药物基因组学与个体化给药

药物基因组学与个体化给药 药物基因组学概述 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 如一些遗传性葡萄糖 6 磷酸脱氢酶缺陷患者在接受抗疟药伯氨喹治疗后 引发严重的溶血 1959年Vogel提出的 遗传药理学 就是药物基因组学的一种雏形 它从单基因的角度研究遗传因素对药物代谢和药物反应的影响 特别是遗传因素引起的异常药物反应 药物基因组学概述 药物疗效的个体差异性 研究表明 以选择性环氧化酶 2抑制剂为代表的新型抗炎镇痛药的疗效仅为80 抗抑郁药的有效率为62 抗哮端药和抗心律失常药分别为60 抗糖尿病药为57 抗急性偏头痛药为52 预防偏头痛药为50 抗丙型肝炎病毒 HCV 药的有效率为47 抗尿失禁药为40 抗阿尔茨海默病药仅为30 而抗肿瘤药更低 仅为25 药物基因组学概述 1990年10月 美国正式启动当时世界最大规模的 人类基因组计划 1994年 中国先后启动了 中华民族基因组中若干位点基因结构的研究 和 重大基因相关基因的定位 克隆 结构与功能研究 人类基因的多态性 药物基因组学概述 药物基因组学的概念药物基因组学 pharmacogenomics 是研究DNA和RNA特征的变异与药物反应相关性的科学 即研究基因序列的多态性与药物效应多样性之间的关系 它是一门研究影响药物吸收 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 主要阐明药物代谢 药物转运 和药物靶分子的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 药物基因组学概述 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立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 药物基因组学概述 药物基因组学的研究方法 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 药物基因组学的研究方法 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 药物基因组学的研究方法 药物基因组学的研究手段药物基因组学通常采用两种研究手段 第一种即 候选基因 策略 第二种是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 药物基因组学的研究方法 候选基因 策略 主要是在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 该方法的一个局限性是候选基因的选择需以给定药物的假定作用机制和 或 所治疗疾病的病理生理学为根据 因此 该方法的成功建立在上述假设的真实性上 且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 药物基因组学的研究方法 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 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是指基因组DNA双等位基因上单核苷酸的多态性 这些等位基因的丰度 abundance 不小于1 有时丰度 1 的等位基因也会被错误的标为SNP 但这些偶发的改变应称为 稀有突变 药物基因组学的研究方法 据推测 人类整个基因组序列约有100万个SNP 它们可分布在编码区 内含子和启动子等区域 因此 进行多基因药理学特性相关研究时 SNP可作为涵盖整个基因组的有用标志物 另外 SNP因具有双等位特性亦适合高通量的基因型测定 该手段的一个重要优势 是并非建立在药物作用机制的推测上 因此可以帮助发现那些与药物反应相关的全新基因 药物基因多态性的分类 药物从进人体内到发挥作用直至被清除 是一个较为复杂的过程 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 药物作用的差异可以是药物动力学或药效学差异 药物基因多态性的分类 药代动力学差异指的是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包括药物代谢酶 如细胞色素P450酶超家族成员 和介导药物摄入和排出的细胞内部的药物转运分子 药效学差异指的是等量药物转运到分子作用部位但出现不同的药物疗效 这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 药物基因多态性的分类 药物代谢酶基因多态性药物代谢即药物生物转化 可分为2相 第 相主要是通过药物分子的氧化 还原 水解等引入极性基团 使多数药物灭活 这一过程需有药物代谢酶的催化 其中最主要的代谢酶是细胞色素P450 CYP 酶系 笫 相为极性基团与受体内源性成分结合 生成极性强 水溶性好 药理惰性的化合物 催化该反应的酶主要是硫嘌呤甲基转移酶 TPMT N 乙酰基转移酶 NAT 谷胱甘肽S 转移酶 GST 等 药物基因多态性的分类 细胞色素P450酶 CYP 根据酶活性强弱将CYP分为超强 强 中等及弱代谢型4种表型 每种表型在不同的种族人群中分布不同 临床所用的药物中 有近80 的 相代谢反应由CYP催化 有报道的由于基因多态性引起的不良反应中 有80 是被CYP催化的药物 目前已发现至少有53个CYP基因和24个假基因 其中有显著意义的基因多态性的酶有CYP3A4 CYP2D6 CYP2C19 CYP1A2 CYP2E 药物基因多态性的分类 CYP3A4是代谢药物最多的一种代谢酶 它代谢目前市场上55 的常用药物 如乙酰氨基酚 卡马西平 洛伐他汀 硝苯地平 长春碱等 现已发现CYP3A4的变异体近20种 不过能导致个体对药物反应改变的不多 1998年发现了CYP3A42V变异体 带有这种变异体的人 用化疗药物治疗时白血病发病率比未带者低 药物基因多态性的分类 CYP2D6是代谢药物种数仅次于CYP3A4的代谢酶 可代谢异喹胍 丙咪嗪 氯氮平 可待因 苯乙双胍 普罗帕酮 2受体阻滞药等常用药物 现已发现CYP2D6的变异体已超过70种 变异可导致病人对药物呈现快代谢和慢代谢两种不同的代谢方式 慢代谢型病人体内的CYP2D6酶不能很快地分解药物 使病人血液中的活性药物浓度升高 易导致体温过低 惊厥或肾衰 药物基因多态性的分类 CYP2C19代谢多种临床常用药物 如奥美拉唑 安定 环己巴比妥 普萘洛尔等 目前至少已确定6种有缺陷的等位基因 CYP2C19基因多态性对质子泵抑制剂影响的程度为 奥美拉唑 潘托拉唑 兰索拉唑 雷贝拉唑 在低剂量给药时 慢代谢型患者质子泵抑制剂的效果要优于快代谢型 药物基因多态性的分类 抗凝药物大多由CYP2C9催化代谢 该酶的基因变异会导致患者发生出血的严重不良反应 甚至死亡 如华法林 它的活性对映体S 华法林的消除几乎只限于CYP2C9介导的氧化作用 已经明确CYP2C9的变异会削弱其催化能力 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 增加患者发生出血的风险 药物基因多态性的分类 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 TPMT 的作用很快将其代谢 因此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 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 有研究表明 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 如果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 药物基因多态性的分类 N 乙酰基转移酶 NAT 有NAT1和NAT2 NAT1的底物有对氨基苯甲酸和对氨基水杨酸等 其基因多态性至少有17种 NAT2的底物有异烟肼 普鲁卡因胺 肼屈嗪 磺胺类等 其基因多态性可导致两种代谢方式 即快乙酰化型和慢乙酰化型 慢乙酰化型在高加索人种中发生的频率高达50 而在日本人群中只占10 在用氨萘非特治疗癌症时 发现快乙酰化型病人的骨髓毒性比慢乙酰化型者高得多 慢乙酰化型患者在服用异烟肼治疗过程中易发生周围神经炎及中枢神经系统毒性反应 原因是异烟肼代谢较慢竞争性引起的维生素B6缺乏 而快乙酰化型患者则由于体内有毒的乙酰化产物增多常导致肝损害发生 特别是当其与利福平等有肝毒性的抗结核药合用时应更警惕 药物基因多态性的分类 药物基因多态性的分类 药物受体基因多态性大多数药物作用于药物靶蛋白 使其产生药理学效应 如受体 酶或涉及信号转导 细胞周期调控或其他细胞功能的蛋白质 许多编码药物靶蛋白的基因具有多态性 药物靶蛋白的基因多态性对于药物作用可有明显的影响 已发现25种以上药物靶蛋白的遗传变异能影响药物效应 药物基因多态性的分类 关于阿片类药物的主要作用位点 阿片受体 已研究显示阿片受体基因的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 突变后的阿片受体蛋白对 内啡肽的结合能力比天然受体的亲和力大3倍 不难想象 除该受体基因本身突变外 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 药物基因多态性的分类 血管紧张素转化酶抑制剂 ACEI 是常用的降药物 如果病人ACE基因的第16位内含子出现一种删除突变后 其转化活性就比出现一种插入突变明显加强 另一研究表明 如果病人携带插入ACE等位基因 对6个月疗程的依那普利治疗有较好疗效 而有杂合子删除突变的等位基因 则对该药几乎不起反应 磺脲类药物通过与磺脲受体 SUR1 结合 使钾通道关闭 并触发一系列级联反应而刺激胰岛素分泌增加 从而产生降血糖效果 研究表明2型糖尿病磺脲类降糖药的疗效与SUR1基因多态性间存在连锁不平衡 从基因遗传学上解释了部分2型糖尿病患者对磺脲类降糖药治疗中存在的疗效差异 发现SUR1基因外显子1623c t多态性有助于磺脲类降糖药疗效的判定 失效组t等位基因频率明显多于有效组 从而为临床上正确选择降糖方案提供了一定的理论依据 药物基因多态性的分类 药物基因多态性的分类 药物转运基因多态性药物进入体内方式除被动扩散外 细胞的主动转运发挥着非常重要的作用 某些药物通过细胞必须经过膜载体的转运 这种作用在肠道吸收过程中有着重要的意义 药物的进一步转运 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也与主动转运有着密切的关系 药物基因多态性的分类 P 糖蛋白 重要的膜载体 是MDR 1基因 也称ABCB1基因 编码的 ATP依赖跨膜外流泵 可从细胞内向外泵出某些药物或其代谢物 这些药物包括抗肿瘤药 地高辛 环孢素A等 P 糖蛋白首先在肿瘤细胞中发现 它是肿瘤细胞产生多药耐药性的主要原因 MDR 1基因的第26个外显子的多态性 C3435T 与MDR 1的表达水平显著相关 MDR 1纯合子的表达率最低 纯合子的病人在口服地高辛后 细胞内的地高辛浓度上升4倍或更高 药物基因多态性的分类 药物基因多态性的分类 疾病通路基因多态性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 也同样可以导致机体对药物的反应发生变化 例如Alzheimer s病 AD 当病人的基因表型为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 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 即如果病人携带ApoE4基因 则经过他可林治疗后80 的病人的病情会得到改善 反之 如果病人不携带该基因 经过他可林治疗后则有60 的病人病情出现恶化 但是到目前为止其具体机制尚不清楚 药物基因学的应用 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 药物基因组学可以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 药物基因学的应用 1 由于基因组学规模大 手段新 系统性强 药物基因组学可以直接加速新药的发现 另外 由于新一代遗传标记物的大规模发现 以及将其迅速应用于群体以及流行病遗传学 可以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 其研究成果可以为制药工业提供新的药物作用靶点 总而言之 在新药的设计 发现及成功应用中 充分认识到基因变异对药物效应及生物效应的影响是非常重要的 用药物基因组学原理开发新药 生产更有效的诊断和治疗药品已经引起有关部门和企业的高度重视 药物基因学的应用 2 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 如果制药公司利用药物基因组学理论可以事先预见结果或筛选试验人群的话 其成功率就会高得多 药物基因学的应用 3 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 如果对这类药物配上基因标签 表明对某类人群有效 那么应用基因芯片技术对特定人群的前期基因诊断 可能有助于新药的开发 如果历史上在临床试验中失败的80 化合物中任何一小部分获得批准的话 即使仅适用于选择的人群 这也将对这种药品开发的全部费用的分摊产生重大影响 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 药物基因学的应用 4 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 NewChemicalntities 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 药物基因学的应用 5 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 如果能事先知道他们可能对药物反应的话 如代谢酶的基因型 试验的时间表就可以大大缩短 药物基因组学在新药临床试验中的应用同样引人注目 即对药物有效或毒性变异的预测试验中 用以筛选病人 经过药物效应基因突变筛选的受试者可以加强临床试验的统计学意义 可以用更少的病例数达到所需的统计学意义 这样可以大大节约时间和费用 个体化给药 目前传统的药物是针对病人人群的平均反应 其模式是 onesizefitall 而事实上个体对药物反应存在差异 对于个体的病人要确保药物的安全性 有效性和个体化的合适剂量 需要个体化给药 药物基因组学可以针对不同的基因型 量身定做 药物 从而将药物的药效充分发挥而不良反应减少到最小 个体化给药 肿瘤个体化给药5 氟尿嘧啶 5 Fu 是临床上最广泛使用的肿瘤化疗药物之一 临床应用和多项研究结果表明 由于5 Fu药物代谢基因多态性 以5 Fu为基础的化疗策略在不同个体之间存在较大的个体差异 二氢嘧啶脱氢酶 DPYD 是5 FU代谢的限速酶 在其分解代谢中起关键作用 DPYD功能缺陷一方面可以提高活性5 FU代谢产物的浓度 但同时也会产生严重的毒性不良反应 而胸苷酸合成酶 TS 表达水平影响5 FU的疗效 TS高表达的结直肠癌患者比低表达者生存期短 与TS转录调控和mRNA稳定性相关的多态位点影响了5 FU的敏感性 个体化给药 切除修复交叉互补基因 ERCC1 表达水平是多种肿瘤基于铂类治疗的预后变量 表达水平高的患者治疗效果差 最近的研究显示ERCC1表达水平也影响5 FU的药物效应 无ERCC1表达的进展期胃癌患者对5 FU 奥沙利铂较为敏感 并且ERCC1表达水平显著影响患者的生存期 个体化给药 紫杉醇和多西紫杉醇目前广泛用于治疗乳腺 肺及其他恶性肿瘤 它们主要通过与 微管蛋白结合稳定微管蛋白 抑制其解聚从而导致细胞死亡 微管蛋白各亚型基因突变和基因表达水平的分析可评估肿瘤细胞是否对紫杉类药物敏感 实验表明 微管蛋白IV表达水平高 可导致转化细胞对紫杉类药物抵抗 核糖核苷酸还原酶M1 RRM1 过渡表达患者对紫杉类药物化疗不敏感 个体化给药 伊马替尼是特异性酪氨酸激酶抑制剂 TKI 可用于治疗胃肠道间质瘤 GIST GIST的主要发病机制是c kit基因突变导致c kit活化 进而引发细胞增殖失控及凋亡抑制 目前研究显示 c kit基因的突变状态和类型不仅与GIST的恶性程度及预后密切相关 而且是GIST对伊马替尼治疗的预测因子 在GIST的临床诊治中具有重要意义 检测病理组织中的c kit蛋白 判断是否是c kit阳性 个体化给药 吉非替尼是选择性表皮生长因子受体酪氨酸激酶抑制剂 EGFR TK 是目前非小细胞肺癌 NSCLC 靶向治疗的热点之一 NSCLC常会产生过量的表皮生长因子受体 EGFR 导致肿瘤细胞快速生长 转移 耐药 吉非替尼对EGFR的选择性抑制作用 使其失去刺激肿瘤细胞的促进作用 而正常细胞由于不产生过量的EGFR 几乎不会受到攻击 NSCLC病人中约40 80 有EGFR过量 临床结果显示 患者对吉非替尼的疗效有明显的差异 个体化给药 人类表皮生长因子受体 2 HER 2 基因是与乳腺癌关系密切的人类癌基因 HER 2基因在乳腺癌中的高度表达往往预示着雌激素受体阴性 易有淋巴结转移和肿瘤分化差 预后不佳 曲妥珠单抗可以选择性地与HER 2牢固结合 抑制癌细胞的增生 适用于HER 2过度表达的乳腺癌患者 HER 2阳性是曲妥珠单抗治疗的绝对必要条件 因此 正确的评价HER 2状态至关重要 个体化给药 高血压药物个体化给药 受体阻滞剂是抗高血压的首选药物之一 但是不同的个体对 受体阻滞剂的反应也存在很大的差异 目前研究发现影响 受体阻滞剂疗效的候选基因主要有 1 肾上腺素受体基因 AGT基因及ACE基因等 对 1受体基因的研究都表明 突变型纯合子对 受体阻滞剂的反应都不及野生型 进一步研究还发现 1受体38