全国高等教育医学数字规划教材遗传学第十七章 药物代谢与遗传.pptx

药物代谢与遗传 南方医科大学医学遗传学教研室熊符教授xiongfu 本章重点 掌握异烟肼慢灭活者和快灭活者的遗传机理掌握G6PD缺乏症临床症状 发病机理 致病基因定位 基因突变类型掌握细胞色素P450酶系基因多态性与药物代谢的遗传机理掌握P 糖蛋白编码基因多态性与药物转运的关系了解琥珀酰胆碱敏感性的遗传机理了解药物代谢与基因多态性的关系了解药物基因组学的研究内容和应用 3 全球死亡患者中 三分之一是由于不合理用药 而并非死于自然疾病本身 WHO 联合国世界卫生组织 美国每年有10万人死于药物不良反应 直接和间接经济损失达120亿美元 FDA 美国食品和药物管理局 药品不良反应WHO定义 预防 诊断或治疗疾病 或为改善生理功能而服用适当剂量药物所引起的有害的 非预期的或治疗上不需要的反应 SFDA定义 药品不良反应是指合格药品在正常用法 用量下出现的与用药目的无关或意外的有害反应 临床表现 对人体有害的副作用 毒性反应 过敏反应 致畸形 致突变 致癌等 后遗效应 继发性反应 药物不良反应是临床用药安全的重要障碍 三环类抗抑郁药20 50 受体阻断药15 35血管紧张素转换酶抑制药10 305 羟色胺再摄取抑制药 SSRI 10 255 羟色胺受体激动药20 453羟 3甲戊二酰辅酶A还原酶抑制药10 30干扰素30 70抗癌药20 70 无效率 药物 药物反应个体差异在临床极为普遍 药物反应的群体差异 药物反应个体差异 年龄老年 儿童 新生儿 体重 性别 身高 基因型 环境因素食物 吸烟 合并用药 合并疾病 疾病过程 个体差异的主要原因是遗传变异 在日本发生的Arava 爱若华 来氟米特 事件 法国安万特 Arentis 公司生产的治疗风湿性关节炎新药Arava 爱若华 1998年被美国FDA批准在美国上市 2003年在日本上市4个月 应用该药3412名患者 先后有5人死于间质性肺炎 还有11名患上了间质性肺炎不得不接受治疗 原因是药物剂量存在着种族差异 我国减半量应用上万例患者 无1例发生间质性肺炎 爱若华 到底是不是问题药 药物遗传学 pharmacogenetics 9 研究遗传因素对药物代谢动力学的影响 尤其是在发生异常药物反应中的作用 临床医生在使用某些药物时 必须遵循因人而异的用药原则 因在群体中 不同个体对某一药物可能产生不同的反应 甚至可能出现严重的不良副作用 现象称为个体对药物的特应性 idiosyncracy 特应性产生的原因相当部分取决于个体的遗传背景 10 发展历程 药动学 药效学 药物效应和毒性差异 基因组 基因多态性 药物靶点 药物转运体 药物代谢酶 基因 12 药物作用的基本规律 1 药物作用的选择性 选择性高 针对性强 药理活性高 不良反应少 如 靶向药物 选择性低 针对性不强 作用范围广 不良反应较多 如 一般化疗药 2 药物的两重性 治病 和 致病 副作用 sideeffect 毒性反应 toxicreaction 后遗效应 aftereffect 停药反应 withdrawalreaction 变态反应 allergicreaction 特异质反应 idiosyncrasy 耐受性 Tolerance 成瘾性 Addiction 严重性与所用药物的性质及剂量相关 AdverseDrugReaction 药物选择性大药物剂量过大或用药时间过长药物毒性造成器质性损害机体对药物的适应性和反应性免疫反应特异体质 药效学 Pharmacodynamics 药物代谢异常的遗传变异 14 药物摄入机体后面经过吸收 分布 与细胞相互作用发生药效 经过生物转化后而排出 这一过程与酶 受体的作用密切相关 药动学 Pharmacokinetics 药物的代谢过程 药物膜蛋白转运吸收与血清蛋白结合运输与靶细胞 受体 相互结合一系列酶促反应生物转化 降解 解毒 排泄 结构基因 药物的吸收 一些药物的吸收需借助膜蛋白的转运 若膜蛋白异常就会影响药物吸收 药物的分布 许多药物在血液中与特殊的血浆蛋白结合 输送至身体各处 血浆蛋白的异常会影响药物在体内的分布 药物与靶细胞相互作用 主要是通过与靶细胞上的受体结合 从而使药物产生某种效应 受体异常就会使药物不能产生正常药效反应 药物的代谢过程 药物的转化和分解 大部分药物在肝脏经酶的分解代谢而失去活性或者被激活 因此酶的活性对药物的作用至关重要 酶活性降低 药物或中间代谢产物贮积 损害正常生物功能 酶活性异常升高 降解速度过快 也可造成毒性物质的堆积 药物的排泄 药物和其代谢产物最后都要被排出体外 排泄途径主要是肾脏 遗传基础会影响药物排出的速度 药物的代谢过程 通过分析群体用药后的反应便可以了解控制药物代谢的基因是单基因还是多基因 多基因 RRRr rr 单基因 19 药物代谢异常揭示的遗传变异 琥珀酰胆碱敏感性异烟肼 isoniazid 慢灭活葡萄糖 6 磷酸脱氢酶缺乏症 琥珀酰胆碱 succinylcholine suxamethonium 是一种肌肉松弛剂 作为外科醉品使用 不仅可以使骨骼肌松弛 而且可以使呼吸肌短暂麻痹一般人在使用琥珀酰胆碱时 骨骼肌松驰 呼吸肌麻痹而致呼吸暂停仅2min 3min 然后即恢复正常但有少数患者用药后呼吸停止可持续一小时以上 如不及时行人工呼吸 可导致死亡 这种个体称为琥珀酰胆碱 敏感性 succinylcholinesensitivity 琥珀酰胆碱敏感性 Eu Ea Es Ef 分子机理 基因突变 血中伪胆碱酯酶活性 琥珀酰胆碱降解速度 作用时间 引起持续的呼吸肌麻痹 名称基因型酶活性 反应时间发生率典型E1uE1u60 125正常96 100非典型E1aE1a 35延长1 3500沉默型E1sE1s0延长 1 10万耐氧化物型E1fE1f55不延长 1 15万K变异型E1kE1k66不延长1 100 琥珀酰胆碱敏感性为AR 基因全长80kb 定位于3q26 1 q26 2 已检出若干种变异型 伪胆碱酯酶变异型 伪胆碱酯酶 第一酯酶 1号染色体 复等位基因系统 第二酯酶 16号染色体 第一酯酶变异型的纯合子 杂合子 伪胆碱酯酶活性 第二酯酶变异型的纯合子 杂合子 E2 E2synthiana 异烟肼 isoniazid 慢灭活 异烟肼 CH3CO SCoA乙酰化异烟肼 HSCoA 异烟酸 乙酰肼 在肝脏中 N 乙酰基转移酶 对肝脏有毒害可以产生肝坏死 异烟肼灭活过程 在体内与VB6发生反应 使VB6失活 从而导致VB6缺乏 引起得神经损害 治疗结核的药物 在体内吸收迅速 灭活后排出 排出快的病人称为快灭活者 而排出慢的病人称为慢灭活者 研究表明快灭活者肝内N 乙酰基转移酶的活性较高 而慢灭活者肝内该酶的活性较低 人群中有两种类型 快灭活者 rapidinactivator RR 半衰期45 80min慢灭活者 slowinactivator rr半衰期2 4 5hrs不同种族的人慢灭活者发生率不同 埃及人 83 白种人 50 黄种人 10 30 爱斯基摩人 5 N 乙酰基转移酶基因簇定位于8pter q11共有三个基因 NAT1 NAT2和NATP 假基因 NAT2基因编码N 乙酰基转移酶 负责异烟肼等药物的灭活 NAT2基因具多态性 其突变型基因 M1 M2和M3 产物 肝脏N 乙酰基转移酶不稳定 活性降低 成为慢灭活型 发病机理 快灭活者 RR 容易发生异烟肼肝炎 因为异烟肼在肝脏内会被N 乙酰基转移酶成为乙酰异烟肼 再进一步被降解为异烟酸和乙酰肼 后者在肝脏内又形成乙酰作用物质 进而导致肝组织坏死 而快失活者肝内有较多乙酰异烟肼 易产生较多的乙酰肼而导致异烟肼肝炎 慢灭活者 rr 体内过高的异烟肼浓度有两个效应 1 异烟肼可与VitB6发生化学反应生成异烟腙 导致VitB6缺乏 2 异烟肼能抑制苯妥英钠羟化酶活性 葡萄糖 6 磷酸脱氢酶 glucose 6 phosphatedehydrogenease G6PD 缺乏是一种临床表现为溶血性贫血的遗传病 平时一般没有症状 但是在吃蚕豆 或者服用伯氨喹啉类药物后出现血红蛋白尿 黄疸 贫血等急性溶血反应 葡萄糖 6 磷酸脱氢酶缺乏症 本病呈现世界性分布 但是比较集中于热带及亚热带 据估计全球患者达2亿人以上 我国主要分布在黄河流域以南各省 尤其是以广东 广西 海南 贵州 云南 四川的发生率较高 G6PD缺乏症的分布 GSSG 氧化型谷胱甘肽 GSH 还原型谷胱甘肽 产生溶血的机理 G6PD NADPH生成不足 GSH H2O2增多 GSH破坏 过多H2O2氧化Hb 表面的 SH基 Hb的四条链接触不稳定而散开 Hb内部的 SH也被氧化导致Hb变性 变性后形成珠蛋白小体附着于红细胞膜上 此外 H2O2还可以氧化红细胞表面的 SH基 所以这种红细胞容易在血管中破坏 最近得研究表明 NADPH的减少 本身也降低了红细胞对H2O2的抵抗作用 由于上述原因 红细胞变形性降低 不易通过脾 或者肝 窦 而遭遇破坏 引起血管内 或者血管外溶血 产生溶血的机理 G6PD基因定位于 Xq28 有13Exon 18kb 515AAG6PD缺乏遗传方式 XR X不完全显性G6PD缺乏有基因突变产生 其生化变异型可以达400多种 我国有300多种 酶活性严重缺乏 检测不到酶的活性酶活性中度 严重缺乏 10 60 酶活性轻度缺乏 60 遗传基础 女性杂合子具不同的临床表现度 酶活性20 70 X染色体随机失活 或 女性杂合子酶活性约70 女性杂合子酶活性约20 G6PD变异型分类 类 酶活性严重缺乏 活性 10 伴有非代偿性慢性溶血特点 无诱因 反复出现慢性溶血 类 酶活性中度或显著缺乏 活性 60 表现代偿性溶血性贫血特点 在诱因作用下 才诱发急性溶血 类 酶活性轻度降低或升高 活性60 150 或 150 表型基本正常 中国人中常见的G6PD基因突变类型 抗疟药 伯氨喹啉 扑疟母星 氯喹 氨苯砜磺胺类 磺胺 乙酰磺胺 磺胺吡啶 TMP SMZ等砜类药 氨苯砜 普洛明止痛药 阿司匹林 非拉西丁 安替比林杀虫药 萘酚 锑波酚 来锐达唑 nitridazole 抗菌药 喹诺酮 硝基呋喃类 氯霉素 对氨基水杨酸 黄连素局麻药 苯佐卡因 利多卡因 普鲁卡因 丙胺卡因其他 蚕豆 丙磺舒 bal 奎尼丁 亚硝酸和硝酸化合物 大量的维生素K等 G6PD缺乏症患者禁用的药物 40 药物代谢酶对药物代谢的影响 药物代谢酶 drugmetabolismenzyme 药物的生物转化 相代谢反应 相代谢反应药物代谢酶细胞色素P450酶 N 乙酰基转移酶 N 甲基转移酶等 41 A B 药物的生物转化 药物代谢酶的多态性对药代学和药效学的影响 一位具有迅速代谢药物能力的人 为获得适宜的治疗浓度 可能需要更高的剂量 更频繁地给药一位代谢能力缓慢的病人 为避免发生毒性反应 可能需要较低的剂量和较少的给药次数对于安全范围较窄的药物尤其重要 不同病人清除药物的固有能力是不同的 细胞色素P450酶系 cytochromep450 CYP450 由一群基因超家族编码的酶蛋白组成 它参与临床上90 以上的药物代谢 因此 P450基因多态性是造成不同个体药物代谢差异的基础 涉及体内大多数药物代谢的CYP主要有3个基因家族CYP1 CYP2 CYP3 细胞色素P450酶系基因多态性 细胞色素P450酶 CYP450分子构象 基因超家族编码的酶蛋白酶蛋白结构与血红蛋白相似以Fe2 为中心的血红素血红素与CO结合后在450nm有最大吸收 CYP450超家族分为家族 亚家族和酶个体3级酶蛋白一级结构中氨基酸顺序的同源程度55 者划入同一亚家族 用大写英文字母表示 如CYP1A根据同一亚家族各个酶被鉴定的先后顺序再用阿拉伯数字编序 如CYP1A1 再以 1表示野生型 2以后表示变异型 如CYP1A1 2 细胞色素P450酶 家族亚族分子种类CYP11A1A11A2CYP22A2A12B2B12B62C2C82C92C182C192D2D62E2E1CYP33A3A43A53A7CYP44B4B1 人体P450家族及其亚族 人类许多药物代谢CYP450s酶具有遗传变异 大量研究表明 CYP1A1 CYP1A2 CYP2A6 CYP2C9 CYP2C19 CYP2D6和CYP2E1酶活性的人群分布特征呈遗传多态性复杂的多态性直接导致了药物剂量在不同个体 不同种族之间的差异 造成临床用药的复杂性 并致使大量药物副作用的发生 在药物代谢中起重要作用的CYP 狭窄的抗凝治疗指数范围和抗凝不当所致的并发症 CYP2C9基因多态性与华法林敏感有关 CYP2C9 3纯合子病人每天只需0 5mg消旋华法林 而CYP2C9野生型病人每天需5 8mg 相差十多倍 才能达到相同的治疗效果 CYP2C9 3病人治疗之初还表现更多的不良反应以及出血并发症的危险性 2007年 美国FDA批准了第一个药物基因检测 要求患者在服用华法林前检测CYP2C9和VKORC1基因多态性来预测华法林的敏感性 CYP2C9 VKORC1 CYP4F2 华法林抑制 华法林 Warfarin CYP2D6 代谢的临床常用药物 抗心律失常药 受体阻断药抗高血压药三环抗抑郁药 不同CYP2D6基因型指导抗精神病药物的应用 CYP450部分基因的代谢类型 52 53 迄今已发现CYP2D6有50多处突变和70多个等位基因 其中许多可导致慢代谢表型的出现 白种人PM发生率5 10 中国人低于1 中国人存在约36 酶活性稍下降的IM代谢者 分子机制为活性下降的CYP2D6 10等位基因频率在中国人中高 CYP2D6 3A CYP2D6 4A和 4B CYP2D6 5和CYP2D6 6A 这些突变基因使酶的活性消失 并因此产生PM表型 血浆药物浓度与CYP2D6基因多态性 中国人CYP2D6 10的高频率导致其底物代谢显著低于白人 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 UM EM EM het IM PM Metoprololplasmacon ng ml 1 3 3 9 14 2 50 8 80 5 Dose mg 100 100 100 78 74 浓度相差 60倍 美托洛尔血浆药物浓度与CYP2D6基因多态性的关系 56 药物转运体对药效学的作用 转运蛋白在调节药物的吸收 分布 排泄中扮演非常重要的作用 药物转运蛋白存在于细胞膜上 分为两大类 三磷酸腺苷结合盒转运体超家族 ATP bindingcassettetransporters ABC转运体 和溶质转运蛋白 Solutecarriers SLC 家族 ABC转运体超家族包扩了约50个成员 编号统一以ABC为开头 如ABCB1 MDR1 ABCC2 MRP2 ABCG2 BCRP P 糖蛋白 P gp 是多药耐药 multi drugresistance MDR 基因的产物 由MDR1基因 ABCB1 编码 其基本功能是在ATP能量作用下排出细胞内底物 包括胆红素 抗肿瘤药 强心苷 免疫抑制剂 糖皮质激素等 在血脑屏障脉络丛中 P 糖蛋白能抑制许多药物在脑中的蓄积 包括地高辛 依维菌素 长春碱 地塞米松 环孢素和多潘立酮等 多药耐受相关蛋白1 MDR1 P 糖蛋白 P Glycoprotein 27 P 糖蛋白是由多药耐药 multi drugresistance MDR 基因编码 编码P 糖蛋白的MDR1基因至少有48个单核苷酸多态性 多态性分布呈明显的种族差异 MDR13435TT基因型个体其肠道P gp表达水平明显低于CT和CC型个体 MDR1基因型与人体P gp的底物代谢相关 MDR1 P gp 基因变异对底物代谢动力学的影响 地高辛的生物利用度在TT中增高 3435C T 2677G T P gp基因ABCB1 或MDR1 的3435C T多态性 对药物开发过程的影响对药物治疗个体化的影响 遗传药理学和药物基因组学的应用 新药开发过程 合成 筛选 II期临床试验 III期临床试验 I期临床试验 动物药理动物药代和毒理 药物制剂 候选化合物 设计 申请证书 上市 高风险过程 美国 11 15年 8亿美元以上 100设计方案 临床前药理学 临床前毒理学 筛选数百万化合物 1