Farmacogenomica Oggi parlerò del ruolo dei geni nella risposta ai farmaci.

Farmacogenetica: Farmacogenomica: Lo studio della variabilità di risposta ad un farmaco dovuta a fattori genetici ereditari, negli individui o a livello di popolazione Friedrich Vogel, 1959 Farmacogenomica: La determinazione e l’analisi del genoma e dei suoi prodotti allo scopo di correlare queste informazioni con la risposta al farmaco presente a livello cellulare, tessutale, di individuo o di popolazione, al fine di individuare nuovi bersagli terapeutici, scoprire e sviluppare farmaci o studiare la risposta ad essi. Lo studio del ruolo dei geni nella risposta ai farmaci, e infatti la FARMACOGENETICA. Il termine “farmacogenetica” e’ stato introdotto nel 1959 da Friedrich Vogel e puo’ essere definito come: “Lo studio della variabilità di risposta a un farmaco dovuta a fattori genetici ereditari, negli individui o a livello di popolazione” Dato il completamento dell’ Human Genome Project, e grazie allo sviluppo di tecnologie ad alta capacita’ (o “high throughout”) per l’analisi del DNA (come DNA microarrays o DNA chips), la disciplina della farmacogenetica si e’ trasformata in “farmacogenomica”. La FARMACOGENOMICA e definita come: La determinazione e l’analisi del genoma (DNA) e dei suoi prodotti (RNA e proteine) allo scopo di correlare queste informazioni con la risposta al farmaco presente a livello cellulare, tessutale, di individuo o di popolazione, alla fine di individuare nuovi bersagli terapeutici, scoprire e sviluppare farmaci o studiare la risposta ad essi. I due termini farmacogenetica e farmacogenomica sono sostanzialmente intercambiabili. Lo scopo della farmacogenetica classica e’ quello di definire le differenze nei geni candidati uno ad uno, individualmente, e di correlare le alterazioni di un particolare fenotipo -definito da una specifica risposta ad un dato farmaco-con il genotipo del paziente. La farmacogenomica considera invece l’intero genoma umano, tenendo conto la possibilita’ che la risposta al farmaco sia influenzata da una moltitudine di geni, non solo quelli che codificano per le proteine coinvolte direttamente nell’azione del farmaco, ma anche di altri geni modificanti.

Variabilità individuale nelle risposte alla terapia farmacologica Efficacia Effetti collaterali / reazioni avverse Uno dei grossi problemi che incontrano i clinici e’ la variabilità individuale nella risposta alla terapia farmacologica, cioe, che soggetti diversi rispondono in modo diverso allo stesso farmaco somministrato alla stessa dose. Questa variabilita’ si riscontra non solo negli effetti benefici (desiderati) ai farmaci (cioe’ nell’ efficacia del farmaco), ma anche negli effetti collaterali non desiderati (cioe nelle reazioni avverse e tossicità).

Variabilità individuale nella efficacia terapeutica dei farmaci Individuo normale collaterale Effetto Dose terapeutico Accettabile Effetto Dose terapeutico collaterale Non accettabile Efficacia ridotta La variabilita’ nell’efficacia di un dato farmaco e’ illustrata in queste due curve dose-risposta. I due grafici rappresentano la risposta farmacologica (asse Y) in funzione di dosi crescenti del farmaco (asse X). Il diagramma di sinistra illustra la situazione di un paziente (un individuo normale) in cui un effetto terapeutico (in blu) viene ottenuto con limitati effetti collaterali (in rosso). Il diagramma di destra illustra la situazione di un altro paziente (#2) in cui il farmaco ha una efficacia ridotta. La stessa dose non riesce a produrre il desiderato effetto terapeutico ma espone il paziente agli effetti collaterali (in rosso).

Variabilità individuale negli effetti collaterali dei farmaci collaterale Effetto Dose terapeutico Accettabile Individuo normale Dose terapeutico collaterale Non accettabile Effetto Aumento di effetti collaterali Questi diagrammi illustrano come possono variare gli effetti collaterali in vari pazienti. Il diagramma sulla sinistra mostra la curva dose-risposta in un paziente normale con una data dose in grado di produrre l’effetto terapeutico con minimi effeti collaterali. Sulla destra vediamo la curva dose risposta per un paziente con un livello elevato di effetti collaterali. Le conseguenze cliniche di tali effetti possono variare da lievi malori a situazioni molto serie che richiedono l’ospedalizzazione del paziente e che possono anche risultare in morte.

Variabilità nella efficacia terapeutica di alcuni farmaci % pazienti con scarsa risposta Antagonisti dell’angiotensina 2 10-25% ACE inibitori 10-25% Beta-bloccanti 15-25% Antidepressivi triciclici 20-50% Agonisti beta-2 adrenergici 40-70% Mancata o ridotta risposta ai farmaci e’ un evento comune. Se consideriamo alcune delle maggiori categorie di farmaci prescritti attualmente, vediamo che esiste un’alta percentuale di pazienti nella popolazione generale che non rispondono o rispondono in modo ridotto alle dosi convenzionali dei farmaci. Questa percentuale e’ del 10-25 % per gli antagonisti dell’angiotensina 2 e per gli inibitori dell’ angiotensin-converting enzyme, entrambi utilizzati nel trattamernto dell’ipertensione, 15-25% per i beta-bloccanti usati nel trattamento dell’ insufficienza cardiaca, 20-50% per gli antidepressivi triciclici, ed arriva al 40-70% per gli agonisti del recettore adrenergico beta 2, usati come broncodilatatori nel trattamento dell’asma.

Reazioni avverse ai farmaci Adverse Drug Reactions (ADR) In Europa 5-20% dei pazienti ammessi in ospedali soffrono di reazioni avverse In effetti si ritiene che il 5-20 % dei pazienti ricoverati negli ospedali della comunita’ europea soffrano di reazioni avverse ai farmaci.

Reazioni avverse ai farmaci Adverse Drug Reactions (ADR) >100 000 morti all’anno negli USA la quarta causa di morte dopo malattie cardiovascolari, tumori e ictus (Lazarou et al, JAMA 1998; 279: 1200-1205) Negli Stati Uniti e’ stato calcolato che circa 100.000 morti l’anno sono causate da reazioni avverse a farmaci. Reazione avverse alla terapia farmacologica rappresentano dunque la quarta causa di morte dopo le malattie cardiovascolari, i tumori e l’ictus negli Stati Uniti.

La variabilità individuale nelle risposte ai farmaci è dovuta a fattori: Fisiologici età, sesso, peso corporeo, condizione fisica Patologici malattie, livello di funzionalita’ epatica o renale Ambientali dieta, alcool, tabacco, altri farmaci Genetici polimorfismo La variabilità individuale nelle risposte dei pazienti ai farmaci e dovuta a diversi fattori. Alcuni sono fattori fisilogici, come la età, il sesso, il peso corporeo e la condizione fisica del paziente, o patologici come lo status della malattia, ed il livello di funzionalita’ renale o epatica. Fattori ambientali possono influenzare la risposta di un dato paziente al trattamento farmacologico. Tali fattori includono il tipo di dieta, il consumo di alcool, il fumo e l’assunzione di altri farmaci. Comunque, nonostante una attenta selezione della terapia sulla base di questi fattori, non c’e’ alcuna garanzia che un dato trattamento sara’ efficace o ben tollerato in un dato paziente. E’ infatti verosimile che una delle cause piu’ importanti delle differenze nella risposta ad un dato farmaco e’ la variazione genetica degli individui, cioe i polimorfismi.

Polimorfismi Varianti alleliche presenti in >1% della popolazione Dovute a sostituzioni di singole basi inserzioni delezioni variazioni nel numero di tandem repeats (VNTR) Il tipo piu’ comune Single Nucleotide Polimorphisms (SNPs) Un polimorfismo viene definito come una variante genetica stabile che e’ presente almeno nell’1% della popolazione. I polimorfismi incluldono sostituzioni di singola base, inserzioni, delezioni, e variazioni nel numero di tandem repeats. Il tipo piu’comune di polimorfismo e’ quello dei Single Nucleotide Polimorphism or SNPs

Single nucleotide polimorphisms (SNPs) 1 SNP ogni 1000 basi 10 milioni nel genoma umano (6 milioni descritti nel HapMap Project) 5-10 SNPs per gene 1% possono avere significato biologico (SNPs nelle regioni codificante o regolatrici) Gli “SNIPS” sono il risultato di una sostituzione di un singolo paio di basi nella sequenza del DNA. Sono molto frequenti e sono presenti ogni 1000 paia di basi. L’intero genoma contiene fino a 10 milioni di SNIPS e di questi 6 milione sono stati caratterizzati dallo HapMap project. Si ritiene che ogni gene ha tra cinque e dieci SNIPS, anche se solo meno dell’un percento hanno significato biologico. Questo significato biologico puo’ venire dalla sostituzione di un aminoacido nella proteina o da alterazioni nell’espressione della proteina dovute a SNIPS nella regione del promoter.

La risposta al farmaco Farmacocinetica Farmacodinamica Assorbimento Distribuzione Metabolismo Escrezione (ADME) Farmacodinamica “drug target” Per capire la base genetica della variabilita’ della risposta ai farmaci, bisogna in primo luogo considerare i mecchanismi farmacologici che determinano la risposta di ognuno di noi ad un farmaco. La prima serie di meccanismi sono quelli dettati dalla farmacocinetica che determinano la disponibilita’ del farmaco nel suo sito di azione (biodisponibilita’). Quando per esempio ingestiamo una medicina, il farmaco viene assorbito nel piccolo intestino, rilasciato nel circolo portale e disperso in tutto il corpo mediante il circolo sistemico. Il farmaco viene poi trasformato dal fegato nei suoi metaboliti ed infine eliminato per mezzo della bile o dal rene per mezzo dell’urina. Cosi’, la concentrazione di un dato farmaco nel suo sito di azione e’ determinata da assorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione (ADME). La seconda serie di meccanismi sono quelli detttati dalla farmacodinamica che si riferiscono al sito specifico di azione in cui il farmaco ha il suo effetto biologico. I farmaci possono interagire (in questa sede) con recettori o canali ionici sulla superficie della cellula oppure possono essere trasportati all’interno della stessa ed interagire con enzimi intracellulari o proteine regolatrici.

Geni che influenzano la risposta al farmaco Geni codificanti per proteine coinvolte nella: Farmacocinetica: biodisponibilità del farmaco Trasportatori (drug transporters) Enzimi del metabolismo 2) Farmacodinamica: drug target / bersaglio terapeutico del farmaco Recettori Canali ionici Enzimi Proteine regolatrici Quali sono dunque I geni che influenzano la risposta ad un dato farmaco? La prima classe sono I geni codificanti per le proteine coinvolte nella biodisponibilità del farmaco, cioe nella farmacocinetica, e include trasportatori e gli enzimi del metabolismo. La seconda classe son I geni codificanti per il bersaglio terapeutico del farmaco, cioe la farmacodinamica, e include recettori, canali ionici, enzimi e proteine regolatrice.

Biotrasformazione epatica Polimorfismi degli enzimi responsabili del metabolismo dei farmaci Biotrasformazione epatica Meccanismo principale per la regolazione della concentrazione del farmaco Trasforma composti lipofilici in metaboliti più idrosolubili e facilmente eliminabili con l’urina Adesso discuteremo i polimorfismi degli enzimi responsabili del metabolismo dei farmaci. Prima rivedremo in modo generale I meccanismi del polimorfismo metabolico, poi discuteremo un esempio specifico, quello del citocromo p450 La biotransformazione epatica e’ il meccanismo principale per la regolazione della concentrazione del farmaco nell’ organismo e quindi nel suo sito di azione I farmaci sono in generale composti lipofilici cosa che facilita il loro trasporto attraverso le membrane cellulari. Questa proprieta’ pero’ li rende anche difficili da eliminare perche’ vengono riassorbiti dai tubuli renali (mostrati a destra nella figura) Gli enzimi del metabolismo epatico trasformano composti lipofilici in metaboliti piu idrosolubili che possono essere eliminati piu facilmente nel’urina (illustrato a sinistra nella figura).

Metabolismo del farmaco nel fegato Reazioni di fase I Trasformazione dei gruppi funzionali della molecola: Ossidazioni, riduzioni ed idrolisi Reazioni di fase II Coniugazione con sostanze endogene per la formazione di composti inattivi: Solfatazione, acetilazione, metilazione Il metabolismo del farmaco nel fegato e diviso in due componenti, reazioni di fase I, e reazioni di fase II. Le reazioni di fase I trasformano i gruppi funzionali della molecole, e includono ossidazioni, riduzioni ed idrolisi. Queste reazione sono eseguite dalle reazione di fase II, che mediano la coniugazione con sostanze endogene come la solfatazione, acetilazione e metilazione. Di solito, il metabolismo epatico risulta nella formazione di composti che sono farmacologicamente inattivi e che poi sono escrete. Pero’, la biotrasformazione epatica puo servire in certi casi per attivare un farmaco. Un esempio e’ la codeina, che di per se e’ inattiva ma viene trasformata in morfina dal citocromo P450.

Polymorphisms of phase I enzymes CYP2D6 25% of prescribed drugs CYP2C19 Diazepam, imipramine (antidepressants) Omeprazole (gastric ulcers) CYP2C9 Phenytoin (antiepileptic) Warfarin (anticoagulant) Glipizide (hypoglycemic/diabetes) Nell’uomo ci sono almeno 30 famiglie di enzimi che metabolizzano farmaci e quasi tutte hanno polimorfismi. Questa figura illustra gli enzimi responsabili per le reazzioni di fase 1 . Le dimensioni di ogni spicchio corrispondono alla percentuale dell’attivita’ metabolica totale mediata da ogni enzima. Gli spicchi che escono fuori del diagramma correspondono a enzimi con polimorfismi che hanno consequense cliniche per la risposta al farmaco. Guardando gli enzimi di fase 1, si vede che piu di tre quarti fanno parte della famiglia di citocromo P450, e sono indicate con CYP. Ci son almeno 30 isoformi suddivise in famiglie e sottofamiglie in base alla somiglianza strutturale nella seguenza aminoacidica. Tra questi ci sono alcuni isoformi con polimorfismi identificati che hanno una conseguenza clinica, come il citocromo il 2D6, il 2C19 e il 2C9. Phase I: CYP2D6: metabolizes 25% of prescribed medicines CYP2C19: metabolizes antidepressants (diazepam, imipramine), omeprozol (gastric ulcers) CYP2C9: metabolizes phenytoin (antiepilectic), warfarin (anticoagulante), glipizide (hypoglycemic for diabetes) CYP = famiglia del citocromo P450

Polymorphisms of phase II enzymes NAT2 (N-acetyltransferase) Sulfonamides (bacterial infections) Caffeine Tobacco carcinogens (cancer risk) COMT (Catechol-O-methyltransferase) Catecholamines (adrenaline, noradrenaline, dopamine) TMPT (thiopurine methyltransferase) Anticancer drugs to treat acute lymhoblastic leukemia) UGT (UDP glucuronosiltransferase) Cancerogeni ambientali Phase II: NAT2 N-acetyltransferase: sulfonamides (for bacterial infections), caffeine tobacco carcinogens (increases risk of cancer) COMT Catechol-o-Methyltransferase : catecholamines (noradrenaline, adrenaline, dopamine) TMPT Thiopurine Methyltransferase: anti-cancer drugs (6-mercaptopurine and thioguanine) used to treat acute lymphoblastic leukemia UGT: UDP glucuronosiltransferase environmental carcinogens

Polimorfismo Metabolico Cambiamento nella concentrazione ed emivita del farmaco nel sangue 100 normal metabolism time Drug concentration  drug concentration adverse effects therapeutic efficacy Gli effetti diversificati (personalizzati) della biotrasformazione sono tali per cui se paragonati a quelli esemplificati nel diagramma di mezzo (il farmaco subisce una trasformazione che comporta la eliminazione del farmaco secondo una certa dinamica temporale), nel caso di sinistra la biotrasformazione (metabolismo) del farmaco è ridotta rispetto al controllo di mezzo, e per questo il farmaco persiste nell’ospite per un tempo maggiore e a concentrazioni superiori, comportando un aumento degli effetti indesiderati, mentre nel caso di destra per effetto di un metabolismo più radicale, il farmaco è trattenuto per meno tempo a scapito della sua efficacia terapeutica

Citocromo p450 CYP2D6 Responsabile per il metabolismo del 25-30% dei farmaci Beta-bloccanti (propranololo, metoprololo) Antiaritmici (nimodipina) Antidepressivi triciclici (imipramina, fluossetina) Neurolettici (aloperodolo) Antitussivi (destrometorfano) Narcotici (codeina) Adesso discuto I polimorfismi di una isoforma del citocroma P450, cioe il 2D6. Questo citocromo e’ forse il piu’ studiato tra tutti gli enzimi del metabolismo dei farmaci. E’ responsabile per il metabolismo di circa il 25-30% dei farmaci attualmente prescritti nei paesi occidentali. Tra I farmaci metabolizzati dal citocromo 2D6 ci sono: beta-bloccanti, come propranololo e metoprololo, antiaritmici, come nimodipina, antidepressivi triciclici, come imipramina e fluossetina neurolettici come aloperodolo, antitussivi, come destrometorfano e narcotici, come codeina.

Distribuizione polimorfica dell’attività di CYP2D6 in vivo In vivo metabolic ratio for sparteine Extensive metabolizer (EM) 65-80% Intermediate metabolizer (IM) 10-15% Poor metabolizer (PM) 5-10% Ultra-rapid metabolizer (UM) 5-10% A recent study by Zanger et al illustrates the relationship between phenotype and genotype. This histogram shows the in vivo metabolic ratio for sparteine in 76 patients, and illustrates the four metabolizer phenotypes: the ultra-rapid on the left of the graph with metabolic ratios less than 0.2, the extensive metabolizers which is the largest group, the intermediate group, and on the right hand side, the poor metabolizers with metabolic ratios greater than 20. Zanger et al. Pharmacogenetics 11: 573-586, 2001

Distribuizione etnica dei fenotipi polimorfici di CYP2D6 Poor metabolizer Europei 5-10 % Africani 2-5 % Orientali <1 % Ultra-rapid metabolizer Scandinavi 1.5 % Spagnoli 7 % Etiopi 20 % La proporzione dei fenotipi del CYP2D6 varia nei diversi gruppi etnici come ci si aspetta nel caso dei polimorfismi. I Poor metabolizers sono piu’ comuni tra gli idividui di origine europea (5-10%), sono meno frequenti negli africani (2-5%) e sono rari negli idividui dell’estremo oriente (<1%) La distribuzione del fenotipo di metabolizzatore ultrarapido e’ diversa. Gli Ultrarapid metabolizers sono rari tra gli scandinavi (1.5%) ma frequenti tra gli etiopi (20%)

CYP2D6 gene locus 22q13.1 2 pseudogenes > 75 allelic CYP2D6 variants SNPs Deletions / additions Tandem repeats Gene deletion Gene duplication (up to 13 copies) Il gene CYPD26 e’ quello con maggiore varibilita’ nella famiglia del citocromo p450. Sono state descritte piu’ di 75 varianti allelicahe. Molte di queste (varianti) sono SNIPS. Sono anche descritte altri tipi di varianti, comprese delezioni o addizioni di singole basi, delezioni del gene o duplicazioni di tutto il gene fino a 13 volte

Concentrazioni medie plasmatiche di nortryptiline (antidepressivo triciclico) dopo somministrazione di una dose orale in pazienti con 0, 1, 2, 3, o 13 copie funzionali del gene CYP2D6 I cambiamenti nell’attivita’ enzimatica associati con i polimorfismi di 2D6 producono differenze nella concentrazione dei vari farmaci nel sangue. Questa figura fa vedere le concentrazioni plasmatiche medie di nortriptilina, uno dei substrati di 2D6 dopo una singola dose orale del farmaco in pazienti con 0, 1, 2, 3 or 13 copie funzionali del gene. Gli individui con copie multiple hanno una notevole riduzzione nella concentrazione e nell’emivita del farmaco nel sangue

Effetti farmacologici in pazienti con polimorfismi di CYP2D6 poor ultra-rapid metabolizer metabolizer Antidepressivi triciclici cardiotossicita’ inefficace tachicardia, costipazione, debolezza Antiaritmici parestesie inefficace disturbi visivi vertigine, nausea, vomito, aritmie Quali sono le conseguenze clinice dei polimorfismi di 2D6? Gli antidepressivi triciclici producono una serie di reazioni avverse tra i poor metabolizers. Queste reazioni includono tossicita’ cardiaca, tachicardia, xerostomia, costipazione e debolezza. Gli agenti antiaritmici producono parestesie, disturbi visivi, vertigine, nausea, vomito. In entrambi i casi le reazioni avverese sono il risultato di alti livelli del famaco in circolo dovuti al metabolismo inefficente. Entrambi I tipi di farmaci tendono ad essere inefficaci alla comuni dosi terapeutiche negli ultra-rapid metabolizers giache’ e’ difficile raggiungere concentrazioni adeguate nel sangue. Nel caso della codeina l’efficacia del farmaco e’ capovolta nei due fenotipi. La codeina non e’ efficace tra I poor metabolizers giacche’ non sono capaci di convertirla nel suo metabolita attivo, la morfina. Gli ultra-rapid metabolizers hanno invece una risposta esegerata alla codeina, con euforia e nausea. Codeina inefficace euforia, nausea

Codeine is a prodrug that is activated by CYP2D6

Polimorfismi nei bersagli dei farmaci (“drug targets”) Adesso parleremo dei polimorfismi nei bersagli dei farmaci

Terapia dell’asma e il polimorfismo del recettore adrenergico beta-2 Scarsa risposta a broncodilatatori (agonisti dei recettori beta-2-adrenergici) in 40-70% dei pazienti asmatici In parte dovuta alla desensibilizzazione del paziente al farmaco nel tempo causata dalla riduzione del numero di recettori adrenergici beta-2 presenti sul muscolo liscio delle vie respiratorie Come esempio di polimorfismo in un “drug target” vediamo ora i polimorfismi del recettore adrenergico beta-2 e le sue implicazioni per la terapia dell’asma con agonisti beta-2. Esiste una notevole variabilità individuale nella efficacia e nella durata di azione dei farmaci broncodilatatori (beta adrenergici) tra i pazienti asmatici. In fatti dal 40 al 70% dei pazienti somministrati beta-agonisti hanno una scarsa risposta a questo tipo di farmaco. Parte di questa variabilità è dovuta alla desensibilizzazione del paziente al farmaco nel tempo causata dalla riduzione del numero di recettori beta-2 adrenergici presente sul musculo liscio dalle vie respiratorie.

Polimorfismi del recettore adrenergico beta-2 9 SNPs nella regione codificante del gene 5 silenti 4 con sostituzione aminoacidica in 16, 27, 34 and 164 aa >10 SNPs nella regione 5’ a monte 1 in una sequenza che codifica per BUP (Beta Upstream Peptide; 19 aa) che regola l’espressione del recettore beta-2. Il gene per il recettore adrenergico beta-2 ha 9 SNPs nella regione codificante del gene. Di questi, 5 sono silenti, senza sostituzione aminiacidica e 4 risultano in sostituzione di aminoacidici nelle posizioni 16, 27, 34 and 164. Ci sono anche almeno 10 SNPs nella regione 5’ a monte del gene (5’-upstream region). Uno dei 10 si trova in una seguenza (5’-leader cistron) che codifica per un peptide di 19 aminoacidi (chiamato BUP, beta receptor upstream peptide), il quale regola l’espressione del recettore beta-2.

Effetto farmacologico del polimorfismo nella posizione 164 aa (ThrIsoleu) In vitro : Riduzione dell'effetto della adrenalina sulla attivazione della adenilatociclasi dovuta a una ridotta attivazione del recettore beta-2 sul muscolo liscio bronchiale. La rilevanza funzionale degli SNIPS del recettore beta-2 e’ stata analizzata in vitro esprimendo il recettore polimorfo in cellule che normalmente non hanno questi recettori. Le proprieta’ biologiche e farmacologiche sono poi state studiate in dettaglio in queste cellule transfettate. Con questo modello e’ stato dimostrato che diversi polimorfismi alterano la funzione del recettore beta-2. Prima esaminiamo gli effeti del polimorfismo all’aminoacido 164 (wild type treonina, recettore polimorfico isoleucina). Il grafico fa vedere l’effetto dell’adrenalina sull’attivita’ dell’adenilatociclasi in cellule che esprimono il recettore wild type (tondini bianchi) ed in quelle che esprimono la variante (tondini neri). L’adenilato ciclasi media gli effetti biologici del recettore beta-2 e l’azione broncodilatatrice. Il grafico fa vedere una ridotta attivazione del recettore nelle cellule con la variante 164. L’espressione di questa variante nel muscolo liscio bronchiale in vivo dovrebbe percio’ essere associata a ridotta bronocodilatazione Green (1993) J Biol Chem 268 23116-23121.

Effetto farmacologico del polimorfismo nella posizione 16 aa (Arg Gly) In vitro : Desensibilizzazione del recettore b-2 conseguente alla esposizione prolungata al b-adrenergico Adesso esaminiamo il polimorfismo dell’a.a. 16 (arginina nel wild type, glicina nella variante). Esposizione prolungata del recettore al suo agonista risulta in una riduzione del numero di recettori sulla membrana cellulare (il processo viene chiamato desensibilizzazione).I recettori b2 adrenergici sono particolarmente sensibili a questo processo che infatti nei pazienti risulta in una ridotta durata della broncodilatazione. Infatti la desensibilizzazione del recettore b2 e’ un problema per le compagnie farmaceutiche che hanno difficolta’ ha produrre farmaci broncodilatatori con una durata d’azione sufficientemente lunga in tutti I pazienti. Infatti, fenomeni di desensibilizzazione sono probabilmente la causa della mancata risposta di alcuni pazienti ai bronocodilatatori b2 agonisti. Il grafico mostra l’effetto del polimorfismo a.a.16 sul fenomeno della desensibilizzazione in vitro con lo stesso approccio di prima. Il numero di recettori b2 e’ stato misurato su cellule dopo esposizione prolungata (24 ore) all’agonista b2 isoprenalina. Cellule che esprimono il recettore wild type hanno una riduzione del numero di recettori b2 dell 77%. Cellule con la variante a.a.16 hanno una riduzione dei recettori ancora maggiore (96%), indicando un grado maggiore di desinsibilizzazione del recettore beta-2 conseguente alla esposizione prolungata al beta adrenergico Questa e’ una possibile causa della ridotta efficacia dei beta-adrenergici nei pazienti con asma trattati per lunghi periodi con broncodilatatori b2 adrenergici. Liggett (2000) Am J Respir Crit Care Med 161 S197-S201.

Effetto farmacologico del polimorfismo del peptide regolatore BUP In vitro : aumento nel numero di recettori adrenergici b-2 Polimorfismo con effetto benefico Qual’e l’effetto del polimorfismo del peptide BUP che regola il livello di espressione del recettore beta-2? Sostituzione dell’ a.a. in posizione 19 del peptide BUP risulta in un aumento nel numero di recettori beta-2 sulla superficie dell cellule in vitro. In vivo un aumento del numero dei recettori dovrebbe produrre un’aumento parallelo della broncodilatazione causata da beta-2 agonisti. Dunque, questo polimorfismo sarebbe un polimorfismo beneficiale. McGraw (1998) J Clin Invest 102: 1927-1932.

predittivi della risposta broncodilatatoria Effetti farmacologici dei polimorfismi del recettore adrenergico beta-2 In vitro Alterazioni nella espressione ed funzione del recettore In vivo Studi clinici non dimostrano una chiara associazione tra SNPs individuali e la risposta broncodilatatoria aplotipi di SNPs sono predittivi della risposta broncodilatatoria Quindi, questi studi, ed altri, hanno dimostrato che i polimorfismi causano variabilita’ nella funzione e nell’espressione del recettore beta-2 in vitro. La domanda critica e’ se c’e’ in vivo una solida correlazione tra questi polimorfismi e la risposta broncodilatatrice nei pazienti. Molti studi clinici hanno cercato di trovare una risposta ma non hanno potuto dimostrare una chiara associazione tra SNPs individuali e la risposta broncodilatatoria. Invece, quello che e’ veramente importante per predire la risposta dei pazienti e’ l’interazioni di vari SNIPS in un aplotipo.

Aplotipo Insieme di polimorfismi a due o più loci strettamente associati su un cromosoma, generalmente ereditati come un’unità.

Identificazione degli aplotipi per il recettore adrenergico beta-2 L’importanza degli aplotipi degli SNIPS del recettore beta-2 e’ stata dimostrata recentemente in un lavoro di Drysdale. Questi scienziati hanno caratterizzato tredici SNIPS localizzati nelle regioni codificanti e del promoter del recettore adrenergico beta-2. I 13 SNIPS sono aggregati in 12 aplotipi diffusi nella popolazione, sia di pazienti asmatici che in individui normali. La composizione degli aplotipi e’ illustrata nella tabella. Quattro degli SNIPS rilevanti dal punto di vista funzionale ed analizzati in precedenza (frecce rosse) sono parte di questi aplotipi con valore predittivo nella risposta farmacologica ai beta-2 agonisti Drysdale (2001) PNAS 97: 10483-10488.

Distribuizione etnica degli aplotipi per il recettore adrenergico beta-2 Population: USA Ca = Caucasian A-A =African-American As =Asian H-L =Hispanic Latino Drysdale (2001) PNAS 97: 10483-10488.

Gli aplotipi determinano la risposta broncodilatatrice dei beta agonisti (aumento del volume espiratorio forzato) Dopo aver identificato gli aplotipi, Drysdale e colleghi hanno caratterizzato il valore predittico degli aplotipi nella risposta all’ albuterolo, uno dei preincipali farmaci beta-2 agonisti. La risposta broncodilatatrice e’ stata misurata come aumento del volume espiratorio forzato (Forced expiratory volume) FEV1 (asse Y). La risposta brocodilatatoria all’albuterolo varia con l’ aplotipo (ma non e’ correlata con nessuno degli SNIPS presi singolarmente). I risultati di questo studio seminale per la disciplina dimostrano che sono le particolari interazioni di vari SNIPS all’interno di un aplotipo a determinare il fenotipo biologico e la risposta farmacologica. Drysdale (2001) PNAS 97: 10483-10488.

Complessità poligenica La risposta al farmaco non è un tratto monogenico Drug disposition genotype target + = % therapeutic effect % toxicity Fino ad adesso abbiamo visto esempi di come la risposta a farmaci varia a seconda dei polimorfismi di degli enzimi che metabolizzano i farmaci o delle proteine bersaglio del farmacao (“drug target”). Bisogna pero’ tenere presente che la risposta ad un farmaco non è un tratto monogenico, ma risultata dell’ interazione di vari geni e di multiple percorsi. Nel caso piu’ semplice, la selezione di una terapia appropriata in un dato paziente, deve tenere presente il genotipo degli enzimi metabolizanti il farmaco ed anche il genotipo del bersaglio farmacologico. Questo allo scopo di ottenere il risultato desiderato della massima efficacia col minimo della tossicita’

Il potenziale della farmacogenomica Medicina predittiva e terapia personalizzata Qual e l’impatto della farmacogenomica sul trattamento farmacologico del futuro? Il potenziale della farmacogenomica e’ nell’identificare pazienti con la stessa diagnosi che pero’ sono geneticamente diversi riguardo alla loro risposta ai farmaci in termini di efficacia e reazioni avverse. Pazienti con un profilo farmacogenetico sfavorevole dovranno essere trattati con farmaci alternativi o con dosi diverse. Individui con un profilo farmacogenetico compatibile con una risposta favorevole potranno essere trattati con farmaci e dosi convenzionale “Il farmaco giusto alla dose giusta per il paziente giusto”

References Weinshilboum R. Inheritance and drug response. N Engl J Med 248: 529-537, 2003. Evans WE and McLeod HL. Pharmacogenomics – Drug disposition, drug targets, and side effects. N Eng J Med 348: 538-549, 2003. Roden DM and Geroge AL. The genetic basis of variability in drug responses. Nature Reviews Drug Discovery 1: 37-44, 2002. Evans WE and Johnson JA. Pharmacogenomics: The inherited basis for interindividual differences in drug response. Annu Rev Hum Genet 2: 9-39, 2001.