Metabolické a transportní systémy ve farmakokinetice léků Jan Bultas Ústav farmakologie 3. LF UK, Praha 2011

Rp Rp Rp

„…ne sit medica gravior ipso morbo“ „…aby léčba nebyla nebezpečnější nežli nemoc“ J.E.Purkyně, 1858

Co rozhoduje o léčebné odpovědi? farmakokinetické vlastnosti - resorpce - biotransformace (inaktivace, aktivace) - eliminace farmakodynamické vlastnosti - afinita k receptoru, iont. kanálu, transport. proteinu,… - inhibice enzymu - poměr aktivace/inhibice - aktivita regul. mechanizmů a ost. systémů

Nelišíme se jen vzhledem, ale též …

…farmakogenetickou výbavou

Co rozhoduje o léčebné odpovědi? farmakokinetické vlastnosti - resorpce - biotransformace (inaktivace, aktivace) - eliminace farmakodynamické vlastnosti - afinita k receptoru, iont. kanálu, transport. proteinu,… - inhibice enzymu - poměr aktivace/inhibice - aktivita regul. mechanizmů a ost. systémů farmakogenetika farmakogenetika farmakogenetika farmakogenetika farmakogenetika farmakogenetika farmakogenetika

Personalisovaná léčba vs léčba podle doporučených postupů léčba dle doporučených postupů - respektování dávek s doloženými daty o efektu na základě výsledků mega-studií personalisovaná léčba - respektování interindividuálních odlišností daných farmakogenetickými rozdíly

Personalisovaná léčba vs léčba podle doporučených postupů

transportní systémy resorpce transportní systémy eliminace Resorpce, transformace a eliminace hepatocyt, enterocyt, renální epitel, endotel,… transportní systémy resorpce OATP,… reakce I. fáze oxidace isoenzymy CYP reakce II. fáze konjugace transferázami transportní systémy eliminace P-gp, BCRP,…

RESORPCE, TRANSFORMACE a ELIMINACE Resorpce (influxní a efluxní kanály) systém membránových proteinů transportujících endo- a exogenní látky Oxidace (systém CYP450,…) rodina oxidáz zvyšujících hydrofilii, inhib. resorpci i exkreci endo- i exogenních látek Konjugace (transferázy) systém enzymů (glukoronidázy, sulfatázy,..) zvyšující rozpustnost vnesením hydrofilní sk. Eliminace (efluxní kanály) systém membránových proteinů transportujících endo- a exogenní látky

Transportní systémy ABC systém - ATP-Binding Cassette superfamily (ABC1B,…)

Transportní proteiny > 50 transportních proteinů umožňují transmembránový přenos vitaminů, glycidů, AMK, lipidů,… xenobiotik (léky, karcinogeny, nutrienty) akt. transport – spotřeba ATP eflufní a influxní proteiny ATP

Působení influxního a efluxního transportního proteinu

Transportní systémy eliminace z buňky rodina MDR (multi-drug resistant transporters) P-gp – glykoprotein P BCRP - Breast Cancer Resistance Protein

Struktura transmembránového transportního proteinu otevřený (aktivovaný) uzavřený

Úloha eliminačních proteinů zabránění nadměrné expozice organizmu cizorodými látkami (xenobiotiky) eliminace xenobiotik z potravy na úrovni enterocytu zajištění bariér (hematoencefalické, placentární, testikulární,…) eliminace metabolitů a xenobiotik do žluče a moče těsně spřaženy s metabolickými systémy

Úloha eliminačních proteinů mozek játra ledvina střevo

Glykoprotein P - P-gp nejvýznamnější eliminační protein zajišťuje eliminaci zejm. hydrofilních xenobiotik asi polovina léků substrátem P-gp pracuje v tandemu s „detoxikačními“ enzymy systému CYP – CYP3A4 působí v enterocytu, hepatocytu, prox. tubulu, endotelu řada léků inhibuje či aktivuje P-gp významné polymorfizmy s ↓ či ↑ aktivitou

P-gp

Indukce a regulace P-gp CYP3A induktor např. lék A PXR RXR gen P-gp transportér P-gp lék B lék B heterodimer regulačních nukleárních receptorů PXR a RXR (pregnanových a retinoidních)

Glykoprotein - P - polymorfní - u ¼ populace inaktivní - u ¼ hyperaktivní - obdobné induktory i inhibitory jako CYP3A4 substráty lipofilní statiny digoxin klopidogrel steroidy BKK … inhibitory amiodaron dronedaron propafenon verapamil diltiazem telmisartan antidepresiva flavonoidy … induktory třezalka dexametazon antikonvulsiva rifampicin …

nízká aktivita standardní aktivita hyper-aktivita toxický účinek konc. jedna či žádná funkční alela nízká aktivita toxický účinek nutná redukce dávky čas obě funkční alely optimální účinek optimální dávka standardní aktivita multiplikace alel selhání účinku nutno zvýšit dávku hyper-aktivita terapeut. okno

transportní systémy resorpce transportní systémy eliminace Resorpce, transformace a eliminace hepatocyt, enterocyt, renální epitel, endotel,… transportní systémy resorpce OATP,… reakce I. fáze oxidace isoenzymy CYP reakce II. fáze konjugace transferázami lékové interakce genetické faktory transportní systémy eliminace P-gp, BCRP,…

Eliminace substrátů P-gp ve střevě 100% 5-40% 20-40% P-gp enterocyt portální oběh střevo

ve střevě při snížené funkci P-gp Eliminace substrátů ve střevě při snížené funkci P-gp 100% 5-40% 40-80% P-gp enterocyt portální oběh střevo

Eliminace substrátů P-gp v játrech 5-40% žluč 5-40% 20-40% 10-20% P-gp portální oběh syst. oběh hepatocyt

Eliminace substrátů P-gp v játrech při snížené funkci P-gp žluč 50-90% 40-80% P-gp portální oběh syst. oběh hepatocyt

BCRP - Breast Cancer Resistance Protein další eliminační protein zajišťuje eliminaci zejm. hydrofilních xenobiotik menší část léků substrátem BCRP působí v hepatocytu řada léků inhibuje či aktivuje P-gp významné polymorfizmy s ↓ či ↑ aktivitou

BCRP

Transportní systémy vstupu do buňky rodina OATP (organic anion-transporting polypeptide) OATP1B1, OATP1B2,…

OATP nejvýznamnější proteiny vstupu do buňky umožní vstup léku do hepatocytu, epitelie ren. tubulů, epitelií placenty, endotelu v CNS zajišťuje hepatální či renální eliminaci zejm. hydrofilních xenobiotik zajišťuje účinek léků působících v hepatocytu řada léků inhibuje či aktivuje OATP významné polymorfizmy s ↓ aktivitou (kumulace léku, ev. snížení efektu)

Transport a eliminace hydrofilních i lipofilních molekul v játrech – úloha OATP1B1 žluč OATP cílový enzym OATP OATP portální oběh syst. oběh hepatocyt nízká aktivita OATP - ↓ koncentrace léku na cílovém enzymu při ↑ plazmatické koncentraci

OATP

OATP 1B1(organic aniont transporting polypeptid 1B1) - umožní vstup léku do hepatocytu, epitelie ren. tubulů - polymorfizmy – loss of function – 15% pop. substráty hydrofilní i lipofilní statiny warfarin steroidy sartany digoxin … inhibitory cyklosporin gemfibrozil fenofibrat dipyridamol sartany (zejm. telmi-) nesteroidní antirevmatika makrolidy induktory …?

Biotransformace

Biotransformace enzymy I. řádu – oxidázy enzymy II. řádu – transferázy více než 1 000 isoenzymů

Substrát vs. metabolický a transportní systém metabolické systémy zvyšují hydrofilii a umožňují vylučování xenobiotik transportní systémy zajišťující přesun většina léků bývá metabolizována či transportována různými systémy substrát – neovlivňuje systém induktor – stimuluje aktivitu systému inhibitor – blokuje aktivitu systému

Alternativní fáze metabolizmu léků fáze I syst. CYP B B B fáze II konjugace C C C fáze III eliminace D A D D D

Biotransformace enzymy I. řádu - oxidázy více než 500 isoenzymů

Metabolizmus I. a II. fáze systém isoenzymů obsahujících cytochrom P450 (CYP), zejména oxidáz ke zvýšení hydrofility lipofilních látek a velkých molekul příprava k II. fázi metabol. – k působení transferáz II. fáze transferázy – konjugují substrát s glukor. kys, sulf.,… umožní definitivní inaktivaci a eliminaci

Metabolizmus I. fáze – isoenzymy CYP Fe3+ je částí hemového jádra

Metabolizmus I. fáze - CYP isoenzymy CYP jsou isoenzymy monooxygenázy, alkohol dehydrogenáza, aldehyd oxidáza, monoamino dehydrogenáza 17 rodin CYP s asi 50 isoform enzymů klasifikace: CYP 3 A 4 *15 A-B alely family >40% homologie sekvuence sub-family >55% homologie sekvence isoenzymy

Rodiny CYP CYP450

Typy reakcí - hydroxylace

Typy reakcí - oxidace

Typy reakcí - demetylace

CYP3A4 CYTOCHROMOVÝ SYSTÉM P450 CYP2C9 CYP2D6 CYP2C19 CYP3A4: některé statiny, BKK, makrolid. ATB, antiarytm., steroidy, cytostatika CYP2D6: lipofil. -blok., některá antiarytmika, antidepresiva, antipsychot. CYP2C9: warfarin, antirevmatika, fluvastatin, některá PAD, sartany,... OSTATNÍ CYP1A2 CYP2C19 CYP2C9 CYP3A4 CYP2D6

CYTOCHROMOVÝ SYSTÉM P450 rozdíl mezi potřebou a nabídkou biotransformace (%) množství v játrech (%) CYP1A2 OSTATNÍ CYP2C19 OSTATNÍ CYP3A4 CYP2C9 CYP3A4 CYP2D6 CYP2D6 CYP1A2 CYP2C9 CYP2C19 potřeba kapacita

CYP3A4

CYP 3A4 - metabolizuje  50% léků - nemá funkčně významné polymorfizmy substráty lipofilní statiny BKK steroidy makrolidy psychofarmaka antihistaminika antibiotika inhib. PDE-5 … inhibitory verapamil diltiazem amiodaron dronedaron makrolidy antimykotika psychofarm. flavonoidy … induktory fenytoin, antikonvulsiva rifampicin dexametazon třezalka ….

atorvastatin, simvastatin, fluvastatin, lovastatin (v krvi) transportéry resorpce OATP1B1, OATP1B3 hepatocyt fáze I metabolimu CYP3A4 (atorva-, simva-, lovast.) 2C9 (fluvastatin) fáze II metabolizmu transferázy lékové interakce genetické faktory transportéry eliminace P-gp, OATP, BSEP,… statin nebo metabolit (v krvi či žluči)

třezalka tečkovaná grapefruit (i jiné citrusy) indukce řady isoenzymů CYP - inhibice zejména CYP3A4, P-gp a P-gp

Indukce a regulace P-gp CYP3A lék A PXR RXR gen P-gp transportér P-gp lék B lék B lék A PXR RXR gen CYP3A enzym CYP3A lék B OH- lék B heterodimer PXR a RXR regulační nukleární receptory

indukce Normální exprese jaterních enzymů v endoplasmat. retikulu Indukce jaterních enzymů CYP3A4 po stimulaci fenobarbitalem

isopentenyl pyrofosfát Statiny acetyl CoA HMG-CoA STATINY HMG-CoA reduktáza mevalonová kyselina mevalonát pyrofosfát isopentenyl pyrofosfát geranyl pyrofosfát farnesyl, geranyl dolicholy ubiquinon (CoQ10) farnesyl pyrofosfát skvalén cholesterol

Lipofilní statiny lékové interakce na úrovni resorpce, transformace a eliminace simvastatin lovastatin atorvastatin fluvastatin substrát CYP2C9 substráty P-gp a CYP3A4

Eliminace a biodegradace lipofilních statinů ve střevě 100% 5-40% 5-40% P-gp CYP enterocyt portální oběh střevo

Eliminace a biodegradace ve střevě inhibice/aktivace P-gp polymorfizmus P-gp 5-40% 100% 5-40% P-gp CYP enterocyt portální oběh střevo inhibice/aktivace CYP3A4

Eliminace a biodegradace lipofilních statinů v játrech 5-40% žluč 5-40% 5-40% 3-20% P-gp CYP portální oběh syst. oběh hepatocyt

Eliminace a biodegradace v játrech inhibice/aktivace P-gp polymorfizmus P-gp 5-40% žluč 5-40% 5-40% 2-20% P-gp CYP portální oběh syst. oběh inhibice/aktivace CYP3A4 hepatocyt

Eliminace a biodegradace lipofilních statinů ve střevě – při inhibici P-gp a CYP3A4 inhibice P-gp 5-40% 100% 50-90% P-gp CYP enterocyt portální oběh střevo inhibice CYP3A4

Eliminace a biodegradace lipofilních statinů v játrech – při inhibici P-gp a CYP3A4 inhibice P-gp žluč 50-90% 40-95% P-gp CYP inhibice CYP3A4 portální oběh syst. oběh hepatocyt

Zvýšení dostupnosti statinů při afunkci P-gp a inhibici CYP3A4 % 2x 9x 11x Vaquero MP et al, Nutr Hosp 2010, 25 (2) 193

Snížení expozice simvastatinu při indukci P-gp a CYP3A4 indukce CYP3A4 rifampicinem 1x denně 5 dnů ve srovnání s placebem Kyrklund et al., Clin. Pharmacol. Ther. 68: 592-597, 2000.

Zvýšení expozice statinů inhibicí P-gp a CYP3A4 s inhibitorem CYP 3A4/ AUC samotného statinu Poměr AUC statinu v kombinaci podle: Muck W, Clin Pharmacokinet 2000 Aug; 39 (2): 99-116

Hydrofilní statiny – možnosti lékové interakce rosuvastatin pravastatin pitavastatin substráty OATP 1B1 rosuvastatin - eliminace bez transformace pravastatin – eliminace po konjugaci pitavastatin - eliminace bez transformace

Transport a eliminace hydrofilních i lipofilních statinů v játrech – úloha OATP1B1 žluč OATP HMG CoA- reduktáza OATP OATP portální oběh syst. oběh hepatocyt

Význam variant genotypu OATP1B1 při léčbě simvastatinem (SEARCH st.) zvýšení rizika myalgií/myopatií u různých genotypů 18% 3% 0,6% velmi nízká aktivita snížená aktivita norm. roky

CYP2C9

Význam více metabolických/eliminačních cest ↓ riziko NÚ při interakci CYP A lék A P-gp CYP B ↑ riziko NÚ při interakci CYP A lék A P-gp CYP B CYP A lék A P-gp ↑↑↑ riziko NÚ při interakci CYP B CYP A lék A P-gp CYP B

CYP 2C9 - metab. asi 15% léků silně polymorfní, u 5-8% inaktivní substráty warfarin sartany antirevmatika PAD: tolbutamid glipizid, glimepirid , nateglinid fluvastatin bioaktivace tamoxifenu inhibitory amiodaron klopidogrel antirevmatika fluvastatin induktory třezalka rifampicin

Warfarin interakce farmakodynamická - ihibice polymorf. reduktázy vit. K interakce farmakokinetické biotransformace polymorfními isoenzymy CYP (2C9, 1A1, 1A2)

trombóza a krvácení trombóza krvácení

Antitrombotický efekt a riziko krvácení při léčbě warfarinem riziko trombózy 15 riziko krvácení 10 riziko 5 3 1 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 7.0 INR INR pod 2.0 - vysoké riziko trombot. příhody INR nad 4.0 - vysoké riziko krvácení

warfarin redukovaný oxidovaný vitamin K vitamin K regenerace vitaminu K reduktázou (VCOR) redukovaný vitamin K oxidovaný vitamin K aktivace koagul. faktorů vitamin K-dependentní karboxylázou funkční (karboxylovaná) forma koagulačních faktorů II, VII, IX, X a proteinu C a S afunkční (nekarboxylovaná) forma koagulačních faktorů II, VII, IX, X a proteinu C a S

P P warfarin redukovaný oxidovaný vitamin K vitamin K degradace S warfarinu (CYP2C9) P regenerace vitaminu K reduktázou (VCOR) redukovaný vitamin K oxidovaný vitamin K aktivace koagul. faktorů vitamin K-dependentní karboxylázou funkční (karboxylovaná) forma koagulačních faktorů II, VII, IX, X a proteinu C a S afunkční (nekarboxylovaná) forma koagulačních faktorů II, VII, IX, X a proteinu C a S

warfarin redukovaný oxidovaný vitamin K vitamin K P transportní systémy warfarinu v hepatocytu warfarin degradace S warfarinu (CYP2C9), degradace R warfarinu (CYP1A1, 1A2 a 3A4) P P regenerace vitaminu K reduktázou (VCOR) degradace vitaminu K (CYP4F2) redukovaný vitamin K P oxidovaný vitamin K P aktivace koagul. faktorů vitamin K-dependentní karboxylázou funkční (karboxylovaná) forma koagulačních faktorů II, VII, IX, X a proteinu C a S afunkční (nekarboxylovaná) forma koagulačních faktorů II, VII, IX, X a proteinu C a S

Dopad polymorfizmu VKORC1 a CYP2C9 na dávkování warfarinu 12,0 mg rychlí metab. + warfarin rezist. > 10mg 8,0 4,0 pomalí metab. + warfarin senzit. < 1 mg PM+AA SM+AA RM+AA PM+GG SM+GG RM+GG podle Sconce EA, 2005

CYP2D6

Polymorfizmus enzymů - mutace jedné baze - snížení enzymové aktivity pomalý metabolizátor - všechny alely defektní střední metabolizátor - jedna intaktní alela rychlý metabolizátor - všechny intaktní alely (wild type) ultrarychlý metabolizátor - multiplikace genu či vyšší aktivita enzymu frekvence fenotypů např. CYP2D6 v ČR

CYP 2D6 - metabolizuje  10% všech léků - řada funkčně významných polymorfizmů (pomalí 7%, střední 40%, rychlí 50% a ultrarychlí 3% metabolizátoři) substráty lipofil. BB antiarytmika psychofarm. - antidepresiva,… opiáty (degradace i bioaktivace) inhibitory psychofarm. - antidepresiva,… amiodaron propafenon inhib. H2 rec. - cime- a ranitidin koxiby induktory rifampicin rifampin dexametason třezalka

Lipofilní -blokátory

Význam polymorfizmu CYP2D6 u lipofilních -blokátorů lipofilní -blokátory (metoprolol, karvedilol, nebivolol) metabolizovány CYP2D6 - riziko interindividuální variability efektu - riziko lékových interakcí

Vliv polymorfizmu CYP2C9 na expozici (AUC) metoprololu pomalí rychlí velmi rychlí Seeringer A, Eur J Clin Pharmacol. 2008 > 10 násobné interindividuální rozdíly v expozici lipofilními betablokátory .

Vliv polymorfizmu CYP2C9 na expozici (AUC) metoprololu terapeut. okno Seeringer A, Eur J Clin Pharmacol. 2008 u PM zůstává metoprolol v terapeutickém rozmezí 15-20 hod., u UM pouze 2-3 hod.

Význam polymorfizmu v léčbě antiarytmiky většina antiarytmik metabolizována polymorf. CYP2D6

Variabilita vhodného dávkování propafenonu v závislosti na aktivitě CYP2D6 aktivita izoenzymu CYP2D6 pomalý metab. střední metab. rychlý metab. velmi rychlý metab. relativní frekvence v populaci 100 mg 500 mg 1500 mg vhodná dávka pro jednotlivé typy metabolizátorů dávkovací rozmezí dle populačních studií Zanger UM, Pharmacogenetics 2001

CYP2C19

CYP 2C19 - silně polymorfní u 30% populace málo aktivní, u 15% hyperaktivní metab. <5% léků, řadu léků aktivuje substráty psychofarm. bioaktivace klopidogrelu tamoxifenu inhibitory IPP, zejm. omeprazol psycho- farmaka induktory karbamaz. prednison rifampicin

Polymorfizmus oxidázy CYP2C19 u pomalých a středních metabol. (CYP2C9*3, *2) - genotyp loss of function je bioaktivace snížena u rychlých metabol. (CYP2C19*17) - genotyp gain on function je bioaktivace zvýšena pomalý metabol. 2% střední metabol. 26% popul. rychlý metabol. 72% popul.

Biotransformace enzymy II. řádu - transferázy 9 skupin s více než 80 isoenzymy

Bioeliminace konjugací transferázami glukuronyl-transferázy amino acid-transferázy dehydrogenázy epoxidázy esterázy glutathion-transferázy methyl-transferázy N-acetyl-transferázy sulfotransferázy

Bioeliminace konjugací transferázami druhý krok biotransformace navázáním vysoce hydrofilní skupiny k lipofilní molekule - zvýšení rozpustnosti ve vodě - detoxikace významný krok pro eliminaci a inaktivaci lipofil. léků a detoxikaci karcinogenů řada enzymů je polymorfních, při snížené aktivitě – např. glukuronyl-transferázy, glutathion-transferázy – je doložen vyšší výskyt nádorů, např. bronchogenního Ca u kuřáků

Konjugace - glukoronidizace eliminace zejména do žluče význ. polymorfizmus glukuronidáz → rozdíly v eliminaci např. bilirubinu (hyperbilirubinemie) ve střevě bakteriální glukuronidázy, reabsorpce po odštěpení → enterohepatální cyklus

Konjugace - sulfatace rozdíly v aktivitě sulfotransferáz u mužů a žen vysoká aktivita v játrech a ledvinách, substráty eliminovány převážně do moče

Konjugace – konjugace s AMK

Konjugace - acetylace polymorfizmus acetyltransferázy → pomalí a rychlí acetylátoři – význam v eliminaci např. isoniazidu (tuberklulostatikum)

Glukuronyltransferázy (UGT) rodina 19 polymorfních isoenzymů velmi důležitá cesta bioeliminace a inaktivace zejm. steroidů (glukokortik., mineralokotik., progestiny, androgeny) nejvýzn. isoenzym UGT2B7 konjuguje 40% léků, též steroidy méně prostudovány než oxidázy CYP

Inaktivace androgenů glukuronyltransferázy testo DHT ADT-G 3a-DIOL-G DIONE androst-5-ene-3b, 17b-diol glukuronyltransferázy UGT2B17 testo-G 4-DIONE testo UGT2B15 UGT2B17 A-DIONE DHT DHT-G UGT2B15 ADT 3a-DIOL UGT2B7 UGT2B15 UGT2B17 UGT2B7 UGT2B17 ADT-G 3a-DIOL-G

Polymorfizmus UGT inaktivace androgenů (testosteronu a dihydrotestosteronu) konjugací polymorfizmus se  aktivitou UGT2B15 v prostatě je spojen s rizikem Ca prostaty inaktivace katecholestrogenů (karcinogenní deriváty estrogenů) polymorf. se  aktivitou UGT2B7 v mammě zvyšuje tkáň. hladinou 4-hydroxyestronu a je spojen s rizikem Ca mammy

Personalisovaná léčba vs léčba podle doporučených postupů

Personalisovaná léčba vs léčba podle doporučených postupů

Děkuji za pozornost