Biological mechanisms behind clozapine-induced agranulocytosis

Clozapine is the most effective drug in treating therapy-resistant schizophrenia and may even be superior to all other antipsychotics. However, its use is limited by a high incidence (approximately 0.8%) of a severe hematological side effect, agranulocytosis. The exact molecular mechanism(s) of clozapine-induced agranulocytosis is still unknown. We investigated the mechanisms behind responsiveness to clozapine therapy and the risk of developing agranulocytosis by performing an HLA (human leukocyte antigens) association study in patients with schizophrenia. The first group comprised patients defined by responsiveness to first-generation antipsychotics (FGAs) (n= 19). The second group was defined by a lack of response to FGAs but responsiveness to clozapine (n=19). The third group of patients had a history of clozapine-induced granulocytopenia or agranulocytosis (n=26). Finnish healthy blood donors served as controls (n= 120). We found a significantly increased frequency of HLA-A1 among patients who were refractory to FGAs but responsive to clozapine. We also found that the frequency of HLA-A1 was low in patients with clozapine-induced neutropenia or agranulocytosis. These results suggest that HLA-A1 may predict a good therapeutic outcome and a low risk of agranulocytosis and therefore HLA typing may aid in the selection of patients for clozapine therapy. Furthermore, in a subgroup of schizophrenia, HLA-A1 may be in linkage disequilibrium with some vulnerability genes in the MHC (major histocompatibility complex) region on chromosome 6. These genes could be involved in antipsychotic drug response and clozapine-induced agranulocytosis. In addition, we investigated the effect of clozapine on gene expression in granulocytes by performing a microarray analysis on blood leukocytes of 8 schizophrenic patients who had started clozapine therapy for the first time. We identified an altered expression in 4 genes implicated in the maturation or apoptosis of granulocytes: MPO (myeloperoxidase precursor), MNDA (myeloid cell nuclear differentiation antigen), FLT3LG (Fms-related tyrosine kinase 3 ligand) and ITGAL (antigen CD11A, lymphocyte function-associated antigen 1). The altered expression of these genes following clozapine administration may suggest their involvement in clozapine-induced agranulocytosis. Finally, we investigated whether or not normal human bone marrow mesenchymal stromal cells (MSC) are sensitive to clozapine. We treated cultures of human MSCs and human skin fibroblasts with 10 µM of unmodified clozapine and with clozapine bioactivated by oxidation. We found that, independent of bioactivation, clozapine was cytotoxic to MSCs in primary culture, whereas clozapine at the same concentration stimulated the growth of human fibroblasts. This suggests that direct cytotoxicity to MSCs is one possible mechanism by which clozapine induces agranulocytosis.

Klotsapiini on tehokkain lääke hoidolle vastaamattomassa skitsofreniassa. Sen käyttöä rajoittaa kuitenkin vakava verenkuvaan liittyvä haittavaikutus, agranulosytoosi, jonka esiintyvyys on noin 0.8%. Klotsapiinin aiheuttaman agranulosytoosin tarkkaa molekyylitason syntymekanismia tai mekanismeja ei tunneta. Tutkimme liittyvätkö immuunivastetta säätelevät HLA-molekyylit klotsapiinivasteeseen ja klotsapiinin aiheuttamaan agranulosytoosiin kolmessa skitsofreniapotilasryhmässä. Ensimmäisessä ryhmässä oli 19 hyvin ensimmäisen polven psykoosilääkkeelle vastannutta potilasta. Toisessa oli 19 potilasta, jotka eivät saaneet vastetta ensimmäisen polven psykoosilääkkeelle mutta sen sijaan klotsapiinille. Kolmannessa oli 26 klotsapiinihoidon yhteydessä granulosytopenian tai agranulosytoosin saanutta potilasta. Terveet verenluovuttajat olivat kontrolleina. HLA-A1 esiintyi merkitsevästi useammin klotsapiinille mutta ei ensimmäisen polven psykoosilääkkeelle vastanneilla potilailla. Sen sijaan HLA-A1 liittyi harvoin verenkuvamuutokseen. HLA-A1 voi ennustaa hyvää klotsapiinivastetta ja alhaista agranulosytoosin riskiä. Siksi HLA-tyypitys voisi auttaa valittaessa potilaita klotsapiinihoitoon. Skitsofrenian alaryhmässä HLA-A1 voi olla kytkentäepätasapainossa joidenkin altistavien geenien kanssa kromosomi 6:n MHC (major histocompatibility complex) -aluella. Nämä geenit voivat osaltaan säädellä klotsapiinivastetta ja klotsapiinin aiheuttamaa agranulosytoosia. Teimme mikrosiruanalyysin kahdeksan skitsofreniaa sairastavan potilaan veren granulosyyteistä, kun he aloittivat ensimmäistä kertaa klotsapiinihoidon. Tunnistimme neljä geeniä, joiden ilmentymistaso oli muuttunut ja jotka liittyvät granulosyyttien kypsymiseen tai apoptoosiin: MPO (myeloperoxidase precursor), MNDA (myeloid cell nuclear differentiation antigen), FLT3LG (Fms-related tyrosine kinase 3 ligand) ja ITGAL (antigen CD11A, lymphocyte function-associated antigen 1). Geenien ilmentymismuutokset klotsapiinin aloittamisen jälkeen voivat viitata niiden osallisuuteen agranulosytoosissa. Tutkimme ovatko luuytimen stroomasolut herkkiä klotsapiinille. Viljelimme normaaleja ihmisen luuytimen mesenkymaalisia stroomasoluja ja ihmisen ihofibroblasteja soluviljelmässä, jossa oli 10 µM muuntumatonta klotsapiinia tai hapettamalla bioaktivoitua klotsapiinia. Havaitsimme, että klotsapiini riippumatta bioaktivaatiosta oli sytotoksinen luuytimen stroomasoluille primääriviljelmässä, kun taas samalla annoksella klotsapiini jopa kiihdytti fibroblastien kasvua. Löydös viittaa siihen, että suora luuytimen stroomasoluihin kohdistuva haittavaikutus voi olla eräs agranulosytoosin mekanismeista. Tulokset rohkaisevat lisätutkimuksiin, joissa voidaan tarkemmin selvittää klotsapiinin aiheuttaman agranulosytoosin mekanismeja ja löytää uusia mahdollisuuksia sen estämiseksi.