癌症个体化治疗的药理遗传学上.docx
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癌症个体化治疗的药理遗传学上
癌症个体化治疗的药理遗传学(上)
发表者:
蔡文杰1775人已访问
摘要:
相同剂量的药物可以在人群中产生异质性很大疗效及毒性反应。
遗传因子在药效和毒性反应中有重大的决定性作用,药物遗传学的重点在于通过遗传检测预测肿瘤和正常组织对标准治疗的反应,从而为每个病人个体化治疗选择合适的药物及合适的剂量。
本综述中,我们探讨了基因中单核苷酸多态性的关联,它们的基因产物作用于上游实际药物靶点,更确切地说是药物转运及药物代谢第一相和第二相的酶,或者是下游的凋亡基因和炎症趋化因子。
相关基因的单核苷酸多态性是编码与抗癌药物相互作用的蛋白质,通常认为包括DNA生物合成代谢酶,DNA修复酶和有丝分裂纺锤体蛋白。
单核苷酸多态性基因型是支持预测药物疗效和毒性的重要概念。
作为癌症化疗的效应,包括正常组织药物相关毒性是多因素相关的,先进的办法,如全基因组关联分析和药物结合途径识别比单基因的基因型有更高的预测能力。
在临床常规诊断中应用药物遗传学,给医师以基因型为基础的治疗决策建议和风险评估是一个未来的挑战。
泉州市第一医院肿瘤放疗科蔡文杰
1.概念:
合适的病人的正确药物。
1.1药物遗传学和人类基因组
从所周知,我们在临床中可以看到相同剂量的药物可以在人群的疗效及毒性反应上有很大的异质性(Evans&Relling,1999;Fagerlund&Braaten,2001).。
这种基因异质性可能在小部份病人中导致不可预测的生命危险或致命的副作用(Rothen-bergetal.,2001;Sargentetal.,2001)。
这些个体差异不能用某些因素来完美解释,如肝功肾功、病人年龄与合并症,生活方式或复方给药与病人依从性。
因此基因成了决定药物疗效和毒性的重要因素。
药物遗传学的目的是鉴定这些遗传因素。
2001年出版(Landeretal.,2001;Venteretal.,2001)的人类基因组草图显示了基因的巨大变异。
最近一份高度精确的只有少量未知片断和1/100000误差的基因组序列发表了(InternationalHumanGenomeConsortium,2004)。
在基因组草图时估计的DNA编码区域是30000到40000,现在基因的数目已下降至20000到25000蛋白质编码基因,这个基因的数目可以充当未来几年药物遗传学研究的基础。
可以预料的是药物靶点将戏剧性的增多。
药物遗传学这个术语在20世纪50年代出现,因为药物和异生物质两者的本质和疗效有了明确的遗传学依据(Vogel,1959)。
在这些最初的研究中人们认识抗疟药和某些食物(大豆)能使G6PD缺乏的病人出来溶血危象。
G6PD缺乏是世界范围内最常见的酶病。
估计有4亿人发病。
虽然单纯G6PD基因修饰是最常见的酶活性减低的原因(超过140个不同变种),也发现了一些其他罕见的修饰如剪接位点变异(Beutler&Vulliamy,2002;Efferthetal.,2004a)。
药物遗传学的重点通过常规应用基因检测和早期获最检测标本对病人及肿瘤进行遗传分析以预测药物疗效和毒性,可以用肿瘤活检标本或外周血。
对每个病人个体按精确的辅助标志筛查试验选择最合适的药物给予最合适的剂量进行个体化治疗,这是人们对药物遗传学生物标志物所寄予的巨大希望。
人们希望按某特定治疗的有效率对病人个体进行分类。
医药工业迫切期望按病人个体化的药物和剂量(Kirkwood&Hockett,2002)。
药物研制是一个费时费力的过程。
如果能够高度精确地预测剧毒那么很快就可以剔除候选化合物。
即使候选药物的数目可能因为药物遗传学和毒理遗传学的进展而减少,应用这些技术的长期受益将使临床显著受益。
1.2癌症治疗的问题
癌症化疗的主要障碍是进展中的药物耐药和严重的副反应。
由于多数抗肿瘤药物的相对特异性,正常组织同样会受损伤。
这影响了应用足够高的剂量以清除低度敏感的肿瘤细胞株。
因而肿瘤进展成药物抵抗并导致化疗失败,进而出现病人死亡的结果。
新的分类通过分离有效剂量和毒性剂量以拓宽狭窄的有效血药浓度范围,将使癌症化疗大为受益。
因而,出现一个问题:
哪个特殊的细胞抑制剂和哪一种联合方式对于一个肿瘤个体是最合适的?
众所周知,治疗统计学有效是通过大宗临床试验得出的,但它无法预测对于某个肿瘤化疗有效。
虽然临床病理学预测因子如肿瘤大小,淋巴结转移情况和远处转移对决定人群的预后是有价值的,但个体化治疗建议却是无任何帮助的。
生物标志按肿瘤反应和正常组织的毒性对病人进行分类。
个体化治疗的概念可以追溯到20世纪50年代(Cortazar&Johnson,1999),当前热门的分子生物学使我们相信分子途径的研究将促进个体化治疗的发展。
癌症是一个多步骤的过程,致癌作用需要基因修饰的过程。
与肿瘤和病人的复杂基因背景相比确定候选标志是相对容易的。
DNA序列的修饰和mRNA分子的表达以及蛋白质通常用于预测肿瘤对药物的反应(Scherfetal.,2000;Stauntonetal.,2001;Volmetal.,2002a,2002b,2004;Ferrando&Look,2003;Verrills&Kavallaris,2003)。
基因组和蛋白质组通常用于研究正常组织对抗癌药物的反应(Efferth&Oesch,2004;Suteretal.,2004)。
代谢修饰技术(代谢组学)可能有助于研究在病人和肿瘤中抗癌药物的代谢途径作用(Schmidt,2004)。
借助代谢组学技术,一系列的小分子代谢产物作为生理学和病理学状态的示踪剂加以测量。
通过这些方法获得的大量数据可能用于建立分子相互作用和基因调节网络,这可以预测药物疗效(Vadigepallietal.,2003:
Pommieretal.,2004)。
这种用于治疗前标志筛选的未来“组学”技术可能有助于确定最大耐受和最有效的治疗方案,按肿瘤和患者的个体基因指纹选择最合适的剂量及给药时序。
2. 基因修饰的方式
多态性是DNA序列最常见的变异,从而导致编码基因的活性下降,但在某些个例中可以导致活性增强(Evans&Relling,1999)。
与体细胞突变不同的是它们是稳定和可遗传的。
多态性包括单核苷酸多态性、微卫星序列和小卫星序列。
单核苷酸多态性导致单碱基交换,从而使编码蛋白的氨基酸发生或不发生交换。
单核苷酸多态性在人群中出现的频率大于1%,能解释超过90%的人类基因组中的变异。
人类基因组中的单核苷酸多态性估计大约1百万至1千万(Sachidanandametal.,2001;Botstein&Risch,2003;Carlsonetal.,2003)。
50000到250000单核苷酸多态性位于编码基因中或位于其周围(Risch,2001)。
很多单核苷酸多态性不影响表现型修饰,只是为某些单倍体做了标志。
它们因此可能成为重要的基因标志。
微卫星序列(或串联重复)是长度在0.1至10KB的重复基因序列的多重拷贝。
微卫星序列持续重复最多4个核苷酸的小片段(Danesietal.,2001)。
等位基因是基因的候选形式。
配子单倍体是基因位点等位基因的总和。
如果不同基因位点的等位基因是非随机相联的,就称为“连锁不平衡”。
单倍体和连锁不平衡图用于解释如癌症在内的疾病的药物反应表现型(Nagasubramanianetal.,2003)。
与多态性相比,导致编码基因产物活性减弱的变异是少见的(<1%的频率)。
变异表现为单碱基改变(无义或错义突变),缺失,插入或基因重排。
本文只关注种系单核苷酸多态性作为影响抗癌药物疗效的遗传差别。
单核苷酸多态性预测癌症易感性的危险,以及体细胞突变致癌或化疗敏感性的发展,等等都不在本文的讨论范畴。
3. 候补基因
3.1. 多因素的机制
按照以前的解释,对细胞抑制药物的抵抗是由多种因素决定的(Efferthetal.,1992;Efferth&Volm,1993;Volmetal.,1993,2002a,2002b,2004;Verrills&Kavallaris,2003)。
尽管抗癌药物的这些因素在化学和物理结构,生物活性非常有争议,影响药效的机制大致可以分类为上游药物的实际靶点,或是下游的(Efferth&Grassmann,2000;Fig.1).
1. 作用于上游机制包括摄取或排出的转移蛋白(如ATP结合盒式转运子[ABC转运蛋白],叶酸还原载体[RFC]和核苷载体)和激活、灭活或解毒药物代谢酶(如I/II期酶)。
代谢酶和载体分子通常对于某种抗癌药物没有特异性,却作用于各种庞大系列的异生药物,包括抗癌药在内。
药物代谢酶可能影响药代动力学。
这些酶不是理想的抗癌药物靶点,但对于通过这些酶代谢的药物来说可能有助确定合适的剂量方案,以提高治疗效果和避免副反应。
2. 药物的靶点在DNA(和DNA修复机制)如烷化剂和铂类,以及RNA(RNA合成抑制剂如放线菌素D)和特殊的蛋白。
a. 喜树碱,蒽环类,鬼臼乙叉甙作用的DNA拓扑异构酶I/II;
b. 长春花碱类和紫杉类作用的微管
c. 抗代谢药物作用的DNA合成酶。
单靶点的蛋白对应某种药物,如二氢叶酸还原酶对应于氨甲喋呤。
然而,与整个DNA生物合成结构相关的蛋白对于激活药物的活性有关,这个道理是越来越明显了。
所以我们的目的是找出所有抗代谢活性药物的DNA生物合成相关的酶、DNA代谢分子靶点。
因为当前应用的多数化疗药物的靶点通常是针对增殖的细胞而不是针对特定的肿瘤细胞,增殖的正常组织如造血祖细胞,毛细胞、胃肠粘膜,生殖系统细胞等等,都会被损伤。
因为大多数确切的细胞生长抑制药物的特异性低。
近年来发明了大量以特殊方式靶向作用于癌细胞的候选药物,如抗血管生成药物(Dell’Evaetal.,2004;Underineretal.,2004),,法呢酰基转移酶抑制剂(Johnston,2001) 酪氨酸激酶抑制剂(Efferth&Volm,1992;Efferthetal.,2004b;Smithetal.,2004) 细胞周期蛋白依赖酪氨酸抑制剂(Dai&Grant,2004)等等。
4. 药物确切靶点和不同的细胞内位点的下游机制在药物损伤后启动。
最重要的下游机制是凋亡。
尽管被抗癌药物成功定点,它的异常仍可能导致耐药和及癌细胞存活(Efferthetal.,1997;Pommieretal.,2004)。
程序性细胞死亡不仅仅由相关凋亡级联蛋白直接调控,还与外界因素有关。
因为趋化因子扮演着“生存因子”的角色协助阻止凋亡,有利于化疗损伤后的肿瘤细胞生存和耐药(Lotem&Sachs,1996;Efferthetal.,2002).。
已知的上游、药物靶点和下游位点基因可能作为分析预测药物效果和毒性及癌症病人化疗后生存多态性的候选因素。
这是一个实践进程而不是一个系统Thisisratherapracticalapproachthanasystematicone.。
一部份单核苷酸多态性仍是未知的,它们存在于人类基因组中,它们不位于已知的候补基因位点内也不在其附近,但显著地预测肿瘤对化疗的反应和病人的生存。
作为人类基因组知识的扩展,多态性可能是预测抗癌药疗效和毒性的方法(图1)。
3.2上游机制
3.2.1药物运载体
3.2.1.1ATP结合盒式运载体。
ATP结合盒式运载体家族有49个成员,大多数与疾病有关(Efferth,2001)。
与药物运载有关的ATP结合盒式运载体数量仍在增加(Gottesmanetal.,2002;Gilletetal.,2004).。
他们在药物吸收,组织靶向和药物清除中起决定作用。
3.2.1.2P-糖蛋白(ABCB1,MDR1)。
肿瘤细胞过表达P糖蛋白意味着多药耐药,包括蒽环类,蒽二酮类,长春花碱类,紫杉类和鬼臼乙叉甙等等。
P糖蛋白是一种通过降低胞内药物浓度到致死水平以下的方式达到耐药的外泵机制。
在各种机制中翻转酶模式是最常见的:
P糖蛋白逆浓度梯度把药物从胞膜的内小叶翻转到外小叶(Higgins&Gottesman,1992)。
P糖蛋白和它的编码基因,多药耐药基因Ⅰ(MKR1)在多种正常组织中如脑血管、肾上腺、肾、肝及胃肠道高水平表达(Fojoetal.,1987)。
P糖蛋白参与形成血脑屏障、激素转运和与营养素同时摄入的外源性化合物的解毒。
探索P糖蛋白/MDR1在癌症化疗中的临床应用成为研究的热点并在荟萃分析中进行评价(Efferth&Osieka,1993;Trocketal.,1997)。
虽然临床抗肿瘤治疗失败的原因是多方面的(Efferthetal.,1992;Efferth&Volm,1993;Volmetal.,1993,2002a,2002b,2004;Verrills&Kavallaris,2003),但P糖蛋白在耐药方面的主要作用是明确的。
许多临床研究证明P糖蛋白/MDR1能预测化疗失败(Sauerbreyetal.,1994:
Leonessa&Clarke,2003;Mahadevan&List,2004)。
目前ABCB1基因多态性有29种,在种族间它们的频率有较大的不同(Hoffmeyeretal.,2000;Ameyawetal.,2001;Schwabetal.,2003;Hondaetal.,2004)。
在它们中G2677T/ASNP位于21号外显子,而G3435TSNP位于26号外显子,这两个因为降低P糖蛋白的表达及功能而成为研究的热点(Sakaedaetal.,2003;Schwabetal.,2003)。
然而C2677T/A多态性导致A893S/T氨基酸改变,C3435T变异体因为是一个沉默SNP,它的功能至今仍不清楚。
目前研究这个SNP蛋白表达减少的多种可能原因,包括
(1)由于Ile密码子少有应用,导致转录减少。
(2)RNA折叠的等位基因特异性差别,影响了下游mRNA的剪接。
(3)与其他编码SNP的连锁不平衡(Eichelbaumetal.,2004)。
这两个SNP常常在所有人种中连锁,虽然各人种人群中连锁的频率不同(Kimetal.,2001;Tanabeetal.,2001;Siegmundetal.,2002).。
所以ABCB1(MDR1)基因特殊的单倍体可以决定药物的效果和毒性。
G2677T和C3435T单核苷酸多态性在药代动力学和药效动力学的作用仍然是有争议的,因为出现了不同的结果(Sakaedaetal.,2001;Gohetal.,2002;Illmeretal.,2002;Kim,2002;Kurataetal.,2002;Efferthetal.,2003;Plasschaertetal.,2004;还有很多其他的).这个差异不仅出现在抗癌药和MDR1SNP在肿瘤中的作用,而且出现在强心苷,免疫抑制剂,HIV蛋白酶抑制剂,三环抗抑郁药以及其他药物中(Eichelbaumetal.,2004)。
正常组织中的P糖蛋白表达对于不同系列各种药物的药代动力学及药效动力学起着重要作用。
MDR1基因中的SNP介导的变异在药物反应中的作用需要进一步的研究。
虽然P糖蛋白的表达在正常组织中最多可达10个折叠的不同,而3435CC和3435TT纯合子基因型之间基因型相关的表达差异只有2个折叠(Hoffmeyeretal.,2000)。
相似的,发现了G2677T多态性这个基因依赖的变异(Tanabeetal.,2001)。
这显示了还有其他因子可能影响P糖蛋白的表达和功能。
3.2.1.3多药耐药相关蛋白(ABCC家族成员,MRPs)。
多药耐药相关蛋白(MRPs)作为药物流出泵使细胞表达对细胞生长抑制剂耐药(Haimeuretal.,2004)。
它的耐药功能表达与P糖蛋白/MDR1重叠但不相同。
它们除了在耐药肿瘤中表达外,还在正常组织中高表达,如肺、睾丸、外周血液单核细胞等等。
MRPs在细胞膜外侧,以及胞内的囊泡和高尔基体。
它的作用是阻止药物进入囊泡以及细胞药物外泵。
MPRs通过与谷胱甘肽结合的方式使药物和外源性化合物转位。
就MRPs对临床肿瘤耐药和病人生存的作用而言,作为一种建议而未被确定(vandenHeuvelEibrinketal.,2000)。
MRP基因的应用也是一样的。
在MRP1和MRP2基因上经鉴定存在大量的SNP,一部份与家族性慢性非溶血性黄疸有关(Conradetal.,2001;Itoetal.,2001;Perdu&Germain,2001;Itodaetal.,2002;Suzuki&Sugiyama,2002;Oselinetal.,2003)。
这些SNP在药物转运上的作用还没明确。
3.2.1.4 乳腺癌相关蛋白(ABCG2,BCRP)乳腺癌相关蛋白(BCRP)最早在多药耐药乳腺癌细胞中发现(Doyle&Ross,2003)。
与P糖蛋白和MRP比较,BCRP作为一个ATP结合盒半转运子,在细胞膜表面形成二聚体。
这个功能性二聚体从细胞内拉出一大类的药物和外源性化合物,从而介导多药耐药。
它在许多正常器官中有表达,可能与以下作用有关:
干细胞保护和调控,低氧保护机制(Sarkadietal.,2004)。
BCRP作为预测临床化疗和癌症病人生存的作用仍然值得研究(Sauerbreyetal.,2002;Diestraetal.,2003)。
研究表明ATP结合盒转运蛋白的氨基酸序列可能影响底物的特异性。
体细胞突变是在耐药选择过程中产生的,这一点是明确的,和种系多态性是一样的。
在59个人类肿瘤细胞株中,有3个BCRPCDNA变异已经明确(G34A代入甲硫氨酸成为Val-12[V12M],C421A代入赖氨酸成为Gln-141[Q141K],and944–949deletionlackingAla-315andThr-316[D315-6])(Imaietal.,2002).G34AandC421A变异是多态性的,944–949缺失是剪接变体,C421ABCRP转染PA317细胞株与野生型的BCRP转染者相比蛋白表达和耐药水平明显地下降,而转染表达相同的BCRPmRNA。
G34A或944–949缺失的BCRP转染PA317细胞株与野生型的BCRP转染者相比表达出相似或稍低的蛋白表达和耐药水平。
这些结果从V12M和Q141K的BCRPcDNA变异体转染LLC-PK1细胞得到确证(Mizuaraietal.,2004)。
3.2.1.5叶酸还原载体(RFC)。
叶酸和抗叶酸载体通常由叶酸还原载体介导(RFC1)。
这是一个集中的阴离子交换过程,与不依赖能量驱动的外泵过程相反。
胞内的叶酸水平由两个过程的平衡决定。
RFC1属于易化载体中溶质载体(SLC)-19家族,并代表哺乳动物细胞和组织主要叶酸转运和经典抗叶酸系统。
(Sierra&Goldman,1999;Bosson,2003).
药物载体损伤是确定的氨甲喋呤耐药机制。
RFC1基因内的SNP的作用在儿童白血病对甲氨喋呤耐药是原发还是获得性的尚不明确,文献的数据仍有争论。
Laverdiereetal.(2002)分析RFC1中的G80ASNP,结果是纯合子AA儿童的无事件生存比基因型GG的差。
纯合子AA比其他基因型组的胞内甲氨喋呤浓度高,可能与降低细胞甲氨喋呤摄取有关。
相反的,Kaufmanetal.(2004)发现只有3/246的儿童急性淋巴细胞白血病病例D56H和D522NSNP影响甲氨喋呤耐药。
3.2.1.6核苷转运子(hCNT hCNT) 这两类人类的核苷转运子分别是平衡型核苷转运体(hENTs)和浓度型核苷转运体(hCNTs)。
hENT1和hENT2蛋白顺浓度梯度转运嘌呤和嘧啶。
3个hCNT是特征性的,hCNT1-3,它们是Na+核苷协同转运子。
hENT和hCNT介导以下药物的易位阿糖胞苷、吉西他滨、氟达拉滨、克拉屈滨、5-脱氧-5-氟尿苷,曲沙他滨和氯苯吩嗪(Damarajuetal.,2003)。
在hENT基因,24SNP已被确认。
它们是否与药物转运和耐药有关尚不明确(Damarajuetal.,2003)。
在hCNT1基因中,发现了58个SNP,其中有3个影响hCNT介导核苷结合和转运,它们分别是:
S546P,1153del,和V189I(Grayetal.,2004)。
3.2.2药物代谢第1相酶
3.2.2.1细胞色素P450单加氧酶(CYP)。
细胞色素P450单加氧酶(CYPs)是第1相的酶包括氧化,还原和水解外源性化合物(Gonzalez&Nebert,1990)。
CYP参与抗癌药的解毒,包括鬼臼乙叉甙,紫杉醇,长春花碱,三苯氧胺;也能激活无活性的药物前体,包括环磷酰胺(Kivistoetal.,1995)。
人类基因组中有55个基因中CYP1A,CYP2B,CYP2C,和CYP3A亚家族参与抗癌药物的代谢。
CYP命名的不同形式是基因超家族后接着阿拉数字代表家族(1-4),字母代表亚家族(A-F),最后一个阿拉数字代表独特的同工酶。
CYP大部分在肝脏表达,肠道也有表达。
由于某些抗癌药物(如环磷酰胺紫杉醇)经CYP的同工酶代谢,可以假定它们影响药物的疗效和毒性。
(vanSchaik,2004)。
CYP3A承担的近一半的CYP代谢活性。
2种主要的CYP3A同工酶形式是CYP3A4和CYP3A5。
儿科急性淋巴细胞白血病作为国家儿童癌症协会的一部份,观察了1204例患者的复发和毒性,并与CYP3A41B,CYP3A5*3,和CYP3A5*6SNP进行相关研究(Aplencetal.,2003)。
CYP3A基因型与复发风险不相关,CYP3A4*1B及CYP3A5*3变异与周围神经病变负相关。
如果青少年肿瘤曾用过鬼臼乙叉甙治疗,在以后的时间内可能会出现二原发的白血病。
研究表明在CYP3A4的5’启动子区域以及CYP3A4*V的SNP能减弱酶的活性,从而减弱鬼臼乙叉甙的代谢(Felixetal.,1998).这是经过替尼泊苷或鬼臼乙叉甙治疗的儿科肿瘤病人的白血病危险上升的遗传学解释。
CYP2C8通过6a-羟基化代谢紫杉醇。
在同民族人群发现6个等位基因以变化的频率出现。
CYP2C8*2仅在非洲和美洲人群发现,CYP2C8*3出现在高加索人种中(Nagasubramanianetal.,2003)。
第二种对紫杉醇的代谢能力较差。
抗血管生成药物沙利度胺通过CYP2C19介导的5-羟化过程激活。
在前列腺癌病人中CYP2C19*2纯合子的表现型是很弱的代谢能力,所以对沙利度胺的治疗无效。
3.2.3药物代谢第2相酶
第2相酶结合第1相的产物、其他中间产物、肾或胆排泄物的母体化合物。
第2相酶包括谷胱甘肽S转移酶(GST),尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶(UGT),、NADH醌脱氧酶(NQO)。
3.2.3.1.谷胱甘肽S转移酶。
GST结合谷胱甘肽到亲电子分子中,而且能氧化代谢产物。
它们的作用是基因突变和致癌并影响细胞对抗癌药物的反应(Ketterer,1988;Efferthetal.,1992;Volme
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