单核苷酸多态性与哮喘个体化治疗

朱予津，高维，胡红

目前认为哮喘是一种异质性疾病，患者的基因表达、发病机制、临床特征及治疗反应等方面存在差异性和多样性[1]。哮喘主要受遗传和环境因素的影响[2]，具有多种表型(phenotypes)。表型是指生物体基因与环境共同作用后被观察到的特征[3]。近年来随着基因、转录组学和分子生物学的发展，哮喘的表型不断细化[4]，进而指导个体化治疗[5]。个体化治疗即以每个患者的信息为基础决定治疗方针，从基因组成或表达变化的差异把握治疗效果或毒副作用等应答的个性，对每个患者进行最适宜药物疗法的治疗。有时表型依然无法解决患者对药物的反应差异问题，例如同样使用长效β2受体激动剂(long acting beta-agonists，LABA)控制哮喘，部分患者反应良好，也有患者反应较差，部分患者甚至发生了罕见、严重不良事件，引起了学者的研究兴趣[6]。有学者认为，对于药物治疗后肺功能改善的差异，高达80%的哮喘患者是由遗传变异引起的[7]。

单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)主要是指在DNA水平上由单个核苷酸碱基的变异而引起的基因序列多态性，在基因遗传学中占有重要地位。研究发现，SNP可以与患者哮喘的易感性和病情严重程度相关[8-11]。同时，SNP与药物疗效密切相关[12-13]。因此，有学者提出了药物-基因组学的概念，旨在发现药物作用及代谢通路上的关键分子，探索相关基因SNP与药物疗效的关系。这一领域的广泛研究将有助于揭示患者药物反应差异的遗传学特征，更好地指导个体化治疗[14]。

2020年全球哮喘防治创议(global initiative for asthma，GINA)指出，β2受体激动剂、吸入性糖皮质激素(inhaled corticoteroids，ICS)、白三烯受体调节剂及新的生物靶向制剂是哮喘治疗的基本药物，本文罗列了可能影响上述药物疗效的相关基因SNP(表1)，期望能够发现可能的生物标志物从而预测哮喘患者的治疗反应。

1 β2肾上腺素能受体激动剂

β2肾上腺素能受体激动剂(short acting beta-agonists，SABA)是控制哮喘发作的基本药物，它通过激活支气管平滑肌细胞上的β2肾上腺素受体发挥作用，进而松弛肌肉、扩张气道和改善气流受限[15]。根据药物起效及维持时间的长短分为短效β2肾上腺素能受体激动剂(short acting beta-agonists，SABA)和LABA。

1.1 SABA

代表药物有沙丁胺醇和特布他林，临床中它们被称为缓解药物 “根据需要”使用以缓解支气管痉挛。该类药物通过与下呼吸道中平滑肌细胞内膜的β2肾上腺素能受体(beta-2 adrenoceptors，ADRB2)结合而发挥支气管扩张的作用。针对该基因的药物-基因组学研究认为，ADRB2 SNP rs1042713(A>G)(16变体，Gly-to-Arg)与基因表达相关[16]，且多项研究证实该变异与SABA治疗后肺功能峰流速变化相关[13]，研究认为G较A基因型对于乙酰甲胆碱的刺激反应更差[17]。一项研究利用计算机辅助设计模拟了SNP rs1042713不同变异体与药物的结合程度，从而在机制上解释了不同变异体对于SABA药物反应的差异[18]。ADRB2一些罕见SNP也与SABA治疗反应相关[19]，例如，ADRB2 SNP rs1800888 (Ile164/Thr164)变异位于第四跨膜结构域，该变异可以减少该受体与Gs蛋白受体偶联从而降低对SABA的反应[20]。

精氨酸酶1 (arginase-1，ARG1)和精氨酸酶2(arginase-2，ARG2)可催化代谢出L-精氨酸并产生一氧化氮(nitric oxide，NO)，NO是一种内源性支气管扩张剂。研究发现ARG1 SNP rs2781659、rs2781667与患者使用SABA的疗效相关[21]，而ARG2基因SNP rs7140310，rs10483801与SABA及类固醇治疗反应有关[22]。 腺苷酸环化酶9(Adenylyl Cyclase 9，ADYC9)参与β2肾上腺素能受体通路，研究显示ADYC9 SNP rs2230739与SABA治疗后的支气管舒张程度相关[23]，另有研究证明该位点也与LABA治疗后的肺功能改善程度相关[24]。 cGMP依赖性蛋白激酶Ⅰ(protein kinase CGMP-Dependent 1，PRKG1)可以参与气道炎症及重塑，其SNP rs7903366，rs7070958、 rs7081864与SABA治疗后支气管舒张程度相关[25]。精子产生相关富含丝氨酸2样蛋白 (Spermatogenesis Associated Serine Rich 2 Like， SPATS2L)是一个β-肾上腺素能受体的调控基因，SPATS2L SNP rs295137与儿童使用SABA失败密切相关[26]，而一项来自非裔美国人群的研究认为精子产生相关13(spermatogenesis associated 13，SPATA13)基因的 SNP(rs9507294，rs912142， rs2248119， rs9551086， rs955322)与使用SABA后的支气管舒张程度相关[27]。有研究报道蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)、白介素15α受体(Interleukin 15 Receptor Subunit Alpha， IL15RA)、白介素12α受体(interleukin 12 receptor subunit alpha， IL12RA)等基因附近的SNP rs11252394与吸入SABA后的支气管舒张程度相关[28]。S-亚硝基谷胱甘肽还原酶(S-nitrosoglutathione reductase，GSNOR)是S-亚硝基硫醇的一种代谢酶，S-亚硝基硫醇是一种内源性支气管扩张剂，其在哮喘患者体内表达下降，GSNOR基因SNP与气道阻塞程度相关[29]。

表1 与哮喘药物治疗反应相关的基因变异(SNP)

1.2 LABA

代表药物有福莫特罗和沙美特罗，它们较SABA支气管扩张作用时间更长(LABA 8～12 hvsSABA 3～5 h)。临床中LABA可单独或组成复方制剂用于哮喘控制。该类药物同样通过与下呼吸道中平滑肌细胞内膜ADRB2结合而发挥扩张支气管的作用，因此很多关于LABA的药物-基因组学研究同样聚焦于ADRB2。尽管早期一项关于成人中度哮喘患者的ADRB2 SNP rs1042713(A>G，Arg16变异)的研究显示该变异与病情加重或肺功能改善无明显相关[17]，然而近期的研究发现，在小儿哮喘患者中该变异影响LABA的使用效果，拥有 Gly16纯合子的患者对支气管舒张剂反应较好，而拥有Arg16变异的儿童对LABA的反应性差，该SNP未来很有希望用于指导哮喘的治疗[30]。后来一项来自儿童的荟萃分析大样本的研究有力证实了上述结论，荟萃分析共纳入4226名患者，研究结论认为携带Arg16变异的患者接受LABA治疗的风险增加了52%[31]。

一氧化氮合成酶3(nitric oxide synthase 3，NOS3)基因通过一氧化氮途径参与气道炎症，NOS3 SNP rs1799983与ICS/LABA联合治疗的药效相关[32]。此外，研究报道溶质载体家族22亚型15(solute carrier family 22-15，SLC22A15)基因SNP rs1281748, rs1281743和与LABA使用后支气管舒张有关[23]。

2 糖皮质激素

糖皮质激素(corticosteroids,ICS)是哮喘治疗的基石，研究报道了一些基因的SNP可以用来评估ICS疗效。促肾上腺皮质素释放激素受体1 (corticotropin releasing hormone receptor 1，CRHR1)是生成皮质类固醇和儿茶酚胺的关键分子，CRHR1 SNP rs1876828，rs242941，rs242939与ICS治疗后肺功能改善程度相关[33]。 IgE受体(Fc fragment of IgE receptor II，FCER2)是B细胞活化和生长的关键基因[34]，其SNP rs28364072与基因表达水平、IgE水平和哮喘儿童使用ICS后急性加重程度相关[35]。一项来自于儿童哮喘的研究发现，糖皮质激素诱导转录蛋白1(glucocorticoid induced 1，GLCCI1)启动子区的SNP rs37972与ICS治疗后肺功能改善程度相关[36]，同时一项来自我国哮喘人群的研究显示，GLCCI1 SNP rs37973与激素使用后第一秒钟用力呼气容积(forced expiratory volume in one second，FEV1)变化率相关[37]。应激诱导磷酸化蛋白1(stress induced phosphoprotein 1，STIP1)作为可与糖皮质激素受体结合的伴侣蛋白，其SNP rs6591838、 rs1011219与糖皮质激素治疗反应相关，尤其与哮喘患者肺功能FEV1值改善程度相关[38]。T-Box转录因子21(T-box transcription factor 21， TBX21)是T-box转录因子家族成员，其 SNP rs2240017与儿童ICS治疗后的气道高反应性相关[39]，此外， TBX21 SNP rs9910408(A>G)与ICS治疗反应相关，拥有AA基因型的患者对激素反应更好[40]。白介素17α亚基(interleukin 17 subunit alpha， IL17A)是Th2/Th17通路中的重要基因，与嗜酸性粒细胞数量及FENO水平相关，其SNP rs17880588不同分型患者中Th2型炎症因子表达水平不同，对激素的治疗也反应不同[41]。

一项涵盖儿童及成人哮喘患者的研究显示，组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)SNP rs1741981可以预测糖皮质激素治疗的反应，且SNP rs1741981不同分型与哮喘严重程度相关[42]。 神经鞘脂类蛋白(ORMDL sphingolipid biosynthesis regulator 3，ORMDL3)与哮喘发病相关，一项儿童过敏性哮喘研究证实其SNP rs2872507与ICS治疗反应相关[43]。血管内皮细胞生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)SNP rs3025039(C>T)与ICS治疗反应密切相关，在一项儿童哮喘研究中证实携带T等位基因患者的FEV1变化小于C携带者，同时其SNP rs8076131可导致ORMDL3表达升高[44-45]。 半胱氨酸分泌蛋白2(cysteine rich secre-tory protein LCCL domain containing 2，CRISPLD2) SNP rs7189551与使用ICS后耐药相关[46]。核糖核酸酶家族2(ribonuc-lease A family member 2，RNASE2)参与编码嗜酸性粒细胞衍生的神经毒素，其SNP rs3827907可影响基因表达水平继而造成对激素治疗反应差异[47]。Bardet-Biedl 综合征 9(Bardet-Biedl syndrome 9，BBS9)是与肺发育相关的基因，其SNP rs2392165与使用布地奈德疗效相关[48]。此外，全基因组关联分析(genome-wide association study，GWAS)研究发现乙酰辅酶A硫酯酶4(Acyl-CoA thioesterase 4，ACOT4)、ALG8α-1,3-葡萄糖基转移酶(ALG8 Alpha-1,3-glucosyltransferase，ALG8)、溴和WD结构域蛋白(bromodomain and WD repeat domain containing 1，BRWD1)、烟酸磷酸核糖基转移酶1(nicotinate phosphoribosyltransferase 1，NAPRT1)、精子产生相关20(spermatogenesis associated 20，SPATA20)，碳酸酐酶10(carbonic anhydrase 10，CA10)，连环蛋白α3(catenin alpha 3，CTNNA3)、胞质蛋白激酶(protein kinase domain containing, cytoplas-mic，PKDCC)、血小板生长因子(Homo sapiens platelet derived growth factor D PDGFD)等基因SNP位点与糖皮质激素治疗反应相关(具体SNP见表1)[49-52]。

3 白三烯调节剂

白三烯类调节剂(leukotriene modifiers)具有抗炎作用且不良反应较小，被广泛用于哮喘的治疗。该药物包含两种类型：5-脂氧合酶抑制剂(齐留通)和半胱氨酸白三烯受体拮抗剂(孟鲁司特，扎鲁司特，普鲁司特)。 研究认为，不同人群对孟鲁司特钠的反应不同[53]，一些研究报导了相关基因SNP与该类药物治疗反应有关[54]。

ATP结合盒亚家族C成员1(ATP binding cassette subfamily C member 1，ABCC1)基因作为细胞膜上的抗药蛋白可编码线粒体37S核糖体蛋白MRP1(mitochondrial 37S ribosomal protein MRP1，MRP1)，它涉及运输白三烯C4(leukotriene C4，LTC4)，ABCC1 SNP rs119774可能影响孟鲁司特的治疗反应[55]。LTC4合成酶(leukotriene C4 syn-thase，LTC4S)编码花生四烯酸骨架的C-6位置形成谷胱甘肽复合物所需的酶， 研究认为LTC4S SNP rs730012与哮喘严重程度及扎鲁司特的反应有关[56-57]。其他与白三烯调节剂治疗反应有关的基因还包括白三烯A-4水解酶(leukotriene A-4 hydrolase，LTA4)[55]、花生四烯酸5-脂氧合酶(arachidonate 5-lipoxygenase，ALOX5)[58]、半胱氨酰白三烯受体2(cysteinyl leukotriene receptor 2，CYSLT2)[59]等，但其SNP与疗效的关系尚存在争议。此外，如阴离子转运蛋白家族成员2B1(solute carrier organic anion transporter family member 2B1，SLCO2B1)SNP rs12422149[60-61]、糖基转移酶1结构域1(glycosyltransferase 1 domain containing 1，GLT1D1)SNP rs517020[62]和MLLT3延长复合物亚基(MLLT3 super elongation complex subunit，MLLT3)SNP rs6475448[63]也可能影响孟鲁司特的药代动力学。

4 药物-基因组学与生物靶向制剂

药物-基因组学可以用于新药的研究[64]。目前，针对Th2型炎症通路有很多已明确的生物标志物，如白介素4(interleukin 4， IL4)，白介素4受体α亚基(interleukin 4 receptor subunit alpha，IL4RA)，白介素5(interleukin 5，IL5)和白介素13(interleukin 13，IL13)[65]。而针对Th17和Th1型炎症通路的生物标志物还不是很清晰。针对哮喘表型明确的患者，临床开展了利用生物标志物和药物-基因组学的方法评估Pitrankinra疗效的研究，IL4RA是IL4、IL13的共同靶点，其在哮喘患者中过度表达[66]，针对IL4RA开发了拮抗剂(pitran-kinra、dupilumab)，其SNP rs8832、 rs1029489可以影响pitrankinra的治疗反应[67-68]，可以作为潜在的药物-基因组学生物标志物[16]。

5 药物-基因组学与药代动力学

ICS、β-肾上腺素能受体激动剂、白三烯调节剂联合治疗已经广泛用于哮喘的防控。而这些药物代谢酶 (metabolic enzyme)的SNP是否会影响哮喘治疗效果有待评估。已有研究认为细胞色素P450家族3亚家族A成员4(cytochrome P450 family 3 subfamily A member 4，CYP3A4) *22 allele和SLCO2B1SNP rs12422149可能影响ICS和孟鲁司特的药代动力学[16,60-61]。有学者指出，基因与基因之间多个SNP位点的相互作用分析较单一的位点对SABA治疗效果预测更准确[16]。

6 结语

目前，糖皮质激素、β-肾上腺素能受体激动剂和抗白三烯类药物疗效相关的SNP在哮喘药物-基因组学研究中尚无定论，临床中利用药物-基因组学来指导哮喘患者治疗的实践还很少，所以药物-基因组学研究肩负的科学使命既艰巨又光明， 艰巨在于我们需要在临床实践中不断的探索及验证SNP位点与药物反应的相关性，光明在于一些基因SNP位点，如ADRB2 SNP rs1042713、GLCCI1 rs37973、SNP FCER2 rs28364072等已有包括我国报道的多项证据支持可影响药物疗效，这让我们看到了星星之火[69-71]。尤其是ADRB2 SNP rs1042713可能对支气管舒张剂的使用评估具有指导作用，是一个很有前途的生物标志物。随着高通量技术的飞速发展，期望SNP的研究加快理论向临床实践转化的步伐，也期待未来药物-基因组学研究能够涵盖更多族群、更大队列、更多SNP位点，以提高其预测药物治疗反应的准确性，为哮喘的个体化治疗带来帮助。