Farmacogenetica: origini della variabilità umana nella
risposta ai farmaci
“ One Size Doesn't Fit All “
Problematica clinica della variabilità interindividuale nella risposta ai farmaci :
somministrando lo stesso farmaco a diversi pazienti, si possono avere diverse
risposte: effetto terapeutico, nessun effetto, tossicità.
LA VARIABILITA' INTER-INDIVIDUALE NELLA RISPOSTA AI FARMACI
Cause
Fattori non genetici:
Fisiologici :età, sesso, peso corporeo
Patologici: alterata funzionalità renale ed epatica o comorbidità
Ambientali: dieta e abuso di alcool e fumo, concomitante assunzione di altri farmaci
Fattori genetici: POLIMORFISMI
IDIOSINCRASIA
La reazione idiosincrasica è un effetto farmacologico anomalo,
generalmente pericoloso, che ha basi genetiche.
IDIOSINCRASIA:
Il termine viene dal greco idiosynkrasia, composto
da idios (proprio, particolare) e sykhrasis
(costituzione, temperamento).
Farmacogenetica
Studio della variabilità di risposta ad un farmaco
dovuta a fattori genetici ereditari
1959: Freidrich Vogel conia il termine farmacogenetica parlando di una
risposta ai farmaci ereditaria e variabile in popolazioni diverse.
Metodi di studio: Analisi genetiche (SNPs, profili
di espressione genica)
Ha lo scopo di fornire una maggiore sicurezza
nella somministrazione della terapia.
Nozioni generali
Ciascun individuo definito diploide (2n) come gran parte dei viventi,
possiede per ciascun gene, due alleli, ossia due copie, una di origine
materna (n) e una di origine paterna (n).
l'individuo è omozigote per un determinato gene se eredita una
coppia di alleli identici.
se gli alleli sono differenti, l'individuo è detto eterozigote.
Polimorfismi
• Varianti alleliche presenti in >1% della
popolazione
• Il tipo più comune di polimorfismo è il Single
Nucleotide Polimorphisms (SNP), polimorfismi a
singolo nucleotide
Single nucleotide polimorphisms (SNPs)
• Sostituzione di una singola base
• 1 SNP ogni 1000 basi
• Stimati in 3-10 milioni nel genoma
umano
– 1.8 milioni identificati
• 5-10 SNPs per gene
• 1% possono avere significato
biologico
SNPs nelle regioni codificanti o
regolatrici (gene promoters)
Tipologie di SNP
Purine
•Transizioni
•Transversioni
Purine (A
G; G
A)
Evento più
frequente
Pirimidine
Purine
Pirimidine (C
Pirimidine (G
Pirimidine
Purine (C
•Inserzioni e/o delezioni singola base
T, T
C)
C; G
T; A
C; A
T)
G; C
A; T
A; T G)
Polimorfismo della glucosio-6-fosfato-deidrogenasi
La glucosio-6-fosfato-deidrogenasi è un enzima che si trova nei globuli rossi.
Ha la funzione di proteggere queste cellule dal danno da ossidanti chimici, in sua
assenza si ha emolisi degli eritrociti, che causa quindi anemia.
Vi sono anche farmaci che possono causare emolisi in pazienti con deficit di G-6-PD:
analgesici, antimalarici, antipiretici….
Polimorfismi della butiril-colinesterasi
(pseudocolinesterasi)
In alcuni soggetti il bloccante neuromuscolare
succinilcolina dà una apnea pronunciata
L’ anomalia può essere diagnosticata misurando il livello delle cosiddette
pseudocolinesterasi nel plasma prima di interventi chirurgici
Geni che influenzano la risposta al farmaco
1.
Geni
codificanti
per
(FARMACOCINETICA)
•
•
•
Assorbimento (passaggio dal sito di somministrazione al circolo sanguigno)
Distribuzione (passaggio dal circolo sanguigno alle cellule dei tessuti o al liquido interstiziale)
Metabolismo (biotrasformazione delle sostanze esogene introdotte in altre sostanze meno
liposolubili cioè più idrofile; questo ne facilita la successiva eliminazione e ne diminuisce la
distribuzione)
Escrezione (attraverso il rene con le urine e attraverso il sistema epato-biliare con la bile e le
feci.
•
2.
proteine
coinvolte
nella
biodisponibilità
del
farmaco
Geni codificanti per il bersaglio terapeutico del farmaco (FARMACODINAMICA)
•
Recettori
•
Canali ionici
•
Enzimi
Polimorfismi a questi livelli
possono determinare
modificazioni nella
risposta ad un farmaco
DI NATURA FARMACOCINETICA
DI NATURA FARMACODINAMICA
PRODUCENDO LA COMPARSA DI EFFETTI AVVERSI O
ASSENZA DI RISPOSTA CLINICA
Biotrasformazione di un farmaco
I processi metabolici che trasformano le molecole introdotte in metaboliti più
idrosolubili e quindi più facilmente eliminabili sono effettuate da enzimi.
Reazioni di Fase I:
•Ossidazione
•Riduzione
•Idrolisi
Reazioni di Fase II:
•Acetilazione
•Metilazione
•Coniugazione con gruppi
(Acido Glucuronico, GSH)
Le reazioni di fase I trasformano il componente iniziale in un metabolita più polare introducendo o smascherando un gruppo
funzionale (OH, NH2, SH); queste reazioni comprendono l'ossidazione, la riduzione e l'idrolisi. Molti prodotti della fase I non
sono comunque eliminati rapidamente e subiscono una successiva reazione -> fase II
Nella fase II un substrato endogeno (come l’acido glucuronico, l’acido solforico, l’acido acetico o un amminoacido) si combina
con il neoformato gruppo funzionale, formando un CONIUGATO ad alta polarità.
In alcuni casi il metabolismo trasforma un farmaco da molecola da farmacologicamente inattiva
(PROFARMACO) in farmaco con EFFETTO TERAPEUTICO
La causa principale di molti effetti indesiderati nella risposta a farmaci, dipende da alterazioni
degli enzimi coinvolti nei processi metabolici a cui quasi tutti i farmaci vanno incontro,
principalmente a livello epatico.
Quali sono le conseguenze
farmaco-tossicologiche
della variabilità
genetica??
Effetto del polimorfismo di un enzima che metabolizza farmaci
-METABOLIZZATORI NORMALI -> hanno 2 copie funzionali del gene per l’enzima
in esame!
-METABOLIZZATORI INTERMEDI -> sono eterozigoti, hanno una copia del gene
normale e l’altra copia che produce un enzima non funzionante!
METABOLIZZATORI
ULTRARAPIDI o
Ultrarapid Metabolyzer (UM):
sono soggetti che
hanno maggiori quantità
di enzima e metabolizzano
in modo molto rapido
METABOLIZZATORI
DEBOLI o
Poor Metabolyzer (PM):
sono soggetti che
mancano dell’enzima
o hanno un enzima
che funziona poco
1)
Metabolismo del farmaco lento
1)
Metabolismo troppo rapido del farmaco
2)
Alti livelli plasmatici di farmaco ai dosaggi ordinari
2)
Nessuna risposta al farmaco a dosi
3)
Alto rischio per reazioni avverse
4)
Nessuna risposta per alcuni PROFARMACI
5)
Dosi più basse e meno frequenti per evitare la
raggiungere le concentrazioni
tossicità
terapeutiche;
ordinarie
3)
dosi più elevate e più frequenti per
Effetto del polimorfismo di un enzima che metabolizza farmaci
La maggior parte di enzimi metabolizzanti esibiscono
polimorfismi genetici rilevanti dal punto di vista clinico
Farmaci metabolizzati dai CYP450 (2D6, 2C9 e 2C19)
CYP2D6
Antistaminici
Il CYP2D6, CYP2D9 e CYP2C19 sono coinvolti nelle
trasformazioni di molti tipi di farmaci di uso comune, tra cui:
analgesici,
antiipertensivi,
antiepilettici,
antiallergici,
antiinfiammatori, antivirali, antitumorali e molti altri.
Desloradatina
Terfenadine
Idroxizina
Antiallergici
Loratadina
Prometazina
CYP2C9
Arformoterolo
Antiasmatico
Antiasmatico
Antidepressivi
Amitriptilina
Fluoxetina [Prozac]
Imipramina
Nortriptilina
Paroxetina
Antiepilettico
Mefenitoina
Antipsicotico
Montelukast
Zileutone
Antidepressivo
Clomipramina
Fluoxetina [Prozac]
Imipramina
Antiepilettico
Mefenitoina
Fenitoina
Aloperidolo
Debrisochina
Antifungino
Lidocaina
Sparteina
Carvedilolo
Antiaritmico
Antidolorifici
Morfina
Ossicodone
bloccante
Fluconazolo
-bloccante
FANS
Ibuprofene
Diclofenac (Voltaren)
Antiulcera
Bufurarolo
Lansoprazolo
Pantoprazolo
Diclofenac (Voltaren)
Losartan
Fenformina
Ritonavir
Codeina*
Tamoxifene
FANS
Antipertensivo
Ipoglicemizzante
Antivirale
Analgesico
Antitumorale
CYP2C19
Antidepressivo
Desipramina
Imipramina
Antibiotico
Amoxicillina (Augmentin)
Claritromcina
Antiepilettico
Mefenitoina
Fenobarbitale
Fenitoina
Antidolorifico
Metadone
Antiepilettico
Oxcarbazepina*.
FANS
Diclofenac (Voltaren)
Antiulcera
Ranitidina
Lansoprazolo
Omeprazolo
Antivirale
Ritonavir
Vasodilatatore
Nicardipina
* I farmaci segnati con l’asterisco sono PROFARMACI e vengono trasformati in molecole farmacologicamente attive dal citocromo
Farmacogenetica del CYP2D6.
Esistono più di 75 varianti alleliche note
–
–
–
–
SNPs
delezione o addizione di una singola base
delezione del gene
duplicazioni del gene (2x-13x)
Distribuizione etnica dei fenotipi polimorfici di CYP2D6
•
•
Poor metabolizer
• Europei
• Africani (USA)
• Orientali
5-10 %
2-5 %
<1 %
Ultra-rapid metabolizer
• Scandinavi
• Spagnoli
• Etiopi
1.5 %
7%
20 %
Effetti farmacologici in pazienti
con polimorfismi di CYP2D6
fenotipo metabolizzatore
poor
ultra-rapid
Antidepressivi triciclici
cardiotossicità
inefficace
tachicardia,
costipazione, debolezza
Antiaritmici
parestesie
disturbi visivi
vertigine, nausea,
vomito, aritmie
Oppioidi
inefficace
inefficace
euforia, nausea
Dose requirement for nortriptyline in patients with different
CYP2D6 phenotypes
Poor
Ultra-Rapid
Citocromi CYP2C9
•
Responsabili della metabolizzazione di almeno il 10%
dei farmaci più importanti.
1.
2.
3.
4.
5.
•
Tutti gli anticoagulanti orali (Warfarin, dicumarolo)
Quasi tutti gli ipoglicemizzanti orali
FANS
Antiepilettici (Fenitoina, valproato)
Cannabinoidi
Ormoni (estrogeni ,progestinici, ormoni sintetici)
•
2 i polimorfismi più importanti (CYP2C9*2 Arg144Cys e
CYP2C9*3 Ile359Leu)
Effetti della variabilità del CYP2C9 sulla probabilità
di errori coagulativi
•
•
•
I pazienti con CYP2C9*2 e *3
hanno una minore capacità di
metabolizzare (idrossilare) il
Warfarin la cui azione si protraee
in modo eccessivo
Questi pazienti hanno un rischio
di incidenti coagulativi
(emorragia) più alto (3.68).
I CYP2C9*2/*2 avrebbero
bisogno di una dose giornaliera
pari al 32% della dose standard,
mentre i CYP2C9*3/*3 solo del
9%
Lancet, Aithal et al., 353,717, 1999.
Polimorfismo genetico del CYP2C19
Il CYP2C19 codifica per un enzima che controlla il
metabolismo di alcuni farmaci e profarmaci tra cui s-warfarin,
clopidogrel, omeprazolo, lansoprazolo, fenitoina, diazepam,
usati per trattare disturbi cardiovascolari (antitrombotici),
ulcera peptica e reflusso gastroesofageo, epilessia.
•Esiste 1 variante allelica del CYP2C19 con
ridotta attività enzimatica
Clopidrogel
È un antiaggregante piastrinico della famiglia delle tienopiridine
Impiego: sindrome coronarica acuta e decorso post infartuale
Meccanismo d'azione : inibizione del recettore piastrinico dell'ADP P2Y12.
CYP2C19 è coinvolto nella conversione del clopidogrel (profarmaco) nel
metabolita attivo, responsabile dell’attività farmacologica dell’antiaggregante
Negli studi clinici i metabolizzatori lenti o con attività enzimatica ridotta sono
andati incontro ad un tasso di eventi cardiovascolari (ictus, infarto miocardico,
morte) più elevato rispetto ai metabolizzatori rapidi.
Ruolo delle acetiltranferasi
• Variazioni della capacità di metabolizzare l’
isoniazide (idrazide dell’acido isonicotinico,
antitubercolare).
• Il farmaco è metabolizzato dalle N-acetil transferasi
(NAT), la presenza di variabilità di risposta al farmaco ha
permesso l’identificazione di due classi di individui:
Acetilatori veloci che metabolizzano
velocemente il farmaco
Acetilatori lenti che metabolizzano il
farmaco in più ore, diventando più esposti ai
suoi effetti collaterali.
N-acetilazione
Variazioni nell’attività dell’acetiltransferasi:
Frequenza degli acetilatori lenti
80-90% dei nord-africani (Egiziani e Marocchini)
60% degli Indiani
50% negli Europei e Americani
Acetilatori lenti metabolizzano poco il
farmaco e sviluppano una neuropatia
periferica ed epatopatia dopo
trattamento con dosi efficaci di isoniazide
Frequenza degli acetilatori veloci
80-90% popolazioni orientali
67% dei latino-americani
Fattori genetici e carcinoma
vescicale
I polimorfismi possono influenzare la probabilità di sviluppo di un carcinoma in
presenza di specifiche esposizioni occupazionali od ambientali, agendo come
modificatori di effetto.
Le amine aromatiche, possono essere sottoposte ad un processo di Nacetilazione con produzione di composti inattivi che non manifestano potere
cancerogeno.
Lenti acetilatori (polimorfismo NAT2 ) sono da considerare a rischio
maggiore di sviluppo di un carcinoma vescicale rispetto ai soggetti veloci
acetilatori.
Reazioni di coniugazione con il glutatione
•Il glutatione (GSH) è un tripeptide con proprietà antiossidanti formato da cisteina,
glicina e acido glutammico. Può legarsi al substrato anche senza catalisi enzimatica o
essere catalizzata dalle Glutatione-S-transferasi (GST) di cui esistono varie isoforme
• L’enzima GST-P polimorfico ha una efficienza metabolica per i
diolo epossidi degli PAH, 7 volte maggiore della forma WT
(esempio di polimorfismo positivo!)
Variazione di rischio di tumori specifici in soggetti con polimorfismi
GSTM1 nullo
GSTM1 nullo e GST1 nullo
Tumori della vescica
1.57 (1.36-1.81)
Rischio relativo (limiti di confidenza)
Tumore ovarico
3.4 (1.7-7.1)
(esempio di polimorfismo estremamente negativo!)
Polimorfismo della tiopurinometiltranferasi (TPMT)
Variazione nella capacità di metabolizzare la 6-mercaptopurina e
l’azatioprina
•
•
Farmaci antimetaboliti delle purine, fondamentali per la terapia della
Leucemia Linfoblastica Acuta infantile
Usati anche come immunosoppressori nei trapianti e in alcune
malattie autoimmuni (lupus-artrite reumatoide)
•
la riduzione della via
metilante provoca
tossicità midollare
anche fatale e richiede
abbassamenti di dose di
10-15 volte
Fenotipizzazione
Fenotipizzazione: Determinazione di tiopurine
metilate, utilizzando come substrato la tioguanina e
l’enzima TPMT eritrocitario. L’espressione della TPMT
eritrocitaria e’ correlata ai livelli espressi nei tessuti
Scelta del dosaggio
più adeguato
Genotipizzazione
Alcool deidrogenasi (ADH)
I geni ADH sono sette ADH1-7 e codificano tutti per enzimi che
catalizzano la reazione di ossidazione da alcool ad aldeide
Svizzeri
Inglesi
Tedeschi
Cinesi
Giapponesi
Indiani
Navajo
20
5-10
9-14
89-92
85-98
0
0
L’allele ADH1B*2-47His aumenta il tasso di formazione dell’acetaldeide;
è frequente nelle popolazioni asiatiche, riduce il rischio di dipendenza da
alcol e costituisce quindi un fattore protettivo contro l’alcolismo.
Importanza clinica di polimorfismi su
enzimi metabolici
• Gli enzimi metabolici sono poco selettivi e più o
meno modulabili
• Gli effetti di polimorfismi su enzimi metabolici
sono rilevanti soprattutto per i farmaci che hanno
indice terapeutico basso
• … o quando il paziente possiede una
combinazione di polimorfismi “sfavorevoli”
Geni che influenzano la risposta
al farmaco
• Geni codificanti per proteine coinvolte nella biodisponibilità
del farmaco (farmacocinetica)
– Trasportatori, enzimi del metabolismo
• Geni codificanti per il bersaglio terapeutico del farmaco
(farmacodinamica)
– Recettori, canali ionici, enzimi, proteine regolatrici
Terapia dell’asma e il polimorfismo
del recettore adrenergico beta-2
Variazioni farmacodinamiche.
•
•
Esiste una notevole variabilità individuale nella efficacia
e nella durata di azione dei farmaci broncodilatatori
(beta adrenergici) nei pazienti asmatici.
Parte di questa variabilità è dovuta alla
desensibilizzazione del paziente al farmaco, causata
dalla riduzione del numero di recettori beta-2
adrenergici.
Effetto dell’albuterolo in
funzione del polimorfismo
beta2
Polimorfismi sul codone 16
(Arg/Gly) e sul codone 27
(Gln/Glu)
Gli omozigoti 16 Arg/Arg
hanno una risposta
maggiore al farmaco
(dose acuta) con una
risposta respiratoria
superiore del 6,5%
rispetto agli omozigoti
Gly/Gly e presentano una
minore desensitizzazione
in seguito a trattamento
prolungato
Polimorfismi su proteine trasportatrici
• P-glicoproteina (codificata dal
gene ABCB1 detto anche
MDR1)
• Controlla l’ efflusso cellulare di
molecole come la bilirubina,
farmaci antitumorali, glicosidi
cardiaci, glucocorticoidi
• Regola l’accumulo di farmaci
come la digossina, la
vinblastina e il desametasone
• Esiste un polimorfismo per cui
l’espressione della proteina è
dimezzata
• > accumulo del farmaco
