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S7B

38 min read

THE NON–CLINICAL EVALUATION OF THE POTENTIAL FOR DELAYED

VENTRICULAR REPOLARIZATION (QT INTERVAL PROLONGATION)

BY HUMAN PHARMACEUTICALS

1.        INTRODUCTION

The assessment of the effects of pharmaceuticals on ventricular repolarization and proarrhythmic risk is the subject of active investigation.  When additional data (non- clinical and clinical) are accumulated in the future, they will be evaluated and this guideline might be revised.

1.1      Objective of the Guideline

This guideline describes a non-clinical testing strategy for assessing the potential of a test   substance   to    delay   ventricular    repolarization.      This    guideline   includes information concerning non-clinical assays and integrated risk assessments.

1.2      Background

The QT interval (time from the beginning of the QRS complex to the end of the T wave)  of the  electrocardiogram  (ECG) is  a  measure  of the  duration  of ventricular depolarization  and  repolarization.    QT  interval  prolongation  can  be  congenital  or acquired (e.g., pharmaceutical-induced).   When ventricular repolarization is delayed and   the   QT   interval   is   prolonged,   there   is   an   increased   risk   of  ventricular tachyarrhythmia,  including  torsade  de  pointes,  particularly  when  combined  with other risk factors (e.g., hypokalemia, structural heart disease, bradycardia).   Thus, much   emphasis   has   been    placed   on    the   potential   proarrhythmic    effects   of pharmaceuticals that are associated with QT interval prolongation.

Ventricular repolarization, determined by the duration of the cardiac action potential, is  a  complex  physiological  process.    It  is  the  net  result  of  the  activities  of  many membrane  ion  channels  and  transporters.     Under  physiological  conditions,  the functions  of these  ion  channels  and  transporters  are  highly  interdependent.    The activity of each ion channel or transporter is affected by multiple factors including, but  not  limited  to,  intracellular  and  extracellular  ion  concentrations,  membrane potential, cell-to-cell electrical coupling, heart rate, and autonomic nervous  system activity.  The metabolic state (e.g., acid-base balance) and location and type of cardiac cell  are  also  important.    The  human  ventricular  action  potential  consists  of  five sequential phases:

•    phase 0: The upstroke of the action potential is primarily a consequence of a rapid, transient influx of Na+  (INa) through Na+  channels;

•    phase  1:  The  termination  of  the  upstroke  of the  action  potential  and  early repolarization  phase  result  from  the  inactivation  of  Na+   channels  and  the transient efflux of K+  (Ito) through K+  channels;

•    phase 2: The plateau of the action potential is a reflection of a balance between the influx of Ca2+  (ICa)  through L-type Ca2+  channels and outward repolarizing K+ currents;

•    phase  3: The sustained downward stroke of the action potential and the late repolarization phase result from the efflux of K+  (IKr  and IKs) through delayed rectifier K+ channels;

•    phase 4: The resting potential is maintained by the inward rectifier K+  current (IK1).

Prolongation  of the  action  potential  can  result  from  decreased  inactivation  of the inward Na+  or Ca2+  currents, increased activation of the Ca2+  current, or inhibition of one  or  more  of  the   outward  K+    currents.     The   rapidly  and  slowly  activating components of the delayed rectifier potassium current, IKr    and IKs, seem to have the most influential role in determining the duration of the action potential and thus the QT interval.  The human ether-a-go-go-related gene (hERG) and KvLQT1 gene encode pore-forming  proteins  KCNH2  and  KCNQ1  that  are  thought  to  represent  the  α – subunits of the human potassium channels responsible for IKr  and IKs, respectively. These  α-subunit  proteins  can  form  hetero-oligomeric  complexes  with  auxiliary  β – subunits  (i.e.  MiRP  and  MinK  gene  products),  which  have  been  speculated  to modulate   the   gating   properties   of  the   channel   proteins.     The   most   common mechanism  of  QT  interval  prolongation  by  pharmaceuticals  is  inhibition  of  the delayed rectifier potassium channel that is responsible for IKr.

1.3      Scope of the Guideline

This guideline extends and complements the “ICH Guideline on Safety Pharmacology Studies  for  Human  Pharmaceuticals”  (ICH  S7A).    This  guideline  applies  to  new chemical  entities for human use  and  marketed pharmaceuticals when  appropriate (e.g.,  when  adverse  clinical  events,  a  new  patient  population,  or  a  new  route  of administration raises concerns not previously addressed).   Conditions  under  which studies are not called for are described in ICH S7A.

1.4      General Principles

Principles  and  recommendations  described  in  ICH  S7A  also  apply  to  the  studies conducted in accordance with the present guideline.  In vitro IKr  and in vivo QT assays described  in  Sections  2.3.1  and  2.3.2  when  performed  for  regulatory  submission should be conducted in compliance with good laboratory practice (GLP).   Follow-up studies described in Section 2.3.5 should be conducted in compliance with GLP to the greatest extent feasible.

In  vitro and  in  vivo assays are complementary approaches; therefore, according to current understanding, both assay types should be conducted.

The investigational approach and evidence of risk should be individualized for the test substance, depending on its pharmacodynamic, pharmacokinetic and safety profiles.

2.        GUIDELINE

2.1      Objectives of S7B Studies

The objectives of studies are to: 1) identify the potential of a test substance and its metabolites to delay ventricular repolarization, and 2) relate the extent of delayed ventricular   repolarization   to   the   concentrations   of   a   test   substance   and   its metabolites.  The study results can be used to elucidate the mechanism of action and, when  considered  with  other  information,  estimate  risk  for  delayed  ventricular repolarization and QT interval prolongation in humans.

2.2      Considerations for Selection and Design of Studies

Non-clinical methodologies can address the following:

•    Ionic  currents   measured  in  isolated  animal  or  human  cardiac  myocytes, cultured  cardiac  cell  lines,  or  heterologous  expression   systems  for  cloned human ion channels;

•    Action   potential   parameters  in  isolated  cardiac  preparations   or   specific electrophysiology   parameters   indicative   of   action   potential    duration   in anesthetized animals;

•    ECG parameters measured in conscious or anesthetized animals;

•    Proarrhythmic effects measured in isolated cardiac preparations or animals.

As indicated above, these four functional levels can be investigated by in vitro and/or in  vivo  methods.    Findings  from  the  functional  levels  listed  above  are  considered useful and complementary.

In  vitro  electrophysiology  studies  can  explore  potential  cellular  mechanisms  that might not be evident from in vivo data.  Changes in other cardiovascular parameters or   effects   on    multiple   ion    channels   can    complicate   interpretation    of   data. Complementary assessments in other systems can address this issue.  Although delay of  repolarization  can  occur  through  modulation  of  several  types  of  ion  channels, inhibition  of  IKr   is  the  most  common  mechanism  responsible  for  pharmaceutical- induced prolongation of QT interval in humans.

In  vivo  models  that  possess  the  full  complement  of  molecular,  biochemical,  and physiological systems can also be informative with regard to the response in humans to  the  test   substance.     Carefully  designed  and  conducted   in  vivo  studies  allow evaluation of parent substance and metabolites, and can enable estimation of safety margins.  In vivo ECG evaluations provide information on conduction properties and non-cardiac  influences  (e.g.,  autonomic  nervous  system  tone).     Studies  of  action potential parameters provide information on the integrated activity of multiple ion channels in the heart.

Non-clinical Testing Strategy

 In Vitro IKr Assay 
Integrated Risk Assessment
Evidence of Risk

2.3      Non–clinical Testing Strategy

The following sections describe a general non-clinical testing strategy for assessing risk  for  delayed  ventricular  repolarization  and  QT  interval  prolongation  that  is pragmatic and based on currently available information.   The figure illustrates the component  elements  of the testing  strategy, but  not  specific test  systems  or their designs.

2.3.1   In Vitro IKr Assay

An in vitro IKr  assay evaluates the effects on the ionic current through a native or expressed IKr channel protein, such as that encoded by hERG (see section 3.1.2).

2.3.2   In Vivo QT Assay

An  in  vivo  QT  assay  measures  indices  of  ventricular  repolarization  such  as  QT interval (see section 3.1.3).  This assay can be designed to meet the objective of both ICH S7A (cardiovascular core battery study) and S7B.   This  will reduce the use of animals and other resources.

2.3.3   Chemical/Pharmacological Class

Consideration   should   be   given   to   whether   the   test   substance   belongs   to   a chemical/pharmacological class in which some members have been shown to induce QT  interval  prolongation  in  humans  (e.g.,  antipsychotics,  histamine  H-1  receptor antagonists, fluoroquinolones).   This factor should, where appropriate, influence the choice of reference compound(s) and be included in the integrated risk assessment.

2.3.4   Relevant Non–Clinical and Clinical Information

Additional information for the integrated risk assessment can include results from:

•    Pharmacodynamic studies;

•    Toxicology/safety studies;

•    Pharmacokinetic  studies,  including  plasma  levels  of  parent  substance  and metabolites (including human data if available);

•    Drug interaction studies;

•    Tissue distribution and accumulation studies;

•    Post-marketing surveillance.

2.3.5   Follow–up Studies

Follow-up   studies   are  intended  to  provide   greater   depth  of  understanding  or additional knowledge regarding the potential of test substance for delayed ventricular repolarization and QT interval prolongation in humans.   Such  studies  can  provide additional information concerning potency, mechanism of action, slope of the dose- response  curve,  or  magnitude  of the  response.    Follow-up  studies  are  designed  to address specific issues, and, as a result, various in vivo or in vitro study designs can be applicable.

In circumstances where results  among  non-clinical  studies  are inconsistent  and/or results  of  clinical  studies  differ  from  those  for  non-clinical  studies,  retrospective evaluation and follow-up non-clinical studies can be used to understand the basis for the discrepancies.  Results from follow-up studies can be a significant component of an integrated risk assessment.

Relevant  non-clinical  and  clinical  information  along  with  the  following  should  be considered in the selection and design of follow-up studies:

•    Use   of   ventricular   repolarization   assays   that   measure   action   potential parameters in isolated cardiac preparations (see section 3.1.2);

•    Use  of specific  electrophysiological  parameters indicative of action potential duration in anesthetized animals (see section 3.1.3);

•    Repeated administration of test substance;

•    Selection of animal species and gender(s);

•    Use of metabolic inducers or inhibitors;

•    Use  of concurrent  positive control substances and reference compounds  (see section 3.1.1);

•    Inhibition of other channels not previously evaluated;

•    Measurement of electrophysiological parameters at multiple time points;

•    Confounding effects in conscious animals that limit the interpretation of data such  as  test  substance-induced  effects  on  heart  rate  or  autonomic  tone,  or toxicities such as tremor, convulsion, or emesis.

2.3.6   Integrated Risk Assessment

The  integrated  risk  assessment  is  the  evaluation  of  non-clinical   study  results including  the  results  from  follow-up  studies  and  other  relevant  information.   The integrated risk assessment should be scientifically based and individualized for the test  substance.     Such   an   assessment  can  contribute  to  the  design  of  clinical investigations and interpretation of their results.  When available, the integrated risk assessment should be included in the Investigator’s Brochure and the Non-clinical Overview (ICH M4).  Depending on the stage of drug development, the integrated risk assessment should also consider:

•    Assay sensitivity and specificity;

•    Potencies of test substance in S7B assays relative to reference compound(s);

•    Relationship between the exposures associated with an effect on repolarization and those eliciting the primary pharmacodynamic effect in the non-clinical test species or the proposed therapeutic effect in humans;

•    Contribution  of metabolites to QT interval prolongation as well as metabolic differences between humans and animals.

2.3.7   Evidence of Risk

Evidence of risk is the overall conclusion from the integrated risk assessment for a test substance to delay ventricular repolarization and prolong QT interval in humans.

2.4      Timing of S7B Non-clinical Studies and Integrated Risk Assessment in

Relation to Clinical Development

Conduct  of  S7B  non-clinical  studies  assessing  the  risk  for  delayed  ventricular repolarization and QT interval prolongation prior to first administration in humans should be considered.   These results, as part of an integrated risk assessment, can support the planning and interpretation of subsequent clinical studies.

3.        TEST SYSTEMS

3.1      Considerations for Test Systems

This  section  provides  an  overview  of  methodologies  currently  used  to  assess  the potential for a test substance to delay ventricular repolarization and to prolong QT interval.   The following should be considered in selecting the most appropriate test systems:

•    Assay  methodology  and  experimental  endpoints  are  scientifically  valid  and robust;

•    Assays and preparations are standardized;

•    Results are reproducible;

•    Endpoints/parameters of the assays are relevant for assessing human risk.

3.1.1   Use of Positive Control Substances and Reference Compounds

A sub-maximally effective concentration of a positive control substance should be used to demonstrate the responsiveness of in vitro preparations for ion channel and action potential duration assays and should be included in every study.  In the case of in vivo studies,  positive  control  substances  should  be  used  to  validate  and  define  the sensitivity of the test system, but need not be included in every study.

For test substances belonging to a chemical/pharmacological class that is associated with   QT   interval   prolongation   in   humans,   the   use   of   concurrent   reference compound(s) (member(s) of the same class) in in vitro and in vivo studies should be considered to facilitate ranking the potency of the test substance in relation to its comparators.

3.1.2   In Vitro Electrophysiology Studies

In  vitro  electrophysiology  studies  can  provide valuable information  concerning the effect of a test substance on action potential duration and/or cardiac ionic currents. These  assays  have  an  important  role  in  assessing  the  potential  for  QT  interval prolongation and elucidating cellular mechanisms affecting repolarization.   In  vitro electrophysiology  studies  employ  either  single  cell  (e.g.,  heterologous   expression systems, disaggregated cardiomyocytes) or multicellular (e.g., Purkinje fiber; papillary muscle; trabeculae; perfused myocardium; intact heart) preparations.   Heterologous expression systems, where human ion channel protein(s) are expressed in noncardiac cell lines, are used to assess the effects of a test substance on a specific ion channel. Disaggregated   myocytes   are   technically   more   challenging   than   the   expression systems but have the advantage of being suitable for assessing effects on both action potential  duration  and ionic currents.   Although  single  cell  preparations  are  more fragile,  they  minimize  diffusional  barriers  to  the  site  of  action.     Multicellular preparations are stable test systems to study action potential duration.  The analysis of parameters for each phase of the action potential such as Vmax  for  phase 0 (INa), APD30 or APD40  for phase 2 (ICa) and “triangulation” for phase 3 (IK) can be useful to investigate the effects on specific channels responsible for these phases.  In addition, some parameters  derived from the Langendorff preparation have been reported to provide information regarding proarrhythmic risk.

Tissue and cell preparations for in vitro assays are obtained from different laboratory animal species including rabbit, ferret, guinea pig, dog, swine, and occasionally from humans.   The ionic mechanisms of repolarization in adult rats and mice differ from larger species, including humans (the primary ion currents controlling repolarization in  adult  rats  and  mice  is  Ito);  therefore,  use  of  tissues  from  these  species  is  not considered appropriate.   Species  differences in terms of which cardiac ion channels contribute to cardiac repolarization and to the duration of the action potential should be considered in selecting a test system.   When  native  cardiac tissues or cells are used, the characteristics and source of the preparation should be considered because the distribution of ion channel types varies according to the region and type of cell.

Test substance concentrations for in vitro studies should span a broad range, covering and exceeding the anticipated maximal therapeutic plasma concentration.  Ascending concentrations  should  be  tested  until  a  concentration-response  curve  has  been characterized or physicochemical effects become concentration-limiting.   Ideally, the duration of exposure should be sufficient to obtain steady-state electrophysiological

effects,  unless  precluded  by  the  viability  of  the  cell  or  tissue  preparation.     The duration of exposure  should be indicated.   Appropriate  positive  control  substances should be used to establish the sensitivity of the in vitro assay system.

Factors  that  can  confound  or  limit  the  interpretation  of in  vitro  electrophysiology studies include the following:

•    The testing of high concentrations of the test  substance can be precluded by limited solubility in aqueous physiological salt solutions;

•    Adsorption  to glass or plastic or non-specific binding to the test matrix can reduce the concentration of the test substance in the incubation or perfusion medium;

•    Test  substance concentrations can be limited by cytotoxic or physicochemical attributes of the test substance that disrupt cell membrane integrity so that electrophysiological endpoints cannot be obtained;

•    Cardiac cells and tissues have limited capacity for drug metabolism; therefore, in vitro studies using the parent substance do not provide information on the effects of metabolites.  When in vivo non-clinical or clinical studies reveal QT interval  prolongation that is  not  consistent with  data from  in  vitro  studies using the parent substance, testing metabolites in the  in  vitro test systems should be considered.

New  technologies  for  potassium  channel  assays  are  being  developed.     Novel  ion channel activity assays can be useful in preliminary screening of test substances to

identify  lead  candidates.     It  is  important  to  demonstrate  concordance  between conventional and new technologies before adopting new technologies for regulatory purposes.

Competition binding protocols, in which test substances are studied for their ability to displace a radiolabeled hERG channel blocker from a cell line expressing hERG, are used.  However, competition for radioligand-binding sites provides no information on agonistic or antagonistic effects of the test substance on IKr.  Moreover, this assay will not identify test substances that bind to hERG at sites other than the radioligand binding sites.  Based upon these potential limitations, this assay is not considered a substitute for voltage clamp assays described above.

3.1.3   In Vivo Electrophysiology Studies

Intact animal models allow investigation of ventricular repolarization or associated arrhythmias where integrated effects on the full complement of ion channel and cell types  are  assessed.     Also,  potential  neuronal  and  hormonal  influences  on  the pharmacodynamic effect of the pharmaceuticals are present in animals.

The QT interval of the ECG is the most commonly used endpoint to gauge effects of a test substance on ventricular repolarization.  In specialized electrophysiology studies, information   regarding   the   ventricular    repolarization   (e.g.,    monophasic   action potential duration and effective refractory period) can also be obtained from in vivo models.   Additional  safety  parameters  of  interest,  including  blood  pressure,  heart rate, PR interval, QRS duration, and arrhythmias, can be assessed simultaneously.

The QT interval and heart rate have an inverse, non-linear relationship, which varies among species and between animals within a species.   Thus, a change in heart rate

exerts an effect on QT interval, which can confound the assessment of the effect of the test  substance  on  ventricular  repolarization  and  the  QT  interval.    There  are  two important situations where there is variability in heart rate among animals: one is due to difference in autonomic tone, and the other is due to effects of test substances on heart rate.  Therefore, the interpretation of data from in vivo test systems should take into account the effect of coincident changes in heart rate.  Ideally, QT interval data  obtained  after  administration  of  a  test  substance  should  be  compared  with control and baseline data at similar heart rates.   When the heart rate variability is not  due to the test  substance, it can be reduced by  acclimatization,  or the use  of anesthetized animal models.  When the effects are due to a test substance, the most common approach is to correct the QT interval for heart rate (QTc) using formulae such as Bazett or Fridericia.   The choice of heart rate correction formula should be justified with data from the test  system.   When  differences  in  heart rate between treatment  and  control  are  large,  the  correction  formulae  may  not  be  effective  for assessing risk of QT interval prolongation.  An alternative approach is to maintain a constant  heart   rate  using  cardiac  pacing.    An   analysis   of  QT/RR  relationship, including correction of the QT interval using formulae for individual animals, may be more appropriate.

Laboratory  animal  species  used  for  in  vivo  electrophysiology  studies  include  dog, monkey, swine, rabbit, ferret, and guinea pig.  The ionic mechanisms of repolarization in adult rats and mice differ from larger species, including humans (the primary ion currents controlling repolarization in adult rats and mice is Ito); therefore, use of these species is not considered appropriate.  The most appropriate in vivo test systems and species should be selected and justified.

The dose range should be in accord with that discussed in ICH S7A and, whenever feasible, should include and exceed the anticipated human exposure.  The dose range can be limited by animal intolerance to the test substance, e.g., emesis, tremor, or hyperactivity.    For  studies  designed  to  relate  the  extent  of  delayed  ventricular repolarization  to  concentrations  of  the  parent  test  substance  and  its  metabolites, controlled  exposure  via  constant  intravenous  infusion  can  be  used.     Monitoring exposure to the test substance and metabolites (see ICH S3A) provides opportunities to interpret dose- and concentration-response data and to design follow-up studies, if appropriate.

Factors that should be considered in conducting studies and interpreting the results include the following:

•    Data acquisition and analysis methods;

•    Sensitivity and reproducibility of the test systems;

•    Dosing period and measurement points;

•    Heart rate and other effects that confound interpretation of QT interval data;

•    Inter-species    and     gender    differences,     e.g.,    cardiac     electrophysiology, hemodynamics, or metabolism of pharmaceuticals;

•    Pharmaceuticals that have  effects on several ion channels can yield complex dose-response relationships that could be difficult to interpret.

3.1.4   Simulated Pathological Conditions and Arrhythmias

The   precise   relationship   between   test   substance-induced   delay   of   ventricular repolarization  and  risk  of  proarrhythmia  is  not  known.     Directly  assessing  the proarrhythmic risk of pharmaceuticals that prolong the QT interval would be a logical undertaking.   Indices of proarrhythmic  activity (e.g., electrical instability, temporal and/or spatial dispersion of refractoriness, reverse use-dependency, changes in action potential   configuration)   and    animal   models   might   have   utility   in    assessing proarrhythmia.   Interested parties are encouraged to develop these models and test their usefulness in predicting risk in humans.

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Updated on March 3, 2025
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