药物基因组学在药学中的应用研究概况

崔宏伟，宋宏春，苏秀兰

现代药学应用领域相当广泛，涉及感染发作的急症药物治疗，以及糖尿病、慢性心功能不全等慢性病症的药物治疗。临床对于确诊的疾病，医生往往根据患者病症给予药物进行治疗，结果却表现出同一药物对患有相同病症的不同患者有不同的药物疗效和毒副作用。部分患者服用药物后，药物可能没起到任何作用；部分患者获得满意的治疗效果；而还有一些患者服用药物后会出现不舒服的感觉甚至危及生命。近来大量研究表明，遗传多态性是造成不同个体对药物反应性差异的重要因素之一[1-2]。药物代谢与转运酶的个体遗传差异导致个体对药物不吸收、无法激活前药活性及对活性药物的代谢缓慢等不同的治疗效果，由此推动了“药物基因组学”迅速发展。所谓药物基因组学，是一门研究个体基因组信息对药物反应效果的学科，同时，它将不同个体的体质差异与药物疗法中有效性的提高以及副作用的减轻联系在一起。通过药物基因组学技术，如全基因组扫描（genome wide scans）分析、染色体重组分型分析（haplotype analysis）及单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）分析，DNA 芯片（DNA chip）技术等，对个体基因型进行测定，在用药前对能否产生特定的用药效果以及最佳的给药量、副作用发生的概率等作出预测。它的产生与发展，使得医生可以根据个体基因变异图谱，或者某些蛋白及代谢标志物表达量，指导患者合理用药及选择最佳治疗措施以及节约新药开发临床试验阶段成本。这是实现被称为“个体化医疗”或者“个性化医疗”的医疗服务不可或缺的技术。本文将对药物基因组学在药学中的应用研究做一综述。

1 药物基因组学的产生及发展简史

药物基因组学（pharmacogenomics）是利用人类基因组学研究不同人群（个体）基因组遗传学差异及其对药物反应的影响，以促进新药开发和临床个体化用药的学科[1,3]。药物基因组学是在药物遗传学（pharmacogenetics）的基础上发展起来的。

药物遗传学的概念是 20 世纪 50年代由 Vogel[4]提出，是研究药物反应的遗传学基础的一门学科，即研究包括药物在内的外界化学物质（尤其是有毒外源物质）引起机体反应（主要指毒性和不良反应）的遗传多样性。药物基因组学除覆盖药物遗传学研究范畴外，还包括与药物反应有关的所有遗传基因组学信息，药物代谢靶受体与转运蛋白相关信息。20 世纪 80年代，分子遗传变异研究取得进展，且将相关研究内容引入药物遗传学。至 20 世纪 90年代，随着分子生物学、分子遗传学的深入研究以及人类基因组计划的顺利实施，人类基因的多态性不断地被发现与证实，人们认识到人体内药物的吸收、代谢和排泄过程涉及到多个基因的相互作用，即基因的多态性导致药物反应的多样性[5]。首先发现的一种具有基因多态性的药物代谢酶（CYP2D6）属于细胞色素 P450 酶系，编码该酶的基因具有多态性，导致患者对药物呈现快代谢和慢代谢两种不同的代谢方式[6]。后又陆续发现载脂蛋白 E（ApoE）基因亚型与患进行性老年性痴呆有关，凝血素基因与患血栓症有关等，从而形成了一门以基因多态性为基础研究药物效应的个体间差异及其规律的新兴交叉学科，即药物基因组学。1997年6月，Abbott-Genenset 两大制药公司共同发起了药物基因组计划，随后又有大批制药公司进行药物基因组开发，构建了个体遗传与药物反应的多样性数据库，标志着药物基因组学时代的到来[7]。它是研究个体基因的遗传学如何影响药物反应的一门新兴的药物学和遗传学交叉的学科[8]，其阐述了从基因水平研究基因序列的多态性与药物效应多样性之间的关系。药物基因组学不是以发现新基因、探明疾病的发生机制和预见发病风险为目的，而是利用已知的基因组学理论，研究遗传因素对药物反应的影响，或以药物效应和安全性为主要目标，研究药物动力学和药效学差异的基因特征，以及基因变异所致的不同个体对药物的不同反应[9]。

2 药物基因组学研究的内容

药物基因组学是以提高药物疗效及安全性为目标，研究影响药物吸收、转运、代谢、清除等个体差异的基因特性，以及基因变异所致的不同患者对药物的不同反应，并由此为平台开发新药、指导合理用药、提高药物作用有效性、减少药物不良反应、降低药物开发总成本，从而努力提高患者治疗质量[10]。药物基因组学依据个体 DNA 信息，帮助其选择适当的药物及药物剂量，以此提高用药的合理性与安全性。

药物基因组学的研究大致如下：第一步，对个体进行部分候选基因检测，筛选变异基因以及基因变异所造成的生物学改变；第二步，充分利用现有分子遗传学、分子基因组学及蛋白组学等技术进行更多候选基因的研究；最后进行个体全基因组水平的关联分析[11]。在这过程中，其涉及到的方法及技术主要有表观型（phenotype）和基因型（genotype）分析、连锁分析（1inkage analysis）、关联分析（association analysis）、药物效应图谱（medicine response profiles，MRPs）、单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）、全基因组相关性研究（genome-wide association study，GWAS）、DNA 芯片技术（DNA chip），应用 DNA 微阵列（DNA micro arrays）监测基因表达[12]及表达水平多态性质谱分析等。此外还涉及如凝胶电泳技术、包括聚合酶链反应、实时荧光定量方法、等位基因特异的扩增技术、荧光原位杂交技术、荧光染色高通量基因检测等技术来检测一些与药物作用的靶点或与控制药物代谢等相关的基因变异[13]。

3 药物基因组学的应用

3.1 在药动学研究中的应用

3.1.1 药物代谢酶多态性导致的机体对药物代谢能力的差异 药物代谢酶多态性研究主要集中在细胞色素氧化酶 P（CYP）的多态性研究上。药物代谢酶多态性由同一基因位点上具有多个等位基因引起，其多态性造成不同个体间药物代谢反应的差异，是药物疗效、毒副作用差异的原因之一，如 CYP450 氧化酶的基因具有遗传多态性，并有明显的种族差异，其对药物代谢动力学、药效学和临床使用安全性均有影响[14]，是一类对来源于食物、药物等内源性物质具有广泛氧化与降解作用的含血红素蛋白酶。到目前为止，已发现超过 400 个 CYP 同工酶，人体内有 50 多种 CYP 同工酶催化氧化多种药物。与人类关联密切的 CYP 代谢酶有CYP1A、CYP2A6、CYP2C9、CYP2C8、CYP2B6、CYP2C19、CYP2D6、CYP2E1 以及 CYP3A 等。其中 CYP2C9、CYP2C19 和 CYP2D6 的多态性与个体间差异有很大关联性[15]。CYP2D6 是最早被发现存在药物氧化代谢遗传多态性的 CYP450 酶，至今已发现 75 个 CYP2D6 的不同等位基因。它们的变化可直接影响药物的代谢率。因此，个体根据自己的遗传基因信息，分为CYP 酶缺乏、CYP 酶较低含量、CYP 酶中等含量以及 CYP 酶富有[16-17]。从而导致个体之间对药物代谢的不同。据报道称，大约有 5.3%的住院患者伴有药物不良反应[18]。原因是许多药物的不良反应均与 CYP450 酶系的基因变异有关。这些变异可以导致人体内某些药物代谢加快或减慢，结果导致某些药物在体内堆积产生“大剂量”，而其他药物由于代谢速度加快，效用还没有及时发挥就已被排除体外。Mulder 等[19]研究了CYP2D6 的基因多态性和辛伐他汀降脂作用和副作用发生的关系，携 CYP2D6 缺陷型等位基因患者辛伐他汀降低血清胆固醇的作用是野生型纯合子的 2 倍，而携带重复等位基因患者辛伐他汀降低血清胆固醇的作用仅为野生型纯合子的 1/10。另外，CYP2C19 与 CYP2C8 的基因多态性也可以影响药物的代谢[20-22]。

3.1.2 药物转运蛋白的基因多态性 除了代谢酶之外，由多药耐药基因 MDR1（multidrug resistant gene）编码的 P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）在决定药物吸收分布和药物排泄中起着重要的作用[23]，是目前药物基因多态性研究的新方向。P-gp 是一种逆浓度梯度将特定的药物及内源性物质转运的蛋白，存在于人体各种组织中，比如上胃肠道的黏膜、肾小管上皮细胞膜、睾丸 、胎盘以及血-脑脊液屏障的内皮细胞膜内。研究表明，存在于血-脑脊液屏障内皮细胞膜的 P-gp 具有限制药物自由进入脑部的作用，其功能改变将直接影响药物的治疗效果[24]。利用 SNPs 技术对 MDR1分析发现，MDR1 位点 rs2032582 与 rs1045642 基因变异，会导致 P-gp 功能改变[25]，从而导致某些治疗精神病症药物失去治疗作用，甚至产生副作用。

此外，Kajinami 等[26]报道 MDR1 基因 C3435T 多态性和阿托伐他汀疗效之间的关系，服药后女性 CC 型携带者血清 LDL-C 下降的最少，男性中则无此种相关性。各基因型 HDL-C 升高的幅度依次为CC > CT > TT，表明他汀改变体内 HDL-C 水平，其中 P-糖蛋白发挥一定作用。

3.2 药物直接作用靶位的基因多态性

药物代谢酶和转运体的活性可以决定药物在体内的浓度，而药物作用的靶受体才是决定药物效应的直接因素。受体活性高，则对药物敏感，即使在较低药物浓度下也能产生正常药效。例如：与心血管药物代谢密切相关的 CYP2C9*2（C430T）和 CYP2C9*3（A1075C）靶位基因变异能降低 CYP2C9 活性，从而影响香豆素类药物的药代动力学特性[27]；组织激肽释放酶基因的多态性与 2 型糖尿病密切相关[28]；载脂蛋白 E 的多态性与慢性肾病的代谢综合征有关[29]；糖皮质激素受体基因 G679S 多态性与激素抵抗型哮喘相关[30]。

3.3 药物基因组学与合理用药

合理用药的核心是个体化给药，目前主要的方法是测定药物的体液浓度，计算药代动力学参数，设计个体化给药方案。这一方法对于血药浓度与药效相一致的药物是可行的，但对于血药浓度与药效不一致的药物，如何实现个体化给药，目前尚无可靠方法。另外，对于诊断、一般状况、治疗药物、血药浓度相同而疗效有差异的患者，用传统的药代动力学机制无法解释时，需从药物基因组学的角度来考虑，这种情况是药物相关基因的多态性和患者个体基因的差异造成的。基因多态决定了患者对药物的不同反应，依据患者基因组的特征来优化药疗方案。例如，BRCA1 或 BRCA2 基因变异的妇女患卵巢癌的比例为16%～60%，而正常人群患病比例仅为1.7%[31]。将高血压和正常血压有关的基因单核苷酸多态性系统进行分析和比较表明，不同患者的基因组序列是不同的，高血压的发生以及对抗高血压药物的疗效与多种基因表型相关，这些个体差异模型数据，将为高血压治疗提供依据[32]。药物基因组学应用到临床合理用药，弥补了以往只根据血药浓度进行个体化给药的不足，也为过去无法解释的药效学现象找到了答案，为临床个体化给药开辟了一个新的途径[33]。

3.4 药物基因组学与新药开发

药物基因组学研究已经广泛应用于新药开发的各个阶段。目前，广泛利用药物基因组学研究方法，如全基因组扫描、染色体重组分型分析及候选基因筛选（candidate gene）技术，可以对药物作用靶点基因多态性与药物反应的作用效果做出评估与鉴定。在新药开发的临床试验阶段，药物基因组学技术内容有助于将受试者按照个体对药物代谢的能力差异进行分组；有助于预防药物不良反应的发生及对试验结果的判定；有助于减少药物化合物筛选过程中的损耗。

新药开发过程中，新药的有效性与安全性是最重要的两个指标。药物基因组学方法应用于新药开发临床试验中有很多优点：首先，药物基因组学方法有助于预测药物的有效性。药物的有效性，在很大程度上，取决于药物发挥效应的靶区域，这些区域都可以被药物基因组学方法检测。例如，用于治疗转移性乳腺癌的抗 HER2 单克隆抗体的药物-曲妥珠单抗（trastuzumab）在早期的临床试验中，被发现仅仅对HER2 蛋白高表达的女性具有很好的疗效，在后续实验中还发现仅仅是女性的 HER2 蛋白过高表达。说明若在药物试验前没有利用基因组学方法对受试者进行分组试验，则药物的有效性就不会被发现[34-35]。其次，药物基因组学方法有助于预测药物的安全性。药物毒性发生主要是由于体内血药浓度过高造成，出现这种现象的原因可能是由于个体遗传基因多态性导致个体对药物代谢能力差。大量研究表明 CYP 基因，如 CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6 等在不同人群中对药物代谢能力不同。与传统的预测药物安全性方法相比，即监测药物的血药浓度值，药物基因组学具有更多优势，即根据个体的基因信息，采用单核苷酸多态性检测药物代谢酶能力。因此，药物基因组学方法是一种预测药物安全性更好的方法。

在药物基因组学方法应用之前，药物有效性与安全性指标的预测性都很低，结果导致沉重的经济损失。目前，伴随着药物基因组学方法的应用，这种情形已经彻底改变，大大降低了新药开发的经济损失。利用体外检测的方法，我们可以在临床试验前确定研发的药物是否与药物代谢酶多态性有关，决定是否继续进行试验。同时，这些信息有助于在临床试验 I 期筛选具有正常代谢酶系的患者参与实验，以及阻止药物不良反应的发生。

目前已有 70 余种药物增加或修改了遗传药理学标签，如用于治疗结直肠癌的依立替康[36-37]、用于治疗炎症性肠病和儿童白血病的巯基嘌呤和用于预防心脏病发作和中风的抗凝药华法林[38-39]等，用于指示不同基因型患者在应用该药物时的疗效和毒性，帮助医生为个别患者定制剂量，增加药品使用的安全性和有效性。药物基因组学的应用将节省高昂的临床研究成本、缩短上市所需时间、保证上市后的安全性和有效性就是药物基因组和个体化用药给新药临床研究带来的革命性变化[40]。

4 展望

药物基因组学在药学领域中的应用非常广泛，利用药物基因组学知识提供的药物有效性与安全性信息，能够更大程度上促进临床合理用药，节约新药开发成本、缩短新药研发周期。但它的发展也面临着各种问题与挑战。目前最主要的问题就是研究成本高，将增加临床应用负担；目前药物基因组方法筛选的生物标记物数量过少，且如何遵循标准进行临床治疗，因此应用于临床存在一定困难；另外药靶的高度多态性会使药物审批标准更加严格，入市变得困难。以药物基因组学的相关检测指标来考虑新药的许可批准，能否获得成功还是个未知数；另一方面，药物基因组学载有大量个人基因信息，存在有关个人隐私泄密等社会和伦理道德问题。我们相信随着各种新技术的研究和应用，以上这些问题很快就会解决。药物基因组学在药学领域将有着更为广阔的应用前景。

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