創薬開発の初期段階における主要な目的は、最も有望な化合物を選定し、安全かつ効果的な投与量と投与計画を確立することである。そのためには、新規化合物の薬物動態（PK）特性と薬力学（PD）特性の両方の解析を実施する必要がある。  薬物開発の初期段階で適切に設計されたPKおよびPD試験を実施することは、化合物選択に役立つだけでなく、最終的には効率的な臨床開発戦略への道筋を築きます。本ブログ記事では、マウスデータを用いたPK/PD関係の確立と、欧州を代表する非臨床薬物開発CROであるInnoSerの専門知識を組み合わせることで、薬物開発の障壁を乗り越える方法について概説します。  

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.  

ADME特性が不良だと、それ以外では有望な薬剤であってもその可能性を損なう恐れがあります。 信頼性の高い薬物濃度（PK）－効果（PD）関係を得るため、InnoSerの専門家は、化合物の完全な薬理学的プロファイルを取得するための堅牢な試験計画の設計と実施を推奨します。 毒性動態（TK）試験を実施することで、毒性所見と対応する薬物曝露レベルとの相関関係を明らかにし、3R原則（代替、削減、改善）に沿って実験動物の使用頭数を削減するのに役立ちます。  

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: 

• 静脈内（IV）： 全身循環に即座に到達し、生物学的利用能およびクリアランス試験に一般的に用いられる。 

• 筋肉内（IM）： 持続的な放出と局所的な薬物送達を可能にする。 

• 皮下（SC）： 侵襲性の低い投与経路であり、吸収速度が遅い。生物学的製剤に一般的に用いられる。 

• 経口（PO）： ヒトの薬剤摂取を模倣するが、初回通過効果の影響を受ける。 

• 髄腔内（IT）および脳室内（ICV）： 神経治療薬の中枢神経系への直接投与を可能とする。 

• 腹腔内（IP）： 静脈内アクセスが困難な場合、全身薬物投与のためのげっ歯類モデルで頻繁に使用される。 

• 脊髄内投与： 化合物を脊髄領域に直接投与する。 

• 異なる脳領域への脳内送達： 標的脳領域に応じて、InnoSerはステレオタクティック注入により化合物を局所的に送達することが可能です。  

• 大脳槽への慢性カニューレ挿入 ICM: InnoSerではラットにおける大脳槽への慢性カニューレ挿入研究が可能である。 

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: 

• ベクター送達と生体内分布： ウイルス性および非ウイルス性ベクターが組織内でどのように分布するかを理解することは、有効性と安全性の観点から極めて重要である。 

• 投与経路： 遺伝子治療の潜在能力を最大限に引き出すには、投与戦略の微調整が鍵となる。臨床的適用性（例：侵襲的投与法や静脈内投与）、コストと生産規模（例：静脈内投与の場合に高くなる）、潜在的なオフターゲット効果、全身曝露量増加に伴う免疫関連リスクなどの考慮事項は、前臨床研究段階で評価する必要がある。  

• 発現動態： 遺伝子治療の効果は数日から数週間かけて現れるため、長期にわたるPK/PDモニタリングが必要となる。 

Readouts and Approaches for Gene Therapy PK Screening Studies 

InnoSerでは、お客様の治療法に特化した遺伝子治療の最適化を支援することを専門としています。 治療モダリティ （例：RNAベース治療薬、ASO、CRISPR-Cas9） デリバリーシステム （例：AAVベクター、レンチウイルスまたはアデノ随伴ウイルスベクター、LNPなどの非ウイルス性ナノ粒子）、 投与経路 （静脈内投与、脳室内投与、髄腔内投与）、ならびに 医療機器 による血液脳関門透過性向上および部位特異的送達。InnoSerが提供する遺伝子治療PKスクリーニングの主要な評価項目とアプローチには以下が含まれます：  

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 

代表的な実験において、InnoSerは CRISPR/Cas9による遺伝子編集の効率を を評価した （図1）。 

図1. 遺伝子編集効率の最適化 最適化 実験例。 CRISPR/Cas9による遺伝子編集の効率は、Ai9などの系統を用いて評価できる。Ai9系統では、標的筋組織への筋肉内注射後に蛍光シグナルを定量化することが可能である iTOP® CRISPR/Cas9を筋内投与した後の標的筋組織における蛍光シグナルの定量化を可能にする。 (A)を標的とするiTOP® CRISPR/Cas9を筋内投与した後、標的筋組織における蛍光シグナルを定量可能である。 tdTomatoの発現を阻害する。 CRISPR/Cas9媒介組換え後 (B)後、Ai9系統の骨格筋は tdTomato 遺伝子を発現する。代表的な画像 (C) は、最適化研究後のCRISPR/Cas9による遺伝子編集の効率性を裏付けている。これに対し、縦断的生体内発光イメージングによる追跡を伴う相補的な遺伝子・タンパク質発現解析は 極めて関連性の高い知見を提供する 生体内分布と遺伝子編集効率に関する 生体内分布と遺伝子編集効率に関する極めて関連性の高い知見を提供する。 

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. 

治療用抗体はヒト標的に対して高い特異性を示すことが多い。したがって、ヒトタンパク質を認識するように設計された抗体は、マウスやラットの対応タンパク質と相互作用しない場合があり、時には非ヒト霊長類のタンパク質とも反応しないことがある。これらの課題を解決するため、PK/PD試験は高度なヒト化マウスモデルで実施する必要がある。 InnoSerは、生物学の異なる部位でヒトまたはヒト様特徴を発現する特殊なマウスモデルを用いたスポンサー研究の実施において豊富な経験を有しています。 これらの生物学的特徴の異なる部位でヒトまたはヒト様特性を発現する これらの目的に合わせて調整されたものです。  

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:  

• 抗体クリアランスを評価する： ヒトFcRnマウスは、ヒトにおける抗体の半減期とクリアランスに関する知見を提供する。 

• 翻訳可能性の向上: これらのモデルは、前臨床PK評価の予測精度を向上させます。 

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:  

• カスタマイズされたソリューション:InnoSerでは、少量（単発）から大量（定期的）までのPK/PD試験に対応可能です。治験薬のアッセイバリデーションを請け負います。大量試験では、固定納期（TAT）と待機動物体制を組み合わせ、迅速な試験開始を実現。大規模なげっ歯類PKスクリーニング試験を可能にします。 

• コロニーの繁殖と維持管理： InnoSerはPK/PDサービスの一環として、特定の人間化マウスモデルを定期的に飼育・繁殖しており、これにより研究開始時期の短縮が可能となります。 

• PK/PDスクリーニング試験と有効性試験の統合： InnoSerでPK/PDスクリーニング試験を実施することで、試験遅延なく効率的に有効性試験へ移行できます。  

• 専門性: InnoSerの専門的な薬理学研究ディレクターは、お客様の化合物の作用機序を考慮し、最適な研究デザイン、採血計画、性別、系統、投与経路について徹底的に協議いたします。  

• コミュニケーション: InnoSerでは、研究結果や予期せぬ発見が常に共有されるため、自社プロジェクトの主導権を失うことはありません。生データは安全なデータ共有プラットフォームを通じて共有され、迅速な研究進捗報告を実現します。 

• 様々なマトリックスおよび化合物に関する実務経験： InnoSerは、血清、血漿、尿、唾液、脳脊髄液を含む様々な生物学的マトリックスの取り扱い経験を有しています。対象化合物には低分子化合物および高分子化合物（例：抗体）が含まれます。   

• マウスモデル： InnoSerは遺伝子改変PKモデルを扱える。特に抗体治療薬のPK評価に関連性が高い（例：抗体開発におけるFcRNヒト化マウスの利用）。  

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.