遗传药理学与药物基因组学

遗传药理学与药物基因组学,刘 昭 前,中南大学临床药理研究所Institute of Clinical Pharmacology CSU, 遗传药理学和药物基因组学的概况 遗传因素与药物反应差异 遗传药理学和药物基因组学在新药研 发中的作用 遗传药理学个体化中药物治疗中作用,内 容 提 要,一、遗传药理学和药物基 因组学的概况,种族差异个体差异,我国，药物剂量基本上是根据国外剂量标准使用，由于个体差异和种族差异(基因序列不同)的原因常常导致相当比例的病人药物疗效差。,Genes,Environment,II糖尿病,乳腺癌,男性心肌梗死,原发性高血压病,冠心病,I糖尿病,苯妥英,锂,水扬酸,异戊巴比妥,双香豆素,阿司匹林,安替匹林,保泰松,遗传和非遗传因素在药物代谢和疾病易感性中的作用,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,PHARMACOGENETICS 遗传药理学研究遗传因素在药物反应个体变异中的作用。机体内药物作用靶点（受体）、药物转运体和药物代谢酶是在一定基因指导下合成的，所以遗传基因的变异是构成药物反应差异的决定因素。PHARMACOGENOMICS 药物基因组学它从基因水平研究基因序列的多态性与药物效应多样性之间的关系，即研究基因本身及其突变体对不同个体药物作用效应差异的影响，以此为平台开发药物，指导合理用能药，提高用药的安全性和有效性。,药物基因组学和遗传药理学,等位基因（allele）-人的基因位于成对的染色体上（性染色体除外），因此每一种基因都有一对。,基因多态性（genetic polymorphism）-在正常人群中，由于同一基因位点上多个不同等位基因作用而出现两种或两种以上遗传决定的基因型，如果每种基因型的发生频率超过 1% 。,单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）-在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性。它是人类可遗传变异中最常见的一种，占所有已知多态性的90% 以上。,表型（phenotype）-个体在一定环境条件下表现的性状。,基因型（genotype）-形成表型这种性状有关的遗传结构。,人类仅有0.1%的DNA是不同的这0.1%的差别有重要意义吗 ?,所有人的DNA序列99.9% 相同,0.1% 的差别在拥有30亿碱基对的基因组中翻译出3百万个“拼写”差异。,谷氨酸,赖氨酸,无碱基突变,单碱基突变,两个碱基突变,药物代谢酶基因多态性,药物作用靶蛋白基因多态性,中国人和白人普萘洛尔代谢差异,IC20 (nmol/liter),IC20 (nmol/liter),*,*,*,*,*,*,*,中国人和白人普萘洛尔反应差异,Zhou HH, et al. N Eng J Med 1989; 320: 565-570 (IF=44.016),最早关于药物反应种族差异的实验证据: 中国正常男性对普萘洛尔阻滞作用比白种人至少敏感两倍，也就是说，白种人应有中国人两倍以上的血浆普萘洛尔浓度，才能产生相同的受体阻滞效应。,药物反应个体差异在临床极为普遍,药物代谢、效应和安全性有种族差异,Propranolol,Atropine,Morphine,Plasma propranolol,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-HT再摄取抑制药（SSRI） 10-25 5-HT受体激动药 20-45 3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,药物代谢、效应和安全性在同一种族内不同个体间的差异十分为显著,2003年SFDA快速批准上市的化疗新药表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)酪氨酸激酶抑制剂吉非替尼(易瑞沙)，是治疗NSCLC特异性靶向药物。EGFR基因突变(点突变或小片段缺失突变)与吉非替尼的疗效密切相关，获重大突破。 基因突变病人： NSCLC有效率90% 无突变病人： NSCLC有效率10% N Engl J Med, 2004. 350(21): 2129-39. (IF=40.016) Science, 2004. 304(5676): 1497-500. (IF=29.162),二、遗传变异与药物反应的差异,1.细胞色素P450酶系基因多态性,细胞色素P450酶系(cytochrome p450, 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。,CYP450分子构象,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,与药物作用相关的基因多态性很多均表现基因剂量效应,CYP450超家族中各酶的基因多态性,CYP2D6,占P450代谢药物的18 代谢的临床常用药物: 心血管药物：异喹胍、美托洛尔、普萘洛尔、噻吗洛尔、卡维地洛、氟卡尼、恩卡尼、普鲁帕酮、美西律、阿义马林、司马丁、哌克昔林 抗精神病药物：利培酮、奋乃静、阿米替林、丙咪嗪、地昔帕明、氯米帕明、米安色林、麦普替林、氟伏沙明、帕罗西汀、氟西汀、氟哌啶醇 其他：右美沙芬、吗啡、可待因、塞来考昔、奎尼丁、利托那韦、右芬氟拉明、芬太尼、哌替啶、托特罗定、选择性5羟色胺再吸收抑制剂。,中国人CYP2D6*10 的高频率导致其底物代谢显著低于白人,Fux et al., CPT 2006,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,UM,EM,EM/het.,IM,PM,Metoprolol plasma con.(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,普罗帕酮血浆浓度和CYP2D6基因多态性的关系,0,200,400,600,800,1000,1200,1400,1600,血浆普罗帕酮（ng/ml）,EM野生/野生,EM野生/突变,IM低活性突变/低活性突变,PM无活性突变/无活性突变,剂量： 3 x 150 mg / day房颤：安慰剂： 33 %普罗帕酮：16 %,33,127,695,1080,-阻滞CNS副反应,18 % Afib,15 % Afib,CYP2C9,CYP2C9是药物代谢酶中的主要成员，占肝微粒体P450总量的25%，仅次于CYP3A居于第二位.CYP2C9 的遗传多态性存在明显的种族差异。CYP2C9*1、CYP2C9*2 和 CYP2C9*3 在白种人中发生频率分别为70%、22%和8% (酶活性异常达30%)，东方人中分别为 92%、0%和 8% (酶活性异常8%) 。,磺脲类降糖药的清除率与CYP2C9*3,Shon 2002, Lee 2002, Kirchheiner 2002,Niemi 2002Kirchheiner 2002,Kidd 1999,Kirchheiner 2004,Niemi 2002,0,20,40,60,80,100,甲苯磺丁脲,格列本脲,格列甲嗪,格列美脲,那格列奈,CYP2C9*3/*3,CYP2C9*1/*3,CYP2C9*1/*1,百分率比较,All 18 patients were taken 50 mg losartan once daily for four consecutive weeks. Group 1: CYP2C9*1/*3, AT1(AA)Group 2: CYP2C9*1/*1, AT1(AA)Group 3: CYP2C9*1/*1, AT1(AC),P0.01,P0,01,收缩压,舒张压,狭窄的抗凝治疗指数范围和抗凝不当所致的并发症就一直困扰着每一位临床医生。直到近年来突破性地明确了CYP2C9基因多态性与华法林敏感有关之后，一切才为之而改变。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。,华法林（Warfarin）,CYP2C19,CYP2C19 (S-美芬妥因羟化代谢酶)，基因突变是形成羟化代谢多态性的主要原因。PM的发生率存在显著差异。白种人群中 PM 的发生率为 3%5%，东方人中 PM 的发生率高达 13%23%（我国约1.7-3亿人）。CYP2C19酶活性在我国呈两态分布，即PM(酶活性低下或无活性)和EM(酶活性正常)。最常见的突变为CYP2C19*2和CYP2C19*3。,酶活性的大小:正常基因纯合子(w/w) 正常基因与突变基因杂合子(w/m) 突变基因纯合子(m/m)。CYP2C19 蛋白含量与其酶活性呈正相关-基因剂量效应。许多药物如地西泮、奥美拉唑、氟西汀、西酞普兰和舍曲林等的代谢和疗效依赖于CYP2C19的基因型，且这种催化作用呈底物剂量依赖性和基因剂量效应，即EM和PM对药物的处置有显著差异（Clinical Pharmaco Ther, IF=8.028, 12篇）,Clin Pharmacol Ther 1999,J Pharmacol Exp Ther 2000,wt/wt,wt/m,m/m,肝微粒体CYP2C19含量,(,pmol,/mg protein),10,0,5,离体,Eur J Clin Pharmacol 2002,0.0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,*1/*1,*1/*2,*1/*3,汉族,侗族,白族,傣族,在体,CYP2C19活性（尿S/R-MP比）值,100M OP,Clin Pharmaco Ther 1995,美芬妥因、奥美拉唑、地西泮的代谢均符合基因剂量效应，表明这一理论具有普遍意义。,Desmethyldiazepam (ng/ml),奥美拉唑 (omeprazole),CYP2C19代谢奥美拉唑占整个代谢68。奥美拉唑药代差异导致70%药效学个体差异。奥美拉唑对CYP2C19有较强的抑制作用。克拉霉素可抑制奥美拉唑的代谢，使奥美拉唑的清除率和分布容积分别下降75和56，从而增加血浆中奥美拉唑的浓度，该相互作用可使溃疡病三联疗法疗效增强。因此对于CYP2C19 PM的溃疡病人，使用三联疗法进行治疗时，可适当降低奥美拉唑的使用剂量,Hours after 40 mg omeprazole application,Mean95% confidence limits of omeprazole (mg/lL),CYP2C19*2/*2,CYP2C19*1/*2,CYP2C19*1/*1,X,X,X,三种基因型的表型和突变等位基因拷贝数线性相关基 因 剂 量 效 应,CYP3A,CYP3A4肝脏CYP450酶总量的25，代谢38个类别约150种药物，代谢临床药物60。 个体CYP3A4活性差异85是由遗传因素决定。咪哒唑仑、硝苯地平、辛伐他汀、环孢素A等代谢与CYP3A4活性显著相关。目前一些制药公司在新药研发中已规定所有开发的新药应确定该药是否由 CYP3A 催化代谢 (药品说明书)，可见确定一种药物是否由 CYP3A 催化代谢具有重要的临床意义 。,近年来药物转运蛋白的遗传多态性研究倍受关注 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-binding cassette transporters，ABC转运体）和溶质转运蛋白（Solute carriers，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)。,2.药物转运蛋白(Drug transport protein),P糖蛋白（Pgp）是多药耐药（multidrug resistance, MDR）基因的产物，由MDR1基因编码，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、长春缄、地塞米松、环孢素和多潘立酮等,P糖蛋白（Pglycoprotein, Pgp）,P-Glycoprotein,MDR1基因型与人体Pgp的底物代谢相关 MDR1 3435TT 基因型个体其肠道Pgp表达水平明显低于CT和CC型个体。 P-gp表达的这种差异明显影响药物的处置，如CYP3A4和Pgp基因多态性可以影响环胞菌素的药物处置。环胞菌素生物利用度，白种人为 39.6%，黑种人为 30.9%,P-gp 基因ABCB1 (或MDR1)的 3435CT多态性,地高辛的生物利用度 在TT中增高,3435C/T,2677G/T,ABCB1 （P-gp） 基因变异对底物代谢动力学的影响,多药耐药相关蛋白（multi-drug resistance protein, MRP）基因的变异位点具有种族差异性。到目前为止，共发现 MRP1 基因 SNP 变异位点 81个、MRP2 基因 41个、MRP3 基因 30个、MRP4 基因 230个、MRP5 基因 76 个、MRP8 基因 102个和 MRP9 基因70个。,多药耐药相关蛋白,MRP 的功能主要集中在肿瘤多药耐药机制和药物处置方面的研究。研究表明，MRP2 是一种特异性有机离子通道蛋白，主要与铂类、依托泊甙，阿霉素，表柔比星等药物的抗药性和药物转运相关。MRP1与多种肿瘤如乳腺癌、肺癌的耐药密切关系。,HEK293,CHO-K1,Daunorubicin,Doxorubicin,The IC50 values of daunorubicin or doxorubicin treatment in HEK293 and CHO-K1 cells transfected with 4 SNPS of MRP1,Resistance factors (IC50 expression vector/IC50 empty vector) of transfected HEK293 cells to chemotherapeutic agents,Yin et al.PharmacogeneticsandGenomics 2009, 19:206-216,那格列奈 (nateglinide) 的药物代谢动力学受SLCO1B1 T521C 多态性影响,Data are expressed as mean SD,3. 影响药物效应的药物靶点基因多态性,影响药物效应的药物靶点基因多态性（续）,ACE抑制药的效应在ACE的II基因型中较DD强,The efficacy rate of enalapril in the treatment of hypertensive patients with different ACE genotypes,怀化市第三人民医院,异丙肾上腺素的血管扩张作用,沙丁胺醇的气管扩张作用,2受体基因ADRB2 的两个多态性,27Gln/Glu,16Arg/Arg,100-75-50-25-0-,Gln/Gln,Glu/Glu,Maximal venodilative response to isoproterenol (%),20151050,0 2 4 6 8 10 12 14,Change in FEV1 (%),NH2,HOOC,Ser49Gly,Gly389Arg,Arg389,Gly389,Concentration of isoprenaline,Activity of cAMP (pmol/min/mg),异丙肾上腺素的1 受体激动作用与基因多态性相关,1 受体多态性,美托洛尔对心血管系统的影响与 1-受体的基因型相关,Arg389 Gly389,%Change of RHR,%Change of EHR,%Change of SBP,%Change of DBP,0,4,8,12,16,20,75mg,150mg,225mg,Arg/Arg,Gly/Gly,0,5,10,15,75mg,150mg,225mg,Arg/Arg,Gly/Gly,0,4,8,12,16,75mg,150mg,225mg,Arg/Arg,Gly/Gly,0,5,10,15,20,25,75mg,150mg,225mg,Arg/Arg,Gly/Gly,P=0.008,P=0.017,P=0.011,P=0.442,美托洛尔不同剂量在1-受体不同基因型中的心血管效应,根据1-受体单倍型组合（diplotypes）分组的高血压病人经美托洛尔治疗后的血压降低百分率各组显著不同,Liu J et al. Clin Pharmacol Ther,2006,49S389R/49S389R,49S389R/49G389R,49S389G/49G389R,49S389G/49S389G,-18,-16,-14,-12,-10,-8,-6,-4,-2,SBP,DBP,MAP,血压降低百分率（%）,ANOVA,P,0.001,ANOVA,P,=0.001,ANOVA,P,0.001,*,他汀类降脂药物有关的药物代谢酶和转运体,4.药物代谢酶和药物靶点基因多态性的综合作用,参与糖尿病药物代谢的药物代谢酶和转运体,参与抗高血压病药物代谢的重要药物代谢酶和转运体,Engl J Med,1993,328(13)：91421,0,10,20,30,40,50,60,双氢克脲噻,阿替洛尔,卡托普利,可乐定,地尔硫卓,哌唑嗪,80,100,有效百分率,单个药物治疗高血压病，DBP控制在90mmHg以下者均不超过60%（n=1296 （Male, DBP： 95-105mmHg）,目标血压 (mm Hg),抗高血压药数量,1,临床试验,2,3,4,为使血压降到目标点，必须多种药物联合应用,DBP, 舒张压; MAP, 平均动脉压; SBP, 收缩压. Bakris GL et al. Am J Kidney Dis. 2000;36：646-661.Lewis EJ et al. N Engl J Med. 2001;345：851-860.Cushman WC et al. J Clin Hypertens. 2002;4：393-405.,男性病人，56岁，高血压病，公务员Metoprolol 20mg bid; 血压不能控制，交感兴奋基因型检测：1 受体 Gly389Gly（敏感性低）推荐剂量：提高到180%剂量改为40mg bid; 血压控制，交感兴奋控制,临床病例（怀化三医院）,高血压病人 (n=266),标准治疗方案,根据基因型给药方案,2D6*1*/10Arg389Arg2D6*10/*1Arg389Arg,2D6*1/*1Arg389Arg2D6*10/*10Gly389Arg,2D6*1/*1Gly389Arg2D6*1/*10Gly389Arg,2D6*1*/10Arg389Arg2D6*/10*1Arg389Arg,2D6*1/*1Arg389Arg2D6*10/*10Gly389Arg,2D6*1/*1Gly389Arg2D6*1/*10Gly389Arg,25 mgx2,25 mgx2,12.5 mgx2,50 mgx2,4 周,N=64,N=40,N=41,N=58,N=24,N=39,4 周,4 周,4 周,美托洛尔在高血压病人中的治疗效果(娄底市中心医院),A, Non-genotype directed therapy,B, Genotype directed therapy,0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20, SBP, DBP,Blood pressure decrease (mm Hg),P= 0.118,P = 0.009,A1+A3,B1+B3,0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,SBP,DBP,Blood pressure decrease (mm Hg),P = 0.027,P = 0.001,美托洛尔在根据基因型调整剂量的高血压病人中的疗效优于固定剂量,基因多态性对抗抗癌药物的影响,TPMT (硫嘌呤甲基转移酶),0,5,10,15,20,0,5,10,TPMTLTPMTL,TPMTLTPMTH,TPMTHTPMTH,TPMT 活性, 单位/ml RBC,Percentage of subjects per 0.5 units of activity,人 RBC TPMT,298 成人,90%,10%,0.3%,8 变异等位基因, 3 (*2, *3A, *3C) 引起酶活性显著下降，故任何两者组合，即突变纯合子，则无酶活性；与wt组成杂合子，酶活性居中。因此呈三态分布,低/无活性TPMT引起TGs蓄积，引起严重的造血系统毒性，导致继发性白血病和放射性肿瘤,在事先基因型检测选择合适药物和剂量的病人，在低/无活性的病儿未出现继发性脑恶性肿瘤。,McLeod et al., 2000,接受脑部放射治疗小儿患者继发性放射性恶性脑肿瘤的累计发生率,巯嘌呤(6-MP,), 用于小儿白血病，终末代谢产物为硫鸟嘌呤核苷酸（TGNs）,可插入DNA和RNA而有细胞毒性。TPMT可将6-MP甲基化而不产生TGNs,6-MP,代谢产物,代谢产物,TGNs,DNA, RNA,TPMT,TPMT,Ado-Met,Ado-luy,6-mercaptopurine 6-methylmercaptopurine,无毒性代谢产物,细胞毒性代谢产物,药物代谢酶和作用靶点基因多态性对药物效应和毒性的综合影响,St Johns wort 抑制CYP2C19活性青藤碱诱导CYP2C9但抑制CYP2C19茵枳黄诱导CYP3A4和CYP2C19,证明中药能抑制/诱导具有基因多态性的酶活性，为研究中药和其他药物合用时产生药物相互作用及机制提供了参考,J Clin Pharmacol. 2004,Clin Chim Acta. 2005,三、遗传药理学和药物基因组 学在新药研发中的作用,合成,筛选,产生一个新药的漫长过程,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,药 物 开 发 过 程,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,11 - 15 年,1 2 产品,I 期,II 期,III 期,0,15,5,10,临床药理、毒理学,临床前,创意,6050403020100,1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006,批准新药数,22,28,53,39,30,35,27,24,17,21,36,20,17,美国FDA每年批准的新药（1994-2006）,最近20年美国FDA从市场撤出的药品,1990年以来因基因多态性引起部分病人毒性而从市场撤出的药物,遗传药理学和药物基因组学在药物开发各阶段中的应用,药物靶点鉴定,药物靶点确证,先导化合物筛选,化合物文库筛选,申报审批,先导化合物优化,临床前研究,临床试验I/II/III期,药 物 基 因 组 学,遗 传 药 理 学,开发针对具有遗传变异（药物代谢酶变异、受体变异、疾病变异）的特定人群的强效、安全药物。新的药物设计与治疗模式是：以作用于相关遗传物质为基础，以特定基因病人为对象，最大限度地实现治疗合理化。,（1）开发作用于相关的遗传物质和以特定基因型病人作为治疗对象的药物,（2）避免开发有多态性药物代谢酶参 与的、且治疗指数低的药物,药物代谢酶的变异是药代动力学个体差异的重要原因，研究的早期应及早确定其代谢是否由具有遗传多态性药物代谢酶的参与。对于有多种代谢酶参与的，且治疗指数低的候选药物应立即淘汰。,遗传药理学研究对各国新药申报审批部门也提出了新的问题。在审批由其它国家和地区申报的新药时，要求研制单位除了提供药物的有效性、安全性和产品的质量外，还需提供活性化合物是否还具有种族敏感性或不敏感性特征以及活性化合物的代谢和效应是否具有种族差异。,（3）新药研制管理方面的意义,1997年ICH将“国外临床研究数据可接受的种族因素”正式写入指导原则（ICH-E5）,美国FDA、ICH、我国等相继规定新药临床试验和国外药品注册需考虑种族因素。,识别疾病和途径基因的遗传药理学标识物，针对性地选择作用靶点选择更好的药物候选物（早期确定候选物是否高度受基因多态性的影响，因而可减少因效应差异而带来的风险）避免高多态性药物靶点确定药物在人体内的代谢途径开发药代动力学最稳定的化合物识别由遗传变异引起的代谢和反应异常避免开发安全范围小而又与遗传变异密切相关的药物开发对遗传变异人群有针对性作用的药物最大限度减少药物相互作用（药代酶相同底物、诱导和抑制）,运用药物基因组学和遗传