Non-human primates in preclinical development of monoclonal antibodies

Review
УДК 615.076.9
DOI: 10.57034/2618723X-2023-02-01

M.N. Makarova*,
MD, Director,
https://orcid.org/0000-0003-3176-6386
V.G. Makarov,
MD, Scientific director,
https://orcid.org/0000-0002-2447-7888

Research and manufacturing company “Home оf Pharmacy”,
188663, Russia, Leningrad oblast, Vsevolozhskiy district, Kuzmolovskiy t.s., Zavodskaya st. 3–245.

* E-mail: [email protected]

Keywords: non-human primates therapeutic monoclonal antibodies preclinical studies toxicity
For citation:

Makarova M.N., Makarov V.G. Non-human primates in preclinical development of monoclonal antibodies. Laboratory Animals for Science. 2023; 2. https://doi.org/10.57034/2618723X-2023-02-01

Abstract

The emergence of new biopharmaceuticals, including therapeutic monoclonal antibodies (MABs), required a revision of the preclinical development strategy. To provide human risk assessment data, preclinical in vivo efficacy and safety studies of biotechnology-derived pharmaceuticals should be conducted in pharmacologically relevant species. A relevant species is one in which the test material is pharmacologically active due to the expression of the epitope and is one which demonstrate a similar tissue cross-reactivity profile as for human tissues. Often, the only relevant species for preclinical safety assessment of therapeutic MABs are non-human primates (NHPs). If there are no other alternatives (homologous proteins, genetically modified animals), all measures should be taken to reduce the number of animals involved in preclinical studies in accordance with the 3Rs principle. There is not a single solution for therapeutic MABs preclinical development program. When planning research, a scientifically-based approach should always be applied, taking into account all available data. While NHPs are currently necessary to provide risk assessment data for many therapeutic MABs, the very characteristics of MABs biology such as high target specificity, predictable metabolic pathways, and low toxicity, also provide opportunities to minimize the use of NHPs in safety testing and to increase the efficiency of MABs development. The opportunities to adapt development program for MAB at low risk of toxicity include reducing the number of chronic studies, dose groups and recovery group animals. If rodents are also a pharmacologically relevant species, the use of NSPs may be reduced. The paper discusses examples of preclinical programs for therapeutic MABs and possible strategies aimed to minimize the number of NHPs during preclinical safety studies without compromising human safety.

Conflict of interest

V.G. Makarov is the Editor-in-Chief of Laboratory animals for science. M.N. Makarova is a member of the editorial board of Laboratory animals for science.

Authors contribution

M.N. Makarova — analysis of scientific literature data, writing and editing of the text of the manuscript.
V.G. Makarov — critical review and approval of the final version of the manuscript for publication.

  1. Guidelines on the quality, safety and efficacy of biotherapeutic protein products prepared by recombinant DNA technology. Technical Report Series N. 987.
  2. ICH guideline S6 (R1) — preclinical safety evaluation of biotechnology-derived pharmaceuticals Step 5, 2011.
  3. Решение Совета Евразийской экономической комиссии от 3 ноября 2016 № 89 «Об утверждении Правил проведения исследований биологических лекарственных средств Евразийского экономического союза».
  4. WHO Guidelines on the quality, safety and efficacy of biotherapeutic protein products prepared by recombinant DNA technology, Annex 4, TRS N. 987. 2014.
  5. ICH S5 (R3) Detection of Reproductive and Developmental Toxicity for Human Pharmaceuticals. Step 4 Version. 18 February 2020.
  6. EU Directive 2010/63/EU Directive 2010/63/EU of the European Parliament and of the Council of 22 September 2010 on the protection of animals used for scientific purposes.
  7. WHO Guidelines on evaluation of similar Biotherapeutic Products (SBPs), Annex 2, TRS No 977, 1 January 2010.
  8. Guideline on similar biological medicinal products containing monoclonal antibodies — non-clinical and clinical issues (EMA/CHMP/BMWP/403543/2010). 2012.
  9. Guideline on similar biological medicinal products containing biotechnology-derived proteins as active substance: non-clinical and clinical issues (EMEA/CHMP/BMWP/42832/2005 Rev. 1).

References

  1. Buss N.A., Henderson S.J. et al. Monoclonal antibody therapeutics: history and future // Curr. Opin. Pharmacol. 2012. Vol. 12. N. 5. P. 615–622. DOI: 10.1016/j.coph.2012.08.001.
  2. Suzuki M., Kato C. et al. Therapeutic antibodies: their mechanisms of action and the pathological findings they induce in toxicity studies // J. Toxicol. Pathol. 2015. Vol. 28. N. 3. P. 133–139. DOI: 10.1293/tox.2015-0031.
  3. Goebl N.A., Babbey C.M. et al. Neonatal Fc receptor mediates internalization of Fc in transfected human endothelial cells // Mol. Biol. Cell. 2008. Vol. 19. N. 12. P. 5490–5505. DOI: 10.1091/mbc.e07‑02‑0101.
  4. Lu R.M., Hwang Y.C. et al. Development of thera­peutic antibodies for the treatment of disea­ses // J. Biomed. Sci. 2020. Vol. 27. N. 1. P. 1. DOI: 10.1186/s12929‑019‑0592‑z.
  5. Beyersdorf N., Hanke T. et al. CD28 superagonists put a break on autoimmunity by preferentially activating CD4+CD25+ regulatory T cells // Autoimmun. Rev. 2006. Vol. 5. N. 1. P. 40–45. DOI: 10.1016/j.autrev.2005.06.001.
  6. Elflein K., Rodriguez-Palmero M. et al. Rapid reco­very from T lymphopenia by CD28 superagonist therapy // Blood. 2003. Vol. 102. N. 5. P. 1764–1770. DOI: 10.1182/blood-2002‑11‑3586.
  7. Goodyear M. Learning from the TGN1412 trial // Bmj. 2006. Vol. 332. N. 7543. P. 677–678. DOI: 10.1136/bmj.38797.635012.47.
  8. Suntharalingam G., Perry M.R. et al. Cytokine storm in a phase 1 trial of the anti-CD28 monoclonal antibody TGN1412 // N. Engl.J. Med. 2006. Vol. 355. N. 10. P. 1018–1028. DOI: 10.1056/NEJMoa063842.
  9. Eastwood D., Findlay L. et al. Monoclonal antibody TGN1412 trial failure explained by species differences in CD28 expression on CD4+ effector memory T-cells // Br.J. Pharmacol. 2010. Vol. 161. N. 3. P. 512–526. DOI: 10.1111/j.1476-5381.2010.00922.x.
  10. Stebbings R., Findlay L. et al. “Cytokine storm” in the phase I trial of monoclonal antibody TGN1412: better understanding the causes to improve preclinical testing of immunotherapeutics // J. Immunol. 2007. Vol. 179. N. 5. P. 3325–3331. DOI: 10.4049/jimmunol.179.5.3325.
  11. Stebbings R., Poole S. et al. Safety of biologics, lessons learnt from TGN1412 // Curr. Opin. Biotechnol. 2009. Vol. 20. N. 6. P. 673–677. DOI: 10.1016/j.copbio.2009.10.002.
  12. Chapman K., Pullen N. et al. Preclinical development of monoclonal antibodies: considerations for the use of non-human primates // MAbs. 2009. Vol. 1. N. 5. P. 505–516. DOI: 10.4161/mabs.1.5.9676.
  13. Остроухова Т. Ю., Иванов В.А. и др. Исследование кросс-реактивности терапевтических препаратов на основе моноклональных антител на тканях человека: основные подходы и методические приемы // Биопрепараты. Профилактика, диагностика, лечение. 2016. Т. 16. С. 237–244. [Ostrouhova T.U., Ivanov V.A. et al. Issledovanie kross-reaktivnosti terapevticheskih preparatov ns osnove monoklonalnyh antitel na tkanyh cheloveka: osnovnye podhody i metodicheskie priemi // Biopreparaty. Profilaktika, diagnostika, lechenie. 2016. Vol. 16. P. 237–244. (In Russ.)].
  14. Rogers K.A., Scinicariello F. et al. IgG Fc receptor III homologues in nonhuman primate species: genetic characterization and ligand interactions // J. Immunol. 2006. Vol. 177. N. 6. P. 3848–3856. DOI: 10.4049/jimmunol.177.6.3848.
  15. Rogers K.A., Scinicariello F. et al. Identification and characterization of macaque CD89 (immunoglo­bulin A Fc receptor) // Immunology. 2004. Vol. 113. N. 2. P. 178–186. DOI: 10.1111/j.1365-2567.2004.01949.x.
  16. Bjornson-Hooper Z.B., Fragiadakis G.K. et al. A Comprehensive Atlas of Immunological Differences Between Humans, Mice, and Non-Human Primates // Front Immunol. 2022. Vol. 13. P. 867015. DOI: 10.3389/fimmu.2022.867015.
  17. Johnsen D.O., Johnsony D.K., Whitney R.A. History of the Use of Nonhuman Primates in Biomedical Research // Nonhuman Primates in Biomedical Research. Volume 1: Biology and Management, 2nd Ed. Academic Press, 2012. Р. 1–33.
  18. Initial sequence of the chimpanzee genome and comparison with the human genome // Nature. 2005. Vol. 437. N. 7055. P. 69–87. DOI: 10.1038/nature04072.
  19. Gibbs R.A., Rogers J. et al. Evolutionary and biomedical insights from the rhesus macaque genome // Science. 2007. Vol. 316. N. 5822. P. 222–234. DOI: 10.1126/science.1139247.
  20. Smith D.G. Taxonomy of Nonhuman Primates Used in Biomedical Research // Nonhuman Primates in Biomedical Research. Volume 1: Biology and Management, 2nd Ed. Academic Press, 2012. Р. 57–85.
  21. Martin P.L., Bugelski P.J. Concordance of preclinical and clinical pharmacology and toxicology of monoclonal antibodies and fusion proteins: soluble targets // Br.J. Pharmacol. 2012. Vol. 166. N. 3. P. 806–822. DOI: 10.1111/j.1476-5381.2011.01812.x.
  22. Bussiere J.L., Martin P. et al. Alternative strategies for toxicity testing of species-specific biopharmaceuticals // Int.J. Toxicol. 2009. Vol. 28. N. 3. P. 230–253. DOI: 10.1177/1091581809337262.
  23. Podolin P. L., Webb E.F. et al. Inhibition of contact sensitivity in human CD4+ transgenic mice by human CD4‑specific monoclonal antibodies: CD4+ T-cell depletion is not required // Immunology. 2000. Vol. 99. N. 2. P. 287–295. DOI: 10.1046/j.1365-2567.2000.00946.x.
  24. Sharma A., Davis C.B. et al. Comparative pharmacodynamics of keliximab and clenoliximab in transgenic mice bearing human CD4 // J. Pharmacol. Exp. Ther. 2000. Vol. 293. N. 1. P. 33–41.
  25. Herzyk D.J., Gore E.R. et al. Immunomodulatory effects of anti-CD4 antibody in host resistance against infections and tumors in human CD4 transgenic mice // Infect. Immun. 2001. Vol. 69. N. 2. P. 1032–1043. DOI: 10.1128/iai.69.2.1032-1043.2001.
  26. van Meer P.J., Kooijman M. et al. Immunogenicity of mAbs in non-human primates during nonclinical safety assessment // MAbs. 2013. Vol. 5. N. 5. P. 810–816. DOI: 10.4161/mabs.25234.
  27. van Meer P.J., Kooijman M. et al. The value of non-human primates in the development of monoclonal antibodies // Nat. Biotechnol. 2013. Vol. 31. N. 10. P. 882–883. DOI: 10.1038/nbt.2709.
  28. Brennan F.R., Cavagnaro J. et al. Safety testing of monoclonal antibodies in non-human primates: Case studies highlighting their impact on human risk assessment // MAbs. 2018. Vol. 10. N. 1. P. 1–17. DOI: 10.1080/19420862.2017.1389364.
  29. Самсонов М.Ю., Дмитриева А.А. и др. Специфика тео­рии и практики доклинических исследований биотехнологических лекарственных средств // Российский медицинский журнал. 2018. Т. 24. № 6. С. 324–331. [Samsonov M.U., Dmitrieva A.A. et al. Spetcifika teorii i praktiki doklinicheskih issledovaniy biotehnolo­gicheskih lekarstvennyh sredstv // Rossiskii medicinskii zhurnal. 2018. Vol. 24. N. 6. P. 324–331. (In Russ.)].
  30. Descotes J., Vial T. Assessment of autoimmunity and hypersensitivity // Preclinical Safety Evaluation of Biopharmaceuticals. Hoboken, NJ: John Wiley and Sons, 2008. P. 467–497.
  31. Martin P.L., Weinbauer G.F. Developmental toxicity testing of biopharmaceuticals in nonhuman primates: previous experience and future directions // Int.J. Toxicol. 2010. Vol. 29. N. 6. P. 552–568. DOI: 10.1177/1091581810378896.
  32. Simister N.E. Human placental Fc receptors and the trapping of immune complexes // Vaccine. 1998. Vol. 16. N. 14–15. P. 1451–1455. DOI: 10.1016/s0264-410x(98)00107-8.
  33. Stewart J. Developmental toxicity testing of monoclonal antibodies: an enhanced pre- and postnatal study design option // Reprod. Toxicol. 2009. Vol. 28. N. 2. P. 220–225. DOI: 10.1016/j.reprotox.2009.04.002.
  34. Peterson P.E., Short J.J. et al. Frequency of spontaneous congenital defects in rhesus and cynomolgus macaques // J.Med. Primatol. 1997. Vol. 26. N. 5. P. 267–275. DOI: 10.1111/j.1600-0684.1997.tb00222.x.
  35. Hendrie T.A., Peterson P. E. et al. Frequency of prenatal loss in a macaque breeding colony // Am.J. Primatol. 1996. Vol. 40. N. 1. P. 41–53. DOI: 10.1002/(sici)1098-2345(1996)40:1<41::Aid-ajp3>3.0.Co;2-0.
  36. Roopenian D.C., Akilesh S. FcRn: the neonatal Fc receptor comes of age // Nat.Rev. Immunol. 2007. Vol. 7. N. 9. P. 715–725. DOI: 10.1038/nri2155.
  37. Jones E.A., Waldmann T.A. The mechanism of intestinal uptake and transcellular transport of IgG in the neonatal rat // Gut. 1971. Vol. 12. N. 10. P. 855–856.
  38. Story C.M., Mikulska J.E. et al. A major histocompatibility complex class I-like Fc receptor cloned from human placenta: possible role in transfer of immunoglobulin G from mother to fetus // J.Exp. Med. 1994. Vol. 180. N. 6. P. 2377–2381. DOI: 10.1084/jem.180.6.2377.
  39. Malek A., Sager R. et al. Evolution of maternofetal transport of immunoglobulins during human pregnancy // Am.J. Reprod. Immunol. 1996. Vol. 36. N. 5. P. 248–255. DOI: 10.1111/j.1600-0897.1996.tb00172.x.
  40. Hendrickx A.G., Peterson P. E., Makori N. M. The nonhuman primate as model of developmental immunotoxi­city // Developmental Immunotoxicity. Boca Raton, FL: CRC Press, 2005. P. 117–136.
  41. Buse E. Development of the immune system in the cynomolgus monkey: the appropriate model in human targeted toxicology? // J. Immunotoxicol. 2005. Vol. 2. N. 4. P. 211–216. DOI: 10.1080/15476910500362937.
  42. Chellman G.J., Bussiere J.L. et al. Developmental and reproductive toxicology studies in nonhuman primates // Birth Defects Res. B Dev. Reprod. Toxicol. 2009. Vol. 86. N. 6. P. 446–462. DOI: 10.1002/bdrb.20216.
  43. Weinbauer G.F., Frings W., Fuchs A.N.M., Osterburg I. Reproductive/developmental toxicity assessment of biopharmaceuticals in nonhumanprimates // Preclinical Safety Evaluation of Biopharmaceuticals. Hoboken, NJ: JohnWiley&Sons, Inc, 2008. P. 379–397.
  44. Henck J.W., Hilbish K.G. et al. Reproductive toxicity tes­ting of therapeutic biotechnology agents // Teratology. 1996. Vol. 53. N. 3. P. 185–195. DOI: 10.1002/(sici)1096-9926(199603)53:3<185::Aid-tera6>3.0.Co;2-3.
  45. Fujimoto K., Terao K. et al. The placental transfer of IgG in the cynomolgus monkey // Jpn.J. Med. Sci. Biol. 1983. Vol. 36. N. 3. P. 171–176. DOI: 10.7883/yoken1952.36.171.
  46. Malek A., Sager R. et al. Maternal-fetal transport of immunoglobulin G and its subclasses during the third trimester of human pregnancy // Am.J. Reprod. Immunol. 1994. Vol. 32. N. 1. P. 8–14. DOI: 10.1111/j.1600-0897.1994.tb00873.x.
  47. Martin P.L., Oneda S. et al. Effects of an anti-TNF-alpha monoclonal antibody, administered throughout pregnancy and lactation, on the development of the macaque immune system // Am.J. Reprod. Immunol. 2007. Vol. 58. N. 2. P. 138–149. DOI: 10.1111/j.1600-0897.2007.00499.x.
Received: 2023-01-16
Reviewed: 2023-03-22
Accepted for publication: 2023-04-12

You may be interested

NPO "Home of Pharmacy"

188663, Russia, Leningradskaya oblast', Vsevolozhskij rajon, g.p. Kuz'molovskij, Zavodskaya ulica, 3-245

© 2020 ООО «ИД «Русский врач»