Farmacologia e Tossicologia, 2015
TOSSICOLOGIA-4
FARMACOGENETICA DEGLI
ENZIMI METABOLIZZANTI
JeanJean-Franç
François DESAPHY
Metabolismo
I citocromi P450 costituiscono una famiglia di enzimi monoossigenasi
coinvolti nella fase I del metabolismo dei farmaci e xenobiotici.
da Farmacologia 2a ed., Rang et al., Casa Editrice Anbrosiana, 2001
2008© J.F. DESAPHY
Ossidazione da citocromo P450
RH + O2 + NADPH + H+
da Farmacologia 2a ed., Rang et al., Casa Editrice Anbrosiana, 2001
ROH + H2O + NADP+
2008© J.F. DESAPHY
Citocromi P450 e ADR
Progetto genoma umano
57 geni codificanti per enzimi P450
70-80 % dei farmaci, nonché una quantità notevole di xenobiotici chimici
sono metabolizzati dai cit P450
50 % dei farmaci responsabili di ADR sono metabolizzati dai cit P450
Negli USA, le ADR uccidono >100 000 persone all’anno; costano 100 miliardi $
30-60 % dei pazienti non rispondono alla terapia farmacologica
La conoscenza del sistema cit P450 e della sua variabilità genetica è
fondamentale per migliorare la qualità della terapia farmacologica
2008© J.F. DESAPHY
Nomenclatura dei Citocromi P450
57 geni
famiglia
citocromo
iso-enzima
CYP2D6*4
sotto-famiglia
variante allelica
polimorfismo
Un variante allelico deve presentare un cambio nella sequenza degli acidi nucleici che
modifica la trascrizione, lo splicing, la traduzione, la maturazione post-trascrizionale o
post-traduzionale, o modifica almeno un amino acido.
2008© J.F. DESAPHY
Differenze tra Citocromi P450
I CYP differiscono per la loro distribuzione, il tipo di substrato, la selettività farmacologica
In vivo
In vitro
Nessun espressione
proteica osservata
da Totah et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2005
2008© J.F. DESAPHY
Attività specifica del CYP2C8
Ruolo maggiore nella biotrasformazione.
Il CYP2C8 è un enzima determinante
nel metabolismo di questi farmaci.
Ruolo intermedio nella biotrasformazione.
Variazioni nell’attività del CYP2C8 possono
modificare la biodisponibilità di questi farmaci.
Ruolo minore nella biotrasformazione.
In condizioni normali, l’attività del CYP2C8
riveste poca importanza nel metabolismo
di questi farmaci.
da Totah et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2005
2008© J.F. DESAPHY
Polimorfismi dei Citocromi P450
2008© J.F. DESAPHY
Polimorfismi dei Citocromi P450
20 a 30% dei farmaci metabolizzati dai cit. P450 lo sono dall’isoforma CYP2D6 che
presenta numerosi polimorfismi con effetti funzionali (attività maggiore, nulla o ridotta).
Nella popolazione, si possono individuare 4 fenotipi sulla base della presenza di varianti
alleliche per il CYP2D6.
2008© J.F. DESAPHY
Fenotipi dei Citocromi P450
Poor metabolizers
Metabolizzatori deboli/lenti
Manca l’enzima funzionante
Intermediary metabolizers
Metabolizzatori intermedi
Eterozigoti portatori di un allele deficiente
o
Portatori di 2 alleli con attività ridotta
PM
4
F
E
N
O
T
I
P
I
IM
Extensive metabolizers
Metabolizzatori estensivi
Portatori di 2 alleli con attività normale
(pazienti di riferimento)
EM
Ultrarapid metabolizers
Metabolizzatori ultrarapidi
portatori di più copie del gene
(duplicazione del gene o del cromosoma)
UM
2008© J.F. DESAPHY
Fenotipi del CYP2D6
da Ingelman-Sundberg, TIPS, 2004
Distribuzione della popolazione europea in funzione del metabolismo del bufuralolo da parte
dell’enzima CYP2D6 (probe reaction). Si distinguono 4 gruppi (PM, IM, EM e UM).
Sullo stesso grafico è riportato la dose di nortriptilina (antidepressivo triciclico metabolizzato dal
CYP2D6) che dovrebbe permettere il raggiungimento dell’effetto terapeutico nei vari gruppi della
popolazione, nonché il range delle dosi utilizzati oggi, basato sulla concentrazione plasmatica
media trovato nella popolazione generale (population-based dosing).
Con la dose di farmaco oggi somministrata, i pazienti appartenenti al gruppo UM (~5.5 %) non
risponderanno alla terapia, mentre i pazienti PM (~7 %) saranno esposti ad un maggior rischio di
sviluppare ADR.
2008© J.F. DESAPHY
Fenotipi del CYP2D6
da Ingelman-Sundberg, TIPS, 2004
2008© J.F. DESAPHY
Fenotipi dei Citocromi P450
2008© J.F. DESAPHY
CYP3A4
L’enzima CYP3A4 metabolizza il 40-45 % dei farmaci che subiscono il metabolismo di
fase I da parte degli enzimi cit. P450.
I polimorfismi funzionali sono rari e quindi hanno poca significativa sulla popolazione.
Pero importanti variazioni inter-individuali sono osservate nei livelli di attività enzimatica.
Si suppone che siano dovute a variazioni in altri geni (effetti pleiotropici).
2008© J.F. DESAPHY
Distribuzione etnica dei Polimorfismi
La relativa importanza dei polimorfismi dipende dal gruppo etnico
da Eichelbaum, Pharmacogenomics, Annu. Rev. Med., 2006
2008© J.F. DESAPHY
Distribuzione etnica dei Polimorfismi
La relativa importanza dei polimorfismi dipende dal gruppo etnico
da Totah et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2005
2008© J.F. DESAPHY
Distribuzione etnica dei Polimorfismi
La relativa importanza dei polimorfismi dipende dal gruppo etnico
5 1-5
6
6 4-5
7-10 5
0
10
29
1-4
6 3
2
73-5
20
1
1 0-5
0-1
1
8
2
19
5
Frequenze in % di PM e UM per il CYP2D6 in varie popolazioni
Modificato da Cascorbi, Eur. J. Clin. Invest., 2003
2008© J.F. DESAPHY
Rilevanza Clinica dei Polimorfismi
Alcune conseguenze cliniche del fenotipo “metabolizzatori deboli”
Enzima
Farmaci con
metabolismo ridotto
uso terapeutico
principale
effetto osservato
CYP2C9
S-warfarin
fenitoina
tolbutamide
FANS
anti-coagulante
epilessia
diabete
infiammazione
emorragia
atassia
ipoglicemia
emorragia del GI
CYP2C19
diazepam
ansia, ipnotico
epilessia
sedazione
CYP2D6
antidepressivi triciclici
antiaritmici
inibitori del reuptake
della serotonina
depressione
aritmia
cardiotossicità
aritmia
depressione
nausea
2008© J.F. DESAPHY
CYP2C19 e Omeprazolo
CYP2C19 è responsabile del metabolismo dei farmaci anti-ulcera
100
% di guarigione (eradicazione di
Helicobacter Pylori) in 62
pazienti giapponesi con ulcera
gastrica o duodenale dopo
trattamento con 20 mg
omeprazolo per 6-8 settimane
80
60
40
20
0
PM (n=9)
IM (n=25)
EM (n=28)
Il genotyping dei pazienti prima d’iniziare il trattamento potrebbe permettere di adattare le dose
da somministrare e far risparmiare 5000 $ per ogni 100 pazienti.
adattato da Furuta et al., Ann. Intern. Med., 1998
2008© J.F. DESAPHY
2008© J.F. DESAPHY
CYP2C9 e Warfarin
Trattamento delle malattie cardiovascolari
I pazienti PM
dimostrano un
rischio maggior di
emorragia
omozigote wild-type
% della dose wt/wt
CYP2C9 metabolizza >80% del S-warfarin, farmaco anticoagulante
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
dose giornaliera di
mantenimento per il
warfarin
wt/wt
wt/*2
wt/*3
*2/*2
*3/*3
eterozigote wild-type/CYP2C9*2
I farmaci alternativi al warfarin sono i derivati del cumarolo come l’acenacumarolo.
Anche questo è metabolizzato da CYP2C9.
Evidenze cliniche hanno dimostrato che l’allele CYP2C9*3 riduce la clearance
dell’acenacumarolo, aumenta il rischio di emorragie, e rende la risposta anticoagulante meno stabile.
Modificato da Kirchheiner et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2005
2008© J.F. DESAPHY
CYP2D6 e codeina
Trattamento del dolore
CYP2D6 trasforma la codeina in morfina per esplicitare l’effetto analgesico
Concentrazione plasmatica di morfina
dopo 170 mg codeine fosfato per os.
codeina
destrometorfano
idrocodone
dealchilazione
ossicodone
da CYP2D6
etilmorfina
diidrocodeina
EM
PM
I PM non beneficiano degli effetti della codeina nel trattamento del dolore o della tosse.
La ridotta capacità dei PM di metabolizzare gli oppiacei potrebbe proteggergli dalla
dipendenza a droghe.
Non si dovrebbe somministrare inibitori del CYP2D6 (quinidina) agli EM che prendono la
codeina.
2008© J.F. DESAPHY
CYP2A6 e nicotina
80% della nicotina è metabolizzata in vivo dal CYP2A6 in cotinina, inattiva
La nicotina è il principale composto del tabacco responsabile della dipendenza
I pazienti PM che presentano un metabolismo ridotto potrebbero
fumare meno (maggior intervalli tra 2 sigarette)
presentare una minor dipendenza (risulta più facile abbandonare il fumo)
presentare un minor rischio di sviluppare il cancro dei polmoni (è anche ridotta
l’attivazione metabolica CYP2A6-dipendente di alcuni altri composti carcinogeni
presenti nelle sigarette)
I pazienti UM che presentano più copie del gene CYP2A potrebbero
fumare di più (maggior aspirazione sulla sigaretta)
presentare una dipendenza maggiore
Case Report: intossicazione da fenitoina
CYP2C9 e CYP2C19 sono responsabili del metabolismo della fenitoina
La fenitoina è un farmaco antiepilettico caratterizzato da una farmacocinetica particolarmente
variabile ma da un range efficace di concentrazione plasmatica piuttosto piccolo (10-20 mg/mL).
E’ anche utilizzato per via e.v. come antiaritmico. Il suo meccanismo d’azione consiste nel blocco
dei canali del sodio neuronali o cardiaci.
Tra i meccanismi di variabilità, il metabolismo è particolarmente rilevante, che sia modificato dalla
dieta, dalle interazioni tra farmaci, o dalla presenza di polimorfismi.
CASE REPORT
2008© J.F. DESAPHY
2008© J.F. DESAPHY
Case Report: intossicazione da fenitoina
Brandolese et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2001
2008© J.F. DESAPHY
Case Report: intossicazione da fenitoina
31 anni
55 chili
1m59
Trauma cranico
Trauma addominale
Trauma toracico
Incidente stradale
Reparto cura intensiva
Ventilazione meccanica
Mannitolo, corticosteroidi, diuretici (edema cerebrale)
Cefalosporine (prevenzione infezioni)
Eparina (tromboembolismo)
Ulcera gastrica (ranitidina)
Fenobarbitale (convulsioni post-traumatiche)
2 mesi
Fenobarbitale (i.m. 100 mg/die)
fenitoina (per os, 3x100 mg/die)
Unità di riabilitazione
Brandolese et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2001
Case Report: intossicazione da fenitoina
Brandolese et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2001
2008© J.F. DESAPHY
2008© J.F. DESAPHY
Case Report: intossicazione da fenitoina
Unità di riabilitazione
10 giorni dopo inizio fenitoina
3 ore dopo dose giornaliera
Disartria, Nistagmo, dismetria,
discinisia emifacciale sinistra
Alterazioni stato mentale
Regressione spontanea dopo 30 minuti
Esami di laboratorio standard normali
TAC, ECG normali
EEG: alterazioni aspecifiche diffuse
OVERDOSE da fenitoina ?
Dosaggio
Brandolese et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2001
Case Report: intossicazione da fenitoina
Brandolese et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2001
2008© J.F. DESAPHY
2008© J.F. DESAPHY
Case Report: intossicazione da fenitoina
Dosaggio (kit commerciale)
mg/mL
Limite superiore del kit 100
Emivita : 103 ore !
Range terapeutico
20
0
01 3
giorni
12
genotipizzazione
Omozigosi: CYP2C9*3
Eterozigosi: CYP2C19*2
Metabolizzatore lento
Soppressione fenitoina
Recupero totale
Dismissione dopo 30 giorni
Brandolese et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2001
Farmacogenetica degli enzimi metabolizzanti
Enzima fase II
frequenza dei
polimorfismi
Farmaci
effetti
Plasma butirilcolinesterasi
1-5 %
succinilcolina
apnea
prolungata
N-acetiltrasferasi
30-70 % (bianchi)
10-20 % (asiatici)
50-60 % (neri)
sulfamidici
ipersensibilità
amonafide
mielotossicità
procainamide,
lupus eritematoso
idralazina, isoniazide
Tiopurine metiltrasferasi
0.3 %
6-mercaptopurina, mielotossicità,
azatioprine
cancerogenesi
UDP-glucuronotrasferasi1A1 10-15 %
irinotecan
diarrea, mielotossicità
Glutatione-S-transferasi
(GSTP1)
platino
maggior successo della
terapia
5-fluorouracile
mielotossicità
35 %
Diidropirimidine deidrogenasi 0.1 %
(enzima fase I non Cit P450)
2008© J.F. DESAPHY
© J-F DESAPHY
FARMACOGENETICA degli enzimi metabolizzanti (fase II)
Farmacogenetica della N-acetiltrasferasi 2 (NAT2)
Numero di soggetti (%)
Concentrazione plasmatica di isoniazide (trattamento e prevenzione della tuberculosi).
acetilatori veloci
isoniazide
acetilatori lenti
da Farmacologia 2a ed., Rang et al.,
Casa Editrice Anbrosiana, 2001
Il grafico mostra una distribuzione bimodale della popolazione attorno ad due
concentrazioni medie di farmaco di circa 10 e 30 µmol/L.
La distribuzione bimodale è dovuta alla presenza di un polimorfismo nell’enzima NAT2.
Vengono definiti due fenotipi: acetilatori lenti e acetilatori veloci
Farmacogenetica cardiovascolare
dei processi farmacocinetici
procainamide
idralazina
Fase I
Formazione apteni
Metaboliti
intermedi
Formazione apteni
Citotossicità
Formazione ROS
NAT2
Metaboliti inattivi
20 %
5-10 %
autoimmunità
Gli acetilatori lenti sono più a rischio di
sviluppare il lupus eritematoso
Remissione dopo sospensione del farmaco
e con trattamento antinfiammatorio
2011© J-F DESAPHY
Reazioni Allergiche da Farmaci
Farmaco
coniugazione
proteina
aptene
reazione allergica
Infiammatoria
2012© J-F DESAPHY
Farmacogenetica cardiovascolare
dei processi farmacocinetici
Lupus Eritematoso Sistemico
http://it.wikipedia.org/wiki/File:Lupus_facial_rash.jpg
Malattia autoimmune cronica
Sintomi più frequenti
•Estrema stanchezza
•Dolore e gonfiore articolare
•Febbre
•Eritemi
•Problemi renali
cortisone
antimalarici
immunosoppressori
Belimumab (FDA)
2011© J-F DESAPHY
Farmacogenetica
Influenza del genoma sulla risposta alla terapia farmacologica
Farmacogenetica dei processi farmacocinetici
assorbimento/trasporto
metabolismo
escrezione
Farmacogenetica dei processi farmacodinamici
bersaglio farmacologico
co-fattori enzimatici
vie di signalizzazione intracellulare
sistemi compensatori
2008© J.F. DESAPHY
Farmacogenetica in Oncologia
possibili interazioni genetiche
Tessuto
normale
enzimi
del
metabolismo
proteine
di
legame
sistemi
di
trasporto
Esposizione
sistemica
Efficacia
Tossicità
Agenti antitumorali
Tessuto
tumorale
trasporto
e
metabolismo
bersagli
farmacologici
Sistemi di
riparazione
del DNA
Esposizione
del tumore
Efficacia
2008@J-F DESAPHY
Farmacogenetica del 5-fluorouracile
TP
5-FU
Metaboliti attivi
Elevata espressione della TP in alcuni tumori del seno
miglior risposta al 5-FU
DPD
Sindrome della DPD deficienza
Aumentata efficacia
tossicità neurologica
tossicità gastrointestinale
tossicità ematologica
Polimorfismi della MTHFR
ridotta attività enzimatica
Ridotta produzione di MTHF
ridotta efficacia del 5-FU
MTHFR
Metaboliti inattivi
DPD: diidropiridine deidrogenasi
TP: timidine fosforilasi (PDEGF)
TS: timidilato sintetasi
MTHFR: metilenetetraidrofolate riduttasi
THF: tetraidrofolate
Polimorfismi della TS
e/o sovra-espressione
maggior attività enzimatica
ridotta efficacia del 5-FU
TS
Azione Farmacologica
2008© J.F. DESAPHY
FARMACOGENETICA della 6-MERCAPTOPURINA
Azatioprina
fegato
6-mercaptopurina
Xantine ossidasi
allopurinolo
TPMT (tiopurine metiltransferasi)
acido tiourico
6-metilmarcaptopurine (6-MMP)
inattivo
HGPRT
~inattivo, epatotossicità
Xantine ossidasi
T-IMP
attività farmacologiche e tossiche
I pazienti omozigoti per un polimorfismo nel gene TPMT (metabolizzatori lenti,
0.3% degli europei) non producono 6-MMP ed accumulano T-IMP, aumentando
l’efficacia ma soprattutto il rischio di reazioni tossiche emopoietiche
potenzialmente fatali. In bambini affetti da ALL, c’è un rischio maggior di
sviluppare affezioni maligne secondari.
2008© J.F. DESAPHY
2008© J.F. DESAPHY
1 hour bedside
DNA test for
CYP2C19*2
wt/wt
wt/*2
clopidogrel
*2/*2
prasugel
2007© J.F. DESAPHY
FINE
2008© J.F. DESAPHY
