IMUNOGENETIKA II kmen A TRANSPLANTAČNÍ PRAVIDLA - - F1 kmen B e x F2 y y kmen A 3 4 y TRANSPLANTAČNÍ PRAVIDLA - F1 e x F2 - - - y kmen B 3 4 Transplantace orgánů, které neobsahují lymfoidní tkáň Imunitní reakce je namířena pouze proti transplantátu - reakce příjemce Závisí na genotypu dárce a příjemce - v lidské populaci vysoký polymorfismus transplantačních antigenů Imunologicky potentní příjemce transplantátu reaguje proti antigenům, které nejsou přítomny v jeho organismu Vhodný dárce a příjemce, imunosupresiva Transplantace orgánů, které neobsahují lymfoidní tkáň Ledviny, srdce, pankreas, játra.. Transplantace kostní dřeně - lymfoidní tkáň Při transplantaci lymfoidní tkáně může nastat oboustranná imunitní reakce proti transplantačním antigenům Reaguje jak příjemce, tak transplantát (např. buňky kostní dřeně) Reakce proti hostiteli GvHR (graft versus host reaction) 1
Reakce proti transplantátu Transplantace kůže, ledvin a dalších orgánů, které neobsahují lymfoidní buňky schopné imunologicky reagovat novororenec Přihojení transplantátu - - - odhojení přihojení příjemce GvHR nenastane příjemce GvhR ba - příjemce příjemce ba - ba - - příjemce příjemce - příjemce příjemce 2
Výběr vhodného dárce (příbuzného) pro transplantaci ledviny chlapci (synovi / bratrovi) A 2 B 5 A 9 B 40 A 2 A 9 B 5 B 40 A 3 A 11 B 5 B 8 A 2 A 3 B 5 A 2 A 11 B 5 B 8 A 9 A 11 B 8 B 40 A 2 B 5 A 11 B 8 A 11 B 8 A 3 B 5 A 2 B 5 A 9 B 40 A 3 B 5 A 11 B 8 Existence asociace chorob s určitými antigeny HLA lokusu Alela kódovaná genem HLA lokusu není příčinou onemocnění Pacienti s chorobami jako např. psoriasis vulgaris, insulin dependentní dietes (DM I), ankylující spondylitida (M. Bechtěrev) mají vyšší četnost výskytu určité alely HLA lokusu než je její četnost v populaci Vhodný dárce: sestra s fenotypem A 2 A 3 B 5 nebo otec A 3 A 11 B 5 B 8 Morbus Bechtěrev ankylující spondylitida (degenerativní onemocnění páteře, kloubů) Asociace s alelou HLA-B 27 Frekvence alely B 27 pacienti 90% zdraví jedinci 9,4% Vysvětlení asociace: podobnost antigenu klebsiel s antigenem B27 nedostatečná odezva imunitního systému na infekci patogenem Dietes mellitus 1. typu (Insulindependentní dietes) nástup v dětství nebo mladém věku pacienti nedožívají vysokého věku Autoimunitní onemocnění progredující destrukce B-buněk produkujících inzulin porucha syntézy inzulinu - rychle se rozvíjející nedostatek insulinu Asociace s alelou HLA-DR 4 /DR 3 Frekvence alely DR 4 /DR 3 : pacienti 91% zdraví jedinci 57,3% Hypotéza: změna antigenní výbavy následná reakce imunitního systému Psoriáza - lupenka Kožní choroba neznámé etiologie Postihuje hlavně lokty, kolena, vlasatou část hlavy Asociace s alelou HLA-Cw 6 Frekvence alely Cw 6 : pacienti 87% zdraví jedinci 33,1% Léčba pomocí cíleného podávání léků - nedílná součást léčebných postupů u celé řady onemocnění Rozdíly v odpovědi léčených stejná dávka u zhruba srovnatelných jedinců (pohlaví, věk, hmotnost, diagnóza) vede k celé škále účinků různá míra zamýšleného léčebného efektu (např. snížení krevního tlaku); projevy nežádoucích účinků; v extrémním případě i život ohrožující účinek Nežádoucí účinky farmakoterapie vážný klinický problém např. nedávno zveřejněná studie: v USA dojde k 100 000 úmrtí ročně kvůli nežádoucím účinkům léků 3
Reakce organismu na farmakologickou léčbu je komplexní záležitost Za značnou část individuální variility v reakci na léčivo jsou zodpovědné genetické faktory Studiem vztahu mezi genetickou informací jedince a účinku farmak se zývá farmakogenetika Farmakogenetika sleduje vliv jednotlivých genetických variant na účinek podané látky léku Příklady farmakogentické interakce: Hemolytická anémie po podání primachinu u disponovaných osob spolu se zvýšenou citlivostí na myorelaxans sukcinylcholin GR mutace v genu kódujícím glukózo-6-fosfátdehydrogenázu (četnost 1: 2000) Rychlá a pomalá acetylace isoniazidu (mutace genu N- acetyltransferasy 2) Isoniazid (INH) je jedním ze základních léků tuberkulózy; velmi dobře se vstřebává ze zažívacího traktu Sledování hladin INH v krvi pacienty je možné rozdělit na rychlé a pomalé inaktivátory INH Rychlí inaktivátoři hladina INH v krvi klesá rychle Pomalí inaktivátoři koncentrace INH zůstává vysoká po delší dobu Rodové studie pomalí inaktivátoři (asi 50 % populace) jsou homozygoti pro recesivní alelu jaterního enzymu N-acetyltransferasy (NAT2) s nižší aktivitou enzymu; při léčbě INH vedlejší příznaky (nervové potíže nebo kožní vyrážky) častěji než u rychlých inaktivátorů INH při stejné dávce Rychlost inaktivace léčebný efekt neovlivňuje Dříve většina farmakogenetických pozorování sledování rozdílů např. v koncentraci léčiva v krvi nebo odpad jejích metolitů močí Při mendelovské dědičnosti defekt v molekule příslušného transportéru, metolizujícího enzymu nebo některého z faktorů podílejících se na sorpci, distribuci, interakci s cílovou strukturou a nakonec odbourání a exkreci tím dochází k přílišné nebo nedostatečné koncentraci farmaka v organismu Nyní sledování: např. polymorfismus v genu pro N-acetyltransferasu 2 (NAT2), dále polymorfismy v genech pro cytochrom P450 2D6 (CYP2D6) nebo thiopurin-s-methyltransferasu (TPMT) Thiopurin-S-methyltransferasa podíl na metolismu thiopurinů: např. azathioprinu (imunosupresivum u příjemců transplantátů a při léčbě akutní lymfoblastické leukémie) k dispozici je komerčně vyráběný genetický test varování před vážnými nežádoucími účinky v případě podání azatioprinu pacientům s genotypem determinujícím nízkou aktivitu TPMT je obsaženo v příbalovém letáku V současné době je genetický test podmínkou podání a dávkování již 14 léků. Komplikovanější situace zasahuje-li genetický polymorfismus do farmakodynamických procesů nebo je závislý na interakci několika genů Potom i při adekvátní koncentraci léčiva závisí jeho účinek na faktorech, jako je např. stupeň exprese cílového genu (kódujícího např. receptor) v dané tkáni Exprese genu může být nižší nebo vyšší u různých geoetnických skupin nebo záviset na fázi vývoje organismu (novorozenci, děti, adolescenti, dospělí) Takové polymorfismy mohou např.ovlivňovat antidepresivum paroxetin (ze skupiny selektivních inhibitorů zpětného vychytávání serotoninu - SSRI) vyvolává u pacientů mladších 18 let sebepoškozující až suicidální jednání na rozdíl od pacientů dospělých, kde k těmto reakcím nedochází Na úrovni genomu mapování tzv. SNP (single nucleotide polymorphisms - jednonukleotidových variací sekvence DNA) Z celkového odhadovaného počtu 11-15 milionů genetických polymorfismů u člověka přes 90 % tvoří SNP SNP se sdružují do bloků haplotypů zpravidla se dědí společně Chromosomy jsou složeny především z krátkých segmentů, které v krátké evoluční historii člověka prodělaly minimální počet rekombinací proto tyto segmenty je možné u většiny populace charakterizovat jen několika haplotypy Pro takové oblasti (např. SNP) s vysokou vazbou a nízkou diverzitou haplotypů (haplotypové bloky) stačí identifikovat jen několik markerů Stanovení rizikových haplotypů pro konkrétní lék či lékovou skupinu není nutné znát celou konstelaci SNP u daného jedince pro predikci a případnou prevenci nežádoucích farmakogenetických a nutrigenetických interakcí Již dnes je pomocí tzv. SNP čipů možné hodnotit u zkoumaného vzorku několik set tisíc polymorfismů zároveň První systém Amplichip ve střední Evropě byl instalován roku 2005 v Ústavu klinické biochemie a loratorní diagnostiky 1. LF UK a VFN DNA (příp. RNA) čipy umožňují současné testování až desítek tisíc genů v jediném vzorku Na ploše čipu (cca 1,5 x 1,5 cm) jsou umístěny krátké úseky jednořetězcové DNA o známé sekvenci nukleotidů (oligonukleotidové próby); podle komplementarity basí se na ně specificky váže fluorescenčně značená DNA z analyzovaného vzorku po laserové detekci hybridizace DNA vzorku s próbou automatické vyhodnocení analytickým softwarem AmpliChip CYP450 test je zaměřen na geny kódující (a) cytochrom P450 (CYP) 2D6 a (b) gen CYP2C19, které jsou zásadní pro metolismus až 25 % všech podávaných léčiv Patnáct tisíc prób umístěných na čipu umožňuje rozlišit 29 různých polymorfismů, duplikací a delecí genu CYP2D6, dva polymorfismy genu CYP2C19 predikce typu metolismu léčiv od pomalého po ultra-rychlý. 4
CYTOCHROM P-450 Cytochrom P-450 (CYP enzymy / zarvené proteiny - pigment 450 nm) velká a různorodá rodina hemoproteinů Cytochromy P-450 využívají exogenní i endogenní sloučeniny jako substráty při enzymatických reakcích Účastní se přenosu elektronů během enzymatických reakcí CYP enzymy člověka primárně lokalizované membráně vnitřní membrána mitochondrií nebo endoplasmatického retikula Metolizují tisíce endogenních a exogenních sloučenin Cytochromy P450 přítomny ve většině tkání podílí se např. na syntéze a metolismu hormonů (např. estrogen, testosteron), cholesterolu, vitaminu D Jaterní cytochromy jsou nejvíce prostudovány metolismus léků a toxických sloučenin, produkty metolismu jako je bilirubin (vzniká rozpadem hemoglobinu) Projekt analýzy lidského genomu identifikoval - 57 genů CYP- 450 kódujících variilní enzymy; jsou soustředěny do 18ti rodin tvořících 43 subrodin. Do této genetické skupiny (superodiny) náleží též 59 pseudogenů CYTOCHROM P-450 CYP1 léky a steroidní hormony CYP2 - léky a steroidní hormony (CYP2D6), CYP2C19metolismus xenobiotik- např. skupina látek zahrnujících inhibitory protonové pumpy a antiepileptika CYP3 - léky a steroidní hormony (včetně testosteronu) CYP4 metolismus mastných kyselin, kyseliny arachidonové CYP5 - tromboxan-a2-syntáza CYP7 biosyntéza žluči, 7-alfa-hydroxyláza steroidů CYP8-2 geny: CYP8A1 (prostacyklin syntáza), CYP8B1 (biosyntéza žluči) CYP11 biosyntéza steroidů CYP17 - biosyntéza steroidů CYP19 - biosyntéza steroidů: např. aromatázy CYP20 neznámá funkce CYP21 - biosyntéza steroidů CYP24 degradace vitaminu D CYP26 hydroxyláza retinové kyseliny CYP27 CYP27A1 (biosyntéza žluči), CYP27B1 (vitamin D3 1-alfahydroxyláza, ativuje vitamin D3) CYP39 7- -alfa-hydroxylace 24-hydroxycholesterolu CYP46 cholesterol-24-hydroxyláza CYP51 biosyntéza cholesterolu Cytochromy P450 jednotlivé cytochromy se podílejí na metolismu xenobiotik různou měrou asi 50% látek, jejichž metolismus je znám, přeměňuje CYP 3A4 30% 10% 4% 2% 2% 50% 3A4 2D6 2C9 1A2 2A6 2C19 Transmembránové pumpy P-glykoprotein Role v adsopci, distribuci a eliminaci řady léčiv Obranný mechanismus před vstupem xenobiotik do organismu Nadměrná exprese genu vede mnočetné lékové resistenci (MDR fenomén) ATP (adenosintrifosfát)-vázající membránové transportéry (ABC transportéry) Aktivní přenos substrátů membránou Podíl na mnohočetné lékové resistenci NUTRIGENOMIKA Nutrigenomika chemické látky obsažené v běžné potravě ovlivňují rovnováhu mezi zdravím a nemocí po interakci s genomem jedince Základních předpoklady: Látky obsažené v potravě působí přímo či nepřímo na lidský genom a mění tak jeho strukturu či genovou expresi Za určitých okolností může být dieta u některých jedinců významným rizikovým faktorem vzniku řady chorob Některé z cílových genů pro látky obsažených v potravě hrají pravděpodobně roli v nástupu, incidenci, průběhu a závažnosti některých chronických chorob Stravovací návyky mohou ovlivnit rovnováhu mezi stavem zdraví a nemoci závislost na konkrétní genetické výbavě jednotlivce Nutriční intervence založená na znalosti jak konkrétního nutričního stavu a potřeb, tak genotypu (individualizovaná výživa) může být užita k prevenci, zmírnění nebo léčení chronických nemocí NUTRIGENOMIKA Příkladem nutrigenetické interakce je perzistující tolerance laktózy v dospělém věku U mláďat savců (i člověka) je funkční laktáza zásadním enzymem pro štěpení laktózy přítomné v mléce na monosacharidy glukózu a galaktózu Exprese laktázy v enterocytech tenkého střeva podléhá přísné kontrole v průběhu vývoje je utlumená v průběhu fetálního období, zvyšuje se okolo porodu a opět klesá po odstavu Většina dospělých přirozeně laktózu netoleruje - na konzumaci většího množství mléka (které obsahuje 4-8 % laktózy) reaguje bolestmi břicha, případně průjmem neštěpená laktóza způsobí osmotický transport vody do lumen tenkého střeva a je fermentována bakteriemi střevní mikroflóry Kulturní adaptací na intoleranci laktózy představují kysané mléčné výrobky s nižším obsahem laktózy a někdy i přítomnosti bakterií secernujících laktázu (Lactobacillus acidophilus) zažívací potíže u intolerantních osob nezpůsobují 5
NUTRIGENOMIKA Statická interakce V evropské populaci dospělých perzistence laktázy bodová mutace v promotoru genu kódujícího laktázu přibližně před 9000 lety v severoevropské populaci způsobila přetrvávající expresi genu a zránila tak přirozenému vyhasínání funkce laktázy v dospělosti Dynamická interakce Může docházet k rozdílné odpovědi na změnu dietního režimu dle genetické výbavy jedince Při sledování mužské kohorty v období 1988-1996 došlo k výrazné změně složení stravy ale pouze u nositelů alely CC-204 genu cholesterol-7alfa-hydroxylázy (CYP-7A1) došlo k redukci hladin cholesterolu, nositelé alely AA-204 na změnu diety nereagovali NUTRIGENOMIKA Mezigenové interakce (genetické pozadí) modulace výsledného fenotypu Perspektiva: individualizovaná výživa Konečný cíl nutriční genomiky by bylo možné shrnout jako dosažení optimálního dietního režimu pro konkrétního jedince tak, y byly respektovány nejen kvantitativní a kvalitativní potřeby výživy a aktuální zdravotní stav, ale i genetické dispozice, s cílem zránit vzniku řady onemocnění, případně přispět k jejich efektivnější terapii 6