Establishment of Quantitative and Qualitative Evaluation Methods for Screening Testicular Toxicity in Rats 김종춘 전남대학교 수의과대학

현대 사회의 변천 산업사회 정보화사회 생명과학사회 생명과학산업 컴퓨터/통신기술의 발전 정보/지식의 공유 다양성 공급자  소비자 정보화사회 BT 응용 기술의 발전 질병의 예측 및 진단 개인별 맞춤의약품 장수 & ‘삶의 질’ 개선 생명과학사회 생명과학산업 국민의 건강 일자리 창출 국가경제 발전 차세대성장동력산업

생명과학시장동향 구분 1997 2000 2003 2008 (20%) (35%) (25%) (25%) 의약 3,175 3,647 4,200 5,200 바이오 의약 188 324 444 688 바이오 환경 18 32 44 87 바이오 식품 16 27 37 75 바이오 에너지 6 11 15 바이오 농업 바이오 공정 47 81 111 (20%) (35%) (25%) (25%) 자료: 바이오 연감 (보건산업진흥연구원, 2000); 바이오텍혁명 (Richard Oliver, 2001); 단위, 억달러

세계 선도제약기업 및 상위 의약품 현황 세계 상위 제약기업(2002) Merck 52 조원 J&J 36 조원 Pfizer 32 조원 GSK 32 조원 Bayer 26 조원 Aventis 18 조원 BMS 18 조원 Novartis 20 조원 Roche 19 조원 AstraZeneca 18 조원 Dong-A 4,213억 세계 상위 의약품(2003) Lipitor 10.3 조원 Zocor 6.1 조원 Zyprexa 4.8 조원 Norvasc 4.5 조원 Erypo 4.0 조원 Ogastro 4.0 조원 Nexium 3.8 조원 Plavix 3.7 조원 Secretide 3.7 조원 Zoloft 3.4 조원 Bacchus 1,807억

신의약품 개발비용 및 경제효과 분류 품목수 성공확률 1만분의 1 개발기간 10-15년 개발비용 1억～6억달러 1개 품목당 년간매출액 (세계 100대 의약품) 8억～10억달러 1개 품목당 년간 순이익 (세계 100대 의약품) 1.6억 달러～3억 달러 (자동차 300만대 수익률) 수익률 30% (자동차 0.96%) 잘 알려진 전통적 신약개발 단계 그래프 통상 5000개 화합물에서 15년간의 연구기간을 거쳐 1개의 신약이 승인 받는것이 과거의 신약개발이었음. 임상단계 : 확률 20% Discovery 단계 : 6년 이상

New Drug R&D 잘 알려진 전통적 신약개발 단계 그래프 통상 5000개 화합물에서 15년간의 연구기간을 거쳐 1개의 신약이 승인 받는것이 과거의 신약개발이었음. 임상단계 : 확률 20% Discovery 단계 : 6년 이상

한국의 신의약품 개발현황 자료: 한국신약개발조합, 2002. 12 분류 연구개발단계 품목수 기업수 계 신약 제품출시 7 6 32개 기업 92개 품목 신약승인 1 임상 3상 5 4 2상 10 9 1상 소계 21 18 전임상 47 24 탐색 16 신기술/생명공학의약품 신제형/복합제/DDS 56 29 37개 기업 153개 품목 생물공학의약품 원료 의약품 50 25 진단용의약품 8 기타(기능성소재/제품) 잘 알려진 전통적 신약개발 단계 그래프 통상 5000개 화합물에서 15년간의 연구기간을 거쳐 1개의 신약이 승인 받는것이 과거의 신약개발이었음. 임상단계 : 확률 20% Discovery 단계 : 6년 이상 자료: 한국신약개발조합, 2002. 12

Reasons for Candidate Withdrawal (20%) (35%) (25%) (25%) Park-Davis, 1997

Bottleneck in Drug R&D Need Prediction Tools at Discovery Stage 신약개발시 가장 장해가 되는 부분에 대한 신약개발 전문가의 의견에 의하면, 안전성과 물성 부분이다 물론 임상에서 효능의 입증 실패도 주요요인 이나, 이는 임상을 대변할 동물모델의 부족에서 오는 부분 물성은 결국 인체에서의 흡수, 분포, 대사, 배설의 체내동태을 대변하는 요소로서 안전성과 함께 전임상 단계에서 실험동물로는 방법이 없는 그런 부분 그러나 인체에서 안전성과 체내동태를 예측할 수 있는 tool이 있다면 신약의 개발 성공확률을 크게 개선실 수 있을 거임

단기 검색법개발의 필요성 Economic necessity Scientific necessity 신약 R&D 비용 : 28.6억불/NCE 개발단계 주요 실패요인 : 25% (임상 46%) 개발단계 Bottleneck 1순위 Scientific necessity 전임상시험 수행과 시험결과의 신뢰성 Regulatory necessity 기존 및 신규화학물질의 독성검색 화학물질: 1,200만종, 10만종 등록, 매년 2,000여종 신규 등록 국내: 4만종 등록, 매년 300여종 신규 등록 (1996년) Ethical necessity 동물실험의 3 원칙: reduction, replacement and refinement (Russell과 Burch, 1959)

전임상시험의 종류 Single Dose Toxicity Study Repeated Dose Toxicity Study Reproductive Toxicity Study - OECD 416, 421, 422: Full histopathology - EPA OPPTS 870.3800: Detailed testicular histopathological examination Local Tolerance Study Genotoxicity Study Immunotoxicity Study Carcinogenicity Study Safety Pharmacology Toxicokinetic & Pharmacokinetic Study

고환독성평가법의 종류 Qualitative evaluation Quantitative evaluation Seminiferous tubules: atrophy, swelling, etc Germ cells: degeneration, decrease, depletion, exfoliation, spermatid retention, etc Sertoli cells: decrease, degeneration, vacuolation, etc Leydig cells: hyperplasia, hypoplasia, etc Quantitative evaluation Grades: mild, moderate, severe; or Johnson’s scoring system (1970) Degrees of tubular abnormalities (Yuan and McEntee, 1987) Incidences of abnormal tubules (Carrol and Ball, 1970) Ratio of stage XIV seminiferous tubules (Cuppos and Laben, 1960) Germ cell counts in spermatogenic stages (Creasy, 1997) Repopulation index (Meistrich and Beek, 1993) Sertoli cell index (Kumi-Diaka and Dennis, 1978)

The Aims of The Present Study to establish qualitative and quantitative evaluation methods for screening testicular toxic potential of chemicals in rats to determine whether a 2-week administration period is sufficient to detect testicular toxicity of 2-bromopropane (2-BP) as an example

Properties of 2-Bromopropane A substitute of CFCs developed in Japan Outbreak of 2-BP toxicosis in workers of an electronic Co. : amenorrhea, oligospermia, and anemia Adverse effects on reproductive, hematopoietic, central nervous, and immune systems in both humans and experimental animals Recently reviewed by CERHR (Boekelheide et al., 2004) A contaminant in 1-BP (alternative of 2-BP) at 0.1%

Mechanism of Action Induction of DNA damage, impairment of functional antioxidant cellular defenses, and enhancement of lipid peroxidation (Wu et al, 2002) Formation of N7-isopropyl guanine as an adduct product (Zhao et al, 2002) Induction of micronuclei formation in preimplantation mouse embryos (Ishikawa et al, 2001) Direct embryotoxic effects on embryo-fetal development (Kim et al, 2004)

Repro./Devel. Toxic Properties Testicular dysfunction due to damaging the early types of spermatogenic cells in males Ovarian dysfunction due to damaging the primordial follicles and their oocytes in females Direct teratogenic effects in rats and mice by in utero exposure Increased peri- and postnatal deaths and increased reproductive organ dysfunction in F1 offspring

Materials and Methods (1) Animals: Adult male Sprague-Dalwey rats Experimental groups: Two groups of male rats were subcutaneously injected at vehicle or 1,000 mg/kg of 2-BP for 2 weeks. Autopsy: Ten male rats each were sacrificed on days 3, 7 and 14 after the initiation of treatment. Organs weights: Absolute and relative weights of testes, epididymides, prostates and seminal vesicles

Materials and Methods (2) Histopathology: Qualitative and quantitative histological examinations using spermatogenic stages for testis and epididymis Sperm analysis: Testicular spermatid count, daily sperm production rate, epididymal sperm count, sperm motility and sperm morphology Statistics: Bartlett's test, one-way ANOVA or Kruskal-Wallis ANOVA followed by Dunnett's test, or Fisher's test using SAS software.