biotechnologia


 
 

Farmakogenetyka

Autor: Katarzyna Nabielec

Termin „farmakogenetyka” zaproponował w 1959 roku dr Friedrich Vogel (Daniel, 2013). To dział nauki z pogranicza genetyki i farmakologii (Wołkow, 2017). W ujęciu medycznym stanowi kierunek badań, koncentrujący się na dziedzicznych uwarunkowaniach odpowiedzi na zastosowane ksenobiotyki i dotyczy wszystkich form życia (Daniel, 2013). Farmakogenetyka zajmuje się uwarunkowaną genetycznie zmiennością reakcji danego organizmu na lek (Bal i Mazurczak, 2013). Umożliwia spersonalizowane leczenie polegające na dobraniu optymalnej dawki leku, zapewniającej maksymalny efekt oraz minimalne skutki uboczne (Olszanecki, 2017). Farmakogenetyka umożliwia również wprowadzenie na rynek leków, które będą skuteczne u pacjenta o określonym genotypie (Wołkow, 2017).

Graham (2004) podaje definicję metabolizmu leku, jako ogół reakcji, którym lek ulega wewnątrz żywego organizmu. Transformacja farmaceutyków to naturalny proces, w którym bierze udział wiele szlaków enzymatycznych oraz białek transportowych. Metabolizm leków ma miejsce we wszystkich tkankach (Kubowicz - Kwaśny, 2016). Podawane doustnie ksenobiotyki przedostają się przez układ pokarmowy, wchłaniają do krwi przez ścianę jelita i wraz z nią trafiają do wątroby, następnie rozchodzą się po całym organizmie (Graham, 2004). Siateczka śródplazmatyczna (ER) komórek wątroby to miejsce, w którym intensywność przemian farmaceutyków jest najwyższa. W narządzie tym, znajduje się największa ilość enzymów metabolicznych. Przemiana leków odbywa się także w płucach, nerkach, skórze, łożysku, mózgu, krwi oraz przewodzie pokarmowym. W skórze na drodze hydrolizy, metabolizowane są środki dermatologiczne stosowane powierzchniowo, które występują w postaci estrów. Etanol i L-dopa (lek stosowany w chorobie Parkinsona) ulegają transformacji w przewodzie pokarmowym, podawany wziewnie do organizmu – cyklezonid (glikokortykosteroid) - w płucach, a remifentanyl (antagonista receptora opioidowego μ) w krwi, przez esterazy. W porównaniu z wątrobą, nerki, płuca oraz jelito cienkie, biorą udział w biotransformacji leków jedynie w 10-20 % (Kubowicz - Kwaśny, 2016). Zadaniem układu metabolicznego jest przekształcenie litofilnych ksenobiotyków w hydrofilne metabolity, łatwo usuwalne z organizmu. Szybkość uwalniania rozpuszczalnych w tłuszczach substratów zależy od tego, jak szybko zostaną one zmetabolizowane w związki polarne. Enzymy biorące udział w biotransformacji są strukturalnie związane z błonami ER (np. glukuronylotransferazy, monoaminooksydazy). Umiejscowione są również w mitochondriach oraz występują jako enzymy rozpuszczalne, obok związanych strukturalnie (np. amidazy, esterazy, sulfotransferazy). Wykazują często niewielką specyficzność substratową. Mogą zatem brać udział w metabolizmie związków, charakteryzujących się różnorodną budową chemiczną. Enzymy metaboliczne zaangażowane są w biotransformację ksenobiotyków, jak również w procesy przemian związków endogennych (np. hormonów steroidowych, hemu, kwasów żółciowych). Oprócz wyżej wymienionych enzymów również flora bakteryjna jelit ma wpływ na biotransformację, szczególnie na procesy hydrolizy i redukcji (Mutschler, 2010). Biotransformacja jest procesem etapowym, podzielonym na trzy fazy.

W fazie I do cząsteczki leku zostaje wprowadzona polarna grupa funkcyjna lub następuje modyfikacja już istniejącej grupy, która powoduje zwiększenie jej polarności (Graham, 2004). Lek w tej fazie może ulegać utlenieniu, redukcji i hydrolizie. Reakcje utleniania są szczególnie ważne w procesie metabolizowania leków. Biorą w nich udział oksygenazy, dioksygenazy i monooksygenazy (Kubowicz - Kwaśny, 2016). Oksydazy odłączają od cząsteczki leku wodór lub elektrony (Mutschler, 2016). Monooksygenazy wbudowują jeden z atomów tlenu w obcy związek, drugi atom ulega redukcji i przy udziale NAD(P)H wytwarza cząsteczkę wody (Kubowicz -Kwaśny, 2016). Dioksygenazy wprowadzają do leku obydwa atomy tlenu (Mutschler, 2016). Największe znaczenie w I fazie biotransformacji leków mają monooksygenazy, o typie cytochromu P450 (CYP450). Substrat L-H wiąże się z trójwartościowym żelazem, znajdującym się w centrum aktywnym CYP450. Żelazo ulega redukcji i wykazuje drugi stopień utlenienia a NADPH ulega utlenieniu. Następuje związanie tlenu cząsteczkowego oraz przyjęcie kolejnego elektronu. W następstwie, powstaje trzeciorzędowy kompleks. Ulega on rozpadowi do hydroksylowanego substratu. Reakcja przebiega następująco:L-H + O2 + NADPH + H+ => L-OH + H2O + NADP+ gdzie, L - lek. Innym rodzajem enzymów, które zaangażowane są w utlenianie leków są monooksygenazy flawinowe (FMO). Pozostałe enzymy utleniające to: oksydaza aldehydowa, dehydrogenaza alkoholowa, i monoaminooksydaza (MAO). Procesy redukcji odgrywają podrzędną rolę w biotransformacji leków, przykładem jest chloramfenikol (lek przeciwbakteryjny), który zostaje częściowo metabolizowany przez nitroreduktazę obecną w wątrobie. Reakcje redukcji dotyczą szczególnie grup nitrylowych oraz azotowych i powodują powstanie odpowiednich amin. Kolejną, ważną reakcją I fazy jest hydroliza zachodząca przy udziale amidazy, epoksydohydratazy, glukuronidazy, glikozydazy i esterazy oraz dekarboksylacja m.in. w przypadku aminokwasów (Kubowicz-Kwaśny, 2016).

Faza II opiera się na reakcjach sprzężenia (koniugacji). Powstała we wcześniejszej fazie, cząsteczka polarna, ulega sprzężeniu z określoną grupą funkcyjną cząsteczki leku (Graham, 2004). W reakcjach koniugacji, biorą udział specyficzne transferazy. Do ważniejszych reakcji II fazy należy sprzęganie z: aktywowanym siarczanem, aktywowanym kwasem glukuronowym, aminokwasami (szczególnie z glicyną), aktywowanym kwasem octowym, oligopeptydami i S-adenozylometioniną. W reakcjach tych (oprócz procesów metylacji i sprzęgania z kwasem octowym), do cząsteczki zostaje wprowadzona grupa kwasowa, która zwiększy jej hydrofilność i rozpuszczalność. Reakcje sprzęgania posiadają charakter dezaktywacji (pozbawiają aktywności biologicznej) oraz detoksykacji, stąd związki powstałe w II fazie, są najczęściej nieczynne biologicznie (Mutschler, 2010). Reakcje koniugacji wymagają dostarczenia energii w postaci ATP (adenozyno 5’-trifosforan).

Dodatkowo, wyróżnia się III fazę. Podczas tych reakcji następuje m.in. czynny, przezbłonowy transportu leków do wnętrza jelita. Budowa danego leku warunkuje jego reakcje na zmiany metaboliczne. Grupy N-metylowe, mogą ulegać metylacji, pierścienie aromatyczne utleniać się do fenoli, amidy i estry ulegać hydrolizie (Graham, 2004). Biotransformacja może prowadzić do powstania: proleków, metabolitów nieaktywnych, metabolitów o właściwościach toksycznych oraz metabolitów o innym działaniu (Kubowicz-Kwaśny, 2016).

Na efekt farmakologiczny ma wpływ zmienność genetyczna występująca w genach, głównie kodujących enzymy metabolizujące leki, transportery leków, jak również związanych z działaniem leków (Ingelman-Sundberg i Rodriguez-Antona, 2005). Jednym z najważniejszych enzymów II fazy, który wykazuje istotny, pod względem klinicznym i funkcjonalnym polimorfizm, jest glukuronozylotransferaza difosforanu urydyny (UGT) (Li i Bluth, 2011). UGT-glukuronylotransferazy podobnie jak cytochromy P450, biorą udział w szlakach metabolicznych związków endogennych oraz ksenobiotyków. Mimo odmiennych zdolności katalitycznych, oba białka są silnie zakotwiczone w błonach siateczki śródplazmatycznej. UGT charakteryzują się również szeroką specyficznością substratową, dzięki czemu mogą katalizować szeroką gamę reakcji, polegających na transformacji egzo- i endogennych związków hydrofobowych. Izoenzymy UGT katalizują reakcję sprzęgania grupy glikozylowej kwasu urydyno-5’-difosforo-D-glukuronowego (UDPGA) z aglikonem. UDPGA zostaje przyłączony do określonej grupy funkcyjnej metabolitu fazy I. Dzięki temu polarność aglikonu zwiększa się. Związek ten może zostać wydalony z komórki, co w konsekwencji obniża jego toksyczność. Reakcja koniugacji z kwasem glukuronowym, uważana jest za podstawę detoksykacji (Fedejko i Mazerska, 2011). Reakcja glukuronidacji polega na przeniesieniu kwasu α–D-glukuronowego z UDPGA na grupę funkcyjną cząsteczki leku. Związek, który ulega reakcji z UDPGA, musi zawierać określoną grupę funkcyjną: tiolową, hydroksylową aminową, karboksylową lub sulfonamidową (Fedejko i Mazerska, 2011; Li i Bluth, 2011). U człowieka, znanych jest 19 UGT-glukuronylotransferaz, które kodowane są przez dwie rodziny genów: UGT1 oraz UGT2. Ze względu na podobieństwo sekwencji, rodziny te podzielono na 3 podrodziny: UGT1A, UGT2A oraz UGT2B (Fedejko i Mazerska, 2011). Polimorfizmy genetyczne wykryto dla prawie wszystkich genów rodziny UGT. Zmienności te, wpływają na ekspresję i funkcję danego białka. Mogą również modyfikować zdolność glukuronidacji enzymu w stosunku do substancji rakotwórczych, związków endogennych lub leków. Polimorfizmy genów UGT mogą przyczyniać się do podatności organizmu na choroby, w tym nowotwory, wpływają również na farmakokinetykę (zmianę stężenia leku w czasie) oraz kliniczne efekty działania leku. Do najważniejszych przykładów należą allele obniżające aktywność promotora UGT1A1 (np. UGT1A1*6, UGT1A1*28), które związane są ze zmniejszoną glukuronidacją aktywnego metabolitu irynotekanu (SN-38) co skutkuje, zwiększonym ryzykiem toksyczności, wywołanej przez irynotekan (lek przeciwnowotworowy) (Li i Bluth, 2011).

Glikoproteina P (P-gp) to błonowy transporter, który należy do nadrodziny białek ABC. P-gp określana jest, jako białko oporności wielolekowej (ang. multidrug resistance protein 1- MDR-1). Działa jak pompa zależna od ATP i usuwa do środowiska zewnętrznego egzogenne i endogenne cząsteczki hydrofobowe, w tym również ksenobiotyki. P-gp wykazuje szeroką specyficzność substratową. Rozpoznaje związki o masie cząsteczkowej od 330 do 4000 Da, charakteryzujące się różnorodną budową chemiczną. Transportuje substancje obojętne oraz kationy, nie przenosi anionów (Sokołowska i in., 2014). Glikoproteiny P transportujące leki znajdują się w wątrobie, jelicie, nerkach mózgu, łożysku, czyli narządach istotnych dla zaopatrzenia i eliminacji farmaceutyków z organizmu (Panczyk i in.,2007). Poziom Glikoproteiny P w komórce zależy od czynników środowiskowych, jak również od zmienności obecnych w genie MDR1, który koduje to białko. Niezrównoważone sprzężenie (LD) pomiędzy polimorfizmami pojedynczych nukleotydów genu MDR1, jest wynikiem współdziedziczenia SNP w obrębie jednego haplotypu. Polimorfizm genu MDR1 może wpływać na biodostępność leków, które są substratami MDR1 i decydować o skuteczności farmakoterapii. Opisano ponad 50 SNP i trzy polimorfizmy indel w genie MDR1 u ludzi. Jednak tylko cicha mutacja w 26 egzonie w pozycji C3435T, ma wpływ na zmianę ekspresji glikoproteiny P. Badania udowodniły, że występuje związek pomiędzy tym SNP a zmianą w funkcjonowaniu P-gp (Sokołowska i in., 2014).

Postawiono kilka hipotez, które opisują wpływ cichego polimorfizmu w pozycji C3435T na fenotyp. Najbardziej właściwa wydaje się być ta, mówiąca o istnieniu LD pomiędzy C1236T i C3435T (tzw. ciche polimorfizmy) a SNP w pozycji G2677T/A. Te trzy SNP współdziedziczą się zatem w obrębie jednego haplotypu. Analiza haplotypowa umożliwia dokładniejszą ocenę wpływu SNP określonego haplobloku i ma istotne znaczenie, w przewidywaniu farmakokinetyki substratów glikoproteiny P - cyklosporyny i digoksyny (Panczyk i in.,2007).

Badania farmakogenetyczne mają na celu określenie czynników genetycznych, które mają wpływ na metabolizm farmaceutyków oraz mogą być związane z wystąpieniem skutków ubocznych. Farmakogenetyka obejmuje różnice w budowie DNA (genotyp), jak również różnice w reakcji na lek (fenotyp). Do najczęściej stosowanych metod badań farmakogenetycznych zaliczamy badanie asocjacyjne genów kandydujących. Najpierw przeprowadza się analizę farmakologicznego mechanizmu działania leku. Zabieg ten ma na celu wskazanie, które z genów mogą być powiązane z odpowiedzią na leczenie. Stosując metody biologii molekularnej, możemy określić formy polimorficzne danego genu kandydującego. Badanie asocjacyjne jest następnym etapem badań farmakogenetycznych. Polega na porównaniu częstości występowania form polimorficznych określonego genu. Porównanie przeprowadza się u pacjentów, u których podanie leku, poprawiło stan zdrowia i u których lek nie okazał się skuteczny (Hauser i Leszczyńska-Rodziewicz, 2004).

Zmienioną odpowiedź na lek analizuje się w zestawieniu z odmianami allelowymi genów, które kodują miejsca uchwytu leków. Przeprowadzane badania nad genomem człowieka, dają szansę na odkrycie nowych miejsc uchwytu działania leku a co za tym idzie, nowych preparatów.

Osiągnięcia w dziedzinie Farmakogenetyka umożliwiły wprowadzenie do leczenia klinicznego nowych farmaceutyków m.in Gleevec (imatynib) stosowany w przewlekłej białaczce szpikowej, Mabthera (rytuksymab) wykorzystywany w leczeniu nowotworu sutka czy Herceptyna (trastuzumab) (Nowakowska i in., 2009). Trastuzumab zawiera przeciwciało monoklonalne, które jest skierowane przeciwko HER2/ERBB2. Stosowany jest u pacjentek z nowotworem piersi (Chmara, 2011).

Bibliografia:
1. BAL J. i T. MAZURCZAK, 2013. Zakres zastosowań diagnostyki molekularnej w medycynie. W: J. BAL, red. Biologia molekularna w medycynie. Elementy genetyki klinicznej. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, s. 349-426.
2. CHMARA E., 2011. Medycyna spersonalizowana. Farmacja współczesna, 4, 133-135.
3. DANIEL W., 2013. Genetyczne uwarunkowania zmienność osobnicza a współczesne problemy zdrowotne. W: J. BAL, red. Biologia molekularna w medycynie. Elementy genetyki klinicznej. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, s. 290-315.
4. FEDEJKO B. i Z. MAZERSKA, 2011. UDP-glukuronylotransferazy, białka siateczki śródplazmatycznej - struktura i mechanizm działania. Postępy Biochemii, 57(1), 41-48.
5. GRAHAM P., 2009. Chemia leków. Krótkie wykłady. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.
6. HAUSER J. i A. LESZCZYŃSKA-RODZIEWICZ, 2004. Farmakogenetyka leków przeciwpsychotycznych. Psychiatria, 1(2), 81-89.
7. INGELMAN-SUNDBERG M i C. RODRIGUEZ-ANTONA, 2005. Pharmacogenetics of drug-metabolizing enzymes: implications for a safer and more effective drug therapy. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences, 360(1460), 1563-1570.
8. KUBOWICZ-KWAŚNY P., 2016. Modelowanie metodami in vitro metabolizmu wyselekcjonowanych związków o zdefiniowanej aktywności w ośrodkowym układzie nerwowym. Kraków. Rozprawa doktorska.
9. LI J. i M. BLUTH, 2011. Pharmacogenomics of drug metabolizing enzymes and transporters: implications for cancer therapy. Pharmacogenomics and Personalized Medicine, 2011(4), 11-33.
10. MUTSCHLER E., G. GEISSLINGER, H. KROEMER, P. RUTH i M. SCHAFER-KORTING, 2010. Farmakologia i toksykologia. Wrocław: MedPharm.
11. NOWAKOWSKA E., J. METELSKA, A. MATSCHAY, K. BURDA, A. CZUBAK i K. KUS, 2009. Czy warto inwestować w medycynę personalizowaną?. Biotechnologia, 5, 50-56.
12. OLSZANECKI R., 2017. Leki przeciwnowotworowe. W: R. KORBUT, red. Farmakologia. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL, s. 306 -344.
13. PANCZYK M., A. SAŁAGACKA i M. MIROWSKI, 2007. Gen MDR1 (ABCB1) kodujący glikoproteinę P (P-gp) z rodziny transporterów błonowych ABC: znaczenie dla terapii i rozwoju nowotworów. Postępy Biochemii, 53(4), 361-373.
14. SOKOŁOWSKA J., K. URBAŃSKA i D. KŁOSIŃSKA, 2014. Rola glikoproteiny P w warunkach fizjologicznych i w stanach patologicznych. Życie Weterynaryjne, 89(11), 939-942.
15. WOŁKOW P., 2017. Elementy farmakologii klinicznej. W: R. KORBUT, red. Farmakologia. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL, s. 529-586.



Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

92 anonymous users oraz 0 registered users online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u