Klassisk farmakogenetik

Farmakogenetik har siden slutningen af 1950'erne været betegnelsen for et forskningsområde, der vedrører betydningen af genetiske faktorers betydning for variation i lægemidlers ønskede og uønskede virkninger. Interessen for farmakogenetik har tidligt været drevet af en forestilling om, at man ved at fæno- eller genotype patienterne før behandling kan optimere virkningen og nedsætte forekomsten af bivirkninger ved at vælge den rigtige dosis af det rigtige lægemiddel. De tidligt påviste farmakogenetiske tilstande omfattede både eksempler på arveligt betinget ændret følsomhed for lægemidler, som for eksempel glukose-6-fosfat-dehydrogenasemangel, og malign hypertermi under generel anæstesi. Atypisk plasmakolinesterase med forlænget muskelparalyse ved suksametonium er et eksempel på en af de tidligt påviste, sjældne, arveligt betingede farmakokinetiske varianter.

N-acetyleringspolymorfien blev beskrevet allerede i 1960, og den er knyttet til cytoplasmaenzymet N-acetyltransferase 2, som på grund af genetiske varianter i NAT 2 -genet giver ophav til to fænotyper i populationen, slow acetylators og fast acetylators. Den farmakogenetiske betydning af NAT 2-polymorfien er begrænset, fordi kun meget få lægemidler, og i klinisk praksis kun isoniazid, elimineres ved N-acetylering.

Fra 1960 og ca. 15 år frem var farmakogenetikken karakteriseret af en række markante tvillingestudier udført blandt andet af Elliot Vessel, men det er glædeligt, at også danske forskere gjorde sig bemærket med et meget citeret arbejde [1] om fenytoins farmakogenetik. Et nyere eksempel på et tvillingestudie er vist i Figur 1 [2].

Cytokrom P450

Farmakogenetikken fik en renæssance i 1970'erne med opdagelsen af de polymorft udtrykte cytokrom P450-enzymer, og de vigtigste er CYP2D6, CYP2C19 og CYP2C9.

CYP2D6-oxidationspolymorfien blev opdaget ved en tilfældighed i midten af 1970'erne, fordi tyske forskere under ledelse af Michel Eichelbaum, som arbejdede med det antiarytmiske lægemiddel spartein, og engelske forskere under ledelse af Robert Smith, som arbejdede med det antihypertensive lægemiddel debrisokin [3], samtidig opdagede, at 5-10% af en hvid befolkning var ude af stand til at nedbryde et af de to stoffer. Den nyopdagede tilstand blev kaldt langsom nedbrydning eller på engelsk poor metabolism, og individer med den hyppigst forekommende fænotype blev benævnt extensive metabolizers. Utallige studier af hvide, vesteuropæiske og nordamerikanske befolkninger har konsekvent vist, at poor metabolizer -hyppigheden er på omkring 8% med meget små udsving. Det er derfor interessant set med danske øjne, at det for nylig er vist, at poor metabolizer-hyppigheden på Færøerne er næsten det dobbelte eller omkring 15%. I studier blandt andre racer er det fundet, at hyppigheden af poor metabolizer både hos asiater og sorte er væsentligt lavere end hos hvide, helt ned til 1-2%.

I familiestudier er det fundet, at poor metabolizers er homozygote for et autosomalt recessivt allel, mens extensive metabolizers omfatter både homo- og heterozygote for det dominante allel. I 1988 lykkedes for et schweizisk/amerikansk forskerhold under ledelse af Urs A. Meyer og Frank Gonzalez at påvise, at grundlaget for polymorfien er et enzym, som vi i dag benævner CYP2D6. CYP2D6 mangler i de fleste tilfælde helt hos poor metabolizers. Det skyldes forekomsten af inaktiverende mutationer i CYP2D6 -genet eller sjældnere deletion af hele genet. CYP2D6 er lokaliseret på den lange arm af kromosom 22 i tandemarrangement med de to pseudogener, CYP2D7 og CYP2D8. CYP2D6 udviser betydelig allellisk heterogenitet, og mere end 80 forskellige varianter, væsentligst i form af enkeltnukleotidpolymorfier (single nucleotide polymorphism, SNP) er beskrevet [4]. CYP2D6*3, *4 og *5 forårsager tilsammen mere end 90% af tilfældene af poor metabolizers. Selv inden for extensive metabolizer populationen er der en betydelig variation i CYP2D6-aktiviteten. Svenske forskere beskrev som de første en ikkedistinkt fænotype benævnt ultrahurtige omdannere (ultrarapid metabolizers), og blandt disse er der 10-20%, som har en eller op til 12 ekstra funktionelt aktive kopier af CYP2D6 i tandemarrangement.

CYP2D6 udgør ikke mere end 2-5% af det totale hepatiske lægemiddeloxiderende CYP, men er hovedårsag til eliminationen af mere end 30 klinisk anvendte lægemidler: alle tricykliske antidepressiva, enkelte selektive serotoningenoptagelseshæmmere (SSRI), beta-adrenoceptorblokerende lægemidler, antiarytmika, antipsykotika og opioider. Hvis det farmakologisk virksomme stof er substrat for CYP2D6, vil poor metabolizers opnå 2-5 gange højere plasmakoncentrationer end gennemsnittet af extensive metabolizers. Enkelte CYP2D6-substrater er prodrugs, f.eks. codein, som omdannes af CYP2D6 til den aktive metabolit morfin, eller lægemidler, hvor en væsentlig del af virkningen stammer fra dannelsen af en aktiv metabolit, f.eks. tramadol. Her risikerer poor metabolizers terapisvigt.

CYP2D6 var det første enzym, for hvilket det blev vist, at hvis et lægemiddels samlede elimination sker via et enkelt velkarakteriseret CYP, så bliver dette CYP's funktionelle karakteristika afgørende for den plasmakoncentration, man opnår ved en given dosis, hvilket blandt andet har stor betydning for muligheden for at kunne forudsige interaktioner.

CYP2C-subfamiliens farmakogenetik

CYP2C -subfamilien omfatter fire stærkt homologe gener, som alle udviser polymorfi, på kromosom 10 [5]. Det drejer sig om CYP2C8, CYP2C9, CYP2C18 og CYP2C19 . De fire enzymer har imidlertid klart adskilte substratspecificiteter. CYP2C8 udviser polymorfi [5], men de farmakokinetiske konsekvenser af dette kendes endnu ikke

Foruden vildtypeallellet CYP2C9*1 er der beskrevet et antal SNP inklusive de relativt hyppigt forekommende *2 og *3 , der begge er relateret til nedsat enzymaktivitet af CYP2C9. CYP2C9*2/*2, *2/*3 og *3 /*3 udgør tilsammen en art poor metabolizer -fænotype med en hyppighed på omkring 4%. Warfarin nedbrydes af CYP2C9, og det er vist i adskillige kliniske studier, at patienter med poor metabolizer-genotyperne skal have markant lavere vedligeholdelsesdoser end *1-genotyperne, og der er rapporteret om statistisk signifikant flere blødningsepisoder i opstarten af behandlingen hos disse patienter. CYP2C9-genotypebestemmelse kan dog ikke umiddelbart anbefales som en fast rutine, fordi vedligeholdelsesdosis af warfarin varierer betydeligt inden for hver genotype. Det skyldes dels, at CYP2C9 påvirkes af miljøfaktorer, utallige interaktioner med andre lægemidler, og dels at den antikoagulerende effekt også skyldes receptorforhold, hvis farmakogenetik er ufuldstændigt forstået.

CYP2C19

Omkring 1984 opdagede en schweizisk farmakolog Adrian Küpfer en genetisk oxidationspolymorfi ved hjælp af epilepsimidlet mefenytoin. Mefenytoin anvendes ikke længere klinisk, men stoffet har stadigvæk en plads som modelstof ved udforskning af CYP2C19-oxidationspolymorfien. Omeprazol er et alternativ til mefenytoin til fænotypebestemmelse. Af en hvid befolkning har 2-3% en stærkt nedsat evne til at hydroxylere S-mefenytoin. Blandt asiater er op imod 20% af befolkningen poor metabolizers. Det er vist i familiestudier, at poor metabolizers af mefenytoin er homozygote for et recessivt allel, med en hyppighed på ca. 20% blandt hvide, og at extensive metabolizers er homo- eller heterozygote for et dominant allel, som man i dag benævner CYP2C19*1. De hyppigste recessive alleller er to SNP benævnt CYP2C19*2 og CYP2C19*3, hvor førstnævnte er klart den hyppigste. I alt er der beskrevet ni forskellige SNP og andre varianter af CYP2C19 [5], men ved genotypebestemmelse giver undersøgelse for *1, *2 og *3 en sensitivitet på lidt over 90% for diagnostik af poor metabolizers. CYP2C19 er hovedenzymet for omdannelse af malariamidlet proguanil, som er et prodrug, til den aktive metabolit cykloguanil, og der er kliniske data, der tyder på nedsat virkning hos poor metabolizers. Dosis af mange antidepressiva med henblik på opnåelse af et ensartet plasmaniveau afhænger af enten CYP2D6- eller CYP2C19-oxidationspolymorfierne eller begge [6].

CYP2C19 og protonpumpehæmmere

Alle protonpumpehæmmere metaboliseres af CYP2C19 [7], og plasmakoncentrationen udtrykt ved area under the curve (AUC) er 3-13 gange højere hos poor metabolizers end hos extensive metabolizers. Der er en udtalt gen-dosis-effekt, idet heterozygote CYP2C19*1/*2 og CYP2C19*1/*3 i gennemsnit har 2-4 gange højere AUC end homozygote for *1. AUC bestemmer det farmakodynamiske respons udtrykt ved ændret pH i ventriklen, og for omeprazol, lansoprazol og rabeprazol er det vist, at pH er højere hos poor metabolizers end hos extensive metabolizers [7]. Det har endvidere vist sig, at pH i ventriklen er højere hos de heterozygote extensive metabolizers end hos de homozygote extensive metabolizers. Den absolutte eradikationsrate af H. pylori er ca. 20% højere hos gruppen af heterozygote extensive metabolizers og poor metabolizers end hos homozygote extensive metabolizers. Dette er vist mest tydeligt i studier med omeprazol og lansoprazol [7]. Endelig er det i to mindre japanske studier vist, at poor metabolizers og heterozygote extensive metabolizers generelt havde en højere sårhelingsprocent efter otte ugers behandling med lansoprazol end homozygote extensive metabolizers [7].

Transportproteiners farmakogenetik

I mange cellemembraner findes der specifikke transportproteiner, som enten aktivt pumper lægemidler ind i eller ud af cellerne og derved påvirker lægemidlernes farmakokinetik markant. Bedst undersøgt i den sammenhæng er multi drug resistens-genet, MDR1, som udtrykker P-glykoprotein, Pgp. Pgp udtrykkes af tyndtarmsepitel, galdegangsepitel, i de proksimale nyretubulusceller, i syncytiotrofoblast celler og i endotelcellerne af kapillærerne i hjernen og testes. Pgp udtrykkes altid ind mod lumen. Proteinet fungerer som en efflukspumpe, og det betyder, at Pgp aktivt pumper lægemidler, der substrater for proteinet, ud af cellerne, efter at de passivt er diffunderet ind i disse. Pgp er således en aktiv komponent i blod-hjerne-barrieren. Den totale interindividuelle variation i Pgp er ca. tifold, og dette skyldes både miljøpåvirkninger, lægemiddelinteraktioner og genetiske forskelle. Der er ikke beskrevet polymorfier karakteriseret ved, at en fraktion af individer har helt ophævet Pgp-funktion. Der er til dato beskrevet knap 30 SNP i MDR1; blandt disse har G26777 i exon 21 og C3435T i exon 26 funktionel betydning [8]. Homozygote 3435TT udtrykker i gennemsnit kun den halve mængde Pgp i forhold til homozygote 3435CC i tarmmucosa, men der er en betydelig overlapning imellem de to genotyper. Pgp-substratet digoxin har større biotilgængelighed hos individer, der er 3435TT, end hos individer med genotypen 3435CC.

Konklusion

Den klassiske farmakogenetik har i de seneste knap 30 år været domineret af studier af genetiske polymorfier i CYP, især CYP2D6, CYP2C19 og CYP2C9. Genotypebestemmelse før behandling er i princippet tilrådet for lægemidler, hvis samlede elimination sker via et enkelt polymorft udtrykt CYP, hvis lægemidlet har et snævert terapeutisk interval, og hvor klinisk dosistitrering ikke er mulig eller hensigtsmæssig [9]. For CYP2D6 kunne det dreje sig om tricykliske antidepressiva, enkelte antipsykotika og enkelte antiarytmika. Poor metabolizers bør ikke behandles med codein, og de skal have højere doser af tramadol, end extensive metabolizers skal. For CYP2C19 er det sandsynliggjort, at homozygote extensive metabolizers bør have højere doser af protonpumpehæmmere. For CYP2C9 har det været diskuteret, om man skulle genotypebestemme før warfarinbehandling. CYP-genotypebestemmelse udføres relativt sjældent eller aldrig i klinisk praksis, til trods for at de teknologiske muligheder er tilvejebragt. Det skyldes for det første, at ingen lægemidler udelukkende elimineres af et enkelt CYP, for det andet at det molekylærgenetiske grundlag for den store interindividuelle variation inden for extensive metabolizer-fænotypen kun er ufuldstændigt forstået, for det tredje at CYP-aktiviteten også er bestemt af ikkegenetiske faktorer. Det er således muligt ved inhibition at ophæve forskellen imellem poor og extensive metabolizers (fænokopi), og fænotypeforskellene kan også påvirkes ved induktion, og for det fjerde at koncentrationen af lægemiddel på receptorniveau også er bestemt af absorption og fordeling, der som nævnt oven for kan være reguleret af transportproteiner. Sidst, men ikke mindst kan genetiske forskelle i opbygning af de molekylære targets, receptorer, ionkanaler og enzymer være medvirkende til variation i klinisk virkning. Denne overvejende negative konklusion vedrører alene den praktiske anvendelighed af CYP-genotypebestemmelse i klinisk praksis. Denne negative konstatering må ikke overskygge den kolossale betydning, som udforskningen af CYP-polymorfierne har haft for forståelsen af farmakokinetisk variation og herunder især prædiktion af interaktioner.

I det omfang, det er muligt at ekstrapolere fra CYP-farmakogenetik, kan følgende teser opstilles med hensyn til alle former for farmakogenetisk variation:

• Et lægemiddels ønskede og uønskede virkninger er aldrig bestemt af et enkelt gen alene.

• Et lægemiddels ønskede og uønskede virkninger er aldrig bestemt af en gruppe af gener alene.

• Et lægemiddels ønskede og uønskede virkninger er altid bestemt af et samspil imellem arvelige faktorer, miljøfaktorer og konstitutionelle forhold (alder, køn, race etc.).

• Genotypebestemmelse som vejledning for valg af behandling og dosis af lægemiddel er kun relevant for de lægemidler, hvor det præcise samspil imellem arv, miljø og konstitution er kendt og kan bestemmes hos den enkelte patient i klinisk praksis både før og under behandlingen.

Genotypebestemmelse med henblik molekylærgenetisk diagnostik og subklassifikation eller påvisning af molekylære targets er et område, der er i rivende udvikling inden for behandling af maligne sygdomme. I hvilket omfang dette også kommer til at gælde for andre typer af sygdomme, må de kommende år vise.

Kim Brøsen, Syddansk Universitet, Institut for Sundhedstjenesteforskning, Klinisk Farmakologi, DK-5000 Odense C.
E-mail: kbrosen@health.sdu.dk

Antaget: 28. februar 2005

Interessekonflikter: Ingen angivet

Denne artikel bygger på langt flere referencer end de nævnte. Mange væsentlige originalarbejder er nævnt i [3-9].