药物基因组学与免疫抑制剂的个体化用药

闫美玲，刘立玮，张弋（天津市第一中心医院药学部，天津 300192）

药物基因组学（pharmcogenomia， PG）是基于分子药理学与功能基因组学的新兴学科，在基因水平上研究药物在体内的处置过程和效应个体差异的遗传特征，并以药物效应及安全性为目标，结合患者的遗传学差异为个体化药物治疗提供理论依据。随着药物基因组学的发展，研究药物代谢动力学（pharmacokinetics， PK）和药物效应动力学（pharmacodynamics， PD）个体差异的分子遗传机制备受关注，同时众多研究者认为药物代谢酶、转运体和作用靶点的基因多态性是引起药物个体差异的主要原因［1］。免疫抑制剂是一类广泛应用于器官移植受者抗排斥反应的药物，主要包括钙调磷酸酶抑制剂（calcineurin inhabitor， CNI）：他克莫司（FK506）和环孢素A（CsA）、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）抑制剂：西罗莫司（SIR，或称为雷帕霉素rapamycin）、细胞增殖抑制剂：霉酚酸酯（MMF）和硫唑嘌呤（AZA）以及皮质类固醇等［2］。但是这些药物往往具有治疗窗窄、药物代谢动力学个体差异大、不良反应多等特点，因此，有必要对不同患者制定个体化的用药方案以达到最佳的治疗效果［3］。因此，结合个体基因遗传多态性研究药物体内处置过程、效应和安全性的个体差异，成为实现免疫抑制剂个体化用药的关键。本文通过总结药物代谢酶、转运蛋白和受体基因多态性对免疫抑制剂个体差异的影响，以期为实现个体化用药提供依据。

1 药物基因组学与个体化用药

药物基因组学是在基因水平上研究基因序列的多态性与药物体内处置过程、药物效应及安全性之间的关系。药物基因多态性主要表现为：① 药物代谢酶的多样性，如催化Ⅰ相反应酶系细胞色素 P450（CYP 或 P450） 中 的CYP1A2、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6、CYP3A4和CYP3A5等，以及催化Ⅱ相反应酶系如巯嘌呤甲基转移酶（TPMT）、N-乙酰基转移酶 （NAT）、谷胱甘肽S-转移酶（GST）等。如果代谢酶的基因多态性影响到酶的活性时，就会影响药物在体内的代谢过程、药物效应和不良反应；② 药物转运蛋白多样性，如多药耐药基因（MDR1）编码的P-糖蛋白（P-gP）是一种重要的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）依赖性跨膜外流泵，可从细胞内向细胞外泵出某些药物或其代谢物，在药物的吸收和消除过程中具有重要作用，是目前药物基因多态性研究的新方向。另外，摄取性转运蛋白，如有机阴离子转运多肽（OATP）、阳离子转运蛋白（OCT）、寡肽转运蛋白（PEPT）的多态性研究近年来也得到快速发展，这些基因多态性可能导致治疗过程中药物体内处置、药效和不良反应的个体差异；③ 药物靶标和受体的基因多态性：多数药物需要与特殊靶蛋白结合而发挥药理作用，这些靶蛋白包括受体、酶或与信号转导、细胞周期控制相关的蛋白质等。分子遗传学研究表明，许多编码这些药物作用靶位的基因表现为基因多态性，这些基因多态性会影响药物治疗的敏感性［4］。

2 基因多态性与个体差异

从药物基因多态性的表现可见编码药物代谢酶、转运蛋白、靶标和受体的基因多态性往往会影响这些酶和蛋白的活性，从而导致药物体内处置过程、效应和安全性的个体差异。FK506、CsA和SIR等免疫抑制剂主要的体内处置过程是：口服给药后经胃肠道吸收，药物进入小肠后，被小肠吸收的同时也被分布于肠壁的P-gP从小肠上皮细胞中排出到肠腔，限制了部分药物的吸收。而已吸收入小肠的药物经分布于此的CYP代谢为亲水化合物排出到肠道中，余下的药物经肝门静脉进入肝脏时又进一步被CYP代谢。所以代谢酶CYP和转运蛋白P-gP活性和功能的差异将引起药物血药浓度的差异，进而影响PK、PD和安全性的个体差异［4］。

基因多态性是CYP和P-gP活性及功能差异的决定因素。细胞色素P450是一大类药物代谢酶，参与许多药物、生物异源物质和内源性物质的代谢，其中CYP3A亚家族在肝脏和小肠中表达最丰富，临床中约有60%的药物需要经过CYP3A催化代谢。CYP3A主要由CYP3A4、CYP3A5、CYP3A7和CYP3A43组成。CYP3A7主要在胎儿的肝组织中表达，而CYP3A43在成人及胎儿组织中的表达较低。50%以上临床常用药物的氧化、还原反应都通过CYP3A4和CYP3A5催化。研究发现，中国汉族人中CYP3A活性个体间差异最大可达14倍［5］。因此，个体间CYP活性的差异可能是造成其代谢底物药代动力学不同的主要原因。P-gP亦称为ATP-结合盒B亚家族转运蛋白1（ABCB1）是多药耐药基因（MDR1）编码的膜蛋白，ATP依赖性地将作用底物由细胞膜内转运至细胞膜外，即ATP依赖性跨膜外流泵。P-gP表达在小肠上皮细胞、肝胆管、脉络丛、近曲小管表面的肾细胞等许多正常组织，因而它对许多外源性物质和药物在尿道、胆汁和肠道的转运和分泌过程中发挥重要作用。P-gP的作用底物包括胆红素、免疫抑制剂、糖皮质激素和许多结构不同的抗癌药物。当P-gP活性增加时，大量底物将被转运至膜外，反之亦然。因此，其编码基因MDR1的多态性会影响P-gP的活性和功能，从而造成其作用底物的药代动力学、药物效应和安全性的个体差异［6］。

3 基因多态性对免疫抑制剂的影响

3.1 CNI

3.1.1 FK506：FK506是从链球菌属培养物中分离得到的大环内酯类CNI，在细胞内能够与免疫嗜素家族成员FK结合蛋白（FKBP）结合，通过阻止钙调磷酸酶的功能而抑制T淋巴细胞活化信号的转导。FK506目前已广泛应用于实体器官移植或造血干细胞移植后的抗排斥反应治疗［7］。但其口服吸收率低，平均生物利用度仅为25%（波动范围为5%～93%），个体间血药浓度变异较大，当FK506血药浓度较高时，会出现相应的不良反应，如肾毒性和神经毒性。不同个体间药效的差异与CYP3A和P-gP的作用有关，编码这些蛋白相关的基因多态性则与不同个体间药物代谢的差异密切相关。FK506是CYP3A酶和药物转运蛋白P-gP的底物， 其中CYP3A4、CYP3A5参与FK506的代谢过程，P-gP则主要与药物转运相关。

有研究报道显示，CYP3A4*1B（rs2740574）、CYP3A4*18B（rs12333983）的多态性与CYP3A4酶活性和FK506血药浓度及不良反应相关［8］。最近研究发现，肾移植受者携带CYP3A4*22（rs3599367）等位基因突变体具有更低的FK506清除率和更高的血药浓度［9］。CYP3A4*1/*22患者中 FK506浓度明显高于CYP3A4*1/*1，CYP3A4*22杂合体患者的相对等效剂量为CYP3A4*1/*1携带者剂量的0.67 倍［10］。CYP3A5*3（rs776746） 多 态 性 对FK506的剂量调整也发挥重要作用［11］。最近的研究发现，CYP3A5*3和CYP3A4*22突变纯合子的携带者需要的药物剂量是（4.8±3.1） mg，而野生型携带者需要的FK506为（12.5±7.7） mg，是平均剂量的165%。统计发现，这可以解释FK506谷浓度/剂量比18.3%的个体差异［12-13］。此外，研究发现肝移植供者白细胞介素-18（interleukin-18，IL-18）的基因多态性（rs5744247）也与FK506的剂量调整相关，其突变可增加肝移植早期FK506的浓度/剂量比［14］。但P-gP编码基因MDR1基因多态性对FK506的影响尚存在分歧［8］。

3.1.2 CsA：CsA是由11个氨基酸组成的中性环状多肽化合物，其进入细胞质后与免疫嗜素家族成员嗜环蛋白（CyP）结合，CsA-CyP复合物竞争性结合信号转导通路中的钙调磷酸酶，抑制T淋巴细胞内转录因子活化T细胞核因子（NFAT）的激活与转位，抑制T淋巴细胞的活化，达到免疫抑制作用［8］。早期研究证实CYP3A4和CYP3A5参与CsA代谢，而P-gP在CsA的吸收和分布中发挥重要作用。研究发现，CYP3A4*1B（rs2740574）等位基因携带者口服CsA后其清除率可增加9%［15］，CYP3A4*18B（rs2242480）等位基因携带者CsA的浓度/剂量比降低，这就需要增加CsA的剂量以达到最适靶浓度［16］。而研究发现，CYP3A5*3（rs776746） 和CYP3A5*6（rs10264272） 这 2个位点的突变对CsA的药代动力学特点并无影响。研究P-gP编码基因ABCB1基因多态性发现，ABCB1 rs1045642位点并未影响CsA的药代动力学特点，而ABCB1 rs2032582和rs1128503突变位点仅在肾移植术后生存时间大于8年的患者中CsA生物利用度增加1.3～1.6倍，肝提取率降低［17］。此外，另有研究发现着色性干皮病偶联蛋白（XPC）rs2228001、CYP2C9 rs1057910和配对盒同源基因4（RAX4）rs712704的基因突变会增加CsA的肾毒性［18］。

3.2 SIR：SIR是一种新型的三烯大环内酯类化合物，其结构与FK506相似，但两者的免疫作用机制截然不同，SIR不影响钙调磷酸酶的活性。SIR与相应的免疫嗜素FK506结合蛋白12（FKBP12）结合形成复合物后可结合mTOR激酶，阻止mTOR激酶对真核启动因子4E结合蛋白1（4E-BP1）的去磷酸化作用，阻断白细胞介素（IL-2、IL-4和IL-6）受体启动的信号转导通路，抑制T淋巴细胞的生长，从而达到免疫抑制目的。SIR在体内主要被CYP3A代谢，同时也是P-gP的作用底物。其PK特征表现出较大的个体间和个体内变异［8］。研究发现，CYP3A4*1B（rs2740574）或CYP3A5*1（rs776746）等位基因携带患者具有更低的浓度/剂量比，因此，需要更高的剂量才能达到最适靶浓度［19］。CYP3A4*22（rs35599367）可降低 SIR 的代谢速率，但是并未影响其药代动力学特点［20］。研究表明，ABCB1基因多态性与SIR的剂量和浓度并不相关，仍需大量临床研究证实［8］。

3.3 细胞增殖抑制剂

3.3.1 MMF：MMF是目前器官移植应用较为广泛的一类免疫抑制剂。其在体内可代谢为霉酚酸（MPA）来发挥活性作用。MPA是选择性的肌苷-磷酸脱氢酶抑制剂，可高效、选择性、非竞争性和可逆性地抑制次黄嘌呤单核苷酸脱氢酶，阻断细胞内鸟嘌呤核苷酸的合成途径，进而阻断DNA合成，抑制T淋巴细胞和B淋巴细胞的增殖。尿苷二磷酸-葡萄糖醛酸转移酶（UGT）是MMF代谢的重要限速酶，因此，其多态性对MMF的个体差异具有重要意义。研究较多的药物代谢相关基因多态性位点包括UGT1A8、UGT2B7和UGT1A7。这些位点的突变可能并不影响MPA的血药浓度，但是会影响MPA的不良反应。例如，UGT1A8野生型患者服用MMF后腹泻风险明显高于突变型患者，UGT2B7野生型患者的贫血风险和胃肠道不良反应均高于突变型患者［21-22］。另有研究发现，CYP2C8（rs11572076）突变型患者MMF的贫血风险增加［23］。

3.3.2 AZA：AZA主要干扰细胞周期中S期的嘌呤代谢，抑制中性粒细胞通行和免疫活性细胞的细胞毒性，从而发挥免疫抑制作用。口服AZA吸收后，在体内可迅速转化为6-巯基嘌呤（6-MP）而起作用，6-MP可被TPMT催化为6-甲基巯嘌呤。因此，TPMT的活性差异会影响AZA在体内的代谢过程，从而引起药物效应和不良反应的个体差异。AZA主要的不良反应是可逆性的骨髓抑制，研究发现，TPMT活性缺失的患者在给予常规剂量的AZA后会出现骨髓抑制，中等TPMT活性的患者在高剂量AZA治疗时骨髓毒性的发生率增加。TPMT基因多态性研究发现，中等以下活性人群中TPMT*2（rs1800462）、TPMT*3A（rs1142345和rs1800460）和TPMT*3C（rs1142345）变异共占80%～95%，其等位基因携带患者可出现不同程度的骨髓抑制和白细胞减少［24］。因此，在AZA用药前检测TPMT基因多态性对个体化用药具有重要意义，对变异型患者应相应减少AZA的用量从而避免严重不良反应的发生。FK506、CsA、SIR、MMF和AZA及与其代谢、转运、药效和安全性相关的基因多态性如表1所示。

4 结论与展望

免疫抑制剂个体化用药目的是希望针对不同个体达到最少用药、最佳免疫耐受与最少的不良反应，但实现其个体化用药除了进行常规的治疗药物监测、计算药代动力学参数和观察临床表现外，另一个重要支撑是进行药物基因组学研究。

表1 常用免疫抑制剂及与其代谢、转运、药效和安全性相关的基因多态性

目前，对免疫抑制剂的药物基因组学已经进行了大量的研究，但仍有许多问题亟待解决。现有基因多态性研究结果仍存在差异性，不同实验室在不同人群中得到的基因多态性结果往往差异较大，甚至存在分歧。目前多数研究只围绕基因组上单个核苷酸的变异与药物体内药代动力学、药物效应和安全性的关系，较少从基因与基因间的相互作用对药物体内过程的影响进行研究。现在所知靶基因较少，真正能用于临床检测的基因还很少，而且选择合适的靶基因进行临床检测仍存在争议［25］。因此，如何将药物基因组学研究结果应用于临床个体化治疗仍需要更加深入细致的探索和研究。但药物基因组学研究的快速发展为个体化治疗提出了一个新的研究方向，同时基于基因层面的个体化诊疗为实现免疫抑制剂个体化用药提供了一种新的思路与方法。