Auf dem Weg zur personalisierten Pharmakokinetik: Analyse der Interaktionen und Polymorphismen von fremdstoffmetabolisierenden Enzymen zur Optimierung der Medikation und exemplarische Anwendung in der Polychemotherapie

Abstract

Mehr als die Hälfte aller über 50-Jährigen nehmen täglich fünf oder mehr Medikamente ein. Die für die Verstoffwechselung von Medikamenten verantwortlichen Enzyme weisen eine stark überlappende Substratspezifität auf und sind somit in ihrer Effektivität anfällig für Polypharmazie. Die Enzymaktivität wird weiterhin auch durch Medikamente beeinflusst, die die Enzyme inhibieren oder induzieren. Interindividuell ist das Ansprechen auf Medikamente ebenfalls sehr verschieden. Ein wichtiger Grund hierfür ist die unterschiedliche Aktivität der fremdstoffmetabolisierenden Enzyme, da diese genetisch sehr polymorph sind. Insgesamt bedingen Polypharmazie, die einhergehenden Medikamenteninteraktionen und Polymorphismen von Enzymen starke Variationen von Medikamentenwirkspiegeln und bedingen somit Ineffektivität und Toxizität. Ziel dieser Arbeit war es, diese Faktoren zu untersuchen und die Ergebnisse in einer Datenbank zu integrieren, die auf diesen Informationen basierende Therapieoptimierungen ermöglicht. Um die in der Literatur weit verstreuten Erkenntnisse zu Interaktionen der einzelnen Enzyme und Transporter und der funktionellen Charakterisierung ihrer genetischen Varianten und deren Häufigkeit in verschiedenen Ethnien bündeln zu können, war ein automatisierter Textminingansatz erforderlich. Es wurde nach Interaktionen zwischen ca. 2.800 Medikamenten und über 6.000 fremdstoffmetabolisierende Enzymen, darunter Cytochrom P450-Enzyme (CYPs), Phase II-Enzyme und Transporter (und jeweils deren Synonymen) mit ca. 100 Prädikaten wie „hemmen, induzieren, metabolisieren“ etc. in über 21 Millionen Artikeln in PubMed gesucht. Dies ent-spricht weit mehr als einer Milliarde Einzelsuchen. Insgesamt wurden 22.000 Artikel mit den gewünschten Schlüsselwortkombinationen gefunden. Diese potenziellen Beziehungen wurden anschließend manuell validiert und die verifizierten Interaktionen in die Transformer Datenbank integriert. Zu den über 2.800 Medikamenten wurden mehr als 4.000 Interaktionen mit Phase I-Enzymen, mehr als 400 mit Phase II-Enzymen und mehr als 1.100 mit Transportern ermittelt. Diese Ergebnisse wurden in der Datenbank Transformer online zur Verfügung gestellt, die ohne Anmeldung und kostenlos zugänglich ist: http://bioinformatics.charite.de/transformer. Um den Nutzern eine gezielte Suche nach Interaktionen zwischen mehreren Medikamenten zu ermöglichen, wurde ein Web-Tool entwickelt, inklusive eines Interaktionsnetzwerk-Tools. In einem nächsten Schritt wurden die Auswirkungen sowie die Häufigkeiten von CYP-Polymorphismen in Kaukasiern und anderen Ethnien ermittelt, um eine Liste von klinisch relevanten Polymorphismen zu erstellen. Des Weiteren wurden Expressionsunterschiede von CYPs in verschiedenen Geweben dargestellt. Die Wichtigkeit der Berücksichtigung von CYP-Interaktionen in der Verstoffwechselung von Medikamenten wurde an Hand von Chemotherapieprotokollen verdeutlicht. Dazu wurden 91 Behandlungsprotokolle auf Medikamentenwechselwirkungen analysiert und Optimierungsvor-schläge aufgezeigt. Eine klinische Studie über die Behandlung von Kindern mit einem Rezidiv einer akuten lymphoblastischen Leukämie wird derzeit auf medikamentöse CYP-Interaktionen und ihren Einfluss auf die Mortalität hin untersucht. Weitere klinische Studien – sowohl retrospektiv als auch prospektiv – sollten die vorgelegten theoretischen Analysen in Zukunft untermauern, um Wirksamkeit zu verbessern und Nebenwirkungen zu vermeiden.

More than half of the people aged 50 years or older are administered at least five drugs daily. The enzymes, which are responsible for the drug metabolism, have overlapping substrate speci-ficities. Therefore, these enzymes are susceptible to polypharmacy. Additionally, drugs often inhibit enzymes or induce their expression. At a given prescribed dose, the actual effective drug level differs considerably between patients. One important reason for this is that the enzymatic activity varies due to genetic variability, leading to phenotypes such as poor and extensive me-tabolisers. Thus, the use of multiple drugs, drug-drug interactions and polymorphisms of the en-zymes result in unexpected drug levels leading to ineffective therapy and increased toxicity. The aim of this project was to analyse these factors and integrate the results in a database, in order to enable evidence-based optimisation of the pharmacotherapy. An automatic textmining was developed to find relations between drugs, enzymes, transporters, genetic variants and their frequency in different ethnicities. More than 21 Millions of abstracts in PubMed were searched for interactions between 2,800 drugs and more than 6,000 enzymes, in- cluding cytochrome P450 enzymes (CYPs), phase II-enzymes and transporter, with over 100 predicates like: “inhibit, induce, metabolise” etc. were sought in. A total of more than one billion of queries were performed. Altogether, more than 22,000 scientific publications matched the search criteria. The potential relations therein had to be validated manually before they were integrated into the Transformer database. For the 2,800 drugs about 4,000 interactions with CYPs, 400 with phase II-enzymes and 1,100 interactions with transporters were determined. The results were compiled and made available online without registration or payment at: http://bioinformatics.charite.de/transformer. To enable interactive drug-cocktail optimisation a web-tool including network visualisations was devel-oped. In a next step, the frequencies and effects of CYP polymorphisms in Caucasians and other eth-nicities were analysed to create a list of relevant polymorphisms. Additionally, expression differ-ences of CYPs in different tissues were analysed and visualised. The importance of considering CYP interactions with regard to metabolism of drugs was shown for chemotherapeutic drug cocktails. To this end, 91 treatment protocols were investigated for potential metabolic interactions and alterations were suggested to improve efficacy and safety in pharmacotherapy. A clinical study on the treatment of children with relapses of acute lympho-blastic leukemia is currently being analysed for CYP drug-interactions and their influence on survival rates. Further clinical studies - both retrospective and prospective – should be performed to underpin the theoretical analyses presented here to improve efficacy and reduce toxicity.