Znaczenie polimorfizmu genetycznego w farmakoterapii

Odpowiedź organizmu na farmakoterapię jest zależna nie tylko od zastosowanego leku, dawki, drogi podania, wieku czy masy ciała pacjenta, ale również od jego profilu genetycznego, który wykazuje się zmiennością osobniczą w całej populacji.

Polimorfizm genetyczny wpływa w istotny sposób zarówno na skuteczność, jak i bezpieczeństwo farmakoterapii. Na skutek wzrostu zainteresowania farmakogenomiką i większej dostępności badań genetycznych, coraz częściej w wielu dziedzinach medycyny spotyka się pojęcie „personalizacja leczenia”, które zakłada zastosowanie indywidualnego planu terapeutycznego na podstawie charakterystycznych cech pacjenta, co umożliwia osiągnięcie maksymalnej efektywności i bezpieczeństwa farmakoterapii.

Korzyści z rozpowszechnienia terapii spersonalizowanej dotyczą nie tylko zmniejszenia ilość przedwczesnych zgonów, a także ograniczenia kosztów leczenia.

Farmakogenomika i jej znaczenie w farmakoterapii

Farmakogenomika zajmuje się badaniem wpływu genomu danego pacjenta na odpowiedź organizmu na zastosowaną farmakoterapię. Jej celem jest wykorzystanie informacji genetycznej pacjenta do wyboru odpowiedniego leku, jego dawki i czasu trwania leczenia, co zapewni maksymalną skuteczność i bezpieczeństwo terapii.

Wśród całej populacji istnieje wiele różnic osobniczych w odpowiedzi na farmakoterapię, dlatego niejednokrotnie trudno jest przewidzieć, jak skuteczne i bezpieczne będą dane leki dla konkretnego pacjenta. Istnieje wiele czynników, które wpływają na efekty farmakoterapii. Należą do nich m.in. wiek, płeć, masa ciała, czynność nerek i wątroby, a także dieta i interakcje pomiędzy stosowanymi lekami. Niestety uwzględnienie tych czynników jest często niewystarczające do zapewnienia skuteczności i bezpieczeństwa terapii u danego pacjenta.

W wielu przypadkach, przed rozpoczęciem leczenia pacjenta, konieczne jest zastosowanie kilku różnych leków lub ich kombinacji, zanim zostanie osiągnięty pożądany efekt terapeutyczny. Do takich sytuacji często dochodzi np. w terapii nadciśnienia. Podczas gdy lekarz stara się dobrać skuteczny lek, pacjent nadal cierpi na nadciśnienie, co zwiększa ryzyko wystąpienia groźnych skutków. Identyczna terapia przeciwnadciśnieniowa u dwóch pacjentów w podobnym wieku, o podobnej masie ciała, tej samej płci i rasie może skutkować niewystarczającym obniżeniem ciśnienia krwi u jednego pacjenta i jednocześnie zbyt niskim ciśnieniem u drugiego. Jedną z przyczyn tego zjawiska jest polimorfizm genetyczny, czyli różnice w DNA komórkowym, występujące w populacji.

Wpływ genomu na reakcję organizmu na lek po raz pierwszy opisano w roku 1956 wraz z odkryciem, że odziedziczony niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej (G6PD) jest odpowiedzialny za reakcję hemolityczną po podaniu leku przeciwmalarycznego – prymachiny. Zmiany w genach kodujących cytochrom P450 (CYP) i inne enzymy metabolizujące leki, są obecnie uważane za jedną z głównych przyczyn międzyosobniczych różnic w stężeniach niektórych leków w osoczu i ich toksyczności. Różnice te mogą mieć szczególnie poważne następstwa w przypadku leków o wąskim indeksie terapeutycznym, takich jak warfaryna, fenytoina czy merkaptopuryna.

Grupy fenotypowe

Czynniki genetyczne mogą być przyczyną wystąpienia indywidualnego ryzyka szkodliwych następstw podjętego leczenia, a także jego braku. W przypadku genetycznie zdeterminowanych różnic w aktywności enzymów metabolizujących leki, wyróżnia się grupy odmienne fenotypowo. Na przykład pacjenci, u których dany enzym (np. CYP2D6) jest nieaktywny, należą do grupy osób wolno metabolizujące lek (PM – poor metabolizer). Z kolei pacjenci wykazujący zmniejszoną aktywność danego enzymu, nazywani są średnio szybko metabolizującymi (IM).

U osób z obu tych grup może dojść do nasilonego działania leku, ponieważ związek będzie przekształcany do postaci nieaktywnej w bardzo wolnym tempie. Z tym faktem wiąże się zwiększone ryzyko wystąpienia działań niepożądanych na skutek kumulacji. U osób z fenotypem PM należy podawać dawki leku dużo mniejsze od standardowych, aby uniknąć toksyczności preparatów, szczególnie tych o małym współczynniku terapeutycznym, jak np. cytostatyki. Z drugiej strony u osób z fenotypem PM w przypadku, gdy enzym odpowiada za przemianę z proleku do jego formy aktywnej, należy spodziewać się zmniejszonego lub wręcz zerowego efektu terapeutycznego danego preparatu. Wśród pacjentów mogą występować również osoby posiadające więcej niż jedną kopię dzikiego typu genu dla tego enzymu i są to osoby należące do populacji bardzo szybko metabolizujących leki (UM– ultrarapid metabolizer). W tym przypadku również dochodzi do wzmożonej biotransformacja leku, co prowadzi do jego szybkiej eliminacji, a zatem krótszego czasu działania. W tej sytuacji lek jest potencjalnie mniej skuteczny, dlatego istnieje potrzeba zwiększenia dawek. W przypadku prawidłowej aktywności enzymu, osoby te należą do grupy prawidłowo metabolizujących (EM). U tych pacjentów standardowe dawki leków będą prawidłowo tolerowane [2,3].

Odmienne efekty terapeutyczne w poszczególnych grupach fenotypowych

Największe znaczenie wśród genetycznych czynników determinujących odpowiedź organizmu na lek, ma polimorfizm genów kodujących enzymy metabolizujące leki, transportery leków i miejsc docelowych dla leków. Najlepiej poznanym i jednocześnie wykazującym największe znaczenie kliniczne jest polimorfizm genów kodujących enzymy wątrobowe – cytochrom P450 (CYP450). Do tej pory poznano 57 różnych izoenzymów CYP u ludzi, a piętnaście z nich bierze udział w metabolizmie leków.

Najczęściej leki podlegają biotransformacji przy udziale izoenzymów takich jak: CYP3A4 (50% leków), CYP2D6 (20%), CYP2C9 i CYP2C19 (15%), choć duże znaczenie kliniczne wydaje się mieć również polimorfizm genetyczny w obrębie izoenzymów CYP2B6, polimorfizm N–acetylacji (NAT2) oraz polimorfizm metylacji (TPMT i TMT) [2].

CYP2D6

CYP2D6 jest enzymem, który stanowi jedynie 2,6% ogólnej puli wątrobowej izoenzymów P450, jednak bierze udział w metabolizmie około 100 aktualnie stosowanych leków, m.in. niektórych β-blokerów, leków antydepresyjnych, neuroleptyków, leków antyarytmicznych i opioidów.

20% przedstawicieli kaukaskiej grupy etnicznej i około 1% pozostałej części populacji ludzkiej posiada nieaktywny izoenzym CYP2D6, a blisko 6% populacji jest całkowicie pozbawiona  tego enzymu [17].

Niektóre leki hamują aktywność CYP2D6, co może prowadzić do poważnych skutków. Najsilniejszymi inhibitorami tego izoenzymu są: fluoksetyna, paroksetyna i chinidyna. U osób stosujących te leki, enzym CYP2D6 może być całkowicie nieaktywny. Dla pacjentów o niskiej aktywności CYP2D6 (uwarunkowanego czynnikami genetycznymi lub stosowaniem jego inhibitorów) niektóre leki, np. nortryptylina, są potencjalnie toksyczne [3].

W przypadku substancji występujących w formie proleków, wymagających enzymatycznej aktywacji w obecności CYP2D6, np. niektórych leków o działaniu antyarytmicznym czy opioidów (kodeina i tramadol), brak izoenzymu CYP2D6 znacznie obniża skuteczność ich działania [17].

Innym przykładem jest katalizowana przez CYP2D6 konwersja tamoksyfenu do silniejszego metabolitu antyestrogenowego – endoksyfenu. U kobiet z małą aktywnością CYP2D6 występuje słabsza odpowiedź na leczenie tamoksyfenem, co może prowadzić do nawrotów nowotworu.

Wykazano, że u pacjentów z grupy PM (wolny metabolizm) w porównaniu do EM (szybki metabolizm) częściej dochodzi do rozwoju neuropatii po leczeniu perheksyliną, ponadto występuje u nich więcej działań niepożądanych po zastosowaniu propafenonu i środków neuroleptycznych, takich jak perfenazyna.

W grupie osób szybko metabolizujących, pacjent ze zduplikowanym allelem CYP2D6*2 wymaga podania dwukrotnie większej, zalecanej dawki dobowej. U pacjentów szybko metabolizujących, przyjmujących standardową dawkę terapeutyczną kodeiny, mogą występować objawy przedawkowania narkotycznych leków przeciwbólowych związane ze zbyt wysokim stężeniem morfiny w osoczu.

CYP2C9

Cytochrom CYP2C9 jest enzymem metabolizującym zarówno leki powszechnie stosowane, takie jak niesteroidowe leki przeciwzapalne (ibuprofen, diklofenak), jak i leki o wąskim indeksie terapeutycznym (warfaryna, acenokumarol, fenytoina i tolbutamid).

Istotne znaczenie kliniczne ma wpływ polimorfizmu CYP2C9 na działanie warfaryny, obniżającej krzepliwość krwi. Pacjenci z wersją genu CYP2C9*3 bardzo słabo metabolizują warfarynę, a utrzymujące się zbyt długo wysokie stężenie leku we krwi stwarza zagrożenie krwotoku wewnętrznego. W przypadku tych osób dawka stosowanej warfaryny powinna więc być około 10-16 razy niższa.

Podobnie jest w przypadku fenytoiny. Pacjenci z allelem CYP2C9*2 i CYP2C9*3 wymagają stosowania dawki leku niższej o jedną trzecią niż osoby z prawidłowym typem białka. W przeciwnym razie, zbyt wysokie stężenie fenytoiny w osoczu będzie wykazywać toksyczne działanie dla układu nerwowego [5].

CYP2C19

Polimorfizm w obrębie genu kodującego CYP2C19 w znacznym stopniu wpływa na skuteczność eradykacji Helicobacter pylori w przypadku terapii, w której skład wchodzi omeprazol [12]. Podczas stosowania tego leku, u pacjentów słabo metabolizujących obserwuje się niekorzystny efekt wzrostu wydzielania jonów wodorowych, a przy dłuższej terapii – znaczny wzrost wydzielania kwasu solnego w żołądku, co jest zjawiskiem niekorzystnym w terapii wrzodów żołądka [5]. Osoby o bardzo wysokiej aktywności cytochromu CYP2C19 prawdopodobnie wymagają większych dawek inhibitorów pompy protonowej i innych substratów CYP2C19, takich jak worykonazol.

Z drugiej strony u osób z grupy wolno metabolizującej obserwuje się słabszą odpowiedź na klopidogrel, dlatego w celu osiągnięcia lepszych efektów terapeutycznych, u tych pacjentów również należy zwiększyć dawkę leku lub zastosować alternatywną terapię przeciwpłytkową [1].

CYP3A4

CYP3A4 jest jednym z kluczowych izoenzymów cytochromu P450 i uczestniczy w metabolizmie wielu związków zarówno endogennych (np. kortyzol, testosteron, estradiol i progesteron), jak i powszechnie stosowanych, takich jak erytromycyna, midazolam czy leki przeciwnowotworowe np. etopozyd i tamoksyfen.

Mimo, że znanych jest około 40 alleli genu kodującego ten izoenzym, do tej pory nie udało się w pełni wyjaśnić znaczenia mutacji w genie CYP3A4 dla przemian metabolicznych katalizowanych przez to białko. Większość bowiem badanych reakcji zachodzi w bardzo zbliżony sposób z udziałem prawidłowego i zmutowanego enzymu CYP3A4. Biorąc również pod uwagę małą częstotliwość występowania zmutowanych form tego izoenzymu u ludzi, jego polimorfizm ma niewielki wpływ na metabolizm leków i ich wydalanie z organizmu [5].

Polimorfizm enzymów fazy II

Polimorfizm genetyczny ma istotne znaczenie kliniczne także w przypadku genów kodujących enzymy drugiej fazy metabolizmu leków, jakich jak: TPMT (metylotransferaza tiopurynowa), DPD (dehydrogenaza dihydropirymidynowa) i UGT (UDP-glukuronylotransferaza). Znajomość ich polimorfizmu jest szczególnie istotna w leczeniu nowotworów.

Badania wykazały, że merkaptopuryna jest inaktywowana przez TPMT, a pacjenci homozygotyczni lub heterozygotyczni pod względem zmutowanych alleli TPMT są narażeni na większe ryzyko rozwoju poważnych niedokrwistości podczas leczenia tym farmaceutykiem. Innym przykładem jest zjawisko dotyczące pacjentów z wadliwym allelem genu DPD, którzy nie metabolizują 5-fluorouracylu, co wiąże się z wystąpieniem nasilonej neurotoksyczności związanej z jego działaniem [1].

Polimorfizmy genów transporterów leków

Glikoproteina P jest jednym z najlepiej zbadanych białek transportujących leki, które wykazują polimorfizm genetyczny. Białko to jest transbłonową pompą kodowaną przez gen ABCB1, znany również jako „gen oporności wielolekowej”, należący do transporterów wiążących ATP (ABC).

Rolę glikoproteiny P w farmakoterapii doceniono po raz pierwszy, kiedy odkryto jej zdolność do aktywnego usuwania z komórek leków przeciwnowotworowych i tym samym promowania oporności wielolekowej na chemioterapię. Dziś wiadomo, że glikoproteina P odgrywa również ważną rolę w zdrowych komórkach organizmu, w tym enterocytach, hepatocytach, komórkach kanalików proksymalnych i komórkach śródbłonka wyścielających barierę krew-mózg. Pełni ona rolę ochronną poprzez usuwanie substancji toksycznych i metabolitów z komórek. Glikoproteina P uczestniczy również w dystrybucji niektórych leków, w tym digoksyny, leków immunosupresyjnych, cyklosporyny i takrolimusu.

Zwiększona ekspresja jelitowa glikoproteiny P może ograniczać wchłanianie niektórych leków, zmniejszając ich biodostępność i utrudniając osiągnięcie terapeutycznych stężeń w osoczu. Zmniejszona ekspresja glikoproteiny P może natomiast skutkować zbyt wysokimi stężeniami w osoczu odpowiednich leków, nasilając ich toksyczność.

Czynniki genetyczne wpływają na bezpieczeństwo stosowania doustnych środków antykoncepcyjnych

Stosowanie doustnych środków antykoncepcyjnych powiązane jest ze zwiększonym ryzykiem wystąpienia zaburzeń zakrzepowo-zatorowych, w tym zakrzepicy żył głębokich, zatorowości płucnej i udaru zakrzepowego. Ponadto wystąpienie mutacji genu protrombiny i genu czynnika V krzepnięcia krwi (czynnik Leiden) jest zidentyfikowane jako dodatkowy czynnik zwiększający ryzyko rozwoju zaburzeń zakrzepowo-zatorowych.

W wielu badaniach wykazano, że obecność czynnika V Leiden lub zmutowanego genu protrombiny znacznie zwiększa ryzyko wystąpienia zakrzepicy żył głębokich i żył mózgowych wśród pacjentek stosujących doustne środki antykoncepcyjne. Dane te sugerują więc, że ta metoda antykoncepcji powinna być stosowana wyłącznie u kobiet, które nie są nosicielkami zmutowanego genu protrombiny lub czynnika V Leiden [1].

Polimorfizm a terapia przeciwnowotworowa

Problemy wynikające z polimorfizmu genów cytochromów P450 są widoczne zwłaszcza w terapii przeciwnowotworowej, a enzymem, który odgrywa największą rolę w metabolizmie większości leków stosowanych w chemioterapii jest CYP2B6. Co ciekawe, badania wykazały, że aktywność izoenzymu CYP2B6 zależy w pewnej części od płci.

W reakcji N‑demetylacji S‑mefenytoiny 7% kobiet i 20% mężczyzn wykazywało obniżoną aktywność tego izoenzymu [4]. Cyklofosfamid, lek stosowany w chemioterapii ulega aktywacji z udziałem izoformy CYP2B6*6. U pacjentów z grupy PM jego metabolizm do aktywnej postaci jest zahamowany, co znacznie osłabia efekt terapeutyczny przy danej dawce.  

Innym przykładem polimorfizmu mającego duże znaczenie w chemioterapii jest polimorfizm S-metyltransferazy tiopurynowej (TPMT), biorącej udział w metabolizmie, m.in. 6-MP, 6-TG – leków stosowanych w ostrej białaczce limfoblastycznej i mieloblastycznej u dzieci. U 0,3% chorych z niedoborem lub brakiem TPMT może dojść do ciężkiej, zagrażającej życiu supresji szpiku, nawet jeśli pacjenci będą otrzymywać tylko 10 do 15% standardowej dawki terapeutycznej tiopuryn. Z kolei te same dawki 6-MP i 6-TG u pacjentów z bardzo szybkim metabolizmem leku (UM) mogą narażać pacjentów na ryzyko nawrotu choroby, w związku z szybką eliminacją leku i słabszym działaniem antyproliferacyjnym [2].

Genetyczne różnice pomiędzy rasami

Częstość występowania wariantów allelicznych dla poszczególnych genów znacznie różni się nie tylko w grupach etnicznych, ale również pomiędzy nimi. Przykładem jest wysoka częstość występowania CYP2D6*10 w populacji azjatyckiej, co tłumaczy wyższe stężenia farmaceutyków i tym samym potrzebę stosowania niższych dawek niektórych leków neuroleptycznych i mianseryny u ludzi pochodzenia azjatyckiego.  

Podobnie jak w przypadku polimorfizmu CYP2D6, osoby pochodzenia azjatyckiego metabolizują większość substratów CYP2C19 w wolniejszym tempie, niż osoby rasy białej. Jest to skutek większej częstości występowania grup PM (13–22,5% vs 2–6% u osób rasy białej) i heterozygot na defektywny allel CYP2C19 u Azjatów. Ta różnica genotypowa jest powodem praktyki przepisywania niższych dawek np. diazepamu pacjentom w krajach azjatyckich, w porównaniu np. do krajów europejskich.

U osób pochodzenia azjatyckiego powszechna jest również delecja genu CYP2A6, co przekłada się na znaczącą różnicę w częstości występowania PM (20%) w porównaniu do populacji kaukaskiej (≤ 1%). Jednym z substratów izoenzymu CYP2A6 jest nikotyna, co przekłada się na różnice w tolerancji tego związku przez Azjatów.

Badania wykazały, że u osób niepalących, znacznie częściej występuje wadliwy allel CYP2A6. Jednocześnie palacze, którzy posiadali wadliwy allel CYP2A6, palili mniej papierosów i częściej rzucali palenie. Niezdolność do metabolizowania nikotyny, występująca przy obecności wadliwego allelu CYP2A6, prawdopodobnie prowadzi do zwiększonej tolerancji nikotyny i zwiększonych działań niepożądanych związanych z jej stosowaniem. Na podstawie tych obserwacji można przypuszczać, że niska aktywność (w tym stosowanie inhibitorów) CYP2A6 może odgrywać istotną rolę w leczeniu uzależnienia od tytoniu [1].

Oznaczenie profilu farmakogenetycznego

Indywidualizacja leczenia w oparciu o oznaczenie polimorfizmu jest dziś procesem bardzo pracochłonnym i może sprawiać wiele trudności w praktycznym zastosowaniu. Metabolizm leków bardzo często zależy bowiem od wpływu wielu układów enzymatycznych i transporterów, których działania wzajemnie się nakładają. Pomocą w indywidualizacji farmakoterapii mogą okazać się technologie umożliwiające genotypowanie z dużą precyzją, jednoczesną analizą wielu genów i dużą liczbą próbek badanych w jednym czasie, co pozwoli na szybką i stosunkowo tanią detekcję polimorfizmów u pacjenta.

Profil farmakogenomiczny pacjenta można określić przy pomocy techniki fenotypowania lub genotypowania. Fenotypowanie pozwala na podzielenie pacjentów na grupy: PM, EM i UM, a do jednych z najczęściej stosowanych testów należy test debryzochinowy. W badaniu pacjent otrzymuje debrizochinę w dawce doustnej 10 mg, a następnie oznaczana jest ilość wolnej debryzochiny w stosunku do jej zhydrolizowanego metabolitu w próbce moczu pobranej po ośmiu godzinach. Z uzyskanych wartości stężeń oblicza się współczynnik metabolizmu MR=D/40HD. Przyjmuje się, że pacjenci wykazujący wartości MR powyżej 12,6 reprezentują fenotyp „słabo metabolizujący” (PM), a osoby o współczynniku MR poniżej 12,6 należą do grupy „szybko metabolizujących” (EM).

Podobnie wygląda test sparteinowy, w którym podawana jest doustnie sparteina. Alternatywą dla tych testów jest stosowanie dekstrometorfanu i ocena zawartości jego metabolitów w ślinie.

Test fenotypowy (lub genotypowy) wystarczy wykonać raz w życiu, a wyniki mogą służyć przy stosowaniu wielu leków będących substratami danego cytochromu, przez całe życie pacjenta. Wykonywanie oznaczenia profilu farmakogenetycznego nie jest dziś jeszcze powszechną praktyką w leczeniu szpitalnym, jednak w przyszłości może przynieść nieoceniony wpływ na poprawę skuteczności i bezpieczeństwa w farmakoterapii personalizowanej.

Podsumowanie

Czynniki genetyczne są niezwykle ważnym elementem modyfikującym działanie leków w organizmie. Celem farmakogenomiki jest optymalizacja farmakoterapii i ograniczenie toksyczności leków w oparciu o profil genetyczny pacjenta.

Za pomocą odpowiednich testów genotypowych lub fenotypowych można przewidzieć, który lek zadziała u danego pacjenta w danych schorzeniu najlepiej, a który może wywołać ciężkie działania niepożądane lub nie zadziała wcale. Ponadto pozwalają one na bardziej precyzyjne dobranie odpowiedniej dawki leku, co jest korzystne szczególnie w przypadku leków o wąskim indeksie terapeutycznym.

Podsumowując, rozwój farmakogenomiki może przyczynić się do poprawy jakości życia wielu pacjentów i obniżyć ogólne koszty opieki zdrowotnej poprzez zmniejszenie liczby niepowodzeń leczenia i niepożądanych reakcji na leki.

mgr farm. Aleksandra Mroczkowska

mgr farm. Klaudia Borgiasz

Piśmiennictwo:

1. Larisa H., Cavallari; Y., Francis Lam. Pharmacotherapy: A pathophysiologic Approah. McGraw-Hill Education, 2008; https://accesspharmacy.mhmedical.com
2. Niedzielska E., Wójcik D., Doroszko A., Pietras W., Niedzielska M., Chybicka A. Rola polimorfizmu genetycznego w metabolizmie leków stosowanych w leczeniu dzieci z ostrymi białaczkami. Acta Haematologica Polonica 2007, 38, Nr 1, str. 37–46;
3. Tyczka J. Znaczenie zmienności genetycznej dla farmakodynamiki i farmakokinetyki propofolu w organizmie człowieka. Anestezjologia i Ratownictwo 2009; 3: 492-498;
4. Huszno J.,  Nowara E. Farmakokinetyka i farmakogenetyka w systemowym leczeniu chorych na raka. Onkol. Prak. Klin. 2010; 6, 4: 159–170;
5. Niemira M., Wiśniewska A., Mazerska Z. Rola polimorfizmu i zróżnicowanej ekspresji genów cytochromów P450 w metabolizmie ksenobiotyków. Postępy Biochemii 2009, 55 (3): 279-289.