Goal

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A Quantitative Framework to Evaluate and Translate Proarrhythmic Risk November 15th 2016

Lars Johannesen, PhD

Disclaimer • The opinions expressed in this presentation are  mine and do not necessarily reflect the official  views of the U.S. Food and Drug Administration  (FDA)

Outline • Background • QTc prolongation and torsade • Impact of regulatory response • Limitations of current approach

• The Comprehensive In vitro Proarrhythmia Assay  (CiPA) • Overview • Translation of preclinical findings to the clinical ECG

• Summary

Background • In the late 1980s and early 1990s a growing  awareness for the potential for non‐cardiac drugs  to cause torsade and QT prolongation was  observed

Stockbridge, Drug Saf, 2013

QTc prolongation and torsade hERG  potassium  block

Early after depolarization (EAD) (calcium and sodium current)

Action potential

ECG

Example of torsade de pointes QT

Wu, Cardiovasc Res, 2008; January, Circ Res, 1989; Chokr, Arg Bras Cardiol 2014

Regulatory response • The resulting regulatory response  included two ICH guidances: • ICH S7B: Non‐clinical  assessment of potential for QT  prolongation • ICH E14: Clinical assessment of  the potential for QT  prolongation • The guidances were adopted in the  US in 2005, and describe the  assessment of QT prolongation  potential of new drugs.

Impact of regulatory response • A consequence of placing the hERG assay early in  development is that candidates might be down  prioritized or discarded based on their affinity for  hERG • As many as 60% of new molecular entities developed  test positive for hERG and as a result are discarded early  in development De Ponti 2008

• Using the hERG assay as a gate keeper would be  appropriate if block of the hERG potassium channel  was a good predictor of torsade.

Limitations of prediction of  QT risk using hERG • Redfern et al. compared the  relationship between hERG block and  QT / torsade • Their work suggested a 30‐fold safety  margin

• A study by Kramer et al. showed  importance of considering other ion  channels for risk prediction • This is due to drugs such as verapamil and  ranolazine, which both block not only  hERG but also inward currents (L‐type  calcium/late sodium) Redfern, Cardiovasc Res, 2003; Kramer, Sci Rep 2013; Hoekstra, Front Physiol 2012

Role of multichannel block • Block of inward currents (L‐type  calcium and late sodium) is  important • These currents have been  implicated in the genesis of EADs, a  proposed trigger of torsade January, Circ Res, 1989; Wu, Cardiovasc Res, 2008

• Focus on just hERG and QT are  therefore unlikely to be  successful for prediction of  torsade risk  

Gintant, Nat Rev Drug Discov, 2016

Comprehensive In vitro Proarrhythmia Assay (CiPA) Goal: Develop a new in vitro paradigm for cardiac safety evaluation of new  drugs that  provides a more accurate and comprehensive mechanistic‐based  assessment of proarrhythmic potential

Gintant, Nat Rev Drug Discov, 2016

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CiPA – a global effort Nonprofits ‐ Public‐Private Partnerships • Health and Environmental Sciences Institute • Cardiac Safety Research Consortium  • Safety Pharmacology Society Global Regulatory Agencies • U.S. Food and Drug Administration • European Medicines Agency • Japan Pharmaceuticals and Medical Devices Agency / NIHS • Health Canada  Academia / Industry • Numerous Pharmaceutical and Device Companies • Numerous Academic Groups • Contract Research Organizations

Slide courtesy of David Strauss

Drug effects on multiple cardiac  ion channels in vitro • Goal: Deliver robust, reliable and reproducible ion  channel protocols to support in silico reconstruction of  drug effects on the human ventricular cell • Challenges & Limitations: • Which ion channels should be selected? • What properties should be studied: % block vs.  dynamic drug‐ion channel interaction? • What requirements are needed to deliver robust,  reliable and reproducible ion channel data in a high  throughput screening environment? Gintant, Nat Rev Drug Discov, 2016

Modified slide from David Strauss

In silico reconstruction of  ventricular repolarization changes • Goal: Identify an appropriate human cardiomyocyte  model and modify and calibrate model as necessary and  select torsadogenic markers. • Challenges & Limitations: • Which human cardiomyocyte model should be  used? • What model modifications if any are necessary? • Which markers of torsadogenic potential should be  extracted from the model? Gintant, Nat Rev Drug Discov, 2016

Modified slide from David Strauss

In silico reconstruction and risk  assessment • At a consensus meeting in  July 2013 the O’Hara‐Rudy  model was selected • Using CiPA compound  training drugs, risk metrics  based on the in silico reconstruction are being  developed

O’Hara, PLoS Comput Biol, 20117

Confirmation using human stem  cell cardiomyocytes • Goal: Compare to responses from in vitro ionic current  studies that guide in silico reconstructions and identify  unexpected differences would require further  consideration  • Challenges & Limitations: • Current commercial cell lines includes a mixed  phenotype (ventricular, atrial) • Which parameters should be extracted? Action  potential duration? Field potential duration? • How should impact on rate be accounted for?

Gintant, Nat Rev Drug Discov, 2016 Modified slide from David Strauss

• What requirements are needed to deliver robust,  reliable and reproducible data?

Cardiomyocyte evaluation  • Assessment of drug‐induced  effects using MEA and VSO,  include: • Action potential  duration/field potential  duration • Beat frequency • Upstroke velocity

• A pilot study is currently ongoing  assessing drug‐induced effects at  12 different sites using CiPA  compound training drugs.  Gintant, Nat Rev Drug Discov, 2016 Modified slide from David Strauss

Phase 1 ECG assessment •

Goal: Use human Phase 1 ECG data to determine if there  are unexpected ion channel effects compared to  preclinical ion channel data



Challenges  & Limitations: • Which biomarkers can be used to detect cardiac ion  channel effects beyond hERG? • Are they affected by heart rate and if so how to account for  rate changes • Can they be evaluated using exposure‐response using data  from a SAD/MAD study

Gintant, Nat Rev Drug Discov, 2016

Modified slide from David Strauss

E‐R assessment using Phase 1 ECGs • Efforts to support analysis of ECG effects using E‐R and Phase I  clinical ECGs was undertaken by IQ/CSRC, and a prospective study  was completed in 2014. • The study met its primary analysis, detecting QTc effect in all  positive drugs included. Darpo, Clin Pharmacol Ther, 2015

• ICH E14 Q&A was revised in December 2015 and a white  paper is in process. • The results of the IQ‐CSRC study are encouraging, but the  question of which ECG biomarkers that can be used to confirm  the effects on other cardiac ion channels and if they can be  evaluated using E‐R similarly to QT remain.

Assessment of ECG biomarkers

Vicente, J Am Heart Assoc 2015

Mechanistic ECG biomarkers

While QTc reflects overall repolarization, J‐Tpeakc reflects the part of the action potential  influenced mostly by inward currents, which can mitigate drug‐induced torsade.

J‐Tpeakc represents a balance of  inward and outward current block

Johannesen et al, Clin Pharmacol Ther 2014

J‐Tpeakc reflects a balance of outward (hERG) and inward current block  (late sodium or calcium), of importance for torsade risk.

Prospective assessment of new  biomarkers • The results of the retrospective analysis are  encouraging and shows the potential of new ECG  biomarkers • To confirm the retrospective observations two  prospective clinical trials were conducted: • Study 1 – Comparison of ECG signatures between hERG  blockers with high and low risk for torsade • Study 2 – Evaluation of ability of late sodium or calcium  to shorten hERG‐induced QTc prolongation

Prospective study 1 • The goal of the first prospective study was to  compare changes in the ECG between:

Vicente, J Am Heart Assoc 2015

Additional inward current block is  reflected in the J‐Tpeakc interval

The findings of the first prospective study are concordant with the retrospective  study confirming J‐Tpeakc as an ECG biomarker of inward current block. Johannesen et al, Clin Pharmacol Ther 2014

Prospective study 2 • The goal of the second prospective study was to  evaluate if drug‐induced QTc prolongation could be  mitigated by inward current block • hERG (dofetilide) either alone or in combination with a  late sodium current blocker (mexiletine or lidocaine) • hERG (moxifloxacin) either alone or in combination with  a calcium channel blocker (diltiazem)

Late sodium current block  reduces QTc via J‐Tpeakc shortening

Late sodium block reduces drug‐induced QTc prolongation by shortening the J‐Tpeakc interval. Johannesen et al, Clin Pharmacol Ther 2016

No observed QTc shortening with  calcium channel block

No QTc shortening with co‐administration of a L‐type calcium channel blocker was observed,  however, this could be confounded by study design. Johannesen et al, Clin Pharmacol Ther 2016

Next steps for assessment of drug  effects with novel biomarkers • The results from the retrospective analysis and two  prospective studies are overall supportive of the  use of novel ECG biomarkers to detect the presence  of inward current block • However, the impact of L‐type calcium channel block  combined with a hERG potassium channel block is not  well understood.

• A third prospective clinical study is currently being  designed and is targeted for completion by late  2017 focusing on the assessment of novel ECG  biomarkers in a small phase 1 like study.

Summary • Assessment of risk for torsade based on QT assessment  and hERG potassium channel block is associated with a  high sensitivity but low specificity • CiPA is a comprehensive, mechanistic‐based approach,  comprising of assessment of effects on multiple cardiac  ion currents with in silico reconstruction and  confirmation in stem cells • CiPA is being proposed as a replacement to the current  paradigm (QT & hERG) • A key component of CiPA is the confirmation of the preclinical  components in humans, which depend on assessment of ECG  effects based on E‐R analysis of ECG biomarkers such as QT

Acknowledgments FDA • David Strauss • Christine Garnett • Norman Stockbridge • Jose Vicente • Jiang Liu • Jeffry Florian • Dhananjay Marathe • Meisam Hosseini • Zhihua Li • Sara Dutta • Ksenia Blinova



CiPA steering committee –



All CiPA Working groups – – – –



Ayako Takei, Bernard Fermini, Colette Strnadova, David Strauss, Derek Leishman, Gary Gintant, Jean-Pierre Valentin, Jennifer Pierson, Kaori Shinagawa, Krishna Prasad, Kyle Kolaja, Natalia Trayanova, Norman Stockbridge, Philip Sager, Tom Colatsky, Yuko Sekino, Zhihua Li Ion channel working group In silico working group Cardiomyocyte working group Phase 1 ECG working group

ALL contributors to CiPA – – – –

HESI, SPS, CSRC FDA, EMA, PMDA, NIHS, Health Canada Many pharmaceutical, CRO, and laboratory device companies Academic collaborators

References • • • • • • • • • • • • • • • •

Chokr MO, et al. Arg Bras Cardiol 2014;102(6):e60-4 Darpo B, et al. Clin Pharmacol Ther 2015;97(4):326-35 De Ponti 2008 Gintant G, et al. Nat Rev Drug Discov 2016;15(7):457-71 Hoekstra M, et al. Front Physiol 2012 January CT, et al. Circ Res 1989;64(5):977-90 Johannesen L, Clin Pharmacol Ther 2014;96(5):549-58 Johannesen L, Clin Pharmacol Ther 2014;95(5):501-8 Johannesen L, Clin Pharmacol Ther 2016;99(2):214-23 Kramer J, et al. Sci Rep 2013;3:2100 Monahan BP, et al. JAMA 1990;264(21):2788-90 O'Hara, et al., PLoS Comput Biol 2011;7(5):e1002061 Redfern WS, Cardiovasc Res, 2003;58(1):32-45 Stockbridge N, et al. Drug Saf 2013;36(3):167-182 Vicente J, et al., J Am Heart Assoc 2015;4(4) Wu L, et al. Cardiovasc Resc 2008;77(3):481-8

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