Farmakogenomika v zdravljenju astme Pharmacogenomics in asthma treatment Vojko Berce, Uroš Potocnik Povzetek Med posamezniki obstajajo velike razlike v uœinku protiastmatiœne terapije, ki so pogojene predvsem z razliœnim genetskim zapisom. Namen farmakogenomike je poiskati tiste polimorfizme, ki so povezani z vsemi uœinki doloœenega zdravila. Farmakogenomika pri astmi zaenkrat prouœuje predvsem vpliv genov, ki kodirajo receptorje za zdravila, komponente postreceptorske signalne transdukcije in transkripcijske dejavnike. Najveœ raziskav je bilo narejenih na podroœju farmakogenomike beta2 agonistov. Mutacija Arg/Arg na mestu 16 gena ADRB2, ter mutacije v genih LTC4S, ALOX5 in CRHR1 spremenijo odziv na protiastmatiœno terapijo. Cilj farmakogenomike astme pa je poiskati œimbolj uœinkovito protiastmatiœno zdravilo z œimmanj stranskimi uœinki individualno za vsakega posameznika na podlagi njegovega genotipa. Kljuœne besede: farmakogenomika, astma, polimorfizmi Abstract: There are substantial differences in the effect of antiasthmatic therapy between individuals which are dependent on the diversity of the genetic code. The purpose of pharmacogenomics is to find out those polymorphisms, which are connected with all effects of certain drug. For now the pharmacogenomics of asthma above all study the influence of the genes which code for drug receptors, signal transduction components and transcription factors. Most studies were done in the field of pharmacogenomics of beta2 agonists. Gene mutations that are known to alter the response to asthma therapy include Arg/Arg at position 16 in ADRB2 gene, mutations of LTC4S and ALOX5 and CRHR1 variants. The goal of pharmacogenomics is to find out most efficient drug without adverse side effects individually suited for each patient on basis of his genotype. Key words: pharmacogenomics, asthma, polymorphisms 1 Uvod Pri zdravljenju astme obstajajo velike razlike v odzivu na terapijo, ki so pogojene tudi z razlikami v genetskem zapisu med zdravljenimi osebami – polimorfizmi. Polimorfizmi posameznega nukleotida (single nucleotide polymorphism – SNP) so najpogostejøa oblika polimorfizmov v naøem genomu (1). Farmakogenomika preuœuje odnos med genotipom in odzivom na terapijo. Namen farmakogenomike je poiskati tiste polimorfizme v naøem genomu, ki so povezani z vsemi uœinki terapije. Cilj farmakogenomike je stratifikacija bolnikov glede predvidenega odziva na terapijo in stranskih uœinkov terapije. Zaenkrat se praktiœno vse farmakogenomske øtudije pri astmi ukvarjajo s podroœjem farmakodinamike in ugotavljajo vpliv genetskega zapisa za receptor ali druge beljakovine, ki sodelujejo v poti delovanja zdravila na sam uœinek zdravila (2). V etiopatogenezo astme in v odziv na terapijo se poleg genetskih dejavnikov vpletajo tudi øtevilne druge lastnosti posameznika in vplivi okolja. Komponenta te kompleksnosti je tudi zelo variabilen odziv na terapijo. Verjetno pa vpliv genetskega zapisa predstavlja kar okrog 80% celokupne variabilnosti v odzivu na protiastmatiœno terapijo med posamezniki. Kljub temu s pomoœjo farmakogenomike zaenkrat øe ne moremo celovito predvideti odziva na protiastmatiœno terapijo (3). Pri zdravljenju astme uporabljamo veœ skupin zdravil: • Agoniste beta2 adrenergiœnih receptorjev (b agonisti), ki delujejo kot bronhodilatatorji • Glukokortikoide, ki delujejo protivnetno in jih lahko apliciramo neposredno v dihala ali sistemsko • Inhibitorje sinteze ali delovanja cisteinil levkotrienov • Zdravila, ki jih pri nas redko uporabljamo za zdravljenje astme in za katere obstaja malo farmakogenomskih podatkov (teofilin, nedokromil). Za prve tri skupine zdravil æe obstajajo relevantne farmakogenomske øtudije. Kandidatni geni pri farmakogenomiki astme so predvsem tisti, ki kodirajo receptorje za zdravila, komponente postreceptorske signalne transdukcije in transkripcijske dejavnike. Upoøtevati pa moramo tudi gene, ki sodelujejo v metabolizmu tarœ posameznega zdravila (2). Najpomembnejøi kandidatni geni pri farmakogenomiki astme in njihovi polimorfizmi so prikazani v preglednici 1. Vojko Berce, dr. med., Splošna bolnišnica Murska Sobota, Otroški oddelek, Ul. Prim. Vrbnjaka 6 Rakican, 9000 Murska Sobota doc. dr. Uroš Potocnik, univ. dipl. kern., Univerza v Mariboru, Medicinska fakulteta, Center za humano genetiko in farmakogenomiko, Slomškov trg 15a, 2000 Maribor farm vestn 2008; 59 303 Pregledni znanstveni œlanki - Review Scientific Articles Preglednica 1: Kandidatni geni in polimorfizmi pri farmakogenomiki astme Table 1: Candidate genes and polymorphisms in the pharmacogenomics of asthma BELJAKOVINA GEN GENOTIP ZDRAVILO POMEN Beta2 adrenergiœni ADRB2 16 Arg/Arg Kratkodelujoœi Boljøi akutni uœinek zdravila (6) receptor beta2 agonisti Veœ poslabøanj astme in tahifilaksija ob dolgotrajni uporabi (7, 8) Dolgodelujoœi Brez uœinka tudi v kombinaciji beta2 agonisti s steroidi (8) Adenilil ciklaza 9 ADCY9 772 Met/Met Beta2 agonisti Moœnejøi bronhodilatacijski uœinek in steroidi ob hkratni uporabi steroidov (11) 5-lipooksigenaza ALOX5 Mikrosatelit Antagonisti Dober protivnetni uœinek (15) (GGGCGG)5 levkotrienskih receptorjev Levkotrien C4 sintaza LTC4S -444 C/C Antagonisti Dober protivnetni uœinek (16) levkotrienskih receptorjev CRH receptor CRHR1 rs242941 Glukokortikoidi Protivnetni uœinek (18) CRHR2 rs7793837 Beta2 agonisti Bronhodilatacijski uœinek (12) 2.1 Farmakogenomika agonistov beta2 adrenergiœnih receptorjev pri astmi Agonisti beta2 adrenergiœnih receptorjev delujejo preko beta2 adrenergiœnega receptorja (beta2AR), ki je povrøinski celiœni receptor zdruæen s proteinom G (slika 1). Najveœ øtudij obstaja za vpliv polimorfizma Arg16Gly na uœinek beta2 agonistov. Varianta Gly16 je vsaj “in vitro” povezana z zmanjøano aktivnostjo beta2AR (4, 5). V farmakogenomski øtudiji, ki je zajela 255 bolnikov z blago astmo pa paradoksalno ugotavljajo zmanjøano aktivnost beta2AR in tahifilaksijo po nekajtedenski redni uporabi beta2 agonistov samo pri genotipu Arg/Arg na aminokislinskem mestu 16 v genu za beta2AR. Pri astmatikih s takim genotipom je po koncu obdobja stalne uporabe beta2 agonistov priølo tudi do pogostejøih poslabøanj astme. Ligettov dinamiœni model kinetike receptorjev zato predpostavlja, da imajo homozigoti Gly/Gly æe pred uporabo eksogenih beta2 agonistov zmanjøano aktivnost beta2AR. Genotip Gly/Gly je povezan z veœjo »obœutljivostjo« receptorja, katerega aktivnost zavirajo æe endogeni kateholamini in zato do dodatnega padca aktivnosti ter tahifilaksije po redni uporabi beta2 agonistov ne pride. Pri osebah z genotipom Arg/Arg pa je beta2AR manj obœutljiv na endogene kateholamine in do zmanjøanja aktivnosti receptorjev pride øele po dolgotrajni vsakodnevni uporabi beta2 agonistov. V skladu s temi domnevami je tudi ugotovitev, da ob enkratni uporabi beta2 agonistov (bronhodilatacijski test) FEV1 pri astmatikih in neastmatikih bolj poraste pri genotipu Arg/Arg (6). Nekatere øtudije kaæejo, da tudi dolgotrajna uporaba dolgo delujoœih beta2 agonistov z vidika pojava rezistence na beta2 agoniste bolj økodi astmatikom z genotipom Arg/Arg (7, 8). Vendar so si rezultati øtudij o vplivu genotipa na uœinek dolgodelujoœih beta2 agonistov nasprotujoœi. Novejøe øtudije tega vpliva ne potrjujejo (9). Nekatere øtudije ugotavljajo tudi vpliv SNP na aminokislinskem mestu 27 (Glu27Gln), vendar je uœinek tega SNP, ki se pogosto deduje vezano z SNP Arg16Gly, veliko manj pomemben (10). SNP Arg16Gly je edini izmed polimorfizov na podroœju farmakogenomike astme za katerega æe sedaj obstaja dovolj dokazov o vplivu, ki bi ga lahko upoøtevali (morali upoøtevati?) pri naœrtovanju terapije v kliniœni praksi. Posamezen SNP ali haplotip v enem genu ne more docela pojasniti velikih razlik v odzivu na terapijo z beta2 agonisti. Verjetno bi enigmo farmakogenomike beta2 agonistov laæje razreøili, œe bi hkrati analizirali øe vpliv polimorfizmov v signalni kaskadi postreceptorskega delovanja agonistov beta2 adrenergiœnih receptorjev in polimorfizmov v genih za proteine, ki sodelujejo pri konstrikciji/relaksaciji gladkih miøic (8). Eden takih polimorfizmov je SNP Met772Ile v genu za adenilil ciklazo tipa 9. Ta encim sodeluje pri signalni transdukciji beta2 agonistov. Aktivira ga protein Gs, ki je pridruæen beta2AR. Alel Met 772 ojaœa signalno transdukcijo in s tem uœinek beta2 agonistov, vendar samo ob hkratni terapiji s glukokortikoidi. Verjetno obstaja tudi interakcija med polimorfizmi v genu za beta2AR, polimorfizmom Met772Ile v genu za adenilil ciklazo 9 in uporabo glukokortikoidov pri vplivu na uœinek beta2 agonistov (11). Slika 1: Beta2 adrenergiœni receptor in nekateri pomembni polimorfizmi Figure 1: Beta2 adrenergic receptor and some important polymorphisms 304 farm vestn 2008; 59 Na 5' koncu gena, ki kodira receptor za CRH (corticotrophin releasing hormone receptor - CRHR2) je pet polimorfizmov, ki v razliœnih øtudijah kaæejo vpliv na odziv na terapijo z beta2 agonisti. Za polimorfizem rs7793837 ugotavljajo vpliv pri razliœnih populacijah (12). Na podroœju farmakogenomike beta2 agonistov pri astmi ostajajo øtevilna odprta vpraøanja. Prouœiti je potrebno vpliv genotipa na pojav nekaterih neæelenih uœinkov beta2 agonistov (predvsem na kardiovaskularni sistem). Z ozirom na øiroko uporabo dolgodelujoœih agonistov beta2 adrenergiœnih receptorjev (LABA) je potrebno glede na genotip opredeliti tiste skupine bolnikov, pri katerih lahko dolgotrajna uporaba LABA povzroœi toleranco na kratkodelujoœe beta2 agoniste ali celo poslabøanje astme (13). 2.2 Farmakogenomika zdravil proti levkotrienom Levkotrieni so produkti metabolizma arahidonske kisline. V patogenezi astme je najbolj raziskana vloga cisteinil levkotrienov (LTC4, LTD4 in LTE4) ter LTB4. Encim 5-lipooksigenaza (5-LO oziroma ALOX5) je vpleten v sintezo vseh bronhokonstriktornih levkotrienov. Inhibitorji encima 5-LO in antagonisti receptorjev za cisteinil levkotriene se uporabljajo za zdravljenje astme (14). Pot sinteze levkotrienov prikazuje slika 2. Promotor gena za 5-LO vsebuje øtevilna vezavna mesta za transkripcijske faktorje. Vezavno mesto za transkripcijski dejavnik Sp-1, ki se nahaja 100 baznih parov pred kodonom start je visoko polimorfno mikrosatelitno mesto s 3 do 6 ponovitvami sekvence øestih baznih parov. Veœina belcev in afro-ameriœanov ima na tem lokusu 5 ponovitev sekvence – divji tip. Pri kateremkoli drugem øtevilu ponovitev je zmanjøana ekspresija gena za 5-LO in s tem sinteza najpomembnejøih levkotrienov. Astmatiki, ki nimajo divjega tipa alela s petimi ponovitvami, so manj dovzetni za delovanje protilevkotrienskih zdravil, ker pri njihovi astmi levkotrieni nimajo pomembnejøe vloge. Tak genotip ima okrog 6 % astmatikov in ti Slika 2: Pot sinteze levkotrienov (povzeto po 14, 15, 16) Picture 2: Leukotriene synthesis pathway (summarised from 14, 15, 16) bolniki so dejansko neodzivni na zdravljenje z inhibitorji 5-LO. Tudi ob terapiji z zafirlukastom - antagonistom levkotrienskih receptorjev, ugotavljajo uœinek samo pri tistih astmatikih, ki imajo vsaj eno kopijo divjega tipa na vezavnem mestu za Sp-1 (15). Encim LTC4 sintaza sodeluje pri spajanju glutationa z osnovnim skeletom arahidonske kisline. Polimorfizem na nukleotidnem mestu A-444C v promotorju gena za LTC4 sintazo vpliva na sintezo vseh cisteinil levkotrienov. Alel 444C omogoœi funkcionalno vezavno mesto za aktivatorski protein. Astmatiki s 444C varianto imajo poveœano sintezo cisteinil levkotrienov in boljøi odziv na zafirlukast. Tudi padec vrednosti duøikovega monoksida (NO) po terapiji z montelukastom je izrazitejøi pri homozigotih C/C ali heterozigotih A/C na tem lokusu v primerjavi z genotipom A/A (16). Domnevamo lahko, da imajo astmatiki z doloœenimi precej pogostimi polimorfizmi bodisi v genu za 5-LO ali za LTC4 sintazo manj ugoden odziv na protilevkotrienska zdravila. Øtudij, ki bi preuœevale uœinek kombinacije teh polimorfizmov pa zaenkrat øe ni. Prav tako ni øtudij, ki bi pojasnile morebitni vpliv genotipa na pojav neæelenih stranskih uœinkov zdravil proti levkotrienom. Nekaj odstotkov astmatikov, ki prejemajo inhibitorje 5-LO ima poviøane aminotransferaze in verjetno je tudi ta pojav genetsko pogojen (17). 2.3 Farmakogenomika glukokortikoidov pri astmi Razlika v odzivu na inhalacijske kortikosteroide med posamezniki je ponovljiva, zato domnevamo, da zanjo obstaja genetska podlaga. Nekatere øtudije ugotavljajo, da pri petini astmatikov pride celo do poslabøanja pljuœne funkcije po nekajtedenski uporabi inhalacijskih kortikosteroidov. Pri veœ kot 30% astmatikov pa steroidi nimajo pomembnejøega uœinka (1, 18). Asociacijska øtudija, ki jo je leta 2004 objavil Tantisira s sodelavci je poizkuøala povezati øtevilne polimorfizme v genih, ki kodirajo beljakovine vpletene v sintezo in delovanje steroidnih hormonov na eni strani in uœinek terapije z inhalacijskimi kortikosteroidi na drugi. V øtudiji ugotavljajo vpliv nekaterih polimorfizmov v genu, ki kodira receptor za CRH (corticotrophin releasing hormone) – CRHR1. Domnevajo, da ima receptor CRHR1 pomembno vlogo pri regulaciji endogene sinteze steroidnih hormonov. Vpliv na uœinek terapije kaæe tudi kombinacija alelov v genu za CRHR1 zdruæena v t.i. haplotip GAT. Ta haplotip ima okrog 27% ljudi. Verjetno pa so analizirani polimorfizmi samo v neravnoteæju vezave z odseki gena, ki dejansko vplivajo na terapevtski odziv (19). Podobno kot pri levkotrienih je tudi pri steroidih uœinek terapije lahko vezan na aktivnost doloœene poti sinteze ali delovanja vnetnih mediatorjev na katere zdravilo uœinkuje. Ugotavljajo, da je protiastmatiœni uœinek inhalacijskih steroidov vezan na razliœen vpliv nekaterih interlevkinov (IL-13) in receptorjev zanje (IL-4R) pri doloœenih podskupinah astmatikov. Pri astmatikih z veœjo vlogo teh beljakovin je tudi uœinek steroidov izrazitejøi (20). Tudi polimorfizem v genu TBX21, ki kodira transkripcijski dejavnik T-bet je povezan z uœinkom steroidov pri astmi, vendar je deleæ astmatikov z redkejøim (minor) alelom zelo majhen in je temu ustrezen tudi sploøni pomen tega polimorfizma za terapijo astme v celoti (21). farm vestn 2008; 59 305 Pregledni znanstveni œlanki - Review Scientific Articles Neodzivnost na zdravljenje z glukokortikoidi je verjetno posredovana tudi z glukokortikoidnim receptorjem (GR). GR se nahaja v citosolu, po vezavi z ligandom pa se receptor aktivira in pride do translokacije kompleksa v jedro. GR v jedru aktivira prepisovanje genov za protivnetne beljakovine. Hkrati pa GR v jedru inhibira nekatere transkripcijske dejavnike, ki spodbujajo prepisovanje genov za provnetne beljakovine. Obstajata dve obliki GR, kar je posledica alternativnega izrezovanja intronov. Pogostejøa oblika GRa deluje protivnetno. GRb pa nima uœinka, a zasede vezavna mesta za GR in na ta naœin deluje dominantno negativno. Pri astmatikih, ki niso odzivni na steroide ugotavljajo poveœano razmerje med mRNA za GRb in mRNA za GRa v limfocitih periferne krvi (22, 23). Verjetno imajo tudi nekateri stranski uœinki, ki se lahko pojavijo ob terapiji s sistemskimi (osteoporoza) ali inhalacijskimi (katarakta, glavkom) glukokortikoidi svoj vzrok v genetskem zapisu (2). 3 Zakljuœek Cilj farmakogenomike je predvideti terapevtski odziv in morebitne neæelene uœinke na podlagi predhodnega genetskega testiranja. Pri astmi je vpliv posameznega gena na uœinek terapije pogosto maskiran z genskimi interakcijami, lastnostmi osebe (starost, spol, rasa) in dejavniki okolja. Ugotovitve farmakogenomskih øtudij pri astmi tako veljajo samo za populacijo iz katere vzorec izhaja. Med dejavniki okolja je predvsem kajenje tisto, ki lahko modificira vpliv polimorfizmov, kar ugotavljamo tudi v primeru beta2 AR. V celoti gledano pa je vpliv genetskega zapisa na uœinek terapije prevladujoœ in pomembnejøi od ostalih vplivov. Podatki pridobljeni s farmakogenomskimi øtudijami bodo prispevali k individualizaciji protiastmatiœne terapije. Tako bomo lahko na podlagi predhodnega genetskega testiranja posamezno zdravilo usmerili k tistim ciljnim skupinam astmatikov, kjer priœakujemo ugoden terapevtski odziv. Zdravila pa ne bomo uvajali osebam z genotipom, ki je podlaga za pogostejøe pojavljanje neæelenih uœinkov. Verjetno bomo pri genetskem testiranju uporabili nabor nekaj kljuœnih polimorfizmov, kateri nam bodo pred uvedbo doloœenega zdravila najbolje predvideli njegove koristi in morebitne stranske uœinke. Naloga farmakogenomike je doloœiti te kljuœne polimorfizme. Priœakujemo lahko, da bomo genetsko testiranje pred uvedbo protiastmatiœnih zdravil v naslednjih nekaj letih æe priœeli uporabljati v kliniœni praksi. 4 Literatura 1. Wechsler ME, Israel E. How pharmacogenomics will play a role in the management of asthma. Am J Respir Crit Care Med 2005; 172: 12-18. 2. Palmer LJ, Silverman ES, Drazen JM, Weiss ST. Pharmacogenomics of asthma treatment. In: Licino J, Wong ML. Pharmacogenomics: The search for individualized therapies. Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2002: 215-234. . 3. Palmer LJ, Cookson WOCM. Genomic approaches to understanding asthma. Genome Res 2000; 10: 1280-1287. 4. Ligett SB. The pharmacogenetics of beta2-adrenergic receptors: relevance to asthma. J Allergy Clin Immunol 2000; 105: 487-492. 5. Tan S, Hall IP, Dewar J et al. Association between beta 2-adrenore-ceptor polymorphism and susceptibility to broncodilator desensitiza-tion in moderately severe stable asthmatics. Lancet 1997; 350: 995-999. 6. Drazen MJ, Israel E, Boushey HA et al. Comparison of regularly scheduled with as-needed use of albuterol in mild asthma. Asthma Clinical Research Network. N Engl J Med 1996; 335: 841-847. 7. Taylor DR. Pharmacogenetics of beta2-agonist drugs in asthma. Clin Rev Allergy Immunol 2006; 31: 247-258. 8. Bhatnagar P, Guleria R, Kukreti R. Pharmacogenomics of beta2-ago-nist: key focus on signaling pathways. Pharmacogenomics 2006; 7: 919-933. 9. Bleecker ER, Postma DS, Lawrance RM et al. Effect of ADRB2 polymorphisms on response to longacting beta2-agonist therapy: a phar-macogenetic analysis of two randomised studies. Lancet 2007 22; 370: 2118-2125. 10. Cho SH, Oh SY, Bahn JW et al. Association between bronchodilating response to short-acting beta-agonist and non-synonymous single-nucleotide polymorphisms of beta-adrenoceptor gene. Clin Exp Allergy 2005; 35: 1162-1167. 11. Tantisira KG, Small KM, Litonjua AA et al. Molecular properties and pharmacogenetics of a polymorphism of adenylyl cyclase type 9 in asthma: interaction between beta-agonist and corticosteroid pathways. Hum Mol Genet 2005; 14: 1671-1677. 12. , , et al. Association of corticotropin-releasing hormone receptor-2 genetic variants with acute bronchodilator response in asthma. 2008; 18: 373-382. 13. Kelly HW. Risk versus benefit considerations for the beta(2)-ago-nists. Pharmacotherapy 2006; 26: 164S-174S. 14. Drazen JM, Israel E, O’Byrne PM. Treatment of asthma with drugs modifying the leukotriene pathway. N Engl J Med 1999; 340: 197-206. 15. Drazen JM, Yandava CN, Dube L et al. Pharmacogenetic association between ALOX5 promotor genotype and the response to antiasthma treatment. Nature Genet 1999; 22: 168-170. 16. Lam BK, Austen KF. Leukotriene C-4 synthase – a pivotal enzyme in the biosynthesis of the cysteinyl leukotrienes. Am J Respir Crit Care Med 2000; 161: 16-19. 17. Sanak M, Simon H-U, Szczeklik A. Leukotriene C4 synthase promoter polymorphism and risk of aspirin-induced asthma. Lancet 1997; 350: 1599-1600. 18. . Implications of pharmacogenomics in the current and future treatment of asthma. 2007; 13: 497-505. 19. Tantisira KG, Lake S, Silverman ES et al. Corticosteroid pharmaco-genetics: association of sequence variants in CRHR1 with improved lung function in asthmatics treated with inhaled corticosteroids. Hum Mol Genet 2004; 13: 1353-1359. 20. Szefler SJ. Pediatric asthma: an approach to pharmacogenetics analysis. Chest 2003; 123: 434S-438S. 21. Tantisira KG, Hwang ES, Raby BA et al. TBX21: a functional variant predicts improvement in asthma with the use of inhaled corticos-teroids. Proc Natl Acad Sci USA 2004; 101: 18099-18104. 22. Hamid QA, Wenzel SE, Hauk PJ et al. Increased glucocorticoid receptor beta in airway cells of glucocorticoid – insensitive asthma. Am J Respir Crit Care Med 1999; 159: 1600-1604. 23. Goleva E, Li LB, Eves PT et al. Increased glucocorticoid receptor beta alters steroid response in glucocorticoid – insensitive asthma. Am J Respir Crit Care Med 2006; 173: 607-616. 306 farm vestn 2008; 59