Transgenic mice as alternatives in carcinogenicity testing: current status

Abstract

The correct prediction of human risk after exposure to chemical and physical compounds has been a major challenge for a long time. For this, the lifetime bioassay using rats and mice is routinely used. However, over the years it has become clear that this assay has several drawbacks; for example large numbers of animals are used, the assays are slow, insensitive, and expensive. On top of this, there is considerable scientific doubt on the reliability of the assay, since too many false positive results (so-called rodent carcinogens) are observed. Therefore, there is an urgent need for alternative, more valid, carcinogenicity assays. One specific approach in finding alternatives is to use transgenic mice with modifications in genes involved in the development of cancer, thereby increasing their sensitivity for carcinogens. Several transgenic mouse models have now been generated and studied for their usefulness as replacements for the lifetime bioassay in carcinogenicity testing. Generally, the transgenic mouse models could reliably predict the carcinogenic potential of compounds, and importantly, the number of false positives was reduced significantly. For this, 3 to 4 fold less animals are used in an about 3 times shorter test period. As a result, also costs associated with performing these in vivo studies are reduced enormously. However, the transgenic models were not capable of identifying all known human carcinogens when applied as single assays. Using a short-term transgenic mouse assay in combination with a rat lifetime bioassay however, completely eliminated the occurrence of false-negatives, and moreover, increased the overall accuracy of detecting carcinogens and non-carcinogens enormously (85%) compared to using only the lifetime bioassay (69%). These marked advantages of transgenic mouse models have resulted in the fact that the FDA in the USA and the European CPMP now allow the use of transgenic mice in regulatory testing of pharmaceutical compounds as an alternative for a second lifetime bioassay, when a two-year bioassay with rats has been carried out. Nonetheless, a more extensive evaluation of transgenic mice, using newly developed models and more compounds with different modes of action needs to be carried out in the future.

Nieuwe chemische stoffen en geneesmiddelen worden continu ontwikkeld. Voordat deze agentia worden toegelaten, moeten ze getest worden op mogelijke schadelijke effecten voor de mens in een panel van toxiciteits testen. De test die wordt voorgeschreven om stoffen te identificeren die kanker veroorzaken is de 'chronische bioassay'. In deze chronische bioassay worden ratten en muizen hun leven lang blootgesteld aan de te testen stof, waarna gekeken wordt of de dieren tumoren ontwikkelen. Inmiddels is echter duidelijk geworden dat aan deze test nogal wat nadelen kleven. Er worden grote hoeveelheden dieren gebruikt (>1000 per stof), de testen duren erg lang (3 tot 5 jaar) en zijn als een gevolg hiervan erg duur. Verder worden in de bioassay veel vals-positieve resultaten gevonden, vermoedelijk omdat langdurig extreem hoge doseringen worden gebruikt. Dergelijke stoffen worden ten onrechte geidentificeerd als kankerverwekkend, met onnodige gevolgen voor toelating en risico evaluatie. Er is daarom al jaren dringend behoefte aan alternatieve test systemen, die recent nog meer is toegenomen omdat door de invoering van het REACH systeem grote hoeveelheden toxiciteits testen zullen moeten worden uitgevoerd. Een alternatieve test zal de kankerverwekkende eigenschap van een stof met minder dieren, in kortere tijd en met een hogere betrouwbaarheid moeten kunnen vaststellen, om het testen van naar schatting duizenden stoffen mogelijk te maken voor REACH. Een potentieel bruikbaar alternatief zijn transgene muizen met modificaties in genen betrokken bij het ontstaan van kanker. Verschillende transgene muismodellen zijn inmiddels geevalueerd als alternatief voor de chronische bioassay, en de eerste resultaten zijn bemoedigend. Transgene muismodellen bleken goed in staat te discrimineren tussen kankerverwekkende- en niet-kankerverwekkende stoffen, met een enorme reductie van het aantal vals-positieve stoffen. Bovendien bleek dit mogelijk met 3 tot 4 keer minder dieren in een 3 keer kortere tijdsduur. Nadeel van de transgene muismodellen is echter het incidenteel voorkomen van vals-negatieve resultaten. Een combinatie van een chronische bioassay met ratten met een kortdurende carcinogeniteits assay met transgene muizen elimineert deze vals-negatieve resultaten volledig, bovendien kunnen kankerverwekkende en niet-kankerverwekkende stoffen met een zeer hoge nauwkeurigheid (85% correct) geidentificeerd worden. In vergelijking met de nauwkeurigheid (69%) van de huidige test strategie (twee chronische bioassays) is dit een aanzienlijke verbetering, en toepassing van deze combinatie lijkt daarom op dit moment de beste strategie om kankerverwekkende stoffen te identificeren. De genoemde voordelen van transgene muismodellen hebben er inmiddels toe geleid dat de FDA en de EMEA/CPMP de combinatie van een chronische bioassay met ratten en een test met transgene muizen accepteren als reguliere testmethode voor geneesmiddelen. De tot nu toe gebruikte tweede chronische bioassay met muizen komt hierbij te vervallen. Echter, voor een bredere toepassing van transgene muismodellen in reguliere carcinogeniteitstesten zal een uitgebreidere evaluatie met meer stoffen en nieuw ontwikkelde transgene modellen moeten worden uitgevoerd, met de focus op modellen die geen vals-negatieve resultaten meer laten zien.