化药杂质（元素杂质、残留溶剂、有机致突变杂质、有机非致突变杂质和N-亚硝胺杂质的）的限度问题探讨

药品中存在产品相关和工艺相关的杂质，这些杂质不仅对患者没有益处，反而存在风险。小分子化学药物通常通过化学合成制备。杂质可能来源于起始物料、试剂、副产物、中间体、溶剂和催化剂。在储存过程中，原液（drug substances, DSs）或制剂（drug products, DPs）可能会形成降解产物（ICH, 2006a, 2006b）。

尽管杂质可以通过科学管理尽量减少，但无法完全避免，一般是通过设定质控限度（qualification thresholds）来控制杂质风险。这些限度基于安全性和生产实践制定，目的是为了帮助药品开发者降低患者安全风险。然而，由于许多杂质类型与不同药物形式相关，且缺乏默认的质控限度，安全性评估仍然是必不可少的。

小分子化药相关杂质的安全性测定如下图所示。根据杂质有无特别担忧，进行大致分类。对于一些致突变致癌物、非致突变致癌物、致突变非致癌物等有明显安全性担忧的杂质，需要开展特定的安全性评估。对于没有安全性担忧的非致突变杂质，则可以参照行业或者ICH相关指导原则执行。

元素杂质

元素杂质若不加以控制，可能会引起不良的药理学和毒理学反应。其潜在来源包括药DS、辅料、生产设备、容器密封系统等。ICH Q3D描述了一种三步法的风险评估过程：确定元素杂质的来源、进行风险评估以及实施控制。ICH Q3D重点关注24种元素杂质，并根据其毒性和在药品中出现的可能性将其分为1类、2A类、2B类和3类。这些杂质的安全性评估基于每日允许暴露量（PDE），ICH Q3D提供了口服、注射、皮肤和吸入途径的PDE值。

如果元素杂质的暴露水平低于其对应的PDE，则认为风险较低，但仍需按照30% PDE的控制限度。如果暴露水平高于PDE，则可以根据毒理学数据（如毒代动力学或暴露时间）进行具体分析。

残留溶剂杂质

残留溶剂是在DSs、辅料或DPs生产过程中使用的或产生的有机挥发性化学物质。根据最近的ICH Q3C指南（2024年），残留溶剂被分为3类：第1类（5种已知的人体致癌物，强疑似人体致癌物，以及环境危害物，应尽量避免使用）；第2类（31种非遗传毒性动物致癌物，或可能导致其他不可逆毒性如神经毒性或致畸性的溶剂，需要限制的溶剂）；第3类（27种毒性较低的溶剂，无须制定基于健康的暴露限度）。此外，还包括一些尚无足够的毒理学数据来制定可接受PDE但毒性较低的其他溶剂。对于这些溶剂的使用，药品开发者需要提供合理依据。残留溶剂的安全性至关重要，因为ICH Q3C指出：“药品中残留溶剂的含量不应超过安全数据支持的水平。”（ICH, 2024）。对于3类残留溶剂，建议设定可接受的PDE，其中第1类和第2类为针对具体溶剂特定的PDE，如乙腈、氯苯、氯仿的PDE分别为4.1、3.6、0.6ppm。第3类溶剂则设定了一个通用的PDE值，即每天50毫克。除非存在特殊情况，否则不应超过建议的残留溶剂水平。对于“特殊情况”，需要提供充分的理由来证明其合理性。

有机杂质—致突变杂质

致突变杂质（Mutagenic impurities, MIs）小分子在药物开发过程中很受关注。有很多种类型的MIs。其中一种来源是DS合成相关和生产相关。多种化合物会参与这个过程，包括起始物料、中间体、副产物、试剂、溶剂和催化剂等。此外，DS或DP在储存过程中可能会出现降解。评估这些物质的致突变性对于确保人体安全是关键的。对于致突变杂质，最好制定系统的策略，在整个DP生命周期中进行监测、控制，包括潜在致突变杂质的安全性测定、分析DS合成过程、API和DP的稳定性、理解潜在DP组分之间的相互作用。

由于基因毒性杂质的毒性比较特殊，与非基因毒性杂质相比，按照ICH指导原则要求，需要建立更低的检测限和鉴定限。MIs的监管指南有很多，首个监管指南由EMA于2006年发布，随后在2010年发布了问答文件。FDA也于2008年发布了类似的指南。ICH于2014年首次发布了评估和控制药物中的DNA活性（致突变）杂质以限制潜在的致癌风险的指南，即ICH M7，并于2023年更新至当前最新版本。ICH M7指南已被全球卫生机构广泛采用，用于评估DS和DP中DNA反应性（致突变）杂质的安全性。

当然，对于肿瘤治疗产品，有一些特殊考虑。有些肿瘤药物本身可能具有遗传毒性，因此需要采用替代方法和限度来评估其MIs的安全性。根据ICH S9指南（2009），对于遗传毒性杂质，根据增加的肿瘤发生的终生性风险，已经有多种方法用于建立限度标准。对于拟用于晚期肿瘤患者的药物，上述限度可能不适用，论证时应考虑设置更高的杂质限度。如果杂质也是动物和/或人体中的代谢物，通常是可接受的。

在EMA关于遗传毒性杂质限度的指南（2006）中提到，对于某些特殊情况，例如短期暴露、用于治疗危及生命疾病的治疗、预期寿命小于5年，或杂质为已知杂质而人体从其他途径（如食物）获得的暴露量远远高于给药途径，可接受的毒理学担忧阈值（TTC）可能高于1.5μg/day。

ICH M7（2023）已成为评估DS和DP中MIs安全性的“黄金标准”，旨在补充ICH Q3A（2006）和Q3B（2006）。该指南明确了不适用的情况，包括生物/生物技术制品、肽类、寡核苷酸、放射性药物、发酵产品、草药和动物或植物来源的粗制品等其它类型的原料药和制剂、晚期癌症适应症以及可能与癌症风险增加有关的DS。ICH M7（2023）对杂质潜在致突变的评估不适用于已上市药物中使用的辅料、调味剂、着色剂和香料。不适用于与药物包材相关的可浸出物，但如有必要，可使用指南中概述的限制潜在致癌风险的安全风险评估原则。如有必要，药品中首次使用且为化学合成的辅料中的杂质可使用本指南的安全风险评估原则。ICH M7（2023）为识别、分类、鉴定和控制杂质提供了指导，以尽量减少患者暴露于MIs。为了评估小分子中杂质及降解产物的安全性，ICH M7（2023）提供了风险表征原则，如下图所示。Class1-5分类，见ICH M7.

致突变杂质的安全性评估取决于其安全限度的可用性。如果可以根据致癌性数据推导出化合物特定的可接受摄入量（AI），则可以根据其AI对MI进行鉴定。目前已有23种致突变致癌物的AI或PDE被推导出来。原则上，AI适用于所有给药途径。在没有足够的致癌性数据推导AI的情况下，TTC被用于鉴定MI。基于TTC 计算可接受摄入量时，一个致突变杂质每天每人摄入1.5μg时其风险被认为是可以忽略的（终生暴露情况下理论患癌风险小于十万分之一），这一值可以通用于大部分药物，作为可接受控制限度的默认值。该方法一般用于长期治疗用（>10年）药物中存在的且无致癌数据（2类和3类）的致突变杂质。

在合理的前提下，ICH M7允许应用替代方法计算AI。对于短于终生的暴露期，比如临床开发期间的药物给药时间有限，允许采用小于终生（LTL）或分阶段TTC方法进行MIs的安全性评估。基于“终生以低剂量持续给药的癌症风险与相同的累积暴露量在较短给药时长内平均给药的癌症风险等同”，基于 TTC 的可接受摄入量 1.5μg/天被视为具有保护作用的终生每日暴露量。药品中致突变杂质的 LTL 暴露量可理解为可接受的累积终生剂量（1.5μg/天×25,550 天=38.3mg）在 LTL 暴露期间均匀分配在总暴露天数中。这就允许致突变杂质的日摄入量可以高于终生暴露时的情况，而其风险水平仍与每日或非每日治疗方案相持平。下表总结了不同暴露周期的单个MI的LTL AI。这些LTL AI适用于临床阶段和上市产品。

DS合成过程中可能会产生多个致突变杂质，对于DS质量标准中有3个或更多2类或3类杂质的情况，应根据下表制定总的致突变杂质限度。

定量构效关系（(QSAR）模型是一种通过数学模型描述化合物的化学结构与其生物活性之间定量关系的方法。它广泛应用于药物设计、毒理学研究、环境风险评估等领域。QSAR模型的核心是通过分子特征性描述数据（如物理化学性质、结构特征等）来预测化合物的生物活性、毒性或其他相关性质。这些数据可以是二维的（如分子式、官能团等）或三维的（如分子的立体结构、空间排列等）。通过统计学或机器学习方法，QSAR模型能够建立特征数据与生物活性之间的线性或非线性关系。由于其高通量能力，QSAR模型能够以经济且高效的方式替代对每种杂质进行测试，从而实现对大量杂质的评估。而且，随着更先进的机器学习技术的应用和对QSAR预测知识的积累，计算机模拟预测杂质安全性的灵敏度、特异性和准确性将不断提高，同时也有助于减少体外致突变性研究，从而实现成本和时间的节约。ICH M7（2023）建议在评估杂质致突变性时，应使用两种互补的QSAR模型（基于专家规则和统计学的模型）。目前，制药行业广泛使用多种商业化的计算机模拟程序来评估杂质的致突变性，包括Derek Nexus（基于专家规则）和Sarah Nexus（基于统计学），以及Leadscope（同时基于专家规则和统计学）和CASE Ultra（同时基于专家规则和统计学）。这些软件的性能已经得到了全面评估。

在QSAR模型中，专家判断是确保预测结果科学性和可靠性的重要环节。当QSAR模型无法提供明确结论时，专家可以结合已有的化学、毒理学知识和经验，对预测结果进行补充和修正，例如误分类或未分类的特征、超出模型适用范围的结果以及假阳性预测。专家判断应遵循一定的原则和程序。在两种计算机模拟程序的预测结果基础上，确定杂质的最终分类。在某些情况下，如果两种程序均预测杂质无致突变性，则可得出“可能无致突变性”的结论，但仍需通过专家审查确认是否存在令人担忧的特征。另外，如果至少有一种计算机模拟程序预测为阳性，意味着杂质的致突变性仍存在不确定性，需要进一步进行专家审查或毒理学研究。示意图如下。

有机杂质—非致突变杂质

非致突变杂质（NMIs）的安全性评估较致突变杂质（MIs）更具挑战性。ICH Q3A（2006a）和ICH Q3B（2006b）分别为DS和DP中的NMIs提供了报告、界定和鉴定的限度。然而，这些限度不适用于早期临床阶段（即I期和IIa期），适用于III期和注册阶段。早期临床有属于这个阶段的特点，早期开发的重点是将产品推进到后期阶段，以进行安全性和有效性的评估。由于早期临床研究中临床候选药物的暴露量有限，且参与人数较少，因此NMIs对患者安全性风险相对较低。此外，随着DS表征的深入，对合成路线和工艺的理解仍在不断加深。NMIs的管理在早期开发阶段主要侧重于质量控制策略，并基于临床前和早期临床安全性研究数据，确保患者安全。随着DP的进一步开发，DS的合成和制剂工艺可能会发生重大变化，此时NMIs的管理将逐渐向ICH指导原则的要求靠拢。

那么早期临床开发阶段（I期和IIa期）的NMIs限度如何控制呢？在早期阶段，如果最大临床剂量不超过1 g/天，则建议NMIs的鉴定限度为0.2%，界定限度为0.5%。对于每天最大给药剂量<2g的DS，建议将界定限度定为0.5%或3 mg/天，鉴定限度为0.3%，相当于ICH Q3A和Q3B规定的3倍。此外，如果有毒理学数据支持的情况下，DS中单个NMI/降解产物和总NMI/降解产物的限度分别不超过1.0%和3.0%。

最近，基于ICH Q3A（2006）中为新DS中NMI设定的1 mg/天界定阈值，提出了基于Modified Haber's Law的可接受安全限度，以支持早期临床开发。这些安全限度是基于多个化学毒理学数据库的分析得出的，并采用了与ICH M7（2023）中用于短期暴露（LTLs）的相同外推方法，因此在科学上是稳健且可行的。如下表所示。

N-亚硝胺（N-nitrosaminess，简称NAs）

N-亚硝胺是一类被归类为“重点关注”的有机杂质（根据ICH 2023年指南），广泛存在于环境、饮食中，也可能在体内内源性生成。它们是由仲胺或叔胺与亚硝化剂（如亚硝酸盐）在酸性条件下反应生成的。许多N-亚硝胺化合物是强效的致突变性致癌物。NAs杂质在DP中的暴露早期仅有零星报道。然而，自2018年缬沙坦原料药中检测到N-亚硝基二甲胺（NDMA）以来，N-亚硝胺污染问题在多种药物中被频繁检出，成为监管机构关注的焦点之一，并采取了一系列措施，包括暂停审批和启动审查程序，并要求相关企业从市场召回药物。N-亚硝胺通常在小分子药物的化学合成过程中产生，但也可能出现在含有化学合成片段的生物制品中，尤其是在使用亚硝化试剂的工艺或包装材料（如含有硝化纤维素的泡罩包装）中。检测方面，欧洲药典于2020年发布了N-亚硝胺通用检测方法，包括液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）和气相色谱-质谱法（GC-MS）等。

基于NAs的可接受摄入量（AIs）进行安全性评估是确保其安全暴露的重要方法。根据ICH M7（2023）指导原则，可以通过致癌性数据的线性外推来确定特定化合物的AI。目前，多个药品监管机构已根据此方法建立了常见N-亚硝胺的AI值，例如美国FDA和EMA。EMA为NAs设定了默认的最坏情况（worst-case）AI为18 ng/天，而FDA将该限值设定为26.5 ng/天。然而，对于所有NAs来说，可能无法获得足够的致癌性数据。为此，EMA提出了两种确定NAs AI的方法：1）如果NAs具有足够的致癌性数据，则通过确定其TD50值（导致50%肿瘤发生率的剂量）来推导AI；2）如果NAs缺乏足够的致癌性数据，则可以使用替代方法计算AI，包括致癌效力分类法（CPCA）、结构类似物的交叉读取或致突变性试验（如增强的Ames试验或体内致突变性研究）。

对于致突变性试验，如果增强的Ames试验结果为阴性，则可以将1.5 μg/天作为AI；如果体内致突变性研究结果为阴性，则可以使用Q3A和Q3B中定义的NMI的界定限度。这种风险评估方法适用于所有给药途径，必要时可以针对特定途径调整AI。此外，EMA还提出了基于致癌效力分类的AI方法（CPCA），根据亚硝胺的致癌效力将其分为5个类别，AI值分别为18 ng/天、100 ng/天、400 ng/天、1500 ng/天和1500 ng/天。类似地，FDA也提出了基于分类的AI值，分别为18 ng/天、150 ng/天和1500 ng/天。这些分类方法为缺乏致癌性数据的NAs提供了实用的AI评估框架。

引自：Safety assessment of drug impurities for patient safety: a comprehensive review.

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