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Ph. Beaune Biochimie B HEGP, INSERM U 490

Ph. Beaune Biochimie B HEGP, INSERM U 490. Qu ’est-ce que la Pharmacogénétique? Facteurs génétiques / effets des médicaments. Effets: pharmacologiques, secondaires, toxiques; Réponse: Répondeurs / non Répondeurs. Médicaments. élimination. E nzym e s du M étabolisme et du

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  1. Ph. Beaune Biochimie B HEGP, INSERM U 490 Qu ’est-ce que la Pharmacogénétique? Facteurs génétiques / effets des médicaments Effets: pharmacologiques, secondaires, toxiques; Réponse: Répondeurs / non Répondeurs

  2. Médicaments élimination Enzymesdu Métabolisme etdu Transportdes Médicaments Organi sme Facteurs Endogènes Physiopathologiques Génétiques Facteurs Exogènes Environnementaux Cible Réaction de l’organisme Pharmacologique efficacité Toxicologique toxicité réponse

  3. Coûts et incidence des effets délétères des médicaments ADE: « Adverse drug events », gravité? 2,7 milliards de prescriptions annuelles aux USA(coût 100 milliards $) Incidence, fragmentaire, variable: - 0,6 à 0,7 ADE / 100 patients admis à l’hôpital (Colorado, Utah, NY); - 2 à 30 ADE / 100 si définition plus large; - FDA 1 à 10%. - fatal 0,13 à 0, 32 %(Lazarou 1998) Coûts humains: USA: 106 000 décès / an 4ème à 6ème cause de mort (1994, Lazarou 1998). Coûts financiers: - 1,6 à 50 milliards $ en coûts hospitaliers (5,2); - jusqu ’à 76,6 milliards $ en incluant les autres coûts de santé (12,2). 50% due à mauvaise utilisation des médicaments Lazarou et coll. 1998, JAMA 279:1200-05. Report on Adverse drug events, general accouting office, 2000

  4. Médicaments élimination Enzymesdu Métabolisme etdu Transportdes Médicaments Organi sme Facteurs Endogènes Physiopathologiques Génétiques Facteurs Exogènes Environnementaux Cible Réaction de l’organisme Pharmacologique efficacité Toxicologique toxicité réponse

  5. Caractéristiques générales des Enzymes du métabolisme et du transport des médicaments - nombreux enzymes, nombreux isoenzymes ( redondance) - spécificité de substrats relative et chevauchante (redondance) - grande variabilité d’expression: - génétique - environnementale - tissulaire - physiopathologique

  6. Médicament Enzyme de transport et de métabolisme (ETMM) Toxicité Elimination Effet * L ’efficacité et la toxicité des médicaments dépend de leur métabolisme (Quantité et qualité des ETMM) * L ’expression des ETMM est très variable * Cette expression dépend de facteurs: Génétiques Environnementaux Physiopathologiques

  7. Polymorphismes génétiques - Deux phénotypes reproductibles au moins: * métaboliseurs rapides,(intermédiaires, ultra-rapides),lents - Phénotype le moins fréquent: * 1% < fréquence < 50% - Origine génétique : * ADN, analyse de familles - ! variabilité aussi due aussi à d’autres facteurs

  8. Pharmacogénétique: Substrats Débrisoquine N C NH NH2 CYP ??? OH 4-OH-Débrisoquine N C NH NH2 Spartéine: même type de résultats

  9. . . . . 120 100 80 60 40 20 0 metaboliseurs rapides metaboliseurs Nombre d ’individus ultra-rapides metaboliseurs lents 12.6 ( )n 0.1 1 10 100 Log Debrisoquine / 4OH debrisoquine: RM Bertilsson and Dahl 1996

  10. Déficits génétiques en enzymes du métabolisme des médicaments GSTM1* (50%) GSTT1 (10-20%) GSTP1 (10%) UGT1A1 (5-10%) UGT1A7 NAT1 NAT2 (50%) EH (<5%) TPMT(<1%) Mdr1 (25%) CYP 1A1(induction ~ 10%) CYP1B1 (%) CYP 2A6* (5%) CYP 2C9 (3%) CYP 2C18 (?) CYP 2C19 (5-20%) CYP 2D6* (5-7%) CYP 2E1(>1%) CYP3A4/5 (?) DPD (<<1 %) * : gènes pour lesquels une duplication est connue

  11. INTERET DE LA PHARMACOGENETIQUE *Les variations du métabolisme /transport ont des conséquences: - pharmacocinétiques - pharmacodynamiques - toxiques * Le rôle du métabolisme / transport est important quand: - la fenêtre thérapeutique est étroite - l’efficacité est difficile à évaluer rapidement * Il est possible de prédire la capacité métabolique - génotypage - phénotypage

  12. Phénotype: - activité réelle - quantifiable - mise en oeuvre plus difficile - variations (xénobiotiques, pathologies) - pas permanent Génotype: - facile - permanent - pas quantifiable - pas activité réelle

  13. Conséquences de la variabilité génétique Phénotype Effet sur [médicament] Conséquence clinique [médi] métaboliseur lent • toxicité Index thérapeutique tps [médi] Index thérapeutique métaboliseur rapide • efficacité • thérapeutique tps [médi] Index thérapeutique. métaboliseur ultrarapide • inefficacité • thérapeutique tps

  14. Déficits génétiques en enzymes du métabolisme des xénobiotiques CYP 1A1(induction ~ 10%) CYP 2A6* (5%) CYP 2C9 (3%) CYP 2C18 (?) CYP 2C19(5-20%) CYP 2D6* (5-7%) CYP 2E1(>1%) CYP3A4/5 (?) GSTM1* (50%) GSTT1 (10-20%) GSTP1 (10%) UGT1A1 (5-10%) NAT2 (50%) EH (<5%) TPMT(<1%) * : gènes pour lesquels une duplication est connue Les fréquences varient selon les populations: ethnopharmacogénétique

  15. Phénotype: - activité réelle - quantifiable - mise en oeuvre plus difficile - variations (xénobiotiques, pathologies) - pas permanent Génotype: - facile - permanent - pas quantifiable - pas activité réelle

  16. Conséquences cliniques ?? ou

  17. THIOPURINE METHYL-TRANSFERASE (TPMT) : METABOLISME DE L’AZATHIOPRINE AZATHIOPRINE 6-MERCAPTOPURINE TPMT HGPRT XO 6-MMP ACIDE THIOURIQUE 6-THIOGUANINES ACTIFS TOXIQUES

  18. Nb d’individus, % 20 5 10 15 Activité TPMT, Unités/ml GR ACTIVITE TPMT : DISTRIBUTION TRIMODALE Wt/Wt M/Wt M/M

  19. PHENOTYPAGE TPMT Activité érythrocytaire = reflet de la TPMT hépatique Cytosols érythrocytaires Réaction enzymatique: 6-MP 6-MMP Mesure radiométrique ou Séparation par HPLC

  20. 5 ’ 3 ’ Stop ATG TPMT* 2 : G238C Ala Pro TPMT*3A : G460A Ala  Thr A719G Tyr  Cys TPMT*3B : G460A Ala  Thr TPMT*3C : A419G Tyr  Cys POLYMORPHISME DE LA TPMT  Structuredu gène Répartition des allèles variants:  Principales mutations 7 % 78 % < 1 % 5%

  21. GénotypageCorrélation phénotype

  22. CORRELATION PHENOTYPE / GENOTYPE: dépistage du déficit en TPMT * Corrélation > 90% : prédiction du phénotype par le génotype ==> Il existe d’autres mutations qui ne sont pas recherchées * Prédiction de la toxicité hématologique: phénotypage confirmation par génotypage * Conséquences cliniques: - contre-indication de l’Aza chez les sujets déficients - diminution des doses chez les individus intermédiaires - augmentation des doses chez les sujets très rapides?

  23. THIOPURINE METHYL-TRANSFERASE (TPMT) : METABOLISME DE L’AZATHIOPRINE AZATHIOPRINE GST? Nitroimidazole 6-MMP 6-MERCAPTOPURINE TPMT HGPRT XO 6-MMPR ACIDE THIOURIQUE 6-THIOGUANINES ACTIFS TOXIQUES

  24. Maladies inflammatoires intestinales - AZA / 6MP: 55% à 67 % répondent à la thérapeutique - Remplacement par 6MP: * 77 % non répondeurs répondent quand changement AZA ---> 6MP. - Augmentation des doses: * 27 % répondeurs augmentation 6-TGN * non-répondeurs pas d ’augmentation 6MP augmentation 6MMPR

  25. Irinotecan (CPT-11): Prédiction de la toxicité Gene UGT1A1

  26. Pharmacokinetics Parameters of lrinotecan and polymorphisms in UGT1A1 promoter 20 pts treated with CPT11 (phase 1) Genotype and SN38G/SN38 ratio Iyer, PharmacogenomicsJ2002

  27. 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0 10 20 30 Neutropenia (5FU / Irinotecan) and UGT1A1 genotype N = 76 patients (HEGP) no severe neutropenia % (6/8)* 6/6 p = 0,001 6/7 Neutropenia Grade 3/4 (8/39) (4/29) p = 0,0001 7/7 Nb of cures *: toxic death in a pt with a 7/7 génotype Nb of cures median (7/7) : 4

  28. Produits peu actifs ou inactifs H N DPD O dUMP NH F Thymidylate Synthase (TS) 5-dFUMP 5-dFUTP O dTMP Présence de métabolites fluorés inhibant la synthèse de l’ADN Défaut de synthèse de l’ADN par manque de thymidine Métabolisme du 5-Fluorouracile (5-FU) TP Inhibition de la synthèse de l’ARN DPD=dihydropyrimidine deshydrogénase; TP=thymidine phosphorylase

  29. Polymorphismes génétiques et prédiction de la réponse au 5-FU Défaut d’élimination

  30. R = séquence répétée de 28 paires de bases Polymorphisme du promoteur du gène de TS Allèle 3R Allèle 2R ADN germinal R R R R R Gène TS Gène TS Transcription Traduction TS TS TS TS TS TS TS

  31. Toxicité de l’association 5-FU / irinotécan et polymorphismes du promoteur de la thymidylate synthase (TS) % (4/11) p = 0,02 (5/33) (0/19) Génotype TS Lecomte, 2004

  32. RESULTATS : toxicité du 5-FUrelation gène-dose dépendante Génotype TSToxicité Odds Ratio grade 3/4 (IC 95%) 3R/3R (n=29) 1 1 2R/3R (n=43) 8 6(0,7–58) 2R/2R (n=14) 6 21(1,5–294) p <0,002 T Lecomte, et al, HEGP et INSERMU490

  33. Neurotoxicité chronique à l’Oxaliplatine et polymorphisme de GST-P1 64 pts inclus et génotypés pour le polymorphisme de GSTP1(Ile105Val) Dose cumulée min. de 500 mg/m2 (19/39) % p = 0,04 (5/20) (0/5) Génotype GSTP1

  34. Neurotoxicité chronique à l’Oxaliplatine et polymorphisme de GST-P1 64 pts inclus et génotypés pour le polymorphisme de GSTP1(Ile105Val) Dose cumulée min. de 500 mg/m2 (19/39) % p = 0,04 (5/20) (0/5) Génotype GSTP1

  35. Impact des polymorphismes génétiques des EMX en cancérologie Gènes Médicament Effets Secondaires myélotoxicité et neurotoxicité 5-fluorouracile DPD,TS hématotoxicité méthotrexate MTHFR amonafide NAT1/2 myélotoxicité hématotoxicité 6-mercaptopurine TPMT irinotécan toxicité hématologique et intestinale UGT1A1 GST oxaliplatine neurotoxicité

  36. Problems during Vit K- antagonist therapy ORAL ANTICOAGULANT THERAPY First cause of iatrogenic accidents 480 000 to 580 000 treated patients 17 000 hospitalisations per year 3000 deaths per year

  37. O O R R O O II O H VII IX X THE VITAMIN K ANTAGONISTS Indane-dione derivates : Fluindione Phenindione Coumarin derivates : Acenocoumarol Warfarin Phenprocoumon Vitamin K Cycle functionalcoagulation factors State of hypocoagulability

  38. VARIABILITY IN ANTICOAGULANT THERAPY Number of patients Doses of warfarin (mg/week) Drug compliance Foods (vitamin K) Physiopathologic status Drug Interactions Genetic factors THROMBOTIC RISK BLEEDING RISK HYPERSENSITIVITY RESISTANCE

  39. PATHWAYS OF ANTICOAGULANT METABOLISM Major role of CYP2C9 O O O O R R The super-family of cytochrome P450 enzymes has a crucial role in the metabolism of drugs. In the liver : 6 and 7 hydroxylation by CYP2C9 Oxidative metabolism So far, 17 families of CYPs with 57 isoforms have been characterized in the human genome.  hydrophile *1 classification: CYP 2 C 9 family>40% sequence-homology isoenzyme allele ELIMINATION (BILE and URINE) sub-family>55% sequence-homology

  40. FACTORS AFFECTING THE CYP 2C9 ACTIVITY • Environnemental Variations : inhibition/induction • GeneticPolymorphisms 24 allelic variants http://www.imm.ki.se/CYPalleles/cyp2c9.htm Allelic variants CYP2C9*1 CYP2C9*2 (Cys144Arg) CYP2C9*3 (Leu359Ileu) Allelic frequency 0,79-0,86 0,08-0,19 0,06-0,1 Activity 100 % 12 % 5 % Caucasian populations

  41. CLINICAL IMPLICATIONS OF CYP2C9 POLYMORPHISMS FOR ANTICOAGULANT TREATMENT (1)  Bleeding risk Retrospective study including 185 patients with long term warfarin therapy HR of bleeding = 3.94;CI 95%,1.29-12.04 Among the carriers of at least one CYP2C9 variant allele (CYP2C9*2 or *3 ) HR : Hazard ratio, established during the initiation phase (90 days) Higashi et al. , JAMA 2002

  42. (2)  Mean daily dose of warfarin (mg/day) nd :not detected ; nr : not researched

  43. A study including healthy volunteers (n=230) taking a single oral dose of acenocoumarol To explore the contribution of genetic factors in the variability of pharmacological response (% Factor VII ) Collaborations: Clinical Investigation Center of St Antoine Hospital, Paris, Pr L. Becquemont INSERM Unit 525, Paris, Dr DA Trégouët

  44. *1/*1 *1/*2 *1/*3 *2/*2 *2/*3 *3/*3 n 143 44 30 4 8 1 CYP 2C9 polymorphisms (coding region) and response to acenocoumarol Effect of the CYP 2C9*2 and *3 alleles on the AC response (factor VII ratio = D0/D24 x100 ) Genotype distribution in our population : genotype P< 0.001 CYP 2C9 *3 CYP 2C9 *2 14%of the variability NS

  45. Relationship between CYP 2C9 genotype and warfarin dose among 200 Caucasian individuals From Daly and King, 2003 Wide interindividual variability in warfarin dose requirement within the*1/*1 group

  46. Mechanism of action of oral anticoagulants: VKORC1 as the pharmacological target drug inactive metabolite VKORC1 = Vitamin K epoxide reductase sub-unit 1 VKOR complex CYP2C9 Vitamin K hydroquinone Vitamin K epoxide vitamin K cycle GGC GGC=-glutamyl carboxylase Vitamin K-dependent coagulation factors inactive Vitamin K-dependent coagulation factors active

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