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
  • S2(R1)

S2(R1)

115 min read

GUIDANCE ON GENOTOXICITY TESTING AND

DATA INTERPRETATION FOR PHARMACEUTICALS INTENDED FOR

HUMAN USE

1.        INTRODUCTION

1.1      Objectives of the Guideline

This guidance replaces and combines the ICH S2A and S2B Guidelines.    The purpose of the  revision  is  to  optimize  the  standard  genetic  toxicology  battery  for  prediction  of potential human risks, and to provide guidance on interpretation of results, with the ultimate goal of improving risk characterization for carcinogenic effects that have their basis in changes in the genetic material.    The revised guidance describes internationally agreed upon standards for follow-up testing and interpretation of positive results in vitro and  in  vivo  in  the  standard  genetic  toxicology battery,  including  assessment  of non- relevant findings. This guidance is intended to apply only to products being developed as human pharmaceuticals.

1.2.     Background

The  recommendations  from  the  latest  Organization  for  Economic  Co-operation  and Development (OECD) guidelines and the reports from the International Workshops on Genotoxicity Testing (IWGT) have been considered where relevant.   In  certain  cases, there are differences from the OECD or IWGT recommendations, which are noted in the text. The following notes for guidance should be applied in conjunction with other ICH guidances.

1.3.     Scope of the Guideline

The focus of this guidance is testing of new “small molecule” drug substances, and the guidance  does  not  apply  to biologics. Advice on the timing of the  studies relative to clinical development is provided in the ICH M3 (R2) guidance.

1.4      General Principles

Genotoxicity  tests  can  be  defined  as   in  vitro  and  in  vivo  tests  designed  to  detect compounds that induce  genetic  damage  by various  mechanisms.    These tests  enable hazard  identification  with  respect  to  damage  to  DNA  and  its  fixation.     Fixation  of damage to DNA in the form of gene mutations, larger scale chromosomal damage or recombination is  generally considered to be essential for heritable effects and in the multi-step process of malignancy,  a complex process in which genetic changes might possibly play only a part.   Numerical  chromosome  changes have  also been associated with   tumorigenesis   and   can   indicate   a   potential   for   aneuploidy   in   germ   cells. Compounds that are positive in tests that detect such kinds of damage have the potential to be human carcinogens and/or mutagens.    Because the relationship between exposure to particular chemicals and carcinogenesis is established for humans, whilst a similar relationship has been difficult to prove for heritable diseases, genotoxicity tests have been used mainly for the prediction of carcinogenicity.    Nevertheless, because germ line mutations are clearly associated with human disease, the suspicion that a compound might induce heritable effects is considered to be just as serious as the suspicion that a compound might induce cancer.   In addition, the outcome of genotoxicity tests can be valuable for the interpretation of carcinogenicity studies.

2         THE STANDARD TEST BATTERY FOR GENOTOXICITY

2.1      Rationale

Registration of pharmaceuticals requires a comprehensive assessment of their genotoxic potential.   Extensive reviews have shown that many compounds that are mutagenic in the bacterial reverse mutation (Ames) test are rodent carcinogens.   Addition of in vitro mammalian tests increases sensitivity for detection of rodent carcinogens and broadens the spectrum of genetic events detected, but also decreases the specificity of prediction; i.e.,  increases  the  incidence  of  positive  results  that  do  not  correlate  with  rodent carcinogenicity.   Nevertheless, a battery approach is still reasonable because no single test is capable of detecting all genotoxic mechanisms relevant in tumorigenesis.

The general features of a standard test battery are as follows:

i.   Assessment  of mutagenicity in  a bacterial reverse gene mutation test.   This test has been shown to detect relevant genetic changes and the majority of genotoxic rodent and human carcinogens.

ii.  Genotoxicity should also be evaluated in mammalian cells in vitro and/or in vivo as follows.

Several  in  vitro  mammalian  cell   systems  are  widely  used   and  can  be  considered sufficiently validated:   The  in  vitro  metaphase  chromosome  aberration  assay,  the  in vitro micronucleus assay (Note 1) and the mouse lymphoma L5178Y cell Tk (thymidine kinase)  gene  mutation  assay  (MLA).     These  three  assays  are  currently  considered equally  appropriate  and  therefore  interchangeable  for  measurement  of  chromosomal damage  when  used  together  with  other  genotoxicity  tests  in  a  standard  battery  for testing of pharmaceuticals, if the test protocols recommended in this Guideline are used.

In vivo test(s) are included in the test battery because some agents are mutagenic in vivo but not in vitro (Note 2) and because it is desirable to include assays that account for such factors  as  absorption,  distribution,  metabolism  and  excretion.  The  choice  of  an analysis  either  of  micronuclei  in  erythrocytes  (in  blood  or  bone  marrow),  or  of chromosome aberrations in metaphase cells in bone marrow, is currently included for this reason (Note 3).   Lymphocytes cultured from treated animals can also be used for cytogenetic analysis, although experience with such analyses is less widespread.

In vitro and in vivo tests that measure chromosomal aberrations in metaphase cells can detect a wide spectrum of changes in chromosomal integrity.    Breakage of chromatids or chromosomes can result in micronucleus formation if an acentric fragment is produced; therefore   assays   that   detect   either   chromosomal   aberrations   or   micronuclei   are considered  appropriate  for   detecting  clastogens.     Micronuclei  can   also  result  from lagging of one or more whole chromosome(s) at anaphase and thus micronucleus tests have the potential to detect some aneuploidy inducers.   The MLA detects mutations in the Tk gene that result from both gene mutations and chromosome damage.   There is some evidence that MLA can also detect chromosome loss.

There are several additional in vivo assays that can be used in the battery or as follow- up tests to develop weight of evidence in assessing results of in vitro or in vivo assays (see below).   Negative results in appropriate in vivo assays (usually two), with adequate justification for the endpoints measured, and demonstration of exposure (see Section 4.4) are generally considered sufficient to demonstrate absence of significant genotoxic risk.

2.2      Description ofthe Two Options for the Standard Battery

The following two options for the standard battery are considered equally suitable (Note 4):

Option 1

i.   A test for gene mutation in bacteria.

ii.  A cytogenetic test for chromosomal damage (the in vitro metaphase chromosome aberration test or in vitro micronucleus test), or an in vitro mouse lymphoma Tk gene mutation assay.

iii. An in vivo test for genotoxicity, generally a test for chromosomal damage using rodent hematopoietic cells, either for micronuclei or for chromosomal aberrations in metaphase cells.

Option 2

i.   A test for gene mutation in bacteria.

ii.  An in vivo assessment of genotoxicity with two different tissues, usually an assay for  micronuclei  using  rodent  hematopoietic  cells  and   a  second   in   vivo  assay. Typically this would be a DNA strand breakage assay in liver, unless otherwise justified (see below; also Section 4.2 and Note 12).

There is more historical experience with Option 1, partly because it is based on S2A and B. Nevertheless, the reasoning behind considering Options 1 and 2 equally acceptable is as follows: When a positive result occurs in an in vitro mammalian cell assay, clearly negative results in two well conducted in vivo assays, in appropriate tissues and with demonstrated adequate exposure, are considered sufficient evidence for lack of genotoxic potential in vivo (see Section 5.4.1.1 below). Thus a test strategy in which two in vivo assays are conducted is the same strategy that would be used to follow up a positive result in vitro (Note 4).

Under both standard battery options, either acute or repeat dose study designs in vivo can  be  used.     In  case  of  repeated   administrations,  attempts  should  be  made  to incorporate  the  genotoxicity  endpoints  into  toxicity  studies,  if  scientifically  justified. When  more  than  one  endpoint  is  evaluated   in  vivo  it  is  preferable  that  they  are incorporated into a single study.    Often sufficient information on the likely suitability of the doses for the repeat-dose toxicology study is available before the study begins and can be used to determine whether an acute or an integrated test will be suitable.

For compounds that give negative results, the completion of either option of the standard test battery, performed and evaluated in accordance with current recommendations, will usually  provide  sufficient  assurance  of  the   absence  of  genotoxic   activity  and  no additional tests are warranted.   Compounds that give positive results in the standard test  battery  might,  depending  on  their  therapeutic  use,  need  to  be  tested  more extensively (see Section 5).

There  are  several  in  vivo  assays  that can be used  as the  second part  of the  in  vivo assessment  under  Option  2  (see  Section  4.2),  some  of  which  can  be  integrated  into repeat-dose toxicology studies.   The liver is typically the preferred tissue because of exposure and metabolizing capacity, but choice of in vivo tissue and assay should be based on factors such as any knowledge of the potential mechanism, of the metabolism in vivo, or of the exposed tissues thought to be relevant.

Information on numerical changes can be derived from the mammalian cell assays in vitro and from the micronucleus assays in vitro or in vivo. Elements of the standard protocols that can indicate such potential are elevations in the mitotic index, polyploidy induction  and  micronucleus  evaluation.     There  is   also  experimental   evidence  that spindle poisons can be detected in MLA.   The preferred  in vivo cytogenetic test under Option 2 is the micronucleus assay, not a chromosome aberration assay, to include more

direct capability for detection of chromosome loss (potential for aneuploidy).

The  suggested  standard  set  of tests  does  not  imply that other  genotoxicity tests  are generally  considered  inadequate  or  inappropriate.    Additional  tests  can  be  used  for further investigation of genotoxicity test results obtained in the standard battery (see Sections  4.2  and  5).    Alternative  species,  including  non-rodents,  can  also  be  used  if indicated, and if sufficiently validated.

Under conditions in which one or more tests in the standard battery cannot be employed for  technical  reasons,  alternative  validated  tests  can  serve  as  substitutes  provided sufficient scientific justification is given.

2.3      Modifications to the Test Battery

The  following  sections  describe  situations  where   modification  of  the   standard  test battery might be advisable.

2.3.1   Exploratory Clinical Studies

For certain exploratory clinical studies, fewer genotoxicity assays or different criteria for justification of the maximum dose in vivo might apply (see ICH M3(R2) guidance).

2.3.2   Testing Compounds that are Toxic to Bacteria

In  cases  where  compounds  are  highly  toxic  to  bacteria  (e.g.,  some  antibiotics),  the bacterial  reverse  mutation  (Ames)  test  should  still  be  carried  out,  just  as  cytotoxic compounds are tested in mammalian cells, because mutagenicity can occur at lower, less toxic  concentrations.   In  such  cases,  any  one  of the  in  vitro  mammalian  cell  assays should also be done, i.e., Option 1 should be followed.

2.3.3   Compounds Bearing Structural Alerts for Genotoxic Activity

Structurally alerting compounds (Note  5)  are usually detectable in the  standard test battery  since  the  majority  of  “structural  alerts”  are  defined  in  relation  to  bacterial mutagenicity.    A   few   chemical  classes  are  known  to  be  more  easily  detected  in mammalian  cell  chromosome  damage  assays  than  bacterial  mutation  assays.    Thus negative results in either test battery with a compound that has a structural alert is usually  considered  sufficient  assurance  of  a  lack  of  genotoxicity.     However,   for compounds bearing certain specific structural alerts, modification to standard protocols can be appropriate (Note 5).   The choice of additional test(s) or protocol modification(s) depends on the chemical nature, the known reactivity and any metabolism data on the structurally alerting compound in question.

2.3.4   Limitations to the Use of In Vivo Tests

There are compounds for which many in vivo tests (typically in bone marrow, blood or liver) do not provide additional useful information.   These include compounds for which data  on  toxicokinetics  or  pharmacokinetics  indicate  that  they  are  not  systemically absorbed  and  therefore  are  not  available  to  the  target  tissues.     Examples  of  such compounds are some radioimaging agents, aluminum based antacids, some compounds given by inhalation, and some dermally or other topically applied pharmaceuticals.   In cases where a modification of the route of administration does not provide sufficient target  tissue  exposure,  and  no  suitable  genotoxicity  assay  is  available  in  the  most exposed tissue, it might be appropriate to base the evaluation only on in vitro testing. In some cases evaluation of genotoxic effects at the site of contact can be warranted, although such assays have not yet been widely used (Note 6).

2.4      Detection of Germ Cell Mutagens

Results of comparative studies have shown that, in a qualitative sense, most germ cell

mutagens are likely to be detected as genotoxic in somatic cell tests so that negative results of in vivo somatic cell genotoxicity tests generally indicate the absence of germ cell effects.

3.        RECOMMENDATIONS FOR IN VITRO TESTS

3.1      Test Repetition and Interpretation

Reproducibility of experimental results is an essential component of research involving novel  methods  or  unexpected  findings;  however,  the  routine  testing  of  drugs  with standard, widely used genotoxicity tests often does not call for replication.   These tests are sufficiently well characterized and have sufficient internal controls that repetition of a  clearly  positive  or  negative  assay  is  not  usually  warranted.    Ideally  it  should  be possible to declare test results clearly negative or clearly positive.    However, test results sometimes  do  not  fit  the  predetermined  criteria  for  a  positive  or  negative  call  and therefore  are  declared “equivocal” .   The  application  of  statistical  methods  can  aid  in data interpretation; however, adequate biological interpretation is of critical importance. An equivocal test that is repeated might result in (i) a clearly positive outcome, and thus an overall positive result; (ii) a negative outcome, so that the result is not reproducible and  overall  negative,  or  (iii)  another  equivocal  result,  with  a  final  conclusion  that remains equivocal.

3.2      Recommended Protocol for the Bacterial Mutation Assay

Advice on the protocols is given in the OECD guideline (1997) and the IWGT report (Gatehouse et al., 1994).

3.2.1   Selection of Top Dose Level

Maximum dose level

The maximum dose level recommended is 5000 µg/plate (or 5 µL/plate for liquid test substance) when not limited by solubility or cytotoxicity.

Limit of solubility

For  bacterial  cultures,  precipitating  doses  are  scored  provided  precipitate  does  not interfere with scoring, toxicity is not limiting, and the top concentration does not exceed 5000 µg/plate (or 5 µL/plate for liquid test substance).   If no  cytotoxicity  is  observed, then the lowest precipitating dose should be used as the top dose scored.    If dose related cytotoxicity or mutagenicity is noted, irrespective of solubility, the top dose scored should be based on cytotoxicity as described below.

Limit of cytotoxicity

In  the Ames  test,  the  doses  scored  should  show  evidence  of  significant  toxicity,  but without exceeding a top dose of 5000 µg/plate. Toxicity might be detected by a reduction in the number of revertants, and/or clearing or diminution of the background lawn.

3.2.2   Study Design/Test Protocol

The  recommended  set  of  bacterial  strains  (OECD)  includes  those  that  detect  base substitution and frameshift mutations as follows:

●   Salmonella typhimurium TA98;

●   Salmonella typhimurium TA100;

●   Salmonella typhimurium TA1535;

●   either Salmonella typhimurium TA1537 or TA97 or TA97a;

●   and   either  Salmonella  typhimurium  TA102  or  Escherichia  coli  WP2  uvrA  or Escherichia coli WP2 uvrA (pKM101).

One difference from the OECD and IWGT recommendations is that, based on experience with  testing  pharmaceuticals,  a  single  bacterial  mutation  (Ames)  test  is  considered sufficient when it is clearly negative or positive, and carried out with a fully adequate protocol  including  all  strains  with  and  without  metabolic  activation,  a  suitable  dose range that fulfills criteria for top dose selection, and appropriate positive and negative controls.   Also,  for  testing pharmaceuticals, either the plate incorporation or the pre- incubation  method  is  considered  appropriate  for  this  single  experiment  (Note  7). Equivocal or weak positive results might indicate that it would be appropriate to repeat the test, possibly with a modified protocol such as appropriate spacing of dose levels.

3.3      Recommended Protocols for the Mammalian Cell Assays

Advice  on  the  protocols  is  given  in  the  OECD  guidelines  (1997)  and  the  IWGT publications   (e.g.,   Kirsch-Volders   et   al.,   2003;   Moore   et   al.,   2006).      Advice   on interpretation of MLA results is also given (Moore et al., 2006), including use of a global evaluation factor.   Several differences from these recommendations are noted here for testing  pharmaceuticals,  notably  for  selection  of  the  top  concentration.  (See  details below.)

3.3.1   Selection of Top Concentration

Maximum concentration

The maximum top concentration recommended is 1 mM or 0.5 mg/ml, whichever is lower, when not limited by solubility in solvent or culture medium or by cytotoxicity (Note 8).

Limit of solubility

When solubility is limiting, the maximum concentration, if not limited by cytotoxicity, should be the lowest concentration at which minimal precipitate is visible in cultures, provided there is no interference with scoring.   Evaluation of precipitation can be done by naked eye or by methods such as light microscopy, noting precipitate that persists or appears during culture (by the end of treatment).

Cytotoxicity

For in vitro cytogenetic assays for metaphase chromosome aberrations or for micronuclei, cytotoxicity should not exceed a reduction of about 50% in cell growth (Notes 9 and 10). For the MLA, at the top dose there should be 80-90% cytotoxicity as measured by an RTG between 20-10% (Note 9).

3.3.2   Study Design/Test Protocols

For the cytogenetic evaluation of chromosomal damage in metaphase cells in vitro, the test protocol should include the conduct of tests with and without metabolic activation, with  appropriate  positive  and  negative  controls.     Treatment  with  the  test  articles should be for 3 to 6 hours with a sampling time approximately  1.5 normal cell cycles from  the  beginning  of  the  treatment.     A  continuous  treatment  without   metabolic activation up to the sampling time of approximately  1.5 normal cell cycles  should be conducted in case of negative or equivocal results for both short treatments, with and without metabolic activation.   The  same  principles  apply to the in vitro micronucleus assay, except that the sampling time is typically  1.5 to 2 normal cell cycles from the beginning of treatment to allow cells to complete mitosis and enter the next interphase. For both in vitro cytogenetic assays, there might be a need to modify the protocol for certain types  of chemicals  that  could  be  more  readily  detected  by  longer  treatment, delayed sampling times or recovery periods, e.g., some nucleoside analogues and some

nitrosamines.    In  the  metaphase  aberration  assay,  information  on  the  ploidy  status should be obtained by recording the incidence of polyploid (including endoreduplicated) metaphases  as  a  percentage  of  the  number  of  metaphase  cells.    For  MLA,  the  test protocol should include the conduct of tests with and without metabolic activation, with appropriate positive and negative controls, where the treatment with the test article is for   3   to    4   hours.       A   continuous   treatment   without    metabolic   activation   for approximately 24 hours should be conducted in case of a negative or equivocal result for both short treatments, with and without metabolic activation.   A standard MLA should include (i) the incorporation of positive controls that induce mainly small colonies, and (ii) colony  sizing for  positive controls,  solvent  controls  and  at  least  one  positive  test compound concentration (should any exist), including the culture that gave the greatest mutant frequency.

For  mammalian  cell  assays  in  vitro,  built-in  confirmatory  elements,  such  as  those outlined  above  (e.g.,  different  treatment  lengths,  tests  with  and  without  metabolic activation), should be used.   Following such testing, further confirmatory testing in the case of clearly negative or positive test results is not usually warranted.   Equivocal or weak positive results might call for repeating tests, possibly with a modified protocol such as appropriate spacing of the test concentrations.

3.3.3   Positive Controls

Concurrent positive controls are important, but in vitro mammalian cell tests for genetic toxicity  are  sufficiently  standardized  that  use  of  positive  controls  can  generally  be confined to a positive control with metabolic activation (when it is done concurrently with  the  non-activated  test)  to  demonstrate  the  activity  of  the  metabolic  activation system and the responsiveness of the test system.

4.  RECOMMENDATIONS FOR IN VIVO TESTS

4.1      Tests for the Detection of Chromosome Damage In Vivo

Either the analysis of chromosomal aberrations or the measurement of micronucleated polychromatic erythrocytes in bone marrow cells in vivo is considered appropriate for the detection of clastogens.   Both rats and mice are considered appropriate for use in the bone marrow micronucleus test.   Micronuclei can  also be measured in immature  (e.g., polychromatic) erythrocytes in peripheral blood in the mouse, or in the newly formed reticulocytes in rat blood (Note 3).   Likewise, immature erythrocytes can be used from any    other     species     which    has     shown     an     adequate    sensitivity     to     detect clastogens/aneuploidy inducers in bone marrow or peripheral blood (Note 3).   Systems for automated analysis (image analysis and flow cytometry) can be used if appropriately validated (OECD, 1997; Hayashi et al., 2000; 2007).   Chromosomal aberrations can also be analyzed in peripheral lymphocytes cultured from treated rodents (Note 11).

4.2      Other In Vivo Genotoxicity Tests

The same in vivo tests described as the second test in the standard battery (Option 2) can be used as follow-up tests to develop weight of evidence in assessing results of in vitro or in vivo assays (Notes 11 and 12).   While the type of effect seen in vitro and any knowledge of the mechanism can help guide the choice of in vivo assay, investigation of chromosomal aberrations or of gene mutations in endogenous genes is not feasible with standard methods in most tissues.   Although mutation can be measured in transgenes in  rodents,  this   entails  prolonged  treatment   (e.g.,   28  days)  to   allow  for   mutation expression, fixation and accumulation, especially in tissues with little cell division (Note 12).   Thus the second in vivo assay will often evaluate a DNA damage endpoint as a surrogate.   Assays with the most published experience and advice on protocols include

the DNA strand break assays such as the single cell gel electrophoresis (“Comet”) assay and  alkaline  elution  assay,  the  in  vivo  transgenic  mouse  mutation  assays  and  DNA covalent binding assays, (all of which may be applied in many tissues, Note 12), and the liver unscheduled DNA synthesis (UDS) assay.

4.3      Dose Selection for In Vivo Assays

Typically three dose levels are analyzed (Hayashi et al., 2005).

4.3.1   Short-Term Studies

For short-term (usually 1 to 3 administrations) studies, the top dose recommended for genotoxicity assays is a limit dose of 2000 mg/kg, if this is tolerated, or a maximum tolerated  dose  defined  (for  example  for  the  micronucleus  assay  (OECD))  as  the  dose producing  signs  of  toxicity  such  that  higher  dose  levels,  based  on  the  same  dosing regimen, would be expected to produce lethality.   Similar recommendations have been made  for  the  Comet  assay  (Hartmann  et  al.,  2003)  and  transgenic  mutation  assay (Heddle et al., 2000).   Suppression of bone marrow red blood cell production should also be  taken  into  account  in  dose  selection.     Lower   doses   are   generally   spaced   at approximately two to three fold intervals below this.

4.3.2   Multiple Administration Studies

Option 1 Battery

When the in vivo genotoxicity test is integrated into a multiple administration toxicology study, the doses are generally considered appropriate when the toxicology study meets the criteria for an adequate study to support human clinical trials; this can differ from dose selection criteria in the OECD guideline for the in vivo micronucleus assay.   This applies when the in vitro mammalian cell test is negative (or “non-relevant positive”; see Section 5).

Follow-up studies or Option 2 Battery

When carrying out follow-up studies to address any indication of genotoxicity, or when using  Option  2  with  no   in   vitro  mammalian  cell  assay,  several  factors  should  be evaluated to determine whether the top dose is appropriate for genotoxicity evaluation. Any one of the criteria listed below is considered sufficient to demonstrate that the top dose in a toxicology study (typically in rats) is appropriate for micronucleus analysis and for other genotoxicity evaluation:

i.   Maximum Feasible Dose (MFD) based on physico-chemical properties of the drug in the vehicle (provided the MFD in that vehicle is similar to that achievable with acute administration; Note 13).

ii.  Limit dose of 1000 mg/kg for studies of 14 days or longer, if this is tolerated.

iii. Maximal possible exposure demonstrated either by reaching a plateau/saturation in exposure  or  by  compound  accumulation.     In  contrast,  substantial  reduction  in exposure to parent drug with time (e.g., ≥ 50% reduction from initial exposure) can disqualify the study (unless a blood sample taken in the first few days is available). If this is seen in one sex, generally the sex with reduced exposure would not be scored at the end of the study, unless there is enhanced exposure to a metabolite of interest.

iv. Top dose is ≥ 50% of the top dose that would be used for acute administration, i.e., close to the minimum lethal dose, if such acute data are available for other reasons. (The top dose for acute administration micronucleus tests is currently described in

OECD  guidance  as  the  dose  above  which  lethality  would  be  expected;  similar guidance is given (e.g., Hartmann et al., 2003) for other in vivo assays.)

Selection  of  a  top   dose  based  only  on  an  exposure  margin   (multiple  over  clinical exposure) without toxicity is not considered sufficient justification.

4.3.3   Testing Compounds that are Toxic for Blood or Bone Marrow

Many compounds that induce aneuploidy, such as potent spindle poisons, are detectable in in vivo micronucleus assays in bone marrow or blood only within a narrow range of doses approaching toxic doses.   This  is  also true for  some clastogens.   If toxicological data indicate severe toxicity to the red blood cell lineage (e.g., marked suppression of Polychromatic Erythrocytes (PCEs) or reticulocytes), doses scored should be spaced not more than about 2 fold below the top, cytotoxic dose.    If suitable doses are not included in a multi-week study, additional data that could contribute to the detection of aneugens and some toxic clastogens could be derived from any one of the following:

i.    Early blood sampling (at 3-4 days) is advisable when there are marked increases in toxicity with increasing treatment time.    For example, when blood or bone marrow is used for micronucleus measurement in a multiweek study (e.g., 28 days), and reticulocytes  are  scored,  marked  hematotoxicity  can  affect  the  ability  to  detect micronuclei; i.e., a dose that induces detectable increases in micronuclei after acute treatment might be too toxic to analyze after multiple treatments (Hamada et al., 2001).   The  early  sample  can  be  used  to provide assurance that clastogens and potential aneugens are detected (but see Notes 14 and 15).

ii.  An in vitro mammalian cell micronucleus assay. iii. An acute bone marrow micronucleus assay.

4.4      Demonstration  of  Target  Tissue  Exposure  for  Negative  In   Vivo  Test Results

In vivo tests have an important role in genotoxicity test strategies.    The value of in vivo results is directly related to the demonstration of adequate exposure of the target tissue to the test compound.   This is especially true for negative  in vivo test results when in vitro  test(s)  have   shown  convincing   evidence  of  genotoxicity,  or  when  no   in   vitro mammalian cell assay is used.   Evidence of adequate exposure could include toxicity in the tissue in question, or toxicokinetic data as described in the following section.

4.4.1   When an In Vitro Genotoxicity Test is Positive (or not done)

Assessments of in vivo exposure should be made at the top dose or other relevant doses using the same species, strain and dosing route used in the genotoxicity assay.   When genotoxicity  is  measured  in  toxicology  assays,  exposure  information  is  generally available as part of the toxicology assessment.

Demonstration   of   in   vivo    exposure   should   be    made   by   any   of   the   following measurements:

i.    Cytotoxicity:

a. For cytogenetic assays: By obtaining a significant change in the proportion of immature erythrocytes among total erythrocytes in the tissue used (bone marrow or blood) at the doses and sampling times used in the micronucleus test or by measuring   a   significant   reduction   in   mitotic   index   for   the   chromosomal aberration assay.

b. For  other  in  vivo  genotoxicity  assays:     Toxicity  in  the  liver  or  tissue  being assessed,  e.g.,  by  histopathological  evaluation  or  blood  biochemistry  toxicity

indicators. ii.  Exposure:

a. Measurement  of drug  related  material  either  in  blood  or  plasma.    The  bone marrow is a well perfused tissue and levels of drug related materials in blood or plasma are generally similar to those observed in bone marrow.   The  liver  is expected to be exposed for drugs with systemic exposure regardless of the route of administration.

b. Direct    measurement     of    drug-related     material     in     target    tissue,     or

autoradiographic assessment of tissue exposure.

If systemic exposure is similar to or lower than expected clinical exposure, alternative strategies might be called for such as:

i.   Use of a different route of administration;

ii.  Use of a different species with higher exposure;

iii. Use of a  different tissue or  assay  (see  Section  2.3.4,  “Limitations  to  the  use  of standard in vivo tests”).

When adequate exposure cannot be achieved (e.g., with compounds showing very poor target tissue availability) conventional in vivo genotoxicity tests have little value.

4.4.2   When In Vitro Genotoxicity Tests are Negative

If in  vitro  tests  do  not  show  genotoxic  potential,  in  vivo  (systemic)  exposure can  be assessed by any of the methods above, or can be assumed from the results of standard Absorption, Distribution, Metabolism and Excretion (ADME) studies in rodents done for other purposes.

4.5      Sampling Times for In Vivo Assays

Selection  of  the  sampling  time  in  the  in  vivo  Micronucleus  (MN),  chromosomal aberration and UDS test should follow OECD (1997).

When micronucleus analysis is integrated into multi-week studies, sampling of blood or bone marrow can be done the day after the final administration (see recommendation for additional blood sampling time above).

For other genotoxicity assays, sampling time should be selected as appropriate for the endpoint measured; for example, DNA damage/strand break measurements are usually made  a  few   (e.g.,  2-6)  hours  after  the  last  administration  for   the  multiple  daily administration.   In the  case  of single  administration,  two  sampling  times  should  be used: a few hours and 24 hours after the treatment.

In  principle,  studies  of  any  length  can  be  considered  appropriate,  provided  the  top dose/exposure is adequate.

4.6      Number of Animals Analyzed

The  number of animals  analyzed  is  determined  by current recommendations  for the micronucleus assay (OECD) or other genotoxicity assays and generally does not include all the animals treated for a toxicology study.   Animals used for genotoxicity analyses should be randomly selected from the group used for the toxicology study.

4.7      Use of Male/Female Rodents in In Vivo Genotoxicity Tests

If sex-specific drugs are to be tested, then the assay can be done in the appropriate sex. In vivo tests with the acute protocol can generally be carried out in only one sex.   For

acute tests, both sexes should be considered only if any existing toxicity, metabolism or exposure (Cmax or AUC) data indicate a toxicologically meaningful sex difference in the species being used.   Otherwise, the use of males  alone is considered  appropriate for acute genotoxicity tests.   When  the  genotoxicity  test  is  integrated into  a repeat-dose toxicology study in two sexes, samples can be collected from both sexes, but a single sex can be scored if there is no substantial sex difference evident in toxicity/metabolism. The dose levels for the sex(es) scored should meet the criteria for appropriate dose levels (see Sections 4.3.2 and 4.3.3).

Similar principles can be applied for other established in vivo genotoxicity tests.

4.8      Route of Administration

The  route  of  administration  is   generally   the   expected   clinical  route,   e.g.,   oral, intravenous  or  subcutaneous,  but  can  be  modified  if  appropriate  in  order  to  obtain systemic exposure, e.g., for topically applied compounds (see Section 2.3.4).

4.9      Use of Positive Controls for In Vivo Studies

For in vivo studies, it is considered sufficient to treat animals with a positive control only periodically, and not concurrently with every assay, after a laboratory has established competence in the use of the assay (Note 16).

5.        GUIDANCE ON EVALUATION OF TEST RESULTS AND ON FOLLOW–UP TEST

STRATEGIES

Comparative trials have shown conclusively that each in vitro test system generates both false negative and false positive results in relation to predicting rodent carcinogenicity. Genotoxicity test batteries  (of in  vitro  and  in  vivo  tests)  detect  carcinogens  that  are thought to act primarily via a mechanism involving direct genetic damage, such as the majority of known human carcinogens.   Therefore, these batteries are not expected to detect   non-genotoxic  carcinogens.      Experimental  conditions,   such   as   the   limited capability of the in vitro metabolic activation systems, can lead to false negative results in  in  vitro  tests.    The  test  battery  approach  is  designed  to  reduce  the  risk  of  false negative results for compounds with genotoxic potential. On the other hand a positive result in any assay for genotoxicity does not always mean that the test compound poses a genotoxic/carcinogenic hazard to humans.

Although positive in vitro data could indicate intrinsic genotoxic properties of a drug, appropriate in vivo data determine the biological significance of these in vitro signals in most cases.   Also, because  there  are several indirect mechanisms of genotoxicity that operate  only  above  certain  concentrations,  it  is  possible  to  establish  a  safe  level (threshold)  for  classes  of  drugs  with  evidence  for  such  mechanisms  (see  5.2.  below, Müller and Kasper, 2000; Scott et al., 1991; Thybaud et al., 2007).

5.1      Assessment of Biological Relevance

The recommendations below assume that the test has been conducted using appropriate spacing of doses, levels of toxicity etc.

Small increases in apparent genotoxicity in vitro or in vivo should first be assessed for reproducibility and biological significance.   Examples of results that are not considered biologically meaningful include:

i.    Small increases  that  are  statistically  significant  compared  with  the negative  or solvent control values but are within the confidence intervals of the appropriate historical control values for the testing facility.

ii.  Weak/equivocal responses that are not reproducible.

If either  of the  above  conditions  applies,  the  weight  of  evidence  indicates  a  lack  of genotoxic  potential,  the  test  is  considered  negative  or  the  findings  not  biologically relevant, and no further testing is called for.

5.2      Evaluation of Results Obtained in In Vitro Tests

In evaluating positive results, especially for the microbial mutagenicity test, the purity of the test compound should be considered, to determine whether the positive result could be attributable to a contaminant.

5.2.1   Evaluation of Positive Results Obtained In Vitro in a Bacterial Mutation Assay

Since positive results in the Ames test are thought to indicate DNA reactivity, extensive follow-up testing to assess the in vivo mutagenic and carcinogenic potential would be warranted  to  assess  the  potential  risk  for  treatment  of  patients,  unless  justified  by appropriate risk-benefit analysis.

There are some well characterized examples of artifactual increases in colonies that are not  truly  revertants.    These  can  occur  due  to  contamination  with  amino  acids  (i.e., providing histidine for Salmonella typhimurium strains or tryptophan for Escherichia coli strains), so that the bacterial reversion assay is not suitable for testing a peptide that  is  likely  to   degrade.     Certain  cases  exist  where  positive  results  in  bacterial mutation assays might be shown not to indicate genotoxic potential in vivo in humans, for example when bacterial-specific metabolism occurs, such as activation by bacterial nitroreductases.

5.2.2   Evaluation  of Positive  Results  Obtained  In  Vitro  in  Mammalian  Cell Assays

Recommendations for  assessing weight  of evidence  and  follow-up testing for positive genotoxicity  results  are  discussed  in  IWGT  reports  (e.g.,  Thybaud  et  al.,  2007).     In addition, the scientific literature gives a number of conditions that can lead to a positive in  vitro result of questionable relevance.   Therefore,  any  in  vitro  positive  test  result should be evaluated based on an assessment of the weight of evidence as indicated below.

This list is not exhaustive, but is given as an aid to decision-making.    i.   The conditions do not occur in vivo (pH; osmolality; precipitates).

(Note  that  the  1  mM  limit  avoids  increases  in  osmolality,  and  that  if  the  test compound alters pH it is advisable to adjust pH to the normal pH of untreated cultures at the time of treatment).

ii.  The effect occurs only at the most toxic concentrations. In the MLA increases at ≥80% reduction in RTG.

For in vitro cytogenetics assays when growth is suppressed by ≥50%.

If any of the above conditions apply the weight of evidence indicates a lack of genotoxic potential; the standard battery (Option 1) can be followed.    Thus, a single in vivo test is considered sufficient.

5.2.3   Evaluation of In Vitro Negative Results

For in vitro negative results further testing should be considered in special cases, such as (the examples given are not exhaustive, but are given as an aid to decision-making): The structure or known metabolism of the compound indicates that standard techniques for in vitro metabolic activation (e.g., rodent liver S9) might be inadequate; the structure or

known activity of the compound indicates that the use of other test methods/systems might be appropriate.

5.3      Evaluation of Results Obtained from In Vivo Tests

In  vivo  tests have the  advantage of taking into  account  absorption,  distribution  and excretion, which are not factors in in vitro tests, but are potentially relevant to human use.    In  addition  metabolism  is  likely  to  be  more  relevant  in  vivo  compared  to  the systems normally used in vitro.    If the in vivo and in vitro results do not agree, then the difference should be considered/explained on a case-by-case basis, e.g., a difference in metabolism; rapid and efficient excretion of a compound in vivo.

In vivo genotoxicity tests also have the potential to give misleading positive results that do not indicate true genotoxicity.    As examples:

i.   Increases in micronuclei can occur without administration of any genotoxic agent, due to disturbance in erythropoiesis (Tweats et al., 2007, I).

ii.  DNA adduct data should be interpreted in the light of the known background level of endogenous adducts.

iii. Indirect, toxicity-related effects could influence the results of the DNA strand break assays (e.g., alkaline elution and Comet assays).

Thus it is important to take into account all the toxicological and hematological findings when evaluating the genotoxicity data (Note 15).   Indirect effects related to toxicological changes could have  a  safety margin  and might not be clinically relevant.

5.4      Follow-up Strategies for Positive Results

5.4.1   Follow-up to Findings in In Vitro in Mammalian Cell Tests

The following discussion assumes negative results in the Ames bacterial mutation assay.

5.4.1.1 Mechanistic/In Vivo Follow-up

When there is insufficient weight of evidence to indicate lack of relevance, recommended follow-up for positive mammalian cell assays would be to provide experimental evidence, either by additional in vitro studies (i, below) or by carrying out two appropriate in vivo assays (ii, below), as follows:

i.   Mechanistic  information  that  contributes  to  a  weight  of  evidence  for  a  lack  of relevant genotoxicity is often generated in vitro, for example evidence that a test compound that induces chromosome aberrations or mutations in the MLA is not a DNA damaging agent (e.g., other negative mutation/DNA damage tests in addition to the Ames test; structural considerations), or evidence for an indirect mechanism that might not be relevant in vivo or might have a threshold (e.g., inhibition of DNA synthesis, reactive oxygen species produced only at high concentrations) (Galloway et al., 1998; Scott et al., 1991; Müller and Kasper, 2000).   Similar studies can be used to follow up a positive result in the in vitro micronucleus assay, or in this case evidence    can    include    a    known     mechanism    that    indicates    chromosome loss/aneuploidy,  or  centromere  staining  experiments   (Note   17)   that  indicate chromosome  loss.     Polyploidy  is  a  common  finding  in  chromosome  aberration assays in vitro.   While aneugens can induce polyploidy, polyploidy alone does not indicate aneugenic potential and can simply indicate cell cycle perturbation; it is also  commonly  associated  with  increasing  cytotoxicity.      If  polyploidy,  but   no structural chromosome breakage, is seen in an in vitro assay, generally a negative in vivo micronucleus assay with assurance of appropriate exposure would provide

sufficient assurance of lack of potential for aneuploidy induction.

If the above mechanistic information and weight of evidence supports the lack of relevant  genotoxicity,  only  a  single   in  vivo  test  with  appropriate  evidence  of exposure is called for in order to establish the lack of genotoxic activity.   This is typically a cytogenetic assay, and the micronucleus assay in vivo is called for when following up potential for chromosome loss.

If there is not sufficient weight of evidence or mechanistic information to rule out relevant  genotoxic  potential,  two  in  vivo  tests  are  generally  called  for,  with appropriate endpoints and in appropriate tissues (usually two different tissues), and with an emphasis on obtaining sufficient exposure in the in vivo models.

Or

ii.  Two appropriate in vivo assays are done, usually with different tissues, and with supporting demonstration of exposure.

In summary, negative results in appropriate in vivo assays, with adequate justification for  the  endpoints  measured  and  demonstration  of  exposure  (see  Section  4.4.1)  are considered sufficient to demonstrate absence of significant genotoxic risk.

5.4.1.2 Follow-up  to  an  In  Vitro  Positive  Result  That  is  Dependent  upon  S9

Activation

When positive results are seen only in the presence of the S9 activation system, it should first be verified that metabolic activation is responsible and not some other difference in conditions (e.g., low or no serum in the S9 mix, compared with ≥10% serum in the non- activated  incubations).    The  follow-up   strategy   is  then  aimed  at  determining  the relevance of the results in vitro to conditions in vivo, and will generally focus on in vivo studies in liver (Note 18).

5.4.2   Follow-up to a Positive In Vivo Micronucleus Assay

If  there  is  an  increase  in  micronuclei  in  vivo,  all  the  toxicological  data  should  be evaluated  to  determine  whether  a  non-genotoxic  effect  could  be  the  cause  or  a contributing  factor  (Note   15).     If  non-specific  effects  of  disturbed  erythropoiesis  or physiology (such as hypo/hyperthermia) are suspected, an in vivo assay for chromosome aberrations  might be  more  appropriate.    If a  “real”  increase  is  suspected,  strategies should  be  used  to  demonstrate  whether  the  increase  is  due  to  chromosome  loss  or chromosome breakage (Note 17).   There is evidence that aneuploidy induction, e.g., with spindle  poisons,  follows  a  non-linear  dose  response.     Thus,  it  might  be  possible  to determine  that  there  is  a  threshold  exposure  below  which  chromosome  loss  is  not expected and to determine whether an appropriate safety margin exists compared with clinical exposure.

In conclusion, the assessment of the genotoxic potential of a compound should take into account the totality of the findings and acknowledge the intrinsic values and limitations of both in vitro and in vivo tests.

5.5      Follow-up  Genotoxicity  Testing  in   Relation  to  Tumor  Findings  in  a

Carcinogenicity Bioassay

Additional genotoxicity testing in appropriate models can be conducted for compounds that were negative in the  standard  test battery  but which have  shown  increases  in tumors  in  carcinogenicity  bioassay(s)  with  insufficient  evidence  to  establish  a  non- genotoxic mechanism.   To  help  understand the  mode of action, additional testing can include modified conditions for metabolic activation in in vitro tests or can include in vivo tests measuring genetic damage in target organs of tumor induction, such as DNA

strand  break  assays  (e.g.,  comet  or  alkaline  elution  assays),  liver  UDS  test,  DNA covalent  binding  (e.g.,  by  32P-postlabelling),  mutation  induction  in  transgenes,  or molecular  characterization  of genetic  changes  in  tumor-related  genes  (Kasper  et  al., 2007).

6.  NOTES

1.   The   in   vitro   micronucleus   assay  has  been  widely   evaluated  in  international collaborative studies (Kirsch-Volders et al., 2003), is validated by ECVAM (Corvi et al., 2008), and is the subject of an OECD guideline 487 (2010).

2.   There is a small but significant number of genotoxic carcinogens that are reliably detected  by  the  bone   marrow  tests  for  chromosomal   damage  but  have  yielded negative/weak/conflicting results in the in vitro tests outlined in the standard battery options.   Carcinogens such as procarbazine, hydroquinone, urethane  and benzene fall  into  this  category.     Some  other  examples  from  a  survey  of  companies  are described by Tweats et al., 2007, II.

3.   In principle, micronuclei in hematopoietic cells can be evaluated in bone marrow from any   species,   and   in   blood   from    species   that   do   not   filter   out   circulating micronucleated erythrocytes in the spleen.   In laboratory  mice,  micronuclei can be measured  in  polychromatic  erythrocytes  in  blood,  and  mature  (normochromatic) erythrocytes can be used when mice are treated continuously for about 4 weeks or more.      Although   rats   rapidly   remove   micronucleated   erythrocytes   from   the circulation,  it  has  been   established  that   micronucleus  induction  by   a  range  of clastogens and aneugens can be detected in rat blood reticulocytes (Wakata et al., 1998;  Hamada  et  al.,  2001).     Rat  blood  can  be  used  for  micronucleus  analysis provided  methods  are  used  to  ensure  analysis  of  the  newly  formed  reticulocytes (Hayashi et al., 2007; MacGregor et al., 2006), and the sample size is sufficiently large to provide appropriate statistical sensitivity given the lower micronucleus levels in  rat  blood  than  in  bone  marrow  (Kissling  et  al.,  2007).    Whichever  method  is chosen, bone marrow or blood, automated or manual analysis, each laboratory should determine  the  appropriate  minimum  sample  size  to  ensure  that  scoring  error  is maintained below the level of animal-to-animal variation.

Some experience is now available for micronucleus induction in the dog and rhesus  monkey  (Harper  et  al.,  2007;  Hotchkiss  et  al.,  2008).    One  example  where  such  alternative species might be useful would be in evaluation of a human metabolite  that was not sufficiently represented in rodents but was formed in the dog or monkey.

4.  While the two options in the battery are equally suitable, specific knowledge about an individual test compound can indicate that one option is preferable.    For example, if systemic  exposure  in  animal  models  is  equal  to  or  less  than  anticipated  clinical exposure, in vitro assays should be employed: Option 1 (see also Sections 2.3.4 and 4.4.1).   On the other hand Option 2, including a test in liver, is recommended in cases where short-lived reactive metabolites are expected to be generated in the liver.

5.   Certain  structurally  alerting  molecular  entities  are  recognized  as  being  causally  related to the carcinogenic and/or mutagenic potential of chemicals.   Examples of  structural alerts include alkylating electrophilic centers, unstable epoxides, aromatic  amines,  azo-structures,  N-nitroso  groups,  and  aromatic  nitro-groups  (Ashby  and  Paton,  1994).   For some classes of compounds with specific structural alerts, it is  established  that  specific  protocol  modifications/additional  tests  are  important  for  optimum detection of genotoxicity (e.g., molecules containing an azo-group, glycosides, compounds   such   as   nitroimidazoles   requiring    nitroreduction    for    activation,

compounds  such  as  phenacetin  requiring  a  different  rodent  S9  for  metabolic activation).

6.   There is some experience with in vivo assays for micronucleus induction in skin and colon (Hayashi et al., 2007), and DNA damage assays in these tissues can also be an appropriate substitute.

7.  A few chemicals are more easily detectable either with plate-incorporation or with pre-incubation methods, though  differences  are  typically  quantitative  rather than qualitative  (Gatehouse  et  al.,  1994).     Experience  in  the  pharmaceutical  industry where drugs have been tested in both protocols has not resulted in different results for the two methods, and, in the IWGT report (Gatehouse et al., 1994), the examples of chemical classes listed as more easily detectable in the pre-incubation protocol are generally not pharmaceuticals and are positive in in vivo genotoxicity tests in liver. These include short chain aliphatic nitrosamines; divalent metals; aldehydes (e.g., formaldehyde, crotonaldehyde); azo dyes (e.g., butter yellow); pyrrolizidine alkaloids; allyl compounds (allylisothiocyanate, allyl chloride), and nitro (aromatic, aliphatic) compounds.

8.   The rationale for a maximum concentration of 1 mM for  in  vitro mammalian cell assays includes the following:   The  test  battery includes the Ames test and an  in vivo assay.   This  battery  optimizes the  detection of genotoxic carcinogens without relying on any individual assay alone.   There is a very low likelihood of compounds of concern (DNA damaging carcinogens) that are not detected in Ames test or in vivo genotoxicity assay, but are detectable in an in vitro mammalian assay only above 1 mM.   Second, a limit of 1 mM maintains the element of hazard identification, being higher  than  clinical   exposures  to  known  pharmaceuticals,  including  those  that concentrate in tissues (Goodman & Gilman, 2001), and is also higher than the levels generally  achievable  in  preclinical  studies  in  vivo.     Certain  drugs  are  known  to require quite high clinical exposures for therapeutic effect, e.g., nucleoside analogs and some antibiotics.   While  comparison  of potency with  existing drugs can be of interest to sponsors, perhaps even above the 1 mM limit, it is ultimately the in vivo tests  that  determine  relevance  for  human  safety.     For   pharmaceuticals   with unusually  low  molecular  weight  (e.g.,  less  than  200)  higher  test  concentrations should be considered.

9.  Although  some  genotoxic  carcinogens  are  not  detectable  in  in  vitro  genotoxicity assays  unless  the  concentrations  tested  induce  some  degree  of  cytotoxicity,  DNA damaging  agents  are  generally  detectable  with  only  moderate  levels  of  toxicity (Greenwood et al., 2004).   As  cytotoxicity increases,  mechanisms other than direct DNA damage by a compound or its metabolites can lead to ‘positive’ results that are related to cytotoxicity and not genotoxicity.    Such indirect induction of DNA damage secondary to damage to non-DNA targets is more likely to occur  above  a certain concentration  threshold.    The  disruption  of  cellular  processes  is  not  expected  to occur at lower, pharmacologically relevant concentrations.

In cytogenetic assays, even weak clastogens that are known to be carcinogens are positive  without  exceeding  a  50%  reduction  in  cell  counts.     On  the  other  hand, compounds  that  are  not  DNA  damaging,  mutagenic  or  carcinogenic  can  induce chromosome breakage at toxic concentrations.   For both in vitro cytogenetic assays, the chromosome  aberration  assay  and the  in  vitro  micronucleus  assay,  a  limit  of about 50% growth reduction is considered appropriate.

For cytogenetic assays in cell lines, measurement of cell population growth over time (by measuring the change in cell number during culture relative to control, e.g., by

the method referred to as Population Doubling (PD; Note 10), has been shown to be a useful measure of cytotoxicity, as it is known that cell numbers can underestimate toxicity.   For lymphocyte cultures, an inhibition of proliferation not exceeding about 50%  is  considered  sufficient;  this  can  be   measured  by   Mitotic  Index  (MI)  for metaphase aberration assays and by an index based on cytokinesis block for in vitro micronucleus  assays.     In   addition,  for  the   in  vitro  micronucleus  assay,  since micronuclei  are  scored  in  the  interphase  subsequent  to  a  mitotic  division,  it  is important to verify that cells have progressed through the cell cycle.   This  can be done by use of cytochalasin B to allow nuclear division but not cell division, so that micronuclei can be scored in binucleate cells (the preferred method for lymphocytes). For  cell  lines,  other  methods  to  demonstrate  cell  proliferation,  including  cell population growth over time (PD) as described above, can be used (Kirsch-Volders et al., 2003).

For MLA, appropriate sensitivity is achieved by limiting the top concentration to one with close to 20% Relative Total Growth (RTG) (10-20%) both for soft agar and for microwell methods (Moore et al., 2002).    Reviews of published data using the current criteria found very few chemicals that were positive in MLA only at concentrations with less than 20% RTG and that were rodent carcinogens, and convincing evidence of  genotoxic  carcinogenesis  for  this  category  is  lacking.     The  consensus  is  that caution is appropriate in interpreting results when increases in mutation are seen only below 20% RTG, and a result would not be considered positive if the increase in mutant fraction occurred only at ≤ 10% RTG.

In  conclusion,  caution  is  appropriate  in  interpreting  positive  results  obtained  as reduction in growth/survival approaches or exceeds 50% for cytogenetics assays or 80% for MLA.    It is acknowledged that the evaluation of cells treated at these levels of cytotoxicity/clonal survival can result in greater sensitivity but bears an increased risk  of  non-relevant  positive  results.     The  battery  approach  for  genotoxicity  is designed  to  ensure  appropriate  sensitivity  without  relying  on  single   in  vitro mammalian cell tests at high cytotoxicity.

To obtain an appropriate toxicity range, a preliminary range-finding assay over a broad  range  of concentrations  is  useful,  but  in  the  genotoxicity  assay  it  is  often critical to use multiple concentrations that are spaced quite closely (less than two– fold dilutions).    Extra concentrations can be tested but not all concentrations need be evaluated for genotoxicity.   It is not intended that multiple experiments be carried out to reach exactly 50% reduction in growth, for example, or exactly 80% reduction in RTG.

10. For  in  vitro  cytogenetic  assays  it is  appropriate to use  a measure of relative cell growth to assess toxicity, because cell counts can underestimate toxicity (Greenwood et al., 2004).   Using calculated population doublings  (see  Glossary) to estimate the 50%  growth  reduction  level,  it  was  demonstrated  that  the  frequency  of  positive results with compounds that  are not  mutagenic or carcinogenic is reduced, while agents that act via direct interaction with DNA are reliably positive.

11. In certain cases it can be useful to examine chromosome aberrations at metaphase in lymphocytes cultured from test animals after one or more administrations of test compound, just  as  bone  marrow  metaphase  cells  can  be  used.    Since  circulating lymphocytes are not replicating, agents that require replication for their genotoxic effect (e.g., some nucleoside analogs) are not expected to be detected in this cell type. Because some lymphocytes are relatively long-lived, in principle there is the potential for  accumulation  of  un-repaired  DNA   damage  in  vivo  that  would   give  rise  to aberrations when the cells are stimulated to divide in vitro.    The in vivo lymphocyte

assay  can  be  useful  in  following  up  indications  of  clastogenicity,  but  in  general another tissue such as liver is a more informative supplement to the micronucleus assay  in  hematopoietic  cells  because  exposure  to  drug  and  metabolite(s)  is  often higher in liver.

12. The inclusion of a second in vivo assay in the battery is to provide assurance of lack of genotoxicity by use of a tissue that is well exposed to a drug and/or its metabolites; a small number of carcinogens that are considered genotoxic gave positive results in a test in liver but were negative in a cytogenetics assay  in vivo in bone marrow. These  examples  likely  reflect  a  lack  of  appropriate  metabolic  activity  or  lack  of reactive intermediates delivered to the hematopoietic cells of the bone marrow.

Assays for DNA strand breaks, DNA adducts, and mutations in transgenes have the advantage  that  they  can  be  applied  in  many  tissues.     Internationally  agreed protocols  are  not  yet  in  place  for  all  the  in  vivo  assays,  although  considerable experience and published data and protocol recommendations exist for DNA strand break assays (Comet and alkaline elution assays), DNA adduct (covalent binding) measurements, and transgenic rodent mutation assays, in addition to the UDS assay. For a compound that is positive in vitro in the MLA and induces predominantly large colonies,  and  is  also  shown  not  to  induce  chromosome  breakage  in  an  in  vitro metaphase  assay,  an  in  vivo  assay  for   mutation,  such  as  a  transgenic   mouse mutation assay, should be considered in preference to a DNA strand break assay. The UDS assay is considered useful mainly for compounds that induce bulky DNA adducts or are positive in the Ames test.   Because cytotoxicity induces DNA strand breakage, careful cytotoxicity assessment is needed to avoid confounding the results of DNA  strand  break  assays.    This  has  been  well  characterized  for  the  in  vitro alkaline elution test (Storer et al.,  1996) but not yet fully validated for the Comet assay.    In  principle  the  DNA  strand  break  assays  can  be  used  in  repeat-dose toxicology assays with appropriate dose levels and sampling times.

Since liver of mature animals is not a highly mitotic tissue, often a non-cytogenetic endpoint is used for the second assay, but when dividing hepatocytes are present, such  as  after  partial  hepatectomy,  or  in  young  rats   (Hayashi  et  al.,  2007), micronucleus analysis in liver is possible, and detects known genotoxic compounds.

13. For common vehicles like aqueous methyl cellulose this would usually be appropriate, but for vehicles such as Tween 80, the volume that can be administered could be as much as 30 fold lower than that given acutely.

14. Caution  is  appropriate  if  the  toxicological  study  design  includes  additional  blood sampling,  e.g.,  for  measurement  of  exposure.     Such  bleeding  could  perturb  the results of micronucleus analysis since erythropoiesis stimulated by bleeding can lead to increases in micronucleated erythrocytes.

15. Increases in micronuclei can occur without administration of any genotoxic agent, due to disturbance in erythropoiesis (such as regenerative anemia; extramedullary hematopoiesis), stress, and hypo- and hyperthermia (reviewed by Tweats et al., 2007, I).   In blood, changes in spleen function that affect clearance of micronucleated cells from the blood could lead to small increases in circulating micronucleated red blood cells.

16. Positive controls for either short-term or repeat dose genotoxicity studies:

For micronucleus (and other cytogenetic) assays, the purpose of the positive control is to  verify  that  the  individuals  scoring  the  slides  can  reliably  detect  increases  in micronuclei.    This  can  be  accomplished  by  use  of  samples  from  periodic  studies (every few months) of small groups of animals (one sex) given acute treatment with a

positive control.   For manual  scoring  such  slides  can be  included in coded  slides scored from  each  study.   Positive  control  slides  should  not be  obvious to readers based  on  their   staining  properties  or  micronucleus  frequency.     For   automated scoring, appropriate quality control samples should be used with each assay.

For  other  in  vivo  genotoxicity  assays,  the  purpose  of  positive  controls  is  to demonstrate reliable detection of an increase in DNA damage/mutagenicity using the assay   in   the   chosen   species,   tissue   and   protocol.       After   a   laboratory   has demonstrated that it can consistently detect appropriate positive control compounds in  multiple  independent   experiments,  carrying  out  positive  control   experiments periodically is generally sufficient provided experimental conditions are not changed. However, currently it is considered that for the  Comet  assay  concurrent  positive controls are advisable.

17. Determination of whether micronucleus induction is due primarily to chromosome loss or to chromosome breakage could include staining micronuclei in vitro or in vivo to  determine  whether  centromeres  are  present,  e.g.,  using  Fluorescent  in  situ Hybridization (FISH) with probes for DNA sequences in the centromeric region, or a labeled antibody to kinetochore proteins.   If the majority of induced micronuclei are centromere positive, this suggests chromosome loss.   (Note that even potent tubule poisons  like  colchicine  and  vinblastine  do  not  produce  100%  kinetochore  positive micronuclei, but more typically 70 to 80%, and are accepted as primarily aneugens for assessing risk).   An  alternative  approach  is to carry out an in vitro or in vivo assay  for  metaphase  structural  aberrations;  if  negative  this  would  imply  that micronucleus induction is related to chromosome loss.

18. Standard induced S9 mix has higher activation capacity than human S9, and lacks phase two detoxification capability unless specific cofactors are supplied.   Also, non- specific  activation can  occur  in  vitro  with  high  test  substrate  concentrations  (see Kirkland et al., 2007).    Genotoxicity testing with human S9 or other human-relevant activation  systems  can  be  helpful.     Analysis  of  the   metabolite  profile  in  the genotoxicity  test  incubations  for  comparison  with  known   metabolite  profiles   in preclinical  species  (in  uninduced  microsomes  or  hepatocytes,  or  in  vivo)  or  in preparations from humans can also help determine the relevance of test results (Ku et al., 2007), and follow-up studies will usually focus on in vivo testing in liver.   A compound that gives positive results in vitro with S9 might not induce genotoxicity in vivo because the metabolite is not formed, is formed in very small quantities, or is metabolically detoxified or rapidly excreted, indicating a lack of risk in vivo.

7.        GLOSSARY

Alkaline elution assay:

See DNA strand break assay.

Aneuploidy:

Numerical deviation of the modal number of chromosomes in a cell or organism.

Base substitution:

The substitution of one or more base(s) for another in the nucleotide sequence.    This can

lead to an altered protein.

Cell proliferation:

The ability of cells to divide and to form daughter cells.

Centromere/kinetochore:

Structures  in  chromosomes  essential  for  association  of  sister  chromatids  and  for attachment of spindle fibers that move daughter chromosomes to the poles and ensure inclusion in daughter nuclei.

Clastogen:

An agent that produces structural breakage of chromosomes, usually detectable by light microscopy.

Cloning efficiency:

The efficiency of single cells to form clones.   It  is usually  measured after seeding low

numbers of cells in a suitable environment.

Comet assay:

See DNA strand break assay.

Culture confluency:

A quantification of the cell density in a culture by visual inspection.

Cytogenetic evaluation:

Chromosome   structure    analysis   in    mitosis   or    meiosis   by   light    microscopy   or

micronucleus analysis.

DNA adduct:

Product of covalent binding of a chemical to DNA.

DNA repair:

Reconstitution of the original DNA sequence after DNA damage.

DNA strand breaks:

Single or double strand scissions in the DNA.

DNA strand break test:

Alkaline treatment that converts certain types of DNA lesions into strand breaks that can be detected by the alkaline elution technique, measuring migration rate through a filter, or by the single cell gel electrophoresis or Comet test (in which cells embedded in a thin layer of gel on a microscope slides are subjected to electric current, causing shorter pieces of DNA to migrate out of the nucleus into a “Comet tail”).   The  extent  of DNA migration is measured visually under the microscope on stained cells.

Frameshift mutation:

A mutation (change in the genetic code) in which one base or two adjacent bases are

added to (inserted in) or deleted from the nucleotide sequence of a gene.   This can lead

to an altered or truncated protein.

Gene mutation:

A detectable permanent change within a single gene or its regulating sequences.   The

changes can be point mutations, insertions, or deletions.

Genetic endpoint:

The  precise  type  or  class  of  genetic  change  investigated   (e.g.,   gene   mutations, chromosomal aberrations, DNA strand breaks, DNA repair, DNA adduct formation, etc).

Genotoxicity:

A broad term that refers to any deleterious change in the genetic material regardless of the mechanism by which the change is induced.

Micronucleus:

Particle in a cell that contains nuclear DNA; it might contain a whole chromosome(s) or a broken centric or acentric part(s) of chromosome(s).

Mitotic index:

Percentage of cells in the different stages of mitosis amongst the cells not in mitosis (interphase) in a preparation (slide).

Numerical chromosome changes:

Chromosome numbers different from the original haploid or diploid set of chromosomes; for cell lines, chromosome numbers different from the modal chromosome set.

Plasmid:

Genetic  element  additional  to  the  normal  bacterial  genome.     A  plasmid  might  be inserted into the host chromosome or form an extra-chromosomal element.

Point mutations:

Changes in the genetic codes, usually confined to a single DNA base pair.

Polychromatic erythrocyte:

An immature erythrocyte in an intermediate stage of development that still contains ribosomes and, as such, can be distinguished from mature normochromatic erythrocytes (lacking ribosomes) by stains selective for RNA.

Polyploidy:

Numerical deviation of the modal number of chromosomes in a cell, with approximately whole multiples of the haploid number.   Endoreduplication is a morphological form of polyploidy    in     which     chromosome    pairs     are     associated     at     metaphase    as “diplochromosomes” .

Population doubling or culture growth:

This can be calculated in  different  ways;  one  example  of an  appropriate  formula  is: Population doublings (PDs) = the log of the ratio of the final count (N) to the starting (baseline) count (Xo), divided by the log of 2.    That is: PD = [log(N ÷ Xo)] ÷ log 2.

Recombination:

Breakage and balanced or unbalanced rejoining of DNA.

RTG (relative total growth):

This measure of cytotoxicity takes the relative suspension growth (based on cell loss and cell  growth  from  the beginning  of  treatment  to  the  second  day  post-treatment)  and multiplies  it  by  the  relative   plating   efficiency  at  the   time  of  cloning  for  mutant

quantization.

Single Cell Gel Electrophoresis assay:

Comet assay. See DNA strand break assay.

Survival (in the context of mutagenicity testing):

Proportion of living cells among dead cells, usually determined by staining or colony counting methods after a certain treatment interval.

Transgene:

An exogenous or foreign gene inserted into the host genome, either into somatic cells or germ line cells.

Unscheduled DNA synthesis (UDS):

DNA synthesis that occurs at some stage in the cell cycle other than S-phase in response to DNA damage.    It is usually associated with DNA excision repair.

8.        REFERENCES

Ashby  J,  Paton  D.  The  influence  of  chemical  structure  on  the  extent  and  sites  of carcinogenesis   for   522    rodent   carcinogens    and   55    different   human   carcinogen exposures.Mutat Res 1994;286:3-74.

Corvi  R,  Albertini  S,  Hartung  T,  Hoffmann  S,  Maurici  D,  Pfuhler  S  et  al.  ECVAM Retrospective   Validation   of   the   in   vitro   micronucleus   test   (MNT).   Mutagenesis 2008;23:271-283.

Gatehouse D, Haworth S, Cebula T, Gocke E, Kier L, Matsushima T et al. Report from the   working    group    on   bacterial    mutation    assays:   international    workshop    on standardisation of genotoxicity test procedures. Mutat Res 1994;312:217-33.

Goodman & Gilman. The pharmacological basis of therapeutics. Hardman JG, Limbird LE, Gilman AG, editors. 10th ed. New York: McGraw-Hill Professional 2001.

Greenwood SK, Hill RB, Sun JT, Armstrong MJ, Johnson TE, Gara JP et al. Population Doubling: A simple and more accurate estimation of cell growth suppression in the in vitro assay for chromosomal aberrations that reduces irrelevant positive results. Environ Mol Mutagen 2004;43:36-44.

Hamada S., Sutou S, Morita T, Wakata A, Asanami S, Hosoya S et al. Evaluation of the rodent  micronucleus  assay  by   a  28-day  treatment   protocol:  summary  of  the   13th collaborative   study   by   the   collaborative   study   group   for   the   micronucleus   test (CSGMT)/Environmental Mutagen Society of Japan (JEMS)–Mammalian Mutagenicity Study Group (MMS). Environ Mol Mutagen 2001;37:93-110.

Hartmann A, Agurell E,  Beevers  C,  Brendler-Schwaab  S,  Burlinson  B,  Clay  P  et  al. Recommendations  for  conducting  the  in  vivo  alkaline  Comet  assay.  Mutagenesis 2003;18:45-51.

Hayashi M, MacGregor JT, Gatehouse DG, Adler I, Blakey DH, Dertinger SD et al. In vivo rodent erythrocyte micronucleus assay. II. Some aspects of protocol design including repeated treatments, integration with toxicity testing, and automated scoring. Environ Mol Mutagen 2000;35:234-52.

Hayashi  M,  MacGregor  JT,  Gatehouse  DG,  Blakey  DH,  Dertinger  SD,  Abramsson- Zetterberg L et al. In vivo erythrocyte micronucleus assay. III. Validation and regulatory acceptance of automated scoring and the use of rat peripheral blood reticulocytes, with discussion of non-hematopoietic target cells and a single dose-level limit test. Mutat Res 2007;627:10-30.

Heddle JA, Dean  S,  Nohmi  T,  Boerrigter  M,  Casciano  D,  Douglas  GR  et  al.  In  vivo transgenic mutation assays. Environ Mol Mutagen 2000;35:253-9.

Hotchkiss CE, Bishop ME, Dertinger SD, Slikker W, Moore MM, MacGregor JT. Flow cytometric  analysis  of  micronuclei  in  peripheral  blood  reticulocytes  IV:  an  index  of chromosomal damage in the rhesus monkey (macaca mulatta). Toxicol Sci 2008 ;102:352- 8.

Kasper P, Uno Y, Mauthe R, Asano N, Douglas G, Matthews E et al. Follow-up testing of

rodent  carcinogens  not  positive  in  the  standard  genotoxicity  testing  battery:    IWGT

workgroup report. Mutat Res 2007;627:106-116.

Kenelly JC, Waters R, Ashby J, Lefevre PA, Burlinson B, Benford DJ et al. In vivo rat liver  UDS  assay.  In:   Supplementary  Mutagenicity  Tests,  UKEMS  Recommended Procedures. Kirkland DJ, Fox M, editors. Cambridge University Press 1993;52-77.

Kirkland DJ, Pfuhler S, Tweats D, Aardema M, Corvi R, Darroudi F et al. How to reduce false  positive  results  when  undertaking  in  vitro  genotoxicity  testing  and  thus  avoid unnecessary  follow-up  animal  tests:  report  of  the   ECVAM   workshop.  Mutat  Res 2007;628:31-55.

Kirsch-Volders M, Sofuni T, Aardema M, Albertini S, Eastmond D, Fenech M   et al. Report from the in vitro micronucleus assay working group. Mutat Res 2003;540:153-63.

Kissling GE, Dertinger SD, Hayashi M, MacGregor JT. Sensitivity of the erythrocyte micronucleus assay: dependence on number of cells scored and inter-animal variability. Mutat Res 2007;634:235-40.

Ku  WW,  Bigger  A,  Brambilla  G,  Glatt  H,  Gocke  E,  Guzzie  PJ  et  al.  Strategy  for genotoxicity testing-metabolic considerations. Mutat Res 2007;627:59-77.

MacGregor JT, Bishop ME, McNamee JP, Hayashi M, Asano N, Wakata A et al. Flow Cytometric  analysis  of  micronuclei  in  peripheral  blood  reticulocytes:  II.  An  efficient method of monitoring chromosomal damage in the rat. Toxicol Sci 2006;94:92-107.

Moore MM, Honma M, Clements J, Harrington-Brock K, Awogi T, Bolcsfoldi G et al. Mouse lymphoma thymidine kinase locus gene mutation assay: follow-up international workshop on genotoxicity test procedures–New Orleans, Louisiana, April 2000. Environ Mol Mutagen 2002;40:292-9.

Moore MM, Honma M, Clements J, Bolcsfoldi G, Burlinson B, Cifone M et al. Mouse lymphoma thymidine kinase gene mutation assay: follow-up meeting of the international workshop on genotoxicity testing–Aberdeen, Scotland, 2003–Assay acceptance criteria, positive controls, and data evaluation. Environ Mol Mutagen 2006;47:1-5.

Müller L, Kasper P. Human biological relevance and the use of threshold arguments in regulatory   genotoxicity   assessment:   experience   with   pharmaceuticals.   Mutat   Res 2000;464: 9-34.

OECD Guidelines for Genetic Toxicology 1997.

Scott  D,  Galloway  SM,  Marshall  RR,  Ishidate  M  Jr,  Brusick  D,  Ashby   J  et  al. Genotoxicity under extreme culture conditions. A report from ICPEMC task group 9. Mutat Res 1991;257:147-204.

Storer  RD,  McKelvey  TW,  Kraynak  AR,  Elia  MC,  Barnum  JE,  Harmon  LS  et  al. Revalidation  of  the  in  vitro  alkaline  elution/rat  hepatocyte  assay  for  DNA  damage: improved  criteria  for  assessment  of  cytotoxicity  and  genotoxicity  and  results  for  81 compounds. Mutat Res 1996;368:59-101.

Suzuki H, Ikeda N, Kobayashi K, TerashimaY, Shimada Y, Suzuki T et al. Evaluation of

liver and peripheral blood micronucleus assays with 9 chemicals using young rats. A study by the Collaborative Study Group for the Micronucleus Test (CSGMT)/Japanese Environmental  Mutagen  Society  (JEMS)  –  Mammalian  Mutagenicity  Study  Group (MMS). Mutat Res 2005;583:133-45.

Thybaud V, Aardema M, Clements J, Dearfield K, Galloway S, Hayashi M et al. Strategy for genotoxicity testing: hazard identification and risk assessment in relation to in vitro testing. Mutat Res 2007;627:41-58.

Tweats DJ, Blakey D, Heflich RH, Jacobs A, Jacobsen SD, Morita T et al. Report of the IWGT  working  group  on  strategies  and  interpretation  of  regulatory  in  vivo  tests.  I. Increases in micronucleated bone marrow cells in rodents that do not indicate genotoxic hazards. Mutat Res 2007;627:78-91.

Tweats DJ, Blakey D, Heflich RH, Jacobs A, Jacobsen SD, Morita T et al. Report of the IWGT   working   group   on   strategy/interpretation   of   regulatory   in   vivo   tests.   II. Identification of in vivo-only positive compounds in the bone marrow micronucleus test. Mutat Res 2007;627:92-105.

Wakata, A, Miyamae Y, Sato S, Suzuki T, Morita T, Asano N et al. Evaluation of the rat micronucleus  test  with  bone  marrow  and  peripheral  blood:  summary  of  the   9th collaborative study by CSGMT/JEMS. MMS. Environ Mol Mutagen 1998;32:84-100.

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
S3AS1C(R2)

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}