药物基因组学的研究及应用进展ppt课件.ppt

药物基因组学,1,概述药物相关基因的分类药物基因组学的研究方法药物基因组学的应用基因芯片技术在药物基因组学研究中的应用,2,概述,1.药物基因组学的定义Pharmacogenomics是研究基因序列多态性与药物效应多样性之间关系，即基因本身及其突变体与药物效应相互关系的一门科学。,3,药效个体差异：个体对药物的反应在分子水平存在的差异。个体差异早就为人所知基因组学的开展与深入药物基因组学是基因功能学与分子药理学的有机结合,4,药物基因组学与一般意义上基因组学的区别它不以发现人体基因组基因为主要目的相对简单地运用已知的基因理论改善病人的治疗，药物基因组学是以药物效应及安全性为目标，研究各种基因变异与药效及安全性的关系。,5,基因变异,安全性,药效,6,2.药物基因组学的诞生早在20世纪50年代，人们就发现不同的遗传背景会导致药物反应的差异，而这些差异是由基因多态性造成的基因组中每500-1000bp就有1个呈现变异，但是直到20世纪80年代这些差异才引入药物遗传学。人们发现了许多具有基因多态性的酶，在此基础上建立了药物基因组学。,7,研究影响药物吸收、转运、代谢、清除、效应等个体差异的基因特性，即决定药物行为和敏感性的全部基因的新学科。基因多态性与药物效应及不良反应之间的关系，并在此基础上研制新的药物或新的用药方法药物代谢药物转运药物靶分子,8,3.国外药物基因组学的研究动态1997年6月28日,金赛特（巴黎）可伯特实验室宣布成立世界上第一个独特的基因与制药公司研究药物基因组学，随后已有几十家公司已涉及此领域。目前，药物基因组学已涉及的研究领域包括：,9,实验室和（或）公司研究领域1.AeiveosSciencesGroup年龄相关的基因及基因作用(Seattle,WA)2.AvitechDiagostics酶基因突变检测方法(Malvern,PA)。3.EuronaMedical,AB药物效应与遗传学关系(Upsala瑞典)4.GeminiResearch,Ltd根据表型发现新的基因，孪生(Cambridge,英国)子研究5.Genaissance遗传多态性、发现相关同源Pharaceeuticals,Inc基因、乳腺癌基因、血管损伤基因等,10,实验室和（或）公司研究领域6.GenomeTherapeutics人类高分辨率基因多态性数据库Crop,(Waltham,MA)7.金赛特高密度的等位基因图，6万个标识物8.Variagenics,Inc根据杂合型缺失型设计的抗癌治疗，(Gambrige,MA)抗癌药物基因组学9.LionBioscience,AG以药物为目标的个人基因序列鉴定、(Aeidelberg,德国）分析软件、不同情况下的表达数据10.策内卡人类基因多态性分析11.SmithKineBeecham诊断与药物基因组学试剂盒、人类基因图谱,11,实验室和（或）公司研究领域12.GuraGen整合基因与药物基因组学的平台多样性分析13.EpidaurosBiotechnologie目的基因多态性分析14.Hexagen单链核苷酸多态性分析15.JanssenPharmaceutica线粒体基因多样性分析16.Millenium预防医药公司用于药物基因组学的单链核苷酸17.NovaMollecular中枢神经系统疾病图18.MitoKor线粒体的基因分析19.RosettaInpharmatics基于核苷酸研究的试剂盒20.SequannaTherapeutics高通量基因型,back,12,药物相关基因的分类,复杂过程药物进入人体内到发挥作用被清除。在这个过程中的任何一个环节出现问题都可能引起药物效应的各种异常。药物作用的差异是药物动力学/药效学差异。,13,药代动力学差异：将药物转运至介导药物的效果和（或）毒性的关键分子部位或自该部位除去的差异。涉及这些过程的分子药物代谢酶：细胞色素P450酶超家族成员药物转运分子：介导药物摄入和排出,14,药效学差异：等量药物转运到分子作用部位但出现不同的药物疗效。反映了药物取得疗效的靶分子功能的差异，或是各种药物与分子靶位间的相互作用存在的广泛病理生理上的差异。,15,基于目前的认识，药物相关的基因大致可分为四类编码基因：1）药物代谢相关的酶2）药物结合相关的受体3）药物转运相关的膜通道4）信号传导相关的蛋白质,16,1.药物代谢酶相关基因细胞色素P450酶（CYP）-血红蛋白超级家族，大的酶系统，包含大量与药物代谢有关的酶，是药物代谢的主要酶系与一氧化碳结合和还原时，分光光度法测得的吸收峰在450nm附近普遍存在于细菌、真菌及动植物中催化内源性和外源性化合物的代谢。参与外源性物质（如药物、酒精、抗氧化剂、有机溶剂、麻醉药、染料、环境污染物质、化学制品）的代谢，产生的代谢产物可能有毒性或致癌性,17,Nehert在常见氨基酸序列的基础上提出了通用的系统命名法，将同工酶及基因分为家族和亚家族，CYP命名所有物种的细胞色素P450同工酶17家族：所有来源的细胞色素P450蛋白的氨基酸若有40%以上的同源性，则归于同一家族，并以阿拉伯数字来标示，CYP2亚家族：氨基酸序列有55以上同源性，以大写字母标示，字母后面阿拉伯数字表示不同的酶，CYP2C、CYP2D、CYP2E,18,肝脏代谢：细胞色素P450系统和肝脏代谢有关。CYP1，2，3家族占总肝P450含量的70%，负责大多数药物的代谢。CYP3A占总肝P450的30%，CYP2约占20%，CYP1A2占13%，CYP2E1占7%，CYP2A6占4%，CYP2D6占2%。小肠、胰、脑、肺、肾上腺、肾、骨髓、肥大细胞、皮肤、卵巢及睾丸均发现细胞色素P450,19,CYP2家族亚家族：2A、2B、2C、2D、2ECYP2C亚家族：使安定、三环类抗抑郁药（阿米替林、丙米嗪）去甲基，氧化奥美拉唑。2C9的底物是苯妥英、甲苯磺丁脲（tolbutamine）和双氯芬酸(diclofenec)。2C10酶参与甲苯磺丁脲和环已巴比妥的羟化。苯磺唑酮(sulfinpyrazone)和硫苯拉唑(sulfaphenaxole)可抑制这两种酶。2C19参与环已巴比妥、安定和S-美芬妥英(S-mephenytoin)的代谢。,20,CYP2D6：异喹胍(debrisoquine)羟化酶，研究很多，参与大量药物的代谢，如异喹胍（抗高血压）、三环类抗抑郁药、镇痛药(可待因、右美沙芬)、抗心律失常药。奎尼丁和选择性5羟色胺为抑制剂CYP2E1（二甲基亚硝胺、N去甲基酶）：负责许多挥发性麻醉药（如七氟醚、安氟醚、甲氧氟烷、异氟醚、乙醚、三氯乙烯和氯仿、乙醇及芳香类化合物，如苯、扑热息痛及亚硝基二甲胺）的代谢CYP3A4酶：参与多种麻醉药物的代谢,21,CYP2D6、CYP2C9和CYP2C19对许多药物的效应非常重要。对作用于神经系统或需要通过血脑屏障的亲脂性药物而言，肾脏排出的方式只有分泌，而且分泌量很小。细胞色素P450的代谢作用就显得尤其重要,22,CYP2D6非功能性等位基因纯合子携带者不能代谢和分泌许多药物，如异喹呱、美托洛尔、去甲替林、普罗帕酮等。病人对这些药物不能进行正常的代谢，故对这类药物非常敏感。这种基因型的发生率在不同的种族中有很大的差异，如日本人的发生率约为1%，而尼日利亚人的发生率为5%。这就要求临床用药中要特别注意药物的用量。,23,CYP2C19基因缺陷的病人对于一些药物如苯妥英、环已烯巴比妥等高度敏感。其第外显子上单个碱基的突变（AG）就可以导致功能的丧失。目前已被制成相应的生物芯片，即将投入临床应用。,24,CYP2C9：介导S-华法林消除临床用华法林（5mg/日）治疗深静脉血栓患者一例：治疗一周后，发生颅内出血。患者使用的华法林为消旋体，它的活性对映体S-华法林的消除依赖于CYP2C9，几乎只限于CYP2C9的氧化作用。CYP2C9的变异削弱其催化能力，仅极少数变异体的纯合子个体表现为S-华法林血浓度的明显升高，因此，在标准剂量下CYP2C9变异的个体，通常表现为华法林抗凝作用的显著增强。,25,“高风险药物动力学”：有效浓度和中毒浓度相近的药物经单一途径消除时，这条途径的遗传变异将导致药物清除、血药浓度和效应的较大（有时大几个数量级）改变。高风险药物动力学也成为药物相互作用致药效大幅度变化的基础，如奎尼丁加地高辛或特非那丁加酮康唑。,26,奎尼丁和地高辛：经常合用，成功治愈了多种心脏疾患。地高辛的半衰期无明显变动特非那丁：季节性、常年性过敏性鼻炎、急慢性荨麻疹、过敏性花粉症酮康唑：治疗浅表和深部真菌病，如皮肤和指甲癣、阴道白色念珠菌病、胃肠真菌感染特非那丁加酮康唑：头晕加重，头痛，继而意识丧失，摔倒撞伤头部，四肢抽搐，小便失禁,27,CYP2C19基因多态性影响临床疗效的另一实例是质子泵抑制剂。奥美拉唑、兰索拉唑和潘托拉唑等质子泵抑制剂（抗酸及抗溃疡药）由P450酶代谢，主要由S-美芬妥英羟化酶（S-mephenytoin4-hydroxylase,CYP2C19）,部分由CYP3A4代谢。CYP2C19的基因多态性会影响质子泵抑制剂的药动学，从而影响后者治疗相关疾病的临床效果。,28,CYP2C19分弱代谢型（poormetabolisher,PM）和强代谢型(extensivemetabolisher,EM)。白种人、美国黑人PM基因型约占3%5%，亚洲人为12%100%，其中中国人为15%，日本人19%23%，朝鲜人13%，均远高于白种人。最基本的PM基因型是在CYP2C19外显子5的1个单碱基突变（CYP2C19m1），另一种在外显子4的突变（CYP2C19m2）可能只在亚洲人中出现。,29,PM3种基因型：m1/m1，m2/m2或m1/m2。EM2种基因型：纯合子wt/wt和杂合子型wt/m1或wt/m2。对健康自愿者的研究表明，CYP2C19是奥美拉唑、兰索拉唑、潘托拉唑和雷贝拉唑（rabeprazole）的代谢酶其基因多态性对它们影响的程度为：奥美拉唑潘托拉唑兰索拉唑雷贝拉唑。在低剂量给药时，PM型患者质子泵抑制剂的效果要优于EM型。,30,腺嘌呤甲基转移酶TPMT：嘌呤类抗肿瘤药物体内代谢关键酶。减少嘌呤类药物在代谢中生成的巯基鸟嘌呤磷酸盐(导致造血系统毒性)。TPMT活性降低或缺失的患者，在接受标准剂量的嘌呤类药物治疗时,极易造成骨髓抑制。对于治疗白血病药物巯嘌呤来说，多数人可以通过药物代谢酶腺嘌呤甲基转移酶（PTMT）的作用很快将其代谢，常需要使用较高剂量。某些病人对这种药物的代谢较慢，其用药量就要相对减少，以降低其毒性作用。另一些病人对这种药物的代谢率非常低，即使用很小剂量治疗类风湿关节炎或白血病也会引起致死性粒细胞缺乏。,31,TPMT至少存在四种等位基因的变异，从而导致药物代谢的多态性。在治疗前进行药物代谢类型检测，对确定用药剂量无疑有重要意义。,32,药物代谢酶相关基因多态性与药物反应药物基因相关的报道1.华法林CYP2C9使抗凝作用增强2.氯沙坦、厄贝沙坦CYP2C9使降压作用增强3.美托洛尔、噻吗咯尔CYP2D6弱代谢者表现为普罗帕酮较弱的阻断作用4.奥美拉唑等质子泵CYP2C19代谢加速，多差抑制剂异，疗效变化,33,药物代谢酶相关基因多态性与药物反应药物基因相关的报道5.巯嘌呤（6MP）二氧嘧啶脱氢酶毒性增加6.巯嘌呤（6MP）胸腺嘧啶甲基转移酶骨髓毒性，肝脏损伤7.降脂药物肝脏脂酶降脂作用不同8.普鲁卡因胺NAT2慢性乙酰化者药源性，狼疮的风险更大,34,2药物受体相关的基因药物受体变异与药物作用之间有着密切的关系。鸦片类药物的主要作用位点鸦片受体，已研究显示鸦片受体基因的118位点具有多态性，其变异的发生率约为10，在不同的种族中这种多态性有很大差别。突变后的鸦片受体蛋白对-内啡肽的结合能力比天然受体的亲和力大3倍。,35,受体基因突变、受体基因调节部位的多态性对于应激、疼痛的耐受以及对药物的成瘾性等方面均具有重要作用。,36,种族背景与医学治疗方案选择血管紧张素转化酶抑制剂ACEI类药物：临床治疗高血压非裔美国人高血压患者不象白人那样对ACEI有效46岁非裔美国男性，血压170mmHg/120mmHg，赖诺普列治疗1周后，血压没有变化，说明血管紧张素转化酶抑制剂ACEI类药物对非裔美国人高血压患者不适合作为首选药物。,37,种族因素是否可能或必须用于现代基因组学研究已成为争论的焦点。深入了解决定高血压发病机理及其对药物治疗反应的遗传因素，似乎能解决这个问题。人们可以根据种族间特异多态性频度的差异来选择治疗方法，而不仅仅按种族划分。,38,病人ACE基因的第16位内含子出现一种删除突变后，其转化活性明显加强。病人携带插入突变的ACE等位基因，对6个月疗程的依那普利治疗有较好疗效杂合子删除突变的等位基因，则对该药几乎不起反应。,39,哮喘是由多种因素引起的。临床上通过5-脂氧酶（ALOX-5）途径进行治疗,其实就是依据病人对ALOX-5的反应来判断其所患哮喘是否为白三烯依赖性的。ALOX-5基因的启动子区发现多态性,40,这些序列的变异可以引起基因转录减慢，ALOX-5基因表达产物减少，以致病人对相应治疗不敏感。受体基因的启动子与药物的治疗反应之间同样有着重要的关系。,41,3.药物转运基因药物进入体内方式：被动扩散和主动转运。某些药物通过细胞必须经过膜载体的转运。肠道吸收、进一步转运，如重新分泌至肠道、胆汁或尿液，进入脑内和睾丸，分布到靶组织如心血管系统组织、肿瘤细胞及感染微生物组织中，与主动转运有着密切的关系。,42,盐敏感性高血压大鼠的发病与多种基因有关一个基因是编码骨架蛋白的ADD1基因，其表达出的蛋白质异源二聚体存在于肾小管中，可以调节离子转运。ADD1基因的突变增强细胞对离子转运能力，进而导致高血压人类中存在此类高血压,43,ADD1基因突变体所引起盐敏感性高血压，因而对利尿剂治疗敏感。基因突变导致离子的转运增强启示：将某个转运基因进行人工突变，利用这种突变后对某种药物转运能力增强而将某种药物定向地集中到某一组织，如肿瘤组织、微生物感染组织及受伤的组织，以加强药物疗效，同时降低药物用量，减少发生药物毒性的可能。,44,4疾病通路基因除药物代谢过程中出现的基因突变外，导致疾病的致病基因本身发生突变，也同样导致机体对药物的反应发生变化。载脂蛋白E(ApolipoproteinE，APOE)的基因多态性如在Alzheimers病（AD）时，病人的基因表型为ApoE4等位基因，出现这种基因通常预示着可能患AD，且预后很差。,45,美国进行的一项研究表明，ApoE4基因也与机体对他可林（tacrine）的治疗反应相关，携带ApoE4基因的患者，经过他可林治疗后80的病人的病情会得到改善。不携带该基因的患者，经过他可林治疗后有60的病人病情出现恶化目前为止其具体机制尚不清楚。,46,APOE的基因多态性，影响绝经后妇女用雌激素替代疗法(Estrogenreplacementtherapy，ERT)时的血脂和脂蛋白浓度。人群中的APOE有3个等位基因：E2、E3、E4，ERT能使具有E2型基因的妇女血中总胆固醇含量大大高于E3和E4型。事先检测患者的APOE基因，可提示医生对具有E2型基因的患者在ERT治疗过程中需密切监测甘油三脂浓度E4型基因是ERT的靶点，具有E4型基因的妇女可能更适合此疗法。APOE的基因型能影响降血脂药苯扎贝特的降脂作用，E4基因型患者用苯扎贝特治疗时，降胆固醇和低密度脂蛋白的作用明显小于E2和E3基因型,47,机体对可以降低血中胆固醇的药物普伐他汀的反应与体内的胆固醇酯酶转移蛋白（CETP）相关。B1等位基因与高CETP浓度相关联，脂肪沉积性动脉硬化形成的速度很快的病人，对普伐他汀的治疗也很敏感。,48,在对携带B1B2表型的病人进行同样的治疗时发现，尽管血液中的胆固醇水平下降的程度与B1等位基因携带者类似，但是其硬化血管的平均直径却没有明显的增加。目前人们认为B1B2基因表型可能只是病人对该药物反应的一种中间类型。,back,49,药物基因组学的研究方法,1药物基因组学的研究大致分为三个阶段。第一，对一些相关基因进行研究以期发现它们是否存在一些有害的等位基因，并对其可能造成的结果进行预防。第二，应用各种现代技术对一些不是很清楚的相关基因进行研究。第三，对整个基因组范围内相关基因的关系进行研究。,50,药物基因组学的重点并不是疾病发生的内在分子机理，而是个体遗传差异对药物反应的不同作用，因此，药物基因组学着重于遗传差异（即基因多态性）的快速测定。,51,2药物基因组学的研究方法第一，构建全基因组基因多态性图谱；第二，发现各种疾病和各种药物反应表现型差异与基因多态性的统计关联；第三，根据基因多态性对人群或患者进行疾病易感性和药物反应分类，并开发这种诊断试剂盒；第四，在临床上，针对易感人群进行疾病防治，针对不同药物反应的患者进行个性化治疗。,52,3药物基因组学研究手段“候选基因”策略基因组范围内遗传标志物和药物反应表型之间的关联研究。,53,“候选基因”策略给定某一药物的条件下，比较有反应者及无反应者靶基因多态性出现的频率。局限性：明了给定药物的作用机制、所治疗疾病的病理生理学为不能鉴定那些根据药物作用或疾病生物学难以预测的新基因,54,基因组范围内遗传标志物和药物反应表型之间关联研究：单核苷酸多态性（SNP）是基因组关联研究最常用的标志之一。SNP可作为涵盖整个基因组的有用标志物用于发现那些与药物反应相关的全新基因,55,药物基因组学的应用,合理用药新药开发药物基因组学产品的预测,56,一）在合理用药中的应用合理用药的核心-个体化给药（personalizedmedicine），而非统一模式给药。主要方法：测定血药浓度，以药代动力学原理计算药代动力学参数，设计个体化给药方案。前提：血液浓度与药效相统一？：对于血药浓度与药效不一致的药物如何达到个体化给药,57,临床上经常出现的现象：患者诊断相同、一般症状相同、同一药物治疗、血药浓度相同，但疗效却大相径庭。传统的药代动力学原理无法解释与药物作用相关的位点（如受体等）是否发生了变异？是什么水平的变异？基因水平，相对容易鉴定转录水平翻译水平,58,基因变异与药物效应的差异具有相关性药物基因组学：研究基因变异与药学关系，正是适应了这一要求应用前景弥补了只根据血药浓度进行个体化给药的不足为以前无法解释的药效学现象找到了答案为临床个体化给药开辟了一个新途径,59,根据药物基因组学的原理，为特定人群设计最为有效的药物，“价廉物美”提高疗效缩短病程减少毒副反应降低治疗成本,60,“基因身份证”：详细记录了你所有的遗传信息和基因缺陷，预测将来可能会患上哪些疾病以及如何进行防治。一二十年？每个人都将拥有一张就诊时，经过系列检查，确诊后，只要把“基因身份证”插入电脑，同时输入疾病和检查的相关信息，电脑就会提示你该选择什么药物、什么剂型、最佳剂量和注意事项，快捷准确。,61,药物基因组学的根本目的运用遗传信息进行个性化用药，将正确药物、正确剂量在恰当的时间给予合适的患者。,62,二）在新药开发中的应用药物基因组学根据不同的药物效应对基因分类，有可能大大加速新药开发的进程。1.直接加速新药的发现2.增加新药的通过率3.重新估价未通过药审的新药4.影响新化学实体的作用5.减少参试人群数量,63,直接加速新药的发现新一代遗传标记物的大规模发现，迅速应用于群体，大大推进多基因遗传病和常见病（往往是多基因病）机理的基础研究研究成果为制药工业提供新的药物作用靶点。,64,2.增加新药的通过率对于每一个药物来说，大约有10%40%对人无效，对百分之几或更多的人有副作用。利用药物基因组学理论，可事先预见结果，筛选试验人群，成功率就会高得多,65,重新估价未通过药审的新药所有在临床试验中失败的药物都有可能“推倒重来”。已被淘汰的或未被批准的药物中，可能存在对某些病人有很好疗效的药物。对这类药物配上基因标签，表明对某类人群有效应用基因芯片技术对特定人群的前期基因诊断，有助于新药的开发。,66,历史上在临床试验中失败的药物中，即使一小部分获得批准的话，而且仅适用于选择的人群，将显著降低药品开发费用通过基因检测鉴定一种特殊产品对某类病人将是安全而有效的，可能为该产品在市场上提供竞争优势。,67,在新药临床前研究中，由于遗传的变异可能影响新化学实体（NewChemicalEntities,NCE）的作用。美国FDA已起草有关条款规定NCE临床前的研究应包括遗传效应对药物代谢的影响。,68,减少参试人群数量设计临床试验时可以筛选代表性人群，甚至改变现有的临床试验模式。期临床试验是新药临床试验过程中花销最大的阶段，上千人的临床试验筛选病人，加强临床试验的统计学意义，用更少的病例数达到所需的统计学意义，极大节约时间和费用,69,