Farmakogenetik för individualiserad läkemedelsbehandling

Farmakogenetik för individualiserad läkemedelsbehandling AV MARJA-LIISA DAHL Interindividuell variation i läkemedelssvar Det föreligger stora skillnader mellan individer med avseende på vilken effekt en viss läkemedelsbehandling ger. Vissa patienter får kraftiga biverkningar av även låga doser av läkemedel medan andra kan behöva ovanligt höga doser för att få effekt av medicineringen. Alla individer svarar inte alls på samma läkemedel. Både bristande effekt och biverkningar är stora kliniska problem som orsakar lidande för patienten och kostnader för samhället. Man har i flera studier både internationellt och i Sverige kunnat konstatera att 10-15 % av alla patienter som läggs in på sjukhus gör det pga. direkta eller indirekta biverkningar av läkemedel (1). Olikheter i läkemedelssvaret beror på ett antal faktorer såsom patientens ålder, sjukdomstillstånd eller samtidig användning av andra läkemedel. En viss del av variabiliteten har dock visats bero på genetiska faktorer (specifika arvsanlag). Gener kodar för proteiner som är av betydelse för hur läkemedel omsätts och hur de utövar sin effekt i kroppen. Farmakogenetik kan definieras som läran om genetiska faktorers betydelse för läkemedelseffekter, och indelas i studier om hur kroppen påverkar läkemedlets omsättning (farmakokinetik) och hur läkemedlet påverkar kroppens funktioner (farmakodynamik). Det hittills mest studerade området är ärftliga faktorers betydelse för metabolismen (nedbrytningen) av läkemedel. På senare år har man i ökande utsträckning intresserat sig för transportproteiner som påverkar hur läkemedel tas upp från tarmen till blodet, och hur de transporteras över cellmembraner till kroppens olika vävnader tex. hjärnan. Inom det farmakodynamiska området undersökes variation i de strukturer där läkemedel utövar sin effekt, t ex. receptorer (Figur). Läkemedelsmetabola polymorfier En stor del av de läkemedel som idag används kliniskt är relativt lipofila molekyler och genomgår i kroppen en eller flera metabola steg för att bli mer vattenlösliga och därmed lättare att utsöndras via urinen. Metabolismen katalyseras av ett stort antal olika enzymsystem bland vilka cytokrom P450 (CYP) har en central roll. CYP-systemet består av ett stort antal specifika enzym med var sin specificitet för vissa typer av läkemedelsmolekyler. De för läkemedels omsättning viktigaste enzymerna är CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6 och CYP3A4/5. Av dessa är aktiviteten av CYP2D6, CYP2C9 och CYP2C19 under stark genetisk kontroll, med stora interindividuella skillnader i aktivitet (2-4). Vissa individer saknar helt och hållet aktiviteten beroende på att de ärvt från båda föräldrarna en muterad variant av genen som leder till att inget enzym bildas i levern. Dessa individer klassificeras som långsamma metaboliserare, medan majoriteten av individerna som har enzymaktivitet kallas snabba metaboliserare. Långsamma metaboliserare har en kraftigt nedsatt förmåga att metabolisera de läkemedel som behöver just detta enzym för sin omsättning. Detta betyder i sin tur att de vid en genomsnittsdos får högre läkemedelshalter i kroppen och en ökad risk för biverkningar jämfört med majoriteten av individerna. Är det givna läkemedlet aktivt som sådant kan detta leda till en ökad risk för biverkningar (Tabell). I vissa fall behöver däremot läkemedlet metaboliseras till en aktiv metabolit för att utöva sin effekt, och i sådana fall riskerar långsamma metaboliserare en minskad eller frånvarande effekt av medicineringen. Man kan också identifiera en annan extremgrupp patienter med ovanligt hög enzymaktivitet. I fallet CYP2D6 kan detta förklaras av att vissa individer har en eller flera extra kopior av en funktionell CYP2D6 gen (5). Dessa s.k. ultrasnabba metaboliserare kan behöva mycket högre doser än normalt för att få terapeutiska plasmanivåer av läkemedel. Exempel på läkemedel som metaboliseras till stor del av CYP2D6 är de flesta antidepressiva läkemedel, neuroleptika, vissa antiarytmika och opiater. Ett antal studier har visat en överrepresentation av vissa typer av biverkningar hos långsamma metaboliserare (2-4, Tabell). Den ökade biverkningskänsligheten beror sannolikt på att de normalt rekommenderade doserna är för höga för de långsamma metaboliserarna. Fallbeskrivningar har visat att de doser av t ex nortriptylin, ett klassiskt tri- Tabell: Några viktiga polymorfa läkemedelsmetaboliserande enzymer och exempel på deras kliniska betydelse. Gen Läkemedel som % långsamma Biverkningar hos påverkas i Europa långsamma metaboliserare CYP2D6 antidepressiva 7 trötthet, blodtryckssänkning neuroleptika extrapyramidala biverkningar kodein (metaboliseras till morfin) minskad analgetisk effekt propafenon (antiarytmikum) CNS-toxicitet, bronkokonstriktion CYP2C9 warfarin ca 1 Blödningskomplikationer TPMT merkaptopurin, azatioprim 0.3 Benmärgstoxicitet 6 LABORATORIET 2/2003

Figuren illustrerar definitionen av farmakokinetik och farmakodynamik. I farmakokinetik ingår absorption, distribution, metabolism och elimination av ett läkemedel, vilka avgör läkemedelsnivån i blodet. Farmakodynamiken utgörs av interaktionen mellan läkemedlet och receptorn eller målcellen och inbegriper även de steg som leder fram till den interaktionen. cykliskt antidepressivum som används fr.a. vid behandling av djupa depressioner, kan behöva varieras allt från 10-20 mg per dygn hos långsamma metaboliserare upptill över 300 mg hos ultrasnabba metaboliserare (2). Man har kunnat beräkna att CYP2D6 genotypen förklarar 34 % av den interindividuella variationen i jämviktskoncentrationer av nortriptylin (6). Ett annat intressant exempel är genetiskt betingad variation i aktiviteten av CYP2C9 som metaboliserar ett antal läkemedel med smal terapeutisk bredd (skillnad mellan de koncentrationer som ger terapeutisk effekt och de som ger toxicitet). Det blodförtunnande läkemedlet warfarin (Waran) och epilepsiläkemedlet fenytoin är två av dessa. Warfarin är ett läkemedel som trots INR-monitorering förorsakar ett stort antal blödningskomplikationer, många med fatalt utgång. Man har i flera studier visat att individer som har två muterade varianter av CYP2C9-genen behöver mycket låga doser warfarin för optimal effekt jämfört med majoriteten av individerna (7,8). Dessutom har man visat en ökad risk för blödningskomplikationer hos dessa patienter (7). Det är möjligt att man med hjälp av genotypning skulle på förhand kunna identifiera riskpatienter som behöver ovanligt låga warfarindoser och intensifierad uppföljning av behandlingen, för att minska risken för blödningar. Det behövs dock prospektiva studier inom detta område. Ytterligare ett exempel på kliniskt betydelsefull polymorfi är enzymet TPMT (tiopurinmetyltransferas) som inaktiverar tiopuriner t ex merkaptopurin och azatioprim. Merkaptopurin används bl.a. vid behandling av akut lymfatisk leukemi hos barn. Individer som har två muterade TPMT-gener har en mycket låg enzymaktivitet och löper en stor risk för letala blodskador vid normaldosering av azatioprim och merkaptopurin (9). Enzymbristen är dock ovanlig, 1/300 individer. En dos som är 10-15 gånger lägre än det normala kan användas framgångsrikt hos dessa patienter. Bestämning av antingen fenotyp (enzymaktivitet) eller genotyp för TPMT har redan börjat användas kliniskt i Sverige för att identifiera riskpatienter och justera dosen därefter. Interetniska skillnader Olika etniska grupper (vita, orientaler, svarta afrikaner) skiljer sig avseende läkemedelsmetabol förmåga vilket förklaras av att de har olika genvarianter som ger olika hög enzymaktivitet. Avseende CYP2D6 är ca 7 % av svenskar och andra vita västerlänningar långsamma metaboliserare, medan motsvarande siffra hos orientaler är mindre än 1 %. Andelen individer med extra CYP2D6- gener varierar också kraftigt mellan olika områden, och är endast 1-2 % i Sverige men 7-10 % i Spanien och Italien och så hög som 29 % i Etiopien. Dessa variationer kan leda till olika genom- LABORATORIET 2/2003 7

snittliga dosbehov av samma läkemedel i olika delar av världen (2). Farmakogenetiska testmetoder Framtill ca 10 år sedan var enda möjligheten att studera enzymaktivitet att ge en testdos av ett s.k. markörläkemedel (ett läkemedel vars metabolism huvudsakligen katalyseras av det aktuella enzymet) och analysera urin eller blod med avseende på läkemedlet och dess metabolit(er). Denna s.k. fenotypning ger en mycket god prediktion av den individuella enzymaktiviteten och används fortfarande i forskningssammanhang. I kliniska situationer är fenotypning dock ofta mindre lämplig eller omöjlig pga. att den förutsätter patientens medverkande till läkemedelsintag och urinsamling, eller pga. att patienten redan står på läkemedel som kan störa fenotypningstestet och ge falska resultat. Den snabba utvecklingen av molekylärbiologiska metoder har gett helt nya möjligheter att använda farmakogenetisk kunskap även i rutinsjukvården. För de viktigaste läkemedelsmetaboliserande enzymerna (CYP2D6, CYP2C19, CYP2C9 och även N-acetyltransferas, NAT) är den genetiska variationen i respektive gen väl undersökt. Detta tillåter att man baserat på analys av de viktigaste funktionella varianterna kan predicera individens fenotyp (snabb alternativt långsam metaboliserare) från ett enkelt blodprov.avseende CYP2D6 kan även ultrasnabb metabolism som beror på förekomst av extra kopior av genen upptäckas. Idag används genotypning framför allt inom psykiatrin vid utredning av patienter som behandlas med antidepressiva eller neuroleptika och som antingen har biverkningar trots låga/normala doser eller bristande effekt vid normal dosering. Kunskapen om långsam eller ultrasnabb metabolism kan i dessa fall användas som stöd i dosering alternativt val av annat läkemedel som inte behöver just detta enzym för sin metabolism. Genotypning är här ett värdefullt komplement till plasmakoncentrationsbestämning av läkemedlet ifråga. Den molekylärbiologiska teknologin fortsätter att utvecklas snabbt och kommer att ge ökande möjligheter för analys av ett allt större antal polymorfier samtidigt och för ett för sjukvården rimligt pris. Allt fler läkemedelsmetaboliserande enzymer och tranportörer samt läkemedelstargets kommer att kunna undersökas med avsikten att individualisera behandlingen både avseende läkemedelsval och dosering. Den farmakogenetiska utredningen, tillsammans med kartläggning av andra individrelaterade faktorer som påverkar läkemedelsomsättning kan komma att bli ett underlag för dosering av många läkemedel. Beräkningar av denna typ av genotypbaserade dosrekommendationer har redan gjorts för antidepressiva läkemedel (10). Att öka andelen patienter som svarar på behandlingen och minska den med oönskade effekter skulle ge stora vinster för såväl enskilda patienter som samhället. Referenser 1. Mjörndal T, Boman MD, Hägg S, et al. Adfverse drug reactions as a cause for admission to a department of internal medicine. Pharmacoepidemiol Drug Saf 2002; 11: 65-72 2. Bertilsson L, Dahl M-L, Dalén P, AL-Shurbaji A. Molecular genetics of CYP2D6: Clinical relevance with focus on psychotropic drugs. Br J Clin Pharmacol 2002; 53: 111-122 3. Dahl M-L. Cytochrome P450 phenotyping/ genotyping in patients receiving antipsychotics: useful aid to prescribing? Clin Pharmacokinet 2002; 41: 453-470 4. Alván G, Bertilsson L, Dahl M-L, Ingelman-Sundberg M, Sjöqvist F. Moving toward genetic profiling in patient care: the scope and rationale of pharmacogenetic/ecogenetic investigation. Drug Metab Dispos 2001; 29: 580-585 5. Dahl M-L, Johansson I, Bertilsson L, Ingelman-Sundberg M, Sjöqvist F. Ultrarapid hydroxylation of debrisoquine in a Swedish population. Analysis of the molecular genetic basis. J Pharmacol Exp Ther, 1995; 274: 516-520 6. Kvist EE, AL-Shurbaji A, Dahl M-L, Nordin C, Alván G, Ståhle L. Quantitative pharmacogenetics of nortriptyline: a novel approach. Clin Pharmacokin 2001; 40: 869-877 7. Aithal GP, Day CP, Kesteven PJ, Daly AK. Association of polymorphisms in the cytochrome P450 CYP2C9 with warfarin dose requirement and risk of bleeding complications. Lancet 1999; 353: 717-719 8. Scordo MG, Pengo V, Spina E, Dahl M-L, Gusella M, Padrini R. Influence of CYP2C9 and CYP2C19 genetic polymorphisms on warfarin maintenance dose and metabolic clearance. Clin Pharmacol Ther 2002; 72: 702-10 9. McLeod HL, Krynetski EY, Relling MV, Evans WE. Genetic polymorphism of thiopurine methyltransferase and its clinical relevance for childhood acute lymphoplastic leukemia. Leukemia 2000; 14: 567-572 10.Kirchheiner J, Brøsen K, Dahl M-L, Gram LF, Kasper S, Roots I, Sjöqvist F, Spina E, Brockmöller J: CYP2D6 and CYP2C19 genotype-based dose recommendations for antidepressants: A first step towards subpopulation specific dosages. Acta Psychiatr Scand 2001; 104: 173-192 MARJA-LIISA DAHL ÄR PROFESSOR OCH ÖVERLÄKARE I KLINISK FARMAKOLOGI VID KLINISK KEMI OCH FARMAKOLOGI, AKADEMISKA LABORATORIET, AKADEMISKA SJUKHUSET I UPPSALA 8 LABORATORIET 2/2003

Farmakogenetik och blodtrycksbehandling AV LISA KURLAND Kartläggningen av ärftliga sjukdomar började tidigt med iakttagelsen att vissa egenskaper gick i arv i släkter med ett för sjukdomen karaktäristiskt mönster. Senare teknologiska utveckling har gjort det möjligt att förstå den molekylärbiologiska bakgrunden i vissa fall. Hittills har detta gällt sjukdomar med förändringar i en enda gen (monogena sjukdomar), och karaktäriseras av att vara ovanliga i ett befolkningsperspektiv. Ett exempel på en monogen sjukdom är cystisk fibros. De stora folksjukdomarna däremot, så som diabetes och hjärt-kärl sjukdomar, karakteriseras av att flera gener samverkar med varandra och miljön (d.v.s. hur vi äter, motionerar, röker etc.) för att resultera i en egenskap som t.ex. blodtrycksnivån. Högt blodtryck (hypertoni, definierat som kroniskt förhöjt blodtryck överskridande 140/90 mm Hg) drabbar 20-25 procent av den vuxna befolkningen i Sverige och Västvärlden. Ca 30-60 procent av variansen i blodtrycksnivån kan förklaras av genetiska faktorer. Också variationen i läkemedelssvaret kan till viss del förklaras av genetiska faktorer. Läran om detta kallas farmakogenetik, och kan indelas i sin tur i farmakokinetik (hur läkemedlet påverkas i kroppen) och farmakodymanik (hur läkemedlet påverkar det signalsystem det är riktat emot), vilket illustreras i figur 1 på sidan 7. Det finns idag många olika blodtryckssänkande läkemedel på marknaden men ännu inget bevis för att något av dem är överlägset det andra vad gäller minskad dödlighet. Blodtryckssvaret med blodtryckssänkande läkemedel uppvisar stor spridning, dessutom är blodtrycket välreglerat hos endast 14-25 procent av alla hypertoniker. Samtidigt vet vi att genom att sänka blodtrycket minskar också risken för hjärtinfarkt och stroke. När vi nu vet att det är viktigt att sänka blodtrycket och att blodtrycket är otillfredsställande reglerat hos en majoritet av våra hypertoniker, samt att det individuella blodtryckssvaret på antihypertensiv behandling är svårt att förutsäga; hur ska vi välja rätt läkemedel för den enskilda patienten? Förväntningarna är stora på att farmakogenetiken kan komma att ge oss möjligheten att skräddarsy läkemedelsbehandlingen. I figur 2 illustreras hur farmakogenetiken kan komma att användas för att på genetisk bas identifiera de patienter som är lämpliga eller olämpliga att behandla med ett specifikt läkemedel. I våra studier har vi fokuserat på far- Figur 2. Farmakogenetik kan göra det möjligt att identifiera de patienter som har en genetisk predisposition för en toxisk läkemedelsreaktion och dålig eller utebliven effekt av läkemedlet. Med detta skulle den behandlande läkaren kunna optimera läkemedelsvalet för den enskilda patienten. I 1 väljer läkaren att avstå från behandling p.g.a. att en genetisk analys hos den enskilda patienten har visat ogynnsam läkemedelseffekt sannolik. Behandling med ett visst läkemedel kan sättas in när den genetiska analysen visar att en gynnsam läkemedelseffekt är sannolik, 2. LABORATORIET 2/2003 9

Förändring av DBP (mm Hg) 0-5 -10-15 -20 ACE II ACE DD ACE ID Figur 3 visar förändringen av det diastoliska blodtrycket efter behandling med beta-blockaren atenolol eller AT1 receptor antagonisten irbesartan. ACE I/D står för i "insertion" dvs närvaro av en 287 bp lång bit i intron 16 i ACE genen och D "deletion" för avsaknad av densamma. I gruppen som behandlades med irbesartan var ACE genotypen associerad med blodtryckssvaret på behandling (p=0.001) och ACE I/I uppvisar den största blodtryckssänkningen. De patienter som behandlades med atenolol visade däremot ingen ACE genotyp beroende blodtryckssänkning. Staplarna anger medelvärden ± SEM. Referenser 1. Malmqvist K, Kahan T, Edner M, Held C, Hagg A, Lind L, et al. Regression of left ventricular hypertrophy in human hypertension with irbesartan. J Hypertens 2001;19(6):1167-76. 2. Kurland L, Melhus H, Karlsson J, Kahan T, Malmqvist K, Öhman P, et al. Angiotensin converting enzyme gene polymorphism predicts blood pressure response to angiotensin II receptor type I antagonist treatment in hypertensive patients. Journal of Hypertension 2001;19:1783-7. 3. Kurland L, Melhus H, Karlsson J, Kahan T, Malmqvist K, Öhman P, et al. Aldosterone synthase (CYP11B2) -344 C/T is related to antihypertensive response. American Journal of Hypertension 2002;15:387-93. makodynamik, mer specifikt, i renin-angiotensin-aldosteron systemet (RAAS). RAAS är viktigt för regleringen av blodtrycket. Vi har valt att studera flera specifika genetiska varianter i RAAS (i angiotensinogen-, ACE-, AT1-receptoroch aldosteron syntas genen) hos patienter med hypertoni och vänsterkammarhypertrofi som behandlats med antingen beta-blockaren atenolol (ett blodtryckssänkande läkemedel som använts sedan 1960-talet) eller AT1-receptor antagonisten irbesartan (vilket tillhör en nyare läkemedelsgrupp) (1). Läkemedelssvaret, både blodtrycksrespons (2, 3), se fig. 3, och regress av vänsterkammarhypertrofi (4) har relaterats till RAAS genotyper. Vi anser att våra resultat stöder en farmakodynamisk strategi och ger en fingervisning om att farmakogenetisk testning vid hypertonibehandling kan komma att bli möjlig. Hur skulle detta kunna komma att se ut? Nya metoder som möjliggör analys av ett hundratal eller hundra tusental specifika genetiska varianter samtidigt är under utveckling (mikroarray-baserad teknologi) och en linje vi själva driver. Mikroarrayer, se fig. 4, kan komma att användas för att bestämma den individuella patientens genetiska fingeravtryck, vilket i sin tur kan användas för att förutsäga behandlingssvaret på antihypertensiva läkemedel. Framtiden skulle kunna gestalta sig som så att när vi träffar patienten på vår mottagning, så tar vi ett blodprov och skickar det på genetisk analys. Baserat på den individuella patientens unika genetiska fingeravtrycket kan man komma att förutsäga vilket antihypertensivt läkemedel patienten förväntas svara bra på. 4. Kurland L, Melhus H, Karlsson J, Kahan T, Malmqvist K, Ohman P, et al. Polymorphisms in the angiotensinogen and angiotensin II type 1 receptor gene are related to change in left ventricular mass during antihypertensive treatment: results from the Swedish Irbesartan Left Ventricular Hypertrophy Investigation versus Atenolol (SILVHIA) trial. J Hypertens 2002;20(4):657-63. LISA KURLAND ÄR MEDICINE DOKTOR OCH VERKSAM PÅ MEDICINCENTRUM VID AKADEMISKA SJUKHUSET I UPPSALA. Figur 4. Schematisk bild av en mikroarray som framställts på ett vanligt objektsglas med en förstorad reaktionsbrunn. På varje mikroarray kan upp till 80 prover analyseras i parallella reaktioner och i varje reaktionsbrunn kan upp till 200 primers immobiliseras. I den s.k. minisekvensningsmetoden inkorporeras en flourescensmärkt nukleotid på den polymorfa positionen vilket anger genotypen. Färgbilden visar en reaktionsbrunn efter en av reaktionerna med en flourescensmärkt nukleotid. Fluorescensbilden datorbearbetas sedan för uttolkning av genotypen. Bilden är tillhandahållen av Ulrika Liljedahl, molekylär medicin, institutionen för medicinska vetenskaper, Uppsala universitet. 10 LABORATORIET 2/2003