[科普中国]-遗传药理学

遗传药理学源于英文Pharmacogenetics , 由“药物pharmaco -”和“遗传学genetics”合并而成。其广义定义是研究任何有生命的物种因先天性遗传变异而发生的对外源性物质反应异常的学科，狭义定义为个体遗传变异对药物反应个体差异影响的学科。现代医学研究证明，某些亚人群发生的药物严重毒副作用或者治疗失败都具有显著遗传背景，遗传基因不同引起的药物反应差异可能导致医疗费用的上涨、患者的痛苦增加甚至死亡。通过对遗传药理学的研究，则可能利用现代科技手段，预测可能的用药结果，为患者提供更为安全、有效、经济的药物治疗方案1。

药物作用的差异有些是由遗传因素引起的，研究遗传因素对药物反应影响的学科称之为遗传药理学（pharmacogenetics），它是药理学与遗传学相结合发展起来的边缘学科。遗传药理学(pharmacogenetics)是研究临床药物治疗中个体反应差异的遗传学因素的学科,认为遗传多态性可引起不同个体在服用药物时的药理学及毒理学的不同效果,从而引起药物治疗效果的差异2。

1. 遗传药理学的诞生与发展遗传药理学起源于19 世纪末—20 世纪初。1898 年, 英国St Bartholomew' s 医院内科医生Archibald Garrod 致力于尿色素成分的研究, 他发现个别病人服用一种叫做索佛拿的镇静催眠药可导致卟啉病和尿黑酸症, 并且发现这种异常药物反应在具有血缘关系的亲属身上发病率明显高于非亲属个体, 于是第一个提出这种罕见的药物反应具有“先天决定性”, 并且结合“孟德尔遗传定律”认为卟啉病和尿黑酸症为单基因遗传的异常药物反应。1902 —1913 年, 英国另一位杰出的生物学家Bateson W 证实Garrod 发现的药物反应为隐性遗传。Garrod 于1908 年首次提出“化学异质性”一词, 在他的一段文章中曾经这样记录:“对于任何一种经口或其他途径进入身体的毒物, 人体有抵御并将其分解消除的天然屏障。任何一种有活性的药物如果剂量过大都会成为毒药, 然而某些人对于大多数人可耐受的正常药物剂量可表现出毒副作用, 还有些人对于大多数人效果很好的药物剂量表现出超乎寻常的耐受性。”这是首次具有高度预见性的文字对遗传药理学现象作出描述。

1.1遗传药理学研究的首个实例:味盲实验 世界上首个遗传药理学实验并非针对某种药物, 而与尝试某种化学物质产生的不同味觉有关。苯硫脲原本是人们为寻找蔗糖替代物而人工合成的一种化学晶体, 在实验中Fox AL 观察到一部分人尝苯硫脲时抱怨味道是苦的, 而另一部分受试者说味道很淡或者说象“沙子” 一样根本没有什么味道[ 6] 。Synder LH 敏锐地注意到了这个现象, 他难以置信地完成了一项涉及800个家庭的大型研究, 最终发现这种所谓的味觉障碍呈常染色体隐性遗传, 并且在不同地域或种族间发生率有差别[ 7] 。该实验成为后来遗传药理学研究的雏形,它第一次揭示了人类对化学物质的反应呈现遗传多态现象, 同时也是有关化合物反应种群差异的最早历史记录。

1. 2 20 世纪50 年代遗传药理学史上的里程碑事

件 遗传药理学作为一门独立学科出现是在上世纪50年代。新技术的出现使研究者有了新的手段检测酶活性和药物的代谢产物, 并观察药物的反应。直到50年代末期, 三个著名的实验应证了遗传药理学的先驱Garrod在50年前的伟大预言:酶活性的个体差异是造成药物不良反应的重要原因。Alf Alving 和他的同事在第二次世界大战期间曾用伯氨喹给士兵治疗疟疾, 白人士兵绝大部分人安全而有效, 却有高达10 %的黑人士兵服用相同剂量的伯氨喹后出现急性溶血危象。后来被证实造成这种现象的原因是体内葡萄糖-6-磷酸-脱氢酶(G6PD)缺乏, 影响了红细胞的变形能力。有些病人吃了蚕豆后出现的溶血也是由于G6PD 的缺乏引起, 这些人通常具有相似的遗传背景, 多见于地中海民族的后裔。1956年,Carson等发现造成该G6PD 缺陷的位点位于X染色体,且发生率非常高, 粗略估计约4 亿左右的人至少携带135 个G6PD 基因突变位点中的一个,面临着药物性溶血的风险。

第二个实例关于琥珀酰胆碱(一种肌松药),临床上常用其合并手术麻醉。一般琥珀酰胆碱所致的肌肉麻痹只能维持几分钟,但个别人可延长到1h,甚至面临呼吸暂停的危险。Kalow和Genest于1957 年证实对琥珀酰胆碱的异常反应是由常染色体隐性遗传引起的血清胆碱酯酶的低亲和力所致,而并非胆碱酯酶含量绝对不足。遗传缺陷引起药物转化异常最著名的研究是Evans等于1960年报告的关于乙酰化代谢多态性的研究, 异烟肼用于治疗结核病时可将患者明显区分为慢、快代谢者。直到30年后,研究者终于证实其机制是由位于8号染色体的N-乙酰转移酶2 基因突变所引起。该项关于异烟肼代谢率快慢受遗传控制的研究成为遗传药理学史上的一项经典研究。这一研究至今仍为研究药代动力学遗传性状的模板。

1.3遗传药理学发展史上的重要事件

1953 -1954 年Bö nicke 等发现异烟肼的乙酰化代谢可区分为快代谢者和慢代谢者；

1956 年伯氨喹引起的溶血与红细胞的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶遗传缺陷有关；

1957 年Kalow 和Staron 发现琥珀酰胆碱引起的呼吸暂停与血清胆碱酯酶遗传缺陷有关；

1959 年Vogel 首次提出“遗传药理学”；

1962 年Kalow 发表第一本遗传药理学专著:Pharmacogenetics-Heredity and the Response to Drugs；

1985 年PCR 技术使基因序列可呈指数扩增, 遗传药理学研究方法和技术手段获得飞跃；

1989 年周宏灏在《新英格兰医学杂志》首次报道东西方人群普萘洛尔代谢和效应的种族差异；

1997 年“ 药物基因组学” 一词首次在文献中出现；

2001 年第一张人类基因组序列草图正式发表；

2003年基因组HapMap 计划启动, 旨在提供单倍型模块数据;人类基因组序列基本完成。

2.遗传药理学下临床用药模式的变革和意义2.1临床用药模式

人类医学的临床用药模式发展至今大致经历了三个不同的阶段, 前两个阶段分别是经验用药阶段和循证用药阶段, 第三个阶段是国际上刚刚兴起的以遗传药理学为指导的个体化用药阶段。

2.1.1经验用药(experience medicine)是指医生根据自己的实践经验和高年资医师的指导、教科书上的研究报告依据来给患者用药, 这种以经验为主的传统用药模式实践的结果, 使一些患者从理论上推断可能服用某种药物有效, 而实际上无效甚至可能对患者造成伤害。本质上来说, 经验用药实际上是对临床用药现象的分析与综合

2.1.2循证用药(evidence based medicine)是指对患者的药物治疗方案应在现有最好的临床研究依据基础上作出, 同时也重视结合个人的临床经验。循证用药模式是以大样本、多中心、随机、双盲临床试验的研究结果为基础, 是对经验用药模式的巨大改进, 然而从本质上来看, 循证用药模式仍然是一种放大的科学群体经验, 对于发生率极低的罕见药物反应或者特异质反应难以做出本质上的解释。

2.1.3个体化用药(personalized medicine)是临床用药模式发展的最新阶段, 是人性化、科学化的临床用药模式新理念的一次本质飞跃,它拒绝经验和推测, 医生将首先解读病人的遗传基因编码,根据其特定的基因型对病人可能出现的用药情况作出科学而不是臆断的预测, 然后给予病人特定种类和特定剂量的药物进行治疗,取得最佳疗效的同时最大限度的避免药物毒副作用。个体化药物治疗为循证医学无法解释的药效学现象找到了答案。遗传药理学研究为提高临床药物疗效和降低药物不良反应提供了有力工具,是近年来临床医学以及新药研发中最活跃的领域。药物反应受多种因素影响, 而遗传因素是人一生中稳定的决定因素。如果异常药物反应和各种基因型组关系已明确, 完全可以按照遗传药理学的信息,指导选择药物品种以及给药剂量,以进行安全有效的治疗。早在1999年4月19日,美国华尔街日报头版题为“开创个体化药物治疗新纪元———依据个体基因型确定药物类别和药物剂量”的报道, 呼唤进行药物治疗模式新的变革, 这也必将成为未来药物治疗的美好蓝图。

2.2临床用药模式的变革

从按体重、性别、体表面积等给药和到按遗传敏感性个体化给药,直接导致了临床用药模式的变革。经过50年遗传药理学的迅速发展,遗传基因给人类用药模式带来的巨大变革，主要体现在以下方面:

(1)所有的药物反应均因人而异, 所有的药物效应均受基因影响;

(2)多种药物代谢酶的活性受单基因的遗传多态性(包括编码区单核苷酸突变、基因缺失、多拷贝重复序列和调节区突变)的影响, 如CYP450酶(CYP2D6 和CYP2C19)、N-乙酰转移酶、硫代嘌呤甲基转移酶、尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基转移酶等。携带以上单基因突变的个体服用正常剂量药物后发生毒副作用的风险或治疗无效的可能性较大;

(3)药物转运体和靶点(如受体、离子通道、生长因子等)对于药物反应个体差异的作用日益受到重视;

(4)恶性肿瘤病人中某些亚群体仅在携带某些靶点的敏感突变(如表皮生长因子受体EGFR之对于抗癌药物吉非替尼)时对化疗药物有效;

(5)大多数药物的作用受多因素的影响,也就是受到多基因和多环境因素的共同作用;

(6)药物相关基因多态性多数存在明显种族差异,如N-乙酰转移酶基因多态性;

(7)检测药物效应预测基因的遗传特征(如抑郁症和恶性肿瘤的药物基因检测)对临床疗效的影响, 目前基本上仅限于医学研究中心,真正应用于临床的还很少。

3.遗传药理学的主要研究内容和研究目的遗传药理学的研究内容广泛，因个体药物代谢酶、转运体及受体的遗传缺陷，导致不同患者在药物代谢酶活性、药物转运体能力大小及药物受体敏感性等方面存在的种族

性、区域性差异，都属于遗传药理学的研究范畴。其中，遗传因素对药物代谢和药物反应影响的研究较多。遗传药理学旨在发现决定药物反应个体差异中起作用的、最终可能有功能意义的候选蛋白及导致药物反应多态性的常见基因多态性，通过建立离体/在体模型和计算机模型，或对家系、患者、人群进行遗传学、分子生物学方面的流行病学研究，阐明他们在药物反应个体差异和疾病发生方面的作用，最终达到根据患者特定的代谢、消除和反应等遗传药理学信息选择适合的药物和适合的剂量，甚至预防疾病发生的目的，实现真正的个体化治疗。

4. 遗传药理学的发展现状现代生命科学技术的迅猛发展使遗传药理学和个体化用药的发展进程大大加速，现在，遗传药理学研究者们不仅可以通过临床观察和相关检测手段，找出可能的药物作用相关基因（受体），而且能够通过对药物作用相关基因（受体）进行检测来筛选药物治疗对象，调节药物剂量，提高治疗效果。如广泛用于预防血栓栓塞的抗凝药物华法林药理作用复杂，很小的剂量－反应变化也可导致血栓或出血，不同个体及种族用药剂量可相差 20 倍。对其中遗传因素进行研究发现，维生素 K 环氧化物还原酶复合物 1 基因（VKO-RC1）的多态性可以解释华法林用药剂量 1/3 的遗传因素的影响，联合细胞色素 P450 酶（CYP450）2C9 多态性可以解释患者之间 50%的剂量个体差异，目前美国

FDA 已经批准华法林处方信息更改为推荐根据人类基因信息检测结果选择合理的给药剂量。但对于大部分药物，遗传药理学还仅限于研究阶段，研究最多的内容是药物代谢酶，尤其是CYP450 基因多态性对药物代谢的影响，此外还有关于药物转运蛋白、药物效应基因以及药物不良反应方面的研究。

4.1 细胞色素 P450 酶（CYP450）基因多态性CYP450 是一组涉及到许多内外源性物质代谢的混合功能氧化酶，位于细胞内质网膜和肾上腺皮质线粒体中，根据酶蛋白一级结构中氨基酸顺序的同源程度可将CYP450超家族分为家族、亚家族和酶个体 3 级， 例 如 CYP3、CYP3A、CYP3A4。其中 CYP3A4 亚族参与约 50%药物的代谢，CYP2D6 是最具有多态性的酶系，CYP2D6、CYP2C9、CYP2C19 基因多态性是遗传药理学的热点内容。

4.2 其他代谢酶

4.2.1 N- 乙酰转移酶（N-acetyltransferase， NAT）NAT 是体内催化乙酰化反应的酶，在异烟肼、普鲁卡因酰胺、咖啡因、柳氮磺吡啶、磺胺类药物等药物的代谢中发挥重要作用。NAT 在体内有 NAT1 和 NAT2 两种同功酶，约有 15 种等位基因突变，其基因多态性可导致快代谢型和慢代谢型两种代谢方式，慢代谢型个体代谢药物速度与快代谢型可相差 10 倍，血药浓度维持时间明显延长，异烟肼、柳氮磺吡啶的不良反应在慢代谢型个体更为常见。慢代谢型出现的几率与种族有关，在美洲白人和黑人中大约是

50%，在北欧是 60% ~ 70%，但在东南亚却只有 5% ~ 10%。

4.2.2 亚甲基四氢叶酸还原酶（methylenetetrahydrofolate re-ductase， MTHFR）MTHFR

是叶酸代谢过程中的关键酶，与甲氨蝶呤的代谢和疗效密切相关。MTHFR 有多种基因亚型，其中引起 MTHFR 酶活性降低的两种常见亚型为C677T及A1298C。C677T 亚型与甲氨蝶呤毒性增加，不良反应导致的治疗中止风险增加有关。接受 CMF（环磷酰胺 + 甲氨蝶呤 + 5-Fu） 治疗的乳腺癌患者中严重骨髓毒性的发生率与 C677T 改变有关。

4.2.3 胸苷酸合成酶 （TS）和二氢嘧啶脱氢酶 （DPD）二氢嘧啶脱氢酶（DPD）是 5- 氟尿嘧啶主要代谢酶，相对于普通人群，在 1% ~ 3%的癌症患者中，使用可以明显降低 DPD 活性的药物，可使严重的药物毒性反应增加。有研究发现肿瘤组织中胸苷酸合成酶（TS）基因高表达和 TS高含量者对 5- 氟尿嘧啶（FU）的治疗反应率较低，分析肿瘤组织中 TS 基因多态性，联合 TS 蛋白或 m RNA 表达水平有助于预测患者对氟尿嘧啶类制剂的反应。

4.3 药物转运蛋白

P- 糖蛋白是一种穿细胞膜的流出泵，在体内将亲脂性的底物药物泵出细胞，参与多种药物在体内的主动转运过程，如蒽环类药、免疫抑制剂、钙离子拮抗剂、蛋白酶抑制剂、大环内酯类抗生素等。P- 糖 蛋 白 由 多 耐 药 基 因 1(MDR1)编码，多耐药基因 1(MDR1)有 50 种以上的 SNPs，其中在 2677 和 3435 位点的突变与 P- 糖蛋白的表达或功能有关。MDR1 多态性决定了 P- 糖蛋白在体内的表达水平及功能，有关其在药物代谢动力学方面对临床治疗效果影响的文献报道有不同的研究结果。Yamauchi 等发现MDR1在碱基序列 2677 处的变异与他克莫司的神经毒性相关。Siddiqui A 等发3435CC 基因型个体 P- 糖蛋白表达及活性明显增强，且难治性癫痫的比例显著增高。vonAhsen、Hesselink、Goto等 的 研 究 结 果 显 示 MDR1亚型 C3435T 与环孢素、他克莫司血药浓度可能有关。Virgil E G 等人研究认为 MRP 高表达的非小细胞肺（NSCLC）患者采用辅助化疗疗效较差，可用于预测患者治疗效果。其他药物转运相关蛋白有多药耐药相关蛋白（MRP）、乳腺癌相关蛋白（BCRP）等。

4.4 药物效应基因

除药物代谢酶，药物的靶分子/受体及信号传递过程中的分子对药物疗效差异也起着重要的作用，如与风湿病药物治疗有关的肿瘤坏死因子（TNF），Mugnier 等发现携带 G/G 亚型的患者对英夫昔单抗治疗的反应明显优于A/A 或 A/G 亚型携带者。对于抗精神病药物，目前认为5-HT2A受体基因 T102C 多态性和 DRD2Tagl A 多态性与氯氮平、氟哌啶醇的临床疗效相关。SCL6A4 启动子的短序列多态性、色氨酸羟化酶 A218C 的多态性与氟伏沙明和帕罗西汀的疗效相关。

4.5药物不良反应

伊立替康（开普拓）是用于结直肠癌根治术后的化疗药物，在体内经尿苷二磷酸葡萄糖甘酸转移酶 1A1（UGT1A1）催化的糖化反应速率转化为活性更强的代谢产物 SN-38，该药的主要毒副作用是腹泻和骨髓抑制，由于代谢酶的基因多态性（活性相差最高达

50 倍），表现出不同强度的毒副作用。美国 FDA 要求在药品说明书中标明 UGT1A1 与毒副作用有关，对于﹡28/﹡28 基因型患者降低给药剂量，避免出现高度中性粒细胞减少症的风险。在该药的中文说明书中未提及基因型的影响，可能与该基因突变在亚洲人种较少见有关。卡马西平是临床常用的抗癫痫药，可引起Stevens-Johnson 综合征（SJS）和中毒性表皮坏死溶解症（toxic epidermal necrolysis，TEN）的严重不良反应，该病在白种人发生率仅为 0.01% ~ 0.06%，在亚洲国家出现概率大约要高10倍。近年发现，HLA-B*1502 型基因与SJS/TEN有关，携带该基因的亚裔 100% 发生 SJS/TEN，2007年12月12日，美国 FDA 发布信息，要求在卡马西平治疗前应进行 HLA-B*1502 等位基因检测，检测结果呈阳性的患者不宜使用卡马西平。

硫嘌呤甲基转移酶（thiopurine methyltransferase，TPMT）主要参与 6- 巯基嘌呤及其前体药物硫唑嘌呤的代谢，其活性缺乏将导致硫鸟嘌呤在体内蓄积，引起严重的骨髓抑制的不良反应。该酶约有 11 种突变的基因亚型，其中 TPMT*2、TPMT*3A、TPMT*3C 是常见的 3 种导致TPMT 酶活性降低的基因亚型，美国黑人 、非洲人及东南亚人主要是 TPMT*3C，欧洲人及美国白人则以 TPMT*3A为主，亚洲人突变几率低，已发现的是 TPMT*3A。TPMT酶活性是应用 6- 巯基嘌呤或硫唑嘌呤化疗时发生严重白

细胞减少的决定因素，根据 TPMT 基因多态性的不同调整硫唑嘌呤的治疗剂量可以有效减少治疗费用及降低不良反应的发生。3

5.遗传药理学的发展与未来后基因组时代的到来和生命科学技术的迅猛发展,已经大大加速了遗传药理学和个体化用药的进程。国际上, 新知识和新技术的发展极大推动了遗传药理学实践的进步。基因组、蛋白组和代谢组等组学理论与技术取得极大发展,使得遗传药理学研究由单基因变异向多基因、多位点变异对药物作用特异性研究方向发展。多个基于遗传药理学研究的国际性组织相继出现, 如世界遗传药理学研究网络(PharmacoGenetics Research Network, PGRN)、个体化治疗生物标记研究中心[ Bio-Marker Research Center for Personalized Therapy (BMRC, MoEST)] 等, 这些组织开发出的生物信息资源,PharmGKB(http :www .pharmgkb .org )等极大促进了遗传药理学的发展。由美国、加拿大、日本、中国、尼日利亚和英国参与的合作项目人类基因组单倍型图计划(HapMap)旨在确定和编目人类遗传的相似性和差异性,利用HapMap获得的信息, 研究人员将能够发现与疾病以及对药物的个体反应差异相关的基因;同时, 基因芯片技术的应用使基因多态性的高通量筛选成为可能, 除Roche 公司生产的AmpliChip CYP450 基因芯片外, 中南大学临床药理研究所开发的高血压个体化药物治疗基因检测芯片同时检测多种药物代谢酶和受体的多个基因多态性, 帮助高血压患者选择合适药物和合适剂量, 成为世界上第一张针对具体疾病的基因芯片。美国FDA 正在鼓励制药公司开发新药时提供遗传药理学方面的数据, 我国SFDA 也建议药厂做药物代谢酶的研究,以便制定相关法规使该项内容包含于新药审批范围之内。美国、日本多家有实力的制药公司在开发新药时已要求保留全部受试者遗传基因标本,以便在发生严重药物不良反应时追本溯源, 该举措无疑将大大增强药物的生命力和企业的竞争力, 具有深远意义。

遗传药理学的发展需要多学科的交叉和合作, 除人类基因组学的DNA 序列资料以外,还需毒理学、环境生态学、生物信息学甚至免疫学等多门学科的参与, 达到个体化医学的目标依然面临严峻的挑战。利用人类基因组图谱来发展临床药物治疗模式是一条漫长的道路, 许多基因和基因产物蛋白在疾病治疗过程中尚待查明。有学者认为, 也许仅有10 %的人类基因(约3000 个)可作为设计药物时考虑的靶标, 但怎样寻找这些靶基因并非易事, 而发现靶标之后如何检测成百上千的单核苷酸多态性(SNPs)则是面临的又一难题, 仅靠基因组学的研究并不能解决这个问题, 近年出现的SNPs 芯片检测技术已成为省时、经济、高通量的技术手段。近年来兴起的药物蛋白质组学(Pharmacoproteomics)是确定所有机体内药物相关蛋白与药物效应和毒副作用的相互关系的一门新兴学科, 有望对个体化医学的发展做出重大贡献。4