FARMAKOGENETYKA I EKOGENETYKA

Transkrypt

1 FARMAKOGENETYKA I EKOGENETYKA Szymon Jędrzejewski EFEKT KOŃCOWY Po zakończeniu seminarium powinieneś umieć: zdefiniować pojęcia farmakogenetyka, farmakogenomika, ekogenetyka wymienić i omówić czynniki teratogene i mutagenne, podać i omówić przykłady chorób farmakogenetycznych i ekogenetycznych. Farmakogenetyka Farmakogenetyką nazywamy naukę zajmującą się wpływem genotypu człowieka na działanie leków. Obejmuje ona badania nad skutecznością i bezpieczeństwem leków oraz interakcjami między nimi. Obok terminu farmakogenetyka, coraz częściej używa się określenia farmakogenomika. Choć często używa się obu terminów zamiennie, można rozróżnić zakres, jaki one obejmują. Farmakogenetyka skupia się bardziej na pojedynczych genach i obecnych w nich mutacjach, które mogą wpływać na reakcje organizmu na stosowanie leków (zależność: gen-lek-reakcja organizmu). Natomiast farmakogenomika jest pojęciem ogólniejszym; sumuje dane farmakogenetyczne i odnosi je do całego genomu człowieka. Zsyntezowane informacje farmakogenetyczne umożliwiają określenie całego profilu genetycznego i prognozowanie, jak zachowa się organizm w wyniku stosowania terapii z wykorzystaniem wielu leków. Przykłady chorób farmakogenetycznych Defekt dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej (G6PD) Za syntezę G6PD odpowiedzialny jest gen zlokalizowany na chromosomie X. G6PD jest kluczowym enzymem odpowiedzialnym za powstawanie NADPH, zasadniczego czynnika redukującego we wszystkich komórkach. G6PD jest enzymem otwierającym cykl pentozowy przemiany glukozy. W tym cyklu NADP ulega redukcji do formy NADPH. Prawidłowe krwinki czerwone mają zdolność utrzymywania takiego stężenia NADPH, które zapewni im właściwą obronę przed stresem oksydacyjnym. Niedobór G6PD zmniejsza rezerwy metaboliczne cyklu pentozowego, co może niekorzystnie odbić się na zdolności przeżycia erytrocytów. Znane są bardzo liczne warianty tego enzymu, które są uwarunkowane allelami wielokrotnymi. Część wariantów odpowiada za zmniejszoną aktywność G6PD. Niedobór G6PD dotyczy ponad 200 milionów ludzi na świecie; Polska zaliczana jest do krajów o niższej częstości (0.1%) występowania niedoboru G6PD u ludzi. W przypadkach niedoboru lub defektu G6PD i równoczesnym narażeniu na czynniki wywołujące, może wystąpić przedłużająca się żółtaczka noworodkowa albo przewlekła lub ostra niedokrwistość hemolityczna. Czynnikami wywołującymi atak choroby może być wiele leków (np. sulfonamidy, chloramfenikol, niektóre leki przeciwgrzybicze, nitrogliceryna, nitrofurantoina, aspiryna, piramidon, chloramfenikol, chinidyna). Czynnikiem wywołującym niedokrwistość hemolityczną mogą być także związki chemiczne, takie jak naftalina lub trinitrotoluen oraz produkty spożywcze bób Vicia faba (fawizm). 1

2 Wrażliwość na sukcynylocholinę Sukcynylocholina jest lekiem stosowanym pomocniczo w narkozach w celu zmniejszenia napięcia mięśni szkieletowych. Działanie leku jest zazwyczaj krótkotrwałe (3-5 minut), ponieważ sukcynyclocholina jest hydrolizowana przez cholinoesterazę (ChE). Wytwarzanie ChE jest determinowane przez gen znajdujący się na chromosomie 3. Nadwrażliwość na sukcynylocholinę jest uwarunkowana genetycznie. U ludzi z tą enzymopatią prawidłowa dawka sukcynylocholiny może spowodować długotrwaly bezdech, prowadzący niekiedy nawet do zejścia śmiertelnego. Reakcja taka spowodowana jest nieprawidłowym genem cholinesterazy rzekomej. Normalny gen oznacza się jako E u 1, zaś jego nieprawidłowy allel E a 1. Występują 3 genotypy: Genotyp Częstość E u 1 E u 1 96% E u 1 E a 1 4% E a 1 E a 1 1/2500 Osoby o genotypie E a 1 E a 1 posiadają w osoczu tylko nietypową ChE, która nie zapewnia szybkiej hydrolizy leku. Hipertermia złośliwa Hipertermia złośliwa (gorączka złośliwa) charakteryzuje się niezwykle szybkim wzrostem temperatury organizmu podczas zabiegów wykonywanych w znieczuleniu ogólnym, zwłaszcza z użyciem wziewnych środków halotanowych i skoliny. Temperatura dochodzi nawet do o C z szybkością 1 o C /5 minut, ale symptomatyczny jest wzrost ciepłoty o 1-2 o C/godzinę. Wraz ze wzrostem temperatury ciała dochodzi do nadciśnienia tętniczego, wzmożonego napięcia mięśniowego i częstoskurczu. Około połowa przypadków kończy się zgonem. Częstość występowania przypadków hipertermii złośliwej zależy od kraju i populacji. Choroba ta występuje średnio w jednym przypadku na 5 tysięcy znieczuleń. W latach 60 i 70-tych ubiegłego wieku śmiertelność z powodu tego zespołu wynosiła ponad 80%. Obecnie w krajach rozwijających się nie przekracza 10 %. Hipertermia złośliwa ujawniająca się w czasie operacji najczęściej bywa efektem działania nie tylko pojedynczego środka, ale pobudzenia podwójnego, np. połączenia suksametonium z halotanem. Uważa się, że do najsilniejszych aktywatorów hipertermii złośliwej należą: - anestetyki dożylne - ketamina, - anestetyki wziewne - halotan, izofluran, enfluran, eter dwuetylowy, metoksyfluran, trójchloroetylen, cyklopropan, fluroksen, desfluran, - leki zwiotczające - suksametonium, deksametonium, galamina, detubokuraryna, - leki sympatykomimetyczne, - leki nasercowe - glikozydy naparstnicy. Hipertermia złośliwa jest uwarunkowana genetycznie (cecha dziedziczona autosomalnie dominująco). Również stres ma związek z wystąpieniem hipertermii złośliwej. Zatem ważne jest odpowiednie przygotowanie pacjenta do operacji, które powinno uwzględniać ochronę psychiki chorego oraz ograniczenie wysiłków fizycznych w okresie poprzedzającym operację. Porfirie Porfiria jest rzadką wrodzoną anomalią przemiany barwników porfirynowych, wydalanych wówczas w zwiększonej ilości z moczem (porfirynuria). Klasyfikacja różnych typów porfirii jest bardzo zawikłana. Wyróżnia się 2 zasadnicze grupy porfirii - porfirię wątrobowa i erytropoetyczną (w szpiku kostnym). Najczęściej występuje ostra porfiria przerywana, która jest odmianą porfirii wątrobowej. Choroby te można również klasyfikować na podstawie 2

3 miejsca, gdzie pojawiają się efekty toksyczne (np. porfiria skórna). W Polsce częstość porfirii wynosi 1/ przypadków; występuje tak samo często u kobiet, jak i u mężczyzn. Wada ta polega na niedoborze syntetazy uroporfiryngenu w komórkach wątroby (fibroblasach i erytroblastach). W większości przypadków porfiria przebiega bezobjawowo. U 10% chorych występują ataki porfirii po zadziałaniu na organizm czynników indukujących (niektóre leki, związki sterydowe, głodzenie, infekcje). Do leków wyzwalających ataki należą pochodne kwasu barbiturowego, sulfonamidy, leki nasenne i uspokajające, przeciwbólowe oraz niektóre antybiotyki. W czasie ataku porfirii występują bóle brzucha, zaburzenia neurologiczne (niedowłady i porażenia kończyn) i psychiczne (zespoły lękowe, histeryczne, a nawet zaburzenia świadomości w postaci majaczenia), a w niektórych postaciach porfirii także nadwrażliwość na światło lub nadwrażliwość skóry na promienie ultrafioletowe (głównie UVA). Śmiertelność spowodowana atakiem ostrej porfirii przerywanej wynosi 25%. Zgon następuje na skutek porażenia ośrodka oddechowego. Acetylacja i utlenianie leków Metabolizm wielu leków odbywa się głównie w wątrobie, w której zachodzą podstawowe reakcje biotransformacji leku - utlenianie i acetylacja. W latach 50-tych XX wieku stwierdzono, że proces acetylacji leków w wątrobie przebiega w różnym tempie. Było to jedno z pierwszych zjawisk, jakie zadecydowało o powstaniu farmakogenomiki. Odkrycie to poprzedziły obserwacje gruźlików, którym podawano przeciwbakteryjny izoniazyd. U niektórych chorych nie zmetabolizowany lek dłużej utrzymywał się w surowicy krwi. Zauważono u nich również zaburzenia neurologiczne (mrowienia, osłabienie rąk i nóg). Pozostali pacjenci nie odczuwali takich dolegliwości. Badania wykazały istnienie dwóch dziedzicznych typów metabolizmu izoniazydu, tzw. wolnego i szybkiego. Szczególnie istotne znaczenie kliniczne ma polimorfizm szybkości acetylacji wielu leków, związany z aktywnością enzymu N-acetylotransferazy wątrobowej. Polimorfizm ten warunkuje skuteczność terapeutyczną wielu leków, indukuje ich objawy niepożądane oraz stanowi czynnik predysponujący do wystąpienia niektórych schorzeń. Większość powikłań polekowych związana jest z wolnym fenotypem acetylacji. W państwach europejskich, również w Polsce, większość populacji (ok. 60 %) ma fenotyp odpowiadający za wolny przebieg tego procesu. U wolnych acetylatorów częściej występują niepożądane skutki działania leków, ponieważ standardowo zalecane dawki leków są dla nich zbyt duże. Natomiast u chorych o szybkim fenotypie acetylacji standardowe dawki leków są za małe, a przez to nieskuteczne. Oprócz polimorfizmu hydrolizy (sukcynylocholina) i acetylacji (izoniazyd) bardzo duże znaczenia ma polimorfizm oksydacji leków. Najlepiej poznanym polimorfizmem, ważnym z klinicznego punktu widzenia, jest polimorfizm utleniania związany z izoenzymami cytochromu P450. W 95% oksydacja leków zachodzi przy udziale tego enzymu. Do izoenzymów cytochromu P450 zalicza się: CYCP2C9, CYCP2C19, CYP2D6, CYP3A4-5. Najlepiej poznanym polimorfizmem jest polimorfizm CYP2D6. Zależny od CYP2D6 utlenianie typu debryzochiny, katalizuje oksydację ponad 40 klinicznie ważnych leków. Liczba poznanych alleli genu CYP2D6 wynosi 17, z tego 10 powoduje zahamowanie syntezy aktywnego białka i brak enzymu CYP2D6, a 2 powodują osłabienie działania enzymu. W populacji ludzkiej występują dwa fenotypy - osoby dobrze utleniające leki - tzw. ekstensywni metabolizerzy (EM) oraz osoby słabo utleniające leki (PM). Fenotyp PM to homozygoty recesywne, natomiast EM obejmuje dwa genotypy heterozygotę i homozygotę dominującą, które warunkują cechę ekstensywnego utleniania. Częstość występowania obu fenotypów jest różna i waha się od 0 do10%. Konsekwencją upośledzonego utleniania leków u PM jest nasilone działanie leków metabolizowanych przez CYP2D6. Większość tych leków stosowana jest przewlekle, co u osób z fenotypem PM prowadzi do ich nadmiernej kumulacji w orga- 3

4 nizmie i do nasilenia skutków ubocznych (skurcze tężcowe macicy, odklejanie się łożyska oraz zwiększona śmiertelność płodu). Akatalazemia i hipokatalazemia Całkowity brak katalazy (akatalazemia, choroba Takahara) w krwinkach czerwonych, objawia się powtarzającymi się stanami zapalnymi dziąseł i owrzodzeniami w obrębie jamy ustnej. Powstawanie akatalazemii i hipokatalazemii jest uwarunkowane genetycznie i związane jest z mutacjami w genie katalazy, który dziedziczy się w sposób autosomalny, recesywny. U homozygot stwierdzano całkowity brak katalazy (akatalazemia), natomiast u heterozygot obserwowano 50% obniżenie aktywności katalazy (hipokatalazemia) w porównaniu z jej poziomem u osób zdrowych. Częstość występowania zmutowanego genu katalazy jest stosunkowo wysoka w Japonii (akatalazemia - 0,8/1000, a hipokatalazemia 2 4/1000). Akatalazemia również często występuje w Izraelu, Szwajcarii i na Węgrzech. Brakowi enzymu w organizmie mogą towarzyszyć dodatkowe objawy, takie jak owrzodzenie podudzi i błon śluzowych oraz skłonność do wczesnego wypadania zębów. Metabolizm alkoholu etylowego Najważniejszym narządem metabolizującym alkohol jest wątroba. Alkohol jest metabolizowany głównie przy udziale dehydrogenazy alkoholowej (ADH) i dehydrogenezy aldehydowej (ALDH). Metabolizm etanolu odgrywa zasadniczą rolę w jego eliminacji z ustroju. W formie niezmienionej alkohol wydalany jest w niewielkich ilościach - około 2% alkoholu jest wydalane z moczem, 2% z wydychanym powietrzem i około 1% przez parowanie. Upośledzony metabolizm alkoholu etylowego może prowadzić do zwiększonego poziomu aldehydu octowego we krwi (dysfunkcja ALDH), a tym samym do zatrucia organizmu manifestującego się zaczerwienieniem skóry, bólami głowy i osłabieniem. Dysfunkcja enzymu ALDH może być pełna lub częściowa. Badania naukowe wskazują, że na dysfunkcję enzymu ALDH cierpi ok. połowa populacji państw azjatyckich np % Japończyków, ok. 25% populacji Chin, 15-30% mieszkańców Korei Południowej. Po spożyciu alkoholu mają oni wysoki poziom aldehydu octowego we krwi, co powoduje odczuwanie przykrych objawów zatrucia alkoholowego. Związane jest to ze zmniejszoną aktywnością dehydrogenazy aldehydowej. Słabsza aktywność enzymu powodowana jest przez zastąpienia jednej cząsteczki kwasu glutaminowego cząsteczką lizyny. Teratogenne i mutagenne działanie leków Farmakogenetyka zajmuje się również zagadnieniem teratogennego i mutagennego działania leków. Teratogeny - to czynniki odpowiedzialne za powstawanie wrodzonych wad rozwojowych płodu. Można wyróżnić teratogeny chemiczne (leki, używki, niektóre substancje chemiczne), fizyczne (promieniowanie jonizujące, promieniowanie UV) i biologiczne, np. zakażenia wirusowe (różyczka) i bakteryjne (kiła) oraz niektóre pasożyty (Toxoplasma gondii). Mutageny to czynniki, które powodują zmianę informacji genetycznej, co może prowadzić do choroby dziedzicznej - jeśli mutacja wystąpi w komórkach rozrodczych lub do choroby nowotworowej, jeśli mutacja wystąpi w komórkach somatycznych. Z danych statystycznych wynika, że około 3% urodzonych dzieci ma anatomiczne wady wrodzone. Większość z tych wad ma podłoże genetyczne, jednak około 10% jest spowodowane przez niepożądane działanie leków na rozwijający się płód. Leki mogą mieć działanie: - teratogenne, szkodliwe działanie leków stosowanych w małych dawkach na płód w okresie organogenezy i embriogenezy (pierwszy trymestr ciąży); wynikiem tego działania są wady rozwojowe płodu (zniekształcenia i potworności), 4

5 - embriotoksyczne, szkodliwe działanie leków na płód w dawkach toksycznych, wynikiem czego może być obumarcie płodu, poronienie lub uszkodzenie płodu, - rakotwórcze (mutagenne), nie można całkowicie wykluczyć ewentualnego, rakotwórczego działania leków na rozwijający się płód, ponieważ nawet najbardziej skrupulatne badania na zwierzętach nie są zawsze w pełni miarodajne w odniesieniu do ludzi. Ekogenetyka Ekogenetyka zajmuje się genetycznie uwarunkowaną zmiennością reakcji człowieka na różne czynniki środowiska. W jej skład wchodzi nutragenomika, która zajmuje się genetycznie uwarunkowanymi reakcjami organizmu na składniki pokarmowe obecne w diecie. Reakcje te nie wystąpią, jeśli nie wystąpią środowiskowe czynniki zewnętrzne. Środki farmakologiczne stanowią jedynie niewielki odsetek substancji oddziaływujących na organizm człowieka. Na organizm ludzki działa szereg związków chemicznych i czynników fizycznych, występujących w środowisku. Ich oddziaływanie i wywołany efekt może być bardzo różny: mutagenny, teratogenny, kancerogenny, alergizujący lub drażniący. W przypadku działania czynników środowiskowych może dochodzić do zaburzeń zwanych chorobami ekogenetycznymi. Przykłady chorób ekogenetycznych Hipolaktazja Cukier mleczny (laktoza) jest rozkładany w jelicie do glukozy i galaktozy przez enzym laktazę. Laktaza jest wytwarzana przez kosmki jelita cienkiego. U niektórych osób w wieku dojrzałym pojawiają się objawy nietolerancji produktów zawierających laktozę (mleko i jego przetwory). Przyczyną nietolerancji jest zanik produkcji laktazy, co prowadzi do braku rozkładu laktozy i w efekcie do zaburzeń jelitowych. Za zmienność tolerancji laktozy odpowiedzialne są 3 allele (allele wielokrotne): L - allel dominujący warunkujący produkcję laktozy w ciągu całego życia; l 1 - allel recesywny powodujący przerwanie produkcji enzymu w wieku dojrzałym; l 2 - allel recesywny warunkujący brak laktazy w każdym wieku. Osoby posiadające genotypy l 1 l 1 lub l 1 l 2 cechują się brakiem tolerancji laktozy w wieku dojrzałym, natomiast homozygoty l 2 l 2 absolutnie nie tolerują laktozy i taki genotyp jest letalny. Galaktozemia Galaktozemia jest ciężką chorobą genetyczną, spowodowaną defektem enzymu (urydylilotransferazy galaktozo-1- fosforanowej, GALT), który przekształca galaktozę w glukozę. Choroba dziedziczy się autosomalnie recesywnie. Częstość występowania galaktozemii jest oceniana na 1/ U dzieci dotkniętych tym zaburzeniem występuje nietolerancja galaktozy, która objawia się wymiotami i biegunką, ciężkim i postępującym uszkodzeniem wątroby, żółtaczką, hipoglikemią i tubulopatią nerkową. W okresie noworodkowym galaktozemia często prowadzi do zgonu; natomiast u niemowląt, które przeżyły, występuje zaćma i opóźnienie rozwoju umysłowego (w tkankach gromadzi się galaktozo-1-fosforan). Wczesne wyeliminowanie galaktozy z diety jest skutecznym leczeniem. Fenyloketonuria Fenyloketonuria (PKU) choroba genetycznie uwarunkowana (dziedziczona autosomalnie recesywnie); przyczyną jest uszkodzenie genu kodującego hydroksylazę fenyloalaniny. Enzym ten odgrywa ważną rolę w metabolizmie fenyloalaniny (źródłem tego aminokwasu są białka); hydroksylaza fenyloalaniny przekształca fenyloalaninę w tyrozynę. Mutacja w genie kodującym hydroksylazę fenyloalaniny jest przyczyną defektu lub braku aktywności enzymu, co wiąże się z kumulacją fenyloalaniny i niedoborem tyrozyny w organizmie. Nie leczona fenyloketonuria prowadzi do ciężkiego upośledzenia rozwoju umysłowego, drgawek, zmian 5

6 wypryskowych skóry i zapachu mysiego ; u osób z mutacją w genie determinującym hydroksylazę fenyloalaninową często występuje jasna karnacja skóry, jasne włosy i niebieskie zabarwienie tęczówek oczu. U ciężarnej kobiety chorej na fenyloketonurię (homozygota), która pozostaje na diecie bez eliminacji fenyloalaniny, zwiększone stężenie tego aminokwasu we krwi prowadzi do uszkodzenia płodu; często dochodzi też do poronień. Obowiązkowe badania przesiewowe noworodków pozwalają na wczesne wykrycie choroby i wprowadzenie diety z wykluczeniem lub ograniczeniem fenyloalalniny. Zalecane piśmiennictwo i strony internetowe: 1. Bal J. (red.): Biologia molekularna w medycynie. Elementy genetyki klinicznej. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa, ,