity and/or side effects that cannot be tolerated in humans. Diversity of the chemical and pharmacological nature of the substances developed as pharmaceuticals, and the diversity of mechanisms of carcinogenesis, call for a flexible approach  to  dose  selection.  This  document  proposes  that   any  one  of  several approaches could be useful for dose selection, and should provide for a more rational approach  to  dose  selection  for  carcinogenicity  studies  for  pharmaceuticals.  These include:  1) toxicity-based endpoints;  2) pharmacokinetic endpoints; 3) saturation of absorption; 4) pharmacodynamic endpoints; 5) maximum feasible dose; 6) limit dose; and 7) additional endpoints.

Consideration of all relevant animal data and integration with available human data is paramount in determining the most appropriate endpoint for selecting the high dose for the carcinogenicity study. Relevant pharmacokinetic, pharmacodynamic, and toxicity data should be considered in the selection of doses for the carcinogenicity study, regardless of the primary endpoint used for high dose selection.

In  the  process  of  defining   such  a  flexible  approach,  it  is  recognised  that  the fundamental mechanisms of carcinogenesis are only poorly understood at the present time.  Further,  it  is  also  recognised  that  the  use  of  the  rodent  to  predict  human carcinogenic  risk  has  inherent  limitations,  although  this  approach  is  the  best available option at this time. Thus, while the use of plasma levels of drug-derived substances represents an important attempt at improving the design of the rodent bioassay, progress in this field calls for continuing examination of the best method to detect human risk. This guideline is therefore intended to serve as guidance in this difficult  and  complex   area,  recognising  the  importance  of  updating  the   specific provisions outlined below as new data become available.

1.1      General Considerations for the Conduct of Dose-Ranging Studies

The considerations involved when undertaking dose-ranging studies to select the high dose for carcinogenicity studies are the same regardless of the final endpoint utilised.

1.   In practice, carcinogenicity studies are carried out in a limited number of rat and mouse strains for which there is reasonable information on spontaneous tumour  incidence.  Ideally,  rodent  species/strains  with  metabolic  profiles  as similar as possible to humans should be studied (Note 2);

2.   Dose-ranging studies should be conducted for both males and females for all strains and species to be tested in the carcinogenicity bioassay;

3.   Dose selection is generally determined from 90-day studies using the route and method of administration that will be used in the bioassay;

4.   Selection of an appropriate dosing schedule and regimen should be based on clinical   use    and    exposure    patterns,   pharmacokinetics,    and   practical considerations;

5.   Ideally,  both  the  toxicity  profile  and  any  dose-limiting  toxicity  should  be characterised.  Consideration  should  also  be  given  to  general  toxicity,  the occurrence of preneoplastic lesions and/or tissue-specific proliferative effects, and disturbances in endocrine homeostasis;

6.   Changes in metabolite profile or alterations in metabolising enzyme activities (induction   or   inhibition)   over   time   should   be   understood   to   allow   for appropriate interpretation of studies.

1.2      Toxicity Endpoints in High Dose Selection

ICH 1 agreed to evaluate endpoints other than the MTD for the selection of the high dose  in  carcinogenicity  studies.  These  were  to  be  based  on  the  pharmacological properties  and  toxicological  profile  of  the  test  compound.  There  is  no  scientific consensus on the use of toxicity endpoints other than the MTD. Therefore, the ICH Expert Working Group on Safety has agreed to continue use of the MTD as a useful toxicity-based endpoint for high dose selection for carcinogenicity studies.

The following definition of the MTD is considered consistent with those published previously by international regulatory authorities (Note 1): The top dose or maximum

tolerated dose is that which is predicted to produce a minimum toxic effect over the course of the carcinogenicity study. Such an effect can be predicted from a 90-day dose range-finding study in which minimal toxicity is observed. Factors to consider are alterations in physiological function which would be predicted to alter the animal’s normal life span or interfere with interpretation of the study. Such factors include: no more than 10% decrease in body weight gain relative to controls; target organ toxicity; significant alterations in clinical pathological parameters.

1.3      Pharmacokinetic Endpoints in High Dose Selection

A  systemic  exposure  representing  a  large  multiple  of  the  human  area  under  the exposure  curve  (AUC)  (at  the  maximum  recommended  daily  dose)  can  be  an appropriate endpoint for dose selection for carcinogenicity studies for pharmaceuticals which have similar metabolic profiles in humans and rodents and low organ toxicity in rodents (i.e., high doses are well tolerated in rodents). The level of animal systemic exposure should be sufficiently great compared to exposure to provide reassurance of an adequate test of carcinogenicity.

It is recognised that the doses administered to different species might not correspond to  tissue  concentrations  because  of  different  metabolic  and  excretory  patterns. Comparability  of  systemic  exposure  is  better  assessed  by  blood  concentrations  of parent drug and metabolites than by administered dose. The unbound drug in plasma is  thought  to  be  the  most  relevant  indirect  measure  of  tissue  concentrations  of unbound  drug.  The  AUC  is  considered  the  most  comprehensive  pharmacokinetic endpoint since it takes into account the plasma concentration of the compound and residence time in vivo.

There is,  as  yet,  no validated  scientific basis  for  use  of comparative  drug  plasma concentrations in  animals  and  humans  for  the  assessment  of carcinogenic  risk  to humans.  However,  for  the  present,  and  based  on  an  analysis  of  a  database  of carcinogenicity  studies  performed  at  the  MTD,  the  selection  of  a  high  dose  for carcinogenicity studies which represents a 25- to-1 exposure ratio of rodent to human plasma AUC of parent compound and/or metabolites is considered pragmatic (Note 3).

1.4      Criteria for Comparisons of AUC in Animals and Man for use in High

Dose Selection

The   following    criteria    are   especially    applicable    for   use    in    determining   a

pharmacokinetically-defined exposure for high dose selection.

1.   Rodent  pharmacokinetic  data  are  derived  from  the  strains  used  for  the carcinogenicity studies using the route of compound administration and dose ranges planned for the carcinogenicity study (Notes 4, 5 and 6);

2.   Pharmacokinetic data are derived from studies of sufficient duration to take into account potential time-dependent changes in pharmacokinetic parameters which might occur during the dose ranging studies;

3.   Documentation is provided on the similarity of metabolism between rodents and humans (Note 7);

4.   In assessing exposure, scientific judgement is used to determine whether the AUC comparison is based on data for the parent, parent and metabolite(s), or metabolite(s). The justification for this decision is provided;

5.   Interspecies differences in protein binding are taken into consideration when estimating relative exposure (Note 8);

6.   Human  pharmacokinetic  data  are  derived  from  studies  encompassing  the maximum recommended human daily dose (Note 9).

1.5      Saturation of Absorption in High Dose Selection

High  dose  selection  based  on  saturation  of  absorption  measured  by  systemic availability  of drug-related  substances  can  be  considered.  The  mid  and  low  doses selected for the carcinogenicity study should take into account saturation of metabolic and elimination pathways.

1.6      Pharmacodynamic Endpoints in High Dose Selection

The utility and safety of many pharmaceuticals depend on their pharmacodynamic receptor selectivity. Pharmacodynamic endpoints for high dose selection will be highly compound-specific  and  can  be  considered  for  individual  study  designs  based  on scientific merits. The high dose selected should produce a pharmacodynamic response in  dosed  animals  of  such  magnitude  as  would  preclude  further  dose  escalation. However,  the  dose  should  not  produce  disturbances  of  physiology  or  homeostasis which would compromise the validity of the study. Examples include hypotension and inhibition of blood clotting (because of the risk of spontaneous bleeding).

1.7      Maximum Feasible Dose

Currently, the maximum feasible dose by dietary administration is considered to be 5% of diet. International regulatory authorities are re-evaluating this standard. It is believed that the use of pharmacokinetic endpoints (AUC ratio) for dose selection of low toxicity pharmaceuticals, discussed in this guideline, should significantly reduce the number of instances where high doses are selected based on feasibility criteria.

When routes other than dietary administration are appropriate, the high dose can be limited based on considerations including practicality and local tolerance.

1.8      Limit Dose

In  determining  the  high  dose  for  carcinogenicity  studies  using  the  approaches outlined in this guideline it is appropriate to limit this dose to 1500 mg/kg/day (Note 10). This limit dose applies where the maximum recommended human dose does not exceed 500 mg/day (Note 11).

Data should be provided comparing exposure of rodents and humans to drug and metabolites  primarily  to  support   dose   selection  for   and  interpretation  of  the carcinogenicity study. Based on such information, there might be cases where the limit of 1500 mg/kg/day is not applicable because it cannot be assured that animal exposure after 1500 mg/kg/day is sufficiently high compared to the exposure achieved in humans. The rodent systemic exposure at 1500 mg/kg/day should be greater by at least an order of magnitude than human exposure measured at the intended human therapeutic dose. (If this is not the case, efforts should be made to increase the rodent exposure or to reconsider the animal model in a case-by-case approach.) If the human dose exceeds 500 mg/day the high dose can be increased up to the maximum feasible dose.

1.9      Additional Endpoints in High Dose Selection

It is recognised that there might be merit in the use of alternative endpoints not specifically defined in this guidance on high dose selection for rodent carcinogenicity studies. Use of these additional endpoints in individual study designs should be based on scientific rationale. Such designs should be evaluated based on their individual merits (Note 12).

1.10    Selection of Middle and Low Doses in Carcinogenicity Studies

Regardless of the method used for the selection of the high dose, the selection of the mid and low doses for the carcinogenicity study should provide information to aid in assessing the relevance of study findings to humans. The doses should be selected following integration of rodent and human pharmacokinetic, pharmacodynamic, and toxicity data. The rationale for the selection of these doses should be provided. While not all-encompassing, the following points should be considered in selection of the middle and low doses for rodent carcinogenicity studies:

1.   Linearity of pharmacokinetics and saturation of metabolic pathways;

2.   Human exposure and therapeutic dose;

3.   Pharmacodynamic response in rodents;

4.  Alterations in normal rodent physiology;

5.  Mechanistic information and potential for threshold effects;

6.   The  unpredictability  of  the  progression  of  toxicity  observed  in  short-term studies.

2.        SUMMARY

This guidance outlines six criteria for selection of the high dose for carcinogenicity studies   of   therapeutics:    the    maximum    tolerated    dose,    25-fold    AUC   ratio (rodent:human),  dose-limiting  pharmacodynamic  effects,  saturation  of  absorption, maximum  feasible  dose,  and  limit  dose.  The  use  of  other  pharmacodynamic-, pharmacokinetic-, or toxicity-based endpoints in study design should be considered based  on  scientific  rationale  and  individual  merits.  In  all  cases,  appropriate  dose ranging studies should be conducted. All relevant information should be considered for dose and species/strain selection for the carcinogenicity study. This information should include knowledge of human use,  exposure patterns,  and  metabolism.  The availability of multiple criteria for dose selection will provide greater flexibility in optimising the design of carcinogenicity studies for therapeutic agents.

3.        NOTES

Note 1

The  following  are  considered  equivalent  definitions  of  the  toxicity-based  endpoint describing the maximum tolerated dose:

The US Interagency Staff Group on Carcinogens has defined the MTD as follows: “The highest dose currently recommended is that which, when given for the duration of the chronic  study,  is  just   high  enough  to  elicit  signs  of  minimal   toxicity  without significantly   altering   the   animal’s   normal   lifespan   due   to   effects   other   than carcinogenicity. This dose, sometimes called the maximum tolerated dose (MTD), is determined in a subchronic study (usually 90 days duration) primarily on the basis of

mortality, toxicity and pathology criteria. The MTD should not produce morphologic evidence of toxicity of a severity that would interfere with the interpretation of the study.  Nor  should  it  comprise  so  large  a  fraction  of  the  animal’s  diet  that  the nutritional composition of the diet is altered, leading to nutritional imbalance.”

“The MTD was initially based on a weight gain decrement observed in the subchronic study; i.e., the highest dose that caused no more than a 10% weight gain decrement. More recent studies and the evaluation of many more bioassays indicate refinement of MTD selection on the basis of a broader range of biological information. Alterations in body and organ weight and clinically significant changes in haematologic, urinary, and clinical chemistry measurements can be useful in conjunction with the usually more definitive toxic, pathologic or histopathologic endpoints.” (Environmental Health Perspectives, Vol. 67, pp. 201-281, 1986)

The Ministry of Health and Welfare in Japan prescribes the following: “The dose in the preliminary carcinogenicity study that inhibits body weight gain by less than 10% in  comparison  with  the  control  and  causes  neither  death  due  to  toxic  effects  nor remarkable changes in the general signs and laboratory examination findings of the animals  is  the  highest  dose  to  be  used  in  the  full-scale  carcinogenicity  study.” (Toxicity test guideline for pharmaceuticals, Chapter 5, pg. 127, 1985)

The  Committee  on  Proprietary  Medicinal  Products  of  the  European   Community prescribes the following: “The top dose should produce a minimum toxic effect, for example a  10%  weight loss or failure of growth, or minimal target organ toxicity. Target organ toxicity will be demonstrated by failure of physiological functions and ultimately  by  pathological  changes.”  (Rules  Governing  Medicinal  Products  in  the European Community, Vol. III, 1987)

Note 2

This does not imply that all possible rodent strains should be surveyed for metabolic profile, but rather that standard strains used in carcinogenicity studies should be examined.

Note 3

In  order  to  select  a  multiple  of  the  human  AUC  that  would  serve  as  an  useful endpoint for dose selection for carcinogenicity studies, a retrospective analysis was performed on data from carcinogenicity studies of therapeutics conducted at the MTD for   which   there   was   sufficient   human   and   rodent   pharmacokinetic   data   for comparison of AUC values.

In  35  drug  carcinogenicity  studies  carried  out  at  the  MTD  for  which  there  were adequate pharmacokinetic data in rats and humans, approximately 1/3 had a relative systemic exposure ratio less than or equal to 1, and another 1/3 had ratios between 1 and 10.

An  analysis  of  the  correlation  between  the  relative  systemic  exposure  ratio,  the relative dose ratio (rat mg/kg:human mg/kg MRD), and the dose ratio adjusted for body surface area (rat mg/M2 MTD:human mg/M2 MRD), performed in conjunction with  the  above-described  database  analysis,  indicates  that  the  relative  systemic exposure corresponds better with dose ratios expressed in terms of body surface area rather than body weight. When 123 compounds in the expanded FDA database were analysed by this approach, a similar distribution of relative systemic exposures was observed. In the selection of a relative systemic exposure ratio (AUC ratio) to apply in

high dose selection, consideration was given to a ratio value that would represent an adequate margin of safety, would detect known or probable human carcinogens, and could be attained by a reasonable proportion of compounds.

To  address  the  issue  of  detection  of  known  or  probable  human  carcinogenic pharmaceuticals, an analysis of exposure and/or dose ratios was performed on IARC class 1 and 2A pharmaceuticals with positive rat findings. For phenacetin, sufficient rat  and  human  pharmacokinetic   data  are  available  to  estimate  that   a  relative systemic exposure ratio of at least 15 was found to produce positive findings in a rat carcinogenicity study.  For most of 14 IARC 1 and 2A drugs evaluated with positive carcinogenicity findings in rats, there is a lack of adequate pharmacokinetic data for analysis.  For  these  compounds,  the  body   surface   area  adjusted  dose  ratio  was employed as a surrogate for the relative systemic exposure ratio. The results of this analysis indicated that using doses in the rodent corresponding to body surface area ratios   of   10   or    more    would    identify   the    carcinogenic    potential    of   these pharmaceuticals.

As a result of the evaluations described above, a minimum systemic exposure ratio of 25 can be considered as a useful pharmacokinetic endpoint for high dose selection. This  value  was  attained  by  approximately  25%  of  compounds  tested  in  the  FDA database (see Note  10),  is high  enough to  detect known or probable  (IARC  1,  2A) human  carcinogenic  drugs,  and  represents  an  adequate  margin  of  safety.  Those pharmaceuticals tested using a 25 fold or greater AUC ratio for the high dose will have exposure ratios greater than do  75% of pharmaceuticals tested previously in carcinogenicity studies performed at the MTD.

Note 4

The rodent AUCs and metabolite profiles can be determined from separate steady- state  kinetic  studies,  as  part  of  the  subchronic  toxicity  studies,  or  dose-ranging studies.

Note 5

AUC  values  in  rodents  are  usually  obtainable  using  a  small  number  of  animals, depending  on  the  route  of  administration   and  the  availability  of  data   on  the pharmacokinetic characteristics of the test compound.

Note 6

Equivalent analytical methods of adequate sensitivity and precision should be used to determine plasma concentrations of pharmaceuticals in rodents and humans.

Note 7

It is recommended that in vivo metabolism be characterised in humans and rodents, if possible. However, in the absence of appropriate  in vivo metabolism data,  in  vitro metabolism  data  (e.g.,  from  liver  slices,  uninduced  microsomal  preparations)  can provide appropriate support for the similarity of metabolism across species.

Note 8

While in vivo determinations of unbound drug might be the best approach, in vitro determinations  of protein  binding  using  parent  and/or  metabolites  as  appropriate (over the range of concentrations achieved in vivo in rodents and humans) might be used in the estimation of AUC unbound. When protein binding is low in both humans

and rodents, or when protein binding is high and the unbound fraction of drug is greater in rodents than in humans, the comparison of total plasma concentration of drug is appropriate. When protein binding is high and the unbound fraction is greater in humans than in rodents, the ratio of the unbound concentrations should be used.

Note 9

Human systemic exposure data can be derived from pharmacokinetic monitoring in normal  volunteers  and/or  patients.  The  possibility  of  extensive   inter-individual variation in exposure should be taken into consideration. In the absence of knowledge of the maximum recommended human daily dose, at a minimum, doses producing the desired   pharmacodynamic    effect   in    humans   should    be   used    to   derive    the pharmacokinetic data.

Note 10

Review  of  the  FDA  carcinogenicity  database  of  nearly  900  carcinogenicity  tests indicated that about 20 tests had been conducted that used doses of 1000 mg/kg or greater as the highest dose tested. About 10 of these tests were considered as having demonstrated a carcinogenic response. Seven of these were positive only at or above 1000 mg/kg. Regulatory action has resulted from some of these cases. Based on these results, the limit dose for carcinogenicity testing should be 1500 mg/kg rather than 1000 mg/kg to eliminate the risk that a carcinogen will not be able to be identified as a result of adoption of a limit dose of 1000 mg/kg.

Note 11

It has been agreed that if a drug is only positive in rodents at doses above those producing a 25-fold exposure over exposure in humans, such a finding would not be considered likely to reflect  a relevant risk to humans.

It has been shown that systemic exposure comparisons between rodents and humans are better estimated by a dose using mg/m2  than  using mg/kg  (see Note 3 above). Therefore, the human dose should be at least 25-fold lower on a mg/m2 basis than the high dose in the carcinogenicity study. The factor 6-7 (6.5) is used to convert rat doses from mg/kg to mg/m2 and the factor 40 is used to convert human doses from mg/kg to mg/m2. Thus, the estimated systemic exposure ratio of 25-fold rodent/human is equal to about a 25-fold mg/m2 ratio or a 150-fold mg/kg ratio (150 ≈ 25 x 40/6.5). Therefore a human dose below 10 mg/kg/day (about 500 mg/day or less) could be tested in rats at 1500 mg/kg as the high dose.

Note 12

Additional pharmaceutical-specific endpoints to select an appropriate high dose are currently under discussion (e.g., additional pharmacodynamic, pharmacokinetic and toxicity endpoints as well as alternatives to a maximum feasible dose).

What are your Feelings
Share This Article :
  • Facebook
  • X
  • LinkedIn
  • Pinterest
Still stuck? How can we help?

How can we help?

Updated on March 3, 2025
S2(R1)

Powered by BetterDocs

Leave a Reply Cancel reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Connect

Copyright © 2025 Aibio AB

biopharma.ai
Manage Consent
To provide the best experiences, we use technologies like cookies to store and/or access device information. Consenting to these technologies will allow us to process data such as browsing behavior or unique IDs on this site. Not consenting or withdrawing consent, may adversely affect certain features and functions.
Functional Always active
The technical storage or access is strictly necessary for the legitimate purpose of enabling the use of a specific service explicitly requested by the subscriber or user, or for the sole purpose of carrying out the transmission of a communication over an electronic communications network.
Preferences
The technical storage or access is necessary for the legitimate purpose of storing preferences that are not requested by the subscriber or user.
Statistics
The technical storage or access that is used exclusively for statistical purposes. The technical storage or access that is used exclusively for anonymous statistical purposes. Without a subpoena, voluntary compliance on the part of your Internet Service Provider, or additional records from a third party, information stored or retrieved for this purpose alone cannot usually be used to identify you.
Marketing
The technical storage or access is required to create user profiles to send advertising, or to track the user on a website or across several websites for similar marketing purposes.
Manage options Manage services Manage {vendor_count} vendors Read more about these purposes
View preferences
{title} {title} {title}