细胞色素P450活性与癌症治疗

刘健

浙江大学医学院附属第一医院临床药学研究中心，浙江 杭州 310003

个体对抗癌药物的反应性差异很大，部分原因是药代动力学方面的差异。减少个体间药动学差异最常见的方法是采用患者的体表面积(BSA)计算药物剂量。这种方法是建立在假设每一个人都具有相同的药物代谢的能力的基础上。然而，以体表面积为基础的给药剂量计算方法并不能减少大多数化疗药物在个体间的药动学差异[1]。因此，必定有其他因素影响了药物的处置，从而影响了疗效和毒副作用。个体对药物反应的差异来源之一，在于个体对药物反应的内在因素的差异。遗传学的因素估计占了疗效和毒性差异的20～95%。药物基因组学研究的目的是阐明基因在药物处置过程中所起的决定因素[2]。遗传因素影响了药物处置的各个环节，包括药物的吸收、代谢、分布和排泄。本文主要介绍了药物的代谢，特别是细胞色素P450介导的药物代谢，以及癌症治疗、内源性和外源性因素影响这些酶的活性。

1 活化和耐药

肝脏是细胞色素P450介导药物代谢最重要的场所，在肝脏酶被广泛表达。由于细胞色素P450酶3A(CYP3A)介导的主要是口服药物的代谢，所以胃肠道也是非常重要的代谢场所。乳腺癌、膀胱癌、结肠癌、食道癌、肾癌、肺癌、卵巢癌、前列腺癌、胃癌、以及软组织肉瘤也选择性表达细胞色素P450部分亚型。肿瘤内细胞色素P450的表达是肿瘤耐药的机制之一。

前体药物通过细胞色素P450介导的生物活化可能会导致毒性反应。基因导向性酶转化前体药物治疗癌症是一种可行的方法来限制毒性作用[3]。它使靶向治疗只破坏肿瘤细胞，但不影响健康组织。该基因编码的酶被传递到肿瘤细胞，然后给予一种前体药物通过酶在局部被转化成细胞毒素。

2 影响P450酶活性的因素

很多不同的因素都能改变细胞色素P450酶的活性。这些酶的表达可受内源性因素影响，如个人的年龄、性别、伴发疾病(如癌症、肝功能不全、或肾功能不全)、以及遗传多态性[4–7]。

2.1 生理因素和并发症 已有许多性别对CYP3A活性影响的研究。女性的细胞色素P450酶3A4(CYP3A4)的蛋白质含量和样品中的CYP3A4 mRNA表达均高于男性。该方面的研究结果已经促使美国FDA考虑将女性受试者列入生物等效性研究中。但是性别对细胞色素P450代谢活性影响的结果还是不一致的。

年龄影响许多生理因素，这些因素包括肝脏的质量和肝脏的血流量、血浆蛋白结合、和肝代谢酶的活性(包括细胞色素P450酶)，从而会影响药物的处置。随着年龄的增长细胞色素P450体内和体外代谢均减少。此外，男性的药物清除率似乎比女性更易受到年龄的影响。这一结论与CYP3A的表达女性是男性两倍的发现是一致的。健康人随着年龄增加，细胞色素P450酶2E1(CYP2E1)的活性增加，细胞色素P450酶2C19(CYP2C19)的活性减少。然而，在体外评估健康人肝脏的CYP3A4的含量时，没有表现出随着年龄增加活性减少的现象。

大多数抗癌药物主要通过肝脏清除。癌症患者给药后情况很复杂，由于他们以前的治疗或自己的疾病使得许多人有肝损害，导致了细胞色素P450含量较少而减少药物消除。许多患有严重肝功能障碍的患者，是不能进行细胞毒性化疗，因为这些药很有可能造成严重的毒副作用。因此，肝功能不全患者应用抗肿瘤药物后引起药代动力学改变资料很少。重度或中度肝损患者在应用长春花生物碱类药物或紫杉烷类化合物时需要调整剂量以防止中性粒细胞减少和神经毒性。中度肝功能损害患者并不需要减少剂量。

2.2 遗传变异 一些细胞色素P450酶基因的遗传变异会导致代谢的表型变异从而影响药物的药代动力学。某些基因的多态性也与药物的毒性、耐药性有关。在基因型–表型关联的情况下，反应或毒性作用可以通过在治疗前测定患者的基因型或表型来预测。有些基因突变也能增加酶的活性，例如超快代谢的细胞色素P450酶2D6(CYP2D6)基因。纯合子活性的差异比杂合子更明显，这使得解释遗传变异的重要性进一步复杂化。

2.3 合并用药 同时服用两种或更多的抗癌药物可导致药物代谢的变化，从而影响药物的药代动力学和临床疗效。药物代谢酶的诱导和抑制是药物之间相互作用两个主要机制。预测药物相互作用需要持续关注的方面是某些细胞色素P450酶的多态性表达。在已知有不良反应的药物中，86%是通过具有多态性的细胞色素P450酶所代谢。

合并用药抑制代谢酶的活性是导致许多药物不良反应的原因，因为它引起药物全身暴露量的增加。当患者同时服用对细胞色素P450亚型有很高亲和力的药物和一种通过该亚型代谢的药物，那么高亲和力的药物就会影响另一个药物的代谢。低亲和力药物的药理作用可能被改变，导致药物暴露增加，或更高的疗效或更高毒性反应。

一些临床上重要的药物之间的相互作用，其机制并不一定完全由细胞色素P450的抑制引起，也有可能是由P–糖蛋白(ABCB1)介导或通过P–糖蛋白和细胞色素P450共同作用。P–糖蛋白是一种细胞膜相关蛋白，其转运各种药物底物的能力以及作为肿瘤多药耐药的介质已被广泛研究。

3 细胞色素P450酶代谢的抗癌药物

本文介绍临床上常用的化疗药，环磷酰胺、异环磷酰胺、他莫昔芬、多西紫杉醇、紫杉醇、伊立替康的生物转化途径，以阐明细胞色素P450酶在抗癌药物代谢中的作用。

3.1 环磷酰胺和异环磷酰胺等烷化剂 该类药物通过肝细胞色素P450催化代谢而产生细胞毒性。环磷酰胺的活性代谢物(4–羟基衍生物)主要通过CYP2B6代谢生成，异环磷酰胺通过CYP3A4代谢生成有活性的4–羟基衍生物[8]。 其他P450酶也参与到该类药物的代谢中。共有六个代谢酶(CYP2A6，CYP2B6，CYP3A4，CYP2C8， CYP2C9，CYP2C19)参与环磷酰胺代谢成羟基衍生物的反应。两个主要的代谢产物，4–羟环磷酰胺和醛磷酰胺，无论是在体外还是体内都具有细胞毒性。醛磷酰胺代谢成磷酰胺芥子气，它是环磷酰胺活性最强的代谢产物，能引起大部分DNA的交联(该制剂的主要临床活性)。异环磷酰胺4–羟基代谢物同样产生一个抗肿瘤活性的烷化剂芥子气。代谢中产生的一种副产品，丙烯醛，是这类药物尿毒性的原因。

N–二氯乙基化的结果是使这些化合物失活和形成有毒的副产品氯乙醛。环磷酰胺通过CYP3A4催化这种反应，CYP3A4和CYP2B6共同催化异环磷酰胺的这种反应。给药剂量一半左右的异环磷酰胺发生N–二氯乙基化，但只有10%的环磷酰胺发生这种反应。给予异环磷酰胺的患者生成更多的氯乙醛，因此，比那些给予环磷酰胺的患者更有可能产生肾毒性或神经毒性。改变细胞色素P450活性因素会影响激活(4 –羟基化)和失活 (N–二氯乙基化)两条代谢途径之间的平衡，从而导致这类药物药代动力学和药效学的变化。

由于个体间对环磷酰胺临床反应的差异，许多研究试图找出在该药物代谢活化中起作用的所涉及的酶的种类。CYP2B6，CYP2C19，CYP2C9和CYP3A5 都存在等位基因的变异，而改变了代谢活性，从而有可能使不同患者的药代动力学发生改变。

合并用药诱导或抑制细胞色素P450活性，可以更改环磷酰胺激活和失活代谢途径之间的平衡。激活环磷酰胺的代谢途径依赖于CYP3A4的活性，并可以通过药物之间的相互作用改变代谢活性。

CYP2B6被认为是环磷酰胺生物活化的主要同工酶，有报道指出个体间存在很大的活性差异。已知至少存在10个单核苷酸多态性，有些多态性导致氨基酸被替代，而导致酶的活性降低(例如，C1459T)。迄今为止，还没有临床研究评价环磷酰胺基因型改变与药代动力学变化的相关性。因为同时有多个细胞色素P450参与环磷酰胺的代谢，在单个基因多态性不可能会导致临床上药代动力学的明显变化。

3.2 他莫昔芬 该药是一种人工合成的抗雌激素，多年来被用于治疗乳腺癌，也作为化学预防剂被广泛应用于预防有这种癌症风险的妇女。除了其抗癌活性，他莫昔芬对心血管系统和骨骼也有保护作用。然而，该药临床的疗效和毒性反应有很大的个体差异。有些患者对他莫昔芬耐药。有很大比例的患者出现副作用，包括潮热，血栓栓塞性事件，以及妇科并发症。他莫昔芬疗效个体差异的机制仍然不明。

他莫昔芬必须通过细胞色素P450活化生成抗雌激素作用的代谢产物来发挥作用，这些代谢产物的活性比母体化合物强很多倍。体外研究表明[9]，许多细胞色素P450亚型(如，CYP3A，CYP2D6，CYP2C9，CYP2C19，CYP2B6和CYP1A2)参与到他莫昔芬生物转化中。他莫昔芬的主要代谢产物是N–去甲基他莫昔芬(经CYP3A4代谢生成)和4–羟基他莫昔芬和4–羟基–N–去甲基他莫昔芬(由CYP2D6代谢生成)。CYP2B6也参与他莫昔芬的代谢激活。N–去甲基衍生物与雌激素受体的亲和力大于母体药物几百倍，4–羟基衍生物的亲和力与他莫昔芬相当。因此，不同的细胞色素P450亚型可影响他莫昔芬的药理作用。他莫昔芬代谢模式的改变或其主要代谢产物可能是产生个体间差异的主要原因。他莫昔芬的I项代谢增加，其活性也增加，以其活性代谢产物 4–羟基他莫昔芬增加为特点。这种代谢产物与雌激素受体有很高的亲和力，其抑制雌激素依赖的细胞增殖能力是他莫昔芬的30～100倍。

药物之间相互作用的评价不仅要考虑支持治疗对化疗的影响，还要考虑抗肿瘤药对同时服用的其他药物药代动力学的影响。他莫昔芬和它的代谢产物N–去甲基他莫昔芬和4–羟基他莫昔芬通过抑制CYP3A4代谢途径，有引起药物相互作用的可能。

CYP2D6等位基因变异(慢代谢者)的患者，他莫昔芬治疗的获益比其他人要少，原因就在于活性代谢产物4 –羟基他莫昔芬生成减少。

3.3 紫杉醇 这是一种疏水性抗肿瘤药，对人类的许多恶性肿瘤显示了强大的抗肿瘤活性，包括乳腺癌，肺癌和卵巢癌。紫杉醇在肝脏通过CYP2C8氧化代谢，生成其主要代谢产物 6–α–羟基紫杉醇[10]。但在有些个体，CYP3A4被认为是主要的代谢酶。紫杉醇次要代谢物是3'–P–羟苯基紫杉醇，由CYP3A4/CYP3A5代谢生成。这两个羟基代谢产物可以经过进一步代谢由CYP3A4/CYP3A5或CYP2C8生成双羟基代谢物，6–α–羟基–3'–P–羟苯基紫杉醇。CYP2C8基因多态性也会影响紫杉醇疗效和毒性。

3.4 多西紫杉醇 这种微管稳定剂用于治疗乳腺癌，前列腺癌，非小细胞肺癌。它主要通过CYP3A4代谢成羟基衍生物，少量由CYP3A5代谢[11]。多西紫杉醇个体间的药代动力学存在着很大的变异性。

CYP3A4是最丰富的细胞色素P450亚型，占人体肝脏中的30%的细胞色素P450含量。个体间CYP3A家族的活性差别很大。至目前为止，已确定CYP3A4有19个蛋白质变异。体内CYP3A4活性对多西紫杉醇代谢的贡献已有相关研究。CYP3A4的活性对药物清除和毒性反应的影响表明，肝CYP3A4的活性能预测多西紫杉醇的清除情况，同时也是患者之间清除情况差异的主要原因。

基于BSA的个体化给药方法可以减少多西紫杉醇药代动力学变异，但不影响临床上的毒性反应的个体差异。酮康唑是CYP3A4抑制剂。当多西紫杉醇与酮康唑合用，其清除率将减少49%。该发现表明，多西紫杉醇与CYP3A4抑制剂或诱导剂合用，将产生有临床意义的药物相互作用，其结果将导致毒副作用增大或疗效降低。

3.5 伊立替康 其代谢和遗传多态性已被广泛研究。该药用于治疗转移性结肠癌或直肠癌。它是一种喜树碱衍生物，它作用于拓扑异构酶I造成的DNA损伤。伊立替康是一种前体药物，通过羧酸酯酶1和2水解生成有药理活性化合物7–乙基–10–羟基喜树碱。该化合物可通过尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶UGT1A1，UGT1A3，UGT1A7，UGT1A9，和UGT1A10经过葡萄糖醛酸化灭活[12]。 通常情况下，伊立替康代谢与UGT1A1基因多态性有关，特别是UGT1A1*28基因多态性，这将减少活性代谢产物转换成其葡糖苷酸化合物。伊立替康也可以通过CYP3A4转换成非活性代谢产物[13]。抑制CYP3A4活性的患者接受伊立替康治疗后，毒性代谢产物的生成显著增加。

采用伊立替康治疗的患者不能同时服用圣约翰草(CYP3A4的诱导剂)，因为血浆中活性代谢产物浓度会有所降低，这将影响疗效。

利用细胞色素P450来调节伊立替康药代动力学特性，可以作为减少严重毒副作用的方法。

4 结论

癌症药理学的一个最重要的难点是从肿瘤反应和毒副作用两个方面预测治疗的结果。测定癌症患者细胞色素 P450活性非常复杂，同时要考虑遗传背景和复杂的生理变化(由伴随的疾病状态，继发于以往治疗方法的器官功能障碍，肿瘤入侵，营养不良，和服用多种药物引起)。

个体间癌症化疗的药代动力学差异会引起治疗的疗效和安全性的不同结果。年龄，性别，器官的功能，和伴随疾病单一因素并不能阐明个体间对药物反应的差异性。大部分的注意力已经集中在遗传多态性在药物代谢中的作用，但缺乏许多多态性功能性特点的信息以及对不同底物作用。这些都需要未来进一步研究。

许多化疗方案涉及多个药物的组合，所以很可能存在一种药物诱导或抑制一种酶的活性，而该酶又代谢第二个药物。这种相互作用在临床上的重要性是被低估的。不能阐明的个体间的代谢差异会导致剂量过低或过量，可能会导致毒性作用。

迄今为止，药物基因组学的研究主要集中单个基因多态性的影响。单个基因多态性研究作为治疗效应的标志物，通常很少能阐明临床上重要的变化。与野生型相比，药物代谢酶变异形式只显示很少的活性降低，许多只是复杂代谢途径的一部分。许多与极端药物毒性反应相关的遗传变异是罕见的，仅占观察到的变异的一小部分。

为了更好地评估细胞色素P450酶类对机体代谢的作用，需要找到更全面的方法。药物的吸收、排泄、活化、代谢整个药代动力学途径涉及的酶的多态性都应进行研究。旨在阐明癌症化疗药代动力学的前瞻性研究，可能有助于提高治疗效果，安全性，以及便于预测临床药物之间的相互作用。

[1] Mathijssen RH, de Jong FA, Loos WJ, et al. Flat-fixed dosing versus body surface area based dosing of anticancer drugs in adults: does it make a difference? [J]. Oncologist, 2007,12(8): 913-23.

[2] Daly AK. Pharmacogenetics and human genetic polymorphisms[J].Biochem J, 2010, 429(3): 435-49.

[3] Denny WA. Tumor-activated prodrugs: a new approach to cancer therapy[J]. Cancer Invest, 2004, 22(4): 604-19.

[4] Cotreau MM, von Moltke LL, Greenblatt DJ. The influence of age and sex on the clearance of cytochrome P450 3A substrates[J]. Clin Pharmacokinet, 2005,44(1): 33-60.

[5] Dreisbach AW. The influence of chronic renal failure on drug metabolism and transport[J]. Clin Pharmacol Ther, 2009, 86(5):553-6.

[6] Elbekai RH, Korashy HM, El–Kadi AO. The effect of liver cirrhosis on the regulation and expression of drug metabolizing enzymes[J].Curr Drug Metab, 2004,5(2): 157-67.

[7] Schirmer M, Rosenberger A, Klein K, et al. Sedependent genetic markers of CYP3A4 expression and activity in human liver microsomes[J]. Pharmacogenomics, 2007,8(5): 443-53.

[8] Zhang J, Tian Q, Yung Chan S, et al. Metabolism and transport of oxazaphosphorines and the clinical implications[J]. Drug Metab Rev, 2005,37(4): 611-703.

[9] Notley LM, Crewe KH, Taylor PJ, et al. Characterization of the human cytochrome P450 forms involved in metabolism of tamoxifen to its alpha-hydroxy and alpha,4-dihydroxy derivatives[J].Chem Res Toxicol, 2005,18(10): 1611-8.

[10] Spratlin J, Sawyer MB. Pharmacogenetics of paclitaxel metabolism[J]. Crit Rev Oncol Hematol, 2007,61(3): 222-9.

[11] Tran A, Jullien V, Alexandre J, et al., Pharmacokinetics and toxicity of docetaxel: role of CYP3A, MDR1, and GST polymorphysims[J].Clinical pharmacology and therapeutics, 2006, 79(6): 570-580.

[12] Marsh S, Hoskins JM. Irinotecan pharmacogenomics[J].Pharmacogenomics, 2010,11(7):1003-10.

[13] Smith NF, Figg WD, Sparreboom A. Pharmacogenetics of irinotecan metabolism and transport: an update[J]. Toxicol In Vitro,2006,20(2): 163-75.