Enzimi CYP

CYP è una grande famiglia di enzimi e di geni correlati che catalizzano reazioni di ossidazione, infatti sono detti OSSIDASI A REAZIONE MISTA il termine CYP deriva dal fatto che utilizzano i citocromi p450 come cofattore, sono enzimi ossidanti in molti farmaci. CYP è una superfamiglia che con tante famiglie le quali a loro volta hanno tanti membri alcuni dei quali sono coinvolti nel metabolismo di sostanze endogene.

I principali che si occupano del metabolismo dei farmaci sono 3 tutti polimorfici:
– CYP2D6;
– CYP2C19;
– CYP2C9.

Il primo è coinvolto nel metabolismo di sostanze esogene non solo farmaci ma anche ad esempio sostanze alimentari, il secondo è stato messo in relazione al metabolismo di antidepressivi e il terzo metabolizza diverse classi di farmaci.
ENZIMI DI FASE II sono anch’essi polimorfici, appartengono a famiglie più piccole come UGT, TPMP, NAT2, CONT e hanno anch’essi diversi substrati.
Possiamo avere una situazione in cui ci sono diversi polimorfismi di FASE I e di FASE II combinanti e siamo più suscettibili agli effetti avversi perché abbiamo una minore capacità di biotrasformazione o una maggiore capacità di attivazione del profarmaco. Valutare la capacità di un soggetto di metabolizzare un farmaco si può fare, si può somministrare una dose per andare per esempio a determinare la concentrazione urinaria o la concentrazione ematica di un suo metabolita in rapporto al tempo (cinetica di biotrasformazione), facendo ciò troveremo i rapidi, gli intermedi e i lenti metabolizzatori.

Nel caso del CY2D6 troverò anche la classe dei metabolizzatori ultrarapidi i quali hanno una variazione nel numero di copie del gene (non solo una diversa funzionalità dovuta al polimorfismo, ma si hanno fino a 12 copie). Il CYP2D6 è una tappa metabolica comune ad almeno ¼ di tutti i farmaci somministrati, circa il 50% è normale come capacità metabolica, c’è così un altro 50% che ha un’altra capacità metabolica.
Se ho un profarmaco esso richiede la conversione in una forma attiva, nel metabolizzatore lento la dose standard sarà poco efficace e potrà esserci accumulo del profarmaco che potrebbe comunque esercitare effetti tossici, mentre nel rapido metabolizzatore si dovrebbe avere una buona efficacia; se invece il farmaco è di per se attivo e deve essere detossificato nel metabolizzatore lento avremo una buona efficacia con comparsa di effetti avversi necessità di ridurre le dosi, il rapido metabolizzatore avrà bisogno di una dose maggiore oppure di una dose ripetuta a rilascio prolungato, l’efficacia sarà buona.

Altro aspetto da considerare per quanto riguarda la variabilità rispetto all’azione dei farmaci è la risposta di questi geni ai farmaci o ad altre sostanze che possono aumentare la loro produzione: INDUZIONE ENZIMATICA cioè nel momento in cui somministriamo il farmaco il soggetto può manifestare una buona tolleranza ma nel tempo, poiché il farmaco induce l’espressione dei geni e degli enzimi che lo metabolizzano, il suo metabolismo diventa sempre più veloce. Conseguentemente la dose può richiedere un aggiustamento nel tempo, nel caso di un profarmaco la dose verrà diminuita perché la capacità di attivazione da parte del paziente è aumentata per effetto dell’induzione, però ATTENZIONE perché questa dose potrebbe diventare tossica; nel caso dell’inattivazione l’aumentata attività enzimatica può farmi perdere l’efficacia terapeutica perché il farmaco viene eliminato più rapidamente.

Non è detto che si tratti solo di variabilità genetica, ma la variabilità enzimatica può essere dovuta all’azione inducente del farmaco stesso. Molti farmaci sono induttori degli enzimi che li metabolizzano, ma non solo, ci sono altre sostanze che possono essere metabolizzate da quegli stessi enzimi che possono agire da induttori. In questo caso il tutto può sfuggire all’analisi.
Test per collocare una persona nella variabilità enzimatica, un saggio fenotipico è quello che permette di valutare direttamente la capacità di biotrasformazione del soggetto, si somministra la sostanza e si esamina la presenza del metabolita nelle urine o nel sangue.

Reazione metabolica o metabolic ratio= [metabolita]/[iniziale del farmaco]

Questa reazione si distribuisce intorno ad un valore medio come una gaussiana per una serie di soggetti che hanno il genotipo normale e se la variante è genetica avremo una curva bimodale; e le varianti sono 2 avremo una curva trimodale, dipende se il nostro carattere è dominante o recessivo, se gli eterozigoti si vanno a collocare nella curva normale o nella curva dei varianti oppure se siamo in un caso di codominanza.
Il rapporto metabolico ci dice come funziona il metabolismo di quel soggetto e ne possiamo tenere conto nel definire la dose. Abbiamo un quadro di quello che ci aspettiamo come conseguenza di polimorfismi di enzimi del metabolismo, possiamo avere un effetto farmacologico prolungato o ridotto, un aumento o una riduzione della dose efficace, un’eccessiva o mancata attivazione del profarmaco, la possibilità che vengano attivati tutti i pathways alternativi indesiderati (cioè il farmaco non avendo trasformato secondo la sua principale via può essere trasformato attraverso altre vie che producono metaboliti tossici) interazioni e reazioni avverse legate alla tossicità.
Vediamo alcuni esempi legati al polimorfismo di vari geni:
CYP2D6 è un enzima che catalizza la reazione di ossidazione ed è capace di trasformare la CODEINA che è la forma inattiva del farmaco in MORFINA, se questa reazione non avviene l’effetto analgesico è praticamente nullo o scarso. Attraverso la catalisi del CYP2D6, passa anche CHINIDINA che è la sostanza usata nella terapia delle aritmie cardiache, essa è un inibitore del CYP2D6 molto potente, è necessario fare attenzione a non somministrare CODEINA + CHINIDINA perché in questo caso anche i veloci metabolizzatori avranno problemi ovvero uno scarso effetto analgesico.
Oltre all’effetto induttore c’è anche un effetto inibitore che può essere esercitato sia da farmaci stessi che da altre sostanze che passano per le stesse vie, un enzima può rimanere in una forma alterata da un inibitore per cui non è più capace di svolgere la reazione, oppure può essere sequestrato da un substrato che ha una maggiore affinità per esso.
La superfamiglia dei CYP è responsabile della biotrasformazione di circa il 60% dei farmaci impiegati nella pratica chimica, alcuni farmaci possono essere il substrato di più vie e divenire metaboliti diversi. Il CYP2D6 è importante nel metabolismo di molte sostanze di uso comune.

Reazione tipo di un’ossidasi a funzione mista: c’è un substrato RH generico che viene ossidato in ROH a spese del NADPH, ciascun isoenzima di questa famiglia avrà una sua specificità di substrato e anche una posizione specifica dei substrati su cui va ad agire.
Di CYP ne esistono tante famiglie ognuna delle quali ha diversi geni, all’interno di una famiglia il minimo è 40% di omologia di sequenza nucleotidica, poi si hanno le sottofamiglie.

Esempio di nomenclatura CYP2D6:
– CYP indica la superfamiglia;
– 2 indica la famiglia;
– D è la sottofamiglia;
– 6 identificativo unico.

I polimorfismi vengono indicati con la sigla dell’enzima * e in seguito il numero che indica la variante, i substrati sono xenobiotici cioè sostanze esogene ma anche endogene (Es. alcuni CYP sono coinvolti nel metabolismo del colesterolo, prostacicline, steroidi, vitamine ecc.).
La situazione è molto complessa c’è un’ipotesi di evoluzione per duplicazione che è stata particolarmente vantaggiosa per l’aumento della capacità di detossificare le sostanze che c’erano nell’ambiente; ricordiamo che le piante sono le maggior produttrici di tossine da sempre e così gli animali hanno cercato di sviluppare sistemi di detossificazione per sopravvivere si parla infatti di lotta per la sopravvivenza tra animali e piante. La maggior parte di questi enzimi si trova nel fegato che è il filtro attraverso il quale passano tutte le sostanze esogene e esse vengono detossificate.
Nella maggior parte dei casi non c’è un solo allele difettivi, ma ce ne sono di più di uno e ciascun allele ha una sua distribuzione all’interno delle varie popolazioni, ad esempio il polimorfismo del CYP2C9: ci sono 2 varianti più frequenti dal punto di vista farmacologico (in generale ovviamente di varianti ce ne sono di pi ma non tutti comportano un cambiamento dell’attività enzimatica e non tutti sono importanti da un punto di vista farmaco genetico); entrambe le varianti sono MISSENSO in cui un residuo di Arg in posizione 144 è stato cambiato in una Cys e in posizione 359 con un’Ile.
Queste due varianti hanno un effetto sulla capacità di metabolizzare il VAFARIN che è un derivato della FUMARINA con azione anticoagulante e in alcuni soggetti e in alcuni soggetti può causare emorragia, l’effetto avverso e una diretta conseguenza della capacità della sostanza di interferire con la coagulazione del sangue.

Nei soggetti portatori di queste varianti il farmaco causa vere e proprie emorragie, ma il CYP2C9 non metabolizza solo il VAFARIN, metabolizza anche il LOSARTAN usato per l’ipertensione arteriosa e per l’insufficienza cardiaca, in alcuni pazienti che hanno queste varianti può dare gravissime crisi ipotensive. due farmaci diversi due target diversi, ma entrambi passano per la stessa via metabolica.
Il polimorfismo del CYP3A4 che è un enzima molto importante nel metabolismo dei farmaci ed è localizzato non solo nel fegato, ma anche sulla parete intestinale; quando il farmaco specifico viene assunto per via orale, trova la sua prima barriera di detossificazione a livello dell’intestino, infatti qui il farmaco viene inattivato dal CYP3A4 per cui la dose dal 100% è diventata 30% ovvero il 70% è stato eliminato. L’eliminazione non è solo per azione del CYP3A4 ma anche grazie all’azione della PGP che è una pompa di efflusso presente sulla membrana delle cellule apicali dell’intestino e che pompa fuori il farmaco nel lume intestinale e da qui viene eliminato.

Dopo ciò il farmaco entra in circolo ed arriva al fegato attraverso la via portale e qui avviene un secondo passaggio per le stesse porte: cioè la PGP che butta fuori il farmaco il quale viene però anche metabolizzato dal CYP3A4, così la dose effettiva rimasta che va in circolo è del 15%; dunque la dose che arriva al fegato è molto più bassa di quella somministrata.
La capacità metabolica è molto variabile non soltanto per l’azione dei geni ma anche per la combinazione di sostanze come enzimi e substrati. Il CYP3A4 ha dei polimorfismi e uno in particolare è a ridosso del promotore (a livello dell’estremità 5’) è una mutazione che ha frequenze diverse nelle varie popolazioni, però per molto tempo si è parlato di monomorfismo perché non si trovavano variazioni degli effetti dei farmaci che venivano metabolizzati da questo enzima; recentemente invece è stato trovato che la variabilità del CYP3A4 è legata ad un variato metabolismo della CICLOSPORINA e del TOTOLIMUS che sono farmaci immunosoppressori. I soggetti che portano la variante g in omozigosi o in eterozigosi sono metabolizzatori rapidi e tendono a eliminare i due farmaci molto rapidamente.

Un altro esempio è il CYP2D6 che metabolizza un ampio spettro di farmaci, è uno dei geni più studiati ha più di 75 varianti alleliche e quasi tutte quelle note sono con perdita di funzione; quelle note possono essere del tipo SNP oppure IN/DEL oppure per tandem repeat oppure ci possono essere delezioni complete o parziali del gene ed infine duplicazioni fino a 13 copie. La variabilità del CYP2D6 per quanto riguarda la variabilità fenotipica si osserva che negli europei c’è una maggiore frequenza dei lenti metabolizzatori, gli ultrarapidi invece sono molto frequenti in Etiopia.
Nel caso del CYP2D6 si può avere associato al fenotipo lento metabolizzatore un aumento di tossicità, ma anche perdita di efficacia come nel caso di un farmaco (es. CODEINA). Per quanto riguardano gli ADR (effetti avversi gravi) nel caso dei lenti metabolizzatori si hanno effetti a carico del SNC, acidosi, ecc. Però in generale non possiamo dire che i lenti metabolizzatori sono quelli che hanno ADR più gravi perché alcuni farmaci possono avere più vie metaboliche se non vengono trasformati dal CYP2D6 possono essere trasformati per esempio dal CYP3A4 che è un altro enzima ad ampia specificità di substrato e la reazione può avvenire lo stesso, deve essere particolarmente fortunato il paziente ad avere due varianti a fenotipo lento metabolizzatore perché non abbia il beneficio del farmaco.

Un altro tipo di interazione fra farmaci, in un paziente è stato osservato che la CODEINA aveva un effetto eccessivo tanto da portare ad intossicazione si capì che il motivo era che erano stati somministrati antibiotici i quali avevano inibito l’enzima CYP3A4 portando ad un eccesso di morfina mentre gi antibiotici avevano provocato un danno reale per cui veniva eliminata una quantità minore del farmaco coniugato; in questo caso la presenza dell’altra via (quella del CYP2D6) non era sufficiente a compensare il danno renale.
Qui gli enzimi funzionano ma c’è tossicità perché non funziona correttamente l’eliminazione, ci sono anche alcune sostanze che alimentari come il succo di pompelmo, alcool, noce moscata e olio di sesamo che possono interagire con l’effetto di numerosi farmaci inibendo il CYP3A4.

Un effetto avverso che è stato riconosciuto da molto tempo in corrispondenza della somministrazione della SUCCINILCOLINA come bloccante muscolare, in genere l’azione dura pochi minuti ma in alcuni soggetti si ha la paralisi respiratoria che può durare diverse ore quando è presente questa variante della pseudocolinesterosi che è l’enzima che dovrebbe inattivarla ma che ha un’affinità minore con il substrato di circa 1/100 ovviamente il blocco della respirazione può portare a morte.
Viene fatto dunque un test chiamato test del numero di dibucaina in cui viene valutata la capacità della dibucaina di inibire l’idrolisi della BENZOANIDILCOLINA, questa idrolisi è mediata dalla colinesterasi e si osserva un’inibizione molto rapida. Questi casi di paralisi respiratoria sono stati osservati proprio con l’uso della SUCCINILCOLINA come miorilassante, insieme spesso è stata osservata anche ipertermia maligna che è l’effetto dell’azione di un altro gene quello che codifica per il recettore della IANODINA (usata per l’anestesia generale); somministrando questo farmaco si può avere un aumento della temperatura molto elevato che può portare a morte e ipercalcemia che provoca l’arresto cardiaco, si ha spesso anche un danno renale causato dal rilascio di creatinina. Anche nei soggetti sani si può avere ipertermia maligna in questi casi è provocata da febbre alta, infezioni, uso di farmaci neurolettici.

Un altro esempio molto conosciuto è il POLIMORFISMO DELL’ACETILAZIONE, è stato identificato innanzitutto come effetti eccessivi della ISONIAZIDE (farmaco anti-tubercolare) e di altri farmaci che avevano tutti in comune dei gruppi amminici; questi ultimi sono il substrato della N-acetil-transferasi per coniugare nell’azoto dell’ammina un gruppo acetilico e facilitare così l’eliminazione della sostanza. L’enzima la che catalizza questa reazione è la N-acetil-transferasi di tipo II, ma anche quella di tipo I che per molto tempo è stata considerata monomorfica in realtà è polimorfica come la NAT II.
Anche in questo caso possiamo fare saggi fenotipici somministrando un farmaco e andando a vedere se un soggetto è un lento o un rapido aceti latore. I lenti acetilatori sono quelli che soffrono di ipersensibilità ai farmaci perché li eliminano con meno efficienza e soffrono di danno epatico, danno renale e neuropatia periferica.

Biotrasformazione dell’isoniazide che viene acetilata, idrolizzata e ossidata ad opera del CY261 a formare tossine epatotossiche , nei soggetti che hanno NAT attiva l’isoniazide viene trasformata in diacetilidrazine. La distribuzione dei soggetti è una tipica bimodale; anche qui troviamo differenze interetniche molto importanti, ci sono diversi alleli associati al fenotipo lento e diversi alleli associati al fenotipo rapido; sia l’allele normale che quello 12A (che però è più raro). Da notare la frequenza degli alleli lenti è di gran lunga maggiore di quella dei fenotipi rapidi, in pratica ciascuno di noi ha almeno un allele lento se non entrambi, i rapidi metabolizzatori sono frequenti nei giapponesi.
L’ISONIAZIDE è un farmaco anti-tubercolare, ma ce ne sono altri, oltre a questo che non passano per questa via. Effetti avversi dell’isoniazide sono: danno renale, neuropatie e si pensa anche lupus eritematoso sistemico possa essere associato all’incapacità di trasformare alcune forme che sono usati come immunosoppressori. Alcuni affetti avversi si presentano però solo nei lenti metabolizzatori.

Oltre alla capacità di acetilare diverse sostanze di interesse farmacologico, il polimorfismo delle NAT è stato messo anche in relazione agli effetti cancerogeni delle AMMINE AROMATICHE; queste ultime sono presenti in tutte le combustioni di sostanze plastiche, di cibi e sono cancerogene soprattutto per i soggetti che sono lenti metabolizzatori del tipo NAT II.

Farmacogenetica

Marco