Impact of Smoking, Smoking Cessation, and Genetic Polymorphisms on CYP1A2 Activity and Inducibility.

Cytochrome P4501A2 (CYP1A2) is involved in the metabolism of several drugs and is induced by smoking. We aimed to determine the interindividual change in CYP1A2 activity after smoking cessation and to relate it to CYP1A2 genetic polymorphisms. CYP1A2 activity was determined from the paraxanthine:caffeine ratio in 194 smokers and in 118 of them who had abstained from smoking during a 4-week period. The participants were genotyped for CYP1A2*1F, *1D, and *1C polymorphisms. Smokers had 1.55-fold higher CYP1A2 activity than nonsmokers (P < 0.0001). The individual change in CYP1A2 activity after smoking cessation ranged from 1.0-fold (no change) to a 7.3-fold decrease in activity. In five participants with low initial CYP1A2 activity, an increase was observed after smoking cessation. Before smoking cessation, the following factors were found to influence CYP1A2 activity: CYP1A2*1F (P = 0.005), CYP1A2*1D (P = 0.014), the number of cigarettes/day (P = 0.012), the use of contraceptives (P < 0.001), and -163A/-2467T/-3860G haplotype (P = 0.002). After quitting smoking, only CYP1A2*1F (P = 0.017) and the use of contraceptives (P = 0.05) had an influence. No influence of CYP1A2 polymorphisms on the inducibility of CYP1A2 was observed.

ABCB1 and cytochrome P450 genotypes and phenotypes: influence on methadone plasma levels and response to treatment.

BACKGROUND AND OBJECTIVE: The in vivo implication of various cytochrome P450 (CYP) isoforms and of P-glycoprotein on methadone kinetics is unclear. We aimed to thoroughly examine the genetic factors influencing methadone kinetics and response to treatment. METHODS: Genotyping for CYP1A2, CYP2B6, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP3A4, CYP3A5, ABCB1, and UGT2B7 polymorphisms was performed in 245 patients undergoing methadone maintenance treatment. To assess CYP3A activity, the patients were phenotyped with midazolam. RESULTS: The patients with lower CYP3A activity presented higher steady-state trough (R,S)-methadone plasma levels (4.3, 3.0, and 2.3 ng/mL x mg for low, medium, and high activity, respectively; P = .0002). As previously reported, CYP2B6*6/*6 carriers had significantly higher trough (S)-methadone plasma levels (P = .0001) and a trend toward higher (R)-methadone plasma levels (P = .07). CYP2D6 ultrarapid metabolizers presented lower trough (R,S)-methadone plasma levels compared with the extensive or intermediate metabolizers (2.4 and 3.3 ng/mL x mg, respectively; P = .04), whereas CYP2D6 poor metabolizer status showed no influence. ABCB1 3435TT carriers presented lower trough (R,S)-methadone plasma levels (2.7 and 3.4 ng/mL . mg for 3435TT and 3435CC carriers, respectively; P = .01). The CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19, CYP3A5, and UGT2B7 genotypes did not influence methadone plasma levels. Only CYP2B6 displayed a stereoselectivity in its activity. CONCLUSION: In vivo, CYP3A4 and CYP2B6 are the major CYP isoforms involved in methadone metabolism, with CYP2D6 contributing to a minor extent. ABCB1 genetic polymorphisms also contribute slightly to the interindividual variability of methadone kinetics. The genetic polymorphisms of these 4 proteins had no influence on the response to treatment and only a small influence on the dose requirement of methadone.

Pharmacogenetics of CYP1A2 activity and inducibility in smokers and exsmokers.

BACKGROUND: There is a high interindividual variability in cytochrome P4501A2 (CYP1A2) activity and in its inducibility by smoking, only poorly explained by known CYP1A2 polymorphisms. We aimed to study the contribution of other regulatory pathways, including transcription factors and nuclear receptors, toward this variability. METHODS: CYP1A2 activity was determined by the paraxanthine/caffeine ratio in 184 smokers and in 113 of them who were abstinent for 4 weeks. Participants were genotyped for 22 polymorphisms in 12 genes. RESULTS: A significant influence on CYP1A2 inducibility was observed for the NR1I3 rs2502815 (P=0.0026), rs4073054 (P=0.029), NR2B1 rs3818740 (P=0.0045), rs3132297 (P=0.036), AhR rs2282885 (P=0.040), rs2066853 (P=0.019), NR1I1 rs2228570 (P=0.037), and NR1I2 rs1523130 (P=0.044) polymorphisms. Among these, the NR1I3 rs2502815 (P=0.0045), rs4073054 (P=0.048), and NR2B1 rs3818740 (P=0.031) also influenced CYP1A2 basal activity. CONCLUSION: This is the first in-vivo demonstration of the influence of genes involved in CYP1A2 regulatory pathways on its basal activity and inducibility by smoking. These results need to be confirmed by other studies.

Inhibition and enhancement of in vitro helper activity of apocytochrome c-specific murine T cell populations and clones by anti-apocytochrome c-specific monoclonal antibodies.

A murine monoclonal antibody (mAb) specific for apocytochrome c was found to be able to either inhibit or enhance the helper activity of mouse apocytochrome c-specific T cell clones and populations in a hapten (trinitrophenyl)-carrier (apocytochrome c) system of T-B cell cooperation. This effect of the mAb was carrier specific, could not be ascribed simply to a shift in the kinetics of the antibody response and was observed using apocytochrome c T helper cells of different mouse haplotypes. In addition, the anti-apocytochrome c mAb was able to inhibit specific T helper cell activity even when the T cells were triggered with antigen-presenting cells pulsed with antigen. Taken together, these results suggested that the mAb was inhibiting helper activity due to its ability to modify the interaction between T cells and antigen-presenting cells.

Targeting vascular NADPH oxidase 1 blocks tumor angiogenesis through a PPARα mediated mechanism.

Reactive oxygen species, ROS, are regulators of endothelial cell migration, proliferation and survival, events critically involved in angiogenesis. Different isoforms of ROS-generating NOX enzymes are expressed in the vasculature and provide distinct signaling cues through differential localization and activation. We show that mice deficient in NOX1, but not NOX2 or NOX4, have impaired angiogenesis. NOX1 expression and activity is increased in primary mouse and human endothelial cells upon angiogenic stimulation. NOX1 silencing decreases endothelial cell migration and tube-like structure formation, through the inhibition of PPARα, a regulator of NF-κB. Administration of a novel NOX-specific inhibitor reduced angiogenesis and tumor growth in vivo in a PPARα dependent manner. In conclusion, vascular NOX1 is a critical mediator of angiogenesis and an attractive target for anti-angiogenic therapies.

Adverse drug reactions following nonresponse in a depressed patient with CYP2D6 deficiency and low CYP 3A4/5 activity

A 47-year-old male taxi driver experienced multiple adverse drug reactions during therapy with clomipramine (CMI) and quetiapine for major depressive disorder, after having been unsuccessfully treated with adequate doses of mirtazapine and venlafaxine. Drug serum concentrations of CMI and quetiapine were significantly increased and pharmacogenetic testing showed a poor metabolizer status for CYP2D6, low CYP3A4/5 activity and normal CYP2C19 genotype. After reduction of the CMI dose and discontinuation of quetiapine, all ADR subsided except for the increase in liver enzymes. The latter improved but did not normalize completely, even months later, possibly due to concomitant cholelithiasis.

Métabolisme d'antidépresseurs dans différentes espèces : aspects méthodologiques et pharmacogénétiques, perspectives cliniques

Résumé pour large public Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne Lors de la prise d'un médicament, celui-ci va passer par différentes étapes que sont l'absorption, la distribution, le métabolisme et enfin l'élimination. Ces quatre étapes sont regroupées sous le nom de pharmacocinétique. A noter que ces quatre paramètres sont dynamiques et en constante évolution. Durant cette thèse, nous avons investigué différents aspects de la pharmacocinétique, tout d'abord par une revue de la littérature sur la glycoprotéine-P (Pgp). Récemment découverte, cette protéine de membrane est située aux endroits stratégiques de l'organisme comme la barrière hématoencéphalée, le placenta ou les intestins où elle influencera l'entrée de différentes substances, en particulier les médicaments. La Pgp serait impliquée dans les phénomènes de résistances aux agents thérapeutiques en oncologie. La Pgp influence donc l'absorption des médicaments, et son impact en clinique, en termes d'efficacité de traitement et de toxicité prend chaque jour plus d'importance. Ensuite nous avons mis au point une méthode d'analyse quantitative d'un antidépresseur d'une nouvelle génération : la mirtazapine (Remeron®). La nouveauté réside dans la façon dont la mirtazapine interagit avec les neurotransmetteurs impliqués dans la dépression que sont la sérotonine et la noradrénaline. Cette méthode utilise la chromatographie liquide pour séparer la mirtazapine de ses principaux métabolites dans le sang. La spectrométrie de masse est utilisée pour les détecter et les quantifier. Les métabolites sont des substances issues de réactions chimiques entre la substance mère, la mirtazapine, et généralement des enzymes hépatiques, dans le but de rendre cette substance plus soluble en vue de son élimination. Cette méthode permet de quantifier la mirtazapine et ses métabolites dans le sang de patients traités et de déterminer la variation des taux plasmatiques chez ces patients. Puis nous avons étudié le métabolisme d'un autre antidépresseur, le citalopram, qui a un métabolisme complexe. Le citalopram est un racémate, c'est-à-dire qu'il existe sous forme de deux entités chimiques (R-(-) et S-(+) citalopram) qui ont le même nombre d'éléments mais arrangés différemment dans l'espace. La voie métabolique cérébrale du citalopram est sous le contrôle d'une enzyme, la monoamine oxydase (MAO), conduisant à une forme acide du citalopram (l'acide propionique du citalopram). La MAO existe sous deux formes : MAO-A et MAO-B. Nous avons utilisé des souris déficientes d'un gène, celui de la MAO-A, pour mieux en comprendre le métabolisme en les comparants à des souris sauvages (sans déficience de ce gène). Nous avons utilisé le citalopram et deux de ses métabolites (le déméthylcitaloprarn et le didéméthyícitalopram) comme substrats pour tester la formation in vitro de l'acide propionique du citalopram. Nos résultats montrent que la MAO-A favorise la formation de l'entité R-(-) et présente une plus grande affinité pour le citalopram, tandis que la MAO-B métabolise préférentiellement l'entité S-(+) et a une plus grande affinité pour les deux métabolites déméthylés. De plus, la déficience en MAO-A est partiellement compensée parla MAO-B chez les souris déficientes du gène de la MAO-A. Enfin, nous avons étudié une deuxième voie métabolique du citalopram qui s'est avérée toxique chez le chien Beagle. Celle-ci est catalysée par une autre famille d'enzymes, les cytochromes P-450, et mène aux métabolites déméthylés et didéméthylés du citalopram. Nous avons utilisé des tissus hépatiques de chiens Beagle. Plusieurs cytochromes P-450 sont impliqués dans le métabolisme du citalopram menant à sa forme déméthylée, ceci tant chez l'homme que chez le chien. Par contre, dans le métabolisme de la forme déméthylée menant à 1a forme didéméthylée, un seul cytochrome P-450 serait impliqué chez l'Homme, tandis qu'ils seraient plusieurs chez le chien. L'activité enzymatique produisant la forme didéméthylée est beaucoup plus importante chez le chien comparé à l'homme. Cette observation soutien l'hypothèse que des taux élevés de la forme didéméthylée participent à la toxicité spécifique du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant que les enzymes peuvent être stimulées ou inhibées, il importe de pouvoir suivre au plus prés les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Résumé Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne La plupart des médicaments subissent une transformation enzymatique dans l'organisme. Les substances issues de cette métabolisation ne sont pas toujours dotées d'une activité pharmacologique. Il s'est avéré par conséquent indispensable de suivre les taux plasmatiques d'une substance et de ses métabolites et d'établir ou non l'existence d'une relation avec l'effet clinique observé. Ce concept nommé « therapeutic drag monitoring » (TDM) est particulièrement utile en psychiatrie ou un manque de compliance des patients est fréquemment observé. Les médicaments psychotropes ont un métabolisme principalement hépatique (cytochromes P-450) et parfois cérébral (monoamines oxydases), comme pour le citalopram par exemple. Une méthode stéréosélective de chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse a été développée pour analyser les énantiomères R-(-) et S-(+) d'un antidépresseur agissant sur les récepteurs noradrénergiques et sérotoninergiques, la mirtazapine et de ses métabolites déméthylmirtazapine et 8-hydroxymirtazapine. Les données préliminaires obtenues dans les plasmas dosés suggèrent que les concentrations de R-(-)-mirtazapine sont plus élevées que celles de S-(+)-mirtazapine, à l'exception des patients qui auraient comme co-médication des inhibiteurs du CYP2D6, telle que la fluoxétine ou la thioridazine. Il y a une enantiosélectivité du métabolisme de la mirtazapine. En particulier pour la 8-hydroxymirtazapine qui est glucuroconjuguée et pour laquelle le ratio S/R varie considérablement. Cette méthode analytique présente l'avantage d'être utilisable pour le dosage stéréosélectif de la mirtazapine et de ses métabolites dans le plasma de patients ayant d'autres substances en co-médication. La glycoprotéine P fonctionne comme une pompe transmembranaire transportant les xénobiotiques depuis le milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Son induction et son inhibition, bien que moins étudiées que pour les cytochromes P-450, ont des implications cliniques importantes en termes d'efficacité de traitement et de toxicité. Cette glycoprotéine P a fait l'objet d'une recherche bibliographique. Nous avons étudié le métabolisme du citalopram, un antidépresseur de la classe des inhibiteurs spécifiques de la recapture de la sérotonine chez la souris et chez le chien. Cette substance subit un métabolisme complexe. La voie de métabolisation conduisant à la formation de l'acide propionique du citalopram, catalysée par les monoamines oxydases, a été étudiée in vitro dans les mitochondries cérébrales chez la souris déficiente du gène de la MAO-A (Tg8). La monoamine oxydase A catalyse la formation de l'énantiomère R-(-) et présente une plus grande affinité pour les amines tertiaires, tandis que la monoamine oxydase B favorise la formation de la forme S-(+) et a une affinité plus marquée pour les amines secondaires et primaires. L'étude du citalopram chez la souris Tg8 adulte a montré que la monoamine oxydase B compense la déficience de la monoamine oxydase A chez ces souris génétiquement modifiées. Une autre voie de métabolisation du citalopram conduisant à la formation de didéméthylcitalopram, catalysée par les cytochromes P-450, a été étudiée in vitro dans des microsomes hépatiques de chiens Beagle. Nos études ont montré que les cinétiques de N-déméthylation du citalopram sont biphasiques chez le chien. Les orthologues canins impliqués dans la première N-déméthylation semblent être identiques aux cytochromes P-450 humains. Par contre, dans la deuxième Ndéméthylation, un seul cytochrome P-450 semble être impliqué chez l'homme (CYP2D6), tandis qu'on retrouve jusqu'à cinq orthologues chez le chien. Le CYP2D15, orthologue canin du CYP2D6, est majoritairement impliqué. De plus, l'activité enzymatique, reflétée par les clairances intrinsèques, dans la première N-déméthylation est jusqu'à 45 fois plus élevée chez le chien comparé à l'homme. Ces différentes observations soutiennent l'hypothèse que des taux élevés de didéméthylcitalopram sont responsables de la toxicité du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant -que les enzymes peuvent être induits ou inhibés, il importe de pouvoir suivre au plus près les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Summary Most of the drugs are metabolized in the organism. Substances issued from this metabolic activity do not always show a pharmacological activity. Therefore, it is necessary to monitor plasmatic levels of drugs and their metabolites, and establish the relationship with the clinical effect. This concept named therapeutic drug monitoring is very useful in psychiatry where lack of compliance is commonly observed. Antidepressants are mainly metabolized in the liver (cytochrome P-450) and sometimes in the brain (monoamine oxidase) like the citalopram, for exemple. A LC-MS method was developed, which allows the simultaneous analysis of R-(-) and S-(+) enantiomers of mirtazapine, an antidepressant acting specifically on noradrenergic and serotonergic receptors, and its metabolites demethylmirtazapine and 8-hydroxymirtazapine in plasma of mirtazapine treated patients. Preliminary data obtained suggested that R-(-) mirtazapine concentrations were higher than those of S-(+) mirtazapine, except in patients comedicated with CYP2D6 inhibitors such as fluoxetine or thioridazine. There is an enantioselectivity in the metabolism of mirtazapine. In particular for the 8-hydroxymirtazapine, which is glucuroconjugated and S/R ratio varies considerably. Therefore this method seems to be suitable for the stereoselective assay of mirtazapine and its metabolites in plasma of patients comedicated with mirtazapine and other drugs for routine and research purposes. P-glycoprotein is working as an efflux transporter of xenobiotics from intracellular to extracellular environment. Its induction or inhibition, although less studied than cytochrome P-450, has huge clinical implications in terms of treatment efficacy and toxicity. An extensive literature search on P-glycoprotein was performed as part of this thesis. The study of citalopram metabolism, an antidepressant belonging to the class of selective serotonin reuptake inhibitors. This substance undergoes a complex metabolism. First metabolization route leading to citalopram propionic acid, catalyzed by monoamine oxidase was studied in vitro in mice brain mitochondria. Monoamine oxidase A catalyzed the formation of R-(-) enantiomer and showed greater affinity for tertiary amines, whereas monoamine oxidase B triggered the formation of S-(+) enantiomer and demonstrated higher affinity for primary and secondary amines. citalopram evaluation in adult Tg8 mice showed that monoamine oxidase B compensated monoamine oxidase A deficiency in those genetically transformed mice. The second metabolization route of citalopram leading to didemethylcitalopram and catalyzed by cytochrome P-450 was studied in vitro in Beagle dog's livers. Our results showed that citalopram N-demethylation kinetics are biphasic in dogs. Canine orthologs involved in the first N-demethylation seemed to be identical to human cytochromes P-450. However, in the second N-demethylation only one cytochrome P-450 seemed to be involved in human (CYP2D6), whereas up to five canine orthologs were found in dogs. CYP2D15 canine ortholog of CYP2D6 was mainly involved. In addition, enzymatic activity reflected by intrinsic clearance in the first N-demethylation was up to 45 fold higher in dogs compared to humans. Those observations support the assumption that elevated rates of didemethylcitalopram are responsible for citalopram toxicity in dogs. We can conclude that several enzymes groups are involved in the brain, as well as in the liver, in antidepressant metabolization. Knowing that enzymes may be induced or inhibited, it makes sense to closely monitor plasmatic levels of antidepressants and their metabolites.

Cell type-specific expression and localization of cytochrome P450 isoforms in tridimensional aggregating rat brain cell cultures.

Within the Predict-IV FP7 project a strategy for measurement of in vitro biokinetics was developed, requiring the characterization of the cellular model used, especially regarding biotransformation, which frequently depends on cytochrome P450 (CYP) activity. The extrahepatic in situ CYP-mediated metabolism is especially relevant in target organ toxicity. In this study, the constitutive mRNA levels and protein localization of different CYP isoforms were investigated in 3D aggregating brain cell cultures. CYP1A1, CYP2B1/B2, CYP2D2/4, CYP2E1 and CYP3A were expressed; CYP1A1 and 2B1 represented almost 80% of the total mRNA content. Double-immunolabeling revealed their presence in astrocytes, in neurons, and to a minor extent in oligodendrocytes, confirming the cell-specific localization of CYPs in the brain. These results together with the recently reported formation of an amiodarone metabolite following repeated exposure suggest that this cell culture system possesses some metabolic potential, most likely contributing to its high performance in neurotoxicological studies and support the use of this model in studying brain neurotoxicity involving mechanisms of toxication/detoxication.