Pharmacogenetics of SLCO1B1: Population genetics and effect on statins

Kohonneiden kolesterolipitoisuuksien alentamisessa käytettävien statiinien hyödyt sydän- ja verisuonisairauksien estossa on vahvasti osoitettu ja niiden käyttö on niin Suomessa kuin muuallakin maailmassa kasvanut voimakkaasti – Suomessa statiininkäyttäjiä on noin 600 000. Statiinilääkitys on pitkäaikaisessakin käytössä melko hyvin siedetty, mutta yleisimpinä haittavaikutuksina voi ilmetä lihasheikkoutta, -kipua ja -kramppeja, jotka voivat edetä jopa henkeä uhkaavaksi lihasvaurioksi. Lihashaittariski suurenee suhteessa statiiniannokseen ja plasman statiinipitoisuuksiin. Statiinien plasmapitoisuuksissa, tehossa ja haittavaikutusten ilmenemisessä on suuria potilaskohtaisia eroja. SLCO1B1-geenin koodaama OATP1B1-kuljetusproteiini kuljettaa monia elimistön omia aineita ja lääkeaineita verenkierrosta solukalvon läpi maksasoluun, mm. statiineja, joiden kolesterolia alentava vaikutus ja poistuminen elimistöstä tapahtuvat pääosin maksassa. Erään SLCO1B1-geenin nukleotidimuutoksen (c.521T>C) tiedetään heikentävän OATP1B1:n kuljetustehoa. Tässä väitöskirjatyössä selvitettiin SLCO1B1-geenin perinnöllistä muuntelua suomalaisilla ja eri väestöissä maailmanlaajuisesti. Lisäksi selvitettiin SLCO1B1:n muunnosten vaikutusta eri statiinien pitoisuuksiin (farmakokinetiikka) ja vaikutuksiin (farmakodynamiikka) sekä kolesteroliaineenvaihduntaan. Näihin tutkimuksiin valittiin SLCO1B1-genotyypin perusteella terveitä vapaaehtoisia koehenkilöitä, joille annettiin eri päivinä kerta-annos kutakin tutkittavaa statiinia: fluvastatiinia, pravastatiinia, simvastatiinia, rosuvastatiinia ja atorvastatiinia. Verinäytteistä määritettiin plasman statiinien ja niiden aineenvaihduntatuotteiden sekä kolesterolin ja sen muodostumista ja imeytymistä kuvaavien merkkiaineiden pitoisuuksia. Toiminnallisesti merkittävien SLCO1B1-geenimuunnosten esiintyvyydessä todettiin suuria eroja eri väestöjen välillä. Suomalaisilla SLCO1B1 c.521TC-genotyypin (geenimuunnos toisessa vastinkromosomissa) esiintyvyys oli noin 32 % ja SLCO1B1 c.521CC-genotyypin (geenimuunnos molemmissa vastinkromosomeissa) esiintyvyys noin 4 %. Globaalisti geenimuunnosten esiintyvyys korreloi maapallon leveyspiirien kanssa siten, että matalaan transportteriaktiivisuuteen johtavat muunnokset olivat yleisimpiä pohjoisessa ja korkeaan aktiivisuuteen johtavat päiväntasaajan lähellä asuvilla väestöillä. SLCO1B1-genotyypillä oli merkittävä vaikutus statiinien plasmapitoisuksiin lukuun ottamatta fluvastatiinia. Simvastatiinihapon plasmapitoisuudet olivat keskimäärin 220 %, atorvastatiinin 140 %, pravastatiinin 90 % ja rosuvastatiinin 70 % suuremmat c.521CC-genotyypin omaavilla koehenkilöillä verrattuna normaalin c.521TT-genotyypin omaaviin. Genotyypillä ei ollut merkittävää vaikutusta minkään statiinin tehoon tässä kerta-annostutkimuksessa, mutta geenimuunnoksen kantajilla perustason kolesterolisynteesinopeus oli suurempi. Tulokset osoittavat, että SLCO1B1 c.521T>C geenimuunnos on varsin yleinen suomalaisilla ja muilla ei-afrikkalaisilla väestöillä. Tämä geenimuunnos voi altistaa erityisesti simvastatiinin, mutta myös atorvastatiinin, pravastatiinin ja rosuvastatiinin, aiheuttamille lihashaitoille suurentamalla niiden plasmapitoisuuksia. SLCO1B1:n geenimuunnoksen testaamista voidaan tulevaisuudessa käyttää apuna valittaessa sopivaa statiinilääkitystä ja -annosta potilaalle, ja näin parantaa sekä statiinihoidon turvallisuutta että tehoa.

Drug epidemiology, interactions and pharmacogenetics : A post-mortem database study

Use of adverse drug combinations, abuse of medicinal drugs and substance abuse are considerable social problems that are difficult to study. Prescription database studies might fail to incorporate factors like use of over-the-counter drugs and patient compliance, and spontaneous reporting databases suffer from underreporting. Substance abuse and smoking studies might be impeded by poor participation activity and reliability. The Forensic Toxicology Unit at the University of Helsinki is the only laboratory in Finland that performs forensic toxicology related to cause-of-death investigations comprising the analysis of over 6000 medico-legal cases yearly. The analysis repertoire covers most commonly used drugs and drugs of abuse, and the ensuing database contains also background information and information extracted from the final death certificate. In this thesis, the data stored in this comprehensive post-mortem toxicology database was combined with additional metabolite and genotype analyses that were performed to complete the profile of selected cases. The incidence of drug combinations possessing serious adverse drug interactions was generally low (0.71%), but it was notable for the two individually studied drugs, a common anticoagulant warfarin (33%) and a new generation antidepressant venlafaxine (46%). Serotonin toxicity and adverse cardiovascular effects were the most prominent possible adverse outcomes. However, the specific role of the suspected adverse drug combinations was rarely recognized in the death certificates. The frequency of bleeds was observed to be elevated when paracetamol and warfarin were used concomitantly. Pharmacogenetic factors did not play a major role in fatalities related to venlafaxine, but the presence of interacting drugs was more common in cases showing high venlafaxine concentrations. Nicotine findings in deceased young adults were roughly three times more prevalent than the smoking frequency estimation of living population. Contrary to previous studies, no difference in the proportion of suicides was observed between nicotine users and non-nicotine users. However, findings of abused substances, including abused prescription drugs, were more common in the nicotine users group than in the non-nicotine users group. The results of the thesis are important for forensic and clinical medicine, as well as for public health. The possibility of drug interactions and pharmacogenetic issues should be taken into account in cause-of-death investigations, especially in unclear cases, medical malpractice suspicions and cases where toxicological findings are scarce. Post-mortem toxicological epidemiology is a new field of research that can help to reveal problems in drug use and prescription practises.

Pharmacogenetic Variation at CYP2D6, CYP2C9, and CYP2C19: Population Genetic and Forensic Aspects

Pharmacogenetics deals with genetically determined variation in drug response. In this context, three phase I drug-metabolizing enzymes, CYP2D6, CYP2C9, and CYP2C19, have a central role, affecting the metabolism of about 20-30% of clinically used drugs. Since genes coding for these enzymes in human populations exhibit high genetic polymorphism, they are of major pharmacogenetic importance. The aims of this study were to develop new genotyping methods for CYP2D6, CYP2C9, and CYP2C19 that would cover the most important genetic variants altering the enzyme activity, and, for the first time, to describe the distribution of genetic variation at these loci on global and microgeographic scales. In addition, pharmacogenetics was applied to a postmortem forensic setting to elucidate the role of genetic variation in drug intoxications, focusing mainly on cases related to tricyclic antidepressants, which are commonly involved in fatal drug poisonings in Finland. Genetic variability data were obtained by genotyping new population samples by the methods developed based on PCR and multiplex single-nucleotide primer extension reaction, as well as by collecting data from the literature. Data consisted of 138, 129, and 146 population samples for CYP2D6, CYP2C9, and CYP2C19, respectively. In addition, over 200 postmortem forensic cases were examined with respect to drug and metabolite concentrations and genotypic variation at CYP2D6 and CYP2C19. The distribution of genetic variation within and among human populations was analyzed by descriptive statistics and variance analysis and by correlating the genetic and geographic distances using Mantel tests and spatial autocorrelation. The correlation between phenotypic and genotypic variation in drug metabolism observed in postmortem cases was also analyzed statistically. The genotyping methods developed proved to be informative, technically feasible, and cost-effective. Detailed molecular analysis of CYP2D6 genetic variation in a global survey of human populations revealed that the pattern of variation was similar to those of neutral genomic markers. Most of the CYP2D6 diversity was observed within populations, and the spatial pattern of variation was best described as clinal. On the other hand, genetic variants of CYP2D6, CYP2C9, and CYP2C19 associated with altered enzymatic activity could reach extremely high frequencies in certain geographic regions. Pharmacogenetic variation may also be significantly affected by population-specific demographic histories, as seen within the Finnish population. When pharmacogenetics was applied to a postmortem forensic setting, a correlation between amitriptyline metabolic ratios and genetic variation at CYP2D6 and CYP2C19 was observed in the sample material, even in the presence of confounding factors typical for these cases. In addition, a case of doxepin-related fatal poisoning was shown to be associated with a genetic defect at CYP2D6. Each of the genes studied showed a distinct variation pattern in human populations and high frequencies of altered activity variants, which may reflect the neutral evolution and/or selective pressures caused by dietary or environmental exposure. The results are relevant also from the clinical point of view since the genetic variation at CYP2D6, CYP2C9, and CYP2C19 already has a range of clinical applications, e.g. in cancer treatment and oral anticoagulation therapy. This study revealed that pharmacogenetics may also contribute valuable information to the medicolegal investigation of sudden, unexpected deaths.