基因多态性与老年人群阿片类药物镇痛效果相关性的研究进展

徐同鹏 刘凌翔 束永前

疼痛是世界范围内一个影响人们生活和工作的难题,根据WHO的疼痛阶梯式治疗指南,阿片类药物(opioids)是最常用的一类镇痛药物,可用于治疗老年人群的急性疼痛、手术后疼痛及慢性疼痛,例如癌症疼痛[1-2]。目前,临床上常用的阿片类药物有可待因、曲马多、芬太尼、舒芬太尼、瑞芬太尼等[3]。研究发现,老年人的阿片类药物的需求剂量以及镇痛效果存在较大的个体差异,这种差异受多种因素的影响,包括遗传变异、性别、年龄、社会文化因素等。其中,遗传变异主要是基因多态性(gene polymorphisms,GP),尤其是核苷酸序列的变异,即单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)[4]。SNP通过影响药代动力学和(或)药效学来发挥效应,例如药物代谢酶、阿片类受体活性、受体结合亲和力等[5]。

药物遗传学作为一种诊断工具,可在治疗前预测阿片类药物的个体反应,从而改进相应的疼痛管理方案,达到个体化治疗的目的。在药物遗传学领域,研究最多的是GP的潜在效应。本文总结了近年来关于GP对老年人群阿片类药物镇痛效果的影响的最新研究成果,现报道如下。

1 SNP的概念和检测方法

基因是遗传的基本单位,位于染色体上,人体的每对同源染色体由一条母系起源和另一条父系起源的染色体组成。因此,每对同源染色体上都有2个基因拷贝,其核苷酸序列可能不同[6]。SNP是指在核苷酸序列的特定位点上发生的突变,这些变化可以出现在DNA基因间和基因内的任何位置。与基因点突变相比,SNP的发生频率更加常见。SNP可能存在于一个基因的1个或2个等位基因中,基因型则表示该基因的等位基因特征[7]。

在提取DNA并确定SNP后,就可以采用各种方式来分析基因和观察到的表型之间的关联,最常用的是候选基因关联研究以及全基因组关联研究。候选基因关联研究是以假设为导向的研究,对1组SNP与特定表型相关的假设进行检验,例如横断面研究、病例对照研究或队列研究[8]。全基因组关联研究是无假设的研究,数千个SNP的频率分布在基因组的特定区域,需要大样本研究对象并耗费大量资金[9]。可以先开展全基因组关联研究产生假设,然后利用候选基因关联研究进行测试。

2 SNP对阿片类药物的影响机制

SNP对阿片类药物镇痛效应的影响主要通过3个方面起作用,即药代动力学过程、药效学活性以及痛觉通路,其中的变化由编码关键蛋白或酶的基因决定。药代动力学过程总体上涵盖了吸收、分配、代谢和消除。其中,药物的代谢过程至关重要,因为它决定了药物及其活性代谢物的血浆浓度[10]。就阿片类药物而言,除瑞芬太尼外,均由肝细胞色素P450(cytochrome P450,CYP)酶代谢[11]。现已发现,编码CYP酶的基因SNP与药物及其代谢物的血浆浓度变化密切相关。

阿片类药物的药效学活性由药物受体和药物转运体共同决定。阿片类药物受体属于G蛋白偶联受体,能够激活下游的第二信使(cGMP、cAMP等),并最终发挥镇痛、镇静等作用[12]。阿片类药物也是药物转运分子P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)的底物,P-gp在体内广泛表达,在肾脏、肾上腺、肝脏、小肠、结肠、肺、脑和胎盘中的表达水平较高。P-gp是一种外流转运蛋白,因此决定了阿片类药物在其受体的浓度[13]。编码这些药物受体和药物转运体的基因SNP已被发现与镇痛疗效有关。

3 老年人的药物代谢特征

总体来说,老年人的身体器官和系统机能都发生了渐进性下降,因此就阿片类药物的吸收、分布、结合、排泄等特征而言,也与年轻人有一定的差别。首先,药物的吸收发生在消化道,而老年人的胃肠道黏膜和肌层常出现萎缩,胃肠蠕动不足以及消化酶分泌减少,致使药物吸收减慢。其次,老年人的血容量减少,使血药浓度相对增加。老年人的肝细胞数量减少、肝酶活性降低也会使药物的排泄和灭活能力下降,消除时间延长。此外,肾脏血流量减少引起的肾小球滤过率降低会导致药物的半衰期相对延长,不良反应风险增高。就阿片类药物而言,老年人的敏感性高于年轻人,因此达到有效镇痛作用所需的药物剂量小于年轻人,原因可能是老年人的神经元细胞减少,且伴有脑血流量和氧耗量降低,因此阿片类药物用量也显著下降。

4 常见的相关SNP

4.1ABCB1 阿片类药物的吸收、分布和消除依赖于机体中的药物转运蛋白。老年人胃肠道中的药物转运蛋白通过限制或促进肠道吸收,影响阿片类药物的口服生物利用度。同样地,血脑屏障上的药物转运蛋白可能会影响阿片类药物从血液到中枢神经系统的分布,存在于肝脏和肾脏的药物转运蛋白则参与了阿片类药物及其代谢产物的肝胆和肾脏排泄[14-15]。

ABC家族分子是药物转运蛋白的一个主要家族,大约由50种分子组成,其中P-gp外流转运蛋白与阿片类药物关联最密切。体外和动物实验结果表明,许多阿片类药物,如吗啡、美沙酮和芬太尼,均是P-gp的底物[16]。P-gp由ABCB1基因编码,在基因的编码区和非编码区存在100多个SNPs,具有显著的连锁不平衡[17]。ABCB1基因的多态性可影响这些阿片类药物的药代动力学和药效学特征。

ABCB1的常见变异有3435T/C和G2677T/A。一项在健康志愿者中开展的研究表明,G2677T等位基因携带者口服羟考酮的镇痛反应比对照组更好[18]。然而,有学者针对接受甲状腺切除术、结直肠手术、膝关节镜或子宫切除术的老年病人进行研究,发现G2677T/A与术后吗啡、羟考酮或芬太尼的消耗量以及疼痛评分无显著关联[19]。一项针对65岁以上癌症病人的临床试验显示,在接受吗啡治疗时,3435T等位基因纯合子(TT)病人比3435C等位基因纯合子和杂合子(CC和CT)病人的疼痛缓解效果更好[20]。另一项大型前瞻性多中心横断面研究调查了352例老年病人的阿片类药物剂量需求与3435T/C之间的关联,这些病人接受了不同的阿片类药物治疗,并将阿片类药物剂量转换为吗啡当量。结果显示,携带T等位基因(CT和TT)的病人的阿片类药物剂量需求较低[21]。

4.2CYP2D6 大多数阿片类药物吸收后在肝脏进行首过代谢,其过程包括了第一阶段的修饰反应,涉及CYP酶,第二阶段是结合反应,例如尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶(uridine diphosphate glucuronosyltransferase,UGT)催化的葡萄糖醛酸化反应。不同的阿片类药物通过不同的酶途径代谢,产生活性代谢物[22]。在药物代谢能力方面,个体间存在巨大差异,其中CYP和UGT酶系统的GP影响较大。

CYP2D6是一种CYP酶,参与了几种阿片类药物的O-脱烷基化过程,例如曲马多转化为O-去甲基曲马多,羟考酮转化为羟吗啉酮,这些都可以被视为活性代谢物[23]。CYP2D6等位基因变异包括缺失、插入、拷贝数变异等,这些均会导致酶活性改变,反映为4种表型,即低代谢型、中等代谢型、快速代谢型和超快速代谢型[24]。

一项药物遗传学研究评估了28名接受安慰剂、可待因和吗啡治疗的年龄>60岁的健康志愿者,包括了14名快速代谢型和14名低代谢型个体,结果表明2种基因表型个体的药物使用量方面没有差异[25]。然而,另一项研究评估了曲马多的用量,这是一种依赖CYP2D6活性的常用阿片类镇痛药,其活性代谢物甲基曲马多的受体亲和力高于曲马多,结果显示与快速或中等代谢型个体相比,低代谢型个体的曲马多消耗量更高[26]。

4.3CYP3A4 CYP3A4是另一种研究较多的CYP酶,参与了芬太尼、曲马多和羟考酮等阿片类药物的N-脱烷基化,常见的CYP3A4等位基因有CYP3A4*1B、CYP3A4*1G、CYP3A4*2、CYP3A4*3等[27]。其中,CYP3A4*1G变异在亚洲人中的频率较高,中国人的等位基因频率为22%,日本人为25%[28]。目前关于CYP3A4变异影响老年人阿片类药物镇痛反应的研究都是关于芬太尼术后镇痛效果的。Murrone等[29]对接受关节置换手术的老年病人开展研究后得出,CYP3A4*1G/*1G(AA和纯合子)病人比CYP3A4*1/*1(GG和杂合子)以及CYP3A4*1/*1G(AG和杂合子)病人所需要的芬太尼用量显著降低,但是三类病人使用后的疼痛评分无显著差异。

4.4μ-阿片受体(μ-opioid receptor gene,OPRM1) OPRM1是人体中阿片类药物作用的主要受体,目前共发现100多个SNP,其中研究最广泛的SNP是A118G核苷酸替换,即第1外显子118位的腺嘌呤(A)被鸟嘌呤(G)替换。这种核苷酸替代导致在第40位氨基酸处的天冬酰胺(Asn)被替换为天冬氨酸(Asp),引起信号传导效率降低,并降低了阿片受体的表达[30]。OPRM1基因中另一个研究广泛的SNP是A304G,这种突变导致第102个氨基酸处的天冬酰胺(Asn)被天冬氨酸(Asp)取代。

Tolami等[31]根据A118G基因分型评估了33名年龄>65岁的健康志愿者,这些个体在电刺激腓肠神经后,运用羟考酮干预。结果表明,与a等位基因(AA)纯合子的受试者相比,杂合子受试者(AG)对羟考酮的疼痛耐受阈值增加,然而两者在疼痛总阈值和疼痛评级方面没有差异。Saiz-Rodríguez等[32]开展了一项纳入20名健康体检的老年个体临床试验,研究芬太尼镇痛与A118G SNP之间的关系,结果显示,与AA基因型个体相比,GG基因型个体需要2～4倍的芬太尼浓度才能产生相同程度的镇痛作用。Narayan等[33]利用胫骨表面皮肤上的2个表面电极产生电流,建立一个急性疼痛模型,发现与A118G纯合子(AA或GG)相比,曲马多对A118G(AG)杂合子个体的镇痛效应降低。另一项研究报道了A118G SNP与芬太尼在老年病人中的镇痛效果相关,与携带AG或GG基因型的病人相比,A等位基因纯合子(AA)病人在运用芬太尼后15、30 min时的疼痛强度显著降低[34]。

4.5 儿茶酚-O-甲基转移酶(COMT) COMT的主要作用是代谢多巴胺、肾上腺素和去甲肾上腺素等儿茶酚胺物质,COMT还是多巴胺和去甲肾上腺素神经传递的关键调节剂,已有报道COMT的GP会影响阿片类神经递质对疼痛刺激的反应。该基因中研究最广泛的SNP是第158个密码子中的腺苷(A)到鸟苷(G)的核苷酸替换,从而导致氨基酸从缬氨酸(Val)到蛋氨酸(Met)的转换,这种SNP会使酶活性降低3～4倍[35]。

COMTVal158Met已被证明与术后疼痛评分有关,Met/Met型病人报告的疼痛评分高于野生型病人(Val/Val型),但与吗啡或羟考酮的使用量无关。有学者报道COMTVal158Met SNP与老年晚期癌症病人的吗啡需求量有关,与Met/Met型病人相比,Val/Val型病人的吗啡需求量更高[36]。多个SNPs也可能发挥联合作用,例如Bartosova等[37]通过对2294例老年癌症病人的止痛药使用情况分析得出,包括OPRM1、OPRD1、OPRK1、ABCB1等在内的25个基因的112个SNP与止痛药的使用需求无显著关联。

5 SNP发挥效应的影响因素

遗传关联研究本身就非常复杂,即使对于其中的一个变异,不同学者的研究也可能提供相互矛盾的结果,这可能是因为受到了混杂因素的影响。实验性研究是在一个受控的环境中开展的,并允许分别检查多种疼痛刺激方式,它为确定候选SNP提供了基础,随后可以在临床疼痛研究中检测。然而,在临床研究中,混杂因素大幅增加,包括急性术后疼痛、癌症疼痛和慢性疼痛等情形。

比如说,药物代谢酶的活性在不同年龄段存在显著差异。30～45岁人群的CYP2D6酶活性比65岁以上人群高一倍,这种差异会影响阿片类药物的镇痛效果[38]。其次,不同种族群体之间的等位基因频率也存在差异。例如,在亚洲人中,低代谢型CYP2D6酶占比不到1%,最常见的等位基因是CYP2D6*10,而在高加索人群中最常见的等位基因是CYP2D6*3和CYP2D6*4,这可能部分解释了类似研究在不同种族之间获得的结果差异较大的原因[39]。除此之外,疼痛敏感度也存在着较大的性别差异。通常来说,女性的平均痛阈值比男性更低,对疼痛的耐受性更差,对疼痛的不适感更大,因此会影响阿片类药物的镇痛效果。

6 总结与展望

GP的研究对于评价疼痛易感性和镇痛效应具有重要的临床意义,目前已知的SNP主要影响了阿片类药物药代动力学(ABCB1、CYP2D6、CYP3A4)、药效学(OPRM1)和痛觉通路(COMT)。由于复杂的性状是由多个基因共同控制的,不会有单一的SNP负责药物的镇痛效应。将来的研究会更多关注多个SNP的相互作用,纳入更多的疼痛生物标志物,来预测阿片类药物对老年人群的镇痛效果,为临床制定方案和疗效随访提供帮助。