Farmakogenetika: I. pojmy, historie a koncepty. II. potenciální aplikace v onkologii III. data MOÚ Brno a spolupracujících pracovišť D a l i b o r V a l í k Masarykův onkologický ústav, Brno …kolaborativní projekty • Dr. J. O´Brien, BGL, Mayo Clinic, • Prof. J. Štěrba, KDO FN Brno • Dr. M. Radina, OC NJ • Dr. D. O´Kane, DCBI, Mayo Clinic • Dr. Steve Wong, Medical College of Wisconsin • Dr. A. van Kuilenburg AMC Amsterdam I. Adverse Drug Reactions (serious ADR defined as those req’d hospitalization, were permanently disabling or resulted in death) – The overall incidence of serious ADR 6.7% – Fatal ADR 0.32% – In 1994, overall 2,216,000 hospitalized patients had serious ADR and 106,000 had fatal ADR Lazarou et al., JAMA 1998 Clinical variables contributing to variation in drug response: • Age Genetic variation Individualized dose/regimen • Sex • Diet • Organ function Host genome (drug-related toxicity) Tumor genome (drug response) • významné osobnosti, data a koncepty – …osobnosti a data – Mendel » pojem dědičného transmisivního „faktoru“,…dnes genu – Garrod » pojem chemické individuality – Motulsky » fúze biochemie, farmakologie a genetiky – Vogel » pojem farmakogenetika – koncepty • „biomarker“: » měřitelnost, malá pravděpodobnost spontánní změny, správná reflexe studovaného jevu • „dědičná porucha jako modelové onemocnění“: » Garrod…whenever possible the genetic difference should be measured as a chemical test » …if we knew enough, every gene would be assigned a specific chemical effect in the body • „reakce fáze I a II“. » Williams, 1963 pharmacogenetic perspective – „pharmacogenetic“ diseases as „siblings“ of inborn errors of metabolism: AAAa (a b,c,d,…i)aa Allelic configuration healthy healthy...unless stressed diseased Farmakogenetika Zabývá se individuálním genetickým vlivem na: farmakokinetiku (polymorfní enzymy) farmakodynamiku (polymorfní receptor) farmakogenetika farmakokinetika farmakodynamika …chronické, dlouhodobé medikace • …tam se nejvíce projeví sumační efekty (interakce, komorbidita, genetické vlivy, apod.) • psychiatrie • onkologie • antikoagulační terapie BĚŽNÁ KLINICKÁ PRAXE stanovení dávky vychází v naprosté většině případů z přepočtu na tělesný povrch pacienta - (BSA - Body Surface Area) LIMITY ?? ….stupeň korelace mezi BSA a dalšími farmakokinetickými parametry jako např. Clearance nebo AUC (Area Under Curve) „Precision vs accuracy“ Individualized dose FARMAKOKINETIKA akronym LADME v osudu léčiva • L(iberation) = uvolnění z podané formy (tablety, čípky, im, iv aplikace • A(bsorption) = proces, kdy je molekula vychytána do systémové cirkulace, (tento koncept neplatí pro iv podání léčiva) • D(istribution) = jakmile je lék absorbován a rozptýlen v plasmě může dále: – zůstat v krevním prostoru (vazba na proteiny) – opouštět krevní prostor a vstupovat do extravaskulární tekutiny – migrovat do různých orgánů • M(etabolism) – proces biotransformace léku většinou do podoby hydrofilní, polárnější, a tak lépe eliminovatelné • hlavními orgány biotransformace jsou: – játra, ledviny (mikrosomální enzymy) » koncept prodrug > active drug (CFM > 4-OH,CFM) • E(limination) – finální exkrece léku • ve formě parentální sloučeniny nebo biotransformovaných metabolitů • cesty eliminace – moč, žluč, expirovaný vzduch, sliny, pot, mateřské mléko METABOLICKÉ BIOTRANSFORMACE •reakce fáze I (léčivo se proměňuje v polárnější metabolit připojením nebo odhalením funkčních skupin: •-OH, -NH2, -SH •reakce fáze II (tvorba vysoce polárních konjugátů se snadnou eliminací): •hlavním metabolickým orgánem jsou játra (ale i GIT, plíce, kůže, ledviny) FARMAKODYNAMIKA Zabývá se interakcí léčivo - receptor receptor Aktivní lék v místě receptoru Kaf Kdiss II. potenciální aplikace v onkologii …pharmacological attempts to treat cancer • …date back to years of II. World War – 1942 nitrogen mustard – 1948 aminopterin (later, methotrexate), 6- mercaptopurine – 1957 5-FU synthesized by Duschinsky » Importantly: all of these compound still being key components of the respective treatment protocols Source: Nature Reviews Cancer …chemotherapy = „guided toxicology“ • essentially, all anticancer agents have narrow therapeutic index – their toxicity can be regarded as • general: – an inherent feature of a cytotoxic compound(s) used • individual: – a feature of intraindividual variation, or susceptibility in „general“ toxicity host response versus tumor response • host response: – referred to as pharmacogenetics/genomics • tumor response: – referred to rather as „predictive oncology“ patient as a host – essentially, any tumor can be killed if sufficiently exposed to cytotoxic drug(s) • however, this is seldom compatible with „in vivo“ achievable dosage enabling survival of a host – nevertheless, this has led to „dose escalation concepts“ leading to high-dose chemotherapy tumor as target • „targeted therapeutics“, – focused against selective determinants present and/or active in the tumor, but not normal tissues » ! recent issues on EPO… • list of compounds is growing – herceptin as a prototype drug, now heading to adjuvant chemotherapy Common comorbidities interfering with anticancer treatment – Hypertension – Diabetes mellitus – Dyslipidemia – Heart disease and stroke – Chronic kidney disease – Drugs, alcohol and parapharmaceuticals abuse – Viral infections and their sequelae (hepatitis, etc) – …all often having detrimental influence on function of parechymal organs important in metabolism • …more significant in older patients realizing complexities of pharmacogenetics • …we are facing to: • polygenic models with significant nongenetic component (typically: chronic diseases of parenchymal organs) – multiple mechanisms influence a single trait – …SNPs not enough… (W.Evans, 2007) …příklady farmakogenetických determinant protinádorové chemoterapie • …připomeňme, že: • …jde většinou o enzymy jaterní tkáně hostitele zapojené v reakcích fáze I. a II. CYTOCHROM P 450 • mikrozomální enzym zapojený v I. fázi metabolických přeměn při oxidativních procesech •hemoprotein, ve své redukované formě (Fe++ ) váže oxid uhelnatý a tvoří komplex maximálně absorbující světlo vlnové délky 450 nm ( Omura, Sato 1964 ) •řada izoenzymů - nomenklaturní systém založený na rozdílné sekvenci aminokyselin •izoenzymy označovány CYP ( CYtochrom P450 ) 1A1 CYP 2D6 • AR typ dědičnosti (3 - 10 % bělochů ), popsána řada alelických variant • porušeny cytochrom P450-dependentní oxidace debrisochinu, sparteinu a dalších asi 40 léčiv zahrnující zejména psychofarmaka a beta-sympatomimetika • při snížené expresi CYP 2D6 resultuje porušená metabolizace ve zvýšenou plazmatickou hladinu léčiv a v korelaci s ní i ve zvýšené NÚL Drugs Metabolized (in part) by CYP2D6 Beta Blockers: carvedilol S-metoprolol propafenone timolol Antidepressants: amitriptyline clomipramine desipramine imipramine paroxetine Antipsychotics: haloperidol perphenazine risperidone=>9OH thioridazine zuclopenthixol alprenolol amphetamine aripiprazole atomoxetine bufuralol chlorpheniramine chlorpromazine codeine (=>O- desMeth) debrisoquine dexfenfluramine dextromethorphan duloxetine encainide flecainide fluoxetine fluvoxamine lidocaine metoclopramide methoxyamphetamine mexilletine minaprine nebivolol nortriptyline ondansetron oxycodone perhexiline phenacetin phenformin promethazine propranolol sparteine tamoxifen tramadol venlafaxine http://medicine.iupui.edu/flockhart /table.htm CYP2D6 Allele Defining Change Effect Activity *1 None detected None Extensive (Normal) *2 (*17) 1661, 2850C>T AA changes Normal/Decreased *3 2549A>del Frame-shift None *4 1846G>A Splicing defect None *5 Deletion Deleted None *6 1707T>del Frame-shift None *7 2935A>C H324P None *8 1758G>T Stop Codon None *9 2613-2615delAGA K281del Decrease *10 100C>T P34S Decrease *11 883G>C Splicing defect None *12 124G>A Splicing defect None *17 1023C>T AA Change Decreased . . . . *59 2291G>A Decr. mRNA Decreased http://www.imm.ki.se/CYPalleles/ CYP2D6 Problems • Allelic drop-outs • (currently ~0.1%) • Gene Deletions • Both copies of the gene can be deleted • Gene Conversions • CYP2D6 can be converted by CYP2D7P • Can produce intron 1 conversions or conversions elsewhere in the CYP2D6 gene • These may or may not amplify with or extend the usual primers • Neogenes • Hybrid genes: 5’-CYP2D6/CYP2D7-3’ • Hybrid genes: 5’-CYP2D7/CYP2D6-3’ • CYP2D6 Duplications • Which alleles are duplicated in heterozygous cases • Can be determined by fluorescence ratios in most cases • New test for gene duplications developed (J. Black) Tamoxifen Prodrug Metabolism Goetz, M. P. et al. J Clin Oncol; 23:9312-9318 2005 Copyright C 2005 American Society of Clinical Oncology SULT1A1 SULT1A1 CYP 3A4 • původně popsán na příkladu rozdílné oxidace nifedipinu Kleinbloesem CH., van Brummelen P., Faber H., 1984 • teniposid, etoposid • cyklofosfamid, ifosfamid • vinkristin, vinblastin, vindesin • paclitaxel a docetaxel Inter-individuální variabilita v metabolizaci paclitaxelu v závislosti na rozdílné expresi izoenzymů P 450 paclitaxel CYP2C8 CYP3A4 6-alfa-hydroxypaclitaxel 3´- OH paclitaxel URIDIN DIFOSFÁT GLUKURONYLTRANSFERASA (UGT) • početnější rodiny enzymů katalyzujících glukuronidaci řady endogenních substrátů a xenobiotik • UGT1 (glukuronidace bilirubinu a fenolů) • UGT2 (NSAID, morfin, zidovudin) UGT1 a IRINOTECAN, CPT 11 • derivát camptothecinu, inhibice topoizomerázy I irinotecan karboxylesteráza SN38 UGT 1A1 SN38 glukuronid Irinotecan Summary • CYP3A metabolizes Irinotecan in part • Irinotecan activated by carboxylesterases • SN-38 is active drug, blocks DNA replication • SN-38 inactivated by glucuronidation • SN-38 conjugate secreted into bile and the intestines SN-38- glucuronide UGT1A Tissue Distributions Liver 1A1 1A5 1A3 1A7 1A4 1A8 1A9 1A10 2B4 2B7 2B10 2B11 2B15 Colon 1A1 1A5 1A3 1A4 1A6 1A8 1A9 1A10 2B7 Biliary 1A1 1A5 1A3 1A9 1A4 1A6 1A10 Esophagus 1A7 1A1 1A8 1A3 1A9 1A4 1A10 1A5 2B7 1A6 2B10 2B4 2B15 Stomach 1A1 1A4 1A3 1A5 1A6 1A8 1A7 1A9 1A10 Intestines 1A1 1A6 1A4 2B4 1A8 UGT1A1 Deficiencies • Many mutations identified in this gene (>60), leading to inherited unconjugated hyperbilirubinemias (Gilbert and Crigler-Najjar syndromes) • Most common deficiency is insertion of an extra dinucleotide TA in a TA-repeat in the promoter of UGT1A1 (Gilbert) • This decreases gene expression and reduces enzymatic activity to 30% to 50% of normal UGT1A1 TA Promoter Repeats 5 6 7 8 THIOPURIN METHYLTRANSFERASA ( TPMP ) 6- merkaptopurin phosphoribosyltransferaza TPMP TGNs (aktivní intracel. thionukleotidy) 6-methylmerkaptopurin kys. thiomočová xantinoxidaza TPMP - př. genetického polymorfismu bělošská populace : 89 % vysoká, 11 % střední a 1 ze 300 nízká aktivita THIOPURIN METHYLTRANSFERASA ( TPMP ) • TPMP aktivita stanovována v erytrocytech • pozorována i inverzní korelace s hladinou thioguaninových nukleotidů • gen lokalizována na 6. chromozomu, • izolovány 2 deficientní mutantní alely TPMP*2, Ala to Pro kodon 80 a TPMP*3, Ala to Thr kodon 154 a Tyr to Cys kodon 240 • genotypizace se udávala v 80 % korelaci s fenotypem N-ACETYLTRANSFERASA ( NAT ) • acetylační fenotyp známý již z 50-tých let • 2 základní izoenzymy NAT1 a NAT2 (genetický polymorfismus objeven v roce 1990 a 1993 ) • bělošská populace : 50 % pomalých acetylátorů • 10 % asiatů nebo 5 % eskymáků • fenotyp pomalých acetylátorů spojen s vyšším rizikem určitých typů nádorů ?? (moč. měchýř, střevo) • inhibitor topoizomerázy II amonafid (studie MJ Rataina doporučila rozdílné dávkování podle acetylačního fenotypu :250 mg/m u pomalých resp. 375 mg/m u rychlých acetylátorů 5-FLUOROURACIL a (DPD) FdUMP - inhibice TS 5-fluorouracil FUTP - RNA dihydropyrimidindehydrogenaza (DPD) 5-DFHU (neúčinný metabolit) DIHYDROPYRIMIDINDEHYDROGENAZA • 10 - 20 % 5-FU se vylučuje nezměněno močí • až 80 % 5-FU je metabolizováno na 5-FDHU pomocí DPD • ?? % zůstane k dispozici pro biotransformaci na fluoropyrimidinnukleotidy pro vlastní cytotoxický efekt ?? ….je obtížné dosáhnout klinické odezvy bez navození významné systémové toxicity…. DIHYDROPYRIMIDINDEHYDROGENAZA 3 - 5 % populace je nosičem heterozygotní(ch) mutace(í) genu DPD snížená aktivita DPD závažná toxicita ?? dominantní role DPD v játrech ? - korelace s PBMC ? - role DPD v tumoru ? Farmakogenetika 2012…kde pramení deziluze …? – …pojmy: » farmakogenetika versus prediktivní onkologie – …často pouze suplement fenotypových testů: » Warfarin+INR, UGT1A1+bilirubin, antihypertensiva+TK – …relevantní biomarkery: » prof. Lindpaintner…“genotype may be the wrong place to look for biomarkers for drug response…“ (BMJ 2007:3,334) – …čas: » tamoxifen versus inhibitory aromatázy,…co se bude používat v klinice ? Metody ve farmakogenetice – aktivita limitujícího enzymu/receptoru • (složité, ale „definitivní“) – identifikace DNA změny genu limitujícího enzymu • jednoduché, ale musí být splněna asumpce, že mutace (PMF) se přímo odrazí v aktivitě, pouze asociace nemusí nutně být klinicky významná – sledování „downstream“ produktu(ů) „farmakogeneticky“ podmíněné reakce, např. SN-38, OH-taxany, apod.) „!“ Common comorbidities interfering with anticancer treatment – Hypertension – Diabetes mellitus – Dyslipidemia – Heart disease and stroke – Chronic kidney disease – Drugs, alcohol and parapharmaceuticals abuse – Viral infections and their sequelae (hepatitis, etc) – …all often having detrimental influence on function of parechymal organs important in metabolism • …more significant in older patients …emphasis on significance of clinical toxicity • 6-MP – myelosuppression • Erbitux – rash • MTX – mucositis (but not CNS toxicity ?), ALT, • 5-FU – myelotoxicity, GI toxicity, – …possibly others ? • …historically, attempts to dose chemotherapy according to the neutrophile nadir between cycles have been made …we may never be in a situation to get reliable „early warning“ signs we may rather go towards evaluating • rate phenomenons: rates of drug activation and elimination relations on an individual basis – irinotecan > SN38 > SN38 glucuronide • biomarkers, if available – pretreatment plasma folates, Hcys, antifolates, their biotransformation » the most known example: warfarin, CYP2C9/VKOR and INR • downstream phenomenons – such as induction of critical cellular events (p53 ?), provided that those events relate to the action of a drug – „collateral damage“ » treatment induced disturbances in plasma low-molecular proteome etc. evidence-based medicine versus personalized medicine – >…can these concepts be compatible ..? – EBM is built on robust group (populational) statistics, which has led to treatment protocols » whereas personalized medicine operates with rate of deviation from „group average“ • >>?…relevance of studying personalized medicine using standard clinical trial methodology – …back to studying „personifiable“ variations… – to adopt some degree of toxicity as efficacy marker…? …one sometimes needs to find the place to get inspired