fot. Shutterstock STRESZCZENIE Na zróżnicowaną reakcję ludzi na leki, poza środowiskiem, dietą i ogólnym stanem zdrowia, mają wpływ także geny. Farmakogenetyka i farmakogenomika to dziedziny zajmujące się badaniem genetycznie uwarunkowanego zróżnicowania odpowiedzi na zastosowany lek u pacjenta. Takie podejście pozwala określić, czy farmakoterapia jest właściwie dobrana dla każdego pacjenta. Dodatkowo ma ono wpływ na opracowywanie nowych leków oraz ma wkład w opracowywanie skutecznych metod zapobiegania chorób. SŁOWA KLUCZOWE farmakogenetyka, farmakogenomika, medycyna spersonalizowana SUMMARY Although environment, diet, and general state of health can influence how people respond to medicines, another important factors are genes. Pharmacogenetics and pharmacogenomics deal with the genetic basis of variable drug response in individual patients. This approach allows to determine what therapy is right for you, based on your own genes. Moreover, it has application in drug discovery and brings a new insight into disease prevention. KEY WORDS pharmacogenetics, pharmacogenomics, personalized medicine dr inż. Małgorzata Czernicka 1, mgr inż. Wojciech Czernicki 2 1 KATEDRA GENETYKI, HODOWLI I NASIENNICTWA, UNIWERSYTET ROLNICZY IM H. KOŁŁĄTAJA W KRAKOWIE 2 PLIVA KRAKÓW ZAKŁADY FARMACEUTYCZNE S.A. Farmakogenomika w drodze ku medycynie spersonalizowanej Każde z rewolucyjnych odkryć w medycynie miało ogromny wpływ na skuteczną diagnostykę chorób oraz leczenie pacjentów. Szczególnie XX wiek odznaczył się różnorodnym arsenałem sposobów leczenia, głównie infekcji, chorób serca, nowotworów, a także chorób psychicznych. Jednakże farmakoterapia często okazywała się nieefektywna, a nie rzadko też wywoływała negatywne skutki w organizmie pacjenta. Co więcej, u pacjentów, którym podawano ten sam środek leczniczy, obserwowano zróżnicowane reakcje na lek. Tylko u niektórych ludzi potwierdzono bezpieczne działanie terapeutyczne, natomiast u pozostałych lek nie powodował żadnego pozytywnego efektu. W najgorszej sytuacji byli pacjenci, u których poza tym, że przyjmowany lek był nieskuteczny, dodatkowo wykazywał negatywny wpływ na ich zdrowie. Ryc. 1 przedstawia możliwe reakcje ludzi po przyjęciu leku. Określenie różnic w odpowiedzi pacjentów na dany lek powinno być podstawowym krokiem w kierunku optymalnej farmakoterapii. Na podstawie badań przeprowadzonych na początku lat 50. XX wieku stwierdzono, że na zróżnicowaną reakcję na lek, poza czynnikiem genetycznym, duży wpływ mają także: wiek pacjenta, sposób odżywiania, ogólny stan zdrowia, interakcja z innymi przyjmowanymi lekami, a także środowisko, w którym żyje. W tym czasie datuje się narodziny nowej dziedziny wiedzy farmakogenetyki, która łączy wybrane zagadnienia z genetyki, biochemii oraz farmakologii. Celem farmakogenetyki jest określanie, jakie uwarunkowania genetyczne wpływają na zróżnicowaną reakcję pacjentów na dany lek. W ostatnich latach, dzięki intensywnemu rozwojowi technik sekwencjonowania kwasów nukleinowych i narzędzi bioinformatycznych rozwinęła się nowa dyscyplina naukowa 18
W LABORATORIUM LABORATORIUM 5-6/2011 farmakogenomika, która łączy farmakogentykę z genomiką. Opracowanie mapy genetycznej pacjenta oraz profilu zmian genetycznych może dać wskazówki odnośnie doboru leków i przebiegu terapii. Taki sposób diagnostyki i leczenia jest podstawą medycyny spersonalizowanej (personalized medicine), w której terapia polega na skutecznym doborze środków farmakologicznych w oparciu o wcześniejsze analizy DNA pacjenta. Niektórzy naukowcy określają taki sposób farmakoterapii jako terapia z użyciem właściwych leków, o właściwych dawkach, działająca na właściwych pacjentów. Obecnie w medycynie powszechny jest sposób wyboru metody leczenia na podstawie skuteczności działania leku na jak największą grupę osób spośród całej badanej populacji. To tradycyjne podejście stosowane w wyborze odpowiedniej farmakoterapii często określa się jako jeden lek dla wszystkich. W tym miejscu nasuwa się pytanie, jak leczyć tych pacjentów, dla których testowany lek był nieskuteczny? W takich przypadkach zindywidualizowana farmakoterapia, bazująca na wynikach analiz DNA pacjentów, niewątpliwie stanowiłaby najlepsze rozwiązanie. HISTORIA FARMAKOGENETYKI Biolodzy od dawna akceptowali fakt, że zróżnicowana reakcja organizmów na środowisko jest determinowana genetycznie. Jednak pierwszą oznaką idei, że zmienność reakcji organizmu na obce substancje jest kontrolowana genetycznie, były badania Archibalda Garroda nad alkaptonurią opublikowane w 1902 roku. Garrod zasugerował, że enzymy są zaangażowane w detoksykację obcych substancji w organizmie i że nieprawidłowe działanie tego mechanizmu u niektórych osób może być spowodowane brakiem danego enzymu. Hipoteza Garroda została podtrzymana, gdy podczas II wojny światowej zauważono, że wśród Afroamerykanów służących w amerykańskiej armii znacznie bardziej powszechna była hemoliza, jeśli zażywali lek antymalaryczny prymachinę. Badania prowadzone po wojnie wykazały, że przyczyną hemolizy indukowanej lekiem antymalarycznym był niedobór enzymu dehydrogenazy glukozo-6-fosforanu (G6PD). To z kolei jest genetycznie uwarunkowaną chorobą dziedziczną, spowodowaną mutacją w genie G6PD, który zlokalizowany jest na chromosomie X. U osób posiadających mutację w genie G6PD dochodzi do wystąpienia objawów chorobowych pod wpływem różnych czynników środowiskowych, z których najważniejszymi są leki, ale również może to być spożycie bobu lub nawet kontakt z jego pyłkiem. Dowody zmienności reakcji różnych ludzi na leki: izoniazyd i sukcynylocholinę, również analizowano pod kątem wpływu genów. Raporty kliniczne z końca lat 40-tych XX w. ujawniły, że u pewnej grupy pacjentów leczonych przeciwgruźliczym izoniazydem wystąpiła neuropatia obwodowa. Obserwacje kliniczne zostały potwierdzone odkryciem, że występowanie w populacji osób z fenotypem wolnej acetylacji, tzw. osobników słabo metabolizujących, pokrywa się z podziałem geograficznym i etnicznym. Obecnie wiadomo, że fenotyp taki posiada około 40-60% rasy kaukaskiej, co skutkuje wolniejszym oczyszczaniem organizmu i wiązaniem toksyn z niektórych leków. 19
Początkowo badania kliniczne zwiotczającej mięśnie sukcynylocholiny prowadzone na małej grupie pacjentów nie wykazały żadnych komplikacji czy toksyczności. Jednak podczas prób na dużej grupie ludzi występowały przypadki długotrwałego bezdechu po podaniu badanego leku zwiotczającego. Dalsze badania wykazały, że powodował to niedobór u pacjentów enzymu pseudocholinoesterazy. Przedstawione powyżej przykłady były pierwszymi, w których udowodniono wpływ czynników genetycznych na zróżnicowaną reakcję na leki. Na bazie owych obserwacji w 1957 roku Arno Motulsky zaproponował, że dziedziczenie niektórych cech może wyjaśnić wiele indywidualnych różnic, zarówno w wydajności działania leków, jak i niepożądanych reakcji na leki. Pierwsze obserwacje oraz inspirowane nimi badania w celu wyjaśnienia nieprawidłowości były podstawą dzisiejszej farmakogenetyki. Dziś znanych jest wiele udokumentowanych przykładów różnej reakcji na leki związanych ze zmiennością genetyczną. W niektórych przypadkach testy genetyczne są pierwszym krokiem w doborze właściwej terapii. W chemioterapii ostrej Ryc. 1. Potencjalne reakcje pacjentów w odpowiedzi na dany lek [8] białaczki limfoblastycznej podawanie leków, takich jak 6-merkaptopuryna, 6-tioguanina i azatiopryna, może powodować ciężką toksyczność hematologiczną lub nawet śmierć pacjentów posiadających niefunkcjonalny typ enzymu TPMT (metylotransferazy tiopuryny). Oznaczenie TPMT w czerwonych ciałkach krwi lub genotypowanie pozwala zidentyfikować pacjentów homozygotycznych pod względem alleli genu kodującego niefunkcjonalny enzym, a tym samym niezdolnych do metabolizowania leków do formy nieaktywnej. Pacjenci ze słabą lub średnią aktywnością TPMT mogą przyjmować tylko od 1/10 do 1/15 przeciętnie stosowanej dawki 6-merkaptopuryny. Znając profil polimorficzny pacjenta, można dostosowywać odpowiednią dla niego dawkę leku, unikając efektów przedawkowania czy zbyt niskiej, a przez to nieskutecznej dawki. Wysoki stopień polimorfizmu znany jest w przypadku cytochromu P450. Jest to składnik układu monooksydaz metabolizujących większość reklama 20
W LABORATORIUM LABORATORIUM 5-6/2011 leków w organizmie. Spośród wielu izoenzymów należących do tego układu aktywność CYP2D6, CYP2C9 oraz CYP2C19 jest uwarunkowana genetycznie. Najlepiej dotąd poznany został polimorfizm enzymu CYP2D6P. Pacjenci homozygotyczni pod względem alleli genu CYP2D6 posiadają fenotyp słabych metabolizerów (PM, poor metabolizers). Osoby te po przyjęciu leku posiadają wyższe jego stężenie oraz dłuższy czas utrzymania takiego poziomu we krwi, przy czym stężenie metabolitu jest niskie. Jeśli składnikiem aktywnym jest metabolit, aby uzyskać pożądany efekt terapeutyczny, należy pacjentom podawać wyższe dawki leku. W przypadku osób z szybkim metabolizmem nie istnieje potrzeba stosowania tak wysokich dawek. Słabi metabolizerzy są bardziej narażeni na niepożądane działanie leków. Częstotliwość cechy recesywnej CYP2D6 waha się od 1-2% u Azjatów, 5% i Afroamerykanów do 6-10% u osób rasy kaukaskiej. Duża część leków nasercowych i psychotropowych jest metabolizowana w sposób, jaki przedstawiono powyżej. Uwzględnienie uwarunkowania genetycznego w poszukiwaniu kandydatów na nowe leki może pomóc uniknąć potencjalnych efektów ubocznych powodowanych przez polimorfizm izoenzymów cytochromu P450. Farmakogenetyka znajduje zastosowanie nie tylko w przypadku tradycyjnych leków, ale również w terapii genowej czy podczas stosowania białek otrzymanych metodami inżynierii genetycznej. Dobrym przykładem może być leczenie raka piersi za pomocą preparatu trastuzumab, czyli przeciwciała monoklonalnego, które jest skuteczne tylko u chorych z nadmierną ekspresją receptora HER2 obecnego na powierzchni komórek nowotworowych. ROZWÓJ FARMAKOGENOMIKI Farmakogenomika jest dyscypliną odpowiedzialną za ocenę podstaw genetycznych reakcji na leki i toksyczności w docelowej populacji pacjentów. Poprzez poszerzenie poszukiwań czynników genetycznych wpływających na odpowiedź organizmu na leki farmakogenomika zastępuje podejście typowe dla farmakogenetyki. Podczas gdy farmakogentyka poszukuje wzajemnych zależności między markerami fenotypo- wymi, jak np. wzmożona toksyczność leku, i poszczególnymi genami, farmakogenomika wykorzystuje techniki analizy genomu, tj. sekwencjonowanie DNA, mapowanie genów i narzędzia bioinformatyczne, co pozwala zidentyfikować podstawę genetyczną indywidualnej czy rasowej zmienności reakcji na leki, ich metabolizmu i transportu. Lek, wchodząc do organizmu, ma kontakt z licznymi białkami transportującymi, enzymami i różnymi rodzajami białek receptorowych. Białka te warunkują wchłanianie leku, dystrybucję, wydalanie, działanie docelowe i reakcję farmakologiczną organizmu. W efekcie liczne polimorfizmy w wielu genach mogą wpływać na działanie leku, co z kolei wymaga analizy całego genomu. Innym powodem genetycznej zmienności reakcji na lek jest zróżnicowanie ekspresji wielu genów w komórkach poszczególnych tkanek. Identyfikacja produktów ekspresji genów w docelowej tkance pozwala wyjaśnić mechanizm działania leku w kontekście genetycznym, a tym samym poznać różnice w indywidualnej odpowiedzi organizmu na lek. Analiza całego programu transkrypcyjnego tkanreklama 21
ki ma znaczenie zwłaszcza w przypadku nowotworów o podłożu genetycznym, ponieważ mrna może zostać wyizolowane np. z próbki otrzymanej w wyniku biopsji. Ekspresja genów w tkance guza może posłużyć do selekcji efektywnej terapii lub uniknięcia niepotrzebnego narażenia pacjentów na toksyczne i nieskuteczne leki. Krokiem milowym na drodze poszukiwania nowych leków oraz ich rozwoju jest projekt sekwencjonowania genomu człowieka (Human Genome Project). Nowe podejście analityczne i bioinformatyczne oraz strategia badania genomu mają kluczowe znaczenie w opracowaniu danych otrzymanych w wyniku sekwencjonowania. Innowacyjne techniki, takie jak: mikromacierze DNA ( czipy DNA) czy pirosekwencjonowanie, zrewolucjonizowały nauki biologiczne dzięki możliwości przeprowadzenia wielu eksperymentów hybrydyzacyjnych w jednym czasie, a tym samym analizie tysięcy cząsteczek kwasów nukleinowych. Dzięki temu możliwe jest zbadanie pacjenta pod kątem występowania konkretnych polimorfizmów, zanim terapia danym lekiem zostanie rozpoczęta. Kluczowe znaczenie w poszukiwaniu genów istotnych dla choroby i terapii ma opracowanie pełnej mapy polimorfizmów występujących w całym genomie. Polimorfizm jest generalnie określany jako zmienność w sekwencji DNA, która występuje u przynajmniej 1% populacji. Większość polimorfizmów stanowi polimorfizm pojedynczego nukleotydu (ang. Single Nucleotide Polymorphism SNP). Ludzki genom składa się z 3 mld nukleotydów a zmienność między poszczególnymi osobami występuje około raz na 300 nukleotydów, zatem 10 mln SNP może występować między dwoma osobami. Trudność polega na tym, aby zidentyfikować tylko te SNP, które mogą odgrywać rolę w odpowiedzi organizmu na lek. Dostępność map polimorfizmów SNP oraz możliwości analityczne, jakie dają techniki mikromacierzy DNA czy pirosekwencjonowania, pozwalają nie tylko na identyfikację genów sprzyjających podatności na daną chorobę oraz prognozowanie prawdopodobieństwa zachorowania w przyszłości, ale również na znalezienie leku i dobór właściwej terapii. W przypadku gdy ryzyko wystąpienia danej choroby jest wysokie, można zastosować terapię zapobiegawczą i/lub zmianę trybu życia np. poprzez dietę czy ćwiczenia. Pełna mapa SNP umożliwia również selekcję odpowiedniego leku w terapii, ponieważ zawiera informacje istotne z punktu widzenia transportu leku, jego metabolizmu czy interakcji z receptorami. Dodatkowo mapa polimorfizmów pojedynczego nukleotydu informuje terapeutę, czy konieczny jest dobór indywidualnej dawki stosowanego leku. MEDYCYNA SPERSONALIZOWANA NADZIEJE I OBAWY Różnorodność genetyczna jest znaczącym źródłem zmienności w odpowiedzi organizmów na leki. Wcześnie podjęta zapobiegawcza terapia, oparta na farmakogenetyce i farmakogenomice, może znacznie zwiększyć efektywność leczenia. Przewidywanie, którzy pacjenci lepiej zareagują na dany lek lub jaki lek da najbardziej optymalne efekty u danego pacjenta, jest dużym krokiem naprzód, nawet w przypadku stosowania obecnie znanych leków. Potrzeba indywidualnego podejścia i respektowania powyższych zasad podczas poszukiwania i rozwijania nowych leków jest tym bardziej oczywista. Medycyna spersonalizowana pozwala podjąć najefektywniejszą decyzję kliniczną indywidualnie w przypadku każdego pacjenta. Tym samym umożliwia zastosowanie optymalnej strategii leczenia danego pacjenta oraz uniknięcia niepotrzebnych kosztów i ryzyka związanego z terapią, która nie ma szans zadziałać. Jednak ta nowa dziedzina wiedzy może budzić także pewne obawy natury etycznej głównie ze względu na możliwość naruszenia prywatności pacjenta czy jego dyskryminacji na tle genetycznym. Inny problem stanowi konieczność zwiększenia nakładów finansowych na etapie badania i wytwarzania nowych spersonalizowanych leków. Indywidualne stosowanie leków przeznaczonych dla konkretnych pacjentów zmniejszy również potrzebę masowej ich produkcji. Mimo obaw medycyna spersonalizowana w połączeniu z farmakogenomiką stanowi unikatowe podejście, ponieważ umożliwia nie tylko efektywniejsze leczenie, ale również profilaktykę wielu chorób, dzięki wczesnemu wykrywaniu ich symptomów. Medycyna spersonalizowana, oferując rozwiązania wielu problemów związanych ze stosowaniem leków, niesie ogromny potencjał i może być przełomem w podejściu do zdrowia w najbliższej przyszłości. Piśmiennictwo dostępne na www.laboratorium.elamed.pl fot. Shutterstock 22