Pharmacogénétique des transporteurs de médicaments

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1 Pharmacogénétique des transporteurs de médicaments Laurent Chouchana Pharmacologie, Hôpital Cochin, AP-HP 4 mars 2015 UE PPT-7 Variabilité pharmacologique de la réponse aux médicaments

2 Métabolisme des xénobiotiques : principales étapes Xénobiotique ex: P-gP Phase I O 2 ex: cytochromes P450 (CYP) OH Phase II OH ex: GST O Phase III ex: MRP O Phase I : fonctionnalisation Phase II : conjugaison ELIMINATION Phase III : expulsion du xénobiotique inchangé ou du métabolite (transport) 2

3 Les transporteurs : phase III Efflux Captation CERVEAU FOIE (hepatocyte) BHE (Barrière hématoencéphalique) REIN (tubule proximal) Filtration Captation Ré-absorption Efflux Excretion BILE Circulation sanguine Secretion INTESTIN (enterocyte) URINE EXPOSITION ORALE Absorption D après JM Scherrmann, Comprehensive Med Chem, 2007 Secretion FECES 3

4 Problématique du passage transmembranaire Membrane plasmique interface milieu ext./intracell. bicouche phospholipidique Nature lipophile de la Mb plasmique barrière physique pour les composés hydrophiles Passage transmembranaire pour composés lipophiles dissolution dans la membrane selon le gradient de concentration (diffusion simple) Nécessité des transporteurs membranaires 4

5 Les transporteurs membranaires Essentiel au passage des membranes et barrières pour de nombreuses molécules ions petites molécules macromolécules (ex : protéines)(notamm. peu lipophile) Génome humain 27% des gènes protéines membranaires 15% des gènes 4500 transporteurs membranaires (majoritairement super-famille SLC) 5

6 Les transporteurs membranaires Définition Protéine membranaire intégrale assurant le passage de xénobiotiques (médicaments) à travers une membrane cellulaire membrane plasmique (milieu extérieur-milieu intérieur) membrane intracellulaire (répartition milieu intracellulaire/organites intracellulaires) Caractéristiques du passage transmembranaire différences avec les canaux ioniques un seul coté ouvert (extérieur ou intérieur) interaction physique directe xénobiotique/transporteur (liaisons faibles non covalentes type liaisons H) notion de «drug binding site» caractérisant le transporteur nécessité d apport d énergie 6

7 Les transporteurs membranaires 7

8 Structure des transporteurs membranaires Domaines extracellulaires Domaines transmembranaires Domaines intracellulaires 8

9 Caractéristiques générales des transporteurs membranaires Un transporteur prend généralement en charge plusieurs substrats : substrats endogènes (métabolites ) conséquences physiologiques xénobiotiques conséquences pharmacologiques Un substrat est souvent pris en charge par plusieurs transporteurs : Redondance et faible spécificité / substrat 9

10 Caractéristiques générales des transporteurs membranaires Paramètres de transport Vmax, Km Cinétique michaelienne V=Vmax x [S]/(Km+[S]) 10

11 Modulation de l activité des transporteurs L activité des transporteurs peut être inhibée par un grand nombre de composés inhibition compétitive (action au niveau du «drug binding site») inhibition non-compétitive (action en dehors du «drug binding site») Un inhibiteur peut inhiber plusieurs transporteurs Certains composés peuvent stimuler l activité des transporteurs possibilité pour un même modulateur d inhiber ou de stimuler un même transporteur selon le type de substrat Spécificité médiocre des inhibiteurs 11

12 Modulation de l activité des transporteurs Conséquences de l inhibition de l activité des transporteurs Interactions médicamenteuses (DDI) Interactions médicaments-aliments Toxicités (interaction avec le transport de substances endogènes) acides biliaires bilirubine 12

13 Expression tissu-spécifique des transporteurs Expression au niveau des organes et tissus impliqués dans les processus ADME Intestin Foie Rein Barrières hémato-tissulaires (BHE, placenta, testicule ) Expression large de certains transporteurs dans divers types cellulaires (ex: MRP1/ABCC1) cellules souches (pompes ABC) certaines cellules cancéreuses (résistance MDR) 13

14 Expression des transporteurs SLC et ABC dans les tissus épithéliaux From Sanjay K. Nigam, Nature Reviews Drug Discov

15 Expression différentielle dans les cellules polarisées épithéliales pôle apical/pôle basolatéral Giacomini et al, Nature

16 Expression différentielle dans les cellules polarisées épithéliales Barrière LCR/Sang (plexus choroïde) 16

17 Expression différentielle dans les cellules polarisées épithéliales Barrière placentaire (syncyotrophoblaste) 17

18 Régulation de l expression des transporteurs Par des xénobiotiques agonistes PXR, CAR régulation coordonnée avec les enzymes du métabolisme des xénobiotiques 18

19 Régulation de l expression des transporteurs Par des situations physiopathologiques inflammation (cytokines) hormones facteurs de croissance grossesse maladies Le Vée et al, Biochem Pharmacol,

20 Régulation post-traductionnelle des transporteurs Par ajout d un groupement glycosylation phosphorylation P-glycoprotein/ABCB1 D après M.M. Gottesman et I. Pastan,Annu. Rev. Biochem., 62, 385,

21 Polymorphismes génétiques des transporteurs Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) = mutation ponctuelle d une base conséquences sans modification de l activité du transporteur modification de l expression du transporteur modification de la sensibilité aux inhibiteurs fréquence variable selon l origine ethnique Maladies congénitales hyperbilirubinémie congénitale : Maladie de Dubin-Johnson (MRP2) pseudoxanthoma elasticum (MRP6) mucoviscidose (CFTR) CFTR = canal chlore 21

22 Classification des transporteurs SLC : Solute Carrier membranaires ABC : ATP-Binding Cassette DMT : Drug Metabolite Transporter RND : Resistance/Nodulation/Division MATE : Multidrug And Toxic compound Extrusion 22

23 D après O Fardel Classification des transporteurs membranaires Solute carrier (SLC) transporteurs transport passif facilité (diffusion facilitée concernant les composés hydrophiles) transport actif secondaire (couplage à un transport d ion/métabolite qui se fait selon son gradient de concentration) symport antiport ATP-binding cassette (ABC) transporteurs transport actif primaire (activité ATPase du transporteur) 23

24 D après O Fardel Orientation du transport 24

25 Transporteurs d intérêt en PK une quarantaine 25

26 SLC and ABC drug transporters that have been implicated in the handling of xenobiotics and drugs From Sanjay K. Nigam, Nature Reviews Drug Discov

27 LA SUPER-FAMILLE DES TRANSPORTEURS ABC 27

28 Transporteurs d efflux : la super-famille des transporteurs ABC Transport actif primaire (hydrolyse de l ATP/domaines NBD) Rôle dans excrétion de xénobiotiques Transporteurs ABC de xénobiotiques se répartissent dans 3 familles : ABCB (P-glycoprotéine) ABCC (MRPs) ABCG (ABCG2/BCRP) Structure: duplication ou dimérisation (half transporteurs/bcrp) 28

29 Structure moléculaire des transporteurs ABC MSD0 MSD1 MSD2 ABCC1,2,3 (MRP1,2,3) OUT IN NH 2 (a) OUT NBD1 NBD2 COOH ABCB1 (MDR1) ABCC4,5, 8 (MRP4,5,8) IN NH 2 NBD1 NBD2 (b) COOH OUT ABCG2 (MXR/BCRP/ABCP) (c) IN NH 2 NBD1 COOH 29

30 Transporteurs d efflux : la super-famille des transporteurs ABC ABC (ATP Binding Cassette) 49 transporteurs dont 9 de xénobiotiques Noms ABCA ABCB ABCC ABCD ABCE ABCF ABCG Anciens noms ABC1 MDR P-gp MRP ALD OABP GCN20 BCRP Membres Principaux transporteurs ABC de médicaments : ABCB1 - MRP2 - BCRP 30

31 Transporteurs d efflux : la super-famille des transporteurs ABC Exemple : P-glycoprotéine (P-gp) - Absorption intestinale des médicaments - Résistance aux anticancéreux - P-gp affecte la PK des xénobiotiques 31

32 ABCB1/MDR1 = P-glycoprotéine Pompe d efflux ABC la plus ancienne identifiée (Juliano et Ling, 1976) la mieux caractérisée et étudiée Double fonction Excrétion : intestin, foie, rein Protection : cerveau, placenta, testicules Implication dans les processus de résistance multiple aux médicaments anticancéreux (Multi-Drug Resistance=MDR) 32

33 ABCB1/MDR1 = P-glycoprotéine Implication dans les rechutes cliniques hémopathies malignes? 33

34 ABCB1/MDR1 = P-glycoprotéine Structure primaire (1279 acides aminés) Fixation d un ATP ouverture du pore D après M.M. Gottesman et I. Pastan,Annu. Rev. Biochem., 62, 385,

35 P-gp : Implications en PK (ADME) Giacomini et al, Nature

36 D après X Declèves P-gp : Implications en PK (ADME) Intestin Foie Cerveau Rein P-gp diminution des concentrations plasmatiques (sauf cerveau) 36

37 P-gp : médicaments substrats Anti-cancéreux Doxorubicine Paclitaxel Vincristine, vinblastine Inhibiteurs de tyrosine kinase Cardio-vasculaire Dabigatran Digoxine Quinidine Ivadrabine Anti-protéases du VIH Indinavir Nelfinavir Saquinavir Anti-diarrhéiques Lopéramide Antibiotiques Erythromycine Immunosuppresseurs Ciclosporine, tacrolimus Anti-inflammatoires Dexaméthasone Colchicine Inhibiteurs calciques Vérapamil Anti-histaminiques H1 Fexofénadine Anti-histaminiques H2 Cimétidine Antidépresseurs Amitriptyline Antalgiques Morphine, oxycodone Méthadone 37

38 P-gp : médicaments inhibiteurs Source d interactions médicamenteuses (IAM) Vérapamil, nifédipine Quinidine Tamoxifène Chlorpromazine Itraconazole, posaconazole, kétoconazole Ciclosporine Biodisponibilité orale et clairance biliaire Augmentation des concentrations plasmatiques 38

39 P-gp : implications en PK wt ( / ) and mdr1a( / ) ( / ) mice after oral (A) and i.v. (B) administration of paclitaxel (10 mg/kg) P-gp : biodisponibilité orale et excrétion active épithéliale du paclitaxel Alex Sparreboom et al. PNAS 1997;94:

40 P-gp : polymorphisme génétique SNP : C3435T fréquence allélique 45% baisse d expression de la P-gp CC : fort niveau d expression TT : faible niveau d expression S. Hoffmeyer et al. PNAS 2000;97:

41 P-gp : polymorphisme génétique S. Hoffmeyer et al. PNAS 2000;97:

42 Expression (protéine) Corrélation génotype-phénotype SNP : C3435T CC : fort niveau d expression TT : faible niveau d expression S. Hoffmeyer et al. PNAS 2000;97:

43 P-gp et absorption orale +38% SNP : C3435T Digoxine p.o. Cmax TT > Cmax CC S. Hoffmeyer et al. PNAS 2000;97:

44 Expression (protéine ds TD) Polymorphisme génétique et induction de la P-gp IAM : digoxine et rifampicine S. Hoffmeyer et al. PNAS 2000;97:

45 P-gp et induction 45

46 P-gp et cerveau Microdialyse de l hippocampe +PSC833 Schinkel et al, 1996 Boschi and Scherrmann, 2000 P-gp = rôle protecteur pour le cerveau PSC833 = inhibiteur de P-gp 46

47 ABCG2/BCRP Breast Cancer Resistance Protein Pompe d efflux ABC identifiée à partir d une lignée MDR mammaire (MCF7) non-p-gp et non- MRP1 (Doyle, 1998) Half-transporteur (Dimérisation?) 47

48 Localisation tissulaire ABCG2/BCRP 48

49 Topotecan BCRP et P-gp au sein de la BHE BRCP et P-gp travaillent en synergie pour protéger le cerveau Elacridar : inhibiteur de BCRP 49 Nienke A. de Vries et al. Clin Cancer Res 2007;13:

50 BRCP et concentration intracellulaire Dorina M. van der Kolk et al. Blood 2002;99:

51 LA SUPER-FAMILLE DES TRANSPORTEURS SLC 51

52 Transporteurs d influx : la super-famille des transporteurs SLC Diffusion passive facilitée ou transport actif secondaire Plus de 300 transporteurs SLC répartis en 51 familles Transporteurs d ions Na+ Ca2+ H+ Transporteurs de nutriments et métabolites Glucose Acides aminés Neurotransmetteurs Transporteurs de xénobiotiques 8 familles de SLC 52

53 Structure moléculaire des transporteurs SLC OUT IN NH 2 (a) SLC22 (OAT) SLC22 (OCT) COOH OUT IN NH 2 (b) SLCO (OATP) COOH 53

54 Transporteurs d influx : la super-famille des transporteurs SLC SLC (Solute Carriers) 51 familles et 362 membres actuellement identifiés chez l Homme environ 30 transporteurs de xénobiotiques SLC 1A1 EAATs Glutamate SLC 2A1 11 GLUT 1 11 Hexoses SLC 5A1/A2 SGLT ½ Hexoses SLC 7As L, A, N Acides aminés SLC 15A1/A2 PEPT1/T2 di-tripeptides SLC 16 A1 6 MCT 1 6 Acides carboxyliques SLC 21As (SLC0) OATPs Anions organiques SLC 22As OATs Anions organiques SLC 22As OCTs, OCTN1/2 Cations organiques SLC 29As ENTs Nucléosides 54

55 Transporteurs SLC: transport des médicaments OATP: 1B1-1B3-2B1 Substrats: statines et sartans Transport vectoriel avec MRP2 OAT: OAT2 Localisation: membrane baso-latérale des hépatocytes Transports d ANIONS endogènes (prostaglandine, urée) et exogènes (antibiotiques, antiviraux, methotrexate, AINS) OCT: OCT1 Principal transporteur dans le foie Excrétion hépatiques de nombreux CATIONS. 55

56 Transport et IAM Complexité de l hépatocyte Sang Nombreux transporteurs: influence sur l absorption, la distribution et l excrétion 56

57 Transporteurs et IAM Niveau hépatique Captation hépatique et excrétion biliaire du valsartan 57

58 Transporteurs et IAM Niveau hépatique Hépatocyte 58

59 Transporteurs et IAM Niveau rénal 59

60 Médecine personnalisée Médecine de précision patients ayant une réponse efficace au traitement patient traités population de patients avec une maladie 60

61 Médecine personnalisée Médecine de précision médicament/posologie adaptés selon le génotype et les caractéristiques clinico-biologiques de chaque patient réponse efficace au traitement pour la grande majorité des patients THERAPEUTIQUE PERSONNALISEE 61