药物基因组学在细胞毒类抗肿瘤药物个体化治疗中的应用

茆晨雪，刘昭前

0 引 言

恶性肿瘤作为全球重大的公共卫生问题之一，极大地危害人类健康［1］。进入本世纪以来，由于吸烟人群的减少，癌症的早期诊断，以及通过特定生物标志物改善癌症治疗等原因，癌症的总死亡率不断下降，但许多恶性肿瘤，诸如多发性黑素瘤和胰腺癌，因频繁耐药，错过诊断和分期，治疗选择有限等进展迅速，易发生多发转移，极其难以治疗。

目前靶向药物和免疫治疗只能使部分患者受益，因而细胞毒类化疗药物仍然在临床实践中应用广泛。细胞毒类抗肿瘤药物因其疗效个体差异巨大，毒性严重而降低了患者的治疗效果和生活质量。在设计和选择癌症治疗方案时，应考虑多种影响药物疗效和毒性反应的因素，包括患者的基本特征（年龄性别、种族、体重、体表面积等）、生理学因素（肝肾功能、妊娠、并发症等）、药理学因素（药物剂量和给药方案、药物相互作用等），药物基因组学（pharmacogenomic，PGx）因素等。许多临床研究表明，编码药物代谢酶（drug-metabolizing enzymes，DMEs）、药物转运蛋白和药物靶点的基因的多态性与肿瘤患者的治疗效果及毒性反应的个体间差异相关。例如，基于代谢能力可将DMEs中的基因多态性分为4类：超快代谢型（ultrarapid metabolizers，UMs），快代谢型（extensive metabolizers，EMs），中等代谢型（intermediate metabolizers，IMs），慢代谢型（poor metabolizers，PMs）。按标准剂量给药时PMs可能发生药物毒性反应，UMs则可能疗效降低。药物基因组学在细胞毒类化疗药物中的应用能够帮助临床医生更好地预测疗效，耐药性，毒性反应等药物反应，继而针对患者优化治疗方案，实行分层治疗。

随着PGx在患者中的应用呈指数增长，医师现在可以识别癌细胞中特定的PGx生物标志物，该信息帮助医师能够根据每位患者的个体基因谱选择和定制特定的化疗方案［2］。本文阐述了目前用于指导治疗决策及可能在未来具有临床应用价值的种系PGx标志物。

1 硫嘌呤甲基转移酶与硫嘌呤

硫嘌呤甲基转移酶（thiopurine S-methyltransferase，TPMT）是几乎在人类所有组织中都被发现的细胞质酶，为Ⅱ期代谢酶之一，主要参与硫嘌呤S-甲基化的催化作用，负责肝中硫代嘌呤类药物的代谢，例如硫唑嘌呤和6-巯基嘌呤（6-Mercaptopurine，6-MP）。硫代嘌呤类药物6-MP被广泛用于急性淋巴细胞白血病（acute lymphoblastic leukemia，ALL）患者的维持化疗。硫嘌呤作为前药可被转化为抑制DNA和RNA合成的6-硫鸟嘌呤（6-Thioguanine，6-TG），长时间暴露于6-TG可能导致肝毒性，胃肠道毒性，骨髓抑制等严重不良反应。

TPMT基因多态性可导致酶活性的显著降低及药物诱导的白细胞减少的风险增加，并且ALL患者的6MP治疗效果与其最大耐受药物剂量高度相关。在给予相同剂量6-MP后，TPMT活性不同的急性淋巴细胞白血病患者的药物稳态浓度差异可达10倍。目前已报道了37种TPMT基因变异［3］，白种人中最常见的等位基因是TPMT*3A，其频率为5%，其次是TPMT*3C，而TPMT*3C是亚洲人中最常见的等位基因。其他常见变异主要包括TPMT*2，TPMT*3B和TPMT*8［4］。根据功能等位基因的缺失情况，可将个体分为3组：正常代谢者、中等代谢者和弱代谢者。临床药物基因组学实施联盟（Clinical Pharmacogenetics Implementation Consortium，CPIC）指南建议正常代谢者使用正常剂量的6-MP或6-TG；中间代谢者使用6-MP时，建议减少30%～70%剂量，对于6-TG则减少30%～50%剂量；接受6-MP或6-TG治疗的弱代谢者应每周给药3次，剂量减少90%以避免药物毒性反应【5-6】。有临床证据显示，将6-MP的剂量减少10～15倍可成功治疗TPMT PMs患者而不产生严重毒性反应［5］。

2 NUDT15与硫嘌呤

TPMT基因分型解释了部分对硫嘌呤治疗反应的显著差异，但部分TPMT活性正常的患者仍然发生了毒性反应，这表明存在其他遗传因素影响了患者对硫代嘌呤代谢。主要基于亚洲人群的全基因组关联分析发现了NUDT15的错义突变Arg139Cys（rs116855232，或c.415C＞T）与硫嘌呤相关的骨髓抑制之间显著相关［7］。

NUDT15是nudix水解酶超家族的成员，它与参与8-氧代-2′-脱氧鸟苷-5'-三磷酸（8-oxo-dGTP）水解的nudix水解酶1（MTH1）同源。携带NUDT15基因Arg139Cys纯合风险等位基因的患者对巯嘌呤非常敏感，仅耐受标准剂量的8%，并且这种NUDT15变异可单独解释22%的巯基嘌呤耐受性差异。然而，NUDT15在硫嘌呤的代谢中起的具体作用尚不清楚。但据推测，NUDT15可构成一种嘌呤特异性核苷酸二磷酸酶，使硫嘌呤活性代谢物TGTP和TdGTP去磷酸化，从而防止它们掺入DNA并抑制硫嘌呤的细胞毒性作用。因此携带NUDT15突变等位基因患者的硫嘌呤代谢受到影响，体内具有更高浓度的活性代谢物，并且由于代谢物的积累而产生毒性反应。

目前NUDT15基因型在亚洲人群中格外受到关注［8］。基于千人基因组数据对NUDT15基因型的推断结果显示，预计有22.6%的东亚人NUDT15活性缺失，南亚人预计为13.6%，美洲原住民预计为12%～21%［9-10］。虽然仍进行更多前瞻性临床试验加以验证，但NUDT15具有很大的作用和临床意义，特别是在TPMT功能缺陷等位基因频率较低的亚洲人群中。

3 UGT1A1与伊利替康

UGT1A1基因编码尿苷二磷酸葡糖醛酸基转移酶，其涉及葡糖醛酸化途径，其将包括胆红素（优选底物）和某些药物的小亲脂性分子转化为水溶性的可排泄代谢物。伊立替康是一种拓扑异构酶I抑制剂，广泛用于治疗转移性结直肠癌［11］，在儿童患者中主要用于治疗横纹肌肉瘤和尤文肉瘤。伊立替康是一种前药，需要通过羧酸酯酶1和羧酸酯酶2转化为活性代谢产物7-乙基-10-羟基-喜树碱（SN-38），以显示其活性［12］。SN-38抑制拓扑异构酶1复合物，导致DNA中不可修复的双链断裂，迫使细胞停滞在S期并最终导致细胞死亡。70%伊立替康的清除是通过UGT1A1的葡糖醛酸化途径将SN-38转化为无活性形式SN-38G，通过肠道排泄。活性代谢产物SN-38的暴露可导致产生伊立替康剂量限制性的毒性反应，主要包括中性粒细胞减少，骨髓抑制及腹泻。

接受伊立替康治疗的癌症患者可分为“低毒性”基因型—能够耐受显著更高的剂量，和“高毒性”基因型—更可能发生剂量限制性毒性。目前2种变异已经被大量研究证实可影响UGT1A1的表达。UGT1A1*28是启动子区域中的胸腺嘧啶-腺嘌呤重复，可降低UGT1A1基因表达。携带UGT1A1*28等位基因的患者的UGT1A1酶活性降低，导致活性成分SN-38的葡糖醛酸化解毒作用的减少，体内SN-38的稳态浓度增加高达50倍。如果给予伊立替康的标准剂量，UGT1A1*28患者4级白细胞减少症的风险会增加5到9倍［13］。最近的一项meta分析进一步证实了UGT1A1*28作为伊立替康诱发中性粒细胞减少和腹泻的高风险标志物的临床价值，尤其是在高加索人群中。另一个高频率的变异是UGT1A1*6（rs4148323），可通过基因表达调节UGT1A1活性。相较于欧洲人群或非洲裔美国人群，UGT1A1*6在东亚人群中更为常见，而UGT1A1*28的频率较低［14］。

对于UGT1A1*28风险等位基因纯合子患者，目前的PGx指南建议将伊立替康剂量减少30%［14］。并且FDA、荷兰皇家药剂师协会-药物遗传学工作组、GPCO-Unicancer、RNPGx监管机构也同样对UGT1A1*28弱代谢者发出了警告，建议使用较低剂量伊利替康，以避免不良反应。

然而，UGT1A1*28和UGT1A1*6并不能解释所有临床实践中毒性特征的个体差异，必须考虑单独或单倍型组合中UGT1A酶的其他功能相关变异，以进一步改善药物管理。研究最成功的白种人转移性结直肠癌患者的标志物是 UGT1A1*93（rs10929302），UGT1A1*60（rs4124874），UGT1A7*2（rs17868323），UGT1A7*4（rs11692021）和UGT1A9*22（rs45625337）［15］。组合单倍型分析的数据表明UGT1A多态性对个体葡萄糖醛酸化能力具有累积效应，并且这种协同效应也体现在单倍型中。组合方法的有效性也在日本转移性结直肠癌患者中得到证实，亚洲人群中最常见的其他变异，如UGT1A1*6和UGT1A1*27（rs35350960）和UGT1A7*12（rs7586110）被整合到单倍型中［16］。结合遗传标志物（即UGT1A基因型）和临床人口统计学特征（即性别，年龄）的可扩展算法开发也成为优化基于伊利替康的治疗方案有前景的策略之一［17］。已有研究发现或验证了其他功能相关的多态性，这些多态性可以整合到单倍型构建中，以显著改善毒性反应的预测和给药策略：位于UGT1A9的rs2741044，rs3806598和rs2741045；位于UGT1A6的rs6759892，rs2070959和rs1105879；以及位于UGT1 的 rs11563250［18］。

4 DPYD与氟尿嘧啶

以5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil，5-FU）为基础的化疗是结直肠癌的一线药物治疗方案，氟尿嘧啶类似物通过阻断脱氧尿苷一磷酸向脱氧胸苷一磷酸的转化来抑制肿瘤细胞分裂。虽然5-FU和体表面积的血浆清除率之间没有显著相关性，但5-FU的标准给药剂量是根据患者的体表面积进行计算的。然而在接受5-FU治疗的患者中，10%～30%发生了严重的治疗相关毒性，其中0.5%～1%患者发生致命的毒性反应，老年患者报告的治疗相关死亡率高达5%［11，19］。

对5-FU不耐受的最广为人知的原因是二氢嘧啶脱氢酶（dihydropyrimidine dehydrogenase，DPD）的缺乏。DPD是由基因DPYD编码，并且是5-FU分解代谢途径的关键限速酶，通常在肝脏中催化5-FU灭活为二氢氟尿嘧啶，并能使超过85%标准剂量的5-FU和卡培他滨失活。在39%～61%的发生5-FU严重毒性患者中检测到DPD缺乏症［20］，已经证明DPD缺乏至少部分与遗传多态性相关，并且导致约0.5%接受5-FU治疗的患者发生危及生命的早期毒性事件。DPD酶活性的个体差异很大，约0.2%～0.3%的人群DPD酶活性完全丧失，3%～5%的人群DPD酶活性部分丧失，限制了肝完全代谢氟尿嘧啶的能力，导致药物的半衰期延长和过量积累，从而引发毒性反应［21］。

迄今为止，已在DPYD编码序列中鉴定出超过120种SNP，并且大量临床研究试图解决它们与5-FU相关的严重毒性的关联。研究最完善的与5-FU相关毒性相关的有害DPYD变异是DPYD*2A（IVS14+1G＞A，c.1905+1G＞ A或rs3918290）和DPYD*13（I560S，c.1679T＞ G，或rs55886062）。剪接位点变异DPYD*2A位于外显子14的内含子边界，可引起剪接缺陷，导致整个外显子的跳跃并产生非功能性截短蛋白。该剪接变异与5-FU降解速率的降低显著相关［22］。另一个被广泛研究的变异DPYD*13（I560S，c.1679T＞G，或rs55886062）在一般人群中非常罕见，在白人群体中具有约0.2%的杂合性频率，但其与DPD活性降低及毒性反应发生率增加相关。同时临床研究也已不断证明变异D949V（c.2846A＞T或rs67376798）与接受5-FU治疗后的严重毒性之间存在关联，携带D949V变异的患者需要大幅降低卡培他滨剂量以避免毒性反应发生。Leeet al.还报道了单独接受FOLFOX或与西妥昔单抗联合治疗的患者中，D949V变异与3级及其以上严重不良事件之间具有显著相关性［23］；除此之外，Boigeet al.证实了D949V变异对使用或不使用西妥昔单抗的FOLFOX4治疗的患者具有显著影响［24］。DPYD-HapB3是一种更常见的变异，也有越来越多的临床证据表明，其对DPD功能和毒性风险的影响较小，但仍有显著影响。

基于以上4个DPYD变异在临床中的验证结果及其对DPD酶的功能影响，对每个双倍型组合进行基因活性评分，其中DPYD*2A和DPYD*13是最有害的变异，DPYD-2846和DPYD-HapB3则与DPD蛋白活性增加相关。在此基础上，临床药物基因组学实施联盟发布了基于DPYD基因型的5-FU剂量推荐，建议纯合子患者采用替代药物治疗，杂合子患者减少50%的起始剂量。目前这种策略已经被证明在常规临床实践中可降低严重毒性反应的风险，显示了其临床效用价值。

5 CYP2D6与他莫昔芬

尽管CYP2D6仅占肝中总CYP酶的2%～4%，但CYP2D6负责代谢约25%～30%的药物。作为研究最广泛的药物代谢酶之一，已经发现CYP2D6影响了许多常见药物的代谢，包括可待因，抗抑郁药，他汀类药物，抗血小板药物等。

他莫昔芬是一种选择性雌激素受体调节剂，广泛用于具有阳性雌激素受体的绝经前乳腺癌，是CYP3A，CYP12C9和CYP2D6的底物。CYP2D6产生一种他莫昔芬的活性代谢产物-内毒素，而CYP2D6的不同表型将对他莫昔芬的活性产生不同的影响。在NCCTG 89-30-52的研究中，据报道CYP2D6的弱代谢表型与乳腺癌复发的高风险相关，因为弱代谢患者中产生的活性代谢物较少。同样，在Schroth et al的研究中，与其他具有野生型等位基因的患者相比，具有2个CYP2D6无效等位基因或CYP2D6活性降低的患者总体预后较差［25］。此外，同一项研究还报道，CYP2D6酶活性降低的个体乳腺癌复发风险增加了1倍［25］。虽然有几项研究将CYP2D6酶活性与乳腺癌患者预后相关，但目前还没有足够的数据来证明CYP2D6的常规检测成本，以便将其纳入患者的临床决策中。

6 TPMT与顺铂

铂类化疗是肺癌、卵巢癌、睾丸癌等多种肿瘤的一线化疗方案，铂类药物通过3种不同的途径作为DNA损伤剂：烷基化DNA，交联鸟嘌呤或诱导核苷酸错配，通过干扰复制和转录发挥其细胞毒性作用。铂类药物的不良反应主要包括血液毒性、肾毒性、神经毒性、耳毒性和胃肠道毒性。其中儿童患者的耳毒性因为其可损害言语和正常发育而特别令人担忧。儿童肝脏肿瘤研究组（SIOPEL-4）进行的一项临床试验中，50%接受顺铂治疗的高风险肝母细胞瘤患儿出现了中度或重度耳毒性［26］。基于成神经管细胞瘤，骨肉瘤和神经母细胞瘤患儿的研究发现，60%接受顺铂治疗的患儿存在永久性听力损伤［27］。

早期的药物遗传学研究表明，顺铂治疗引起的听力损失与TPMT功能等位基因缺失有关。因此，美国食品药物管理局曾在顺铂的药物标签中声明了一项特别预防措施，具有等位基因TPMT*3B和TPMT*3C（*3A是*3B和*3C的单倍型）的个体具有较高的听力损失风险［28］。尽管在早期研究中TPMT和顺铂之间具有强有力证据支持，但由于缺乏重复验证，PharmGKB将其定性为3级证据的药物-基因对，而后FDA也从顺铂药物标签中删除了TPMT相关的预防措施，但FDA建议进行频繁的听力测试。目前仍需要在更大样本量的顺铂化疗患者中进行进一步的验证，为建立临床指南提供证据支持。

7 结 语

癌症治疗的最大挑战是最大限度地提高治疗的疗效和特异性，并尽量减少与治疗方案相关的毒性和耐药性。基于已经取得的大量研究成果，药物基因组学生物标志物在预测癌症治疗的安全性，毒性和疗效方面显示出其重要作用。尽管已经在细胞毒类化疗药物方面进行了大量的药物基因组学研究，但仍需要更多研究来确定最相关和用于临床实践的变异。预计NGS和基因分型技术以及高通量生物信息学数据分析将缩短挖掘基因-药物间相关性与临床应用之间所需的时间。

既往的药物基因组学研究往往受到了小样本量的限制，通过建立大型国际合作，可以实现更大的样本规模。同时基于全基因组水平的筛选方法也提供可信度更高的相关性筛选结果。同时也需要对基于前瞻性临床试验对变异-药物反应相互作用之间进行更系统的探索。随着更多生物标志物的识别，药物基因组学更有可能被纳入临床实践环节，为患者治疗与护理做出临床决策。