Genotype – Guided Warfarin Dosing

Orly Shimoni

July 2009

פרמקוגנטיקה מבוא תחום מתפתח בעולם הרפואה והרוקחות•חוקר את השפעת השונות הגנטית בין פרטים על תגובתם •

לתרופותשונות גנטית בגנים המקודדים לחלבונים ואנזימים המעורבים •

בפעילויות השונות של תרופות יכולה לנבא ברמה מסוימת את יעילות התרופה באדם, על מנת להעלות את מספר

האנשים המגיבים היטב לתרופה ולהפחית את מספר האנשים הסובלים מתופעות לוואי ורעילות.

קבוצות:2ניתן לחלק את ההשפעות הגנטיות ל-• השפעה על הפרמקוקינטיקה של תרופות- קרי, השפעה 1.

על כל אחד מהגורמים המשפיעים על הספיגה, הפיזור, מטבוליזם ופינוי תרופות. בקבוצה זו נכללים שונות

ועוד.(CYP450)באנזימי הכבדהשפעה על הפרמקודינמיקה של תרופות- שינויים 2.

בתגובה לתרופה. בקבוצה זו כלולים שונות ברצפטורים, בתעלות יוניות, בנשאים של תרופות אל אברי המטרה

ועוד.פקטורים גנטיים נשמרים לכל החיים.•

פרמקוגנטיקה- מושגים

- שונות מבנית בגנים היוצרת פולימורפיזם•אללים שונים לאותו הגן

•SNP (Single Nucleotide Polymorphism) הצורה השכיחה ביותר -

לפולימורפיזם, בה בעמדה ספציפית אחת ברצף הנוקליאוטידים בדנ"א יש שינוי,

הוספה או מחיקה של נוקליאוטיד.- עותק של גן מסוים. בכל התאים אלל•

אללים לכל גן.)אלל מוגדר 2הסומטיים יש (.1%כאשר תדירותו היא מעל

- מערך הגנים ברמה המולקולרית.גנוטיפ•- ביטוי התכונה הגנטית באדם.פנוטיפ•

פרמקוגנטיקה מושגים

אלל השולט בביטוי התכונה אלל דומיננטי-•וקובע את הפנוטיפ

אלל רסציבי•

אללים זהים2- הומוזיגוט•

הטרוזיגוט•

•Haplotype מערך הפולימורפיזם לאורך -האלל ואף לאורך יותר מגן אחד.

נומקלטורה של אנזימים

פותחה מערכת נומקלטורה כאמצעי זיהוי של אנזימים •וחלבונים אחרים שכללה גם אפיון לפי האלל שמקודד לאנזים

או לחלבון מסוים ע"י כוכבית ומספור מאפיין בסוף השם.. Cytochrome P450ניקח למשל את משפחת הגנים של •

שזוהי למעשה קבוצה CYPלמשפחה זו נותנים קיצורים של וכל CYP1של משפחות גנים שמתוארות ע"י מספרים לדוגמא

אחת מהמשפחות הללו מחולקות לתת משפחות ע"י הוספת וכדי לתאר גן ספציפי מוסיפים CYP1Aאות מסוימת כמו

.CYP 2E1מספר מאפיין לגן באותה תת משפחה כמו כדי לתאר וריאציות שונות של אותו האלל מוסיפים בסוף •

כוכבית עם מספור מתאר, נהוג לתאר את האלל השכיח ביותר * .1המקודד לחלבון פעיל ע"י

פרמקוגנטיקה אנזימי Cytochrome P450

קבוצת האנזימים הגדולה והמשמעותית ביותר גנים בבני אדם המתבטאים בעיקר 57המכילה

בכבד ופחות בריאות ובמעי הדק. מבצעת את )ריאקציות חימצון, חיזור phase1ריאקציות

והידרוליזה(.

התורמים CYP1, CYP2, CYP3בעיקר לריאקציות חימצון של תרופות.

CYP2C9

מהווה דוגמא לפולימורפיזם היוצר שינוי בחומצות •אמינו המביא ליצירת מספר אלוזימים עם פעילות

קטליטית שונה. 15%האנזים העיקרי האחראי למטבוליזם של כ- •

מהתרופות שבשימוש קליני הכוללות מספר תרופות עם אינדקס תרפויטי צר וביניהם וורפרין ופניתואין.

וריאנטים לגן מתוכם שני אללים 29זוהו יותר מ-• שמקודדים CYP2C9*2 ו- CYP2C9*3שכיחים

לאלוזימים בעלי פעילות קטליטית מופחתת ביחס .S-WARFARINלמטבוליזם של

תדירות האללים השונים משתנה בין אוכלוסיות •אתניות שונות.

Background - Warfarin

• Mechanism: Inhibits regeneration of vitamin K)1( epoxide, inhibiting synthesis of vitamin K-dependent clotting factors in liver

• Peak response: Full anticoagulant effect in 72-96 hours

Background - Warfarin

• Monitoring: International Normalized Ratio )INR(– Measurement of extrinsic pathway

activity– Goal INR 2-3 )sometimes 2.5-3.5(– Low INR: increased clotting risk– High INR: increased bleeding risk

• Indications: Atrial fibrillation, deep vein thrombosis, pulmonary embolism, cerebrovascular accident, many others

Background - Warfarin

• Dosing: Algorithms vary widely– Common dose/day= 5mg

• Dose Variations: – <1mg daily to >20mg daily

Dose related side effects:

Nose bleeds to death

Background - Warfarin

• R-warfarin metabolism– CYP1A2 to 6- and 8-hydroxywarfarin– CYP3A4 to 10-hydroxywarfarin– Carbonyl reductases to alcohols

• S-warfarin metabolism– CYP2C9 to 6- and 7-hydroxywarfarin

• Relative potencies: S-isomer ~3 times more potent that R-isomer

Background – Warfarin Interactions

• Drug-drug interactions– Enzyme inhibition /

induction:• CYP2C9• CYP3A4• CYP1A2

– Alteration of intestinal flora

• Drug-diet interactions:– Vitamin K– Alcohol– Smoking

Warfarin is the most widely used oral Warfarin is the most widely used oral anticoagulant agent worldwide; more anticoagulant agent worldwide; more than 30 million prescriptions were than 30 million prescriptions were written for this drug in the United States written for this drug in the United States in 2004in 2004

Select drug class interactions5-lipoxygenase InhibitorsAntiparasitic/AntimicrobialsHMG-CoA Reductase Inhibitors

Adrenergic Stimulants, CentralAntiplatelet Drugs/EffectsLeukotriene Receptor Antagonist

Alcohol Abuse Reduction AgentsAntithyroid DrugsMonoamine Oxidase Inhibitors

AnalgesicsBeta-Adrenergic BlockersNarcotics, prolonged

Anesthetics, InhalationCholelitholytic AgentsNSAIDS

AntiandrogenDiabetes Agents, OralProton Pump Inhibitors

AntiarrhythmicsDiureticsPsychostimulants

AntibioticsFungal MedicationsPyrazolones

Aminoglycosides )oral(Gastric Acidity and Peptic Ulcer AgentsSalicylates

Cephalosporins, parenteralGastrointestinal Prokinetic AgentsSSRIs

MacrolidesUlcerative Colitis AgentsSteroids, Adrenocortical

PenicillinsGout Treatment AgentsSteroids, Anabolic

FluoroquinolonesHemorrheologic AgentsThrombolytics

Sulfonamides, long actingHepatotoxic DrugsThyroid Drugs

TetracyclinesHyperglycemic AgentsTuberculosis Agents

AnticoagulantsHypertensive Emergency AgentsUricosuric Agents

AnticonvulsantsHypnoticsVaccines

AntidepressantsHypolipidemicsVitamins

Antimalarial AgentsBile Acid-Binding Resins

Antineoplastics Fibric Acid Derivatives

Standard Dosing Algorithm

• Standard Dosing:– Days 1,2: 10mg daily; 5mg thereafter or per

INR– INR measured days 0, 3, 5, 8, 21, 60, 90,

and as clinically indicated– Adjusted dose given beginning Day 3 based

on algorithm

Standard Dosing AlgorithmINR 1.0-1.59

-Inquire about s/sx of clotting, refer to appropriate care, give extra dose (average day 5-7 dose for day 8)

-Increase weekly dose by 10% -INR in 5 days, 14 days

INR 1.6-1.79

-Extra half dose today (average of days 5-7 for day 8)-Increase weekly dose by 5% -INR in 7 days, 14 days

INR 1.8-1.99

1st Time: -INR in 14 days Repeat:-Increase weekly dose by 5%; INR in 14 days

INR 2.0-3.0

-INR in 14 days after day 8, then monthly

INR 3.01-3.39

1st Time: -INR in 14 days Repeat: -Decrease weekly dose by 5%; INR in 14 days

INR 3.4-4.99

-Reduce today’s dose by a half if INR <4, omit if >=4.-Decrease weekly dose by 10% -INR in 7 days, 14 days

INR > 5.0

-Inquire about s/s bleeding, refer to an appropriate facility for care. Omit 2 doses

-INR in 48 hours -When retested INR falls into 1.8-3.39 range, decrease

weekly dose by 15%; INR in 7 days, 14 days -If INR>9, follow special protocol

Standard Dosing Algorithm

פולימורפיזם שמשפיע על מינון וורפרין

•CYP2C9 SNPs משפיע על המטבוליזם של וורפרין )פרמקוקינטיקה(

•VKORC1 SNPs משפיע על הרגישות לוורפרין )פרמקודינמיקה(.

,VKOR3673חולים הומוזיגוטיים ל-•haplotype A, haplotype*2 הם רגישים

לוורפרין ובאופן אופיני צריכים מינונים נמוכים יותר.

Genetics and warfarin response• CYP2C9:

– Two SNPs impair metabolism of S-warfarin:– *2 and *3 alleles are associated with increased

bleeding and decreased warfarin requirement– *2 and *3 variants are found in 11% and 8% of whites

and 3% and 0.8% of blacks– Patients who are homozygous for the wild type allele

)CYP2C9*1(, S-warfarin is cleared normally, resulting in a modest elevation of the INR.

CYP2C9 SNPs

• CYP2C9*2 is the SNP in exon 3 )CGT>TGT(

• CYP2C9*3 is in exon 7 )ATT>CTT(

• Patients with one or two of these SNPs have reduced warfarin requirements and a 2-to 3-fold elevated risk of an adverse event when beginning warfarin.

CYP2C9 Genotype & Warfarin Dose

Genetics and warfarin response

• Vitamin K Epoxide Reductase Group 1 (VKORC1):– Location: Chromosome 16 )16p11(– Prior study of intron 1 SNP rs9934438

)C1173T(:• Warfarin requirement higher )6.2mg( among CC

patients than in CT )4.8 mg( or TT )3.5 mg(. Approximate population frequencies CC 37%, CT 50%, TT 13%

– More recently, 10 common SNPs, all noncoding, divide into 5 haplotypes which form two distinct evolutionary groups.

Genetics and warfarin response

• 2 Major VKORC1 haplotypes:– Designated A (“low dose”) and B (“high dose”):

• A/A: 2.7mg/day• A/B: 4.9mg/day• B/B: 6.2mg/day

• Haplotype data as informative as single SNPs

VKORC1 and CYP2C9

Genetics and warfarin response

• FDA, August 16, 2007: – Package insert for warfarin changed to include

information on CYP2C9 and VKORC1 genotyping and their role in determining drug clearance and steady-state dose requirements

– “lower initiation doses should be considered for patients with certain genetic variations in CYP2C9 and VKORC1 enzymes as well as for elderly and/or debilitated patients and patients with potential to exhibit greater than expected PT/INR responses to COUMADIN”

Incidence of CYP2C9 and VKORC1 SNPs)%(

CaucasianAfrican-

American

OtherAsian

CYP2C9 *213.15.210.40

CYP2C9 *3614.24

VKORC1 Group A

36.69.541.785

VKORC1 Group B

63.490.558.314

Advantages of PG

• Majority of the variance can be predicted using genes and several clinical factors – “personalized medicine”

• Genetic platforms available• Fewer surprises

– Faster to stable INR– Less AE’s– More time in range over first 30 days

• Patient acceptance high• Web or computer based dosing guidance

available

Barriers to PG

• Not many multi-centered RCT

• Unknown benefit in some patient populations

• Cost

• Availability

• Clinician knowledge

• Potential delay in medication initiation

CYP2C9 Genotype-Guided Warfarin prescribing enhances the efficacy and

safety of Anticoagulation

• A Prospective Randomized Controlled Study

• Patients were randomly assigned to receive Warfarin by a validated algorithm )“control”, 96 patients( or CYP2C9 genotype-adjusted algorithms )“study”’ 95 patients(.

Flow of patients through the study

Patient’s demographic details and

baseline clinical

characteristics

Pharmacodynamic end points

• In the study group first therapeutic INR was reached 2.73 days earlier than in the control group.

• Warfarin cumulative dose until first therapeutic INR was achived was 41.7% higher in the control group, but it was given over a longer period of time, average Warfarin daily dose was 22% lower in the study group.

Anticoagulation details during initiation phase

Pharmacodynamic end points

• The use of higher daily dose in the study group was not associated with higher rate of over anticoagulation )INR>3(.

• The percent time spent within the therapeutic range was 1.85-fold higher in the study group.

• Among patients in the control group, time to first therapeutic INR, total Warfarin dose, and average daily Warfarin dose did not vary across the 3 major genotypic groups.

• Among patients in the study group as expected from the study design, Warfarin cumulative dose and average daily dose up to therapeutic INR were dependent on CYP2C9 genotype )p=0.01, and<0.001 respectively(

Stabilization phase

• Pharmacodynamic steady state was reached in the study group after 22.1+-6.9 days and 18.1 days earlier than in the control group 40.2+-21.1 days p<0.001.

• Time required to achieve stable anticoagulation were significantly different between the study and the control groups )p<0.001(

Stabilization phase

• Enhanced pace of stabilization in the study group was associated with significantly reduced number of days spent outside the therapeutic range and significantly higher percent of time spent within the range )P<0.001(

• This was accounted for by 4- and 3.7- fold lower number of days spent below and above the recommended range, respectively )P<0.001(.

• Total number of performed INR tests was more than twice as much as lower in the study group )P<0.001(.

Stabilization phase

• Warfarin daily dose required to maintain adequate anticoagulation varied across the 3 major CYP2C9 genotype groups’ so that patients carrying a single or two variant allele )s( required 77 and 52% of the dose used by CYP2C9*1 homozygotes )p<0.03 and<0.001 respectively(

Pharmacokinetics

• In homozygotes for the wild –type allele the mean oral clearance of S-Warfarin was 4.03+-2.19 ml/min and was significantly greater than in carriers of either a single allele )2.96+-1.67 ml/min, p<0.02( or two variant alleles)0.98+-0.41 ml/min, p<0.01(.

• Mean S/R Warfarin ratio was 0.35+-0.11 among CYP2C9*1 homozygoted and was significantly lower than that in heterozygotes )0.54+-0.35,p<0.001( or carriers of two mutated alleles )1.02+-0.45, p<0.001(.

• The number of variant alleles was inversely correlated with S-Warfarin oral clearance )r=0.417,p<0.01( and directly correlated with S/R Warfarin ratio )r=0.552,p<0.01(.

תופעות לוואי

שכיחות הדימומים היתה גבוהה יותר בקבוצת • לעומת 12.5%הביקורת לעומת קבוצת הניסוי )

(. p<0.02 בהתאמה 3.2%

היו מסוג 4 ארועים של דימומים, 15מתוך •minor-בקבוצת 1 בקבוצת הביקורת ו-4 )5 ו

הימים הראשונים של 8הניסוי( קרו ב-האינדוקציה.

דיון

פזת האינדוקציה של מתן וורפרין היא השלב בו •מנות סטנדרטיות גורמות לאנטיקואגולציה

מוגזמת ולדימום.

הגישה המקובלת היא לתת מנות ממוצעות של •וורפרין שפחות סביר שיגרמו לאנטיקואגולציה

מעל הטווח הרצוי בחולים "רגישים".

גישה זו לא מבטלת את הסיכון לדימום •ומאריכה את תקופת ההעמסה של וורפרין

במרבית החולים.

דיון

מתן מנות אינדיבידואליות של וורפרין מהווה חלופה מעוררת •ענין על פני מנות ממוצעות.

CYP2C9העמסת וורפרין בפזת האינדוקציה מונחית גנוטיפ •גרמה לכך שהחולה הגיע מהר יותר לאנטיקואגולציה בעיקר

ע"י מתן מנות ממוצעות גבוהות יותר של וורפרין. אבל לא wild typeהינו מצפים לכך בנשאים של שני אללים •

בנשאים של אלל וריאנטי אחד או שניים.תקופת אינדוקציה ארוכה יותר בקבוצת הביקורת בנשאים של •

האללים הוריאנטים היתה בעיקר הודות לתדירות גבוהה של בתקופת INR>4 תרפויטי.INRחריגה קיצונית מערך נשאים של אללים וריאנטים 44 מתוך 5האינדוקציה נראה ב-

הנשאים של אללים 35בקבוצת הביקורת ולא נראה כלל ב-וריאנטים בקבוצת הניסוי.

דיון

השגת אנטיקואגולציה יציבה מסמלת את סוף •התהליך בו תגובת החולה לוורפרין לא צפויה. תנודות

מתחת לערך מטרה תרפויטי יכולות עדיין לקרות /מעל או /אבל הן פחות סבירות כמו גם הסיכון לדימום ו

אנטיקואגולציה סבתרפויטית.הזמן שלקח להגיע לאנטיקואגולציה יציבה היה נמוך •

פי שתיים בקבוצת הניסוי מה שמרמז שטיפול מונחה בוורפרין קיצר משמעותית את CYP2C9גנוטיפ

תקופת היצוב בה החולה פגיע במיוחד ויכול לשפר את הבטיחות והיעילות של אנטיקואגולציה.

דיון

מסקנה זו נתמכת ע"י הממצא שחולי קבוצת •הניסוי היו זמן רב יותר משמעותית בטווח

התרפויטי מה שמעיד על על איכות האנטיקואגולציה והסיכון לדימומים או

מאורעות תרומבואמבוליים.

מגבלות המחקר

לא היתה ידועה 2001בתחילת המחקר שנת •על VKORC1 ההשפעה של פולימורפיזם בגן ל

שונות התגובה לוורפרין.

האלגוריתם בו השתמשו במחקר זה דרש ניתור •INR .יומי בשמונת הימים הראשונים

בניית האלגוריתמים גנוטיפים שונים של 6בקבוצת הניסוי קביעת האלגוריתם למנת ההעמסה ל-•

CYP2C9.•CYP2C9*1/*1-מהמנות בקבוצת הביקורת. 25% המנות היו גבוהות ב

שנראתה S-Warfarin בפינוי של 27%עליה זו במינון תואמת לעליה ב יחסית לפינוי באוכלוסיה כולה.CYP2C9*1/*1בנשאים של

,CYP2C9*1/*2, CYP2C9*1/*3בחולים נשאים של הגנוטיפים •CYP2C9*2/*2, CYP2C9*2/*3, CYP2C9*3/*3 פינוי S-Warfarin מופחת

בהתאמה.20,40,50,60,85%ב-הפחתה זו בפינוי תורגמה למינונים נמוכים יותר של וורפרין באופן •

CYP2C9*1/*1ל- פרופורציוני יחסית למינונים המומלצים להומוזיגוטיםלא נבנו אלגוריתמים לחולים המטופלים בתרופות הידועות כמשנות את •

התגובה לוורפרין מלבד במקרה של מתן בו זמני של אמיודרון. לאמיודרון אפקט מעכב חזק על המטבוליזם של וורפרין. המינונים של וורפרין הופחתו

בכל האלגוריתמים.25%בממוצע של

ניתור

עוקבים בהבדל INRאנטיקואגולציה יציבה פירושה שני ערכי • ימים היו בטווח התרפויטי .7של

•Pharmacodynamic primary end points:<(2 תרפויטי )INRהזמן הנדרש להגיע ל •הזמן הנדרש להגיע לאנטיקוגולציה יציבה•זמן בו החולה נמצא בטווח התרפויטי ••Secondary end pointsמספר הימים בהם החולה נמצא מחוץ לטווח התרפויטי•סכום הסטיות מהטווח הרצוי•ארעות ארועי דימום או מאורעות תרומבואמבוליים חדשים.•

Randomized Trial of genotype-guided versus standard Warfarin dosing in

patients initiating oral anticoagulation

• Genotypes of CYP2C9 And VKORC1 conjointly determine Warfarin dose requirements.

• CYP2C9*2 and CYP2C9*3 cause reductions in enzymatic activity of 30% and 80% respectively.

• Ten VKORC1 SNPs, many tightly linked, and 5 inferred haplotypes determine low, intermediate and high dose requirements.

• Together these genotypes plus clinical characteristics predict approximately one half of inter-individual dose variability.

Warfarin dosing pharmacogenetic arm

•Included CYP2C9 ) *1, *2, *3( and VKORC1 )C1173T( genotypes, age,

weight, and sex: estimated weekly dose )y(=1.64+exp 3.894+*1*1)0(+*1*2)-

0.917(+*1*3)-0.360(+*2*3)-0.947(+*2*2)-0.265(+*3*3)-1.892(+VK-CT)-0.304(+VK-

TT)-0569(+VK-CC)0(+AGE)-0.009(+ MALE SEX)0.094(+FEMALE SEX)0(+

WEIGHT IN Kg)0.003(.