Фармакогеномика и фармакометаболомика

Терминология 

Что понимается под термином "фармакогеномика"?  

"Фармакогеномика" - прогнозирование результатов применения лекарственного препарата или ксенобиотика у конкретного человека на основе анализа его генетического профиля, является неотъемлемой частью прецизионной ( точной) медицины (персонализированной доказательной медицины, учитывающей вариабельность от пациента к пациенту), которая, например,  исследует, как геном человека связан с эффективностью/токсичностью лекарственных препаратов, а также с фенотипом заболевания. Конечная цель фармакогеномики — эффективная, индивидуально подобранная терапевтическая стратегия, которая минимизирует токсичность и обеспечивает эффективность лечения, учитывая генетическую основу межиндивидуальной вариабельности после приема лекарственного препарата (Ma, Q., & Lu, A. Y., 2011).  

На какие вопросы можно получить ответ с помощью фармакогеномики? 

Сегодня в утвержденных инструкциях к лекарственным препаратам может содержаться информация о геномных биологических маркерах, связанных с (i) вариабельностью воздействия препарата и клинического ответа у разных пациентов, (ii) риском побочных реакций, (iii) дозировкой с учетом генотипа, (iv) механизмами действия препарата, а также (v) полиморфными генами-мишенями и генами, определяющими распределение препарата. Так, например, плохой метаболизм ( скорость метаболизма ниже нормы) по результатам генетических исследований показывает высокий риск токсичности, а по большому счету и неэффективность препарата. Напротив, интенсивный метаболизм говорит о том, что скорость метаболизма нормальная, впрочем, как и эффект от препарата. Быстрый метаболизм, в свою очередь, показывает, что скорость метаболизма выше нормы и также говорит о неэффективности и высоком риске токсичности. Транспортеры препарата , информируют врача о распределении лекарства ( фармакокинетики) и , следовательно, о его высоком риске токсичности и неэффективности. Как отмечалось выше фармакогеномика также определяет терапевтические мишени и модуляторы ( особенности действия препаратов).

Что означает термин "фармакометаболомика"? 

"Фармакометаболомика" — это более поздний термин, используемый как синоним фармакометабономики, прогнозирования результатов воздействия лекарственного препарата или ксенобиотика на отдельного человека на основе математической модели метаболических профилей до начала вмешательства (Clayton, T. et.al., 2006). Фармакометаболомика основана на метаболических фенотипах (метаботипах), которые рассматриваются как совокупный результат генетических, физиологических, химических и экологических воздействий. 

Что понимается под термином "метаболический профиль"?

"Метаболические профили" представляют собой огромный список химических соединений, как эндогенных, так и экзогенных, таких как пептиды, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, углеводы, жирные кислоты, органические кислоты, витамины, гормоны, лекарства, пищевые добавки, фитохимические вещества и токсины (Wishart, D., et.al., 2007). Несмотря на то, что общее число эндогенных метаболитов чрезвычайно велико (~100 000), основные метаболиты, имеющие отношение к клинической диагностике и/или разработке лекарств, оцениваются в 1400–3000 молекул (Xu, E., et.al., 2009).  Метаболиты — это не просто конечные или побочные продукты, поскольку они могут регулировать экспрессию генов и/или влиять на клеточную биологию. Бетаин, например, является осмолитом (защищает от стрессовых факторов окружающей среды) и донором метильных групп (участвует в цикле метионина в печени и почках человека) (Friesen, R. et.al., 2007)? , а также положительным регулятором дыхания митохондрий и активности цитохром-с-оксидазы (Lee, I., 2015). 

Почему метаболический профиль важно исследовать до начала фармакотерапии? 

Метаболический профиль до приема препарата может помочь в моделировании и прогнозировании индивидуальных реакций на лекарственные препараты. Профили до и после лечения атипичными антипсихотиками сравнивались, что позволило выявить исходные изменения липидного профиля, коррелирующие с острой реакцией на лечение (Kaddurah-Daouk, R., et.al., 2007). 

Почему важно учитывать принцип "фармакокинетики/фармакодинамики" на основе метаботипов?

Исследователи продемонстрировали четкую связь между профилем метаболитов в моче до приема препарата и метаболической судьбой стандартной дозы парацетамола. У людей с высокой генерацией п-крезола, опосредованной бактериями, конкурентное O-сульфонирование п-крезола снижает эффективную системную способность сульфонировать парацетамол. Это подразумевает, что влияние активности микробиома должно быть неотъемлемой частью фармацевтической разработки и персонализированного здравоохранения (Clayton, T., et.al., 2009). Другое исследование показало, что метаботипы до начала лечения могут предсказывать ответ на сертралин (острое лечение) у пациентов с большим депрессивным расстройством (Kaddurah-Daouk, R., et.al., 2011). Это принцип «фармакокинетики/фармакодинамики на основе метаботипов». Например, были проанализированы метаболические сети, чтобы пролить свет на корреляции между метаболитами (с учетом даже кишечной микробиоты) и заболеваниями. Такой подход был впервые применен при профилировании метаболомики мочи итальянских детей с аутизмом и их здоровых братьев и сестер. 

Что подразумевается под термином "субтипирование метаболитов"? 

Анализ метаболических сетей, обозначенных как узлы и ребра, имеет решающее значение для идентификации основных путей, соединяющих интересующие объекты в рассматриваемых метаболических путях. Например, MetaMapR генерирует разветвленные метаболические сети путем интеграции ферментативных преобразований со структурным сходством метаболитов, сходством масс-спектров и эмпирическими ассоциациями. В целом, такие подходы определяются как «субтипирование на основе метаботипов».

История

Какое событие изменило в истории фармакогеномики подход к генетическому тестированию? 

В 2009 году произошло одно из первых событий в области фармакогеномики. Была секвенирована вся кодирующая белки ДНК тяжелобольного 4-летнего мальчика, и полученные данные были использованы для определения причинной генной мутации, вызывающей опасное для жизни воспаление кишечника, что в конечном итоге привело к эффективному лечению (Katsnelson, A. , 2013). С тех пор перспектива секвенирования целых экзомов или геномов сравнительно за небольшую сумму изменила наше представление о подходах к генетическому тестированию (Check Hayden, E. , 2014). 

Кто из исследователей первым предложил термин "фармакометаболомика"? 

Исторически сложилось так, что Джереми Эверетт и Джереми Николсон впервые определили метабономику в 1999 году в ходе сотрудничества между научно-исследовательским отделом компании Pfizer (Великобритания) и Имперским колледжем Лондона (Nicholson, J.et.al., 1999). Фармакометабономика была разработана в 2000 году в результате противоречивых результатов, полученных в различных группах животных моделей. Гипотеза Клейтона и др. заключалась в том, что метаболизм и безопасность лекарственного препарата после приема связаны с различиями в метаболическом профиле до приема (Everett, J. et.al., 2013).

Варианты генетического тестирования в фармакологии

В чем преимущества исследования однонуклеотидных полиморфизмов по сравнению с GWAS? 

В постоянных усилиях по определению ассоциаций генотип-фенотип исследования в области фармакогеномики сосредоточились на крупномасштабных анализах (геномные ассоциативные исследования). В то же время исследования однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) были направлены на характеристику функциональных различий в сходных результатах функционирования генов (Monte, A., et.al., 2012).

Ограничения фармакогеномики

Почему информация полученная с помощью фармакогеномики недостаточна для персонализированной медицины? 

Фармакогеномика не учитывает влияние факторов окружающей среды на фармакокинетику лекарственных средств (абсорбция, распределение, метаболизм, экскреция) и/или фармакодинамику, а также роль микробиома кишечника (Li, H., & Jia, W. , 2013). 

Возможно прецизионной медицины

Какие базы данных облегчают подход к персонализированной медицине?

Сегодня технологические достижения значительно расширили возможности широкого применения концепции прецизионной медицины. Крупномасштабные базы данных, омикс-технологии, клеточные анализы, эпигенетика, информатика, а также технологии визуализации сходятся к оптимальной профилактике, диагностике и лечению заболеваний. Успешными примерами являются  чип-технологии для обнаружения вариаций в генах CYP2D6 , CYP2C19 и UGT у пациентов , имеющих фундаментальное значение в метаболизме лекарственных средств (Swen, J. et.al., 2007). 

Почему результаты фармакогеномики следует дополнять данными фармакометаболомики? 

Следует отметить, что имеющиеся в настоящее время скрининговые тесты характеризуются неприемлемыми положительными и отрицательными прогностическими значениями (менее 50% успеха в прогнозировании безопасности и эффективности), что подразумевает, что межиндивидуальная вариабельность определяется не только геномикой. Действительно, комбинированный скрининг геномных вариантов в генах CYP2C19 и VKORC1 – наиболее эффективный на сегодняшний день фармакогеномный скрининг – показал лишь 41% точности прогнозирования вариабельности доз варфарина (Namazi, S., et.al., 2010). . В последнее время в альтернативной, но дополняющей дисциплине, фармакометаболомике ставится цель прогнозировать и/или оценивать метаболизм лекарственных средств. 

Значение совместного использования фармакогеномики и фармакометаболомики

Почему для обработки данных, полученных с использованием достижений фармакогеномики и фармакометаболомики необходим искусственный интеллект? 

Для персонализированного лечения , на мой взгляд, одним из значимых моментов является сочетание фармакометаболомики с фармакогеномикой. В идеале взаимодействие генов и окружающей среды должны изучаться путем объединения фармакометаболомических и фармакогеномических данных с информационными технологиями. Идея конструктивного сочетания омикс-технологий не нова. Фармакогеномика и фармакометаболомика дополняют друг друга и, таким образом, усиливают выявление клинически значимых ассоциаций. Вместо традиционного генотипирования с использованием маркерных SNP, импутация генотипов может определять интересующие геномные варианты в путях, выявленных в ходе фармакометаболомических исследований (Abo, R., et.al., 2012). 

Почему нет смысла назначать эсциталопрам пациентам с высоким уровнем глцина в сыворотке крови? 

Исследователи изучали  биомаркеры лечения циталопрамом/эсциталопрамом на основе метаболомного анализа плазмы, согласно которому (i) было установлено, что глицин отрицательно связан с исходом лечения, что привело к генотипированию маркерных SNP для генов, кодирующих синтез глицина, и (ii) rs10975641 ( GLDC ) был определен как биомаркер ответа у пациентов с большим депрессивным расстройством (Ji, Y., et.al., 2011). Кроме того, сообщалось, что у детей с расстройствами аутистического спектра наблюдался в 3 раза более высокий уровень оксалата в плазме крови, а также в 2,5 раза более высокая концентрация оксалата в моче по сравнению со здоровыми людьми (Konstantynowicz, J., et.al., 2012). Остается неясным, могут ли гипероксалемия и гипероксалурия быть вовлечены в патогенез аутизма у детей, или это является следствием нарушения почечной экскреции, обширного кишечного всасывания или и того, и другого, или же оксалат проникает через гематоэнцефалический барьер и нарушает функцию центральной нервной системы у детей с аутизмом. Учитывая, что семейство генов SLC26 кодирует анионные обменники и каналы, транспортирующие широкий спектр субстратов, включая оксалат, ожидается, что генетика играет здесь определенную роль. В любом случае, диета с низким содержанием оксалатов привела к облегчению симптомов аутизма (улучшение экспрессивной речи, снижение обсессивного поведения). 

Метаболомика и геномика целиакии 

Нарушения в каких генах отвечает за появление целиакии?

Целиакия — это сложное хроническое иммуноопосредованное заболевание тонкой кишки. Глютен был идентифицирован как фактор окружающей среды, провоцирующий это заболевание. Сегодня для диагностики используется наличие HLA-DQ2 и HLA-DQ8 в сочетании с положительным результатом биопсии и серологическими антителами при употреблении глютенсодержащей диеты. Однако гены HLA-DQ2 и HLA-DQ8 необходимы, но недостаточны для развития целиакии. В 2009 году была определена метаболическая сигнатура целиакии, согласно которой различия в уровнях глюкозы и кетоновых тел в сыворотке крови указывали на изменения энергетического обмена, тогда как изменения кишечной микробиоты также были очевидны после анализа данных мочи (Bertini, I., et.al., 2009). Микрофлора тонкой кишки изменена у пациентов с целиакией или содержит специфические виды со своим собственным микробным метаболомом. Исследователи провели обширное исследование дуоденальной и фекальной микробиоты детей с целиакией, выполнив молекулярную, фенотипическую и метаболомную характеристику (Di Cagno, R., et.al., 2012).

Метаболомика расстройств аутистического спектра

Какие различия липидного обмена можно выявить у детей с разными проявлениями расстройств аутистического спектра? 

Метаболомное исследование детей с наименее выраженными нарушениями поведения показывает преимущественное снижение уровня липидных метаболитов и сопутствующее увеличение уровня аминокислотных и нуклеотидных метаболитов.   в отличие от других детей с аутизмом, в которых наблюдалось увеличение уровня метаболитов жирового обмена. Некоторые липидные метаболические пути здесь оказывают противоположное направление влияния по сравнению с другими больными аутизмом, например, пути моноацилглицерола (MAG), диацилглицерола (DAG), лизофосфолипидов (LPL) и фосфатидилэтаноламина (PE) по сравнению с детьми , страдающими выраженными проявлениями аутизма, или пути сфингомиелина, синтеза сфинголипидов, сфингозинов и дикарбоксилированных жирных кислот по сравнению с теми аутистами , которые имеют высокий IQ.. У детей с наиболее выраженными проявлениями аутизма  метаболические профили показывают аномальный метаболизм мембранных липидов и увеличение продуктов окисления липидов. Дети с нарушенями адаптивного поведения, но  с самыми высокими показателями IQ отличаются повышенным уровнем метаболитов сфинголипидов и продуктов окисления жирных кислот (Prince, Nicole, et al. , 2023). Снижение уровня метаболитов 10 липидных путей, наблюдаемое в группе детей со слабо выраженными проявлениями аутизма, может указывать на уменьшение воспаления в центральной нервной системе, которое связывают с признаками аутизма. 

Какая связь между нарушениями метаболизма липидов и кортикостероидами при аутизме? 

Увеличение расщепления липидов фосфатидилинозитола (PI) и PE сопровождается активизацией путей противодействия связанному с этим воспалению и стрессу, таких как пути метаболизма кортикостероидов, гамма-глутамиламинокислот и S-аденозилметионина (SAM), которые также уникально обогащены при ваыраженных проявлениях аутизма. Эти три пути включают механизмы противодействия окислительным процессам и предотвращения повреждения клеток, , что предполагает последующее нарушение окислительного баланса в ответ на расщепление липидов при более тяжелых формах аутизма.

О чем говорит низкий уровень серотонина у детей , страдающих аутизмом?

У детей с не резко выраженными симптомами аутизма наблюдался повышенный уровень серотонина. Истощение запасов серотонина связывают с явными нарушениями поведения при аутизме, которые, по нашим наблюдениям,  следует ассоциировать с сопутствующими психическими расстройствами, например, такими как расстройства обсессивно-компульсивного и депрессивного спектров. Повышенные уровни серотонина и N-ацетилкинуренина отражают меньшее влияние сопутствующих заболеваний и проблем с поведением у детей с аутизмом. Сопутствующее повышение уровня никотинамида здесь связано с увеличением этих двух метаболитов пути триптофана, поскольку повышение уровня никотинамида коррелирует с повышением уровня серотонина в плазме (Tian, Y., et.al., 2013). Однако, у таких больных аутизмом наблюдались некоторые нарушения, включая когнитивные нарушения умеренной выраженности, а также речевых и коммуникативных навыков. 

Почему у больных аутизмом нарушен метаболизм адениновых нуклеотидов? 

Пуриновый метаболизм адениновых нуклеотидов показывает стабильно более высокие уровни метаболитов в детей с аутизмом, которые продемонстрировали более выраженные нарушения в этих двух областях. Нарушения пуринового метаболизма также связывались с расстройствами аутистического спектра (Geryk, J., et.al., 2020). Можно сказать, что аномальный метаболизм и последующее накопление продуктов пуринового метаболизма могут быть связаны с речевыми и коммуникативными нарушениями при аутизме.  Наконец, у детей с аутизмом с не резко выраженными нарушением поведения , но отчетливым дефицитом речевых и коммуникативных навыков  наблюдалось увеличение метаболитов других метаболических путей, ранее связанных с аутизмом, таких как повышенный метаболизм глицина, серина и треонина и метаболизм цикла мочевины

Литература

Abo, R., Hebbring, S., Ji, Y., Zhu, H., Zeng, Z. B., Batzler, A., ... & Weinshilboum, R. M. (2012). Merging pharmacometabolomics with pharmacogenomics using ‘1000 Genomes’ single-nucleotide polymorphism imputation: selective serotonin reuptake inhibitor response pharmacogenomics. Pharmacogenetics and genomics, 22(4), 247-253.

Bertini, I., Calabro, A., De Carli, V., Luchinat, C., Nepi, S., Porfirio, B., ... & Tenori, L. (2009). The metabonomic signature of celiac disease. Journal of proteome research, 8(1), 170-177.

Check Hayden, E. (2014). Technology: the $1,000 genome.

Clayton, T. A., Lindon, J. C., Cloarec, O., Antti, H., Charuel, C., Hanton, G., ... & Walley, R. J. Pharmaco-metabonomic phenotyping and personalized drug treatment., 2006, 440. DOI: https://doi. org/10.1038/nature04648. PMID: https://www. ncbi. nlm. nih. gov/pubmed/16625200, 1073-1077.

Clayton, T. A., Baker, D., Lindon, J. C., Everett, J. R., & Nicholson, J. K. (2009). Pharmacometabonomic identification of a significant host-microbiome metabolic interaction affecting human drug metabolism. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106(34), 14728-14733.

Di Cagno, R., De Angelis, M., De Pasquale, I., Ndagijimana, M., Vernocchi, P., Ricciuti, P., ... & Francavilla, R. (2011). Duodenal and faecal microbiota of celiac children: molecular, phenotype and metabolome characterization. BMC microbiology, 11(1), 219.

Everett, J. R., Loo, R. L., & Pullen, F. S. (2013). Pharmacometabonomics and personalized medicine. Annals of Clinical Biochemistry, 50(6), 523-545.

Friesen, R. W., Novak, E. M., Hasman, D., & Innis, S. M. (2007). Relationship of Dimethylglycine, Choline, and Betaine with Oxoproline in Plasma of Pregnant Women and Their Newborn Infants1, 2. The Journal of nutrition, 137(12), 2641-2646.

Geryk, J., Krsička, D., Vlčková, M., Havlovicová, M., Macek Jr, M., & Kremlíková Pourová, R. (2020). The key role of purine metabolism in the folate-dependent phenotype of autism spectrum disorders: an in silico analysis. Metabolites, 10(5), 184.

Ji, Y., Hebbring, S., Zhu, H., Jenkins, G. D., Biernacka, J., Snyder, K., ... & Weinshilboum, R. M. (2011). Glycine and a glycine dehydrogenase (GLDC) SNP as citalopram/escitalopram response biomarkers in depression: pharmacometabolomics‐informed pharmacogenomics. Clinical Pharmacology & Therapeutics, 89(1), 97-104.

Kaddurah-Daouk, R., McEvoy, J., Baillie, R. A., Lee, D., Yao, J. K., Doraiswamy, P. M., & Krishnan, K. R. R. (2007). Metabolomic mapping of atypical antipsychotic effects in schizophrenia. Molecular psychiatry, 12(10), 934-945.

Katsnelson, A. (2013). Momentum grows to make'personalized'medicine more'precise'. Nature medicine, 19(3), 249.

Konstantynowicz, J., Porowski, T., Zoch-Zwierz, W., Wasilewska, J., Kadziela-Olech, H., Kulak, W., ... & Kaczmarski, M. (2012). A potential pathogenic role of oxalate in autism. european journal of paediatric neurology, 16(5), 485-491.

Lee, I. (2015). Betaine is a positive regulator of mitochondrial respiration. Biochemical and biophysical research communications, 456(2), 621-625.

Li, H., & Jia, W. (2013). Cometabolism of microbes and host: implications for drug metabolism and drug‐induced toxicity. Clinical Pharmacology & Therapeutics, 94(5), 574-581.

Ma, Q., & Lu, A. Y. (2011). Pharmacogenetics, pharmacogenomics, and individualized medicine. Pharmacological reviews, 63(2), 437-459.

Monte, A. A., Vasiliou, V., & Heard, K. J. (2012). Omics screening for pharmaceutical efficacy and safety in clinical practice. Journal of pharmacogenomics & pharmacoproteomics, 001.

Namazi, S., Azarpira, N., Hendijani, F., Khorshid, M. B., Vessal, G., & Mehdipour, A. R. (2010). The impact of genetic polymorphisms and patient characteristics on warfarin dose requirements: a cross-sectional study in Iran. Clinical therapeutics, 32(6), 1050-1060.

Nicholson, J. K., Lindon, J. C., & Holmes, E. (1999). 'Metabonomics': understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data. Xenobiotica, 29(11), 1181-1189.

Prince, Nicole, et al. "Phenotypically driven subgroups of ASD display distinct metabolomic profiles." Brain, behavior, and immunity 111 (2023): 21-29.

Swen, J. J., Huizinga, T. W., Gelderblom, H., de Vries, E. G. E., Assendelft, W. J. J., Kirchheiner, J., & Guchelaar, H. J. (2007). Translating pharmacogenomics: challenges on the road to the clinic. PLoS medicine, 4(8), e209.

Tian, Y. J., Li, D., Ma, Q., Gu, X. Y., Guo, M., Lun, Y. Z., ... & Zhou, S. S. (2013). Excess nicotinamide increases plasma serotonin and histamine levels. Sheng Li Xue Bao, 65(1), 33-38.

Wishart, D. S., Tzur, D., Knox, C., Eisner, R., Guo, A. C., Young, N., ... & Querengesser, L. (2007). HMDB: the human metabolome database. Nucleic acids research, 35(suppl_1), D521-D526.

Xu, E. Y., Schaefer, W. H., & Xu, Q. (2009). Metabolomics in pharmaceutical research and development: metabolites, mechanisms and pathways. Current opinion in drug discovery & development, 12(1), 40-52.