Pharmakogenetik und prädiktive Gentests

Da die Ärzte post mortem keine anatomischen Anomalien beim Säugling finden konnten, verlagerten sie die Suche nach der Todesursache auf die Mutter. Sie hatte gegen Schmerzen ein Kombinationspräparat aus 500 mg Paracetamol und 30 mg Codein erhalten. Die anfängliche Dosierung lag bei zwei Tabletten alle zwölf Stunden. Bereits am zweiten Tag musste die Dosis auf eine Tablette alle zwölf Stunden verringert werden, da die Frau über Obstipation und Schläfrigkeit klagte. Diese Dosis nahm die Frau zwei Wochen lang ein.

Angesichts der Symptomatik der Mutter und des verstorbenen Säuglings wurden die Konzentrationen von Morphin, dem aktiven Metaboliten von Codein, in der Muttermilch und im Plasma des Säuglings gemessen. In der Muttermilch lag die Morphinkonzen­tration um fast das Zehnfache, im Blut des Säuglings um das Siebzigfache ­höher als die Konzentrationen, die typischerweise bei einer Schmerztherapie mit Codein zu erwarten wären (1). Was war passiert?

Genvarianten von CYP2D6 und Enzymaktivität

Codein wird sowohl durch mehrere Cytochrom-P450-Enzyme als auch durch UDP-Glucuronosyltransferasen im Organismus abgebaut. Für die Umwandlung von Codein zu Morphin ist das Cytochrom-P450-Enzym der Isofamilie 2D6 (CYP2D6) verantwortlich.

Das CYP2D6-Gen liegt auf dem langen Schenkel des Chromosoms 22 und umfasst 4378 Basenpaare. Neun Exons bilden den kodierenden Bereich des Gens. Dieser wird in mRNA umgeschrieben, aus der dann ein aus 497 Aminosäuren bestehendes und 55 kDa schweres Enzym gebildet wird. Bis heute wurden mehr als 80 genetische Varianten im CYP2D6-Gen entdeckt, die zu einer veränderten Enzymaktivität führen können (2).

Die Enzymaktivität kann durch die Gabe eines Arzneistoffs und Messung eines spezifisch durch CYP2D6 gebildeten Metaboliten bestimmt werden. Sehr verbreitet ist die Bestimmung des metabolischen Verhältnisses zwischen Dextromethorphan, einem sehr spezifischen Substrat von CYP2D6, und seinem Metaboliten Dextrorphan im Serum eines Individuums (3). 

Die Veränderungen in der Gensequenz können die Enzymfunktion verstärken oder vermindern. Derzeit sind sieben Genotypen mit normaler oder erhöhter Enzymaktivität bekannt (Beispiele: CYP2D6*1 oder *2); bei elf Genotypen ist die Aktivität vermindert ­(Beispiele: CYP2D6*9 oder *10). 26 Genvarianten führen zum vollständigen ­Aktivitätsverlust (Beispiele: CYP2D6*3 oder *4, häufig auch als *0-Varianten zusammengefasst). Wenn funktionelle Genvarianten vervielfältigt vorliegen, steigt die Enzymaktivität (6). Inzwischen gibt es zahlreiche Verfahren, die nachweisen können, welche gene­tischen Veränderungen jeweils vorliegen (7).

Wie stark überlappen Geno- und Phänotypen?

Für eine Zuordnung des Genotyps zum Phänotyp, also zur Ausprägung der Enzymaktivität im Organismus, muss berücksichtigt werden, dass jeder Mensch jede Erbinformation in doppelter Ausführung trägt. Ist die genetische Variante auf einen Genlocus (Allel) beschränkt, spricht man von einem heterozygoten Träger der Genvariante. Sind beide Genloci betroffen, tritt die Genvariante homozygot auf.

Theoretisch sollte man homozygote Träger von funktionslosen Genvarianten (Beispiel: CYP2D6*3/*3 oder *0/*0) dem Phänotyp des schlechten Metabolisierers zuordnen können. Ist ein Mensch mit mindestens einem voll funktionsfähigen Allel ausgestattet (Beispiel CYP2D6*1/*1), sollte er zum Phänotyp des ausgeprägten Metabolisierers gehören. Liegt eine Kombination eines funktionslosen Genotyps mit einem Genotyp mit reduzierter Enzymaktivität vor (Beispiel CYP2D6*4/*10), liegt der Phänotyp des intermediären Metabolisierers nahe. Personen, bei denen ein funktionsfähiges Allel vervielfältigt vorliegt (Beispiel CYP2D6*2x2/*2), sollten eine besonders hohe Enzymaktivität haben und damit der Gruppe der ultraschnellen Metabolisierer angehören.

Soweit die Theorie. Tatsächlich kann nur der Phänotyp des schlechten Metabolisierers eindeutig durch die genotypische Konstellation erklärt werden. Bei den anderen Phänotypen ist dies nicht möglich. Wenn funktionelle Genvarianten vervielfältigt wurden, ist allerdings mit hoher Wahrscheinlichkeit mit einem UM-Phänotyp zu rechnen (Abbildung 1, oben) (4).

Zurück zum tragischen Fall des verstorbenen Säuglings: Genau diese genetische Variante einer Vervielfältigung des CYP2D6-Gens lag bei der Mutter vor. Sie verstoffwechselte Codein ultraschnell zu Morphin, das in die Muttermilch übertrat und vermutlich die tödliche Intoxikation des Kindes auslöste. Eine andere Erklärung konnten die Ärzte zumindest nicht finden.

Genvarianten der Thiopurinmethyltransferase

Auch Varianten im Erbgut von Kindern können zu schweren Vergiftungen führen. Dies zeigt das Beispiel von Thio­guanin-Derivaten wie Mercaptopurin, die ihren festen Platz in der Therapie akuter lymphatischer Leukämien (ALL) bei Kindern haben.

Bisher sind mehr als 1900 verschiedene Mutationen im CFTR-Gen bekannt, die mit der CF zusammenhängen können. Diese werden je nach ihrem Einfluss auf die Proteinsynthese und die Kanalfunktion in sechs Klassen eingeteilt.

• Klasse-I-Mutationen führen zur Produktion einer instabilen mRNA, die abgebaut wird, bevor die Proteinsynthese starten kann.
• Klasse-II-Mutationen führen zur Produktion von fehlgefaltetem Kanalprotein, das ebenfalls abgebaut wird, bevor es seine endgültige Position in der Zellmembran erreicht hat.
• Bei Klasse-III- bis -VI-Mutationen werden vollständige Proteine gebildet. Diese sind allerdings bezüglich der Regulation der Kanalöffnung (Klasse III), der Funktionsfähigkeit des Kanals (Klasse IV), der geringen Menge an Kanälen in der Zellmembran (Klasse V) oder einer reduzierten Proteinstabilität in der Zellmembran (Klasse VI) defekt (13).
   

Der Arzneistoff Ivacaftor greift sehr spezifisch nur bei einer bestimmten Klasse-III-Mutation (Gly551Asp) ein. Er erhöht die Öffnungswahrscheinlichkeit des CFTR-Kanals und kompensiert so die Fehlfunktion des Proteins zumindest teilweise. In der Folge bessern sich die Beschwerden der Patienten eindrucksvoll (Abbildung 3) (14). Die Substanz, die 2013 den PZ-Innova­tionspreis erhielt, ist laut Zulassungsunterlagen der EMA zur Therapie der zystischen Fibrose bei Patienten ab sechs Jahren indiziert, die homozy­- gote Träger der G551D-Mutation im ­CFTR-Gen sind.

Bedeutung prädiktiver Gentests

Rein zahlenmäßig scheinen genetische Varianten für die Therapie von Kindern wenig bedeutend zu sein. Deren Nichtbeachtung kann jedoch dramatische Folgen haben. Es stellt sich daher die Frage, inwieweit die Kenntnis des Genotyps eines Kindes vor Beginn der Therapie notwendig und hilfreich ist.

Prädiktive Gentests sind inzwischen für 36 Arzneistoffe, die auf dem deutschen Markt zugelassen sind, verpflichtend vor der Therapie vorgeschrieben oder werden empfohlen (15). Fünf dieser Arzneistoffe sind explizit auch zur Anwendung bei Kindern vorgesehen (Tabelle 1). Für Abacavir, Arsentrioxid und Ivacaftor ist eine Gentestung vor Anwendung des Arzneistoffs zwingend vorgeschrieben. Vor der Anwendung von Azathioprin und Mercaptopurin wird ein Gentest zur Bestimmung des Genstatus des TPMT-Gens vom Bundesamt für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) immerhin empfohlen.

Bei einer Frequenz der homozy­goten Mutation im TPMT-Gen von 0,3 Prozent, entsprechend drei Individuen von 1000, würden bei einer Testspezifität von 97,2 Prozent also etwa zehnmal mehr Personen falsch positiv diagnostiziert als tatsächlich Muta­tionsträger existieren.

Das hat gravierende Folgen, denn bei homozygoten Trägern von TPMT-Mutationen sollten die Thiopurindosen um 90 Prozent reduziert werden (16). Die falsch positiv genotypisierten Patienten bekommen dann aber eine viel zu geringe Dosis, was mit hoher Wahrscheinlichkeit zum Therapieversagen führt.

Gentests in der Apotheke?

Genetische Varianten spielen für die Pharmakotherapie bei Kindern in einigen Therapiebereichen eine erhebliche Rolle. Dabei muss man genetische Varianten, die pharmakotherapeutische Zielstrukturen betreffen, von solchen unterscheiden, die Arzneistoff verstoffwechselnde Enzyme oder Transportproteine in ihrer Funktion beeinflussen und damit die Bioverfügbarkeit von Arzneistoffen verändern. Sind Zielstrukturen betroffen, schreibt die Zulassungsbehörde die Testung genetischer Varianten vor Therapiebeginn häufig zwingend vor. Bei gene­tischen Varianten metabolisierender Enzyme liegen bisher nur für die Thiopurinmethyltransferase Empfehlungen zur genetischen Testung vor.

In der täglichen Praxis wird die Entscheidung für oder gegen einen empfohlenen Test auch wegen der fehlenden Kostenerstattung letztlich den Eltern der Kinder überlassen. Diese müssen daher sorgfältig über den Nutzen der genetischen Testung und die damit verbundenen Risiken aufgeklärt werden. War dies bisher alleinige Aufgabe des behandelnden Arztes, wird diese Beratung künftig auch vom Apotheker verlangt werden. Seit Kurzem ist es möglich, genetische Tests als Medizinprodukte über die Apotheke zu beziehen. Laut aktueller Apothekenbetriebsordnung ist bei Abgabe eines solchen Gentests eine hinreichende Informa­tion und Beratung in der Apotheke zu gewährleisten.

Fazit

Pharmakogenetik und prädiktive genetische Tests stellen die Apotheker vor eine neue Herausforderung, die in der Aus-, Fort- und Weiterbildung berücksichtigt werden muss. Andererseits bietet die skizzierte Entwicklung auch die Chance, die Kompetenzen des Apothekers als Fachmann für die korrekte Anwendung von Arzneimitteln zu demonstrieren und zu stärken. Ein guter Grund, diese neuen Herausforderungen anzunehmen. /

Literatur

1. Koren, G., et al., Pharmacogenetics of morphine poisoning in a breastfed neonate of a codeine-prescribed mother. Lancet 368 (2006) 704.
2. Sim, S. C., Ingelman-Sundberg, M., Update on allele nomenclature for human cytochromes P450 and the Human Cytochrome P450 Allele (CYP-allele) Nomenclature Database. Methods Mol. Biol. 987 (2013) 251-259.
3. Jurica, J., et al., Serum dextromethorphan/dextrorphan metabolic ratio for CYP2D6 phenotyping in clinical practice. J. Clin. Pharm. Ther. 37 (2012) 486-490.
4. Griese, E. U., et al., Assessment of the predictive power of genotypes for the in-vivo catalytic function of CYP2D6 in a German population. Pharmacogenetics 8 (1998) 15-26.
5. Hicks, J. K., et al., Clinical Pharmacogenetics Implementation Consortium guideline for CYP2D6 and CYP2C19 genotypes and dosing of tricyclic antidepressants. Clin. Pharmacol. Ther. 93 (2013) 402-408.
6. Teh, L. K., Bertilsson, L., Pharmacogenomics of CYP2D6: molecular genetics, interethnic differences and clinical importance. Drug Metab. Pharmacokinet. 27 (2012) 55-67.
7. Precht, J. C., Justenhoven, C., Pharmacogenetic methods in research and diagnostics. Pharmakon 1 (2013) 67-73.
8. Stocco, G., et al., Genetic polymorphism of inosine triphosphate pyrophosphatase is a determinant of mercaptopurine metabolism and toxicity during treatment for acute lymphoblastic leukemia. Clin. Pharmacol. Ther. 85 (2009) 164-172.
9. Schaeffeler, E., et al., Comprehensive analysis of thiopurine S-methyltransferase phenotype-genotype correlation in a large population of German-Caucasians and identification of novel TPMT variants. Pharmacogenetics 14 (2004) 407-417.
10. McLeod, H. L. , et al., Genetic polymorphism of thiopurine methyltransferase and its cli­ni­cal relevance for childhood acute lymphoblastic leukemia. Leukemia 14 (2000) 567-572.
11. Relling, M. V., et al., Mercaptopurine therapy intolerance and heterozygosity at the thiopurine S-methyltransferase gene locus. J. Natl. Cancer Inst. 91 (1999) 2001-2008.
12. Ioannou, L., et al., Population-based carrier screening for cystic fibrosis: a systematic review of 23 years of research. Genet. Med. (2013) doi: 10.1038/gim.2013.125. Epub ahead of print.
13. Boyle, M. P., De Boeck, K., A new era in the treatment of cystic fibrosis: correction of the underlying CFTR defect. Lancet Respir. Med. 1 (2013) 158-163.
14. Ramsey, B. W., et al., A CFTR potentiator in patients with cystic fibrosis and the G551D muta­tion. N. Engl. J. Med. 365 (2011) 1663-1672.
15. Frank, M., Prenzler, A., Pharmacoeconomic aspects of personalized medicine. Pharmakon 1 (2013) 61-66.
16. Relling, M. V., et al., Clinical Pharmacogenetics Implementation Consortium guidelines for thiopurine methyltransferase genotype and thiopurine dosing. Clin. Pharmacol. Ther. 89 (2011) 387-391.
17. Van den Akker-van Marle, M. E., et al., Cost-effectiveness of pharmacogenomics in clinical practice: a case study of thiopurine methyltransferase genotyping in acute lymphoblastic leukemia in Europe. Pharmacogenomics 7 (2006) 783-792.
18. Donnan, J. R., et al., A cost effectiveness analysis of thiopurine methyltransferase testing for guiding 6-mercaptopurine dosing in children with acute lymphoblastic leukemia. Pediatr. Blood Cancer 57 (2011) 231-239.