Polimorfismo genico
e
variabilità di risposta ai
farmaci
Dott.
Dott. Pietro Giuffrida
Scuola di Specializzazione in Tossicologia Medica. Direttore: Prof.
Prof. R. Bernardini
Therapeutic failure
Drug intake
Clinical response
ADR
1
Anni ’50: prime osservazioni cliniche di
differenze genetiche nella risposta ai
farmaci (butirrilcolinesterasi
(butirrilcolinesterasi e
succinilcolina,
succinilcolina, glucosioglucosio-6fosfatodeidrogenasi e primachina,
primachina, NNacetiltransferasi e isoniazide)
isoniazide)
⇒ nascita della FARMACOGENETICA
2
FARMACOGENETICA → studio delle
differenze ereditarie nella risposta ad un
farmaco, dovute a polimorfismi di
particolari geni
FARMACOGENOMICA → studio di più
più
geni e/o del genoma per individuare le
varianti coinvolte nella risposta ai
farmaci. Studio di mRNA e proteine;
ruolo nella sintesi di nuovi farmaci
Genetic variability leading to susceptibility to
adverse drug reactions can affect both
pharmacokinetic and pharmacodynamic pathways
3
4
5
Differenze interindividuali nella risposta ad uno
stesso farmaco
Cambiamenti
correlati all’età
Drug intake
Farmacocinetica
Patologie
Assorbimento
Distribuzione
Metabolismo
Eliminazione
Costituzione genetica
(20-95%)
{
{
{
{
Interazioni
Risposta clinica
Dieta
Alterazione tempi di transito gastrointestinale
Modificazioni pH gastrico
Alterazioni emodinamiche
Alterazione/competizione legame farmacofarmaco-proteico
Interazioni (Inbizione
/Induzione)
(Inbizione/Induzione)
Alterazioni geneticamente determinate
Modificazioni pH urinario
Competizione carrier
6
Metabolismo dei farmaci
Reazioni di fase I
Reazioni di fase II
Ossidazione
Idrossilazione
Dealchilazione
Deaminazione
Farmaco
Coniugazione
Metabolita
CYP
Attivazione
Nessuna modificazione
Disattivazione
Coniugato
Inattivazione
Controllo genetico degli enzimi
metabolizzanti i farmaci
controllo poligenico o multifattoriale
controllo monogenico
- rari fenotipi
- polimorfismo genetico
7
Il termine polimorfismo genetico definisce un
carattere monogenico presente nella popolazione
in almeno due diversi fenotipi (e verosimilmente in
almeno due genotipi), di cui il più raro con
frequenza di almeno 11-2 %
CONDIZIONI CHE RENDONO UN
POLIMORFISMO GENETICO CLINICAMENTE
RILEVANTE
l’enzima polimorfo deve svolgere un ruolo
quantitativamente importante nell’eliminazione del
farmaco e/o dei suoi metaboliti
la risultante variabilità farmacocinetica è importante per
l’efficacia e la sicurezza del farmaco
non è possibile modificare lo schema di dosaggio sulla
base della risposta clinica o sulla base di esami di
laboratorio e/o strumentali
8
Potenziali conseguenze farmacocinetiche e
cliniche del polimorfismo genetico
Metabolizzatori lenti (PM)
diminuita inattivazione
accumulo del farmaco
ridotta formazione di
metaboliti attivi
esagerata risposta
tossicità
inefficacia terapeutica
terapeutica
Metabolizzatori rapidi (EM)
somministrazione di substrati,
inibitori o induttori del CYP
interazioni farmacocinetiche
Metabolizzatori ultrarapidi (UM)
aumentata inattivazione
inefficacia terapeutica
aumentata formazione di
metaboliti attivi
tossicità
Enzimi del citocromo P450 (CYP)
Espressi prevalentemente a livello epatico, ma presenti anche in
in
altri tessuti
Catalizzano le reazioni metaboliche di fase I degli xenobiotici e di
molti composti endogeni
Principali isoforme polimorfiche coinvolte nel metabolismo dei
farmaci:
- CYP2C9
- CYP2C19
- CYP2D6
9
Nell’uomo, esistono 15 o più isoenzimi
CYP450, che differiscono, parzialmente, per
specificità, induttori, inibitori
CYP450 NOMENCLATURE
Based upon Nelson et al. DNA & Cell Biology 12:1-51, 1993.
CYP3A4
CYP – abbreviation for cytochrome P450
3 – designates family (> 40% sequence identity)
A – designates sub-family (> 55% sequence identity)
4 – designates specific gene/enzyme
CYP – designates mRNA or protein
CYP – designates gene
CYP1A1 – gene that codes for cytochrome P450 1A1
CYP1A1 – mRNA or protein product of CYP1A1 gene
19
Variabilità
Variabilità del CYP450
Fattori genetici (variabilità interindividuale)
Se il metabolismo di un farmaco è regolato
principalmente da un solo gene (un solo enzima
o isoenzima), si possono avere tre casi generali:
1. Il gene è presente in una sola forma, espressa in modo
simile in tutti gli individui;
2. Il gene è presente, nella popolazione, in due o più
forme (alleli), i cui prodotti hanno attività enzimatica
nettamente diversa;
3. Il gene è presente in una sola forma ma mutazioni dei
geni regolatori causano una marcata riduzione
dell’espressione genica.
10
Il CYP2C9 è l’isoenzima più rappresentato della sottofamiglia del
CYP2C ed in particolare costituisce circa il 18 % degli isoenzimi
del CYP450 a livello epatico.
Esso catalizza l’idrossilazione dell’Sdell’S-enantiomero del farmaco
anticoagulante warfarina,
warfarina, farmacologicamente più potente
dell’enantiomero R, con formazione di metaboliti inattivi.
L’inibizione di tale isoforma può pertanto portare a conseguenze
clinicamente importanti. Il fluconazolo,
fluconazolo, il metronidazolo,
metronidazolo, il
miconazolo e l’amiodarone sono alcuni esempi di farmaci che
possono provocare un marcato aumento del tempo di
protrombina in seguito all’inibizione del metabolismo della
S-warfarina.
warfarina.
Il CYP2C9 è coinvolto inoltre nelle reazioni di idrossilazione di
numerosi FANS, quali diclofenac,
diclofenac, ibuprofene,
ibuprofene, acido mefenamico,
mefenamico,
piroxicam e tenoxicam,
tenoxicam, nonché di altri farmaci di una certa
importanza, quali ad esempio tolbutamide e fenitoina.
fenitoina.
Substrati, inibitori ed induttori del CYP2C9
Subst rat es
NSAI Ds
Cel ecoxi b
Diclofenac
I buprofen
Naproxen
Pi roxicam
I nhi bi t ors
Mi scel l anea
Phenyt oi n
Sulphaphenazole
S-warfari n
Amiodarone
Losart an
Fluconazole
Fluoxet ine
Pheni lbut azone
Tolbut ami de
Ket oconazole
Torasemi de
Met roni dazole
Ri t onavi r
I nducers
Rifampi n
Phenobarbi t al
Phenyt oi n
11
L’enzima polimorfico CYP2C19 costituisce circa il 4 %
degli isoenzimi del CYP450 a livello epatico. E’ stato
evidenziato che circa il 33-5 % dei Caucasici e l’8 %%-23 %
degli Orientali è privo di tale isoenzima in seguito ad
una mutazione genetica. Il CYP2C19 catalizza il
metabolismo degli antidepressivi imipramina,
imipramina,
amitriptilina,
amitriptilina, clomipramina,
clomipramina, citalopram e moclobemide,
moclobemide,
così come quello del diazepam,
diazepam, del desmetildiazepam,
desmetildiazepam,
dell’omeprazolo,
dell’omeprazolo, del proguanil,
proguanil, e della mefenitoina (che
viene utilizzata quale marker nei test di fenotipizzazione
insieme all’omeprazolo).
all’omeprazolo). L’attività dell’enzima sembra
essere sensibile all’età.
Substrati, inibitori ed induttori del CYP2C19
Su bst r at es
I n h i bi t or s
I n du c e r s
Am i t r i pt y l i n e
Cl om i pr am i n e
D i az epam
Ph en y t oi n
I m i pr am i n e
Om epr az ol e
Pr opan ol ol
R- war f ar i n
S-m eph en y t oi n
Pr ogu an i l
Ci t al opr am
F l u ox et i n e
F l u v ox am i n e
Om epr az ol e
Ph en obar bi t al
Ph en y t oi n
12
Il CYP2D6 è uno dei più importanti isoenzimi coinvolti nel
metabolismo ossidativo dei farmaci e sebbene sia
quantitativamente uno dei meno rappresentati (< 5 % del totale),
catalizza l’ossidazione di più di 30 farmaci (antidepressivi triciclici,
triciclici,
neurolettici, antiaritmici,
antiaritmici, betabeta-bloccanti, antitussivi).
antitussivi).
Il CYP2D6 è presente in concentrazioni minori, oltre che a livello
livello
epatico, anche nel cervello. Questo sembra rivestire particolare
importanza per l’elevata affinità dimostrata verso composti quali
quali la
cocaina ed altri stimolanti centrali. Inoltre la conversione della
della
codeina in morfina potrebbe rivestire maggiore importanza nel
cervello che nel fegato.
Il CYP2D6 è stato ampiamente studiato non solo per l’importante
ruolo svolto nel metabolismo di numerosi farmaci, ma soprattutto
perché la sua attività è soggetta a polimorfismo genetico, per cui
cui è
possibile distinguere nella popolazione almeno due fenotipi:
metabolizzatori lenti (PM) e metabolizzatori rapidi (EM).
(EM).
La capacità di metabolizzare i farmaci varia non soltanto tra i
singoli individui ma anche tra i differenti gruppi etnici. Ad esempio
esempio
tra i Caucasici circa il 7% è rappresentato da PM per la
debrisochina (probe drug utlilizzata per caratterizzare il fenotipo
per questo enzima), mentre lo stesso gruppo è rappresentato in
percentuale minore all’1% negli Orientali.
Il dosaggio di un farmaco metabolizzato dal CYP2D6 (come per gli
altri enzimi polimorfici), dovrà quindi essere adattato alla capacità
capacità
metabolica del singolo individuo, soprattutto per gli antidepressivi
antidepressivi
triciclici (amitriptilina,
amitriptilina, desipramina,
desipramina, clomipramina,
clomipramina, nortriptilina)
nortriptilina) o
gli antipsicotici (aloperidolo
(aloperidolo,, risperidone,
risperidone, tioridazina),
tioridazina), ampiamente
metabolizzati da tale enzima e caratterizzati da uno stretto indice
indice
terapeutico.
13
Substrati ed inibitori del CYP2D6
Subs t ra t i
An t i d e p r e ssi vi
A m i t r i pt i l i n a
Cl o m i p r a m i n a
De s i pr am i n a
F l uo x e t i n a
P ar o x e t i n a
An t i a r i t m i c i
En c a i n i d e
F l e c ai n i d e
S p ar t e i n a
Ne u r o l e t t i c i
A l o pe r i d o l o
P e rf e naz i na
R i sp e r i d o n e
T i o r i da z i n a
β -bl o c c a n t i
P r o p an o l o l o
Me t o pr o l o l o
T i m o l o lo
P i nd o lo l o
I n i bi t o r i
I n d u t t o ri
Ch i n i d i n a
T i o r i d az i n a
F l uo x e t i n a
P ar o x e t i n a
A m i o d ar o n e
Ci m e t i d i n a
I n d i n av i r
R i t o nav i r
M i be f r a d i l
N e ssun i n d ut t o r e
no t o
Op p i a c e i
Co d e i n a
De s t r o m e t o r f an o
T r a m a do l o
Il CYP1A2 rappresenta circa il 1010-15 % degli
isoenzimi del CYP450 a livello epatico. Tra i farmaci
da esso metabolizzati ricordiamo gli antidepressivi
triciclici,
triciclici, il paracetamolo,
paracetamolo, la fenacetina,
fenacetina, le
metilxantine,
metilxantine, quali caffeina (che viene utilizzata
quale marker nei test di fenotipizzazione)
fenotipizzazione) e teofillina,
teofillina,
ed ancora clozapina,
clozapina, tacrina,
tacrina, ecc.
14
Substrati, inibitori, ed induttori del CYP1A2
SUBSTRATI
Amitriptilina
Clomipramina
Clozapina
Inipramina
Propranololo
R-warfarina
Teofillina
Tacrina
INIBITORI
Fluvoxamina
Succo di pompelmo
Chinoloni
INDUTTORI
Omeprazolo
Fenobarbitale
Fenitoina
Rifampicina
Fumo di sigaretta
Cibi cotti alla brace
Broccoli
Cavoletti di Bruxelles
Il CYP2E1 costituisce circa il 9 % degli isoenzimi del
citocromo P450 a livello epatico. Esso rappresenta l’unica
isoforma soggetta ad un potente effetto induttore da parte
dell’etanolo. Il CYP2E1 metabolizza un’ampia gamma di
composti con strutture differenti, in particolare molecole
piccole ed idrofobiche,
idrofobiche, compresi alcuni potenziali agenti
carcinogeni ed epatotossici,
epatotossici, dei quali sembra mediare gli
effetti in seguito all’attivazione metabolica.
15
Substrati, inibitori, ed induttori del CYP2E1
SUBSTRATI
INIBITORI
INDUTTORI
Acetaminofene
Etanolo
Isoniazide
Etanolo
Metanolo
Benzene
Dietiletere
Cloroformio
Tetracloruro di carbonio
Acidi grassi (linoleico, linolenico,
arachidonico)
Disulfiram
Etanolo
Isoniazide
Imidazolo
Ketoconazolo
Acetaldeide
Dietiletere
Benzene
La sottofamiglia del CYP3A è composta da almeno 4 geni ed
il CYP3A4 sembra essere il più importante espresso sia nel
fegato che nell’intestino. La variabilità interindividuale
nell’attività catalitica è accentuata, tuttavia finora non è stata
stata
dimostrata l’esistenza di alcun polimorfismo genetico.
I CYP3A rappresentano circa il 30 % di tutti gli isoenzimi del
CYP450 presenti a livello epatico ed essendo caratterizzati
una ampia specificità di substrato, contribuiscono al
metabolismo di circa il 50 % dei farmaci utilizzati.
Il CYP3A4 è l’enzima maggiormente rappresentato a livello
del tratto gastrointestinale, dove può essere responsabile
del metabolismo di molti farmaci (terfenadina
(terfenadina,, astemizolo,
astemizolo,
triazolam).
triazolam).
16
Il CYP3A3/4 è anche responsabile del
ormoni
E metabolismo di alcuni ormoni
endogeni come ad esempio della 6 -idrossilazione di cortisolo,
cortisolo,
testosterone e desametasone.
desametasone. Farmaci quali gli antifungini azolici
(ketoconazolo,
ketoconazolo, itraconazolo,
itraconazolo, fluconazolo),
fluconazolo), antibiotici macrolidi
(eritromicina claritromicina troleandromicina)
troleandromicina) e la cimetidina,
cimetidina, sono
potenti inibitori di questa isoforma.
Il CYP3A4 è anche soggetto all’effetto induttore di farmaci quali
quali
alcuni antiepilettici (carbamazepina,
carbamazepina, fenitoina),
fenitoina), barbiturici,
rifampicina e glucocorticoidi (desametasone).
desametasone). Esempi relativi al
fenomeno dell’induzione del CYP3A4 sono la riduzione
dell’efficacia dei contraccettivi orali in seguito ad una diminuzione
diminuzione
dei livelli di estradiolo o l’effetto induttivo della carbamazepina sul
suo stesso metabolismo (autoinduzione) che si evidenzia in poco
più di una settimana di terapia.
L’ Hypericum perforatum (più
(più conosciuto come “iperico”
iperico” o “Erba di
San Giovanni”
Giovanni”) è in grado di indurre il CYP3A4.
Esempi di interazioni tra farmaci
metabolizzati dal CYP3A4
Farmaci
interferenti
Meccanismo dell’interazione
Fluoxetinacalcio
antagonisti
La fluoxetina, attraverso la formazione del metabolita
norfluoxetina, inibisce l’attività del CYP3A4, enzima che
metabolizza molti calcio antagonisti.
Nausea, vampate,
edema, mal di testa.
La fluoxetina, attraverso la formazione del metabolita,
norfluoxetina, inibisce l’ attività del CYP3A4, enzima
che metabolizza l’alprazolam. L’interazione non è stata
evidenziata con il triazolam, il quale viene metabolizzato
principalmente a livello gastrointestinale.
Diminuzione delle
capacità cognitive e
dell’attività
psicomotoria.
Il ketoconazolo è un potente e selettivo inibitore del
CYP3A4, utilizzato a tale scopo anche negli studi in
vitro, e può inibire quasi completamente il metabolismo
dell’astemizolo.
Cardiotossicità
Fluoxetinaalprazolam
Astemizoloketoconazolo
Conseguenze
cliniche
Riveste un certo interesse il fatto che l’attività del CYP3A4 sembra
sembra essere più elevata nelle
donne che negli uomini come dimostrato con il metilprednisolone.
metilprednisolone.
17
Interazioni cibocibo-farmaci e CYP450
I Cibi cotti alla brace, i broccoli, i cavoletti di Bruxelles sono induttori
del CYP2A1,
CYP2A1, l’
CYP2E1.
l’alcool etilico induttore del CYP2E1.
Alcuni
Alcuni flavonoidi naturali presenti nel succo di pompelmo (naringenina
(naringenina,,
quercitina)
CYP3A4, e possono quindi
quercitina) sono in grado di inibire il CYP3A4,
determinare significative interazioni (midazolam
(midazolam,, nifedipina,
nifedipina, felodipina).
felodipina).
GRAPEFRUIT INTERACTIONS BY CYP3A4 INTERFERENCE
Drug Class
Drugs(s) with
Significant Grapefruit
Juice Interaction
Antiarrhythmics
Drug(s) with
Negligible
Grapefruit Juice
Interaction
Findings with Significant Interaction
Implications with Significant Interaction
Amiodarone
Increases AUC by 50% and peak plasma concentration by 84%. Both
PR and QRS intervals were not significantly altered and systolic
arterial pressure decreased slightly. 42
Watch for arrhythmias and toxicity.
Quinidine
Delays absorption of quinidine and inhibits the metabolism of active
metabolite. 43
Clinical significance is unknown.
Anticonvulsant
Carbamazepine
Increases AUC, peak and trough concentrations by 40%. 44
Watch for signs of toxicity such as dizziness,
ataxia, drowsiness, nausea, vomiting, tremor, and
agitation. Monitor blood levels.
Antidepressant
Sertraline Trazodone
Nefazodone
Clomipramine
Increases plasma concentrations.
Watch for increases in side effects.
Antihistamine
Fexofenadine
May decrease oral absorption and blood levels by inhibiting the
organic anion transporting polypeptide. 24
Clinical significance is unknown.
Antihypertensive
Carvedilol
Increases bio-availability of a single dose by 16%.
Clinical significance is unknown
Losartan
May reduce the AUC of the major active metabolite.
May reduce effectivness of losartan but further
studies are needed to determine significance.
Increased plasma concentrations.
Watch for possible increase in sedation.
Decreases caffeine clearance.
Watch for possible increase in side effects such
as nervousness or insomnia.
Anxiolytics &
hypnotics
Diazepam Midazolam
Triazolam Buspirone
Desloratadine
Alprazolam
Caffeine
45,46
Calcium
channel
blockers
Felodipine Nicardipine
Nifedipine Nimodipine
Isaradipine Verapamil
Amlodipine
Diltiazem
Increased plasma concentrations. 47
Watch for toxicity, such as flushing, headache,t
achycardia, and hypotension.
Corticosteroids
Methylprednisolone,
oral
Prednisone
Increased plasma concentrations.
Consumption of large amounts of grapefruit juice
may increase the risk of adverse effects.
Budesonide
Increases ora absorption.l
Watch for hypercorticism.
Estrogens
Ethinyl estradiol
Increased plasma concentration.
Clinical significance is unknown.
HMG-CoA
reductase
inhibitors
Atorvastatin Lovastatin
Simvastatin
Increased plasma concentrations.
Increased toxicity such as GI complaints and
muscle pain.
Immune
modulators
(immunosuppressants
)
Cyclosporine
Increased plasma concentrations of cyclosporine.48
Watch for signs of toxicity such as hepatotoxicity,
renal toxicity, and increased immunosuppression.
Fluvastatin
Pravastatin
Tacrolimus
Macrolide
antibiotics
Protease
inhibitors
Ritonavir Nelfinavir
Saquinavir
Others
Sildenafil
Possible increases in plasma concentrations.
Watch for signs of toxicity such as nephrotoxicity,
and increased immunosuppression.
Erythromycin
Increased plasma concentration.
Clinical significance is unknown.
Indinavir
Amprenavir
Increases plasma concentrations.
Watch for possible increased side effects.
Increased bioavailability.49
AUC = area under the curve; PR = pulse rate; GI = gastrointestinal.
18
