Farmacogenómica y medicina personalizada

Doctora Ana Laura Calderón Garcidueñas

Dirección Médica Progenika Latam

ana.calderon@progenika.com.mx

www.progenika.com

Todos, en mayor o menor grado, hemos utilizado alguna vez un medicamento. Sabemos de manera empírica que un mismo fármaco, en dosis similares, puede tener diferentes efectos en personas diferentes. Algunas requieren dosis menores o dosis mayores para conseguir el efecto deseado; en algunos pacientes pareciera que un cierto fármaco no es efectivo, y, lo que es peor, en otros puede tener claros efectos tóxicos o incluso causar la muerte. ¿A qué se debe esta variabilidad en la respuesta a fármacos?

En un mismo paciente, la respuesta a fármacos específicos puede variar, dependiendo de si el medicamento se ingiere o no con alimentos; del estado nutricional de la persona; de la interacción con otros medicamentos; del estado funcional de los órganos encargados del metabolismo del medicamento, y de situaciones que interfieran con la absorción, metabolismo y excreción del producto.

Sin embargo, de entrada, la variabilidad genética entre los individuos es responsable, en parte, de las diversas respuestas a fármacos, que tanto los médicos como los pacientes observan  en la práctica clínica cotidiana (1). La información genética es responsable de entre 20 y 95 por ciento de la variabilidad y de los efectos que una droga puede tener en un determinado individuo (2).

Hasta hace unos años, el médico no podía prever el efecto concreto de un fármaco en un paciente específico; entonces, se partía de la dosis recomendada por la industria farmacéutica y se hacían ajustes con ensayo y error, hasta encontrar la dosis adecuada. En algunos casos esto no se lograba, y la decisión de cambiar de medicamento se hacía imperativa.

La variabilidad en la respuesta a medicamentos es importante, ya que de acuerdo a algunos estudios realizados en Estados Unidos, el 6.7 por ciento de los pacientes que ingresan a hospitalización presentan reacciones adversas severas  y el 0.32 por ciento mueren, con una mortalidad anual aproximada de cien mil personas (3). No cabe  duda de que la contribución de la fármacogenómica a una fármacoterapia hecha a la medida es de vital importancia para lograr una medicina personalizada (4).

¿QUÉ ES FÁRMACOGENÓMICA?

La fármacogenómica (5) es la disciplina científica que, utilizando los conocimientos aportados por el proyecto del genoma humano, se encarga de la creación de fármacos a la medida para cada paciente y adaptarlos a sus condiciones genómicas. El entender el funcionamiento del genoma y su influencia en la efectividad de los fármacos es fundamental para diseñar fármacos personalizados que tengan una gran eficacia y efectos secundarios mínimos.

El término fármacogenética suele utilizarse como sinónimo; sin embargo, tiene un alcance más limitado. Mientras que la fármacogenómica tiene una visión integrativa y considera los diferentes niveles del proceso; es decir: molecular, genética, polimorfismos en la secuencia del ADN, patrones de expresión del ARNm  y el efecto de todos estos elementos en la respuesta a fármacos, la fármacogenética está circunscrita a la detección de modificaciones en genes individuales en la respuesta a fármacos.

HISTORIA

La farmacogenética inició su desarrollo en 1909, con  las investigaciones de sir Archibald Garrod (6), sobre la posible naturaleza de las enfermedades hereditarias del metabolismo. Este médico y bioquímico inglés formuló la hipótesis: «un gen, una enzima», y describió la naturaleza de la herencia recesiva de la mayoría de los defectos enzimáticos. Se le considera el  fundador de la bioquímica genética, y fue el primero en proponer que las variaciones en el metabolismo son características que se heredan a los descendientes.

Posteriormente, E.B. Ford, un zoólogo inglés, creador de la ecología genética, fue el primero en definir y describir en 1940 el término polimorfismo genético, y predijo que los polimorfismos en los grupos sanguíneos se mantienen en la población, porque probablemente confieren alguna protección contra enfermedades (7).

El doctor Arno Motulsky, en 1957, enfatizó que ciertas reacciones adversas podían ser causadas por variaciones en la actividad de las enzimas, las cuales están genéticamente determinadas (8). En 1959, Frederich Vogel usó por primera vez el término fármacogenética, para designar el estudio del papel que juega la variación de los genes individuales en la respuesta a los medicamentos. Esta variación solía denominarse idiosincrasia a medicamentos.

En los setenta, Vesell demostró que el metabolismo de los fármacos en gemelos monocigotos presentaba menos variabilidad que en gemelos dicigóticos, con lo que la fármacogenética cobró importancia. En 1986 Vogel y Motulsky,  y Meyer en 1991, contribuyeron a distinguir entre los fenotipos raros y comunes. El término fármacogenómica apareció en 1998, pero no fue sino hasta 2003 cuando el campo de la fármacogenómica se revolucionó, al concluirse el Proyecto del Genoma Humano.

La secuenciación del  código genético humano causó una gran revolución para el campo de la fármacogenética y de la fármacogenómica. Una de las grandes aportaciones de este proyecto fue  que el genoma de dos personas distintas difiere en sólo un 0,1 por ciento, portando un 99.9 por ciento de las bases iguales en todo el ADN. Sin embargo, dado que cada genoma tiene tres mil millones de pares de bases, en realidad existen miles de diferencias entre un individuo y otro. El tipo de variación  más frecuentemente encontrado es el cambio de un solo nucleótido por otro (A,T,G y C) conocido como SNP (figura 1) por sus siglas en inglés (Single Nucleotide Polymorphism). Los SNPs ocurren con una frecuencia de 1 por cada 500 a 1000 bases.

Recientemente, el desarrollo de la bioinformática (integración de la biología molecular y las técnicas informáticas) ha contribuido al fortalecimiento de la fármacogenómica, y ha permitido el análisis de múltiples SNPs simultáneamente en un mismo paciente.

LOS SNPS

Existe una amplia variabilidad en la respuesta de los individuos a dosis estándares de medicamentos. Esto se traduce en la práctica clínica en un porcentaje de pacientes que no responden al tratamiento o que presentan reacciones adversas de diferente magnitud. Los polimorfismos en genes que codifican para enzimas metabolizadoras y transportadores pueden afectar la eficacia y toxicidad de los medicamentos.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 1

 

Los SNPs ocurren en más del uno por ciento de la población. Más de 1.4 millones de polimorfismos de un solo nucleótido fueron identificados en la secuenciación inicial del genoma humano, con más de 60 mil presentes en la región codificante de los genes. Dado que sólo el 3-5 por ciento de la secuencia del DNA codifica para aminoácidos, la mayoría de los SNPs se localizan fuera de la secuencia codificante y no son responsables de enfermedades. En estos casos sirven como marcadores biológicos, para señalar una enfermedad en el mapa del genoma humano, por su localización cercana a genes involucrados en enfermedades. Por otro lado, un SNP puede producir la enfermedad y puede ser utilizado para encontrar el gen causante de la patología.

Como se mencionó, el polimorfismo de un solo nucleótido (SNP) es un cambio genético puntual. Recordemos que el código genético está especificado por cuatro nucleótidos: A (adenina), C (citosina), T (timina) y G (guanina).

METABOLISMO DE FÁRMACOS

El metabolismo de fármacos es el conjunto de reacciones bioquímicas que producen modificaciones sobre la estructura química del fármaco. En términos de metabolismo, estas modificaciones pueden  producir metabolitos  inactivos, metabolitos activos o productos metabólicos con actividad farmacológica distinta a la del fármaco original. Estos cambios metabólicos se producen mediante dos tipos de reacciones que frecuentemente son secuenciales, y que se conocen como reacciones de fase 1 y reacciones de fase 2.

REACCIONES DE FASE 1

Las reacciones de Fase 1 suelen consistir en oxidaciones (hidroxilaciones, N y O-desalquilaciones), reducciones o hidrólisis. Estas reacciones suelen introducir en la estructura del fármaco un grupo reactivo que lo convierte en más activo químicamente. Las oxidaciones son las reacciones de fase 1 más frecuentes (9), y son catalizadas por un sistema enzimático cuyo componente más importante es el citocromo P- 450(CYP), del que existen aproximadamente 100 isoenzimas. Las isoenzimas más importantes para el metabolismo de fármacos en humanos son las CYP 3A4, 2D6 y 2C19. También son reacciones de fase 1 alguna reducciones y reacciones hidrolíticas.

REACCIONES DE CONJUGACIÓN O FASE 2

Las reacciones de conjugación o Fase 2 (acetilación, glucoronidación y metilación) suelen ser reacciones de conjugación que, por regla general, inactivan el fármaco. En términos generales, estas reacciones actúan sobre el grupo reactivo introducido en las reacciones de fase 1, añadiendo un sustituyente más grande, como un glucuronilo, un sulfato o un acetilo, que disminuye la liposolublidad y favorece por tanto la eliminación renal o biliar. La mayoría, aunque no todas, de las reacciones de conjugación del organismo tienen lugar en el hígado.

INDUCCIÓN E INHIBICIÓN METABÓLICA

Un gran número de fármacos tienen la propiedad de aumentar o de frenar la capacidad enzimática hepática. Los fármacos y las sustancias inductoras metabólicas actúan incrementando la actividad oxidasa microsomal y la actividad de los sistemas conjugantes. Estos efectos son importantes en las interacciones medicamentosas (9).

PERFILES METABÓLICOS

La finalidad del metabolismo es convertir las drogas en metabolitos con mejor solubilidad en agua, para facilitar su excreción. Dicho metabolismo puede convertir pro-drogas en componentes terapéuticamente activos y, a su vez, formar nuevos metabolitos.

La unión enzima-receptor tiene perfiles de  expresión metabólica, que clasifican al paciente en metabolizador de fármacos:

• Metabolizador normal o extensivo: la actividad enzimática es normal.
• Metabolizador lento: la actividad enzimática está muy disminuida o es inexistente, debido a la inactivación de los dos alelos del gen.
• Metabolizador intermedio: presenta un alelo inactivo y  otro con actividad reducida.
• Metabolizador intensivo o ultrarrápido: presenta varias copias del gen expresadas, por lo que la actividad es muy superior a la normal.

Los metabolizadores lentos pueden tener mayor riesgo de efectos adversos, si el fármaco administrado contiene la sustancia activa; pero si el fármaco ingerido contiene una pro-droga que debe ser metabolizada en sustancia activa, la concentración y, por lo tanto, el efecto terapéutico disminuyen. Lo opuesto ocurre con los metabolizadores ultrarrápi­dos (10).

Del cinco al diez por ciento de la raza blanca tiene habilidad pobre para me­tabolizar, al igual que un 2 por ciento en los asiáticos ^[]y 10 por ciento de la raza negra (10)_[. ^]Los metabolizadores ultra rápidos aparecen con más frecuencia en Oriente Medio y norte de África.

FÁRMACOGENÓMICA Y TERAPÉUTICA

Las variaciones genéticas que pueden afectar la respuesta a fármacos se deben a varios mecanismos, incluyendo alteraciones en enzimas metabolizadoras y transportadores de fármacos, que influyen en la fármacocinética, pero también variaciones en las dianas terapéuticas u otras proteínas relacionadas, que afectan la farmacodinámica.

Uno de los aspectos más estudiados de la farmacogenética son las variaciones genéticas que afectan la actividad enzimática de enzimas metabolizadoras de fármacos, que participan tanto en la conversión de pro-fármacos a metabolitos activos (metabolismo oxidativo de fase I), como en el proceso de eliminación de fármacos (enzimas de fase II como la N-acetiltransferasa 2 o las glutatión transferasas). En el grupo de genes de fase I se encuentran los  genes de la dihidropirimidin-dehidrogenasa y la tiopurina-metiltransferasa, cuyas variaciones pueden traducirse en metabolizadores lentos o intermedios.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 2

En el caso del citocromo 2D6, (CYP2D6) existen duplicaciones del gen, por lo que existen metabolizadores ultra rápidos. La mayoría de los medicamentos que se recetan diariamente son procesados por las enzimas codificadas por los genes CYP2D6 y CYP2C19 (Cuadro 1), CYP2C9  (cuadro 2) y CYP3 (cuadro 3).

En los transportadores de fármacos también existen variaciones genéticas, incluyendo  polimorfismos funcionales que pueden modificar la cinética de los fármacos. El más estudiado es el gen ATP-binding-casette sub-family member 1 (ABCB1), que codifica para una bomba transmembrana de flujo que transporta una gran variedad de fármacos y se expresa en el intestino, en el hígado y en  la barrera hemato-encefálica.

Por otro lado, variaciones en las dianas terapéuticas, como la epóxido reductasa de la vitamina K (VKORC1), o la timidilato sintetasa, tienen un efecto importante en la acción de determinados fármacos; en este caso, el acenocumarol y el 5-fluorouracilo, respectivamente. No sólo alteraciones en las dianas influyen en la farmacodinamia de un fármaco; variaciones en otras proteínas que participan en la vía de acción de un fármaco también pueden modificar la acción terapéutica. Un ejemplo de este caso es la 5,10-metilen-tetrahidrofolato reductasa, que regenera a 5-metiltetrafolato. Aunque no es diana directa de metotrexato, participa en la misma vía de acción, y variaciones en esta enzima implican mayor toxicidad al administrar este fármaco.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cuadro 1

DNA CHIPS

Los microarreglos (DNA chips, genchips o biochips)  son una  colección de segmentos de ADN (oligonucleótidos) adheridos a una superficie sólida, como vidrio, plástico, silicio que constituyen un arreglo distribuido regularmente (matriz). Este proceso se realiza automáticamente mediante robótica. Los microarreglos usan la  propiedad de atracción de los pares de bases -conocida como hibridación- para  identificar qué secuencias están presentes en una muestra y cuál es la medida de la expresión de las mismas. La muestra de DNA obtenida a partir de sangre o de saliva se procesa (amplificación, fragmentación y marcaje) y después se pone en contacto con el chip. Si la muestra se une a la sonda, significa que el gen en cuestión está presente (11). Al unirse da una señal luminosa que es interpretada por un software especializado  (figura 2). Los DNAchips pueden utilizarse para identificar SNPs.

SNPS Y DESARROLLO DE MEDICAMENTOS

En la actualidad, las compañías farmacéuticas desarrollan fármacos a los que el paciente promedio puede responder satisfactoriamente, dejando a los pacientes con metabolismo diferente al normal a expensas del ensayo y error. Sin embargo, estamos ya en la etapa de medicina traslacional, en la cual se conjuntan los resultados de la investigación básica, la clínica y la epidemiológica, para llevar al paciente una atención personalizada basada en evidencias. Existen numerosos consorcios, entre los que se incluyen países europeos, Estados Unidos, Canadá y Australia, que están trabajando activamente en el área de fármacogenómica.

La aplicación de la fármacogenómica está ya disponible en México, para la atención de los pacientes. Existe actualmente en nuestro país una herramienta basada  en investigación de SNPs por microarreglos (Pharmachip™), que es un importante apoyo para la selección del tratamiento y la determinación individualizada de la dosis de tratamiento con agentes terapéuticos metabolizados, que actúan sobre o que son transportados por proteínas codificadas por los genes estudiados.

APLICACIÓN CLÍNICA DE LA FÁRMACOGENÓMICA

Actualmente, la mayoría de medicamentos se han desarrollado bajo el modelo de “un medicamento para todos”, de forma que éstos fueran eficaces y seguros para una amplia mayoría de la población. Esto ha generado distintos problemas en parte por la elevada variabilidad de los tratamientos en función del genoma de cada individuo. Existe una deficiencia en la eficacia de los medicamentos en muchas áreas terapéuticas, como, por ejemplo, en el campo de la oncología, donde se reportan eficacias tan bajas de los tratamientos como del  25 por ciento, o en el ámbito de la psiquiatría, con tasas de alrededor del 60 por ciento para la depresión y la esquizofrenia (12). Además, el acontecimiento de reacciones adversas graves o fatales ha sido analizado extensamente en pacientes hospitalizados.

 

 

 

 

 

Cuadro 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cuadro 3

 

En España, la incidencia de efectos adversos en la asistencia sanitaria es del 9,3 por ciento, y los más frecuentes son los ligados al uso del medicamento. Hasta un 4.7 por ciento de los pacientes hospitalizados presentan efectos adversos relacionados con el uso de medicamentos (13).

Las aplicaciones de la farmacogenómica son múltiples. Por ejemplo, una paciente premenopaúsica con cáncer de mama con receptores de estrógenos y progesterona positivos, es candidata a recibir tamoxifeno durante dos a cinco años. Sin embargo, entre un 5-10 por ciento de las pacientes son metabolizadoras lentas, y carecen de la enzima CYP2D6, que convierte la pro-droga tamoxifeno a su metabolito activo antineoplásico endoxifeno. Esto significa que si se suministra este medicamento a estas pacientes, no tendrán la protección antineoplásica requerida, con lo que el riesgo de recurrencia tumoral aumenta (14).

Dejar desprotegida a una paciente puede evitarse mediante estudio fármacogenómico antes de iniciar el tratamiento. Otro problema inherente al tratamiento oncológico es la toxicidad de la quimioterapia, sobre todo en los casos severos (III-IV). Entre los fármacos utilizados en la terapia contra el cáncer de mama, la capecitabina presenta esta toxicidad cuando existe deficiencia de la dihidropirimidina-deshidrogenasa (DPH), enzima responsable de la eliminación del fármaco.

La deficiencia de DPH es uno de los biomarcadores más estudiados y validados por la FDA (15). La presencia de deficiencia parcial (pacientes heterocigotos) está asociada con mayor frecuencia a toxicidad severa tras la administración de 5FU o su análogo oral, la capecitabina. En pacientes con deficiencia total (homocigotos), la tasa de mortalidad es prácticamente del 100% (16). En pacientes con cáncer de colon, las variaciones en el gen UGT1A1 están asociadas a mayor riesgo de toxicidad a irinotecan, debido  a que este gen codifica para la enzima responsable de la eliminación del fármaco.

La detección de los polimorfismos de este gen antes del inicio del tratamiento previene la aparición de toxicidad severa. Con el estudio farmacogenómico es posible predecir  la variabilidad en la respuesta farmacológica al tratamiento anticoagulante, con anti-agregantes plaquetarios (17,18), terapia con fármacos antirretrovirales, antiepilépticos, antipsicóticos, ansiolíticos y antidepresivos entre otros (19). De particular importancia es predecir el metabolismo a tacrolimus y ciclosporina en pacientes con trasplante de órganos, lo que permite optimizar la dosis y evitar la toxicidad por fármacos antes de iniciar el tratamiento, contribuyendo así al éxito del trasplante (20).

En conclusión, el campo de la farmacogenómica está en sus inicios, pero podemos utilizar ya las herramientas de diagnóstico con las que contamos. El medicamento más apropiado para un individuo puede ser seleccionado mediante el análisis del perfil de SNPs del paciente antes de iniciar el tratamiento. La personalización del tratamiento farmacológico incluye  el conocimiento del perfil genético del paciente y ofrece al médico una nueva herramienta que le permite optimizar el tratamiento. Al final, el objetivo de la fármacogenómica y de la medicina personalizada es proporcionar el  fármaco correcto, en la dosis necesaria, al paciente adecuado.

 

 

Referencias:

1.Weinshilboum R. Inheritance and drug response. N Engl J Med 2003; 348:529-37.

2. Kalow W, Tang B, Endrenyi I. Hypothesis: comparisons of inter- and intra-individual variations can substitute for twin studies in drug research. Pharmacogenetics 1998; 8: 283-9.

3. Lazarou J, Pomeranz BH, Corey PN. Incidence of adverse drug reactions in hospitalized patients: a meta-analysis of prospective studies. JAMA 1998; 279:1200-5.

4. Wilffert B, Swen J, Mulder H, Touw D,Maitland Van der Zee AH, Deneer V. From evidence based Medicine to mechanism based Medicine. Reviewing the role of Pharmacogenetics. Int  J Clin Pharm 2011; 33(1): 3-9.

5. N Ware, IAM MacPhee. Current  progress in pharmacogenetics and individualized immunosuppressive drug dosing in organ transplantation. Current Opinion in Molecular Therapeutics 2010 12:270-283.

6. Garrod A. Inborn Errors of metabolism, 1909. Royal  College of Physicians.

7. Ford EB. Polymorphism  and Taxonomy 1949. In Huxley J. The new systematics. Oxford.

8. Simopoulus AP. Committee for the study of Inborn Errors of Metabolism. Genetic screening: programs, principles and research-30 years later. Reviewing  the recommendations of the Committee for the study of Inborn Erros of Metabolism. Public Health Genomics 2009; 12 (2): 105-111.

9. Katzung B, Masters S, Trevor A.  Basic  and clinical pharmacology.11th edition. Lange  Basic Science, 2011.

10. Gaedigk A, Bradford LD, Marcucci KA, Leeder JS. Unique  CYP2D6 activity distribution and genotype-phenotype discordance in black Americans. Clin. Pharmacol. Ther. 2002. 72 (1): 76–89.

11. Pharmachip™ v.3, manual de uso. Progenika Biopharma, Bilbao, Vizcaya.

12. Spear, B.B., M. Heath-Chiozzi, and J. Huff. Clinical  application of pharmacogenetics. Trends  Mol Med, 2001. 7(5): 201-204.

13. ENEAS, Estudio Nacional sobre los Efectos Adversos ligados a la Hospitalización. Ministerio  de Sanidad y consumo, 2005.

14. Higgins MJ, Stearns V. Pharmacogenetics  of endocrine therapy for breast cancer. Annu Rev Med. 2011; 18; 62:281-93.

15. FDA,http//www.fda.gov/Drugs/ScienceResearch/Pharmacogenetics/ucm0 83378.htm

16. Raida M, Schwabe W, Häusler P, Van Kuilenburg AB, Van Gennip AH, Behnke D, Höffken K. Prevalence of a common point mutation in the dihydropyrimidine dehydrogenase (DPD) gene within the 5′-splice donor site of intron 14 in patients with severe 5-fluorouracil (5-FU)- related toxicity compared with controls. Clin Cancer Res. 2002; 7(9):2832-9.

17.  Johansson I, Ingelman-Sundberg M. Genetic  polymorphism and toxicology–with emphasis on cytochrome p450. Toxicol Sci. 2011; 120(1):1-13.

18.  Rane A, Lindh JD. Pharmacogenetics  of  anticoagulants. Hum Genomics Proteomics. 2010; 2010:754919.

19.de Leon J, Susce MT, Pan RM, Fairchild M, Koch WH, Wedlund PJ. The CYP2D6 poor metabolizer phenotype may be associated with risperidone adverse drug reactions and discontinuation. J Clin Psychiatry. 2005; 66(1):15-27.

20. Jacobson PA, Oetting WS, Brearley AM, Leduc R, Guan W, Schladt D, Matas AJ, Lamba V, Julian BA, Mannon RB, Israni A; DeKAF Investigators. Novel polymorphisms associated with tacrolimus trough concentrations: results from a multicenter kidney transplant consortium. Transplantation. 2011; 91(3):300-8.