药物基因组学与临床应用

一、药物基因组学的定义

药物基因组学(pharmacogenomics)是20世纪90年代在遗传学、基因组学、遗传药理学基础上发展起来的一门新兴的交叉学科，主要研究人类基因组信息与药物反应之间的关系，利用基因组学信息解答不同个体对同一药物反应上存在差异的原因。即：①为什么不同个体对同一药在相同剂量下的反应有差异？②这种差异能否在基因组水平上被科学预测，并用以指导临床正确和安全用药？③能否运用这种基因组多态性的信息为创新药物的发现提供指导，减少风险？

早在20世纪初，英国科学家Gamd就提出，缺损基因的遗传可引起特异性酶缺失，从而致“先天性代谢缺陷”，并指出，个体对药物反应的差异是遗传差异所致。随后，在20世纪50代兴起了遗传药理学(pharmacogenetics)，主要研究机体的遗传多态性在药物反应个体差异中的作用。

在遗传药理学的发展过程中，具有里程碑意义的工作有：

1. 1956年，Carson等发现对伯氨喹敏感的红细胞内还原型谷胱甘肽浓度降低，是由于葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD)的缺乏所致。

2. Klow和Genest于1957年证实机体对肌松药琥珀胆碱的异常反应是血清胆碱酯酶的亲和力变异所致，而不是胆碱酯酶的含量不足引起。

3. Evans等于1960年报告的关于异烟肼代谢率的遗传差异和慢、快乙酰化代谢者的区分，为遗传药理学的一项经典研究。

遗传药理学与药物基因组学的内涵在很大程度上相互重叠，常常是相互通用。两者都是研究患者的药物效应存在个体差异的基因学本质，前者侧重于影响药物效应的备选基因的遗传多态性，而后者则包括有关用药的整个基因组的遗传多态性研究。很多情况下会交替使用这些概念。

二、遗传多态性

造成药物反应的个体差异除了与药物本身存在着质量问题，以及患者的生理、病理状态好坏有关外，人们发现遗传因素也是造成个体差异的重要原因。遗传多态性(genetic polynphism)是指发生率等于或大于1%的常见遗传性变异，又称基因多态性。药物代谢酶及药物作用部位(如受体)存在着的遗传多态性与药物疗效和毒性的个体差异有很大关系，有人认为遗传因素可占20%~95%。

20世纪80年代后，分子生物学的发展为遗传药理学提供了有力研究手段。例如，在参与药物代谢最常见的肝微粒体细胞色素P450(CYP）中，人们克隆了编码异喹胍羟化酶(CYP2D6)的基因，并通过载体成功表达了CYP2D6酶，然后对其多态性进行了研究。其后又陆续阐明了许多药物代谢酶的分子机制，使这些药物代谢酶的临床意义更加清楚。

细胞色素P450单氧化酶系

随着研究的深入，人们发现药物的药理作用并不由单基因决定，而是由多个不同基因编码的蛋白在药物代谢、分布、起效等几个方面相互作用产生的综合结果。假设药物的效应由两个不同的多态性基因决定：其中一个编码药物代谢酶，不同基因型的产物代谢能力存在差异，从而使个体间血浆药物浓度不同；另一个编码的是药物作用的受体，不同基因型的受体敏感性不同，使同一药物浓度下个体间反应不同。两种基因不同基因型组合，形成药物作用的复杂结果(下图)。

药物代谢酶及药物作用受体基因型不同的患者，给予相同剂量药物后的不同效果

wt/wt：野生型纯合子；wt/m：杂合子；m/m：突变型纯合子

左：药物代谢酶基因型不同的患者给予相同剂量药物后的药-时曲线。wt/wt、wt/m及m/m型患者服后分别有30%(A)、65%(B)及99%(C)的药物以原形发挥作用

中：药物作用受体基因型不同的患者给予相同剂量药物后效应-浓度曲线。在相同药物浓度时wt/wt型患者与wt/m及m/m型患者相比药物作用更强。

右：药物代谢酶和受体遗传多态性造成的九种可能的理论模式。

三、研究范围

近年来，国内外与药物反应有关的遗传多态性的研究进展，无论是研究范围还是临床意义都十分迅速，例如人类的单核苷酸多态性(SNPs)的发现和阐明就是一个例子。

在很多情况下，由SNP可能造成与药物相关酶、转运蛋白或受体功能损害或完全丧失，进而引起的药物反应性状的变异(少数情况下也可能通过不同的机制如基因多拷贝生成过量的酶引起功能增强)。某些决定药物反应变异的蛋白和相关基因也同时与某些疾病的病理生理有关。而且，某些疾病可能由多基因决定(如动脉粥样硬化、某些癌症、神经退行性疾患)阐明这些疾病的病因也是个体化治疗的重要方面。

在药动学方面，转运蛋白的多态性可影响药物的吸收、分布等，如跨膜外转运泵P糖蛋白(Pgp)的过量表达，可降低某些药物的口服生物利用度，同时也与肿瘤细胞的多药耐药有关；血浆蛋白则可因遗传多态性而致功能异常，进而影响游离血药浓度和药物的分布。某些转运体的变异也是引起机体对药物吸收分布异常的主要因素；药物代谢酶的多态性主要影响药物的代谢，有些研究在给予健康的同卵和异卵双生子同一剂量的同一药物后，发现同卵双生子间对药物消除的差异远远小于异卵双生子间对药物消除的差异，说明遗传多态性是影响药物消除的重要因素。但遗传多态性对药物代谢的影响研究较多，而对药物排泄的影响研究较少。

从药效学上看，多数药物的作用靶点是蛋白质(包括受体、酶、离子通道等)，它们都是相应基因表达的产物。人群中表达蛋白的结构基因或调控结构基因表达的调节基因在序列上通常呈遗传多态性，表现为一定比例的个体在蛋白质尤其是受体的数量、结构、功能等方面存在变异，从而在各种疾病的发病机制、药物与靶蛋白亲和力及药物活性发挥等方面出现差异，并有可能影响到药物的药理效应。蛋白质的表达和功能产生的直接或间接影响，可能是药物产生副作用的根本原因，这种变异能影响药物副作用的多少和严重程度。

四、研究方法

药物代谢酶多态性的表型分型(phenotyping)是通过检测个体的代谢能力来间接分析其基因变异。选择某些药物代谢酶的特定底物作为探针药物，给予受试者后收集一定时间的血液或尿液，采用HPLC等手段分离测定血(尿)中原形药物和代谢物浓度，计算原形药物与代谢物摩尔浓度比值(MR)，依据特定的分界点(antimode)将受试者区分为慢代谢(PM)中速代谢者(M)、快代谢者(EM)和极快代谢者(UM)。如控制好表型分型的试验条件(即肝、肾功能正常，无合并用药等)，其分型结果可直观地反映出受试者对某些药物在体内代谢的快慢程度。例如，右美沙芬等用于CYP2D6酶的表型测定，美芬妥英等用于CYP2C19酶的表型测定，咖啡因等用于NAT2酶的表型测定。当然，表型分型也有其不足，如特异性探针种类有限，卧床患者服药留尿有困难，合并使用某些药酶抑制剂如氟西汀、特比萘芬会导致分型结果不正

随着分子生物学研究技术的发展，出现了基因分型方法，通过提取受试者DNA而直接分析基因变异，可以快速、准确地诊断出有药物代谢或受体活性异常的个体，且结果终身不变。如聚合酶链反应(PCR)、限制性片段长度多态性(RFLP)和基因芯片技术。例如，遗传多态性对治疗急性淋巴细胞白血病(ALL)药物的作用和毒副作用有深远的影响，个体化给药可以改善治疗。

另外，人们也已明确白血病的成熟淋巴细胞是预后的重要指标，可以为选择治疗强度提供帮助。而且，细胞因子和其他决定患者对病原微生物敏感性的因子也存在遗传多态性，心血管系统、内分泌系统中及其他可能影响药物对患者毒性的受体也存在多态性。因此，人们试图设计一种“ALL基因芯片”，可协助临床医生迅速客观制定ALL个体用药方案。该芯片从癌症基因分型、人体易感性的基因分型、药物代谢酶的基因分型、感染防御的基因分型几个方面确定疾病对药物的敏感性、药物在体内代谢的情况及可能的毒副作用(包括心血管系统、内分泌系统毒性和感染等方面给出个体化治疗的建议(如下图)。

用于检测与急性淋巴细胞白血病(ALL)治疗有关突变的DNA芯片示意图

五、发展方向

在遗传药理学与药物基因组学研究的基础上，2015年1月，美国首先提出“精准医学计划(Precision Medicine Initiative)”，希望以此“引领一个医学新纪元”，即“把按基因匹配癌症疗法变得像输血匹配血型那样标准化，把找出正确的用药剂量变得像测量体温那样简单，每次都给恰当的人在恰当的时间使用恰当的疗法”。