Pharmacogenetic studies on effectiveness and toxicity of various drugs have been performed widely for the personalized medication based on individual genetic information. In the present work, the genetic backgrounds for diverse responses of two drugs in treatments of osteoarthritis (OA) and systemic lupus erythematosus (SLE) were studied.
In the first pharmacogenetic approach, genotype-phenotype associations between functional polymorphisms in $\It{CYP2D6}$ and $\It{OPRM1}$ and nausea/vomiting risk of tramadol treatment were examined. A major pathway of tramadol metabolism is demethylation to $\It{O}$-desmethyltramadol by cytochrome P450 enzyme 2D6 (CYP2D6), and $\It{O}$-desmethyltramadol has an orders-of-magnitude higher affinity for the $\mu$-opioid receptor (OPRM1) than tramadol and other metabolites. Among Ultracet？ (a tablet of 37.5-mg tramadol/325-mg acetaminophen) treated 250 unrelated Korean patients with knee osteoarthritis, 54 patients having suffered from nausea and/or vomiting were compared in this study with 106 having not suffered any AE. Of 160 subjects genotyped, 154 (96.3%) were assigned $\It{CYP2D6}$alleles and were classified into two groups, extensive metabolizers (EM) and intermediate metabolizers (IM). IM subjects had 3.4-fold lower odds of nausea/vomiting than EM subjects ($\It{p}$= 0.0051). Because plasma concentration of $\It{O}$-desmethyltramadol is correlated with CYP2D6 activity level, the risk of nausea/vomiting could be attributed to $\It{O}$-desmethyltramadol. The minor-allele homozygote G/G of $\It{OPRM1}$ A118G polymorphism (rs1799971) had 6.3-fold lower odds than the major-allele homozygote A/A ($\It{p}$= 0.024). Because the A-to-G substitution substantially reduces OPRM1 mRNA and protein levels in human brain, high risk of nausea/vomiting is presumably associated with high levels of $\mu$-opioid receptor. These results suggest that $\It{O}$-desmethyltramadol binding to $\mu$-opioid receptor on the chemoreceptor trigger zone is responsible for inducing emetic response in tramadol therapy.
In the second pharmacogenetic approach, investigation of the genetic variants that are associated with the efficacy and toxicity of cyclophosphamide (CP) therapy in SLE patients was performed. CP, an oxazophosphorin, DNA alkylating agent, is incorporated in the treatment of most pediatric and adult malignancies including autoimmune disorders like SLE and was one of the first nonhormonal agents to show anti-tumor activity in human. CP is metabolized by CYP, glutathione S-transferase (GTS) and aldehyde dehydrogenase (ALDH) enzymes. DNA repair enzymes and drug transporters can influence the action of CP. Polymorphisms of these enzymes and transporters may affect the pharmacokinetics and pharmacodynamics of CP and thereby its toxicity and efficacy. To evaluate these effects, 73 variants in 18 genes were genotyped. A cohort of 156 Korean SLE patients with lupus nephritis received a lower dose (0.5 g/$m^2$) of monthly intravenous (IV) CP and 104 patients’ DNA was collected from their blood. Adverse events had occurred in 64 patients (61.5%) and 76 (73.1%) patients had shown renal remission or response. This study demonstrated that SLE patients with lupus nephritis carrying the TT genotype in $\It{ABCC4}$ intronic polymorphism (rs1729764, C>T) had 7.2-fold increased efficacy of drug (95% CI = 1.2 ? 41.9, $\It{p}$ = 0.029). $\It{ABCC4}$ gene encodes MRP4 (multidrug resistance-associated protein 4) drug transporter, but the relationship between the associated polymorphism and CP efficacy needs to be confirmed. Patients with $\It{CYP3A5}$*3 allele had an increased risk of toxicity compared with carriers of $\It{CYP3A5}$*1/*1 or $\It{CYP3A5}$*1/*3. (OR = 3.8, 95% CI = 1.0 ? 13.7, $\It{p}$= 0.042). Because individuals with the CYP3A5 expressor genotypes ($\It{CYP3A5}$*1/*1 and *1/*3) metabolize some CYP3A substrates like CP more rapidly than the CYP3A5 non-expressors ($\It{CYP3A5}$*3/*3), the lower renal expression of CYP3A5 causes higher levels of toxic metabolites and is associated with the higher risk of various adverse events.
Conclusively, diverse responses of the two drugs, tramadol in treatment of OA and CP in treatment of lupus nephritis, were associated with genetic polymorphisms. In case of tramadol study, this is the first report of pharmacogenetic prediction of tramadol toxicity with $\It{CYP2D6}$ and $\It{ORPM1}$ gene polymorphisms. Although our findings need to be confirmed in larger populations to be used as prognostic markers before drug prescription, high-activity genotypes of $\It{CYP2D6}$and a high-expression genotype of $\It{OPRM1}$ appear to confer high risk of nausea/vomiting in tramadol therapy. In case of CP study, this is the first report that pharmacogenetic study of CP for drug efficacy and toxicity are analyzed in the same cohort. Because production of both active and toxic metabolites shares the same metabolizing pathway, the difference in genetic association results between efficacy and toxicity needs to be confirmed. These findings highlight that response to therapy and risk of toxicity in CP treatment likely depends on complex interactions among multiple genetic factors.
약물유전체학 연구는 다양한 약물에 대한 효능 및 독성 반응의 원인을 유전적 정보와 연관시키는 학문이다. 근본적으로 접근, 다양한 약물-유전자 연관 정보를 누적하면 차후 개인 맞춤형 치료약의 실행을 촉진할 수 있다. 본 연구에서는 골 관절염의 진통 조절제로 사용되는 트라마돌 (시판명-울트라셋)의 부작용과의 유전적 연관성과 전신성 홍반성 루푸스 환자 중 낭창성 신염의 치료를 위해 투약한 사이클로포스파마이드의 약물 반응성 및 부작용과의 유전적 연관성을 탐색한다.
첫 번째 연구에서는 다양한 약물 분해에 관여하는 것으로 알려진 CYP2D6 효소의 유전자형 활성과 $\It{OPRM1}$ 유전자 내의 아미노산 변화를 유발하는 단일 염기 다형성 변이 A118G 모두 트라마돌에 의한 구토 부작용 위험성과 연관이 있음을 밝혔다. 대사체 M1의 형성에 관여하는 효소를 발현하는 유전자 $\It{CYP2D6}$와, M1이 주로 작용하는 수용체를 발현하는 유전자가 $\It{OPRM1}$를 실험 대상으로 선정하여 트라마돌 약제를 투약한 한국인 골 관절염 환자 중 빈번하게 발생하는 메스꺼움 및 구토 부작용이 나타난 54명과 아무 부작용도 나타나지 않은 환자 106명의 유전변이를 확인하였다. 이후 연관분석을 통해 감소 활성을 보이는 $\It{CYP2D6}$ IM의 경우, 구토 부작용의 위험도가 정상 활성을 보이는 EM에 비하여 약 3.4배 감소하고, G변이의 경우 유전자 발현 정도가 감소한다고 알려져 있는 $\It{OPRM1}$ A118G 변이에서도 두 개의 G변이를 지닌 경우 A변이 두 개를 지닌 경우 보다 6.3배의 구토 위험도가 감소함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 적은 수준의 뮤-오피오이드 수용체의 발현과 및 적은 양의 M1 대사체는 구토 유발 위험도를 감소시킴을 추측할 수 있게 하고, 차후 검증을 통해 실질적인 투약 전 확인 인자의 발굴을 제안한다.
두 번째 약물유전학 연구에서는 낭창성 신염 증상을 보이는 한국인 전신성 홍반성 낭창 환자를 대상으로 사이클로포스파마이드 약물 투약 후 추적한 약물 반응성 및 독성과 유전적 연관성을 탐색하였다. 사이클로포스파마이드의 약동력학 경로의 효소 및 단백질을 발현하는 유전자들 내의 유전변이를 탐색한 결과, 약물 반응성과 높은 연관성을 보이는 유전변이는 약물 전달체 발현 $\It{ABCC4}$유전자 내에 존재하였다. 부작용의 경우 약물 대사에 관여하는 효소 $\It{CYP3A5}$ 유전자 내의 비활성 유전변이가 연관 되어 있음을 밝혔다. 활성 대사체와 독성 산물이 동시에 생산되는 본 약물의 대사 특징 상, 약물 반응성 및 부작용 연관 유전변이가 동일 할 것으로 예상하였으나, 실험 대상 환자 수의 적음으로 인한 통계적 한계를 극복하지 못한 것으로 생각된다.
결과적으로 골 관절염 및 낭창성 신염과 같은 류마티스 질환의 약물 반응성 및 독성과 유전적 변이를 발굴하였고, 본 연구의 결과는 미래의 개인 별 약물 처방의 근거로 사용 될 것으로 기대된다.
