Introduction au métabolisme des Xénobiotitques
Implications en Toxicologie
M2s ToxicologieTHERV, TES
Ph. Beaune
Université Paris Descartes, INSERM U775, APHP (HUPO, HEGP)
Xénobiotiques
Substances étrangères à l'organisme
de faible poids moléculaire
Exposition inévitable
Médicaments
polluants
aliments
1
Cellule (hépatocyte)
Ex: PGP
X X XORROH
Phase II
XOR
Phase III
Elimination
XOH
Ph
ase
IV
: expulsion du xénobiotique inchangé ou conjugué
Phase I: fonctionnalisation
Phase II: conjugaison (+ hydrophile)
Phase III: expulsion de conjugués ou du produit parent (ex: mdr, MRP)
XOH
Phase IO2
Monooxygénases
P450Ex: GST Ex: MRP
Métabolisme des xénobiotiques2
From Wienkers and Heath 2008
2
FAD / FMN
Reductase
NADPH/H+ + RH + O2 ROH + NADP+ + H2O
Monooxygenase
MembraneRE
Microsomes
O2
Cys
S
Fe
P450RH
ROH
2
Nomenclature des Cytochromes P450
CYPs impliqués dans le métabolisme des xénobiotiques
Familles (+de 40% de similitudes)
1 2 3Sous-familles (+ de 55% de similitudes)
A B A B C D E J… A
1A1, 1B1 2A6 2B6 2C8, 2C9 2D 6 2E1 2J2 3A4 1A2 2A7 2B7 2C18, 2C19 2J4 3A5
2A13 3A7 3A43
CYPs soulignés: polymorphisme génétique en rouge: principaux CYPs hépatiques humains
une nomenclature détaillée et mise à jour peut être consultée sur le site internet: http://drnelson.utmem.edu
CYPs humains
2
CYP2E1CYP2D6
CYP2C18
CYP2C19
CYP3ACYP1A2
other CYPsCYP2C9
CYP2C8
CYP2B6
2
Les enzymes de phase II
* Transférases, T
X-OH + R-OH ---> XOR, très hydrophile ou moins réactif
R Enzyme donneur
Ac. Glucuronique Glucosyl T (UGT) UDPGAGlutathion Glutathion-S-T (GST) GSHAcétyl= N-acétyl T (NAT) Acétyl CoAMéthyl Methyl T (MT) SAMSulfate Sulfo T (ST) PAPS
Nombreuses isoformes, superfamilles d’enzymes
2
INTESTIN(enterocyte)
FECESEXPOSITION ORALE SecretionAbsorption
FOIE(hepatocyte)
BILE
Efflux
Captation
Excretion
BHE(Barrière hémato-
encéphalique),
BBB: Blood-Brain Barrier
Efflux Captation
CERVEAU
REIN
(tubule proximal)
URINE
Secretion
Ré-absorption
Filtration
Sang
D’après JM Scherrmann
MRP3-6
OATP1B1
OATP1B3
OATP2B1
MDR3
MDR1
MRP2
BCRP
BSEP
MRP1OAT2-4NTCP1
OATP1A2
OCT1-3
Canalicule
biliaire
MRP4Sang
2
D’après JM Scherrmann
ABC (ATP Binding Cassette) SUPERFAMILY48 human genes; 9 drug transporters
SUPERFAMILIES and FAMILIES of DRUG TRANSPORTERS
http://nutrigene.4t.com/human abc.htm
• SLC (SoLute Carrier) SUPERFAMILY362 mammalian genes; ≈ 30 drug
transportershttp://www.gene.ulc.ac.uk/nomenclature
2
Les enzymes du métabolisme et du transport des médicaments (EMTM)
Propriétés communes:
- nombreuses isoformesspécificité relative et chevauchanteredondantes
- peu efficace- variabilité d’expression extrême- substrats exogènes et endogènes
importance dans réponse aux médicaments
Absorption orale
Espacevasculaire
Intestin
I.V.
Excrétion fécale
Excrétion urinaire
Le transporteur mdr (P-gp, ABCB1) affecte la distribution des médicaments dans l ’organisme
Espace intersticiel
2
Variations d ’expression des EMX d’origine physiopathologiques
* Sexe: peu de variations en fonction du sexe chez l ’homme mais variations importantes chez le rat.
* Pathologies: foie: insuffisance hépatique ( ), inflammation cytokines( ), diabète ( ), cancers (variations dans la tumeur), traitements.
* Age: fœtus ( moins de CYP, autre isoformes, CYP3A7), vieillard ( Induction)
* Tissus: variations qualitatives et quantitatives (Foie organe majeur)
Elimination
Importance du métabolisme « extrahépatique » des xénobiotiques
- Effet de premier passage ex: intestin
- Devenir in situ des métabolites
X X + XOC
X + XOC
Foie
X et/ou Métabolites terminaux
Elimination
X + XOC.
- Toxicité- Effets- Interaction endo- Elimination
Transport
....
0
20
40
60
80
100
120
10
rapidesmetaboliseurs
ultra-rapidesmetaboliseurs
lentsmetaboliseurs
Log Debrisoquine / 4OH debrisoquine: RM0.1 1 100
Bertilsson and Dahl 1996
12.6No
mb
re d
’in
div
idu
s
( )n
3
Déficits génétiques en enzymes du métabolisme des médicaments
CYP 1A1(induction ~ 10%)CYP1B1 (%)CYP 2A6* (5%)CYP 2C9 (3%)CYP 2C18 (?) CYP 2C19 (5-20%)CYP 2D6* (5-7%)CYP 2E1(>1%)CYP3A5 (15%)
GSTM1* (50%)GSTT1 (10-20%)GSTP1 (10%)UGT1A1 (5-10%)UGT1A7NAT1 NAT2 (50%)EH (<5%)TPMT(<1%)Mdr1 (20-25%)
* : gènes pour lesquels une duplication est connue
3
Phénotype:
- activité réelle- quantifiable- mise en oeuvre plus difficile- variations (xénobiotiques,
pathologies)- pas permanent
Génotype:
- facile- permanent- pas quantifiable- pas activité réelle
3
Certaines substances peuvent faire varier l’expression
des EMTM et en particulier des CYPs.
- Modification de l’activité:
quantité d’enzyme constante, activité variable
activation, inhibition
- Modification de l’enzyme
Quantitative: induction, répression
Qualitative: modification post-traductionnelle
3
3
Plusieurs récepteurs médient l’induction des EMTX
Inducteur Récepteur Enzyme induit
HAP, TCDD AhR CYP1A1, 1A2, 1B1, UGT1A6, GST, NQO1
Barbituriques CAR CYP2B6, CYP3A4, CYP2C9
GST, UGT
Stéroïdes, rifampicine
PXR CYP3A4
Proliférateurs
péroxisomes
PPAR CYP4A
3
Inhibition des EMX
* Inhibition réversible (cimétidine) et irreversible (TAO, Gestodène)
* Médicaments /substrats => interactions médicamenteuses, aliments
* Constantes d’affinité: Km / Ki à manipuler avec précautions
* Exemples:
CYP 3A4: Ketoconazole, ritonavir, jus de pamplemousseCYP1A2: fluvoxamine, furafyllineCYP 2C9: sulfaphenazoleCYP2C19: omeprazoleCYP2D6: quinidine, paroxétineCYP2E1 disulfiram
3
CYP3A4
Med1(S) Met 1
Med2 (I) Met 2
Km
Ki
v = Vm S Km + S (1+ I/Ki)
Conséquences de l’induction ou de l’inhibition
* Modification de la production de métabolites:
* Toxicité: production métabolite toxique
* Effets exagérés: accumulation du produit
* inéfficacité: élimination trop rapide, pas de production de métabolite actif
* ! Absorption aussi entre en ligne de compte (MDR)
3
IDENTIFICATION of SUB-POPULATIONS
Effectiveness / Toxicity
Tumeur
Xenobiotiques Médicament
Métabolites Métabolites
Cellule normaleadduits ADN,
signal mitogénique … Cellule normale
Exposition
RéponseXenogénétique Pharmacogénétique
EMTX
MétabolismeTransportActivation
4
Xénobiotique
Métabolite réactif
Adduit ADN
Mutation
Elimination
Réparation
Echappement
Exposition
Activation/détoxication
DNA
Signature moléculaire
EMTX
Cancer
Exposition + métabolisme
4
Conclusions
- Expositions aux xénobiotiques inévitable- Métabolisme et transport important dans réponse aux xénobiotiques (Efficacité et Toxicité)- Métabolisme complexe- Métabolisme variable (physiopath, génétique, environnement…)- EMTX propriétés communes- Substrats endogènes- Connaissance métabolisme et transport permet comprendre, prédire, prévenir toxicité (efficacité)