药物基因组学在心血管药物个体化治疗及新药开发中的应用

引言

心血管疾病严重威胁人类健康，其发病率也越来越高。大量循证医学的证据已表明，合理应用抗血小板、他汀类、β受体阻滞剂及血管紧张素转换酶抑制剂等药物能够明显降低患者不良心血管事件风险，改善患者预后。但不同心血管疾病患者对上述药物治疗存在明显的个体差异。个体差异由多种原因造成，其中遗传因素是引起个体差异最主要的原因，主要体现在药物代谢酶、受体、转运蛋白及作用靶点的基因多态性上，与药物疗效、不良反应的个体间差异关系密切。药物基因组学以功能基因组学和分子药理学为基础，通过研究药物代谢酶基因、药物受体基因、药物转运蛋白基因多态性与药效学、药动学、药物安全性之间的关系，阐明基因多态性对不同个体药物反应的影响，旨在为新药研发、临床试验、注册上市、个体化药物治疗提供科学依据。针对不同基因多态性个体，药物基因组学有助于建立具有个体化差异的临床用药方案，通过选择适当的药物剂型及用药剂量，使患者不仅能获得药物的最佳疗效，还能避免药物的不良反应，真正达到合理用药的目的。本文对基因多态性与心血管疾病发生发展及心血管常用药物的关系进行了综述，并阐述了药物基因组学在个体化用药和新药开发中的应用，为指导临床个体化用药、减少药物不良反应以及为新药开发提供参考。

基因多态性与心血管疾病的关系

多种遗传因素和环境因素及其两者间的相互作用共同参与了心血管疾病的发生发展。脂质代谢紊乱是心血管疾病的重要危险因素。近年来研究发现，载脂蛋白 E（ApoE）基因具有遗传多态性，由3种等位基因E2、E3和E4产生6种基因型：E2/2、E3/3、E4/4、E2/3、E2/4 和E3/4，编码三种异构体ApoE2（E2/2 和 E2/3）、ApoE3（E3/3和 E2/4） 和 ApoE4（E3/4和E4/4）。由于等位基因碱基序列的差异会导致氨基酸排列顺序及蛋白质构象的改变，从而使得三种异构体与低密度脂蛋白受体的亲和力不同，最终导致不同表型ApoE在脂质代谢及心血管疾病中发挥不同的作用[1]。已有研究表明，ApoE基因多态性与血脂异常、动脉粥样硬化、心肌梗死、高血压、心力衰竭等心血管疾病的发生发展关系密切。B类Ⅰ型清道夫受体作为高密度脂蛋白受体，其基因的遗传突变会造成选择性摄取胆固醇能力降低及高密度脂蛋白升高，进而可能增加动脉粥样硬化甚至冠心病的发病风险[2]。肾素-血管紧张素-醛固酮系统在血压调节与维持体液平衡中起着重要的作用，已有研究报道，血管紧张素转化酶 基 因 rs4340、rs1799752、rs13447447、rs4646994、rs4762和rs5051 位点的基因多态性与酶活性密切相关，可能与原发性高血压易感性相关[3]；血管紧张素原基因 rs699、rs7079和rs943580位点的基因多态性与原发性高血压负向调节有关[4]；肾素基因rs12721226 位点以及血管紧张素Ⅱ受体1基因rs2275651和rs5182 位点的基因多态性与原发性高血压的发生密切相关[5]；CYP11B2基因rs1799998 位点的基因多态性可能与冠心病的发生发展相关[6]。通过基因多态性研究，不仅可用于预测心血管疾病的发病风险，从而识别高危患者，还可以在临床上针对高危基因型选择个体化防治方案，从而更好地防治心血管疾病。

基因多态性与心血管常用药物的关系

1.基因多态性与氯吡格雷的关系

联合使用氯吡格雷和阿司匹林双重抗血小板是目前临床上治疗急性冠脉综合征和冠状动脉介入手术（PCI）术后血栓再形成的重要措施之一。氯吡格雷为前药，在体内先转化为二氧基氯吡格雷，再转化成活性代谢产物，其中CYP2C19、C Y P 3 A 4、C Y P 2 B 6 、CYP1A2、CYP2B9、 对 氧 磷酶1（PON1）和羧酸酯酶1（CES1）等代谢酶可能参与其活性转化。有研究报道，使用氯吡格雷后出现主要心血管不良事件与CYP2C19等位基因的功能 缺 失 有 关。CYP2C19＊1携带者酶功能正常，为快代谢型；CYP2C19＊2、3、4、5、6、7、8携带者酶功能缺失，为慢代谢型；而CYP2C19＊17携带者酶功能增强，为超快代谢型，出血风险增加，需要时刻观察是否出现出血事件[7]。PON1 GG纯合基因型携带者氯吡格雷活性代谢产物较多，抑制血小板活性程度高，几乎不存在氯吡格雷抵抗的风险；PON1 AG杂合基因型携带者，氯吡格雷活性代谢产物中等，抑制血小板活性程度中等，存在部分氯吡格雷抵抗的风险；而PON1 AA纯合基因型携带者，氯吡格雷活性代谢产物较少，抑制血小板活性程度低，存在氯吡格雷抵抗的风险[8]。CES1的突变会导致酶功能缺失，酶活性降低，氯吡格雷水解成无活性代谢物作用降低，导致氯吡格雷活性代谢产物增加，使氯吡格雷的抗血小板作用增强[9]。此外，氯吡格雷的转运体多药耐药基因1（ABCB1）的基因多态性与冠心病患者用氯吡格雷治疗时的出血风险相关[10]，而氯吡格雷的作用靶点血小板ADP受体（P2Y12）的基因多态性与不良心血管事件风险发生率相关[11]。除了CYP2C19、PON1、ABCB1和P2Y12的基因多态性作用得到明确证实外，其余代谢酶对氯吡格雷的效应是否有影响尚缺乏明确的理论依据。

2.基因多态性与阿司匹林的关系

阿司匹林是临床最常用的抗血小板药物，用于预防和治疗心血管疾病。阿司匹林通过抑制环氧化酶COX-1和COX-2发挥作用，编码COX-1的前列腺素内过氧化物合酶PTGS1的基因多态性与阿司匹林抵抗有关。研究发现，PTGS1 GG携带者的阿司匹林抵抗风险和主要不良心血管事件发生率较高，AG基因型携带者阿司匹林抵抗风险中等，而AA基因型携带者几乎无阿司匹林抵抗，主要不良心血管事件发生率较低[12]。糖蛋白（GP）IIIa是血小板纤维蛋白原受体GPIIb /GP IIIa的亚基，是阿司匹林作用的靶点，GP IIIa的基因多态性与阿司匹林耐药风险以及早期支架内血栓形成有关[13]。血小板内皮细胞凝集素受体1（PEAR1）是一种血小板跨膜蛋白，在血小板聚集过程中起重要作用。研究表明，PEAR1 GG基因型携带者对阿司匹林抗血小板作用的应答效果好，而携带AA或AG基因型的PCI患者心肌梗死的风险显著增加[14]。

3.基因多态性与华法林的关系

华法林是香豆素类口服抗凝血药，在需进行长期抗凝治疗的患者中有非常重要的作用，临床上常作为一线药物用于心血管疾病的治疗。但在临床上使用华法林时发现药物效应和不良反应的个体差异很大。科学家们研究了华法林的临床效应与基因多态性之间的相关性。结果发现，华法林的剂量个体差异与维生素 K环氧化物还原酶复合体 1（VKORC1）、CYP2C9、CYP4F2以及CYP2C rs12777823的基因多态性存在相关性。VKORC1作为华法林作用靶点，其基因启动子区的-1639G ＞ A是影响华法林剂量个体差异的主要因素，表现为-1639GG和AG基因型启动子活性高，导致VKORC 活性增加，从而使凝血因子生成增多，相比较-1639AA基因型患者所需华法林剂量增多[15]。临床使用的华法林通常是S-华法林和R-华法林的外消旋混合物，其中S-华法林提供了70%的抗凝活性，而S-华法林主要由 CYP2C9酶代谢。研究表明，CYP2C9＊2和CYP2C9＊3会导致 CYP2C9酶活性降低，进而使S-华法林代谢率降低，从而降低华法林平均日剂量，且相比CYP2C9＊1，携带有 CYP2C9＊2 或 CYP2C9＊3的患者更容易发生出血不良反应[16]。CYP4F2是维生素K的单氧酶，可将华法林氧化为ω-羟基衍生物。研究发现，CYP4F2＊3突变会导致 CYP4F2 酶活性降低，维生素K代谢减少、浓度升高，从而导致法华林抗凝作用下降[17]。此外，有研究发现，位于CYP2C18附近的CYP2C rs12777823使华法林清除发生了改变，进而影响了华法林剂量。

4.基因多态性与β受体阻滞剂的关系

β受体阻滞剂常用于治疗高血压、冠心病和心力衰竭等心血管疾病，包括阿替洛尔、美托洛尔和盐酸索他洛尔等。β受体阻滞剂能选择性地与β肾上腺素受体结合，从而拮抗神经递质和儿茶酚胺对β受体激动作用。β受体阻滞剂的作用靶点β1肾上腺素受体（ADRB1）和β2肾上腺素受体（ADRB2）的基因多态性与药物效应有密切关系。研究报道，ADRB1 CC基因型携带者对β受体阻滞剂的舒张压和收缩压降压效果最好，CG和GC基因型携带者降压效果依次降低[18]。ADRB2 Gln27Glu基因多态性与心衰患者的β受体阻滞剂作用效果显著相关，且与冠心病的众多危险因素如血压、血脂和血糖相关，进而在一定程度上影响了冠心病患者的药物疗效[19]。此外，CYP2D6作为β受体阻滞剂的主要代谢酶，也存在基因多态性。其中 CYP2D6＊1 和 CYP2D6＊2为快代谢基因型，CYP2D6＊3、CYP2D6＊4 和 CYP2D6＊5 为慢代谢基因型，而CYP2D6＊9、CYP2D6＊10 和 CYP2D6＊41 为中间代谢基因型。CYP2D6慢代谢基因型携带者β受体阻滞剂的清除时间延长，导致血药浓度增加，发生毒副作用的风险显著增加[20]。

药物代谢酶、转运体、药物作用受体基因多态性的不同导致了药物治疗效果和毒副反应的个体差异。因此，研究各种基因突变与药效及安全性的关系有助于开发新药、指导临床合理用药。

药物基因组学在心血管药物个体化治疗中的作用

1.药物基因组学在氯吡格雷个体化治疗中的作用

阿司匹林或氯吡格雷抑制血小板聚集的作用存在很大的个体差异，抑制血小板程度不足则导致主要不良心血管事件风险增加，而过度抑制则又使出血风险增加。因此，在使用阿司匹林或氯吡格雷进行治疗时，应考虑患者相关基因型，避免不良反应的发生。2010年3月， FDA发布了氯吡格雷抵抗的黑框警示，提示使用氯吡格雷后出现主要心血管不良事件与CYP2C19等位基因的功能缺失有关。美国心脏病学会基金会和美国心脏协会针对黑框警示提出了以下建议：基因检测结果为慢代谢型的患者，建议考虑其他抗血小板药物，如普拉格雷和替格瑞洛，或者增加氯吡格雷的使用剂量，但将明显增加主要心血管不良事件的发生率；或者在氯吡格雷与阿司匹林联合使用的基础上再使用第三种药物，如西洛他唑、ω-脂肪酸、双嘧达莫，对于后两种，建议应注意监测血小板功能。在根据基因型指导的个体化用药中应综合考虑引起心血管事件风险增高的各种因素，以取得最佳的药物治疗效果。

2.药物基因组学在华法林个体化治疗中的作用

目前已经报道了四十多种华法林药物基因组学给药算法，其中国际华法林药物基因组学联合会建议的算法最为准确。国际华法林药物基因组学联合会建议，根据临床数据、CYP2C9、VKORC1、CYP4F2 和 CYP2C rs12777823基因变异与华法林剂量间的相关性，根据药物遗传学算法计算华法林剂量，能获得更好的临床效果[21]。此外，美国心脏病协会最近将华法林药物遗传学检测指南从不推荐升级到可考虑。而在我国，已将华法林药物基因组学检测纳入到医保项目，此举有助于临床检测基因型的推广，有助于华法林个体化治疗的实现，能极大地提高华法林治疗的安全性。

3.药物基因组学在美托洛尔个体化治疗中的作用

美国 FDA 批准的美托洛尔药物说明书指出，CYP2D6慢代谢或中间代谢基因型患者在使用CYP2D6抑制剂进行治疗时，会成倍增加美托洛尔的血浆浓度，从而降低美托洛尔对心脏β1受体的选择性。荷兰药物遗传学工作组提出了基于CYP2D6 基因型的美托洛尔给药方案建议，即CYP2D6 慢代谢基因型患者，如果需要逐步降低心率或出现症状性心动过缓，建议不超过标准剂量25%条件下以较小的剂量逐渐增加；对于中间代谢型患者，在不超过标准剂量的50%条件下以较小的剂量逐渐增加；对于超快代谢型患者，使用美托洛尔的最大剂量，如果通过调整剂量仍然达不到理想的疗效，则换用比索洛尔、卡维地洛或阿替洛尔等其他药物进行治疗[22]。但目前FDA未提出使用β受体阻滞剂前需要进行基因型检测。

目前，临床药物基因组学实施联盟、加拿大药物基因组学药品安全网组织、荷兰皇家药学药物基因组学工作组促进协会已经在PharmGKB网站发布了关于华法林、氯吡格雷、他汀类药物、美托洛尔等心血管药物的基因型给药剂量指南。在指南的指导下，医生可根据患者基因型检测结果给出更为合适的用药剂量。药物基因组学的发展开启了个体化药物治疗的新模式，通过测定患者已知的药物代谢酶、转运体、受体基因及其活性，就可以根据基因型制定相对应的临床给药方案，从而提高药物疗效、避免药物的毒副作用。

药物基因组学在新药开发中的应用

药物临床前研究和临床试验是新药开发过程中的两个瓶颈阶段。基因多态性与疾病的发生发展密切相关，因此可以从基因的角度去分析疾病的发病机制, 并从基因的角度寻找潜在的药物靶点,药物基因组学的发展促进了这种基于基因组的新药研发工作，通过研究药物与基因组相互作用的关系，从而在基因水平上实现高通量的新药筛选工作。而在临床试验阶段，对于药物治疗的反应，个体患者相对于人群的平均值来说存在一定的差异，而药物基因组学揭示了导致这种差异的真正原因。因此，在临床开发中充分考虑试验药物在不同基因多态性个体中的差异，可以极大地节约研究成本，缩短新药研发周期，提高新药研发成功率。

Ⅰ期临床试验可以获得多个剂量下人体对于新药的耐受程度和药代动力学特征，但由于临床前试验存在种属差异，Ⅰ期临床试验中的血药浓度-时间曲线数据以及受试者人数存在局限性且受试者中极可能存在代谢酶、转运体的基因突变个体，从而导致药代动力学特征的改变。研究发现，影响β受体阻滞剂药动学的主要代谢酶CYP2D6基因多态性在中国人和欧美人中存在较大差异， CYP2D6＊10在中国人中突变频率高达70%，而 CYP2D6＊3、＊4 和 ＊5 突 变频率小于3%；而在欧美人中，CYP2D6＊3、＊4、＊5 和 ＊6 是 主要的突变基因型[23]。可见，基因突变可能存在种族差异，因此，Ⅰ期临床试验应充分考虑药物代谢酶、转运体、受体基因变异对药物体内代谢和作用过程的影响，及早发现可能存在影响的基因多态性。

在已知药物代谢酶、转运体、受体的基因多态性基础上，对Ⅱ、Ⅲ期临床试验受试者进行不同基因型分层分析，以及在试验中调整剂量，可以提升平均药效，避免药物不良反应。2001年西立伐他汀因引发31例严重横纹肌溶解事件而被撤市，但后续研究发现药物转运体SLCO1B1 521T＞C基因多态性是引发其严重不良反应的原因[24]。因此，受试者中剔除SLCO1B1基因突变个体，或对接受他汀类药物治疗的患者进行基因型分层，可大大降低肌毒性风险。可见，通过评价基因多态性与药物毒性和治疗效应的关系，不仅有望实施以基因多态性为基础的个体化药物治疗，还可以节省临床研发成本。

此外，药物基因组学为新药研究开辟了新的领域。一方面，利用基因型对临床试验对象进行筛选，可以使一些原认为无效或因毒副反应大而被淘汰的药物重新用于临床；另一方面，对已上市但因毒副作用而较少使用的药物，通过药物基因组学筛选出对此药无毒副作用的基因型患者，可增加临床使用安全性，避免毒副反应。

展望

药物基因组学在指导心血管疾病药物治疗和新药开发方面具有重要的应用前景，可指导临床用药选择、调整给药剂量，提高药物疗效的同时避免药物的毒副反应，同时为新药开发开辟了新的领域，为新药临床试验提供科学依据。但目前药物基因组学的应用尚未广泛开展，原因可能有以下几点：①药物个体间的差异并非是单个基因的多态性导致的，未来研究应该关注多个基因对药物的药动学和药效学的共同作用。②有关药物基因组学的新药注册、临床使用指南及法规尚未出台。③虽然2015年卫计委医政医管局颁布了《药物代谢酶和药物作用靶点基因检测技术指南（试行）》，但由于成本昂贵，使得目前高通量的药物基因检测仪器和技术难以大规模在临床推广应用。④我国尚未将任何药物基因检测纳入到医保范围。⑤虽然证实部分基因与药物效应存在相关性，但基因多态性与药物效应的关联性尚需进一步研究，仍需通过大规模的临床证据进一步佐证。⑥即使已证明了基因多态性与药物效应有关联性，但如何根据患者基因型调整给药方案仍然需要更加充分的证据。基于目前的状况，药物基因组学的开展应侧重于治疗重大疾病、治疗窗窄且价格相对高昂的药物，以相对明确的基因多态性位点作为切入点，以指导临床合理用药为目的，深入研究基因多态性对药物的药效学和药动学的影响。随着基因检测技术的发展、国家“精准医学计划”的不断推进，相信药物基因组学在临床应用和新药开发中将会有更为广阔的前景。未来，根据药物基因组学，评估基因多态性对药物疗效的影响，不仅有望实现药物个体化治疗，还能极大提高新药研发成功率。