TOSSICOLOGIA-4

FARMACOGENETICA DEGLI

ENZIMI METABOLIZZANTI

JeanJeanJeanJean----FranFranFranFranççççois DESAPHY ois DESAPHY ois DESAPHY ois DESAPHY

Farmacologia e Tossicologia, Farmacologia e Tossicologia, Farmacologia e Tossicologia, Farmacologia e Tossicologia, 2015201520152015

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

da Farmacologia 2a ed., Rang et al., Casa Editrice Anbrosiana, 2001

RH + O2 + NADPH + H+ ROH + H2O + NADP

+

2008© J.F. DESAPHY

�Progetto genoma umano 57 geni codificanti per enzimi P450

�70-80 % dei farmaci, nonché una quantità notevole di xenobiotici chimicisono 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 èfondamentale per migliorare la qualità della terapia farmacologica

2008© J.F. DESAPHY

Citocromi P450 e ADR

CYP2D6*4citocromo

variante allelica

iso-enzima

sotto-famiglia

famiglia

polimorfismo

57 geni

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

Nomenclatura dei Citocromi P450

Differenze tra Citocromi P450

Nessun espressione proteica osservata

da Totah et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2005

2008© J.F. DESAPHY

I CYP differiscono per la loro distribuzione, il tipo di substrato, la selettività farmacologica

In vivo In vitro

Attività specifica del CYP2C8

da Totah et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2005 2008© J.F. DESAPHY

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.

Polimorfismi dei Citocromi P450

2008© J.F. DESAPHY

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

Polimorfismi dei Citocromi P450

4

FENOTIPI

Manca l’enzima funzionante

Eterozigoti portatori di un allele deficienteo

Portatori di 2 alleli con attività ridotta

Portatori di 2 alleli con attività normale(pazienti di riferimento)

portatori di più copie del gene(duplicazione del gene o del cromosoma)

Poor metabolizersMetabolizzatori deboli/lenti

Intermediary metabolizersMetabolizzatori intermedi

Extensive metabolizersMetabolizzatori estensivi

Ultrarapid metabolizersMetabolizzatori ultrarapidi

2008© J.F. DESAPHY

Fenotipi dei Citocromi P450

PM

IM

EM

UM

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

da Ingelman-Sundberg, TIPS, 2004 2008© J.F. DESAPHY

Fenotipi del CYP2D6

2008© J.F. DESAPHY

Fenotipi dei Citocromi P450

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

CYP3A4

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

4-5

2

7-10

1-5

3-5

10

20293

2

0-5

0

16

6

8

19

1-4

5

0-1

1

1

5

7

56

Frequenze in % di PM e UM per il CYP2D6 in varie popolazioni

Modificato da Cascorbi, Eur. J. Clin. Invest., 2003 2008© J.F. DESAPHY

Distribuzione etnica dei Polimorfismi

Enzima Farmaci con uso terapeutico principalemetabolismo ridotto effetto osservato

CYP2C9 S-warfarin anti-coagulante emorragiafenitoina epilessia atassiatolbutamide diabete ipoglicemiaFANS infiammazione emorragia del GI

CYP2C19 diazepam ansia, ipnotico sedazioneepilessia

CYP2D6 antidepressivi triciclici depressione cardiotossicitàantiaritmici aritmia aritmiainibitori del reuptakedella serotonina depressione nausea

Alcune conseguenze cliniche del fenotipo “metabolizzatori deboli”

2008© J.F. DESAPHY

Rilevanza Clinica dei Polimorfismi

CYP2C19 è responsabile del metabolismo dei farmaci anti-ulcera

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.

% 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

0

20

40

60

80

100

PM (n=9) IM (n=25) EM (n=28)

adattato da Furuta et al., Ann. Intern. Med., 1998

2008© J.F. DESAPHY

CYP2C19 e Omeprazolo

Trattamento delle malattie cardiovascolari

CYP2C9 metabolizza >80% del S-warfarin, farmaco anticoagulante

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

wt/wt wt/*2 wt/*3 *2/*2 *3/*3

dose giornaliera dimantenimento per ilwarfarin

omozigote wild-type eterozigote wild-type/CYP2C9*2

% della dose wt/wt

�I pazienti PM dimostrano un rischio maggior di emorragia

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 clearancedell’acenacumarolo, aumenta il rischio di emorragie, e rende la risposta anti-coagulante meno stabile.

Modificato da Kirchheiner et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2005

2008© J.F. DESAPHY

CYP2C9 e Warfarin

Trattamento del dolore

CYP2D6 trasforma la codeina in morfina per esplicitare l’effetto analgesico

codeinadestrometorfanoidrocodoneossicodoneetilmorfinadiidrocodeina

dealchilazioneda CYP2D6

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.

Concentrazione plasmatica di morfina dopo 170 mg codeine fosfato per os.

EM

PM

2008© J.F. DESAPHY

CYP2D6 e codeina

80% della nicotina è metabolizzata in vivo dal CYP2A6 in cotinina, inattiva

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

La nicotina è il principale composto del tabacco responsabile della dipendenza

2008© J.F. DESAPHY

CYP2A6 e nicotina

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

Brandolese et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2001

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 anni55 chili1m59

Incidente stradale

Reparto cura intensiva

Trauma cranicoTrauma addominaleTrauma toracico

Ventilazione meccanicaMannitolo, corticosteroidi, diuretici (edema cerebrale) Cefalosporine (prevenzione infezioni)Eparina (tromboembolismo)Ulcera gastrica (ranitidina)Fenobarbitale (convulsioni post-traumatiche)

Unità di riabilitazione

Fenobarbitale (i.m. 100 mg/die) fenitoina (per os, 3x100 mg/die)

2 mesi

Brandolese et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2001

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

Regressione spontanea dopo 30 minuti

Disartria, Nistagmo, dismetria,discinisia emifacciale sinistraAlterazioni stato mentale

Unità di riabilitazione

10 giorni dopo inizio fenitoina3 ore dopo dose giornaliera

Esami di laboratorio standard � normaliTAC, ECG � normali

EEG: alterazioni aspecifiche diffuse

OVERDOSE da fenitoina ?

Dosaggio

Brandolese et al., Clin. Pharmacol. Ther., 2001

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

Dosaggio (kit commerciale)

100

2000 3 121

mg/mL

giorni

Range terapeutico

Limite superiore del kit

Emivita : 103 ore !

genotipizzazione

Omozigosi: CYP2C9*3Eterozigosi: CYP2C19*2

Metabolizzatore lento

Recupero totaleDismissione dopo 30 giorni

Soppressione fenitoina

Farmacogenetica degli enzimi metabolizzanti Enzima fase II frequenza dei Farmaci effetti

polimorfismi

Plasma butirilcolinesterasi 1-5 % succinilcolina apnea prolungata

N-acetiltrasferasi 30-70 % (bianchi) sulfamidici ipersensibilità10-20 % (asiatici)50-60 % (neri) amonafide mielotossicità

procainamide, lupus eritematosoidralazina, isoniazide

Tiopurine metiltrasferasi 0.3 % 6-mercaptopurina, mielotossicità, azatioprine cancerogenesi

UDP-glucuronotrasferasi1A1 10-15 % irinotecan diarrea, mielotossicità

Glutatione-S-transferasi 35 % platino maggior successo della (GSTP1) terapia

Diidropirimidine deidrogenasi 0.1 % 5-fluorouracile mielotossicità(enzima fase I non Cit P450)

2008© J.F. DESAPHY

FARMACOGENETICA degli enzimi metabolizzanti (fase II)

Farmacogenetica della N-acetiltrasferasi 2 (NAT2)

Concentrazione plasmatica di isoniazide (trattamento e prevenzione della tuberculosi).

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

da Farmacologia 2a ed., Rang et al.,Casa Editrice Anbrosiana, 2001

© J-F DESAPHY

isoniazide

acetilatori lenti

acetilatori veloci

Numero di soggetti (%

)

2011© J-F DESAPHY

Farmacogenetica cardiovascolaredei processi farmacocinetici

procainamideidralazina

Metaboliti inattiviNAT2Metaboliti

intermedi

Fase I

20 %

5-10 %

Remissione dopo sospensione del farmacoe con trattamento antinfiammatorio

Formazione apteni Formazione apteniCitotossicitàFormazione ROS

autoimmunità

Gli acetilatori lenti sono più a rischio disviluppare il lupus eritematoso

2012© J-F DESAPHY

apteneproteina

Farmaco

coniugazione

reazione allergicaInfiammatoria

Reazioni Allergiche da Farmaci

2011© J-F DESAPHY

Farmacogenetica cardiovascolaredei processi farmacocinetici

Lupus Eritematoso Sistemicohttp://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

�cortisoneantimalariciimmunosoppressoriBelimumab (FDA)

FarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogenetica

2008© J.F. DESAPHY

Influenza del genoma sulla risposta alla terapia farmacologica

Farmacogenetica dei processi farmacocinetici

assorbimento/trasportometabolismoescrezione

Farmacogenetica dei processi farmacodinamici

bersaglio farmacologicoco-fattori enzimaticivie di signalizzazione intracellularesistemi compensatori

FarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogenetica in Oncologiain Oncologiain Oncologiain Oncologiain Oncologiain Oncologiain Oncologiain Oncologia

enzimidel

metabolismo

proteinedi

legame

sistemidi

trasporto

trasportoe

metabolismo

bersagli

farmacologici

Sistemi diriparazionedel DNA

Tessutonormale

Tessutotumorale

Esposizionesistemica

EfficaciaTossicità

Esposizionedel tumore

Efficacia

Agenti antitumorali

possibili interazioni genetiche

2008@J-F DESAPHY

Elevata espressione della TP in alcuni tumori del senomiglior risposta al 5-FU

DPD

5-FU Metaboliti attivi

Metaboliti inattivi

Azione Farmacologica

TP

MTHFR

TS

Sindrome della DPD deficienzaAumentata efficaciatossicità neurologicatossicità gastrointestinaletossicità ematologica

DPD: diidropiridine deidrogenasiTP: timidine fosforilasi (PDEGF)TS: timidilato sintetasiMTHFR: metilenetetraidrofolate riduttasiTHF: tetraidrofolate

Polimorfismi della MTHFRridotta attività enzimaticaRidotta produzione di MTHFridotta efficacia del 5-FU

Polimorfismi della TSe/o sovra-espressione

maggior attività enzimaticaridotta efficacia del 5-FU

FarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogeneticaFarmacogenetica del 5del 5del 5del 5del 5del 5del 5del 5--------fluorouracile fluorouracile fluorouracile fluorouracile fluorouracile fluorouracile fluorouracile fluorouracile

2008© J.F. DESAPHY

FARMACOGENETICA della 6-MERCAPTOPURINA

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.

Azatioprina

6-mercaptopurina

fegato

T-IMP

acido tiourico 6-metilmarcaptopurine (6-MMP)inattivo

~inattivo, epatotossicità

attività farmacologiche e tossiche

TPMT (tiopurine metiltransferasi)Xantine ossidasi

HGPRT

Xantine ossidasi

allopurinolo

2008© J.F. DESAPHY

2008© J.F. DESAPHY

2007© J.F. DESAPHY

1 hour bedsideDNA test forCYP2C19*2

clopidogrel

wt/wt wt/*2 *2/*2

prasugel

FINE

2008© J.F. DESAPHY