Farmakogenomika

|W
L A B O R ATO R I U M
fot. Shutterstock
LABORATORIUM 5-6/2011
STRESZCZENIE
Na zróżnicowaną
reakcję ludzi na leki, poza środowiskiem,
dietą i ogólnym stanem zdrowia, mają
wpływ także geny. Farmakogenetyka
i farmakogenomika to dziedziny
zajmujące się badaniem genetycznie
uwarunkowanego zróżnicowania
odpowiedzi na zastosowany lek
u pacjenta. Takie podejście pozwala
określić, czy farmakoterapia jest właściwie
dobrana dla każdego pacjenta. Dodatkowo
ma ono wpływ na opracowywanie nowych
leków oraz ma wkład w opracowywanie
Farmakogenomika
– w drodze ku medycynie
spersonalizowanej
skutecznych metod zapobiegania chorób.
SŁOWA KLUCZOWE
farmakogenetyka, farmakogenomika,
medycyna spersonalizowana
SUMMARY
Although environment,
diet, and general state of health
can influence how people respond
to medicines, another important
factors are genes. Pharmacogenetics
and pharmacogenomics deal with the
genetic basis of variable drug response
in individual patients. This approach
allows to determine what therapy
is right for you, based on your own
genes. Moreover, it has application
in drug discovery and brings a new
insight into disease prevention.
KEY WORDS
pharmacogenetics,
pharmacogenomics, personalized medicine
dr inż. Małgorzata Czernicka1,
mgr inż. Wojciech Czernicki2
1
KATEDRA GENETYKI, HODOWLI I NASIENNICTWA,
UNIWERSYTET ROLNICZY IM H. KOŁŁĄTAJA W KRAKOWIE
PLIVA KRAKÓW ZAKŁADY FARMACEUTYCZNE S.A.
2
18
ażde z rewolucyjnych odkryć w medycynie miało ogromny wpływ
na skuteczną diagnostykę chorób
oraz leczenie pacjentów. Szczególnie
XX wiek odznaczył się różnorodnym arsenałem sposobów leczenia, głównie infekcji, chorób serca, nowotworów, a także
chorób psychicznych. Jednakże farmakoterapia często okazywała się nieefektywna,
a nie rzadko też wywoływała negatywne
skutki w organizmie pacjenta. Co więcej,
u pacjentów, którym podawano ten sam
środek leczniczy, obserwowano zróżnicowane reakcje na lek. Tylko u niektórych
ludzi potwierdzono bezpieczne działanie
terapeutyczne, natomiast u pozostałych
lek nie powodował żadnego pozytywnego
efektu. W najgorszej sytuacji byli pacjenci, u których poza tym, że przyjmowany
lek był nieskuteczny, dodatkowo wykazywał negatywny wpływ na ich zdrowie.
Ryc. 1 przedstawia możliwe reakcje ludzi
po przyjęciu leku.
K
Określenie różnic w odpowiedzi pacjentów na dany lek powinno być podstawowym krokiem w kierunku optymalnej farmakoterapii. Na podstawie badań
przeprowadzonych na początku lat 50.
XX wieku stwierdzono, że na zróżnicowaną reakcję na lek, poza czynnikiem
genetycznym, duży wpływ mają także:
wiek pacjenta, sposób odżywiania, ogólny
stan zdrowia, interakcja z innymi przyjmowanymi lekami, a także środowisko,
w którym żyje. W tym czasie datuje się
narodziny nowej dziedziny wiedzy –
farmakogenetyki, która łączy wybrane
zagadnienia z genetyki, biochemii oraz
farmakologii. Celem farmakogenetyki
jest określanie, jakie uwarunkowania genetyczne wpływają na zróżnicowaną reakcję pacjentów na dany lek. W ostatnich
latach, dzięki intensywnemu rozwojowi
technik sekwencjonowania kwasów nukleinowych i narzędzi bioinformatycznych
rozwinęła się nowa dyscyplina naukowa
W L A B O R ATO R I U M
– farmakogenomika, która łączy farmakogentykę z genomiką. Opracowanie mapy
genetycznej pacjenta oraz profilu zmian
genetycznych może dać wskazówki odnośnie doboru leków i przebiegu terapii.
Taki sposób diagnostyki i leczenia jest
podstawą medycyny spersonalizowanej
(personalized medicine), w której terapia
polega na skutecznym doborze środków
farmakologicznych w oparciu o wcześniejsze analizy DNA pacjenta. Niektórzy
naukowcy określają taki sposób farmakoterapii jako „terapia z użyciem właściwych
leków, o właściwych dawkach, działająca
na właściwych pacjentów”.
Obecnie w medycynie powszechny
jest sposób wyboru metody leczenia
na podstawie skuteczności działania leku
na jak największą grupę osób spośród
całej badanej populacji. To tradycyjne
podejście stosowane w wyborze odpowiedniej farmakoterapii często określa się
jako „jeden lek dla wszystkich”. W tym
miejscu nasuwa się pytanie, jak leczyć
tych pacjentów, dla których testowany lek
był nieskuteczny? W takich przypadkach
zindywidualizowana farmakoterapia, bazująca na wynikach analiz DNA pacjen-
tów, niewątpliwie stanowiłaby najlepsze
rozwiązanie.
䀈HISTORIA
FARMAKOGENETYKI
Biolodzy od dawna akceptowali fakt,
że zróżnicowana reakcja organizmów
na środowisko jest determinowana genetycznie. Jednak pierwszą oznaką idei,
że zmienność reakcji organizmu na obce
substancje jest kontrolowana genetycznie,
były badania Archibalda Garroda nad alkaptonurią opublikowane w 1902 roku.
Garrod zasugerował, że enzymy są zaangażowane w detoksykację obcych substancji
w organizmie i że nieprawidłowe działanie tego mechanizmu u niektórych osób
może być spowodowane brakiem danego
enzymu. Hipoteza Garroda została podtrzymana, gdy podczas II wojny światowej
zauważono, że wśród Afroamerykanów
służących w amerykańskiej armii znacznie bardziej powszechna była hemoliza,
jeśli zażywali lek antymalaryczny – prymachinę. Badania prowadzone po wojnie wykazały, że przyczyną hemolizy
indukowanej lekiem antymalarycznym
był niedobór enzymu dehydrogenazy
|LABORATORIUM
5-6/2011
glukozo-6-fosforanu (G6PD). To z kolei
jest genetycznie uwarunkowaną chorobą dziedziczną, spowodowaną mutacją
w genie G6PD, który zlokalizowany jest
na chromosomie X. U osób posiadających
mutację w genie G6PD dochodzi do wystąpienia objawów chorobowych pod
wpływem różnych czynników środowiskowych, z których najważniejszymi są leki,
ale również może to być spożycie bobu
lub nawet kontakt z jego pyłkiem.
Dowody zmienności reakcji różnych
ludzi na leki: izoniazyd i sukcynylocholinę, również analizowano pod kątem
wpływu genów. Raporty kliniczne z końca
lat 40-tych XX w. ujawniły, że u pewnej
grupy pacjentów leczonych przeciwgruźliczym izoniazydem wystąpiła neuropatia
obwodowa. Obserwacje kliniczne zostały
potwierdzone odkryciem, że występowanie w populacji osób z fenotypem
wolnej acetylacji, tzw. osobników słabo
metabolizujących, pokrywa się z podziałem geograficznym i etnicznym. Obecnie
wiadomo, że fenotyp taki posiada około 40-60% rasy kaukaskiej, co skutkuje
wolniejszym oczyszczaniem organizmu
i wiązaniem toksyn z niektórych leków.
19
LABORATORIUM 5-6/2011
|W
L A B O R ATO R I U M
Początkowo badania kliniczne zwiotczającej mięśnie sukcynylocholiny prowadzone
na małej grupie pacjentów nie wykazały
żadnych komplikacji czy toksyczności.
Jednak podczas prób na dużej grupie
ludzi występowały przypadki długotrwałego bezdechu po podaniu badanego leku
zwiotczającego. Dalsze badania wykazały,
że powodował to niedobór u pacjentów
enzymu pseudocholinoesterazy.
Przedstawione powyżej przykłady były
pierwszymi, w których udowodniono
wpływ czynników genetycznych na zróżnicowaną reakcję na leki. Na bazie owych
obserwacji w 1957 roku Arno Motulsky
zaproponował, że dziedziczenie niektórych
cech może wyjaśnić wiele indywidualnych
różnic, zarówno w wydajności działania
leków, jak i niepożądanych reakcji na leki.
Pierwsze obserwacje oraz inspirowane nimi
badania w celu wyjaśnienia nieprawidłowości były podstawą dzisiejszej farmakogenetyki. Dziś znanych jest wiele udokumentowanych przykładów różnej reakcji na leki
związanych ze zmiennością genetyczną.
W niektórych przypadkach testy genetyczne są pierwszym krokiem w doborze
właściwej terapii. W chemioterapii ostrej
reklama
20
Ryc. 1. Potencjalne reakcje pacjentów w odpowiedzi na dany lek [8]
białaczki limfoblastycznej podawanie leków,
takich jak 6-merkaptopuryna, 6-tioguanina
i azatiopryna, może powodować ciężką toksyczność hematologiczną lub nawet śmierć
pacjentów posiadających niefunkcjonalny
typ enzymu TPMT (metylotransferazy tiopuryny). Oznaczenie TPMT w czerwonych
ciałkach krwi lub genotypowanie pozwala
zidentyfikować pacjentów homozygotycznych pod względem alleli genu kodującego niefunkcjonalny enzym, a tym samym
niezdolnych do metabolizowania leków
do formy nieaktywnej. Pacjenci ze słabą
lub średnią aktywnością TPMT mogą
przyjmować tylko od 1/10 do 1/15 przeciętnie stosowanej dawki 6-merkaptopuryny. Znając profil polimorficzny pacjenta, można dostosowywać odpowiednią
dla niego dawkę leku, unikając efektów
przedawkowania czy zbyt niskiej, a przez
to nieskutecznej dawki. Wysoki stopień
polimorfizmu znany jest w przypadku
cytochromu P450. Jest to składnik układu
monooksydaz metabolizujących większość
W L A B O R ATO R I U M
leków w organizmie. Spośród wielu izoenzymów należących do tego układu aktywność CYP2D6, CYP2C9 oraz CYP2C19
jest uwarunkowana genetycznie. Najlepiej
dotąd poznany został polimorfizm enzymu
CYP2D6P. Pacjenci homozygotyczni pod
względem alleli genu CYP2D6 posiadają
fenotyp słabych metabolizerów (PM, poor
metabolizers). Osoby te po przyjęciu leku
posiadają wyższe jego stężenie oraz dłuższy
czas utrzymania takiego poziomu we krwi,
przy czym stężenie metabolitu jest niskie.
Jeśli składnikiem aktywnym jest metabolit,
aby uzyskać pożądany efekt terapeutyczny,
należy pacjentom podawać wyższe dawki
leku. W przypadku osób z szybkim metabolizmem nie istnieje potrzeba stosowania
tak wysokich dawek. Słabi metabolizerzy
są bardziej narażeni na niepożądane działanie leków. Częstotliwość cechy recesywnej CYP2D6 waha się od 1-2% u Azjatów,
5% i Afroamerykanów do 6-10% u osób
rasy kaukaskiej. Duża część leków nasercowych i psychotropowych jest metabolizowana w sposób, jaki przedstawiono
powyżej. Uwzględnienie uwarunkowania
genetycznego w poszukiwaniu kandydatów na nowe leki może pomóc uniknąć
potencjalnych efektów ubocznych powodowanych przez polimorfizm izoenzymów
cytochromu P450.
Farmakogenetyka znajduje zastosowanie nie tylko w przypadku tradycyjnych
leków, ale również w terapii genowej czy
podczas stosowania białek otrzymanych
metodami inżynierii genetycznej. Dobrym przykładem może być leczenie
raka piersi za pomocą preparatu trastuzumab, czyli przeciwciała monoklonalnego, które jest skuteczne tylko u chorych
z nadmierną ekspresją receptora HER2
obecnego na powierzchni komórek nowotworowych.
䀈ROZWÓJ
FARMAKOGENOMIKI
Farmakogenomika jest dyscypliną odpowiedzialną za ocenę podstaw genetycznych
reakcji na leki i toksyczności w docelowej
populacji pacjentów. Poprzez poszerzenie
poszukiwań czynników genetycznych wpływających na odpowiedź organizmu na leki
farmakogenomika zastępuje podejście typowe dla farmakogenetyki. Podczas gdy
farmakogentyka poszukuje wzajemnych
zależności między markerami fenotypo-
|LABORATORIUM
5-6/2011
wymi, jak np. wzmożona toksyczność
leku, i poszczególnymi genami, farmakogenomika wykorzystuje techniki analizy
genomu, tj. sekwencjonowanie DNA,
mapowanie genów i narzędzia bioinformatyczne, co pozwala zidentyfikować
podstawę genetyczną indywidualnej czy
rasowej zmienności reakcji na leki, ich
metabolizmu i transportu. Lek, wchodząc do organizmu, ma kontakt z licznymi białkami transportującymi, enzymami
i różnymi rodzajami białek receptorowych.
Białka te warunkują wchłanianie leku,
dystrybucję, wydalanie, działanie docelowe i reakcję farmakologiczną organizmu.
W efekcie liczne polimorfizmy w wielu
genach mogą wpływać na działanie leku,
co z kolei wymaga analizy całego genomu.
Innym powodem genetycznej zmienności
reakcji na lek jest zróżnicowanie ekspresji
wielu genów w komórkach poszczególnych tkanek. Identyfikacja produktów
ekspresji genów w docelowej tkance
pozwala wyjaśnić mechanizm działania
leku w kontekście genetycznym, a tym
samym poznać różnice w indywidualnej
odpowiedzi organizmu na lek. Analiza
całego programu transkrypcyjnego tkanreklama
21
|W
L A B O R ATO R I U M
ki ma znaczenie zwłaszcza w przypadku
nowotworów o podłożu genetycznym, ponieważ mRNA może zostać wyizolowane
np. z próbki otrzymanej w wyniku biopsji. Ekspresja genów w tkance guza może
posłużyć do selekcji efektywnej terapii lub
uniknięcia niepotrzebnego narażenia pacjentów na toksyczne i nieskuteczne leki.
Krokiem milowym na drodze poszukiwania nowych leków oraz ich rozwoju
jest projekt sekwencjonowania genomu
człowieka (Human Genome Project). Nowe
podejście analityczne i bioinformatyczne
oraz strategia badania genomu mają kluczowe znaczenie w opracowaniu danych
otrzymanych w wyniku sekwencjonowania. Innowacyjne techniki, takie jak:
mikromacierze DNA („czipy” DNA) czy
pirosekwencjonowanie, zrewolucjonizowały nauki biologiczne dzięki możliwości
przeprowadzenia wielu eksperymentów
hybrydyzacyjnych w jednym czasie, a tym
samym analizie tysięcy cząsteczek kwasów
nukleinowych. Dzięki temu możliwe jest
zbadanie pacjenta pod kątem występowania
konkretnych polimorfizmów, zanim terapia
danym lekiem zostanie rozpoczęta.
Kluczowe znaczenie w poszukiwaniu
genów istotnych dla choroby i terapii
ma opracowanie pełnej mapy polimorfizmów występujących w całym genomie.
Polimorfizm jest generalnie określany
jako zmienność w sekwencji DNA, która
występuje u przynajmniej 1% populacji. Większość polimorfizmów stanowi
polimorfizm pojedynczego nukleotydu
(ang. Single Nucleotide Polymorphism –
SNP). Ludzki genom składa się z 3 mld
nukleotydów a zmienność między poszczególnymi osobami występuje około
raz na 300 nukleotydów, zatem 10 mln
SNP może występować między dwoma
osobami. Trudność polega na tym, aby
zidentyfikować tylko te SNP, które mogą
odgrywać rolę w odpowiedzi organizmu
na lek. Dostępność map polimorfizmów
SNP oraz możliwości analityczne, jakie
dają techniki mikromacierzy DNA czy
pirosekwencjonowania, pozwalają nie
tylko na identyfikację genów sprzyjających podatności na daną chorobę oraz
prognozowanie prawdopodobieństwa
zachorowania w przyszłości, ale również
na znalezienie leku i dobór właściwej
terapii. W przypadku gdy ryzyko wystąpienia danej choroby jest wysokie, można zastosować terapię zapobiegawczą
i/lub zmianę trybu życia np. poprzez
dietę czy ćwiczenia. Pełna mapa SNP
22
umożliwia również selekcję odpowiedniego leku w terapii, ponieważ zawiera
informacje istotne z punktu widzenia
transportu leku, jego metabolizmu czy
interakcji z receptorami. Dodatkowo
mapa polimorfizmów pojedynczego
nukleotydu informuje terapeutę, czy
konieczny jest dobór indywidualnej
dawki stosowanego leku.
䀈MEDYCYNA
SPERSONALIZOWANA
– NADZIEJE I OBAWY
Różnorodność genetyczna jest znaczącym
źródłem zmienności w odpowiedzi organizmów na leki. Wcześnie podjęta zapobiegawcza terapia, oparta na farmakogenetyce i farmakogenomice, może znacznie
zwiększyć efektywność leczenia. Przewidywanie, którzy pacjenci lepiej zareagują
na dany lek lub jaki lek da najbardziej
optymalne efekty u danego pacjenta, jest
dużym krokiem naprzód, nawet w przypadku stosowania obecnie znanych leków.
Potrzeba indywidualnego podejścia i respektowania powyższych zasad podczas
poszukiwania i rozwijania nowych leków
jest tym bardziej oczywista.
Medycyna spersonalizowana pozwala
podjąć najefektywniejszą decyzję kliniczną indywidualnie w przypadku każdego
pacjenta. Tym samym umożliwia zastosowanie optymalnej strategii leczenia
danego pacjenta oraz uniknięcia niepotrzebnych kosztów i ryzyka związanego
z terapią, która nie ma szans zadziałać.
Jednak ta nowa dziedzina wiedzy może
budzić także pewne obawy natury etycznej – głównie ze względu na możliwość
naruszenia prywatności pacjenta czy jego
dyskryminacji na tle genetycznym. Inny
problem stanowi konieczność zwiększenia
nakładów finansowych na etapie badania
i wytwarzania nowych spersonalizowanych leków. Indywidualne stosowanie
leków przeznaczonych dla konkretnych
pacjentów zmniejszy również potrzebę
masowej ich produkcji. Mimo obaw medycyna spersonalizowana w połączeniu
z farmakogenomiką stanowi unikatowe
podejście, ponieważ umożliwia nie tylko
efektywniejsze leczenie, ale również profilaktykę wielu chorób, dzięki wczesnemu
wykrywaniu ich symptomów. Medycyna
spersonalizowana, oferując rozwiązania wielu problemów związanych ze stosowaniem
leków, niesie ogromny potencjał i może
być przełomem w podejściu do zdrowia
w najbliższej przyszłości.

Piśmiennictwo dostępne na
www.laboratorium.elamed.pl
fot. Shutterstock
LABORATORIUM 5-6/2011