Das Hauptziel der frühen Arzneimittelentwicklung besteht darin, die vielversprechendsten Wirkstoffe auszuwählen und sichere sowie wirksame Dosierungen und Dosierungsschemata zu ermitteln. Dazu muss eine Analyse sowohl der pharmakokinetischen (PK) als auch der pharmakodynamischen (PD) Eigenschaften Ihres neuartigen Wirkstoffs durchgeführt werden.  Gut konzipierte PK- und PD-Studien, die bereits in einer frühen Phase Ihrer Arzneimittelentwicklung durchgeführt werden, helfen Ihnen nicht nur bei der Wirkstoffauswahl, sondern ebnen letztendlich auch den Weg für eine effiziente klinische Entwicklungsstrategie. In diesem Blogbeitrag erläutern wir, wie die Nutzung von Mausdaten zur Ermittlung von PK/PD-Beziehungen in Verbindung mit der Expertise von InnoSer als führendem europäischen CRO für die präklinische Arzneimittelentwicklung Ihnen helfen kann, die Hürden der Arzneimittelentwicklung zu meistern.  

What Is the Difference Between PK and PD?  

The goal of PK and PD compound screening is to evaluate the relationship between the concentration of a drug in the body (PK), and the drug’s biological effects (PD). While PK study data provide you information about your drug’s absorption, distribution, metabolism and excretion (ADME) dynamics, PD study data provide you with information relating to drug-receptor binding, cellular activity, intracellular mechanisms and structure-activity relationships of the drug itself. Moreover, PD markers are usually very specific to the mechanism of action of the drug, and the measured PD response is usually a direct measure of the target modulation.  

Ungünstige ADME-Eigenschaften können ein ansonsten vielversprechendes Medikament zunichte machen. Um eine zuverlässige Beziehung zwischen Wirkstoffkonzentration (PK) und Wirkung (PD) zu erhalten, empfehlen die Experten von InnoSer die Konzeption und Umsetzung robuster Studienpläne, um ein vollständiges pharmakologisches Profil Ihres Wirkstoffs zu erhalten. Es können auch toxikokinetische (TK) Studien durchgeführt werden, um etwaige Toxizitätsbefunde mit dem entsprechenden Grad der Wirkstoffexposition in Zusammenhang zu bringen; dies kann dazu beitragen, die Anzahl der verwendeten Versuchstiere im Einklang mit den 3R-Leitlinien (Ersetzung, Reduzierung und Verfeinerung) zu verringern.  

Using Mouse Data to Establish PK/PD Relationships 

Using mouse data to establish PK/PD relationships provides critical insights that help bridge the gap between the preclinical and clinical phases. Additionally, at InnoSer PK/PD screening studies can also be performed in rats, offering complementary data for a more comprehensive understanding. PK/PD studies can be performed in wildtype of transgenic rodents and disease models to give you clear insight before engaging efficacy studies. Such studies can provide you with a wealth of information, such as:  

• Inform you whether further drug re-formulations and/or optimizations are necessary 

• Whether you should prioritise the drug with most favourable PK/PD profile to move to preclinical testing 

Using mouse data to establish PK/PD relationships, the different data types that you can typically obtain from PK/PD analyses include:  

• Dose-response relationship data 

• Maximum effect (Emax)  

• Potency (EC50)  

• Maximum drug concentration (Cmax)  

• Time to maximum concentration (Tmax)  

• t1/2 elimination (terminal elimination half-life)  

• Total drug exposure via area under the curve (AUC)   

• Data on receptor binding, biochemical effects, and clinical outcomes for pharmacodynamics  

• Therapeutic window (range between the minimum effective concentration and the maximum safe concentration)  

Partnering with InnoSer ensures that you receive high-quality PK/PD services to make informed decisions in your drug development process. Our expert team provides tailored study designs, advanced analytical support, and comprehensive data interpretation to help you confidently move your compound toward clinical success. 

Dosing Routes and Techniques for Rodent PK Screening Studies 

The selection of appropriate dosing routes is a critical factor in PK studies, as it influences drug absorption, biodistribution, and overall efficacy. Common administration routes at InnoSer include: 

• Intravenös (i.v.): Wird sofort in den systemischen Kreislauf abgegeben und wird häufig für Bioverfügbarkeits- und Clearance-Studien verwendet. 

• Intramuskulär (IM): Ermöglicht eine verzögerte Freisetzung und eine gezielte Wirkstoffabgabe. 

• Subkutan (SC): Bietet einen weniger invasiven Verabreichungsweg mit langsameren Resorptionsraten und wird häufig für Biologika verwendet. 

• Oral (PO): Entspricht der Einnahme von Arzneimitteln beim Menschen, wird jedoch durch den First-Pass-Metabolismus beeinflusst. 

• Intrathekal (IT) und intrazerebroventrikulär (ICV): Ermöglichen die direkte Verabreichung neurologischer Therapeutika an das zentrale Nervensystem. 

• Intraperitoneal (IP): Wird häufig in Nagetiermodellen zur systemischen Verabreichung von Arzneimitteln eingesetzt, wenn ein intravenöser Zugang schwierig ist. 

• Intraspinale Verabreichung: Verabreichung von Wirkstoffen direkt in Bereiche des Rückenmarks. 

• Intrazerebrale Verabreichung in verschiedene Hirnregionen: Je nach Zielregion im Gehirn kann InnoSer stereotaktische Injektionen durchführen, um Wirkstoffe lokal zu verabreichen.  

• Chronische Kanülierung der Cisterna magna (ICM): Bei InnoSer sind Studien zur chronischen Kanülierung der Cisterna magna bei Ratten möglich. 

Using Mouse Data To Establish PK/PD Relationships in Specialized PK/PD Studies 

PK/PD studies are not one-size-fits-all; specialized approaches are required depending on the drug modality. InnoSer provides tailored PK/PD study designs that address the unique characteristics of various drug classes, including small molecules, biologics, and gene therapies. 

In vivo PK/PD Studies For Gene Therapy Approaches  

Gene therapies introduce unique PK and PD challenges due to their long-lasting effects and complex delivery mechanisms. Unlike small molecules or biologics, gene therapies often require precise vector optimization, biodistribution assessment, and prolonged PK monitoring (1). Some of the key challenges and considerations for PK/PD studies in gene therapy include: 

• Vektorverabreichung und Biodistribution: Das Verständnis der Verteilung viraler und nicht-viraler Vektoren im Gewebe ist entscheidend für die Wirksamkeit und Sicherheit. 

• Verabreichungsweg: Die Feinabstimmung der Verabreichungsstrategien ist der Schlüssel zur Ausschöpfung des vollen Potenzials von Gentherapien. Aspekte wie die klinische Anwendbarkeit (d. h. invasive Verabreichungsverfahren oder intravenöse Verabreichung), Kosten und Skalierbarkeit der Produktion (d. h. höher bei intravenöser Verabreichung), potenzielle Off-Target-Effekte und immunbezogene Risiken bei höherer systemischer Exposition müssen in den präklinischen Forschungsphasen bewertet werden.  

• Expressionskinetik: Es kann Tage bis Wochen dauern, bis sich die Wirkungen der Gentherapie zeigen, was eine längere PK/PD-Überwachung erforderlich macht. 

Readouts and Approaches for Gene Therapy PK Screening Studies 

Wir bei InnoSer sind darauf spezialisiert, Sie bei der Optimierung von Gentherapien zu unterstützen, die auf Ihre therapeutischen Ansatz (z. B. RNA-basierte Therapeutika, ASOs, CRISPR-Cas9) Verabreichungssysteme (z. B. AAV-Vektoren, lentivirale oder adeno-assoziierte virale Vektoren, nicht-virale Nanopartikel wie LNPs), Verabreichungswege (i.v., i.c.v., intrathekal) sowie Erfahrung mit Medizinprodukten zur Verbesserung der Blut-Hirn-Schranken-Penetration und der regionsspezifischen Verabreichung. Zu den wichtigsten Endpunkten und Ansätzen für das PK-Screening in der Gentherapie, die InnoSer anbietet, gehören:  

Optimization of administration routes and dosages 

• Comparing different administration routes (e.g., IV versus ICV administration). 

• Direct organ delivery strategies evaluation (such as kidney, relevant for genetic diseases such as ADPKD – read more here).  

• Testing single versus repeated dosing schedules. 

• Testing prophylactic and/or treatment strategies efficacy. 

Biodistribution Analysis 

• In vivo imaging (bioluminescence/fluorescence) to assess real-time gene expression and distribution. 

• Detect vector DNA in target and off-target tissues. 

Transgene Expression and Protein Production 

• RT-qPCR/ddPCR to measure transgene mRNA levels. 

• Western Blot/ELISA to quantify transgene-encoded protein levels. 

• Immunohistochemistry (IHC) to localize transgene expression. 

Functional Readouts 

• Phenotypic assessments to evaluate therapeutic effects on disease models. 

Immunology readouts 

• Local inflammatory reactions (e.g., via IHC), immunogenicity (flow cytometry immune cell profiling), inflammatory cytokine MSD/ELISA panels to study adaptive and innate immunity 

In einem repräsentativen Experiment hat InnoSer die Effizienz der CRISPR/Cas9-vermittelten Genbearbeitung an Ai9-Mäusen (Abbildung 1). 

ABBILDUNG 1. Wirksamkeit der Genbearbeitung Optimierung Experimentbeispiel. Die Effizienz der CRISPR/Cas9-vermittelten Genbearbeitung lässt sich mithilfe von Stämmen wie Ai9 bewerten. Der Ai9-Stamm ermöglicht die Quantifizierung des Fluoreszenzsignals im Zielmuskelgewebe nach intramuskulärer Injektion von iTOP® CRISPR/Cas9, das auf die Entfernung des STOP-Codons ausgerichtet ist (A)zu entfernen, das normalerweise die Expression von tdTomatoverhindert. Nach der CRISPR/Cas9-vermittelten Rekombination (B)transkribiert der Skelettmuskel des Ai9-Stammes das tdTomato Gen. Das repräsentative Bild (C) unterstreicht die Effizienz der CRISPR/Cas9-vermittelten Genbearbeitung nach Optimierungsstudien. Ergänzende Gen- und Proteinexpressionsanalysen mit anschließender longitudinaler Lumineszenz-Bildgebung in vivo liefern äußerst relevante Einblicke in Biodistribution und die Effizienz der Genbearbeitung. 

In Vivo PK/PD Studies for Therapeutic Antibodies 

Historically, PK/PD modelling has been applied in the development of small molecule drugs; however, modelling has more recently been successfully applied to characterize the efficacy and disposition of biotherapeutic drugs such as monoclonal antibodies, bispecific antibodies or antibody-drug conjugates (ADCs). The PK and PD of large molecules differ in several aspects from those of small molecules. 

Therapeutische Antikörper weisen häufig eine hohe Spezifität für menschliche Zielmoleküle auf. Daher kann es vorkommen, dass Antikörper, die zur Erkennung menschlicher Proteine entwickelt wurden, nicht mit ihren Gegenstücken bei Mäusen oder Ratten und gelegentlich sogar nicht mit Proteinen nicht-menschlicher Primaten interagieren. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, müssen PK/PD-Studien in hochentwickelten humanisierten Mausmodellen durchgeführt werden. InnoSer verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Durchführung von Sponsorstudien an spezialisierten Mausmodellen , die in verschiedenen Bereichen ihrer Biologie menschliche oder menschenähnliche Merkmale aufweisen , die speziell auf diese Zwecke zugeschnitten sind.  

Using Advanced Humanized Mouse Models for PK Studies 

Most therapeutic mAbs are immunoglobulin G (IgG) subclasses, IgG1 and IgG2. The neonatal Fc receptor (FCRN; also known as FCGRT) plays a central role in IgG clearance by protecting antibodies from degradation, thus largely influencing and prolonging their PK profile. However, due to species differences in antibody binding to the FCRN, PK studies in wild-type (WT) mice do not generate a reliable PK profile.  

Therefore, humanized mouse models with human FcRN receptors are pivotal for accurately predicting the PK profile of therapeutic antibodies. As these mice express the human FcRn receptor instead of the mouse version, you can easily and more predictively:  

• Bewertung der Antikörperclearance: Mäuse mit humanem FcRn liefern Erkenntnisse über die Halbwertszeit und die Clearance von Antikörpern beim Menschen. 

• Verbesserung der Übertragbarkeit: Diese Modelle verbessern die Vorhersagekraft präklinischer PK-Untersuchungen. 

Transgenic humanized mouse models serve as a robust platform for selecting promising leads and predicting clinical PK parameters of therapeutic antibody candidates. InnoSer offers PK studies in humanized target-specific mouse models (such as FcRN, hTNFR2 mice etc.,)or humanized immune system mice. Reach out to our expert pharmacology study directors who will advise you on the most suitable rodent model for your PK rodent screening studies.  

Partnering Up with a Preclinical CRO for PK/PD Screening Studies  

Collaborating with a Contract Research Organization (CRO) offers several key advantages for conducting PK/PD analyses. Partnering with a CRO gives you access to a wealth of expertise and resources that can significantly enhance the quality and efficiency of your studies.  

By delegating the execution of preclinical studies to a trusted partner, your organization can concentrate on strategic decision-making and advancing drug candidates to the next phase of development. By leveraging the resources of an external organization, you can reduce the need for in-house capabilities and accelerate project timelines. 

What Sets InnoSer Apart for PK/PD Services? 

As a European preclinical drug development CRO, InnoSer offers comprehensive support for your PK/PD studies, including:  

• Maßgeschneiderte Lösungen: Bei InnoSer können wir sowohl PK/PD-Studien mit geringem Volumen (einmalig) als auch mit großem Volumen (wiederkehrend) durchführen. Wir kümmern uns um die Assay-Validierung für Ihre Prüfpräparate. Bei großem Volumen arbeiten wir mit festen Durchlaufzeiten (TAT) in Kombination mit Tieren in Bereitschaft, um Ihnen schnelle Studienbeginnzeiten zu ermöglichen und so groß angelegte PK-Screening-Studien an Nagetieren zu ermöglichen. 

• Aufzucht und Haltung von Kolonien: InnoSer unterbringt und/oder züchtet im Rahmen seines PK/PD-Dienstleistungsportfolios regelmäßig spezifische humanisierte Mausmodelle, sodass Sie von schnelleren Studienstartzeiten profitieren können. 

• Integration von PK/PD-Screening-Studien und Wirksamkeitsstudien: Wenn Sie Ihre PK/PD-Screening-Studien bei InnoSer durchführen lassen, können Sie effizient und ohne Verzögerungen zu Wirksamkeitsstudien übergehen.  

• Fachkompetenz: Die erfahrenen Studienleiter für Pharmakologie bei InnoSer berücksichtigen den Wirkmechanismus (MoA) Ihres Wirkstoffs und besprechen mit Ihnen ausführlich das am besten geeignete Studiendesign, die Blutentnahmeschemata, das Geschlecht, den Stamm sowie die Verabreichungswege.  

• Kommunikation: Mit InnoSer behalten Sie die Kontrolle über Ihre eigenen Projekte, da Ihnen die Studienergebnisse und/oder etwaige unerwartete Erkenntnisse stets mitgeteilt werden. Rohdaten werden über sichere Plattformen zum Datenaustausch bereitgestellt, um Sie zeitnah über den aktuellen Stand der Studie zu informieren. 

• Erfahrung im Umgang mit verschiedenen Matrices und Wirkstoffen: InnoSer verfügt über Erfahrung im Umgang mit verschiedenen biologischen Matrices, darunter Serum, Plasma, Urin, Speichel und Liquor. Zu den Substanzen zählen kleine Moleküle sowie große Makromoleküle (z. B. Antikörper).   

• Mausmodelle: InnoSer kann mit genetisch veränderten PK-Modellen arbeiten, was insbesondere für die PK-Bewertung von Antikörpertherapeutika relevant ist (z. B. unter Verwendung von FcRN-humanisierten Mäusen für die Antikörperentwicklung).  

Using Mouse Data to Establish PK/PD Relationships – Conclusion 

PK/PD studies in mice are a cornerstone of preclinical drug development, providing you with crucial data needed to make informed decisions about dosing, efficacy, and safety. With expertise in conducting rodent PK screens, InnoSer is your trusted partner in advancing your therapeutic research. 

Contact us today to learn how we can support your next breakthrough.