1 Personalizovaná medicína a farmakogenetika farmakoterapie šitá na míru doc. RNDr. Petra Bořilová Linhartová, Ph.D., MBA ENVIRONMENTAL GENOMICS ̶ Multidisciplinární vědní obor, zabývající se optimalizací léčebných a diagnostických postupů u konkrétního pacienta s využitím moderních metod. Farmakoterapie respektující individuální predispozice pacienta • výběr vhodné kombinace léčiv pro dosažení maximální účinnosti a minimalizace rizika lékových interakcí a NÚ • specifické dávkování ̶ Definice Personalizovaná medicína Personalizovaná medicína2 SPRÁVNÁ DIAGNÓZA SPRÁVNÉ LÉČIVO VE SPRÁVNÉ DÁVCE PRO SPRÁVNÉHO PACIENTA VE SPRÁVNÉM ČASE ̶ Faktory ovlivňující účinnost a bezpečnost Farmakoterapie Personalizovaná medicína3 Genetická složkaInfekce Imunitní systém GI funkce KV funkce Fyzická aktivita Prostředí Stres Horečka Kosumpce alkoholu Interakce s jiným léčivem Dieta Choroby spojené se změněnou citlivostí na léčiva Kouření Renální funkce Jaterní funkce Cirkadiální a sezónní rytmicita Věk Pohlaví Gravidita ̶ Příčiny • vnější (adherence k léčbě…) • vnitřní (vrozená predispozice…) oMTHFR ̶ Odpovídavost Farmakoterapie Personalizovaná medicína4 Nonrespondér NÚ Nonrespondér bez NÚ Respondér bez NÚ Respondér NÚ Recidivující aftózní stomatitida 5 ̶ symptomatická terapie, podpůrná terapie – Škachova kůra kyselina listová, pyridoxin ̶ kyselina listová je pouze prekurzorem biologicky aktivní látky – folátu označeného jako vitamin B9 ̶ glukosaminová sůl 5-methylfolátu (4. generace) - oproti 3. generaci je dlouhodobě stabilní, má vysokou rozpustnost ve vodě, lepší biologickou dostupnost a bezpečnost ̶ RAS Terapie Farmakogenetika6 ̶ polymorfizmy: C677T, A1298C ̶ geneticky podmíněná snížená aktivity enzymu → zpomalená metylace homocysteinu na methionin → akumulace homocysteinu v plazmě → KV riziko ❖ Zvýšená prevalence tromboembolických poruch u nositelů ❖ u homozygotních nositelek variantních alel zvýšené riziko spontánních abortů ❖ výšená toxicita cytostatika CMF (cyklofosfamid, MTX, 5-FU) ̶ MTHFR (methylen-tetrahydrofolát-reduktáza) Kyselina listová Farmakogenetika7 Kyselina listová Dihydrofolát Enzym MTHR 5-methylfolát Tetrahydro folát Pilotní studie – PGx RAS Farmakogenetika8 Pilotní studie – PGx RAS Farmakogenetika9 ̶ 10 pacientů – genotypizovaní na haplogenotypy v genu MTHFR (IM a PM) ̶ Farmakoterapie v upraveném designu dvojitě zaslepené zkřížené studie (cross-over design) probíhala od jara 2018 v délce trvání 3 měsíců. ̶ Pacientům byl ve třífázovém schématu podáván aktivní folát (glukosaminová sůl 5methylfolátu), vitamíny B6 a D3 28x placebo 1x D3 28x B9 + B6 I. fáze kontrolní (28 dní) II. fáze terapeutická (28 dní) III. fáze sledovací (28 dní) 28x placebo ̶ Design Pilotní studie – PGx RAS Farmakogenetika10 Výsledky Pilotní studie – PGx RAS Farmakogenetika11 ̶ Výsledky ̶ zprostředkovává biologickou aktivitu vitaminu D ̶ VDR Pilotní studie – PGx RAS Farmakogenetika12 1,25(OH)2 D3 jádro VDRE DNA mRNA protein protein • ↑ funkce IS • ↑ apoptózy • ↓ angiogeneze VDR VDR mRNA VDR RXR 1,25(OH)2 D3 VDR RXR 1,25(OH)2 D3 Upraveno dle Khan TA, et al., 2015 ̶ Individualizace farmakoterapie – klinické hodnocení léčiva Farmakoterapie Personalizovaná medicína13 Nonrespondér s NÚ Nonrespondér bez NÚ Respondér bez NÚ Respondér s NÚ Testování dávky? Očekávaná odpověď při standardní dávce Risk/benefit? Stanovení genetického profilu Další faktory! ̶ Genetické faktory • nezbytná předchozí identifikací významných genových polymorfizmů na základě dlouhodobých klinických výzkumů • variabilita lékové odpovědi není obvykle dána jen variabilitou jednoho genu (monogenní variabilita) ale variabilitou mnoha genů (multigenní variabilita) • některé genetické faktory jsou na sobě nezávislé, jiné závislé ̶ Limitace Farmakoterapie Personalizovaná medicína14 ̶ Haplotypová dědičnost – některé genové polymorfizmy se sdružují do bloků – haplotypů, které se dědí společně Klein a Ritchie, 2017 ̶ Negenetické faktory – faktory vnějšího prostředí • genotyp sice není citlivý na vnější faktory, ovšem interakce drug-drug (léčivo s léčivem) a léková odpověď pacienta mohou být těmito vnějšími faktory ovlivněny. ̶ Genetické a negenetické faktory vedou k individuální odpovědi na léčivo. ̶ Přítomnost genového polymorfizmu pouze ukazuje na statisticky vyšší pravděpodobnost výskytu daného jevu (patologie, závažného NÚ, neúčinnosti terapie), který ovšem nemusí nastat. ̶ Terapeutické monitorování léčiv – opakovaná fenozypizace ̶ Limitace Farmakoterapie Personalizovaná medicína15 ̶ Farmako – věda zabývající se působením léčiva na živý organizmus a naopak ̶ Genetika – věda o dědičnosti Farmakogenetika se zaměřuje na variabilitu odpovědi na léčivo vyvolanou jednotlivými genovými polymorfizmy. ̶ Genomika – podobor molekulární biologie zabývajících se lidským genomem jako celkem Farmakogenomika se zaměřuje na variabilitu odpovědi na léčivo vyvolanou variabilitou v genomu. ̶ Definice Farmakogenetika vs. farmakogenomika (PGx) Personalizovaná medicína16 ̶ 1997 A. Marshall ̶ identifikace a genetické určení tzv. „drug targets“ (cílových struktur léčiva) - vývoj účinnějšího léčiva s menším počtem nežádoucích účinků ̶ studuje rozdílné účinky potenciálních léčiv in vivo i in vitro na genovou expresi jako celek, hodnotí expresní profily ̶ zkoumá vztah účinku léku na úrovni celého genomu, resp. transkriptomu ̶ Definice Farmakogenomika Personalizovaná medicína17 Kramer a Cohen, 2004 Marshall, 1997 ̶ 1959 F. Vogel ̶ studuje rozdílné účinky léčiva u rozdílných pacientů in vivo, které jsou dány přítomností dědičných variant genů ̶ hledání vztahu mezi metabolizmem, případně efektivitou léčiva, a přítomností polymorfizmů genů ̶ pro určení, který dostupný lék bude mít u konkrétního pacienta největší terapeutický benefit, zatímco nežádoucí účinky budou minimální ̶ Definice Farmakogenetika Personalizovaná medicína18 Vogel, 1959 Geny, které kódují: ̶ enzymy, zapojené v metabolizaci léčiva ̶ receptorové proteiny ̶ membránové transportéry ̶ proteiny iontových kanálů ̶ Kandidátní geny Farmakogenetika Personalizovaná medicína19 Variabilita odpovědi na léčivo Farmakodynamika léčiva Farmakokinetika léčiva Variabilita v kandidátních genech ̶ Frekvence v populaci: vzácná mutace x polymorfizmus ̶ Variabilita mezi jedinci i mezi populacemi ̶ Individuální rozdíly ve farmakokinetice/farmakodynamice ̶ Variabilita genomu Farmakogenetika Personalizovaná medicína20 Reference Ethnic group (population) CYP2C19*17 MAF (%) Hernandez-Suarez et al., 2018 Mixed (Latin Americans, Puerto Rico) 14.1 Fricke-Galindo et al., 2016 Caucasians (Sweden, Norway, Finland, Denmark) 20.8 Fricke-Galindo et al., 2016 Caucasians (Greece, Italy, Portugal, Spain) 42.0 Arici et al., 2016 Mixed (Turkey) 25.0 Jin et al., 2015 Chinese (Tibet) 1.56 Dehbozorgi et al., 2018 Mixed (Iran) 27.1 ̶ Primachin Farmakogenetika Personalizovaná medicína21 WHO, 2016 ̶ X recesivní ̶ Hemolytická anémie ̶ mtb xenobiotik (zvýšení polarity, konjugace s glutathionem, kys. glukuronovou) ̶ Kandidátní geny – enzymy, zapojené v metabolizaci léčiva – biotransformační enzymy Farmakokinetická variabilita Personalizovaná medicína22 Evans a Relling, 1999 I. fáze biotransformace II. fáze biotransformace ̶ Snížení aktivity daného enzymu Zpomalení metabolických dějů → zpomalené odbourávání léčiva → hromadění léčiva v organizmu → růst NÚ až intoxikace ̶ U proléčiva může snížená aktivita enzymu znamenat vytvoření nedostatečného množství aktivního metabolitu a nedostatečnou účinnost léčiva. ̶ Biotransformační enzymy Farmakokinetická variabilita Personalizovaná medicína23 ̶ Zvýšení aktivity daného enzymu Zrychlení metabolických dějů → zrychlené odbourávání léčiva → nedostatečná koncentrace léčiva v organizmu → nedostatečná účinnost léčiva ̶ Změna genové exprese ̶ Změna vazebné afinity k substrátům ̶ Špatný metabolizér (poor, PM) ̶ Intermitentní metabolizér (intermediate, IM) ̶ Normální metabolizér (normal/extensive, EM) ̶ Rychlý/ultrarychlý metabolizér (rapid/ultra rapid, UM) ̶ Kategorizace pacientů – predikce farmakokinetiky Farmakogenetika Personalizovaná medicína24 https://www.aruplab.com/topics/pharmacogenetics Zanger a Schwab, 2013 CYP2D6 a CYP2C19 AZV 2020-2023 Host microbiome in relation to Barrett´s esophagus (BE) and esophageal adenocarcinoma (EAC) development 25 Refluxní choroba jícnu esophageal squamous cell carcinoma (ESCC) Helicobacter pylori 26 Helgadottir & Bjornsson, 2019 27 Inhibitory protonové pumpy (PPIs) ̶ léčiva – snižují obsah HCl v žaludku ̶ substituované benzimidazoly sulfonamid ̶ kovalentní vazba s PP – ireverzibilní inhibice (2-4 dny) ̶ omeprazol, lansoprazol, rabeprazol, pantoprazol, esomeprazol ̶ indikace: acidopeptické choroby (profylaxe, léčba) ̶ u 30 % jedinců úspěšná léčba; u 70 % pacientů léčba nastavena nevhodně ̶ PPI Metabolizace léčiv Personalizovaná medicína28 OME/ ESOME LANSO PANTO RABE Litalien et al., 2005 ̶ Podílí se na metabolizmu: • omeprazolu (minoritně i CYP3A4), • citalopramu (ze 60 %), • diazepamu, • na konverzi proléčiva klopidogrelu na jeho aktivní metabolit, • i proguanilu. ̶ Cytochrom P450 – CYP2C19 Farmakokinetická variabilita Personalizovaná medicína29 alela význam *1 standardní enzym *2 PM, inaktivní enzym (aberantní splicing) *3 inaktivní enzym (stop kodon) *17 UM CYP2C19 30 *1 Wild allele *2 „Poor“ allele (aberrant splicing in exon) *17 Ultrarapid allele (promotor) ̶ PPI Personalizovaná medicína31 Doporučená terapie Interakční potenciál s klopidogrelem Využití CYP2C19 při metabolizaci PPI Efektivita eradikace H. pylori Chirurgický zákrok Predikovaný fenotyp dle aktivity CYP2C19 enzymu Frekvence fenotypu dle CYP2C19 haplogenotypu v české populaci (výsledky naší studie) Vlastnosti PPI Autoinhibice u EM DEX LANSO OME LANSO PANTO ESOME RABE Při selhání PPI terapie H. pylori nález 1,4 % 16,7 % 37,0 % 7,6 % 37,3 % PM IM EM AM UM Dávkování standardní 100 – 200 % standardního negativní pozitivní Borilova Linhartova et al., 2018 ̶ CYP2C19 haplogenotyp AM – funkční testování ̶ optimalizace terapie (dávkování, volba preparátu) pacientů s GERD dle CYP2C19 haplogenotypu ̶ lékové interakce! ̶ Amplichip – upgrade – CYP2C19*17 vysoce frekventní v české populaci ̶ Shrnutí Farmakogenetická studie I. 32 https://web.archive.org/web/20110906084 820/http://molecular.roche.com/assays/Pa ges/AmpliChipCYP450Test.aspx Farmakogenetika 33 p < 0.001, φ = 0.630 CYP2C19 Borilova Linhartova et al., 2018 ̶ PPI 34 CYP2C19 ̶ PPI Kosma et al., 201635 Lansoprazol 36 Prediktivní fenotyp ŠPATNÝ METABOLIZÁTOR INTERMEDIÁRNÍ METABOLIZÁTOR EXTENZIVNÍ METABOLIZÁTOR RYCHLÝ METABOLIZÁTOR ULTRARYCHLÝ METABOLIZÁTOR lansoprazol metabolity Kosma et al., 2016 37 Prediktivní fenotyp *1 wild type alela *2 ↓ aktivity CYP2C19 (aberantní sestřih v exonu 5) *17 ↑ aktivity CYP2C19 (promotor) ŠPATNÝ METABOLIZÁTOR INTERMEDIÁRNÍ METABOLIZÁTOR EXTENZIVNÍ METABOLIZÁTOR RYCHLÝ METABOLIZÁTOR ULTRARYCHLÝ METABOLIZÁTOR 2,2 % 18,6 % 40,5 % 27,6 % 4,8 % Biorender; FDA - guideline 38 Zkoumaná kohorty 495 MAF Frekvenční analýza 58 Lanzul® (30 mg) *17 *2 25,56 % 14,14 % Prediktivní fenotyp Reálný fenotyp qPCRLCUV/MS Biorender; Bořilová Linhartová et al., 2018 39 Metodika 9 ml (EDTA) centrifugace 2 000 g (10 min) plazma Biorender 58 jedinců (profylaxe, léčba acidopeptické choroby) odběr po 3 hod Vylučovací kritéria: • užívání třezalky (induktor CYP2C19, CYP3A4 - ↓ účinku PPI) • Užívání léčiv ovlivňující metabolickou aktivitu CYP2C19 • Rozsah popálené plochy > 20 % TBSA • Pacienti s hepatální dysfunkcí Lanzul® (30 mg) plná krev + dest. voda Analýza fenotypu LC UV / LC MS Analýza genotypu qPCR 40 ̶ qPCR Metodika ̶ LC UV / LC MS ̶ kolona: Kinetex C18 (Phenomenex; 100 × 3,0 mm; velikost částic 2,6 μm) ̶ detekce: ̶ Lansoprazol – UV detekce při 280 nm (detektor diodového pole) ̶ 5-hydroxylansoprazol – MS detekce - Bruker EVOQ Qube trojitý kvadrupólový hmotnostní spektrometr s elektrosprejovou ionizací ̶ genotypizace variant *17 a *2 CYP2C19 41 ̶ 495 jedinců Frekvence prediktivních fenotypů CYP2C19 ̶ Subskupina 58 jedinců 0,8 18,0 8,7 37,4 27,9 7,3 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,0 17,2 15,5 39,7 19,0 8,6 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 2,2 18,6 6,4 40,5 27,6 4,8 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% EUR 1,7 mil jedinců 42 Závislost plazmatické hladiny LAN a OHL na prediktivním fenotypu CYP2C19 ̶ p=0,975 Gumus et al., 2012 ̶ p=0,244 ̶ Snížená afinita léčiva k pozměněnému receptoru ̶ Chybná regulace obnovy receptoru ̶ Pozměněný nebo chybějící cílový protein (strukturní, enzym…) ̶ Nefungující nebo alternativně fungující signální kaskáda ̶ Nedostatek/nadbytek endogenního produktu ̶ Kandidátní geny – receptorové proteiny Farmakodynamická variabilita Personalizovaná medicína43 Johnson a Cavallari, 2013 Personalizovaná medicína44 Individualizovaná farmakoterapie Imunofarmakogenetická studie: IVIg v terapii TEN Borilova Linhartova a Lipovy, 2020 ̶ WGS Individualizovaná farmakoterapie Personalizovaná medicína45 Caspar et al., 2020 ̶ Testovací panely Individualizovaná farmakoterapie Personalizovaná medicína46 http://personalizedhealthsolutions.com/services/pharmacogenomics/http://agenabio.com/areas-of-interest/pharmacogenetic-solutions/ Amplichip CYP450 Test ̶ Farmakogenetické vyšetření se provádí z nesrážlivé periferní krve odebrané do EDTA (2 ml). ̶ Prevence výskytu nežádoucích účinků ̶ Predikce účinnosti ̶ Vyšetření Individualizovaná farmakoterapie 47 Personalizovaná medicína Léčivo Geny Abakavir HLA-B*5701 Azathioprin TPMT 6-merkaptopurin 6-thioguanin Irinotekan UGT1A1 Warfarin CYP2C9, VKORC1 Opioidy CYP2D6, OPRM1 Klopidogrel CYP2C19 Tamoxifen CYP2D6 Herceptin HER2 ̶ Vyšetření Individualizovaná farmakoterapie 48 Personalizovaná medicína Léčivo Biomarkery Cetuximab EGFR, KRAS Dasatinib Ph+ CML Erlotinib EGFR Gefitinib EGFR-TK Imatinib Ph+ CML Maravirok CCR5 Nisotinib Ph+ CML Panitumumab EGFR, KRAS Rasburikaza G6PDH Trastuzumab HER2 Pharmacogenetic and Pharmacogenomic KnowledgeBase (PharmGKB) ̶ CÍL: vytvořit dokonalý zdroj informaci o interakcích mezi genetickou variabilitou a lékovou odpovědí www.pharmgkb.org ̶ Clinical Pharmacogenetics Implementation Consortium (CPIC) ̶ CÍL: vytvořit volně dostupné, recenzně hodnocené doporučení pro dávkování léčiv pro ty, kteří mají přístup k preventivnímu genetickému testování ̶ „CLINOMICS“ (Aplikovaná klinomika) – studuje genomická data společně se souvisejícími daty klinickými ̶ Databáze PGx Personalizovaná medicína49 50 Personalizovaná medicína Mikrobiom a farmakoterapie doc. RNDr. Petra Bořilová Linhartová, Ph.D., MBA Ústav lékařské genetiky, LF MU Personalizovaná medicína 2021 ̶ Mikrobiota • Tvoří 1-3 % tělesné váhy člověka • Komplexní ekosystém dle specifické lokalizace a podmínek • 10x více bakterií než je buněk v lidském těle ̶ Mikrobiom je soubor genů všech mikroorganizmů osidlujících lidské tkáně a tekutiny • Jedinečný otisk • Projekt • 100x více genů mikrobiomu než v lidském genomu (27 tis. genů) ̶ Úvod Lidská mikrobiota a mikrobiom Personalizovaná medicína51 NIH Human Microbiome Project Arnold et al., 2019 ̶ Mozek • Osobnost a myšlení ̶ Imunitní systém • Adaptivní IS ̶ Genom • Fenotyp ̶ Filozofický pohled Člověk Personalizovaná medicína52 Rees et al., 2018 Lidská mikrobiota ̶ Eukaryota • Houby • Prvoci ̶ Bakterie ̶ Archaea ̶ Viry ̶ Spojivky ̶ Ústní dutina ̶ Dýchací cesty ̶ Mléčné žlázy ̶ GIT ̶ Kůže ̶ Urogenitální trakt ̶ Osa střevo-mozek • Stres, deprese, autismus, PD, AD • Regulace pomocí pre- a probiotik ̶ SCFA regulují GPR41zprostředkovanou aktivitu sympatického NS – E výdej ̶ Tryptofan má přímý vliv na spánek ̶ Neurotransmitery ̶ Cytokiny ̶ Mozek Lidská mikrobiota Personalizovaná medicína53 Kimura et al., 2011 Jenkins et al., 2016 Cryan a Dinan, 2012 ̶ SCFA • Stimulace produkce střevního hlenu • Diferenciace B buněk na plazmatické buňky produkující Ig • Spojeny s protizánětlivým fenotypem (inhibice histonových deacetyláz) ̶ Bacteroides fragilis PSA • Indukce CD4+ T lym profil – indukce Treg a suprese Th17 a Th1 ̶ Niacin, tryptofan, taurin (inflamazom) ̶ Imunitní systém Lidská mikrobiota Personalizovaná medicína54 Rooks a Garrett, 2016 Belkaid a Hand, 2014 ̶ Epigenetické modifikace ̶ Metabolizace xenobiotik (nepřímo/přímo) ̶ Personalizovaná terapie ̶ „Druhý genom“ Lidský mikrobiom Personalizovaná medicína55 Spanogiannopoulos et al., 2016 Střevní mikrobiota Mikrobiální metabolity Metabolity hostitele Střevní mikrobiota Modifikované metabolity hostitele Změna v metabolizaci xenobiotik hostitelem Neaktivní forma Aktivní forma Aktivní forma Toxický metabolit Anti- mikrobiální účinek Selektivní bakteriální růst Sayers et al., 2018 Proléčivo Léčivo nebo metabolit ̶ terapie pacienta se srdečním selháním nebo arytmii pomocí digoxinu ̶ Eggerthella lenta – běžně, jen specifický kmen s geny cgr1 a cgr2 inaktivuje digoxin ̶ Arg inhibuje operon cgr1 / cgr2 geny ̶ Farmakoterapie Lidská mikrobiota Personalizovaná medicína56 Koppel et al., 2018 ̶ orální antivirotikum sorivudin ̶ protinádorové léčivo tegafur ̶ Bacteroides sp. ̶ Farmakoterapie Lidská mikrobiota Personalizovaná medicína57 http://www.discoverymedicine.com/Alain-Li-Wan- Po/files/2013/05/discovery_medicine_no_84_alain_li -wan-po_figure_2.jpg.jhtml?id=2|attachment_11 ̶ Vize Hostitelský mikrobiom Personalizovaná medicína58 ̶ Interakce mezi hostitelem a mikrobiomem – kombinace přístupů Current Methods for Studying the Human Microbiome, 2017) ̶ Vývoj léčiv: • s vyšší účinností (identifikace genů tzv. „drug targets“) • s nižšími NÚ (stanovení individuální genetické predispozice pacienta + PREDIKCE účinnosti/toxicity potenciálních léčiv na základě změn v profilu genové exprese) • pro cílenou a kauzální terapii, tj. genovou terapii (identifikace genů asociovaných s patogenezí choroby) ̶ Postavení farmakogenetiky a farmakogenomiky je kruciální. ̶ Vize Farmaceutický výzkum Personalizovaná medicína59 ENVIRONMENTAL GENOMICS ̶ Tato prezentace je autorským dílem vytvořeným zaměstnancem Masarykovy univerzity. ̶ Studenti kurzu/předmětu mají právo pořídit si kopii prezentace pro potřeby vlastního studia. ̶ Jakékoliv další šíření prezentace nebo její části bez svolení Masarykovy univerzity je v rozporu se zákonem. Informace o duševním vlastnictví Personalizovaná medicína61