Pharmakologie

Pharmakogenetik und "Personalized Medicine"

Erfolgreiche Arzneimitteltherapie kann durch eine Vielzahl von Faktoren beeinträchtigt werden. Neben Umweltfaktoren und Unterschieden in Arzneimittelresorption, -distribution, und -metabolismus wurden auch genetische Faktoren identifiziert. Bereits in den 1950er-Jahren wurde entdeckt, dass ein erblicher Glucose-6-phosphatdehydrogenase-Mangel bei manchen Patienten eine schwere Hämolyse verursachte, wenn sie das Antimalariamittel Primaquin einnahmen [1]. Ende der 50er-Jahre definierte der deutsche Anthropologe und Humangenetiker Friedrich Vogel den Begriff der Pharmakogenetik [2]. Innerhalb der klinischen Pharmakologie untersucht die Pharmakogenetik den Einfluss eines einzelnen Gens auf die Wirkung eines Arzneimittels. Wird der Einfluss mehrerer Gene oder des gesamten Genoms untersucht, spricht man von Pharmakogenomik. Diese Begriffe werden heute aber häufig gleichbedeutend verwendet.

Im Jahre 2003 wurde das Human-Genom-Projekt für abgeschlossen erklärt, mit dem Ergebnis, dass das menschliche Genom aus etwa 25.000 bis 30.000 Genen besteht und die komplette Sequenz ca. 3,2 Milliarden Basenpaare beträgt. Auch wenn das Human-Genom-Projekt keinen Aufschluss darüber gab, wie unterschiedlich wir aufgrund unserer Gene sind, so hat es die Genetik doch vor allem auf dem technologischen Sektor geradezu revolutioniert und den Grundstein für genomweite Assoziationsstudien und das International Haplotype Map (HapMap) Project gelegt. Das HapMap-Projekt sucht nach Einzelnucleotid-Polymorphismen (SNPs) im menschlichen Genom und speichert sie in einer Datenbank. Ferner wird untersucht, in welcher Beziehung die SNPs zueinander stehen [3].

Aufgrund der vielen neuen Erkenntnisse auf dem Gebiet der Humangenetik werden genetische Faktoren bei der Auswahl und Dosierung von Arzneimitteln stärker als bisher in Betracht gezogen. Die Identifizierung einer genetischen Varianz gibt für sich alleine betrachtet noch keinen Aufschluss, ob sie klinisch relevant ist. Erst die Kombination individueller klinischer und genetischer Daten kann dazu beitragen, Richtlinien zur differenzierten Dosierung von Arzneimitteln zu erstellen [4].

Das Cytochrom-P-450-System (kurz: CYP) ist hauptsächlich für den Phase-I-Stoffwechsel verantwortlich. Das Isoenzym CYP2D6 metabolisiert ungefähr 20 bis 25% der im Markt befindlichen Arzneistoffe oder ist an deren Metabolismus beteiligt. Vom CYP2D6-Gen (CYP2D6), das auf Chromosom 22 lokalisiert ist, sind mehr als 70 Allele bekannt. Die normale Form oder der Wildtyp wird als *1 bezeichnet (CYP2D6*1). Da die Chromosomen 1 bis 22 jeweils doppelt im Zellkern vorliegen, kann ein Patient auf beiden Chromosomen den Wildtyp oder auch ein bestimmtes CYP2D6 -Allel besitzen (homozygot, z. B. *1/*1 oder *2/*2) oder auf beiden Chromosomen verschiedene CYP2D6 -Varianten besitzen (heterozygot, z. B. *1/*2 oder *2/*4).

Die Allele können die Enzymaktivität verändern. Beispielsweise synthetisiert das Allel CYP2D6*2 mehr CYP2D6 als der Wildtyp, sodass ein Patient mit diesem Allel die von CYP2D6 metabolisierten Wirkstoffe schneller abbaut (ultrarapid metabolizer), was zu einer geringeren Wirkstoffkonzentration und damit zu einer geringeren Wirksamkeit führt. Auch der umgekehrte Fall (poor metabolizer) ist bekannt. Hier resultiert aus der Mutation ein inaktives (*4), instabiles (*10) oder kein Enzym (*5). Aufgrund des eingeschränkten Metabolismus treten erhöhte Wirkstoffkonzentrationen auf, die toxisch wirken können. Dies kann sich mitunter dramatisch auswirken, wenn der Wirkstoff ausschließlich von CYP2D6 metabolisiert wird.

CYP2D6 ist am Metabolismus vieler trizyklischer Antidepressiva (z. B. Amitriptylin, Clomipramin, Desipramin, Imipramin, Nortriptylin) und selektiver Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (z. B. Fluoxetin, Paroxetin) beteiligt. Es wurden bereits Dosisanpassungen aufgrund des CYP2D6 -Genotyps vorgeschlagen [5]. Allerdings muss der pharmakogenetische Therapieansatz noch in weiteren prospektiven Studien evaluiert werden. Bei der Wirksamkeit trizyklischer Antidepressiva scheinen auch Polymorphismen im Serotonintransporter-Gen (SLC6A4) und Tryptophanhydroxylase-Gen (TPH1) eine Rolle zu spielen. Hier könnte ebenfalls eine Therapieoptimierung ansetzen.

Thiopurine und TPMT

Die Thiopurine Azathioprin und Mercaptopurin werden unter anderem bei akuter lymphatischer Leukämie, entzündlichen Darmerkrankungen und rheumatoider Arthritis eingesetzt. Sie werden im Körper enzymatisch zu Thioguaninnucleotiden (TGN) umgewandelt, die dann in die Desoxyribonucleinsäure (DNA) eingebaut werden und dadurch den Fortgang der DNA-Synthese verhindern. Die Thiopurin-S-methyltransferase (TPMT) methyliert die Thiopurine und TGN und inaktiviert sie dadurch. Da dies der im blutbildenden Gewebe vorherrschende Inaktivierungsmechanismus ist, können bei Patienten mit TPMT-Mangel gravierend erhöhte TGN-Plasmaspiegel auftreten, wenn sie die Standarddosis erhalten (Abb. 1) [6]. Es besteht das Risiko einer schweren, manchmal auch tödlichen Myelosuppression [7]. Ein Patient mit zwei TPMT -Allelen, die keine funktionierende TPMT codieren, dürfte nur 6 bis 10% der Standarddosis erhalten. Patienten mit nur einem solchen Allel können anfangs die Standarddosis erhalten. Wenn dabei unerwünschte Wirkungen auftreten, muss die Dosis reduziert werden (Abb. 1).

89 bis 94% der Europäer weisen eine hohe oder normale, 6 bis 11% eine mittlere und 0,33% eine geringe TPMT-Aktivität auf [8]. Die Allele TPMT*2, TPMT*3A und TPMT*3C lassen sich bei über 95% der Patienten mit geringer oder mittlerer TPMT-Aktivität nachweisen [8]. Aufgrund der SNPs sind einzelne Aminosäuren an bestimmten Positionen der TPMT ausgetauscht, was in diesen Fällen zur Abnahme der Enzymaktivität führt. Bei TPMT*2 zum Beispiel ist in der Nucleotidposition 238 ein Guanin durch ein Cytosin ausgetauscht, woraus der Austausch eines Alanins durch ein Prolin in der Aminosäureposition 80 der TPMT resultiert.

Klinische Laboratorien bieten TPMT -Tests routinemäßig an. Die amerikanische Zulassungsbehörde FDA empfiehlt den TPMT -Test, und in die Fachinformationen von Imuran® (Imurek® , Azathioprin) und Purinethol® (Puri-Nethol® , Mercaptopurin) wurde diese Empfehlung aufgenommen.

Irinotecan und UGT1A1

Irinotecan ist ein Topoisomerase-I-Hemmer und ist unter anderem beim Kolonkarzinom indiziert. Als Prodrug ist Irinotecan selbst nicht wirksam, sondern sein aktiver Metabolit SN-38. Dieser ist zugleich für unerwünschte Wirkungen wie Diarrhö oder Neutropenie verantwortlich, die bei ca. 20 bis 35% der Patienten auftreten. SN-38 wird unter anderem durch Glucuronidierung inaktiviert. Ein Schlüsselenzym ist hierbei die UDP-glucuronosyltransferase 1A1 (UGT1A1) [9]. Vom UGT1A1-Gen (UGT1A1) sind über 30 Allele bekannt. Der Polymorphismus führt zu SN-38-Glucuronidierungsraten, die sich bis zum Faktor 50 voneinander unterscheiden [9, 10]. Das Allel *28 tritt bei 12 bis 16% der Patienten auf, es führt zu einer geringeren UGT1A1 -Expression und folglich zu einer verminderten SN-38-Glucuronidierung. Während der Wildtyp in der Promotorregion sechs Thymin-Adenin-Wiederholungen (Sequenz TATATATATATA) aufweist, hat *28 sieben TA-Wiederholungen [9]. Patienten mit *28 auf beiden Chromosomen sind einem erhöhten Neutropenierisiko bei einer Irinotecantherapie ausgesetzt, falls die Dosis nicht deutlich erniedrigt wird. Im Jahr 2005 empfahl die FDA daher einen entsprechenden Vermerk in der Packungsbeilage des Irinotecan-Präparates Camptosar® (Campto®). Da die FDA bereits einen Test für die Bestimmung des UGT1A1 -Genotyps zugelassen hat, kann eine rationale Dosierung aufgrund des Genotyps festgelegt werden.

Warfarin und CYP2C9 sowie VKORC1

Die Cumarine Phenprocoumon, Acenocoumarol und Warfarin sind Antikoagulanzien, die zur Behandlung und Vorbeugung von Thromboembolien eingesetzt werden. Warfarin ist ein Racemat, dessen S-Enantiomer drei- bis fünfmal aktiver ist als das R-Enantiomer. Es besitzt eine geringe therapeutische Breite und zeigt zahlreiche Wechselwirkungen mit anderen Arzneimitteln und Nahrungsmitteln (Vitamin K). Bei der individuellen Dosierung, die zwischen 0,5 mg und 20 mg liegt, müssen auch das Gewicht und das Alter des Patienten berücksichtigt werden. Selbst unter Einbeziehung dieser Faktoren treten jährlich bei 7,6 bis 16,5% der Patienten schwere Blutungen auf.

S-Warfarin wird durch CYP2C9 metabolisiert, weshalb seine Wirksamkeit von Polymorphismen im CYP2C9-Gen (CYP2C9) abhängig ist [11]. Die wichtigste Rolle spielen dabei die CYP2C9 -Allele *2 und *3 , die mit 10 bis 20% relativ häufig sind [12]. Heterozygote Patienten mit einem CYP2C9*2 oder CYP2C9*3 tragen bei einer Standarddosierung Warfarin ein zwei- bis dreifach erhöhtes Risiko für das Auftreten von schweren Blutungen, denn sie benötigen eine um 21 bis 34% erniedrigte Dosis. Bei Patienten mit zwei CYP2C9 -Allelen (*2 oder *3) sollte die Dosis sogar um 60 bis 75% niedriger sein. Eine vorherige Bestimmung des CYP2C9 -Genotyps kann die unerwünschten Arzneimittelwirkungen verhindern oder reduzieren.

Nicht nur Polymorphismen von CYP2C9 sind für die variable Wirksamkeit von Warfarin verantwortlich. Auch Polymorphismen der Gene, die die Blutgerinnungsfaktoren VII und X codieren und bei etwa 1 bis 2% der Menschen vorkommen, können dazu beitragen. Weitaus gravierender sind Polymorphismen im Vitamin-K-Epoxid-Reduktase-Komplex-1-Gen (VKORC1), die relativ häufig auftreten (14 bis 37% bei Europäern und Afroamerikanern, bis zu 89% bei Asiaten) [13]. Sie verändern nicht die Konzentration des Warfarins, sondern den Wirkort des Warfarins.

Derzeit ist es üblich, Patienten zuerst eine Standarddosis (meist 5 mg) Warfarin zu verabreichen, dann die Thromboplastinzeit zu messen (INR-Wert, international normalized ratio) und aufgrund des Ergebnisses die Dosis anzupassen. Dies dauert in der Regel eine paar Tage, in denen der Patient bereits schwere Blutungen erleiden kann. Im August 2007 überarbeitete die FDA die Packungsbeilage von Warfarin [14]. Dort findet sich nun der Hinweis, dass eine niedrigere Anfangsdosis für Patienten mit bestimmten CYP2C9 - und VKORC1 -Allelen zu wählen sei. Der entsprechende Gentest (Verigene® System, Nanosphere) wurde Mitte September 2007 von der FDA zugelassen [15]. Gleichzeitig wurde eine prospektive Studie publiziert, die nachwies, dass eine auf der Genotypysierung von CYP2C9 basierende Warfarintherapie effektiver und sicherer ist als die Standardtherapie [16]. Ergebnisse von Studien, die auch Polymorphismen des VKORC1 einbeziehen, sollen in den nächsten Monaten publiziert werden.

In einer retrospektiven Studie wurde ein Algorithmus zur Bestimmung der Anfangsdosis von Warfarin entwickelt, der neben den wichtigen Allelen CYP2C9*2, CYP2C9*3 und VKORC1 (-1639 G>A) auch das Alter und die Körpergröße berücksichtigt [17]. Andere Algorithmen beinhalten weitere Faktoren wie Rauchen, Ethnizität, Körperoberfläche oder Komedikation. Die Algorithmen sind dann mit einfachen Computerprogrammen leicht in der Praxis umsetzbar. Eine freizugängliche Website ist www.WarfarinDosing.org, die vom University of Washington Medical Center entwickelt wurde (Abb. 2).

Betablocker und β1 -Adrenozeptor

Gene regulieren nicht nur den Arzneistoffmetabolismus. Wie bereits das Beispiel Warfarin zeigte, können auch Mutationen am Wirkort des Arzneimittels dessen Wirkung beeinflussen. Ein weiteres Beispiel dafür ist der β1 -Adrenozeptor. Das codierende Gen, ADRB1 , hat zwei häufig auftretende (15 bis 40%) und funktionell relevante SNPs [19]. Der eine SNP hat einen Serin-Glycin-Austausch in Aminosäureposition 49 (in der N-terminalen Region) des Rezeptors zur Folge und beeinflusst seine Downregulierung. Der andere SNP ersetzt in Position 389 (am Carboxyterminus in einer putativ G-Protein-bindenden Domäne) des Rezeptors ein Glycin durch ein Arginin, woraus eine erhöhte Affinität zum Gs -Protein und somit eine erhöhte Aktivität der Adenylatzyklase resultiert [20]. Da sich beide Mutationen im selben Gen befinden (Kopplung), treten bestimmte Kombinationen (Haplotypen) relativ häufig auf (Kopplungsungleichgewicht), während die Variante Gly49 Gly389 beim Menschen gar nicht vorkommt. Eine In-vitro-Studie zur Isoprenalin-stimulierten Adenylatzyklaseaktivität der drei Varianten ergab folgende Reihenfolge: Gly49 Arg389 > Ser49 Arg389 >> Ser49 Gly389 [21].

Zahlreiche Studien haben sich mit den Auswirkungen dieser SNPs befasst – zum Teil allerdings mit widersprüchlichen Resultaten [21]. Diese Widersprüche sind mitunter im unterschiedlichen Studiendesign begründet [22]. In pharmakogenetischen Studien konnte jedoch gezeigt werden, dass Arg389 -homozygote Patienten besser auf Betablocker zur Behandlung von Bluthochdruck, Herzinsuffizienz oder Glaukom ansprechen [19]; dies zeigte sich beispielsweise in einer Studie mit Bluthochdruckpatienten, die Metoprolol erhielten [23]. Auch der Serin-Glycin-Austausch in Aminosäureposition 49 ist für die Wirksamkeit von Metoprolol von großer Bedeutung. Die Berücksichtigung beider Varianten sowie ihres homozygoten oder heterozygoten Auftretens ergibt ein differenziertes Bild der Wirksamkeit von Metoprolol (Abb. 3): Patienten, die auf dem einen Chromosom den Haplotyp Gly49 Arg389 (kurz: GR) und auf dem anderen Chromosom den Haplotyp Ser49 Gly389 (kurz: SG) haben, also den Diplotyp Gly49 Arg389 /Ser49 Gly389 (GR/SG), sprachen kaum auf Metoprolol an. Dagegen wurde bei Ser49 Arg389 -homozygoten Patienten (SR/SR) die größte Blutdrucksenkung verzeichnet [23].

Zwar sind weitere, vorzugsweise prospektive Studien, notwendig, um diese Ergebnisse abzusichern, doch lässt sich jetzt schon abschätzen, dass sie durchaus klinisch relevant sind. Betablocker werden seit etwa 40 Jahren zur Bluthochdrucktherapie eingesetzt, erzielen aber als Monotherapeutika nur bei 51% der Patienten die erwünschte Wirkung [24]. Auch ist bekannt, dass Afroamerikaner im Allgemeinen schlecht auf Betablocker ansprechen. Interessanterweise tritt in dieser Bevölkerungsgruppe der Diplotyp GR/SG häufiger auf als bei Europäern. Der Therapieerfolg hängt also von einem bestimmten Genotyp und nicht von der Hautfarbe ab.

Es sei hier angemerkt, dass eine Substanzklasse allein meist nicht zur Behandlung komplexer Krankheiten wie der essenziellen Hypertonie ausreicht. Die Kombination mehrerer Polymorphismen verschiedener Gene (beispielsweise des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems) kann den Therapieerfolg durchaus mit beeinflussen.

Ausblick: Genotypisierung wird Routine

Trotz ernormer Fortschritte in den letzten Jahren steckt die Pharmakogenetik noch in den Kinderschuhen. Spezifische genetische Tests haben jedoch bereits Einzug in die klinische Praxis gehalten (TPMT, UGT1A1, CYP2C9 und VKORC1). Allerdings sind diese meist beschränkt auf ein einzelnes Gen oder eine bestimmte Mutation in einem bestimmten Gen. Die individuell unterschiedlichen Wechselwirkungen von Arzneistoffen mit zum Beispiel Proteinen oder Umweltfaktoren sind jedoch weitaus komplexer und derzeit noch nicht vollständig verstanden. Zu deren Erforschung gibt es zurzeit mehrere Ansätze unter Einsatz von Genchips (mit 500.000 SNPs!) und Genexpressionsanalysen.

Es bleibt abzuwarten, in welchen Fällen ein pharmakogenetischer Therapieansatz nach entsprechender methodischer und statistischer Validierung der herkömmlichen Therapie überlegen ist. Eine entscheidende Rolle bei der Etablierung der Pharmakogenetik in der klinischen Praxis kommt mit Sicherheit dem Kosten-Nutzen-Verhältnis zu. Es ist vom heutigen Kenntnisstand aus schwer abzuschätzen, wie viele SNPs man kennen muss, um eine genaue Vorhersage einer Arzneimittelwirkung machen zu können. Aber für die Zukunft ist zu erwarten, dass Arzt und Apotheker zumindest in einigen Indikationen die pharmakogenetischen Aspekte der Medikation routinemäßig berücksichtigen werden.

Literatur

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Anschrift für die Verfasser:

Prof. Dr. Hartmut Derendorf

University of Florida

Department of Pharmaceutics

PO Box 100494

Gainesville, FL 32610, USA

hartmut@cop.ufl.edu
Grundbegriffe der (Pharmako-) Genetik
Allel: Variante eines Gens
Allelfrequenz: Relative Häufigkeit der Kopien eines Allels in einer Population
Extensive metabolizer (EM): Patient, der einen Arzneistoff langsamer als ein UM, aber schneller als ein intermediate metabolizer (IM) und ein PM abbaut
Genotyp: Gesamtheit aller Erbanlagen eines Organismus
Haplotyp: Kombination von Allelen auf einem Chromosom (oder Gen)
heterozygot: mischerbig
homozygot: reinerbig
Linkage disequilibrium (Kopplungsungleichgewicht): Die Tendenz der auf einem Chromosom benachbarten Allele, gemeinsam weitervererbt zu werden.
Phänotyp: Gesamtheit der Merkmale eines Organismus, die aufgrund der Erbanlagen (s. Genotyp) unter dem Einfluss der Umwelt entstehen
Polymorphismus: Genetische Variationen mit mindestens zwei allelen Formen und einer Häufigkeit von mehr als 1%
Poor metabolizer (PM): Patient, der einen Arzneistoff sehr langsam abbaut
SNP (sprich Snip): Single nucleotide polymorphism; Polymorphismus, bei dem ein einziges Basenpaar ausgetauscht ist
Ultrarapid metabolizer (UM): Patient, der einen Arzneistoff sehr schnell abbaut
Wildtyp: Normalform eines Gens

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