Фармокогенетика ферментов систем детоксикации, транспортов и рецепторов лекарственных средств

Люди с гипокаталазией и особенно с акаталазией обладают высокой чувствительностью к  спиртным напиткам из-за уменьшения скорости окисления этилового спирта. При акаталазии последствия отравления метанолом (древесным спиртом) менее выражены, так как у них метанол окисляется менее интенсивно, а содержание формальдегида — промежуточного продукта окисления этого спирта — не достигает высокого уровня.

Специфического лечения  акаталазии не существует. При наличии  воспалительных очагов используют антибиотики, сульфаниламиды, антисептические средства и т.д.

3. Атипичные реакции на лекарственные средства при наследственных нарушениях обмена веществ

Врожденная метгемоглобинемия. В отличие от оксигемоглобина метгемоглобин содержит трехвалентное железо, прочно связывает кислород и поэтому непригоден для его транспорта. В норме метгемоглобин содержится в эритроцитах в небольших количествах (0,5-3%). Многие лекарственные вещества (нитроглицерин, сульфаниламиды, хлорамфеникол, ПАСК, антипирин и т.д.), особенно при их длительном применении в больших дозах, могут вызвать метгемоглобинемию, однако у большинства людей под влиянием метгемоглобинредуктазы быстро происходит восстановление метгемоглобина. При наследственной недостаточности метгемоглобинредуктазы в крови больных резко повышается (до 30-40%) концентрация метгемоглобина. Чувствительность таких больных к токсическому действию метгемоглобинобразующих лекарственных средств очень высока. Недостаточность метгемоглобинредуктазы передается по аутосомно-рецессивному типу. При выраженной метгемоглобинемии внутривенно вводят метиленовый синий (1-2 мг/кг) и назначают аскорбиновую кислоту по 0,3 г.

Порфирии. При интермиттирующей порфирии вследствие повышения активности синтетазы d-аминолевуленовой кислоты резко увеличено количество этой кислоты и порфобилиногена в печени и моче больных. Заболевание проявляется приступами кишечной колики, полиневритами, параличами мышц, психическими расстройствами, эпилептическими припадками и т.д. Обострения болезни провоцируются барбитуратами, а также сульфаниламидными препаратами, эстрогенами (в том числе содержащимися в противозачаточных средствах), амидопирином, гризеофульвином, некоторыми транквилизаторами и противосудорожными средствами. Эти препараты усиливают образование d-аминолевуленовой кислоты. Вероятность применения барбитуратов и транквилизаторов больными порфириями весьма высока, так как у них наблюдаются психические расстройства и эпилептические припадки. Порфирии широко распространены в Швеции, Норвегии, Южной Африке.

Наследственные негемолитические желтухи. При наследственных желтухах нарушена биотрансформация некоторых  лекарственных средств (кортизон, хлормицетин), которые не превращаются в глюкурониды и кумулируются в организме. Дозы таких препаратов должны быть снижены. Некоторые лекарственные средства (фенобарбитал, зиксорин) повышают активность глюкуронилтрансферазы и с успехом используются для лечения наследственных негемолитических желтух.

4. Рецепторы фармакологических препаратов

Рецепторная теория действия лекарств начала развитие с конца XIX в., когда П. Эрилих выдвинул концепцию  о лекарстве как "волшебной  пуле", направленной на "поражаемый рецептор". Многие годы рецепторы характеризовали по эффектам различных эндо- и экзогенных соединений, названия которых определяли номенклатуру рецепторов.

Прямая идентификация  рецепторов лекарств, гормонов, нейромедиаторов  стала возможной в 60-х годах XX в. благодаря разработке методов радиолигандного анализа. Более глубокое понимание структуры и функции рецепторов в последние два десятилетия достигнуто на основе молекулярно-генетических исследований. Большинство рецепторов выделено, определена их аминокислотная последовательность, клонированы сотни кодирующих рецепторы генов.

Большинство современных  исследователей отличают рецепторное  связывание от неспецифического, прежде всего, поскольку последнее не ведет  к специфическому эффекту.

Не все лекарства  влияют на рецепторы, имеющие эндогенные лиганды: фармакологическое действие может опосредоваться ферментами, небелковыми элементами — липидами, изменением содержания ионов и состава воды, другими процессами.

Взаимодействие лекарственных  средств со специфическими рецепторами  обеспечивается различными типами химических связей. Иногда имеет место ковалентное связывание, однако для фармакологических препаратов характерно обратимое связывание за счет комбинации электростатического взаимодействия, водородных связей, ван-дер-ваальсовых связей при высокой комплементарности лиганда к рецептору. Рецептор также должен быть стереоселективен в отношении оптических изомеров лекарств.

Сигнальные механизмы. На сегодняшний день выделяют четыре основных механизма, по которым экстраклеточный  лиганд регулирует внутриклеточные процессы. Молекулярные основы сигнальных систем трансдукции значительно различаются.

Первой, наиболее сложной, является рецепторная система, связанная  с G-белками. Она состоит из трансмембранного рецептора, к которому лиганд присоединяется на поверхности клетки, этот рецептор сопрягается с расположенным на внутренней поверхности мембраны гуанин нуклеотидсвязывающим белком (G-белком). Этот белок в свою очередь регулирует эффекторный фермент, генерирующий внутриклеточный вторичный мессенджер.

Второй тип рецепторной  системы — рецепторы, связанные  с тирозинкиназой и гуанилилциклазой. Они состоят из трансмембранных  рецепторов, в которых внутриклеточная  часть обладает ферментативной активностью, аллостерически регулируемой лигандным  связыванием на внешнем по отношению к мембране участке рецептора.

Третий тип — более  простая система рецептора, это  регулируемый лигандом трансмембранный  ионный канал. Его открытое состояние  определяется прямым связыванием лиганда  с экстраклеточным участком каналообразующих белков.

Четвертый тип — характерен для жирорастворимых лигандов. В  этом случае проникший через мембрану лиганд связывается с внутриклеточным  рецептором, далее этот комплекс присоединяется к специфическому участку ДНК  в ядре и регулирует транскрипцию.

Для понимания фармакогенетического значения лиганд-рецепторного взаимодействия механизмы трансдукции следует  рассмотреть более подробно.

4.1. Рецепторы, связанные с ферментами

Гуанилатциклазные рецепторы. Известен только один класс таких  рецепторов для семейства пептидных гормонов, называемых предсердными натрийуретическими пептидами (atrial natriuretic peptides, ANP). Они секретируются мышечными клетками в ответ на повышение артериального давления и связываются с рецепторами в почках, где индуцируют увеличение экскреции натрия и воды, и в гладких мышцах сосудов, вызывая их релаксацию. ANP-рецептор является одиночным полипептидом, содержащим экстрацеллюлярный ANP-связывающий домен, одиночный трансмембранный домен и внутриклеточный каталитический домен с гуанилатциклазой. Активация рецептора ведет к увеличению продукции цГМФ, который в свою очередь активирует серин-треонинкиназы, цГМФ-зависимую протеинкиназу (протеинкиназу G). Белки-мишени для протеинкиназы G и сигнальные каскады, ведущие к ответу на AN Р, недостаточно изучены.

Ионные каналы, контролируемые лигандным связыванием. Синаптические  нейромедиаторы связываются с группой  рецепторов на постсинаптических мембранах, известных как лиганд-контролируемые ионные каналы. Среди них ацетилхолин, γ-аминомасляная кислота, глицин, глутамат. Лигандконтролируемые ионные каналы — важнейшая мишень для действия лекарственных средств, особенно психотропных. Различные ионные каналы сходны по структуре, они состоят из нескольких субъединиц, формирующих в мембране ионный канал. Каждая субъединица канала — полипептид, содержащий четыре перекрывающих мембрану домена. В то же время для них характерна специфичность связывания нейромедиаторов и селективность транспорта ионов.

В данном классе наиболее полно охарактеризован Н-ацетилхолиновый рецептор. Этот ионный канал состоит из 5 субъединиц (2а, 5, Цу), которые совместно формируют пору, проходящую через плазматическую мембрану. Закрытая позиция двух а-субъединиц внутри мембраны формирует "ворота", препятствующие прохождению ионов через канал. Ацетилхолин, присоединяясь к экстрацеллюлярным участкам двух а-субъединиц, вызывает в них конформационные изменения, ведущие к открытию канала для ионов, особенно для Na+, которые соответственно химическому градиенту идут внутрь клетки.

5. Транспортеры лекарств.

Транспортные белки  играют важную роль в регуляции абсорбции, распределения и экскреции многих лекарств. Наиболее изученными среди  них являются члены семейства  аденозинтрифосфатов (АТФ)- связывающей кассеты. Один из членов – Р-гликопротеин, кодируется геном человека ABCB1, именуемым также MDR1. Основной функцией Р-гликопротеина является энергозависимый трансмембранный транспорт субстратов, таких как билирубин, противоопухолевые лекарства, сердечные гликозиды, иммуносупрессоры, глюкокортикоиды, ингибиторы протеаз 1 типа вируса иммунодефицита человека, и многие другие лекарства. Экспрессия Р-гликопротеина во многих тканях показывает его роль в экскреции ксенобиотиков и метаболитов в мочу, желчь и содержимое кишечника. В гематоэнцефалическом барьере мозга Р-гликопротеин ограничивает аккумуляцию многих лекарств, включая дигоксин, иверместин, винбластин, дексаметазон, циклоспорин, домперидон, лоперамид. С вариабельной экспрессивностью Р-гликопротеина в двенадцатиперстной кишке ассоциирован синонимичный однонуклеотидный полиморфизм (полиморфизм, который не меняет аминокислоту) в экзоне 26 (3435С→Т); у индивидов, гомозиготных по аллелю Т, дуоденальная экспрессия Р-гликопротеина была меньше, чем у пациентов с СС генотипом. Природные клетки-киллеры CD56+ людей, гомозиготных по 3435С, ex vivo в опытах с родамином демонстрировали высокую функцию Р-гликопротеина. Высокая биопригодность другого субстрата Р-гликопротеина – дигоксина обнаружена у субъектов с генотипом 3435ТТ.

Однонуклеотидный полиморфизм 3435С→Т имеет неравновесное сцепление с несинонимичным однонуклеотидным полиморфизмом в экзоне 21 (2677G→T), приводящим к замене Ala893Ser, что нарушает функцию Р-гликопротеина. Так как эти два полиморфизма наследуются вместе, вопрос значения полиморфизма 3435С→Т для функции энзима остается неясным. Полиморфизм 2677 G→T ассоциирован с увеличением функции Р-гликопротеина in vitro и снижением концентрации в плазме фексофенадина, действующего противоположно дигоксину.

У больных СПИДом, получавших комбинированную антиретровирусную терапию ингибиторами протеаз, либо ингибиторами обратной транскриптазы изучена ассоциативная связь между результатом лечения и генетическими вариантами CYP3A4, CYP3A5, CYP2D6, CYP2C19, гена хемокинового рецептора CCR5, и ABCB1. Полиморфизм 3435C→T в гене ABCB1 был ассоциирован со значительными фармакокинетическими различиями противовирусных препаратов. Подсчет количества клеток CD4 был успешнее у пациентов с генотипом ТТ, чем у пациентов с генотипами СТ и СС. Из многих величин, оцениваемых в ходе исследования CD4, удалось точно предсказывать только генотип АВСВ1 и количество копий HIV RNA. При этом у пациентов не обнаружен однонуклеотидный полиморфизм 2677G→T гена АВСВ1.

Этот пример иллюстрирует общие проблемы изучения ассоциаций, именуемые биологическим правдоподобием. Не ясно, почему большая эффективность была связана с однонуклеотидным полиморфизмом, ассоциированным с низкой концентрацией лекарств в плазме, если полиморфизм АВСВ1 является причиной задержки лекарств в лейкоцитах CD4. Сверхэкспрессия гена другого АВС транспортера (ABCC4 или MRP4) указывает на устойчивость к некоторым антивирусным средствам (например, цидовудину). Несмотря на неполные знания о механизмах, генетический маркер может быть использован для предсказания восстановления иммунитета после проведенного противовирусного лечения, и, возможно, использован для внесения корректив в схему лечения больного.

Заключение

Относительно недавно выяснилось, что фармакогенетические особенности могут определять не только токсические эффекты противораковой терапии, но и резистентность к ней. Первым ключевым ферментом, с изменением активности которого могут быть связаны токсические эффекты применения цитостатических препаратов, является тиопурин S-метилтрасфераза. Он катализирует S-метилирование 6-меркаптопуринов с образованием неактивных продуктов. У лиц с низкой активностью фермента развиваются тяжелые апластические анемии, что связано с подавлением гемопоэза. Другой фермент, дигидропиримидин дегидрогеназа, катализирует начальное превращение пиримидинов (тимидина, урацила, 5-флуорацила и др.) в соединения, не обладающие биологической активностью. 5-флуорацил широко используется для лечения рака молочных желез и некоторых других видов опухолей. При сниженной скорости метаболизма отмечается развитие токсических эффектов терапии, при повышенной — резистентность к ней.

Как следует из приведенных данных, индивидуальные особенности активности ферментных систем могут иметь существенное значение для появления побочных эффектов лекарственной терапии. Возникает естественный вопрос: в какой мере можно предвидеть индивидуальные особенности метаболизма ЛВ до назначения соответствующей терапии? До начала 1990-х гг. ответ на этот вопрос был статистическим: были определены вероятности встречаемости мутантных вариантов генов ферментов в различных популяциях, в соответствии с ними выявляли вероятность развития осложнения при назначении лекарственной терапии, исходя из данных о наследственности.

Также предлагалось использовать провокационные тесты: назначать больному небольшую дозу ЛВ, определяя скорость его элиминации. Однако такие исследования оказались достаточно дорогими, кроме того, они не учитывают кумулятивных эффектов ЛВ.

В настоящее время  интенсивно разрабатываются методы ДНК-диагностики мутантных форм ферментов. В частности, в США с 1990 г. широко используется диагностика аллельных форм CYP2D6. Наибольшее распространение получило определение полиморфизма отдельных нуклеотидов (SNP single nucleotide polymorphisms). Эта методика позволяет не проводить трудоемкую процедуру полного анализа ДНК, а установить лишь те участки, в которых могут быть мутации, определяющие активность соответствующих ферментов. Однако для ее успешного применения необходимы предварительные популяционные исследования, которые позволили бы выявить все мутации и их значение с точки зрения фармакогенетики.