С давних времен врачи обращали внимание на существенные различия в оказываемых одним и тем же лекарственным препаратом эффектах при назначении его разным больным в одинаковых дозах. По мере развития фармакологии стало известно, что данное явление может быть обусловлено как особенностями всасывания, распределения, накопления, метаболизма и элиминации препарата (фармакокинетические различия), так и индивидуальной восприимчивостью к препарату (фармакодинамические различия). В последнем случае могут иметься особенности взаимодействия препарата с его «мишенью» или условий, в которых это взаимодействие происходит [1, 2].
Предположение, что различия в эффектах, наблюдаемые при приеме одинаковых доз лекарственных препаратов разными больными, имеют наследственное происхождение, высказано в начале XX века. В дальнейшем, по мере развития генетики, данное предположение было подтверждено. Описаны варианты полиморфизма и мутации генов, кодирующих белки, которые участвуют в фармакокинетических и фармакодинамических процессах.
В свою очередь эти процессы могут быть факторами, определяющими восприимчивость к тому или иному лекарственному препарату и вероятность развития побочных эффектов на фоне лечения.
Мутациями называют редко встречающиеся изменения ДНК, приводящие к развитию заболеваний, генетическим полиморфизмом — достаточно часто обнаруживаемые изменения ДНК (>1% в популяции), которые сами не приводят к возникновению заболеваний. В большинстве случаев отмечают полиморфизм одиночных нуклеотидов. По предварительным оценкам, геном человека содержит около 3 млн вариантов полиморфизма одиночных нуклеотидов. Существенно реже встречается полиморфизм динуклеотидов, их последовательностей или протяженных участков спирали ДНК. В случае локализации полиморфизма в кодирующем фрагменте гена (экзоне) возможно изменение аминокислотной последовательности кодируемого этим геном белка. Если полиморфизм локализован в некодирующем фрагменте (интроне), он не влияет на структуру белка, однако может изменять экспрессию гена [2].
Дальнейшее развитие фармакологии и генетики привело к созданию в конце XX века направления фармакогеномики, которое изучает влияние сочетаний различных генов в геноме человека на оказываемые препаратом эффекты.
Медикаментозное лечение нарушений ритма сердца во многом стало основой для разработки фундаментальных принципов фармакокинетики, фармакодинамики и фармакогенетики, применяемых в дальнейшем и во всех остальных направлениях фармакологии. Восприимчивость пациентов к антиаритмическим препаратам (ААП) существенно различается. Кроме того, большинство ААП действуют сразу на несколько «мишеней» (блокируют ионные каналы различных типов) и обладают относительно «узким» окном терапевтического действия — различия между концентрациями, в которых препараты оказывает свои основные эффекты и токсическое действие, невелики. В ряде случаев фармакогенетические причины могут обусловливать побочные эффекты препарата и его проаритмическое действие [1].
Фармакокинетические причины индивидуальной восприимчивости к ААП
Фармакокинетические особенности связаны с накоплением препарата в различных концентрациях в месте оказания им своего эффекта.
Наследственные особенности фармакокинетических параметров с большей вероятностью будут обусловливать вариабельность оказываемых препаратом терапевтических и токсических эффектов в следующих ситуациях.
- «Узкое» терапевтическое окно — относительно небольшая разница между дозами и концентрациями препарата, в которых он оказывает лечебные и токсические эффекты.
- Элиминация препарата из организма осуществляется только одним путем.
Соталол и дофетилид — лекарственные препараты с «узким» терапевтическим окном. Риск развития пируэтной тахикардии (torsade de pointes, TdP) при их применении возрастает по мере увеличения дозы. Кроме того, оба препарата выводятся преимущественно почками, и в целях снижения риска развития пируэтной тахикардии при почечной недостаточности их следует назначать в наименьших дозах.
ААП I класса флекаинид обладает относительно «узким» терапевтическим окном, и риск возникновения токсических эффектов также напрямую зависит от применяемой дозы препарата. Однако выведение препарата осуществляется как почками, так и печенью, поэтому нарушение функции одного из органов в большинстве случаев не изменяет метаболизм препарата. Тем не менее описаны редкие случаи токсичности флекаинида вследствие замедления его выведения у больных с почечной недостаточностью [3].
Фармакокинетические особенности могут быть связаны с генетически обусловленными различиями в активности ферментов, осуществляющих метаболизм препарата, и белков-переносчиков, осуществляющих транспорт молекул лекарственного средства через биологические мембраны.
Ферменты, осуществляющие метаболизм препарата. Метаболизм лекарственных препаратов включает две последовательные фазы. Ферменты, катализирующие химические реакции I фазы, например CYP2D6, осуществляют окисление молекулы препарата, что повышает ее химическую активность и ускоряет дальнейшие процессы метаболизма. II фаза биотрансформации включает реакции конъюгации (глюкуронирование, сульфатирование, метилирование, ацетилирование), приводящие к увеличению растворимости молекулы в воде и облегчению последующей элиминации.
Белки семейства цитохромов. Белки данного семейства катализируют химические реакции I фазы биотрансформации большинства препаратов, их активность играет важнейшую роль в определении скорости элиминации. Известно множество вариантов полиморфизма генов, кодирующих белки семейства цитохромов, клиническая значимость которых различна. В большинстве случаев активность ферментов изменяется незначительно, однако в некоторых случаях оказывается существенно сниженной, что потенциально может приводить к замедлению выведения препарата и потенцированию токсических эффектов.
Значение белков системы цитохромов особенно важно при назначении комбинированного медикаментозного лечения. Различные лекарственные препараты могут подвергаться биотрансформации под действием одного и того же цитохрома, что может приводить к усилению терапевтических эффектов и токсического действия препаратов при их сочетанном назначении. Некоторые препараты могут повышать экспрессию генов цитохромов (так называемые индукторы цитохромов), что приводит к ускорению выведения инактивируемых этими цитохромами лекарств и снижению их эффективности [1].
Важнейшими белками семейства цитохромов являются ферменты CYP2D6, CYP2C9 и CYP3A4/5.
CYP2D6 осуществляет инактивацию пропафенона. По некоторым данным, от 5 до 10% европейской и афроамериканской популяций являются носителями полиморфизма гена CYP2D6, при котором этот фермент полностью утрачивает активность [4]. В этом случае биотрансформация и выведение пропафенона существенно замедлены, что приводит к увеличению концентрации препарата в плазме крови до уровня, при котором проявляется его β-адреноблокирующая активность, в том числе появление бронхоспазмов у предрасположенных к ним больных [5].
β-Адреноблокаторы метопролол и тимолол также инактивируются при участии CYP2D6, следовательно, выведение этих препаратов у носителей данного полиморфизма существенно снижено [1].
CYP2D6 осуществляет биотрансформацию ряда некардиотропных лекарственных препаратов, например трициклических антидепрессантов и кодеина. Поскольку хинидин и пропафенон ингибируют активность CYP2D6, необходимо соблюдать осторожность при их сочетанном назначении с кодеином и трициклическими антидепрессантами [1].
CYP2C9 осуществляет подавление активного s-энантиомера варфарина. Описаны варианты генетического полиморфизма, приводящие как к значительному снижению активности фермента (что может быть причиной геморрагических осложнений у этих пациентов даже при приеме очень малых доз препарата), так и повышающие его активность (что обусловливает резистентность к варфарину) [6]. Поскольку амиодарон является ингибитором CYP2C9, необходим особо тщательный контроль международного нормализованного отношения при его одновременном назначении с варфарином [1].
CYP3A4/5. Эти цитохромы — схожие по своей молекулярной структуре белки. Они наиболее активно экспрессируются гепатоцитами, где осуществляют биотрансформацию большинства лекарственных веществ, в том числе ААП — хинидина, дизопирамида, пропафенона и дофетилида. Мутации и варианты полиморфизма, приводящие к полному отсутствию активности CYP3A4/5, не описаны, однако активность этих ферментов вариабельна [7]. Различные лекарственные препараты существенно изменяют активность CYP3A4/5. Сильными ингибиторами ферментов являются азольные противогрибковые препараты (кетоконазол), антибиотики-макролиды (эритромицин), ингибиторы ВИЧ-протеазы (ритонавир), амиодарон, дилтиазем, верапамил и грейпфрутовый сок (в больших количествах). Индукторами CYP3A4/5 являются антибиотик рифампицин и антиконвульсант фенитоин [8].
Ферменты II фазы биотрансформации. В отличие от ферментов фазы I биотрансформации, лишь некоторые варианты генетического полиморфизма ферментов фазы II биотрансформации оказывают влияние на инактивацию лекарственных препаратов. Наиболее изучен фермент N-ацетилтрансфераза, осуществляющий ацетилирование и, соответственно, инактивацию прокаинамида [9]. Данные о структуре фермента кодируют гены NAT1 и NAT2. Все люди являются носителями NAT1 и NAT2, однако варианты генетического полиморфизма, приводящие к отсутствию активности фермента, описаны исключительно в гене NAT2 [10]. Таким образом, пациенты могут ацетилировать прокаинамид быстро или медленно (поскольку экспрессия обоих генов происходит одновременно, невозможно полное отсутствие активности фермента). У пациентов с медленным ацетилированием при систематическом приеме препарата значительно чаще развивается волчаночноподобный синдром — одно из наиболее тяжелых осложнений длительного применения прокаинамида [11].
Белки-переносчики. Транспорт лекарственного препарата через биологические мембраны играет важнейшую роль в его всасывании, распределении и элиминации. Гликопротеин P — наиболее хорошо изученный многосубстратный трансмембранный переносчик. Структуру белковой части гликопротеина P кодирует ген MDR1 (multiple drug resistance). Этот гликопротеин определяет устойчивость злокачественных опухолей к цитостатическим препаратам. Гликопротеин P выполняет функции насоса, «откачивающего» свои субстраты из цитоплазмы в межклеточное вещество. Помимо раковых клеток, молекулы гликопротеина P обнаруживают во многих здоровых органах и тканях. В частности, гликопротеин P в большом количестве представлен на мембранах кишечного эпителия, где он препятствует всасыванию различных токсинов, а также на мембранах эпителия почечных канальцев и гепатоцитов, где он осуществляет экскрецию различных метаболитов и ксенобиотиков в мочу и желчь [12].
Следует отметить, что не все, но большинство лекарственных препаратов, переносимых гликопротеином P, подвергаются биотрансформации под действием CYP3A4/5 [1].
С точки зрения клинической фармакологии гликопротеин P важен тем, что осуществляет транспорт сердечных гликозидов, оказывая существенное влияние на концентрацию дигоксина в плазме крови [13, 14]. Многие лекарственные препараты ингибируют гликопротеин P, что может способствовать повышению концентрации дигоксина и возникновению его токсических эффектов. Отмечено подавление активности гликопротеина P под действием амиодарона, хинидина, верапамила, итраконазола, циклоспорина и эритромицина [15, 16].
Фармакодинамические причины индивидуальной восприимчивости к ААП. Фармакодинамические особенности определяют индивидуальные различия в терапевтическом эффекте препарата при накоплении его в идентичных концентрациях в месте оказания им своего действия.
Существуют два основных механизма, определяющих фармакодинамическую вариабельность.
Первый механизм обусловлен различием (в том числе генетически детерминированным) молекулярных «мишеней», на которые лекарственный препарат оказывает воздействие. Например, в ряде небольших исследований у большинства пациентов, у которых под действием антибиотиков-макролидов развились устойчивые пароксизмы TdP, обнаружены мутации в генах потенциалзависимых калиевых каналов, кодирующих основную (KCNH2) и добавочную (KCNE2) субъединицы [17]. Описаны аритмогенные эффекты блокаторов натриевых каналов, а также возникновение опасных для жизни нарушений проводимости в случае назначения этих препаратов носителям мутаций в гене α-субъединицы натриевых каналов (SCN5A), не имевшими до этого никаких клинических проявлений синдрома Бругада [18].
Второй механизм представлен вариабельностью биологического окружения, в котором происходит взаимодействие препарата с его «мишенью», что может быть обусловлено генетической предрасположенностью (как правило, взаимодействием ряда генов), действием внешних факторов или сочетанием обоих воздействий. Данный механизм может быть иллюстрирован на примере концепции «резерва реполяризации». Продолжительность фазы реполяризации потенциала действия и, соответственно, длительность интервала QT на электрокардиограмме (ЭКГ) определяют различные ионные токи, в том числе выходящие токи K+ — очень быстрый (IKur), быстрый (IKr) и медленный (IKs). В ряде случаев врожденное снижение силы тока IKs не приводит к значимому удлинению интервала QT на ЭКГ и не сопровождается риском развития TdP, однако резерв реполяризации у таких больных существенно снижен. Вот почему применение препаратов, блокирующих каналы hERG (и снижающих силу тока IKr), может приводить к резкому удлинению интервала QT на ЭКГ и провокации TdP [19].
Фармакодинамические особенности могут определять различия не только в антиаритмическом действии, но и в экстракардиальных эффектах препаратов. Ген KCNMB1 кодирует структуру добавочной субъединицы активируемых кальцием калиевых каналов. Эти каналы отсутствуют в клетках проводящей системы сердца и сократительного миокарда, но в большом количестве представлены на мембранах гладких мышечных клеток кровеносных сосудов, где осуществляют регуляцию их тонуса. Верапамил блокирует кальциевые каналы в клетках различных органов и тканей, в том числе в гладких мышечных клетках кровеносных сосудов, оказывая существенное влияние на внутриклеточную концентрацию Ca2+. На основании анализа результатов исследования INVEST-GENES [20] установлено, что у пациентов с полиморфизмом гена KCNMB1 гипотензивный эффект верапамила выражен по-разному. У носителей полиморфизмов Glu65Lys и Val110Leu при применении препарата отмечено более быстрое снижение среднего уровня артериального давления. У большего количества таких пациентов целевые уровни артериального давления достигнуты при монотерапии верапамилом [21].
Фармакогенетические причины проаритмического действия лекарственных препаратов. Большой прогресс в исследовании врожденных форм угрожающих жизни нарушений ритма сердца, прежде всего, синдрома удлиненного интервала QT и синдрома Бругада, обусловленных мутациями генов, которые кодируют ионные каналы, не только пролил свет на многие важнейшие фармакогенетические аспекты антиаритмической терапии, но и привел к тому, что четкие границы между наследственными аритмиями и фармакогенетикой ААП перестали существовать [1].
Проаритмическое действие является крайним вариантом индивидуальной восприимчивости, при котором прием ААП приводит к возникновению новых форм опасных для жизни аритмий. Исследование предрасполагающих факторов и патогенетических механизмов проаритмического действия способствовало лучшему пониманию процессов, приводящих к возникновению аритмии, формулированию критериев отбора больных для оценки возможности безопасного назначения препаратов, оптимизации дальнейшего мониторирования состояния пациентов и поиска новых ААП. В зависимости от того, каков основной механизм действия препарата, вызвавшего данное явление, проаритмическое действие может быть обусловлено блокадой натриевых и калиевых каналов или быть проявлением токсичности сердечных гликозидов. Гены, полиморфизм и мутации которых могут обусловить фармакодинамические механизмы проаритмического действия препаратов, представлены в таблице [1].
Токсичность сердечных гликозидов. Основным механизмом, обусловливающим индивидуальную восприимчивость к дигоксину и его токсичность, являются фармакокинетические особенности. Существенные различия в экспрессии гена MDR1 способствуют накоплению препарата в различных концентрациях, однако до сих пор не описано ни одной мутации или варианта полиморфизма данного гена, связанных с более высоким риском интоксикации сердечными гликозидами [6].
Поскольку действие препаратов реализуется посредством ингибирования Na+/K+-АТФазы и последующим увеличением внутриклеточной концентрации Ca2+, обусловливать индивидуальную восприимчивость к сердечным гликозидам потенциально могут полиморфизм и мутации генов как этого фермента, так и других белков, участвующих в поддержании концентрации ионов Ca2+ на постоянном уровне. Соответственно при некоторых врожденных нарушениях ритма сердца, например, при катехоламинзависимой желудочковой тахикардии, обусловленной мутациями в генах RYR2 или CASQ2 [22], и связанной с анкирином-2 форме врожденного синдрома удлиненного интервала QT [23], риск токсического действия сердечных гликозидов повышен (см. таблицу).
Проаритмическое действие блокаторов калиевых каналов. Несмотря на известные факторы риска чрезмерного замедления реполяризации, удлинения интервала QT и возникновения TdP, а также разработку концепции «резерва реполяризации», оценка индивидуального риска развития TdP в настоящее время далека от совершенства. Вариации генов ионных каналов (см. таблицу) — один из факторов риска возникновения TdP [19, 24]. Некоторые из них по сути являются субклиническими формами врожденного синдрома удлиненного интервала QT, проявляющимися под влиянием препаратов, которые замедляют реполяризацию [1]. Количество случаев TdP, обусловленных данным механизмом, неизвестно. По некоторым данным, мутации, вызывающие врожденный синдром удлиненного интервала QT, в популяции встречаются с частотой не более 1:3000 [25]. Поскольку проаритмическое действие при применении блокаторов калиевых каналов отмечают в среднем в 1—5% случаев, очевидно, что субклинические мутации не являются основной причиной возникновения TdP [1].
Полиморфизм генов, кодирующих субъединицы ионных каналов, также может предрасполагать к возникновению TdP (см. таблицу). Полиморфизм S1102Y гена натриевых каналов SCN5A, выявленный в популяции афроамериканцев, значительно чаще встречается у пациентов, имевших индукцию TdP под действием ААП [26]. Представляет интерес, что такой же полиморфизм обнаружен у детей европейской популяции с врожденным синдромом удлиненного интервала QT. В ряде других исследований отмечена связь проаритмического действия с полиморфизмом генов добавочных β-субъединиц калиевых каналов KCNE1 (приводящим к синтезу аминокислотной последовательности ASP85ASN) [24, 27] и KCNE2 (приводящим к синтезу аминокислотной последовательности THR8ALA и GLN9GLU) [17, 24, 28].
Проаритмическое действие блокаторов натриевых каналов. Существует несколько механизмов проаритмического действия блокаторов натриевых каналов, к которым может быть отнесено замедление циркуляции трепетания предсердий и потенцирования проведения на желудочки 1:1, развитие непрерывно рецидивирующей медленной желудочковой тахикардии у пациентов с органическим поражением сердца и повышение риска внезапной смерти у больных, перенесших инфаркт миокарда, а также у пациентов, у которых при применении лекарственных препаратов данного класса возникли проявления синдрома Бругада на ЭКГ [29].
Последний из описанных механизмов аналогичен индукции TdP под действием блокаторов калиевых каналов у пациентов с субклиническим врожденным синдромом удлиненного интервала QT. Известны варианты полиморфизма и мутации в гене натриевых каналов (SCN5A), при которых в физиологических условиях у пациентов отсутствуют клинико-инструментальные проявления синдрома Бругада ввиду достаточного количества функционально активных натриевых каналов или действия иных компенсаторных факторов (см. таблицу) [29, 30]. В такой ситуации генетические нарушения приводят к тому, что применение блокаторов натриевых каналов способствует фенотипическому проявлению синдрома Бругада [31].
Фармакогенетика и фармакогеномика: дальнейшие перспективы. Следствием дальнейшей разработки основных концепций фармакогенетики стало создание фармакогеномики — направления, изучающего влияние сочетаний различных генов в геноме человека на оказываемые препаратом эффекты. Действие препарата зависит не только от его концентрации и состояния «мишени», но и от биологического окружения, в котором происходит их взаимодействие. Свойства этого биологического окружения зависят от множества как внешних, так и внутренних факторов, в том числе большого количества экспрессируемых генов [32, 33]. Отрасль фармакогеномики является достаточно молодой. Первое упоминание термина «фармакогеномика» в базе данных PubMed датировано 1997 г. [34].
Несмотря на важность фармакогенетики и фармакогеномики, внедрение полученных результатов в клиническую практику и дальнейшее развитие данных отраслей происходит медленно. Прежде всего это связано с необходимостью проведения крупных многоцентровых проспективных исследований и отсутствием заинтересованности фармацевтических компаний в финансировании данных исследований [1, 28].
Крупные популяционные исследования, необходимые для подтверждения гипотезы о том, что индивидуальная восприимчивость к ААП (включая проаритмическое действие, ее крайнее проявление) имеет генетическую предрасположенность, в настоящее время по-прежнему находятся на этапах планирования и инициирования. В ходе этих исследований должна быть проведена идентификация мутаций и вариантов полиморфизма как в кодирующих (экзонах), так и в некодирующих (интронах) фрагментах генов. Необходимо, чтобы исследования включили большое число пациентов с хорошо документированными эффектами изучаемых лекарственных препаратов и должным образом обработанным генетическим материалом. Для достижения поставленных задач могут потребоваться разработка и внедрение новых высокопродуктивных методов типирования большого количества сепарированных участков ДНК и методик статистического анализа очень больших баз данных. Проведение таких исследований обусловливает необходимость тесного сотрудничества кардиологов, фармакологов, генетиков, эпидемиологов и специалистов смежных специальностей [1, 18, 21].
Проведение проспективных исследований и создание развернутых баз данных генетического материала может существенно облегчить индивидуальный подбор антиаритмической терапии, что потенциально позволит избежать как неэффективного назначения лекарственных препаратов, так и побочных эффектов лечения. Дальнейшее развитие фармакогенетики и фармакогеномики будет способствовать не только пониманию механизмов, посредством которых различные гены и их сочетания изменяют оказываемый лекарственным препаратом эффект, но также расширит наши знания о патогенезе заболеваний, что может привести к открытию новых «лекарственных препаратов [1].
