遺傳藥理學源於英文Pharmacogenetics , 由“藥物pharmaco -”和“遺傳學genetics”合併而成。其廣義定義是研究任何有生命的物種因先天性遺傳變異而發生的對外源性物質反應異常的學科，狹義定義為個體遺傳變異對藥物反應個體差異影響的學科。現代醫學研究證明，某些亞人群發生的藥物嚴重毒副作用或者治療失敗都具有顯著遺傳背景，遺傳基因不同引起的藥物反應差異可能導致醫療費用的上漲、患者的痛苦增加甚至死亡。通過對遺傳藥理學的研究，則可能利用現代科技手段，預測可能的用藥結果，為患者提供更為安全、有效、經濟的藥物治療方案。
基本介紹
1. 遺傳藥理學的誕生與發展,2.遺傳藥理學下臨床用藥模式的變革和意義,3.遺傳藥理學的主要研究內容和研究目的,4. 遺傳藥理學的發展現狀,5.遺傳藥理學的發展與未來,
藥物作用的差異有些是由遺傳因素引起的，研究遺傳因素對藥物反應影響的學科稱之為遺傳藥理學（pharmacogenetics），它是藥理學與遺傳學相結合發展起來的邊緣學科。遺傳藥理學(pharmacogenetics)是研究臨床藥物治療中個體反應差異的遺傳學因素的學科,認為遺傳多態性可引起不同個體在服用藥物時的藥理學及毒理學的不同效果,從而引起藥物治療效果的差異。
1. 遺傳藥理學的誕生與發展
遺傳藥理學起源於19 世紀末—20 世紀初。1898 年, 英國St Bartholomew' s 醫院內科醫生Archibald Garrod 致力於尿色素成分的研究, 他發現個別病人服用一種叫做索佛拿的鎮靜催眠藥可導致卟啉病和尿黑酸症, 並且發現這種異常藥物反應在具有血緣關係的親屬身上發病率明顯高於非親屬個體, 於是第一個提出這種罕見的藥物反應具有“先天決定性”, 並且結合“孟德爾遺傳定律”認為卟啉病和尿黑酸症為單基因遺傳的異常藥物反應。1902 —1913 年, 英國另一位傑出的生物學家Bateson W 證實Garrod 發現的藥物反應為隱性遺傳。Garrod 於1908 年首次提出“化學異質性”一詞, 在他的一段文章中曾經這樣記錄:“對於任何一種經口或其他途徑進入身體的毒物, 人體有抵禦並將其分解消除的天然屏障。任何一種有活性的藥物如果劑量過大都會成為毒藥, 然而某些人對於大多數人可耐受的正常藥物劑量可表現出毒副作用, 還有些人對於大多數人效果很好的藥物劑量表現出超乎尋常的耐受性。”這是首次具有高度預見性的文字對遺傳藥理學現象作出描述。
1.1遺傳藥理學研究的首個實例:味盲實驗 世界上首個遺傳藥理學實驗並非針對某種藥物, 而與嘗試某種化學物質產生的不同味覺有關。苯硫脲原本是人們為尋找蔗糖替代物而人工合成的一種化學晶體, 在實驗中Fox AL 觀察到一部分人嘗苯硫脲時抱怨味道是苦的, 而另一部分受試者說味道很淡或者說象“沙子” 一樣根本沒有什麼味道[ 6] 。Synder LH 敏銳地注意到了這個現象, 他難以置信地完成了一項涉及800個家庭的大型研究, 最終發現這種所謂的味覺障礙呈常染色體隱性遺傳, 並且在不同地域或種族間發生率有差別[ 7] 。該實驗成為後來遺傳藥理學研究的雛形,它第一次揭示了人類對化學物質的反應呈現遺傳多態現象, 同時也是有關化合物反應種群差異的最早歷史記錄。
1. 2 20 世紀50 年代遺傳藥理學史上的里程碑事
件 遺傳藥理學作為一門獨立學科出現是在上世紀50年代。新技術的出現使研究者有了新的手段檢測酶活性和藥物的代謝產物, 並觀察藥物的反應。直到50年代末期, 三個著名的實驗應證了遺傳藥理學的先驅Garrod在50年前的偉大預言:酶活性的個體差異是造成藥物不良反應的重要原因。Alf Alving 和他的同事在第二次世界大戰期間曾用伯氨喹給士兵治療瘧疾, 白人士兵絕大部分人安全而有效, 卻有高達10 %的黑人士兵服用相同劑量的伯氨喹後出現急性溶血危象。後來被證實造成這種現象的原因是體內葡萄糖-6-磷酸-脫氫酶(G6PD)缺乏, 影響了紅細胞的變形能力。有些病人吃了蠶豆後出現的溶血也是由於G6PD 的缺乏引起, 這些人通常具有相似的遺傳背景, 多見於地中海民族的後裔。1956年,Carson等發現造成該G6PD 缺陷的位點位於X染色體,且發生率非常高, 粗略估計約4 億左右的人至少攜帶135 個G6PD 基因突變位點中的一個,面臨著藥物性溶血的風險。
第二個實例關於琥珀醯膽鹼(一種肌松藥),臨床上常用其合併手術麻醉。一般琥珀醯膽鹼所致的肌肉麻痹只能維持幾分鐘,但個別人可延長到1h,甚至面臨呼吸暫停的危險。Kalow和Genest於1957 年證實對琥珀醯膽鹼的異常反應是由常染色體隱性遺傳引起的血清膽鹼酯酶的低親和力所致,而並非膽鹼酯酶含量絕對不足。遺傳缺陷引起藥物轉化異常最著名的研究是Evans等於1960年報告的關於乙醯化代謝多態性的研究, 異煙肼用於治療結核病時可將患者明顯區分為慢、快代謝者。直到30年後,研究者終於證實其機制是由位於8號染色體的N-乙醯轉移酶2 基因突變所引起。該項關於異煙肼代謝率快慢受遺傳控制的研究成為遺傳藥理學史上的一項經典研究。這一研究至今仍為研究藥代動力學遺傳性狀的模板。
1.3遺傳藥理學發展史上的重要事件
1953 -1954 年Bö nicke 等發現異煙肼的乙醯化代謝可區分為快代謝者和慢代謝者；
1956 年伯氨喹引起的溶血與紅細胞的葡萄糖-6-磷酸脫氫酶遺傳缺陷有關；
1957 年Kalow 和Staron 發現琥珀醯膽鹼引起的呼吸暫停與血清膽鹼酯酶遺傳缺陷有關；
1959 年Vogel 首次提出“遺傳藥理學”；
1962 年Kalow 發表第一本遺傳藥理學專著:Pharmacogenetics-Heredity and the Response to Drugs；
1985 年PCR 技術使基因序列可呈指數擴增, 遺傳藥理學研究方法和技術手段獲得飛躍；
1989 年周宏灝在《新英格蘭醫學雜誌》首次報導東西方人群普萘洛爾代謝和效應的種族差異；
1997 年“ 藥物基因組學” 一詞首次在文獻中出現；
2001 年第一張人類基因組序列草圖正式發表；
2003年基因組HapMap 計畫啟動, 旨在提供單倍型模組數據;人類基因組序列基本完成。
2.遺傳藥理學下臨床用藥模式的變革和意義
2.1臨床用藥模式
人類醫學的臨床用藥模式發展至今大致經歷了三個不同的階段, 前兩個階段分別是經驗用藥階段和循證用藥階段, 第三個階段是國際上剛剛興起的以遺傳藥理學為指導的個體化用藥階段。
2.1.1經驗用藥(experience medicine)是指醫生根據自己的實踐經驗和高年資醫師的指導、教科書上的研究報告依據來給患者用藥, 這種以經驗為主的傳統用藥模式實踐的結果, 使一些患者從理論上推斷可能服用某種藥物有效, 而實際上無效甚至可能對患者造成傷害。本質上來說, 經驗用藥實際上是對臨床用藥現象的分析與綜合
2.1.2循證用藥(evidence based medicine)是指對患者的藥物治療方案應在現有最好的臨床研究依據基礎上作出, 同時也重視結合個人的臨床經驗。循證用藥模式是以大樣本、多中心、隨機、雙盲臨床試驗的研究結果為基礎, 是對經驗用藥模式的巨大改進, 然而從本質上來看, 循證用藥模式仍然是一种放大的科學群體經驗, 對於發生率極低的罕見藥物反應或者特異質反應難以做出本質上的解釋。
2.1.3個體化用藥(personalized medicine)是臨床用藥模式發展的最新階段, 是人性化、科學化的臨床用藥模式新理念的一次本質飛躍,它拒絕經驗和推測, 醫生將首先解讀病人的遺傳基因編碼,根據其特定的基因型對病人可能出現的用藥情況作出科學而不是臆斷的預測, 然後給予病人特定種類和特定劑量的藥物進行治療,取得最佳療效的同時最大限度的避免藥物毒副作用。個體化藥物治療為循證醫學無法解釋的藥效學現象找到了答案。遺傳藥理學研究為提高臨床藥物療效和降低藥物不良反應提供了有力工具,是近年來臨床醫學以及新藥研發中最活躍的領域。藥物反應受多種因素影響, 而遺傳因素是人一生中穩定的決定因素。如果異常藥物反應和各種基因型組關係已明確, 完全可以按照遺傳藥理學的信息,指導選擇藥物品種以及給藥劑量,以進行安全有效的治療。早在1999年4月19日,美國華爾街日報頭版題為“開創個體化藥物治療新紀元———依據個體基因型確定藥物類別和藥物劑量”的報導, 呼喚進行藥物治療模式新的變革, 這也必將成為未來藥物治療的美好藍圖。
2.2臨床用藥模式的變革
從按體重、性別、體表面積等給藥和到按遺傳敏感性個體化給藥,直接導致了臨床用藥模式的變革。經過50年遺傳藥理學的迅速發展,遺傳基因給人類用藥模式帶來的巨大變革，主要體現在以下方面:
(1)所有的藥物反應均因人而異, 所有的藥物效應均受基因影響;
(2)多種藥物代謝酶的活性受單基因的遺傳多態性(包括編碼區單核苷酸突變、基因缺失、多拷貝重複序列和調節區突變)的影響, 如CYP450酶(CYP2D6 和CYP2C19)、N-乙醯轉移酶、硫代嘌呤甲基轉移酶、尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基轉移酶等。攜帶以上單基因突變的個體服用正常劑量藥物後發生毒副作用的風險或治療無效的可能性較大;
(3)藥物轉運體和靶點(如受體、離子通道、生長因子等)對於藥物反應個體差異的作用日益受到重視;
(4)惡性腫瘤病人中某些亞群體僅在攜帶某些靶點的敏感突變(如表皮生長因子受體EGFR之對於抗癌藥物吉非替尼)時對化療藥物有效;
(5)大多數藥物的作用受多因素的影響,也就是受到多基因和多環境因素的共同作用;
(6)藥物相關基因多態性多數存在明顯種族差異,如N-乙醯轉移酶基因多態性;
(7)檢測藥物效應預測基因的遺傳特徵(如抑鬱症和惡性腫瘤的藥物基因檢測)對臨床療效的影響, 目前基本上僅限於醫學研究中心,真正套用於臨床的還很少。
3.遺傳藥理學的主要研究內容和研究目的
遺傳藥理學的研究內容廣泛，因個體藥物代謝酶、轉運體及受體的遺傳缺陷，導致不同患者在藥物代謝酶活性、藥物轉運體能力大小及藥物受體敏感性等方面存在的種族
性、區域性差異，都屬於遺傳藥理學的研究範疇。其中，遺傳因素對藥物代謝和藥物反應影響的研究較多。遺傳藥理學旨在發現決定藥物反應個體差異中起作用的、最終可能有功能意義的候選蛋白及導致藥物反應多態性的常見基因多態性，通過建立離體/在體模型和計算機模型，或對家系、患者、人群進行遺傳學、分子生物學方面的流行病學研究，闡明他們在藥物反應個體差異和疾病發生方面的作用，最終達到根據患者特定的代謝、消除和反應等遺傳藥理學信息選擇適合的藥物和適合的劑量，甚至預防疾病發生的目的，實現真正的個體化治療。
4. 遺傳藥理學的發展現狀
現代生命科學技術的迅猛發展使遺傳藥理學和個體化用藥的發展進程大大加速，現在，遺傳藥理學研究者們不僅可以通過臨床觀察和相關檢測手段，找出可能的藥物作用相關基因（受體），而且能夠通過對藥物作用相關基因（受體）進行檢測來篩選藥物治療對象，調節藥物劑量，提高治療效果。如廣泛用於預防血栓栓塞的抗凝藥物華法林藥理作用複雜，很小的劑量－反應變化也可導致血栓或出血，不同個體及種族用藥劑量可相差 20 倍。對其中遺傳因素進行研究發現，維生素 K 環氧化物還原酶複合物 1 基因（VKO-RC1）的多態性可以解釋華法林用藥劑量 1/3 的遺傳因素的影響，聯合細胞色素 P450 酶（CYP450）2C9 多態性可以解釋患者之間 50%的劑量個體差異，目前美國
FDA 已經批准華法林處方信息更改為推薦根據人類基因信息檢測結果選擇合理的給藥劑量。但對於大部分藥物，遺傳藥理學還僅限於研究階段，研究最多的內容是藥物代謝酶，尤其是CYP450 基因多態性對藥物代謝的影響，此外還有關於藥物轉運蛋白、藥物效應基因以及藥物不良反應方面的研究。
4.1 細胞色素 P450 酶（CYP450）基因多態性CYP450 是一組涉及到許多內外源性物質代謝的混合功能氧化酶，位於細胞內質網膜和腎上腺皮質線粒體中，根據酶蛋白一級結構中胺基酸順序的同源程度可將CYP450超家族分為家族、亞家族和酶個體 3 級， 例 如 CYP3、CYP3A、CYP3A4。其中 CYP3A4 亞族參與約 50%藥物的代謝，CYP2D6 是最具有多態性的酶系，CYP2D6、CYP2C9、CYP2C19 基因多態性是遺傳藥理學的熱點內容。
4.2 其他代謝酶
4.2.1 N- 乙醯轉移酶（N-acetyltransferase， NAT）NAT 是體內催化乙醯化反應的酶，在異煙肼、普魯卡因醯胺、咖啡因、柳氮磺吡啶、磺胺類藥物等藥物的代謝中發揮重要作用。NAT 在體內有 NAT1 和 NAT2 兩種同功酶，約有 15 種等位基因突變，其基因多態性可導致快代謝型和慢代謝型兩種代謝方式，慢代謝型個體代謝藥物速度與快代謝型可相差 10 倍，血藥濃度維持時間明顯延長，異煙肼、柳氮磺吡啶的不良反應在慢代謝型個體更為常見。慢代謝型出現的幾率與種族有關，在美洲白人和黑人中大約是
50%，在北歐是 60% ~ 70%，但在東南亞卻只有 5% ~ 10%。
4.2.2 亞甲基四氫葉酸還原酶（methylenetetrahydrofolate re-ductase， MTHFR）MTHFR
是葉酸代謝過程中的關鍵酶，與甲氨蝶呤的代謝和療效密切相關。MTHFR 有多種基因亞型，其中引起 MTHFR 酶活性降低的兩種常見亞型為C677T及A1298C。C677T 亞型與甲氨蝶呤毒性增加，不良反應導致的治療中止風險增加有關。接受 CMF（環磷醯胺 + 甲氨蝶呤 + 5-Fu） 治療的乳腺癌患者中嚴重骨髓毒性的發生率與 C677T 改變有關。
4.2.3 胸苷酸合成酶 （TS）和二氫嘧啶脫氫酶 （DPD）二氫嘧啶脫氫酶（DPD）是 5- 氟尿嘧啶主要代謝酶，相對於普通人群，在 1% ~ 3%的癌症患者中，使用可以明顯降低 DPD 活性的藥物，可使嚴重的藥物毒性反應增加。有研究發現腫瘤組織中胸苷酸合成酶（TS）基因高表達和 TS高含量者對 5- 氟尿嘧啶（FU）的治療反應率較低，分析腫瘤組織中 TS 基因多態性，聯合 TS 蛋白或 m RNA 表達水平有助於預測患者對氟尿嘧啶類製劑的反應。
4.3 藥物轉運蛋白
P- 糖蛋白是一種穿細胞膜的流出泵，在體內將親脂性的底物藥物泵出細胞，參與多種藥物在體內的主動轉運過程，如蒽環類藥、免疫抑制劑、鈣離子拮抗劑、蛋白酶抑制劑、大環內酯類抗生素等。P- 糖 蛋 白 由 多 耐 藥 基 因 1(MDR1)編碼，多耐藥基因 1(MDR1)有 50 種以上的 SNPs，其中在 2677 和 3435 位點的突變與 P- 糖蛋白的表達或功能有關。MDR1 多態性決定了 P- 糖蛋白在體內的表達水平及功能，有關其在藥物代謝動力學方面對臨床治療效果影響的文獻報導有不同的研究結果。Yamauchi 等發現MDR1在鹼基序列 2677 處的變異與他克莫司的神經毒性相關。Siddiqui A 等發3435CC 基因型個體 P- 糖蛋白表達及活性明顯增強，且難治性癲癇的比例顯著增高。vonAhsen、Hesselink、Goto等 的 研 究 結 果 顯 示 MDR1亞型 C3435T 與環孢素、他克莫司血藥濃度可能有關。Virgil E G 等人研究認為 MRP 高表達的非小細胞肺（NSCLC）患者採用輔助化療療效較差，可用於預測患者治療效果。其他藥物轉運相關蛋白有多藥耐藥相關蛋白（MRP）、乳腺癌相關蛋白（BCRP）等。
4.4 藥物效應基因
除藥物代謝酶，藥物的靶分子/受體及信號傳遞過程中的分子對藥物療效差異也起著重要的作用，如與風濕病藥物治療有關的腫瘤壞死因子（TNF），Mugnier 等發現攜帶 G/G 亞型的患者對英夫昔單抗治療的反應明顯優於A/A 或 A/G 亞型攜帶者。對於抗精神病藥物，目前認為5-HT2A受體基因 T102C 多態性和 DRD2Tagl A 多態性與氯氮平、氟哌啶醇的臨床療效相關。SCL6A4 啟動子的短序列多態性、色氨酸羥化酶 A218C 的多態性與氟伏沙明和帕羅西汀的療效相關。
4.5藥物不良反應
伊立替康（開普拓）是用於結直腸癌根治術後的化療藥物，在體內經尿苷二磷酸葡萄糖甘酸轉移酶 1A1（UGT1A1）催化的糖化反應速率轉化為活性更強的代謝產物 SN-38，該藥的主要毒副作用是腹瀉和骨髓抑制，由於代謝酶的基因多態性（活性相差最高達
50 倍），表現出不同強度的毒副作用。美國 FDA 要求在藥品說明書中標明 UGT1A1 與毒副作用有關，對於﹡28/﹡28 基因型患者降低給藥劑量，避免出現高度中性粒細胞減少症的風險。在該藥的中文說明書中未提及基因型的影響，可能與該基因突變在亞洲人種較少見有關。卡馬西平是臨床常用的抗癲癇藥，可引起Stevens-Johnson 綜合徵（SJS）和中毒性表皮壞死溶解症（toxic epidermal necrolysis，TEN）的嚴重不良反應，該病在白種人發生率僅為 0.01% ~ 0.06%，在亞洲國家出現機率大約要高10倍。近年發現，HLA-B*1502 型基因與SJS/TEN有關，攜帶該基因的亞裔 100% 發生 SJS/TEN，2007年12月12日，美國 FDA 發布信息，要求在卡馬西平治療前應進行 HLA-B*1502 等位基因檢測，檢測結果呈陽性的患者不宜使用卡馬西平。
硫嘌呤甲基轉移酶（thiopurine methyltransferase，TPMT）主要參與 6- 巰基嘌呤及其前體藥物硫唑嘌呤的代謝，其活性缺乏將導致硫鳥嘌呤在體內蓄積，引起嚴重的骨髓抑制的不良反應。該酶約有 11 種突變的基因亞型，其中 TPMT*2、TPMT*3A、TPMT*3C 是常見的 3 種導致TPMT 酶活性降低的基因亞型，美國黑人 、非洲人及東南亞人主要是 TPMT*3C，歐洲人及美國白人則以 TPMT*3A為主，亞洲人突變幾率低，已發現的是 TPMT*3A。TPMT酶活性是套用 6- 巰基嘌呤或硫唑嘌呤化療時發生嚴重白
細胞減少的決定因素，根據 TPMT 基因多態性的不同調整硫唑嘌呤的治療劑量可以有效減少治療費用及降低不良反應的發生。
5.遺傳藥理學的發展與未來
後基因組時代的到來和生命科學技術的迅猛發展,已經大大加速了遺傳藥理學和個體化用藥的進程。國際上, 新知識和新技術的發展極大推動了遺傳藥理學實踐的進步。基因組、蛋白組和代謝組等組學理論與技術取得極大發展,使得遺傳藥理學研究由單基因變異向多基因、多位點變異對藥物作用特異性研究方向發展。多個基於遺傳藥理學研究的國際性組織相繼出現, 如世界遺傳藥理學研究網路(PharmacoGenetics Research Network, PGRN)、個體化治療生物標記研究中心[ Bio-Marker Research Center for Personalized Therapy (BMRC, MoEST)] 等, 這些組織開發出的生物信息資源,PharmGKB(http :www .pharmgkb .org )等極大促進了遺傳藥理學的發展。由美國、加拿大、日本、中國、奈及利亞和英國參與的合作項目人類基因組單倍型圖計畫(HapMap)旨在確定和編目人類遺傳的相似性和差異性,利用HapMap獲得的信息, 研究人員將能夠發現與疾病以及對藥物的個體反應差異相關的基因;同時, 基因晶片技術的套用使基因多態性的高通量篩選成為可能, 除Roche 公司生產的AmpliChip CYP450 基因晶片外, 中南大學臨床藥理研究所開發的高血壓個體化藥物治療基因檢測晶片同時檢測多種藥物代謝酶和受體的多個基因多態性, 幫助高血壓患者選擇合適藥物和合適劑量, 成為世界上第一張針對具體疾病的基因晶片。美國FDA 正在鼓勵製藥公司開發新藥時提供遺傳藥理學方面的數據, 我國SFDA 也建議藥廠做藥物代謝酶的研究,以便制定相關法規使該項內容包含於新藥審批範圍之內。美國、日本多家有實力的製藥公司在開發新藥時已要求保留全部受試者遺傳基因標本,以便在發生嚴重藥物不良反應時追本溯源, 該舉措無疑將大大增強藥物的生命力和企業的競爭力, 具有深遠意義。
遺傳藥理學的發展需要多學科的交叉和合作, 除人類基因組學的DNA 序列資料以外,還需毒理學、環境生態學、生物信息學甚至免疫學等多門學科的參與, 達到個體化醫學的目標依然面臨嚴峻的挑戰。利用人類基因組圖譜來發展臨床藥物治療模式是一條漫長的道路, 許多基因和基因產物蛋白在疾病治療過程中尚待查明。有學者認為, 也許僅有10 %的人類基因(約3000 個)可作為設計藥物時考慮的靶標, 但怎樣尋找這些靶基因並非易事, 而發現靶標之後如何檢測成百上千的單核苷酸多態性(SNPs)則是面臨的又一難題, 僅靠基因組學的研究並不能解決這個問題, 近年出現的SNPs 晶片檢測技術已成為省時、經濟、高通量的技術手段。近年來興起的藥物蛋白質組學(Pharmacoproteomics)是確定所有機體內藥物相關蛋白與藥物效應和毒副作用的相互關係的一門新興學科, 有望對個體化醫學的發展做出重大貢獻。
