Farmacogenetica: origini della variabilità umana nella risposta ai farmaci Farmacogenetica: branca della farmacologia che studia le modificazioni della risposta al farmaco su base genetica

“ One Size Doesn't Fit All “ Problematica clinica della variabilità interindividuale nella risposta ai farmaci : somministrando lo stesso farmaco a diversi pazienti, si possono avere diverse risposte: effetto terapeutico, nessun effetto, tossicità. “ One Size Doesn't Fit All “ Le conseguenze cliniche della variabilità interindividuale nella risposta al trattamento farmacologico possono essere rappresentate dal fallimento terapeutico (mancata o solo parziale efficacia della terapia), da effetti collaterali di un determinato principio attivo o da reazioni avverse anche gravi e talvolta fatali.

LA VARIABILITA' INTER-INDIVIDUALE NELLA RISPOSTA AI FARMACI Cause Fattori non genetici: Fisiologici :età, sesso, peso corporeo Patologici: alterata funzionalità renale ed epatica o comorbidità Ambientali: dieta e abuso di alcool e fumo, concomitante assunzione di altri farmaci Fattori genetici: POLIMORFISMI IDIOSINCRASIA La reazione idiosincrasica è un effetto farmacologico anomalo, generalmente pericoloso, che ha basi genetiche. Le risposte individuali ai farmaci variano molto: si possono, infatti, osservare in alcuni pazienti rispetto ad altri, effetti terapeutici ridotti o addirittura assenti, reazioni avverse o effetti collaterali, nonostante sia stato somministrato lo stesso farmaco alla stessa posologia. Questa variabilità inter-individuale veniva, nel passato, attribuita principalmente all’influenza di fattori non genetici come ad esempio l’età, il sesso, lo stato nutrizionale, quello di funzionalità renale ed epatica, le abitudini di vita con particolare riferimento alla dieta e all’abuso di alcool e fumo, la concomitante assunzione di altri farmaci o la presenza di comorbidità. Attualmente si ritiene che i fattori genetici esercitano un ruolo importante nel determinare la variabilità farmacocinetica e farmacodinamica. IDIOSINCRASIA: Il termine viene dal greco idiosynkrasia, composto da idios (proprio, particolare) e sykhrasis (costituzione, temperamento).

Farmacogenetica Studio della variabilità di risposta ad un farmaco dovuta a fattori genetici ereditari 1959: Freidrich Vogel conia il termine farmacogenetica parlando di una risposta ai farmaci ereditaria e variabile in popolazioni diverse. Metodi di studio: Analisi genetiche (SNPs, profili di espressione genica) Ha lo scopo di fornire una maggiore sicurezza nella somministrazione della terapia.

Nozioni generali Ciascun individuo definito diploide (2n) come gran parte dei viventi, possiede per ciascun gene, due alleli, ossia due copie, una di origine materna (n) e una di origine paterna (n). l'individuo è omozigote per un determinato gene se eredita una coppia di alleli identici. se gli alleli sono differenti, l'individuo è detto eterozigote. L’informazione genetica e’ contenuta nel gene (frammento di DNA che si organizza in cromosomi). Essi sono contenuti ed organizzati all’interno dei cromosomi, presenti in tutte le cellule di un organismo. Le cellule umane contengono tutte 23 coppie di cromosomi, con la sola eccezione dei gameti, che presentano una singola copia di ciascun cromosoma. 5

Polimorfismi Varianti alleliche presenti in >1% della popolazione Il tipo più comune di polimorfismo è il Single Nucleotide Polimorphisms (SNP), polimorfismi a singolo nucleotide

Single nucleotide polimorphisms (SNPs) Sostituzione di una singola base 1 SNP ogni 1000 basi Stimati in 3-10 milioni nel genoma umano 1.8 milioni identificati 5-10 SNPs per gene 1% possono avere significato biologico SNPs nelle regioni codificanti o regolatrici (gene promoters)

Tipologie di SNP Transizioni Transversioni Purine Purine (A G; G A) Evento più frequente Transizioni Transversioni Inserzioni e/o delezioni singola base Pirimidine Pirimidine (C T, T C) Purine Pirimidine (G C; G T; A C; A T) Pirimidine Purine (C G; C A; T A; T G)

Polimorfismo della glucosio-6-fosfato-deidrogenasi La glucosio-6-fosfato-deidrogenasi è un enzima che si trova nei globuli rossi. Ha la funzione di proteggere queste cellule dal danno da ossidanti chimici, in sua assenza si ha emolisi degli eritrociti, che causa quindi anemia. Vi sono anche farmaci che possono causare emolisi in pazienti con deficit di G-6-PD: analgesici, antimalarici, antipiretici…. Polimorfismi della butiril-colinesterasi (pseudocolinesterasi) In alcuni soggetti il bloccante neuromuscolare succinilcolina dà una apnea pronunciata L’ anomalia può essere diagnosticata misurando il livello delle cosiddette pseudocolinesterasi nel plasma prima di interventi chirurgici

Geni che influenzano la risposta al farmaco Geni codificanti per proteine coinvolte nella biodisponibilità del farmaco (FARMACOCINETICA) Assorbimento (passaggio dal sito di somministrazione al circolo sanguigno) Distribuzione (passaggio dal circolo sanguigno alle cellule dei tessuti o al liquido interstiziale) Metabolismo (biotrasformazione delle sostanze esogene introdotte in altre sostanze meno liposolubili cioè più idrofile; questo ne facilita la successiva eliminazione e ne diminuisce la distribuzione) Escrezione (attraverso il rene con le urine e attraverso il sistema epato-biliare con la bile e le feci. 2. Geni codificanti per il bersaglio terapeutico del farmaco (FARMACODINAMICA) Recettori Canali ionici Enzimi Polimorfismi a questi livelli possono determinare modificazioni nella risposta ad un farmaco DI NATURA FARMACOCINETICA DI NATURA FARMACODINAMICA PRODUCENDO LA COMPARSA DI EFFETTI AVVERSI O ASSENZA DI RISPOSTA CLINICA

Biotrasformazione di un farmaco I processi metabolici che trasformano le molecole introdotte in metaboliti più idrosolubili e quindi più facilmente eliminabili sono effettuate da enzimi. Reazioni di Fase I: Ossidazione Riduzione Idrolisi Reazioni di Fase II: Acetilazione Metilazione Coniugazione con gruppi (Acido Glucuronico, GSH) Le reazioni di fase I trasformano il componente iniziale in un metabolita più polare introducendo o smascherando un gruppo funzionale (OH, NH2, SH); queste reazioni comprendono l'ossidazione, la riduzione e l'idrolisi. Molti prodotti della fase I non sono comunque eliminati rapidamente e subiscono una successiva reazione -> fase II Nella fase II un substrato endogeno (come l’acido glucuronico, l’acido solforico, l’acido acetico o un amminoacido) si combina con il neoformato gruppo funzionale, formando un CONIUGATO ad alta polarità. In alcuni casi il metabolismo trasforma un farmaco da molecola da farmacologicamente inattiva (PROFARMACO) in farmaco con EFFETTO TERAPEUTICO La causa principale di molti effetti indesiderati nella risposta a farmaci, dipende da alterazioni degli enzimi coinvolti nei processi metabolici a cui quasi tutti i farmaci vanno incontro, principalmente a livello epatico.

Quali sono le conseguenze farmaco-tossicologiche della variabilità genetica??

Poor Metabolyzer (PM): Ultrarapid Metabolyzer (UM): Effetto del polimorfismo di un enzima che metabolizza farmaci -METABOLIZZATORI NORMALI -> hanno 2 copie funzionali del gene per l’enzima in esame! -METABOLIZZATORI INTERMEDI -> sono eterozigoti, hanno una copia del gene normale e l’altra copia che produce un enzima non funzionante! METABOLIZZATORI DEBOLI o Poor Metabolyzer (PM): sono soggetti che mancano dell’enzima o hanno un enzima che funziona poco Metabolismo del farmaco lento Alti livelli plasmatici di farmaco ai dosaggi ordinari Alto rischio per reazioni avverse Nessuna risposta per alcuni PROFARMACI Dosi più basse e meno frequenti per evitare la tossicità METABOLIZZATORI ULTRARAPIDI o Ultrarapid Metabolyzer (UM): sono soggetti che hanno maggiori quantità di enzima e metabolizzano in modo molto rapido Metabolismo troppo rapido del farmaco Nessuna risposta al farmaco a dosi ordinarie dosi più elevate e più frequenti per raggiungere le concentrazioni terapeutiche;

Effetto del polimorfismo di un enzima che metabolizza farmaci

La maggior parte di enzimi metabolizzanti esibiscono polimorfismi genetici rilevanti dal punto di vista clinico

Farmaci metabolizzati dai CYP450 (2D6, 2C9 e 2C19) Il CYP2D6, CYP2D9 e CYP2C19 sono coinvolti nelle trasformazioni di molti tipi di farmaci di uso comune, tra cui: analgesici, antiipertensivi, antiepilettici, antiallergici, antiinfiammatori, antivirali, antitumorali e molti altri. Antistaminici Desloradatina Terfenadine Idroxizina Antiallergici Loratadina Prometazina Antiasmatico Arformoterolo Antidepressivi Amitriptilina Fluoxetina [Prozac] Imipramina Nortriptilina Paroxetina Antiepilettico Mefenitoina Antipsicotico Aloperidolo Debrisochina Antiaritmico Lidocaina Sparteina Antidolorifici Morfina Ossicodone bloccante Bufurarolo FANS Diclofenac (Voltaren) Ipoglicemizzante Fenformina Analgesico Codeina* CYP2D6 CYP2C9 Antiasmatico Montelukast Zileutone Antidepressivo Clomipramina Fluoxetina [Prozac] Imipramina Antiepilettico Mefenitoina Fenitoina Antifungino Fluconazolo -bloccante Carvedilolo FANS Ibuprofene Diclofenac (Voltaren) Antiulcera Lansoprazolo Pantoprazolo Antipertensivo Losartan Antivirale Ritonavir Antitumorale Tamoxifene CYP2C19 Antidepressivo Desipramina Imipramina Antibiotico Amoxicillina (Augmentin) Claritromcina Antiepilettico Mefenitoina Fenobarbitale Fenitoina Antidolorifico Metadone Oxcarbazepina*. FANS Diclofenac (Voltaren) Antiulcera Ranitidina Lansoprazolo Omeprazolo Antivirale Ritonavir Vasodilatatore Nicardipina * I farmaci segnati con l’asterisco sono PROFARMACI e vengono trasformati in molecole farmacologicamente attive dal citocromo

Farmacogenetica del CYP2D6. Esistono più di 75 varianti alleliche note SNPs delezione o addizione di una singola base delezione del gene duplicazioni del gene (2x-13x) Distribuizione etnica dei fenotipi polimorfici di CYP2D6 Poor metabolizer Europei 5-10 % Africani (USA) 2-5 % Orientali <1 % Ultra-rapid metabolizer Scandinavi 1.5 % Spagnoli 7 % Etiopi 20 %

Effetti farmacologici in pazienti con polimorfismi di CYP2D6 fenotipo metabolizzatore poor ultra-rapid Antidepressivi triciclici cardiotossicità inefficace tachicardia, costipazione, debolezza Antiaritmici parestesie inefficace disturbi visivi vertigine, nausea, vomito, aritmie Oppioidi inefficace euforia, nausea

Dose requirement for nortriptyline in patients with different CYP2D6 phenotypes Poor Ultra-Rapid

Citocromi CYP2C9 Responsabili della metabolizzazione di almeno il 10% dei farmaci più importanti. Tutti gli anticoagulanti orali (Warfarin, dicumarolo) Quasi tutti gli ipoglicemizzanti orali FANS Antiepilettici (Fenitoina, valproato) Cannabinoidi Ormoni (estrogeni ,progestinici, ormoni sintetici) 2 i polimorfismi più importanti (CYP2C9*2 Arg144Cys e CYP2C9*3 Ile359Leu)

Effetti della variabilità del CYP2C9 sulla probabilità di errori coagulativi I pazienti con CYP2C9*2 e *3 hanno una minore capacità di metabolizzare (idrossilare) il Warfarin I CYP2C9*2/*2 avrebbero bisogno di una dose giornaliera pari al 32% della dose standard, mentre i CYP2C9*3/*3 solo del 9% Questi pazienti hanno un rischio di incidenti coagulativi (emorragia) più alto (3.68). Lancet, Aithal et al., 353,717, 1999.

Polimorfismo genetico del CYP2C19 Il CYP2C19 codifica per un enzima che controlla il metabolismo di alcuni farmaci e profarmaci tra cui s-warfarin, clopidogrel, omeprazolo, lansoprazolo, fenitoina, diazepam, usati per trattare disturbi cardiovascolari (antitrombotici), ulcera peptica e reflusso gastroesofageo, epilessia. •Esiste 1 variante allelica del CYP2C19 con ridotta attività enzimatica

Clopidrogel È un antiaggregante piastrinico della famiglia delle tienopiridine Impiego: sindrome coronarica acuta e decorso post infartuale Meccanismo d'azione : inibizione del recettore piastrinico dell'ADP P2Y12. CYP2C19 è coinvolto nella conversione del clopidogrel (profarmaco)nel metabolita attivo, responsabile dell’attività farmacologica dell’antiaggregante Negli studi clinici i metabolizzatori lenti o con attività enzimatica ridotta sono andati incontro ad un tasso di eventi cardiovascolari (ictus, infarto miocardico, morte) più elevato rispetto ai metabolizzatori rapidi.

Ruolo delle acetiltranferasi Variazioni della capacità di metabolizzare l’ isoniazide (idrazide dell’acido isonicotinico, antitubercolare). Il farmaco è metabolizzato dalle N-acetil transferasi (NAT), la presenza di variabilità di risposta al farmaco ha permesso l’identificazione di due classi di individui: Acetilatori veloci che metabolizzano velocemente il farmaco Acetilatori lenti che metabolizzano il farmaco in più ore, diventando più esposti ai suoi effetti collaterali.

N-acetilazione Variazioni nell’attività dell’acetiltransferasi: Frequenza degli acetilatori lenti 80-90% dei nord-africani (Egiziani e Marocchini) 60% degli Indiani 50% negli Europei e Americani Frequenza degli acetilatori veloci 80-90% popolazioni orientali 67% dei latino-americani Acetilatori lenti metabolizzano poco il farmaco e sviluppano una neuropatia periferica ed epatopatia dopo trattamento con dosi efficaci di isoniazide

Rischio relativo (limiti di confidenza) Reazioni di coniugazione con il glutatione Il glutatione (GSH) è un tripeptide con proprietà antiossidanti formato da cisteina, glicina e acido glutammico. Può legarsi al substrato anche senza catalisi enzimatica o essere catalizzata dalle Glutatione-S-transferasi (GST) di cui esistono varie isoforme L’enzima GST-P polimorfico ha una efficienza metabolica per i diolo epossidi degli PAH, 7 volte maggiore della forma WT (esempio di polimorfismo positivo!) Variazione di rischio di tumori specifici in soggetti con polimorfismi Tumori della vescica 1.57 (1.36-1.81) Rischio relativo (limiti di confidenza) GSTM1 nullo Tumore ovarico 3.4 (1.7-7.1) GSTM1 nullo e GST1 nullo (esempio di polimorfismo estremamente negativo!)

Polimorfismo della tiopurinometiltranferasi (TPMT) Variazione nella capacità di metabolizzare la 6-mercaptopurina e l’azatioprina Farmaci antimetaboliti delle purine, fondamentali per la terapia della Leucemia Linfoblastica Acuta infantile Usati anche come immunosoppressori nei trapianti e in alcune malattie autoimmuni (lupus-artrite reumatoide) la riduzione della via metilante provoca tossicità midollare anche fatale e richiede abbassamenti di dose di 10-15 volte

Alcool deidrogenasi (ADH) I geni ADH sono sette ADH1-7 e codificano tutti per enzimi che catalizzano la reazione di ossidazione da alcool ad aldeide Svizzeri 20 Inglesi 5-10 Tedeschi 9-14 Cinesi 89-92 Giapponesi 85-98 Indiani 0 Navajo 0 Circa il 90 % dei giapponesi, dei cinesi e degli individui di altre popolazioni asiatiche ha un deficit di aldeide deidrogenasi 2, un enzima coinvolto nel metabolismo dell'etanolo. In queste persone, l'ingestione di alcol provoca un aumento notevole dell'acetaldeide ematica e la comparsa di effetti indesiderati (p. es., arrossamento del volto, aumento della frequenza cardiaca, nausea. (sindrome disulfiram simile) L’allele ADH1B*2-47His aumenta il tasso di formazione dell’acetaldeide; è frequente nelle popolazioni asiatiche, riduce il rischio di dipendenza da alcol e costituisce quindi un fattore protettivo contro l’alcolismo.

Importanza clinica di polimorfismi su enzimi metabolici Gli enzimi metabolici sono poco selettivi e più o meno modulabili Gli effetti di polimorfismi su enzimi metabolici sono rilevanti soprattutto per i farmaci che hanno indice terapeutico basso … o quando il paziente possiede una combinazione di polimorfismi “sfavorevoli”

Geni che influenzano la risposta al farmaco Geni codificanti per proteine coinvolte nella biodisponibilità del farmaco (farmacocinetica) Trasportatori, enzimi del metabolismo Geni codificanti per il bersaglio terapeutico del farmaco (farmacodinamica) Recettori, canali ionici, enzimi, proteine regolatrici

Terapia dell’asma e il polimorfismo del recettore adrenergico beta-2 Variazioni farmacodinamiche. Esiste una notevole variabilità individuale nella efficacia e nella durata di azione dei farmaci broncodilatatori (beta adrenergici) nei pazienti asmatici. Parte di questa variabilità è dovuta alla desensibilizzazione del paziente al farmaco, causata dalla riduzione del numero di recettori beta-2 adrenergici.

Effetto dell’albuterolo in funzione del polimorfismo beta2 Polimorfismi sul codone 16 (Arg/Gly) e sul codone 27 (Gln/Glu) Gli omozigoti 16 Arg/Arg hanno una risposta maggiore al farmaco (dose acuta) con una risposta respiratoria superiore del 6,5% rispetto agli omozigoti Gly/Gly e presentano una minore desensitizzazione in seguito a trattamento prolungato

Polimorfismi su proteine trasportatrici P-glicoproteina (codificata dal gene ABCB1 detto anche MDR1) Controlla l’ efflusso cellulare di molecole come la bilirubina, farmaci antitumorali, glicosidi cardiaci, glucocorticoidi Regola l’accumulo di farmaci come la digossina, la vinblastina e il desametasone Esiste un polimorfismo per cui l’espressione della proteina è dimezzata > accumulo del farmaco La PGP è stata identificata inizialmente in cellule tumorali, la cui resistenza agli agenti antitumorali era dovuta ad una sua iper espressione -> (Multi Drug Resistence Protein).