药物反应的组学研究 S;[f WO N SÑ ²u ri[feYxgenetics.fmmu.edu.cn/images/16/12/09/6xcgqnakrq/6E7065FB6EFB1D1BA2... · Tel: 772368；E-mail:[email protected] ... Pravastatin

药物反应的组学研究

Tel: 772368；E-mail:[email protected]

第四军医大学药学系药物基因组学教研室

2015-4-10

顔真

《医学基因组学进展》

医学遗传与发育生物学教研室

参考教材1.分子医学遗传学：韩骅等主编，顔真参编，2009年

2.药学分子生物学：张景海主编，顔真、杨保胜副主

编，“十二五”规划教材，人民卫生出版社，2011

年

3.药物基因组学在患者医疗中的应用：美国临床医学

学院编著，陈枢青等译，浙江大学出版社，2013年

4.研究论文

5.专业网站


学习重点与思考：

如何将药物基因组学知识

应用于个体化医疗？


讲课提纲

一．药物基因组学与转化医学

二．药物基因组学研究方法

三．药物应答与个体化治疗

1. 售后诊断

2. 伴随诊断


医学发展的未来

预防医学

个体化医学


人类基因组计划 23 pairs of chromosomes

3 x 109 base pairs (or nucleotides)

A, G, C & T

Human Genome Project - 10 years and cost

$2.7 billion

• ACGTGCATCTGACATTTACTG …..


http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/nature/journal/v409/n6822/index.html

基因组变异 ~ 99.9 % of the genome between any two

individuals in identical

Most common variations: single

nucleotide variations (SNPs): ~ 0.1%,

3~6 million SNPs, ~6x106bp variations

Others: insertions, deletions,

duplications, rearrangements

Copy number variations: ~0.4% 医学遗传与发育生物学教研室

疾病的生物标志物研究


SNPs that change clinical outcome

SNPs that change drug response

SNPs that change pharmacokinetics

SNPs that change activity in vitro

Non-conservative amino acid changes

Non-synonymous SNPs in exons

Exon-based changes

All SNPs

SNPS与药物应答

3~6 million SNPs医学遗传与发育生物学教研室

遗传药理学与药物基因组学

Pharmacogenetics

The study of inherited difference/variation in drug metabolism and response

Pharmacogenomics

The general study of all of the different genes that determine drug behavior

10Genotype Phenotype Clinic 医学遗传与发育生物学教研室


药物基因组学的转化

指导个体化合理用药：通过遗传变异标志物的研究，预

测药物应答的有效性、可能发生的毒性反应，指导合理

用药方案的制定，包括用药种类、剂量、时间等，降低

治疗费用

指导疾病的有效预防：预警标志物研究与应用

指导药物、疫苗的研发：药物靶分子研究

12医学遗传与发育生物学教研室

实例

CYP450 四种代谢表型 (UM, EM, IM，PM)，CYP 2D6 与去

甲替林抗抑郁治疗，CYP2C9与华法林抗凝治疗，CYP2C19

与奥美拉唑抗十二指肠溃疡治疗

NAT2 与异烟肼抗结核治疗的快乙酰化、慢乙酰化个体外

周神经炎、肝功能损害发生

TPMT 与6-MP治疗中的骨髓抑制

P-gp与地高辛治疗心衰

ACEi卡托普利抗高血压与咳嗽医学遗传与发育生物学教研室

讲课提纲




1. 售后诊断

2. 伴随诊断


标志物发现——关联分析Association

study

候选基因法 Candidate gene approach

全基因组关联法 GWAS

联合方法

药物基因组学研究方法


关联分析 Association study

Genotype

Phenotype


候选基因法——他汀类药物(statins)应答通路

羟甲基戊二酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂，该酶是内源性胆固

醇合成的限速酶。

阻断羟甲戊酸代谢途径，使细胞内胆固醇合成减少，反馈性刺激细

胞膜低密度脂蛋白受体(LDLR) 数量和活性增加、使血清胆固醇清除增

加、水平降低。

他汀类药物：天然化合物(洛伐他丁、辛伐他汀、普伐他汀、美伐他

汀)；人工合成 (氟伐他汀、阿托伐他汀、西立伐他汀、罗伐他汀)

应用：高脂血症、急性冠状动脉综合征治疗

ADR：肌肉毒性、肝脏损害、神经毒性、过敏反应


候选基因法——他汀类药物(statins)应答通路

www.pharmgkb.org

羟甲基戊二酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂PK


PD

胆固醇合成减少

胆固醇清除增加

羟甲基戊二酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂



Pravastatin Endocrinology

LDLR Homozygous familial hypercholesterolemia and LDL receptor deficient

Clinical Studies, Use in Specific Populations

DrugTherapeuticArea

HUGOSymbol Referenced Subgroup Labeling Sections

FDA Pharmacogenomic Biomarkers in Drug Labeling

Clinical Pharmacology & Therapeutics (2012) 92(4): 414


http://www.fda.gov/Drugs/ScienceResearch/ResearchAreas/Pharmacogenetics/ucm267386.htm

GENOME-WIDE ASSOCATION STUDIES (GWAS)


Phenotype医学遗传与发育生物学教研室

药物基因组学的研究方法

转化应用核心技术

核酸测序、芯片杂交、TaqMan、FISH、IHC


DNA测序

First generation sequencing technology

• Sanger Sequencing

Second generation sequencing technology

• Roche - 454

• Illumina – GA II

• SOLiD

Third gen sequencing technology

• Helicose

• PacBio

• Illumina = HiSeQ, MiSeq

• Ion Torrent

• Oxford Nanopore


DNA 测序通量与成本

Modified from UBS 2007

1974-1977 1986 1999 2002

ABI-SOLiD

FLX - 454

1G - Illumina

Heliscope

Comp. Genom

PacBio

Sanger (dideoxy)

Maxim-Gilbert(chemical)

2005-2008 2010

Automated Fluorescent sequencer (dideoxy)

Sequencing by Ligation (SBL)

Sequencing by Synthesis (SBS)

Pyrosequencing (SBS)

•$10M genome x-prize •100 human genomes in <=10 days•99.99999% accurate with 98% coverage•$10K/genome

26


PCR-RFLP


TaqMan System


SNP Genotyping Chip


CYP450 CHIP


基因表达谱芯片


FISH：fluorescence in situ hybridization


免疫组化与

组织芯片


讲课提纲




1. 售后诊断

2. 伴随诊断


个体化医学 Personalized Medicine疾病治疗新模式

有效率30~70%

ADR高发


药物

基因组学

有效率

不良反应

试误治疗Trial and Error /

One size fits all

个体化治疗Right drug, right patient, right

time, right cost

个体化医学 Personalized Medicine疾病治疗新模式


售后诊断AFTER-MARKET TESTS

在药物流入市场后对药物标签开发


Responders Adverse drug

reaction

Genetic Test

Treat with drug

Identify at-risk for ADR patients

IdentifyResponders

• Alter drug dosage

• Treat with different drug

GCTAACTGCA

GCTAGCTGCA

•遗传变异是药物应答的主要原因

•遗传变异是ADR发生的分子基础

•提前了解变异基因的基因型——医生制定个体化治疗方案

针对已经上市的药物开展药物应答诊断


以EGFR为靶点的抗肿瘤治疗

表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)是一

种广泛分布于人体各组织细胞膜上的多功能糖蛋白，是HER/ErbB 家

族成员之一。该家族包括EGFR、HER2、HER3 和HER4。


EGFR信号通路与抗肿瘤治疗

mAb (Cetuximab，西妥昔单抗，爱必妥 )

TKI （吉非替尼，厄洛替尼…）


EGFR 突变与TKI治疗应答


EGFR 突变与TKI治疗应答


Han et al. J Clin Oncology 23(11),2006

Mutation

Wilt-type

Mutation

Wilt-type

EGFR主要功能突变:

19号外显子：Glu746-Ala750 缺失

21号外显子：Leu858Arg

非小细胞肺癌EGFR突变与吉非替尼应答


19-21外显子突变纯合子

19-21外显子突变杂合子

19-21外显子野生纯合子

用 TKI 治疗

用 TKI 治疗

但疗效次好

不用 TKI 治疗

EGFR 检测

EGFR基因分型指导用药


K-RAS 基因突变与西妥昔单抗治疗结肠癌

K-ras基因属Ras基因家族，

正常时能调控细胞生长路径；

异常时，导致细胞持续生长。

K-ras蛋白是EGFR信号传导

中关键下游调节因子。

研究发现， K-ras基因突变

使结直肠癌患者对西妥昔单

抗治疗产生耐药性。

K-ras 信号通路


K-ras常发生密码子12、13、61的

突变，突变型达45.5%，其中以12

号密码子GGT→GTT最常见，占

38.5%。

NCCN 2010年临床指南中推荐：

在接受西妥昔单抗治疗前，进行

K-ras基因突变检测，可确定患者

是否适合接受靶向治疗。

检测靶标检测结果临床意义

K-ras

（第12、13、61位突变）

不突变 K-ras基因正常，未引起原发性耐药，药物疗效较好

突变 K-ras基因突变，引起原发性耐药，降低药物疗效

K-RAS 基因突变与西妥昔单抗治疗结肠癌


B-RAF基因突变与西妥昔单抗

B-raf基因为EGFR信号通路中位于K-ras下游的基因，

编码MAPK通路中丝氨酸苏氨酸蛋白激酶，参与细胞

周期调控。

B-raf在结直肠癌中（CRC）突变率为15%左右。

检测靶标检测结果临床意义

B-raf

（T1799A

V600E）

不突变 B-raf基因正常，未引起原发性耐药，药物疗效较好

突变 B-raf基因突变，引起原发性耐药，降低药物疗效


基因分型指导个体化用药

Langreth, R. (2008), ‘Imclone’s Gene Test Battle’, Forbes.com, 16May

K-ras、B-raf基因型检测

不用西妥昔治疗

用西妥昔治疗

西妥昔治疗

治疗成功


DrugTherapeutic

Area

HUGO

Symbol Referenced Subgroup Labeling Sections

Afatinib Oncology EGFR EGFR exon 19 deletion

or exon 21 substitution

(L858R) mutation

positive

Indications and Usage, Dosage and Administration,

Adverse Reactions, Clinical Pharmacology, Clinical

Studies, Patient Counseling Information

Cetuximab Oncology EGFR EGFR protein

expression positive

Indications and Usage, Warnings and Precautions,

Description, Clinical Pharmacology, Clinical Studies

Cetuximab Oncology KRAS KRAS codon 12 and 13

mutation negative


Warnings and Precautions, Adverse Reactions,

Clinical Pharmacology, Clinical Studies

Dabrafenib Oncology BRAF BRAF V600E mutation

positive


Warnings and Precautions, Clinical Pharmacology,

Clinical Studies, Patient Counseling Information

Erlotinib Oncology EGFR EGFR protein

expression positive

Clinical Pharmacology

Erlotinib Oncology EGFR EGFR exon 19 deletion

or exon 21 substitution

(L858R) positive


Clinical Pharmacology, Clinical Studies

Panitumumab Oncology KRAS KRAS codon 12 and 13

mutation negative

Indications and Usage, Clinical Pharmacology,

Clinical Studies

FDA Pharmacogenomic Biomarkers in Drug Labeling



抗EGFR 治疗的个体化

靶点基础 EGFR表达 EGFR 基因扩增 EGFR 突变（敏感和耐药）

下游信号 K-ras B-raf PTEN PI3K/Akt

和其他信号通路的相互作用 Her3 c-Met医学遗传与发育生物学教研室

生物标记清单：FDA，处方前需要进行的试验

生物标记分子结构名（商品名）指示美国食品与药物管理局（FDA）/欧洲药品管理

局（EMA）要求

CCR5马拉韦罗（Maraviroc）

(Selzentry)

抗病毒物质（HIV）

美国食品与药物管理局（FDA）

CD25地尼白介素（Denileukin diftitox ）

(Ontak)肿瘤学


染色体5q来那度胺（Lenalidomide）

(Revlimid)血液科


C-Kit伊马替尼（Imatinib） (Gleevec/

Glivec)肿瘤学


葡萄糖-6-磷酸脱氢酶G6PD

拉布立酶（Rasburicase ）(Elitek) 肿瘤学美国食品与药物管理局

（FDA）

人类白细胞抗原B

（HLA-B）*1502

卡马西平（Carbamazepine）(Tegretol、Carbatrol、Equetro、

generics)

神经学欧洲药品管理局

（EMA）

人类白细胞抗原B

（HLA-B）*5701

阿巴卡韦（Abacavir ）(Ziagen/Epzicom/Trizivir/ Kivexa)

抗病毒物质欧洲药品管理局

（EMA）

进行性多灶性白质脑病PML/RARα 易位

三氧化二砷（Arsenic Trioxide）(Trisenox)

肿瘤学欧洲药品管理局（EMA）

Source: Visiongain


生物标记清单：FDA，药物标签中推荐/仅供参考的试验

生物标记药物指示

CD20 抗原托西莫单抗（Tositumomab）肿瘤学

染色体5q 来那度胺（Lenalidomide）血液学

CYP2C19

氯吡格雷（Clopidogre）、安定（Diazepam）、屈螺酮（Drospirenone）和乙炔雌二醇（Ethinyl Estradiol）、埃索美拉唑（Esomeprazole）、奈非那韦（Nelfinavir）、雷贝拉唑（Rabeprazole）、伏立康唑（Voriconazole）

-

CYP2C9 塞来昔布（Celecoxib ）(西乐葆Celebrex) 镇痛剂

CYP2C9 华法林（Warfarin）血液学

CYP2D6

阿立哌唑Aripiprazole、阿托莫西汀Atomoxetine、卡维地洛Carvedilol、西维美林Cevimeline、氯氮平Clozapine、可待因Codeine、右美沙芬Dextromethorphan和奎尼丁Quinidine、多塞平Doxepin、氟西汀Fluoxetine、氟西汀Fluoxetine与奥氮平Olanzapine、美托洛尔Metoprolol、普罗帕酮Propafenone、普萘洛尔Propranolol、普罗替林Protriptyline、奎尼丁Quinidine、利培酮Risperidone、特比萘芬Terbinafine、丁苯那嗪Tetrabenazine、硫利达嗪Thioridazine、噻吗洛尔Timolol、噻托溴铵Tiotropium、托特罗定Tolterodine、曲马多Tramadol和醋氨酚Acetaminophen、文拉法辛Venlafaxine

-

DPD 卡培他滨Capecitabine、氟尿嘧啶 Fluorouracil -

表皮生长因子受体（EGFR）

埃罗替尼（Erlotinib） (Tarceva) 肿瘤学

雌激素受体(ER) 氟维司群（Fulvestrant）肿瘤学

雌激素受体(ER) 三苯氧胺（Tamoxifen）肿瘤学

Source: Visiongain


伴随诊断COMPANION DIAGNOSTIC TESTS

与新药同步进入市场


通过体外检测人体内生物标志物（基因、蛋白质）质与

量的变化，识别最佳用药人群；

与特殊药物的治疗相关联；

预测和提高伴随药物的安全性与有效性。


55

个体化医学

靶向治疗

伴随诊断

伴随诊断-药物研发同步新模式Companion diagnostic-Drug Co-development

blockbusters

Targeted drug Genotyping based

One size fits all


HERCEPTIN 与HERCEPTEST研发

Rx/Dx

FISH


HERCEPTIN 与乳腺癌治疗

Salmon et . al. NEJM 2001, 344:783

25% of breast cancers overexpress Her2

DaKo HercepTest

IHCFISH 医

学遗传与发育生物学教研室

FDAPHARMACOGENOMIC INFORMATION IN THE DRUG LABEL


Mok et al., Expert Rev. Anticancer Ther. 2010; 10:1601–1611Figure adapted from Pao and Girard, Lancet Oncol 2011; 12:175–80

Traditional viewAdenocarcinomaSquamous

NO MUTATION DETECTED

EML4-ALK

DOUBLE MUTANTS

BRAF

PIK3CA

HER2

MET AMP

MEK1

NRAS

AKT1

KRAS

EGFR

肺癌靶向药物研发

Oncogenic driver discovery


Figure 1. Tethering compounds selectively bind to oncogenicK-Ras(G12C)医

学遗传与发育生物学教研室

ALK：间变性淋巴瘤激酶（anaplastic lymphoma kinase）

ALK：非小细胞肺癌的“驱动激酶”

特异性ALK激酶抑制剂的研发


ALK在正常肺组织不表达


2007：EML4-ALK fusion in NSCLC

Soda et al., Nature 2007; 448:561-567

EML4

EML4–ALK variant 1

HELP1 496 981

WDBasic

1 496 1059

1 1058 1620

TM

KinaseALK

Activation


Signaling pathways activated by ALK

Adapted from Shaw and Solomon, Clin Cancer Res. 2011; 17:2081-2086


Crizotinib （Xalkori）伴随诊断

ALK +肺癌治疗，盲目用药有效率10%，基因表达伴随

诊断指导用药应答率>50%, 一年存活率达77%。

Fluorescence in situ hybridization (FISH)

Wild-type ALK rearranged

Immunohistochemistry (IHC)

0 1+ 2+ 3+

RT-PCR


2011年8月

Crizotinib克里唑替尼（Xalkori）


CrizotinibTimeline of development

Partial responses: ALK+ NSCLC, IMT

NPM-ALK fusion discovered in ALCL

PROFILE 1001: First in Patient

Crizotinib identified

20062005 20091994 2007

EML4-ALK fusion discovered in NSCLC

2010 20112008

Crizotinib granted

priority review by the

US FDA (May 2011)

Crizotinib approved by the US FDA (August 2011)


药物-诊断伴随研发


明显加速新药研发速度

Adapted from Gerber and Minna, Cancer Cell 2010; 18:548-551Schechter et al., Nature 1984; 312:513-6

Year target

discovered

(Bench)

Disease Agent(s)

Year

Molecular-

Targeted

Treatment

Documented

(Bedside)

Time from

Bench to

Bedside

BCR-ABL 1960 CML

Imatinib

Dasatinib

Nilotinib

2001 41 years

EGFR 1978 NSCLCGefitinib

Erlotinib2004 26 years

HER2 1984 MBC Trastuzumab 1998 14 years

KIT 1998 GIST Imatinib 2002 4 years

BRAF 2002 Melanoma Vemurafenib 2010 8 years

ALK 2007 NSCLC Crizotinib 2010 3 years


伴随诊断

疾病易感性预防用药

药物敏感性/ADR监测药物剂量

预测性诊断药物选择

伴随诊断与个体化医疗


Tebbutt S J et al. Chest 2007;131:1216-1223©2007 by American College of Chest Physicians

基因组医学的未来4P MEDICINE

Predictive

Preventive

Personalized

Participatory


Homepage of www.pharmgkb.org

小结


常用网站


www.pharmgkb.org

http://www.imm.ki.se/CYPalleles

http://www.cypalleles.ki.se/

http://www.personalizedmedicinecoalition.org/



http://www.pharmgkb.org/

http://www.imm.ki.se/CYPalleles

http://www.cypalleles.ki.se/

http://www.personalizedmedicinecoalition.org/

学习重点与思考：

如何将药物基因组学知识

应用于个体化医疗？


THANK YOU!


Documents

药物反应的组学研究 S;[f WO N SÑ ²u ri[feYxgenetics.fmmu.edu.cn/images/16/12/09/6xcgqnakrq/6E7065FB6EFB1D1BA2... · Tel: 772368；E-mail:[email protected] ... Pravastatin