Pharmakogenetik. Querschnittsbereich Klinische Pharmakologie. Sven Cichon, Britta Haenisch

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1 Pharmakogenetik Querschnittsbereich Klinische Pharmakologie Sven Cichon, Britta Haenisch Institut für Humangenetik Abteilung Genomics Forschungszentrum Life & Brain Universität Bonn

2 Variabilität der Arzneimittelwirkung + = + = + = Wirksamkeit von Arzneimitteln ca. 1/3 der Patienten erwarteter therapeutischer Nutzen eines Arzneimittels ca. 2/3 der Patienten verringerter Nutzen oder schlechte Verträglichkeit der Medikation

3 Pharmakogenetik Pharmakogenetik: Unterschiedliche Arzneimittelwirkung in Abhängigkeit von einzelnen individuellen genetischen Varianten Pharmakogenomik: Betrachtung des gesamten Genoms zur Identifizierung von genetischen Faktoren, welche die Arzneimittelwirkung beeinflussen Ziele Verbesserung der Wirksamkeit und Verträglichkeit von AM Identifizierung von drug targets Erleichterung der Arzneimittelentwicklung in Zukunft: personalisierte Medizin

4 Frühe Geschichte der Pharmakogenetik 1902: chemical individuality (Garrod) 1932: erste pharmakogenetische Studie: vererbte Unterschiede in der Fähigkeit, Phenylthiocarbamid zu schmecken, taste blindness (Snyder) 2. Weltkrieg: Hämolyse bei afroamerikanischen Soldaten, die mit Primaquin behandelt wurden 1953: Entdeckung der langsamen und schnellen Acetylierung von Isoniazid (Bönicke und Reif) 1957: erster Grundlagenartikel : inheritance might explain many individual differences in the efficacy of drugs and in the occurrence of adverse drug reactions (Motulsky) 1959: Einführung des Begriffes Pharmakogenetik (Friedrich Vogel) 1975 und 1979: Entdeckung des Debrisoquin-Spartein-Polymorphismus (CYP2D6 Polymorphismus) durch Smith (London) und Eichelbaum/ Spengler (Bonn) 1980: Entdeckung des TPMT Polymorphismus (Weinshilboum und Sladek) 1980er/1990er: Molekularbiologische Identifizierung zahlreicher pharmakogenetisch relevanter DNA-Varianten 1997: Prägung des Begriffs Pharmakogenomics

5 Variabilität der Arzneimittelwirkung Intrinsische Faktoren Alter Geschlecht Gewicht Ethnizität Gesundheitszustand (z.b. Leber- Nierenfunktion) genetische Polymorphismen (metabolisierende Enzyme, Transporter, Rezeptoren, etc) Extrinsische Faktoren Ernährung Umwelteinflüsse Arzneimittel (Interaktionen) Compliance Lebensgewohnheiten Rauchen Stress Alkohol Sport Pharmakokinetik Pharmakodynamik Arzneimittelwirkung

6 Pharmakogenetische Mechanismen variabler Arzneimittelwirkungen

7 Pharmakokinetik L Liberation (Freisetzung) A Absorption (Resorption) D Distribution (Verteilung) M Metabolism (Verstoffwechslung) E Excretion (Ausscheidung)

8 Pharmakokinetik Pharmakodynamik Wirkort Transporter Absorption Pharmakon Distribution (Blut, Gewebe, ) Aktiver Metabolit Exkretion Applikation + Liberation Transporter Metabolismus Phase I und II

9 Pharmakokinetik Pharmakodynamik Rezeptoren Transporter Enzymsysteme Signaltransduktion etc. Wirkort Transporter Applikation + Liberation Absorption Pharmakon Distribution (Blut, Gewebe, ) Aktiver Metabolit Metabolismus Exkretion

10 Metabolismus Enzymatische Biotransformation von Arzneistoffen Phase I-Reaktionen Einführung oder Freilegung funktioneller Gruppen durch Oxidation, Reduktion, Hydrolyse, Hydratisierung Phase II-Reaktionen Konjugationsreaktionen: Glucuronidierung, Acetylierung, Sulfatierung, Methylierung, Konjugation mit Aminosäuren oder Glutathion Phase II-Reaktionen können bei Vorliegen funktioneller Gruppen auch ohne vorgeschaltete Phase I-Reaktionen stattfinden Umwandlung überwiegend lipidlöslicher Stoffe in wasserlösliche Metabolite Elimination Inaktivierung Generierung der Wirkform (aus prodrug)

11 Metabolismus Enzymatische Biotransformation von Arzneistoffen Phase I-Reaktionen Einführung oder Freilegung funktioneller Gruppen durch Oxidation, Reduktion, Hydrolyse, Hydratisierung CYP1A1/2 CYP1B1 CYP2A6 Esterasen CYP2B6 CYP2C8 DPD andere ADH ALDH CYP2C9 CYP2C19 CYP3A4/5/7 CYP2D6 ALDH Aldehyddehydrogenase ADH Alkoholdehydrogenase DPD Dihydropyrimidindehydrogenase Anteil Enzyme an Phase I Reaktionen CYP2E1

12 Metabolismus - Phase I Oxidative Biotransformation von Arzneistoffen überwiegend durch Monooxigenasen, Cytochrom-P 450 Enzyme, in der Leber (membrangebunden im endoplasmatischen Retikulum) Cytochrom-P 450 Isoenzyme in der Leber CYP2C19 CYP2D6 CYP2C8 CYP2C9 CYP2E1 andere CYP1A2 CYP3A4 CYP2B6 CYP2A6 z.t. mehrere Enzyme am Metabolismus eines Arzneistoffes beteiligt Arzneistoffe als Substrate von CYP 450 Enzymen CYP3A4 >50% CYP2D % CYP2C9 10%

13 Beispiele für CYP3A4 Substrate Amlodipin Eplerenon Pimozid Aprepitant Erythromycin Propranolol Astemizol Felodipin Risperidon Atorvastatin Fentanyl Ritonavir Buspiron Finasterid Salmeterol CYP3A4 Cerivastatin Cisaprid Clarithromycin Cocain Ciclosporin Dapson Dexamethason Haloperidol Indinavir Irinotecan Lidocain Lovastatin Methadon Midazolam Sildenafil Sirolimus Tacrolimus Tamoxifen Taxol Trazodon Triazolam bis zu 50%ige Unterschiede in konstitutiver Expression häufig Induktion oder Hemmung durch endogene und exogene Faktoren Bedeutung von Polymorphismen unklar Dextromethorphan Nelfinavir Verapamil Diazepam Nifedipin Vincristin Diltiazem Nisoldipin Zaleplon Docetaxel Nitrendipin Ziprasidon Domperidon Ondansetron Zolpidem

14 Beispiele für CYP2D6 Substrate Neuroleptika Antidepressiva Amitritylin Clomipramin Desipramin Duloxetin Fluoxetin Fluvoxamin Imipramin Nortriptylin Paroxetin Venlafaxin Chlorpromazin Haloperidol Perphenazin Promethazin Risperidon Zuclopenthixol Betablocker Carvedilol Metoprolol Nebivolol Propranolol Antiarrythmika Encainid Flecainid Lidocain Mexiletin Opioide Codein Tramadol weitere Amphetamin Atomoxetin Debrisoquin Metoclopramid Ondansetron Spartein Tamoxifen Timolol

15 CYP2D6-Polymorphismus Ursprünlicher Name: Debrisoquin-Spartein-Polymorphismus Phänotyp PM poor metabolizer IM intermediate metabolizer EM extensive metabolizer UM ultrarapid metabolizer

16 CYP2D6-Polymorphismus Polymorphe Verteilung UM EM IM PM Metabolischer Quotient (metabolic ratio) = [Ausgangssubstanz] [Metabolit] nach Meyer 2004

17 CYP2D6 und Dosisanpassung CYP2D6 Genotyp-basierte Dosisempfehlung für Antidepressiva und Neuroleptika nach Kirchheiner et al. 2004

18 CYP2D6-Polymorphismus Populationsunterschiede nach Ingelmann-Sundberg et al Johannson und Ingelmann-Sundberg 2008

19 CYP2D6 und Tamoxifen Tamoxifen: selektiver Östrogenrezeptor Modulator; Einsatz bei hormonabhängigem Brustkrebs; Wirkform: Metabolite, bsd. Endoxifen Tamoxifen (TAM) CYP2D6 CYP2B6, CYP3A4, CYP2C9, CYP2C19 4-Hydroxy- TAM CYP3A4/5, CYP2C9, weitere CYP-Isoformen CYP3A4/5 CYP2D6 N-Desmethyl- TAM Endoxifen nach Jin et al. 2005

20 Klinische Relevanz CYP2D6 und Tamoxifen Keine Tamoxifen- Behandlung Tamoxifen- Behandlung CYP2D6 Defektallel-Träger: Höheres Rückfallrisiko bei Tamoxifen-Behandlung Beispiel für verminderte Aktivierung bei PM nach Schroth et al. 2007

21 CYP2D6 und Tamoxifen Studien: Assoziation zwischen CYP2D6 Genotyp und Rückfallrisiko bei Brustkrebs unter Tamoxifen-Therapie Alternativen? Aromatase-Inhibitoren bei postmenopausalen Patientinnen nach Henry et al. 2008

22 CYP2D6 und Codein, ein Fallbeispiel Tod eines Säuglings. Er starb an einer Morphinüberdosierung (Blutkonzentration 70 ng/ml). Seine stillende Mutter bekam Codein (30 mg), zwei Tabletten alle 12 h gegen Schmerzen nach Episiotomie. Metabolisierung von Codein zu Morphin CYP2D6 Vermutlicher Phänotyp (Genotyp) der Mutter bezüglich CYP2D6? UM (Genduplikation) Codein Beispiel für erhöhte Aktivierung bei UM Metabolisch entstandenes Morphin nach Koren et al. 2006

23 Dihydropyrimidindehydrogenase (DPD) Abbau von 5-Fluoruracil (5-FU; Zytostatikum) zum inaktiven Dihydro-5-FU (5-FUH 2 ) Probleme 5-FU: geringe therapeutische Breite große interindividuelle Dosisvariabilität 5-FU 5-FUH 2 dosislimitierende Toxizität: Neutropenie, Agranulozytose, Mukositis, Hand-Fuß- Syndrom, Diarrhoe >30 DPYD (Gen) Mutationen bekannt, 50% DPD*2A bei verminderter DPD-Aktivität verlängerte t 1/2 von 5-FU lebensbedrohliche Toxizität Häufigkeit homozygoter Varianten <1% (bei Europäern) DPD Wildtyp Standarddosierung DPD*2A heterozygot individuelle Dosierung homozygot keine Therapie mit 5-FU möglich

24 Metabolismus Enzymatische Biotransformation von Arzneistoffen Phase I-Reaktionen Einführung oder Freilegung funktioneller Gruppen durch Oxidation, Reduktion, Hydrolyse, Hydratisierung Phase II-Reaktionen Konjugationsreaktionen: Glucuronidierung, Acetylierung, Sulfatierung, Methylierung, Konjugation mit Aminosäuren oder Glutathion UGTs Anteil Enzyme an Phase II Reaktionen andere NAT2 NAT1 TPMT GSTs HMT COMT STs NAT1/2 N-Acetyltransferase UGT Uridin-Diphosphat- Glucuronosyltransferase GST Gluthathion-S- Transferase ST Sulfotransferase HMT Histaminmethyltransferase COMT Catechol-O- Methyltransferase TPMT Thiopurin-S- Methyltransferase

25 Acetylierung N-Acetyltransferase 2 (NAT2) Polymorphismus in den 1940er Jahren: hohe Inzidenz von peripherer Neuropathie und Hepatitis bei Patienten mit Tuberkulose, denen Isoniazid gegeben wurde 1953: Ursache für Metabolismusunterschiede ist der Acetylierungsstatus 1959: Genetische Faktoren beeinflussen den Acetylierungsstatus Acetyl-CoA CoA nach Weinshilboum und Wang 2004

26 Acetylierung N-Acetyltransferase 2 (NAT2) Polymorphismus Populationsunterschiede nach Sabbagh et al. 2008

27 Acetylierung N-Acetyltransferase 2 (NAT2) Polymorphismus NAT2 Substrate Beispiele: Coffein, Dapson, Isoniazid, Procainamid, Hydralazin, Nitrazepam, Aminoglutethimid, Sulfasalazin, Sulfonamide Klinische Relevanz bei Langsam-Acetylierern Isoniazid periphere Neuropathie, Hepatitis Procainamid, Hydralazin Lupus erythematodes Sulfonamide Stevens-Johnson-Syndrom Sulfasalazin Hämolyse, transiente Retikulozytose in Schwellen- und Entwicklungsländern: Isoniazid als Monotherapie (1-2x wöchentlich) bei Tuberkulose Therapieversager bei Schnell-Acetylierern

28 Methylierung Thiopurin-S-Methyltransferase (TPMT) S-Methylierung von aliphatischen und aromatischen Aminen und heterocyclischen Verbindungen Arzneistoff-Substrate der TPMT: z.b. Azathioprin, 6-Mercaptopurin, Thioguanin Indikationen: Immunsuppression, Therapie bei akuter lymphatischer und myeloischer Leukämie Azathioprin 6-Mercaptopurin Thioguanin

29 Methylierung Thiopurin-S-Methyltransferase (TPMT) TPMT-Aktivität von Polymorphismen abhängig 0,6% homozygote Defektallel-Träger 9,6% heterozygote Defektallel-Träger 89,8% Wildtyp homozygote Defektallel-Träger: erhöhtes Risiko für lebensbedrohliche Pancytopenien Dosisreduktion um 10-20% erforderlich erhöhte TPMT Aktivität (Wildtyp): Wirksamkeit von Thiopurinen vermindert Testung auf häufigste TPMT-Defektvarianten vor Behandlungsbeginn Problem: viele seltene Varianten werden nicht erfasst nach Schaeffeler et al. 2004

30 TPMT, ein Fallbeispiel 38-jähriger Europäer mit Nierentransplantation. Zur Vermeidung der Abstoßungsreaktion u.a. Gabe von Azathioprin. 2 Wochen nach Absetzen von Azathioprin drohende Abstoßungsreaktion Ersatztherapie: Mycophenolat-Mofetil keine Probleme mehr Was war das Problem? TPMT*3A/*3C Genotyp homozygoter Defektallel- Träger, kaum Abbau von Azathioprin nach Kurzawski et al. 2005

31 Pharmakogenetische Mechanismen variabler Arzneimittelwirkungen

32 P-Glycoprotein (P-gp) Transport membranständiger ABC (ATP binding cassette) Transporter, kodiert durch ABCB1 Gen ubiquitäre Expression in zahlreichen Geweben: Darm, Leber, Niere, Gehirn (Endothel cerebraler Blutgefäße: Blut-Hirn-Schranke); aber auch in Tumorzellen Funktion: Schutz vor exogen zugeführten toxischen Substanzen (Effluxtransporter); typische Substrate: lipophile, basische und neutrale Stoffe Viele Arzneistoffe sind P-gP Substrate Beispiele: Analgetika Antibiotika Antiemetika HIV-Protease-Inhibitoren Zytostatika Morphin, Methadon Erythromycin, Valinomycin Ondansetron, Domperidon Saquinavir, Ritonavir, Nelfinavir Mitomycin, Doxorubicin, Paclitaxel, Irinotecan Veränderte Transportfunktion durch P-gp Polymorphismen und Änderung der P-gp Expression Folgen: Überexpression in Tumorzellen Zytostatika-Resistenz Veränderte Aufnahme, Verteilung und Elimination von Arzneistoffen Einfluss auf Pharmakokinetik, und dynamik Wirkungsverlust oder verstärkte NW

33 Transport P-Glycoprotein (P-gp) Polymorphismen im ABCB1 Gen und Antidepressivaresponse P-gp SNP rs A) P-gp Substrate: Amitriptylin, Citalopram, Paroxetin, Venlafaxin nach 4 Wochen: C-Allel-Träger höhere Remissionsrate [OR:7,7 (CI 2,8-21,3), p<0,001] B) Kein P-gp Substrat: Mirtazapin nach 4 Wochen: kein Unterschied zwischen C- und T-Allel-Trägern P-gp SNP rs Zeitverlauf (keine Remission) C) P-gp Substrate nach 6 Wochen 62% nicht-c-allel-träger depressiv, 25% C-Allel-Träger depressiv nach Uhr et al D) Kein p-gp Substrat: kein Unterschied in der Remission

34 Pharmakogenetische Mechanismen variabler Arzneimittelwirkungen

35 β-adrenozeptoren Wichtige Polymorphismen und Minor Allel Frequenzen (Europäer) Humaner β 1 - Adrenozeptor (AR) Rot und blau: gemeinsame Aminosäuren von β 1 AR und β 2 AR β 1 AR Ser 49 Gly A/G 15% β 2 AR Gly 16 Arg A/G 42% β 2 AR Gln 27 Glu C/G 41% β 1 AR Arg 389 Gly C/G 30% Beide Rezeptortypen: Gs-Kopplung

36 β 1 -Adrenozeptoren Kardiale Effekte nach Gabe eines β 1 -Adrenozeptorantagonisten (Betablocker) in Abhängigkeit vom Genotyp Metoprolol-Gabe, hypertensive Patienten Atenolol-Gabe, gesunde Probanden nach Sofowora et al und Johnson et al. 2003

37 β 2 -Adrenozeptoren β 2 -Agonist-(Bronchodilatator) response bei Asthmapatienten in Abhängigkeit vom Genotyp 190 europäische Asthmapatienten: morgendlicher und abendlicher PEF bei Arg16 Genotyp unter Standardtherapie reduziert nach Israel et al. 2000

38 Apolipoprotein E (APOE) Alzheimer-Erkrankung (AD) häufigste Form der Demenz; Erblichkeit bis 76%; genetisch komplexe Erkrankung; Neuropathologie: extrazelluläre Plaques (β-amyloid), intrazelluläre neurofibrilläre Tangles (tau-protein); 95% late onset (u.a. APOE: Suszeptibilitätsgen); APOε4 Allel: 3-4 fach höheres Risiko für AD Behandlung: überwiegend ACh-Esterase-Inhibitoren (z.b Tacrin, Donepezil, Galantamin) nach Poirier et al. 1995

39 Genotyp-Analyse mit DNA-Chip Roche AmpliChip CYP450 Detektion von 27 CYP2D6 und 3 CYP2C19 Allelen mit Bestimmung des entsprechenden Phänotyps Evaluation der CYP2D6 Testperformance Genotyp-Voraussage: 100% Phänotyp-Voraussage: nach Rebsamen et al. 2009

40 Pharmakogenomik Suche nach Genen, die Einfluss auf Pharmakoresponse haben Identifizierung neuer drug targets und krankheitsrelevanter Pathways 1000 genomes project next-gen sequencing nach Evans und Relling 2004

41 Pharmakogenomik Möglicher Beitrag der Pharmakogenomik zur Arzneimittelentwicklung Entdeckung und Validierung von krankheitsrelevanten Genen Zulassung Präklinische Phase Target Identifizierung, High throughput-screening Klinische Phase Phase I Phase II Phase III Phase IV Funktionelle Untersuchung der Polymorphismen Vor-Selektion bekannter Varianten Selektion bekannter, Identifizierung neuer Varianten Identifizierung von Polymorphismen und Varianten (involviert in Pharmakoresponse und UAWs) Individualisierte Therapie

42 Status quo - Anwendung Beispiele Pharmakogenetik Onkologie hohe Evidenz Verhinderung lebensbedrohlicher Nebenwirkungen oder Therapieversagen, Beispiel: Tamoxifen Psychiatrie mäßige Evidenz Dosisindividualisierung und Abschätzen von Therapieversagen (Relevanz bei Suizidgefährdung), Bsp.: SSRIs Transplantationsmedizin steigende Evidenz Verhinderung lebensbedrohlicher Nebenwirkungen, Bsp.: Azathioprin Kardiovaskuläre Erkrankungen steigende Evidenz Schmerztherapie steigende Evidenz

43 Grenzen und Ausblick Grenzen Unklare klinische Relevanz einiger Genvarianten (z.b. CYP3A4) Genotyp-Phänotyp-Korrelationen [z.b. Unterscheidung IM/EM/UM (CYP2D6)] Kontroverse Studienergebnisse (z.b. Betarezeptoren) Komplexe Interaktionen verschiedener Stoffwechselwege erschwert effiziente Anwendung Alternativen der biochemischen Untersuchung z.t. kostengünstiger und etabliert (z.b. Dosisindividualisierung durch Metabolitbestimmung, Therapeutisches Drug Monitoring) Integration im Klinikalltag, Bewusstsein für pharmakogenetische Tests schaffen Kostenübernahme durch Krankenkassen (Kosten-Nutzen-Rechnung) Ausblick Verbesserung des Therapieerfolgs in weiteren Bereichen Verminderung von UAWs ( tödliche UAWs/Jahr in D) langfristiges Ziel: individuelle Therapie (Personalized medicine)