Jak geny wpływają na skuteczność i bezpieczeństwo farmakoterapii? Magdalena Hurkacz, Przemysław Niewiński Katedra i Zakład Farmakologii Klinicznej UMed we Wrocławiu 1
2
3
Większość leków jest skuteczna tylko u 30-40% populacji. Tylko aspiryna działa prawie na wszystkich Daniel Cohen ENSET 4
Empiryczna farmakoterapia Leczenie chorych z tym samym rozpoznaniem tym samym lekiem w tej samej dawce 5
6
Empiryczna farmakoterapia Leczenie chorych z tym samym rozpoznaniem tym samym lekiem w tej samej dawce 7
Farmakogenetyka W roku 1959, Friedrich Vogel pierwszy użył terminu farmakogenetyka jako badanie roli genetyki w odpowiedzi na działanie leku. 8
Dzięki farmakogenetyce wyjaśniono szereg zagadkowych, indywidualnych odmienności w reakcji organizmu na leki: przedłużone działanie zwiotczające mięśnie po podaniu sukcynylocholiny... 9
Dzięki farmakogenetyce wyjaśniono szereg zagadkowych, indywidualnych odmienności w reakcji organizmu na leki: przedłużone działanie zwiotczające mięśnie po podaniu sukcynylocholiny... ( nie mylić z Corhydronem) 10
Dzięki farmakogenetyce wyjaśniono szereg zagadkowych, indywidualnych odmienności w reakcji organizmu na leki: przedłużone działanie zwiotczające mięśnie po podaniu sukcynylocholiny... omdlenia ortostatyczne po podaniu leku obniżającego ciśnienie- debryzochiny... 11
Dzięki farmakogenetyce wyjaśniono szereg zagadkowych, indywidualnych odmienności w reakcji organizmu na leki: przedłużone działanie zwiotczające mięśnie po podaniu sukcynylocholiny... omdlenia ortostatyczne po podaniu leku obniżającego ciśnienie- debryzochiny... obwodowe neuropatie u chorych na gruźlicę leczonych izoniazydem... 12
Dzięki farmakogenetyce wyjaśniono szereg zagadkowych, indywidualnych odmienności w reakcji organizmu na leki: przedłużone działanie zwiotczające mięśnie po podaniu sukcynylocholiny... BCHE omdlenia ortostatyczne po podaniu leku obniżającego ciśnienie- debryzochiny... CYP2D6 obwodowe neuropatie u chorych na gruźlicę leczonych izoniazydem... NAT2 13
Najczęstsze działania niepożądane leków (ADRs) związane z polimorfizmem genetycznym Leki Terapia Enzym Częstość występowania Fluoxetine antidepressant CYP1A2/CYP2D6 2-6/3-10% Imipramine antidepressant CYP1A2/CYP2D6 12/3-10% Isoniazid antituberculosis NAT 50-59% Metoprolol Beta-blocker CYP2D6 3-10% Naproxen NSAID CYP2C9 2-6% Phenytoin Anticonvulsant CYP1A2 12% Piroxicam NSAID CYP1A2 12% S-Ibuprofen NSAID CYP1A2 12% S-Warfarin Anticoagulant CYP2C9 2-6% Theophylline Brochodilator CYP1A2 12% From Pharmacogenomic:Social, Ethical and Clinical Dimensions, M. Rothstein, ed. 14
Farmakogenetyka a farmakogenomika Od kilku lat jednak termin farmakogenetyka jest powoli wypierany przez nowy termin farmakogenomika. 15
Farmakogenetyka a farmakogenomika Farmakogenetyka rozpoczynała od nietypowej reakcji na lek, aby przez badanie fenotypu dotrzeć do odpowiedzialnej za tę reakcję mutacji genu. Farmakogenomika jest próbą odwrócenia podejścia do problemu odmienności osobniczych. 16
Farmakogenomika Rozpoczyna od odkrytych wielu różnic genetycznych, takich jak liczne SNP, aby poprzez analizę DNA, RNA (transkryptomika) i powstającego białka (proteomika) dotrzeć do osobniczych reakcji będących sumą tych wszystkich czynników. 17
Molekularne mechanizmy polimorfizmu genetycznego mutacje pojedynczego nukleotydu (Single Nucleotid Polymorphism - SNP) mutacje dotyczące genu 18
Mutacje pojedynczego nukleotydu (Single Nucleotid Polymorphism - SNP) w regionie kodującym w regionie niekodującym: a) w obrębie sekwencji regulacyjnych (nadmierne lub niedostateczne wytwarzanie białka aktywnego) b) w obrębie intronu (niewłaściwe przyłączenie mrna i powstanie skróconego produktu białkowego) 19
Mutacje dotyczące genu delecje genu, zdwojenia/zwielokrotnienia genu, genetyczna rekombinacja, powtórzenia nukleotydu 20
Badania profilu farmakogenetycznego Dziedzicznie zdeterminowane osobnicze różnice w działaniu leków mogą być rozpoznawane na podstawie: badania aktualnej aktywności organizmu badania zapisanej w DNA predyspozycji genetycznej ocena fenotypu ocena genotypu 21
Badania profilu farmakogenetycznego - oznaczanie fenotypu W celu oznaczenia fenotypu stosuje się różne metody analityczne, z użyciem substancji modelowych (np. sparteiny, debrizochiny, dekstrometorfanu, izoniazydu czy sulfadimidyny). 22
Evans, W. E., Johnson, J. A., Annu. Rev. Genomics Hum. Genet., 2001, 2: 9-39. 23
Farmakogenomika Różnice pomiędzy farmakogenomiką a farmakogenetyką są kwestią skali i podejścia. Tam gdzie badania zwane farmakogenetycznymi dotyczyły pojedynczych mutacji, w małych grupach, farmakogenomika zajmuje się przesiewowymi badaniami dziesiątek lub setek mutacji w całych populacjach. 24
Świat farmakogenomiki? GCCCGCCTC GCCCACCTC From McLeod and Evans, Ann Rev of Pharmacol and Toxicol, 2001: 41,101-121 25
Modna nazwa:...-omika Genomika Porównawcza genomika Funkcjonalna genomika Farmakogenomika Nutrigenomika Transkryptomika Proteomika Interaktomika Metabolomika 26
Nutrigenomika Nutrigenomiką nazwano badanie zależności między dietą a genomem, celem tych badań ma być określenie genetycznych predyspozycji do chronicznych lub związanych z wiekiem chorób wieloczynnikowych (takich jak nowotwory, osteoporoza, choroby neurologiczne i choroby układu krążenia), które można łagodzić lub im zapobiegać za pomocą odpowiedniego odżywiania. 27
Hipoteza głębokiego rozdźwięku pomiędzy współczesnym stylem życia a starą, genetycznie uwarunkowaną naturą biologiczną człowieka W kategoriach genetycznych ludzie są nadal myśliwymi-zbieraczami, przeniesionymi w czasie do świata, który całkowicie różni się od tego, do jakiego nasz profil genetyczny był przeznaczony S.B. Eaton et al. Am J Med., 1988, 84, 739 28
29
Farmakogenetyka mechanizmy Genetyczny polimorfizm spowodowany dziedzicznie przekazywanymi mutacjami w DNA może dotyczyć: enzymów metabolizujących leki, transporterów przenoszących leki; receptorów komórkowych 30
Dna >białko www.ornl.gov 31
Farmakogenetyka mechanizmy Odmienna farmakokinetyka Odmienna farmakodynamika poprzez wpływ na: Wchłanianie Dystrybucję Metabolizm Receptory Kanały jonowe Wydalanie Transportery 32 neuroprzekaźników
Genetycznie uwarunkowane zaburzenia transportu leków mogą być następstwem zwiększonej ekspresji genu ABCB1(MDR1) (ATP-Binding Cassette, subfamily B, member 1 ABCB1), dawniej nazywanego genem oporności wielolekowej MDR1 (Multi Drug Resistance 1 MDR1), odpowiadającego za wytwarzanie białka P-glikoproteiny (P-gp) 33
P-glikoproteina (P-gp) jest członkiem grupy kasetowych transporterów wiążących ATP, z którego pochodzi energia umożliwiająca transport przez błonę komórkową. jest obecna w błonach komórek nabłonka jelit, nerek oraz wątroby, wpływa na wchłanianie i eliminację leków, występuje też w błonach komórek śródbłonka mózgu, gdzie może decydować o transporcie leków do OUN. 34
P-glikoproteina (P-gp) na zasadzie transportu aktywnego wyrzuca leki z komórek, zapobiegając ich kumulacji. Odgrywa istotne znaczenie w procesie wchłaniania leków z jelita, przenikania leków przez barierę krew-mózg eliminacji leków z moczem i żółcią 35
P-gp 36
Intestinal P-gp Level (OD) Digoxin C max (mg/l) Geny ABCB1, ilość P-gp i wchłanianie digoksyny 2500 3.5 2000 1500 * 3 2.5 2 1000 1.5 1 500 0.5 0 T/T C/T C/C MDR1 3435 Genotype Hoffmeyer et al. PNAS 97:3473-3478, 2000 0 C/C T/T MDR1 3435 Genotype 37
Leki będące substratami podlegającymi transportowi przez P-gp: leki sercowo-naczyniowe digoksyna, chinidyna, celiprolol, talinolol, werapamil leki przeciwnowotworowe aktynomycyna D, doksorubicyna, daunorubicyna, etopozyd, irynotekan, paklitaksel, winblastyna leki immunosupresyjne cyklosporyna A, takrolimus 38
Leki będące substratami podlegającymi transportowi przez P-gp: steroidy aldosteron, hydrokortyzon, deksametazon opioidy morfina, metadon leki przeciwgruźlicze ryfampicyna leki różne cefazolina, kolchicyna, atorwastatyna, erytromycyna, flufenazyna, lowastyna, perfenazyna, ondansetron, fenytoina, tamoksyfen, tiorydazyna, loperamid. 39
Polimorfizm enzymów odpowiadających za metabolizm leków 40
41
Genetycznie uwarunkowany polimorfizm butyrylocholinesterazy (BCHE) wielokrotnie dłuższe niż normalnie działanie sukcynylocholiny (suksametonium) stosowanej w anestezjologii jako środek zwiotczający mięśnie. 42
Genetycznie uwarunkowany polimorfizm metylotransferazy tiopuryny Substratami enzymu metylotransferazy tiopuryny (Thiopurine S-Methyltransferase TPMT) są chemioterapeutyki przeciwnowotworowe: merkaptopuryna, tioguanina, azatiopryna. 43
Genetycznie uwarunkowany polimorfizm metylotransferazy tiopuryny (TPMT) U osób z małą aktywnością TPMT (IM, PM), leczonych merkaptopuryną, tioguaniną, azatiopryną, w komórkach gromadzą się toksyczne metabolity (nukleotydy tioguaniny TG) hamujące czynność szpiku kostnego i powodując mielosupresję. 44
Polimorfizm TPMT 3 różne genotypy, które wymagają różnych dawek 6MP Thiopurine Methyltransferase (TMPT) Genetic Polymorphism and 6MP Dose Requirement 10 8 wt/wt 6 4 2 m/m wt/m 0 0 5 10 15 20 25 30 TPMT Activity (units/ml prbc) 500 250 0 m/m wt/m wt/wt TPMT Genotypes Evans et al., SJCRH, 45 2000
Genetycznie uwarunkowany polimorfizm dehydrogenazy dihydropirymidyny (DPD) Substratem DPD jest fluorouracyl. U osób z małą aktywnością DPD, leczonych fluorouracylem, zwiększa się toksyczność leku, której następstwem jest mielosupresja oraz toksyczne zaburzenia czynności układu nerwowego i przewodu pokarmowego. 46
Genetycznie uwarunkowany polimorfizm glukuronylotransferazy (UGT1A1) Substratem UGT1A1 jest irynotekan. U osób z małą aktywnością UGT1A1, leczonych irynotekanem, aktywny metabolit leku ulega kumulacji, czego następstwem może być ciężka biegunka, leukopenia i małopłytkowość, jako wyraz działania toksycznego. 47
Fawizm Kiedy po raz pierwszy pojawia się na straganach z warzywami i owocami, chętnie go kupujemy. Bób smaczny i odżywczy. I dobrze pod warunkiem, że nie należymy do ponad 200 milionowej rzeszy ludzi, u których jedzenie bobu może wywołać fawizm (od łacińskiej nazwy bobu - Vicia faba). Na fawizm cierpi jeden na tysiąc Polaków. 48
Genetycznie uwarunkowany polimorfizm dehydrogenazy glukozo- 6-fosforanowej (fawizm) U ludzi z dziedzicznie uwarunkowanym niedoborem dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej ostra niedokrwistość hemolityczna krwinek czerwonych występuje po podaniu leków o właściwościach utleniających takich jak: prymachina, akrydyna, kwas acetylosalicylowy, aminofenazon, tolbutamid, 49
Genetycznie uwarunkowany polimorfizm dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej (fawizm) sulfonamidy, sulfony, pochodne sulfonylomocznika, pochodne chinoliny, pochodne aniliny, nitrofurantoina, fenylohydrazyna, syntetyczne witaminy K. 50
Hipertermia złośliwa Podczas stosowania środków znieczulenia ogólnego i zwiotczających u osób z dziedziczną predyspozycją do złośliwej hipertermii (Malignant Hyperthermia MH) gwałtownie wzrasta ciepłota ciała (do 43-44 C), napięcie mięśni, pojawia się przyspieszenie akcji serca, duszność, sinica, rozwija się kwasica metaboliczna i oddechowa, wzrasta stężenie potasu, zmniejsza się stężenie wapnia we krwi, rozwija rabdomioliza. 51
Hipertermia złośliwa U osób będących nosicielami zmutowanego genu kodującego wytwarzanie receptora rianodynowego (Rianodine Receptor - RYDR), kontrolującego kanał wapniowy, zachodzi niekontrolowany napływ do komórki jonów Ca. Aktywne usuwanie z komórki jonów Ca przez dążący do homeostazy organizm powoduje wytwarzanie dużej ilości ciepła. 52
Badania profilu farmakogenetycznego Dziedzicznie zdeterminowane osobnicze różnice w działaniu leków mogą być rozpoznawane na podstawie: badania aktualnej aktywności organizmu badania zapisanej w DNA predyspozycji genetycznej ocena fenotypu ocena genotypu 53
Badania profilu farmakogenetycznego - oznaczanie fenotypu W celu oznaczenia fenotypu stosuje się różne metody analityczne, z użyciem substancji modelowych (np. sparteiny, debrizochiny, dekstrometorfanu, izoniazydu czy sulfadimidyny). 54
Badania profilu farmakogenetycznego - oznaczanie genotypu Najczęściej wykorzystuje się: metodę polimerazowej reakcji łańcuchowej (Polymerase Chain Reaction - PCR) w połączeniu z metodą analizy polimorfizmu długości fragmentów restrykcyjnych (Restriction Fragment Length Polymorphism RFLP) 55
PCR/RFLP Polymerase Chain Reaction /Restricted Fragment Length Polymorphism http://www.ornl.gov/sci/techresources/human_genome/publicat/hgn/v10n3/images/megabaces.jpg 56
Badania profilu farmakogenetycznego - oznaczanie genotypu Nowoczesna metoda genotypowania, za pomocą chipów genowych (matryc genowych) pozwala na szybkie określenie: wielu mutacji u jednego osobnika jednej mutacji u wielu osobników 57
PCR Polymerase Chain Reaction 58
RFLP Restricted Fragment Length Polymorphism 59
RFLP odczyt wyniku 60
Mikroczipy Pierwszy mikroczip DNA zatwierdzony przez FDA. Analizuje Cyp450 2D6 i 2C19 61
Mikroczipy Platform for GeneChip Probe Arrays George Washington Genomics Core Facility 62
Skutki genetycznie uwarunkowanego polimorfizmu enzymów biorących udział w metabolizmie leków istotna klinicznie liczba zdarzeń niepożądanych, nieskuteczność terapii 63
Genetycznie uwarunkowany polimorfizm dotyczy: enzymów cytochromu P-450 N-acetyltransferazy, dehydrogenazy glucozo-6-fosforanowej, transferazy S-glitationu, dehydrogenazy alkoholowej. 64
Genetycznie uwarunkowany polimorfizm metabolizmu leków- subpopulacje ekstensywni metabolizerzy -Extensive drug metabolism (EM) dobra odpowiedź na zastosowany lek, słabi metabolizerzy- Poor drug metabolism (PM) grupa potencjalnego ryzyka wystąpienia toksyczności i niepożądanych działań leku bardzo ekstensywni metabolizerzy Ultra-extensive drug metabolism (UEM) niepowodzenie leczenia, pośredni metabolizerzy Intermediate metabolism (IM) osłabione działanie leku 65
Rodzina Cytochromu P450 (CYP) 57 geny CYP, 33 psudogeny, 18 rodzin, 42 podrodziny, CYP1, CYP2, CYP3 głównie odpowiedzialne za metabolizm leków. 66
Genetycznie uwarunkowany polimorfizm a utlenianie leków CYP2 D6, CYP2 C9, CYP2 C19, CYP2 B6. Biorą udział w metabolizmie 40% aktualnie stosowanych leków 67
CYP2D6 locus - chromosom 22 www.genecards.bcgsc.bc.ca 68
CYP2D6 - charakterystyka stanowi jedynie 2,6% ogólnej puli wątrobowej izoenzymów P450, bierze udział w metabolizmie około 100 aktualnie stosowanych leków, 48 mutacji, 53 allele, niezmutowany allel: CYP2D6 *1, wild type (prawidłowy). 69
Główne mutacje alleli CYP2D6 CYP2D6*3, CYP2D6*4, CY2D6*5 brak aktywności enzymatycznej CYP2D6* 10A, CYP2D6* 10B, CYP2D6* 10C osłabiona aktywność enzymatyczna, CYP2D6* 2X -zwiększona aktywność enzymatyczna. 70
Badania populacyjne CYP2D6 rasa kaukaska: 5-10% słabych metabolizerów (PM), rasa żółta: 1-2 % słabych metabolizerów (PM), rasa kaukaska: 1-10% ultra szybkich metabolizerów (UEM) 71
Populacja chorych z tą samą diagnozą: Spodziewana dobra odpowiedź na lek 5.5% spodziewana słaba lub brak reakcji na lek (UEM) Zastosować inny lek 7% -zwiększone ryzyko toksyczności (PM) Zmniejszyć dawkę lub zastosować inny lek TRENDS in Genetics, 2003,19, 661 72
Skutki kliniczne genetycznie uwarunkowanego metabolizmu z udziałem cytochromu P450 CYP2D6 20-30 milionów osób należy do słabych metabolizerów CYP2D6 (PMs) 15-20 milionów osób należy do ultraszybkich metabolizerów CYP2D6, zdwojenie genu (UEMs) zbyt wolny metabolizm leku zbyt duże stężenie w osoczu przy dawkach standardowych duże ryzyko ADR brak odpowiedzi klinicznej na niektóre leki (np. enkainid) zbyt szybki metabolizm leku brak odpowiedzi przy dawkach standardowych leku (non-responders) TRENDS in Pharmacological Sciences 2004, 73 25,195
Sekwencje DNA występujące w populacji Typ dziki (wild type-wt) Typ zmutowany (mutated type-mut) Homozygoty typu dzikiego (wt/wt) Heterozygoty (wt/mut) Homozygoty typu zmutowanego (mut/mut) 74
Współczynnik metaboliczny (MR) Wydalona z moczem sparteina MR = Suma wydalonych z moczem metabolitów sparteiny 75
Współczynnik metaboliczny (MR) MR < 20 - (EM) ekstensywni (szybcy) utleniacze MR > 20 - (PM) słabi (wolni) utleniacze 76
Przykładowe zadania na obliczanie współczynnika metabolicznego (MR) u pacjentów i podawania interpretacji klinicznej otrzymanego wyniku. Sparteiny - 16,015 5 DSP - 0,0195 2 DSP - 0,1213 Suma DSP - 0,1408 77
Przykładowe zadania na obliczanie współczynnika metabolicznego (MR) u pacjentów i podawania interpretacji klinicznej otrzymanego wyniku. Sparteiny - 16,015 5 DSP - 0,0195 2 DSP - 0,1213 Suma DSP - 0,1408 MR = 113,75 78
Skuteczność leku Dose (mg/kg) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Patient 1 Patient 2 Patient 3 Patient 4 Patient 5 Patient 6 Patient 7 Patient 8 Patient 9 Patient 10 2003 Gus Rosania 79
Toksyczność leku Dose (mg/kg) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Patient 1 Patient 2 Patient 3 Patient 4 Patient 5 Patient 6 Patient 7 Patient 8 Patient 9 Patient 10 2003 Gus Rosania 80
Wąskie okno terapeutyczne Dose (mg/kg) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Patient 1 Patient 2 Patient 3 Patient 4 Patient 5 Patient 6 2003 Gus Rosania Therapeutic window 81
Odnalezienie odpowiedzialnej mutacji SNP: single nucleotide polymorphism Patient 1 Patient 2 Patient 3 Patient 4 Patient 5 Patient 6 Patient 7 Patient 8 Patient 9 Patient 10 Patient 11 Patient 12 2003 Gus Rosania Good response No response No response Good response No response No response Good response Good response Good response Good response No response No response ATGCTTCCCTTTTAAA ATTGTTCCCTTTTAAA ATTGTTGCCTTTTAAA ATGGTTGCCTTTTAAA ATAGTTGCCTTTTAAT ATAGTTGCCTTTTAAT ATGATTGCCTTTTAAA ATGATTGGCTTTTAAA ATGTTTCGCTTTTAAA ATGTTTTGCTTTTAAA ATTTTTTGCTTTTAAA ATCTTTTGCTTTTAAA 82 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Patient 2 Patient 3 Patient 4 Patient 5 Patient 6 Zastosowanie genotypowania - szerokie okno terapeutyczne Dose (mg/kg) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 TI without PG Patient 1 2003 Gus Rosania Therapeutic index w/ PG 83
Dostosowanie dawkowania INH w oparciu o genotyp NAT2 Stężenie INH (mg/ml) 3.0 0.2 Standardowe Dostosowane max min 0 12 24 hr 0 12 24 hr Dawka 200 mg x 2 /24h RA I A SA 500 mg x 2 /24h 250 mg x 2 /24h 100 mg x 2 /24h 84
Lek Zalecane dawki leków w zależności od genotypu Standardowa dawka [mg] PM [%] Fenotyp [zalecany % dawki standardowej] IM [%] EM [%] UM [%] Enzym S-warfaryna 3 25-125 - CYP2C9 Omeprazol 40 25-125 - CYP2C19 Amitryptylina 150 50 100 125 150 CYP2D6 Nortryptylina 150 50 100 125 200 CYP2D6 Imipramina 150 25 75 133 200 CYP2D6 Tropisetron 10 33-133 - CYP2D6 Propafenon 450 33-133 - CYP2D6 Izoniazyd 200 50 125 250 - NAT2 6-merkaptopuryna 250 [mg/m 2 ] 50 300 500 - TPMT 85
86
Nowy świat farmakogenetyki? Oto moja sekwencja genów... 87
88
Genocentryzm 89
90