Perioperative Medizin und Genetik

Individualisierte Medizin am InselspitalGenetik und Perioperative Medizin

Perioperative Medizin und Genetik

If it were not for the great variability

among individuals, medicine might as

well be a science and not an art.

Sir William Osler, 1892

Perioperative Medizin und Genetik

Cholinesteraseaktivität und Succinylcholin

SuC durch Plasmacholinesterase hydrolisiert

• Erbliche Defizienz für Cholinesterase

• 44 Mutationen des Butyrylcholinesterase Gens beschrieben

• A 209 G (Asp 70 Gly) „Dibucain-Punktmutation“ im Exon 2

reduziert die Bindungsaffinität

• Langanhaltende Muskelblockade nach einmaliger Injektion von Succinylcholin

• Häufigkeit 1 : 3500

Perioperative Medizin und Genetik

Maligne Hyperthermie (MH)

Lebensbedrohliche hypermetabole Stoffwechselstörung

–Azidose–Hyperkapnie–Hypoxämie–Rigor–Rhabdomyolyse–Elektrolytentgleisung–Herz-Kreislauf-Störungen–Fieber

Perioperative Medizin und Genetik

Maligne Hyperthermie (MH)

• Auslöser: volatile AnästhetikaSuccinylcholin

• Defekt der myoplasmatischen Ca-Homöostase• autosomal dominanter Erbgang

– Punktmutationen im Ryanodinrezeptor– z.B. ein Basenaustausch C 1840 T im RYR1 Gen

• Inzidenz 1 : 15.000 bis 1: 60.000

Komplexe Erkrankungen

Die meisten komplexen Erkrankungen haben einen komplexen genetischen Hintergrund.

Multiple genetische Faktoren tragen gemeinsam mit Umwelteinflüssen zu Inzidenz und Verlauf bei.

Zwillingsstudien

DNA Identität 50% 100%

Konkordanzrate ist gleich:

→ Krankheit eher umweltbedingt

zweieiig eineiig

Konkordanzrate eineiig > zweieiig:

→ Krankheit eher genetisch bedingt

Relatives Risiko für die Sterblichkeit Adoptierter

Leibliche Eltern Adoptierte

Sörensen et al. NEJM, 1988

Adoptiveltern

Tod durch Infektion RR = 6

RR = 1,2 Tod durch Infektion

Zwillingsstudien bei komplexen Erkrankungen

Diabetes mellitus Type 2 0,80 0,35

MI (Frauen) 0,44 0,14

MI (Männer) 0,39 0,26

Prostata-Carcinom 0,27 0,07

Epilepsie (idiopathisch) 0,69 0,14

Multiple Sklerose 0,28 0,03

Gaumenspalte 0,38 0,08

Schizophrenie 0,50 0,12

Bipolare Störung 0,60 0,10

Tuberculose 0,37 0,15

Konkordanzrateeineiig zweieiig

Häufige Varianten niedriger Penetranz

BRCA3 etc BRCA1, 2

1.5 10 Relatives Risiko

Gen-Identifikation

z.B. Brustkrebs

Das humane Genom

3,2 mrd. Basenpaare

etwa 25.000 Gene

Perioperative Medizin und Genetik

Genomic Variation: More than SNPs

• Exons, Introns1. Single Base Changes C G A T G C A A C T

C

2. Deletion/Insertion of Single Bases

ACGTCGCTGAG ACGTCG TGAG

• Introns, Exons1. Variable Length of Tandem Repeats

TAACGCGCGCGATGC TAACGCGATGC

TAACGATGC

2. Repeats of longer Motifs

TGACAAC...GTCATTAC...GTCATTAC...GCATTTAC...GTCATT

Perioperative Medizin und Genetik

Genomische Varianten: „Site matters!“

5´- -3´UTR -ATG- kodierende Region -ATA- UTR

Promotor

5´ untranslated region

3´ untranslated region

Stabilität der mRNA

Stabilität der mRNA

Regulation derTranskription

Mit oder ohne Aminosäureaustausch

-----------------------------------mRNA -----------------------------------

Start Stop

TelomerDP DQ DR HSP TNF A B C

Zentromer

Klasse III Klasse IHLA Klasse II

LT TNF TNF

Exon Intron

5’3’

-308 Guanin/Adenin

TNF LocusChromosom 6

CAT Reporter-Genkonstrukt TNF -308

B-Zelllinie, ex vivo

0

1000

2000

3000

Kontrolle TNF1 TNF2

pg CAT / mg Gesamtprotein

p<0.05

Perioperative Medizin und Genetik

TNF Plasmaspiegel und TNF Genotyp

0

100

200

300

400TNFpg/ml

B1/B1 B1/B2 B2/B2 TNF Genotyp

Stüber et al. Crit Care Med 1996, 24: 381

**

* p<0,001

Perioperative Medizin und Genetik

2001 SCCM/ESICM/ATS/SISINTERNATIONAL SEPSIS DEFINITIONS CONFERENCE

Present to be added in FuturePredisposition Preexist. Disease Genetic Polymorphisms

Infection Microb. Culture Microbielle Products: Toxins,

bacterial DNA

Response SIRS, CRP Biomarkers: Il-6, PCT, LBP „targets“: TNF, PAF,

Protein C (activated), ...

Organdysfunction Scores: Apoptosis, cellular stress SOFA, MODS, ... Hypoxia

The PIRO System for Staging Sepsis

Levy MM et al. Intensive Care Med (2003) 29:530.538

Perioperative Medizin und Genetik

Perioperative Inflammationand Complications

Meiler et al.Journal of Anesthesia Safety Foundation 2004,19:3-7

InflammationRisk ofComplication

postoperative(Weeks, Month)

Time

Intraoperative(hours)

preoperative

Perioperative Medizin und Genetik

IL-6 Promoter-Polymorphismus assoziiert mit Vorhofflimmern nach ACB

0

10

20

30

40

-174 GG -174 GC/CC

* *p<0.05 n=110

Gaudino M et al., Circulation 2003, 21(9):1458

Häufigkeitvon VHF

%

Genomische Assoziationsstudie EPI 2Kardioanästhesie (ACB)

0 200 400 600 800

Andere

Europa

USA

Kanada

Patienten ∑ = 1250

IREF / McSPI

Genetische Prädisposition für Komplikationen bei kardiochirurgischen Patienten: EPI-2 Studie

Studiendesign

• Assoziationsstudie im Fall-Kontroll-Design (n=1250)

• Kandidatengene aus 4 Bereichen

Koagulation, Inflammation, Lipidmetabolismus, Membranintegrität (140 Kandidaten-SNPs)

• Genomische Kontrollen (70 SNPs)

Perioperative Medizin und Genetik

Mögliche Kandidatengene Kardioanästhesie

• Katecholaminrezeptoren (z.B. 1,2)

• Glykoproteine auf Thrombozyten

• (Pro- und Anti-) koagulatorische Faktoren

• Zytokine/ -rezeptoren

• Signaltransduktionsmoleküle

• Ionenkanal-Proteine

Perioperative Medizin und Genetik

IL-6 Promoter Polymorphismus nicht mit Vorhofflimmern nach ACB assoziiert !

p>0.05 n=1250

Stüber, McSpi et al., 2009

Häufigkeitvon VHF

%

0

10

20

30

40

-174 GG -174 GC/CC

Khor et al. Nature Genetics; 2007 (39): 523 - 528

TLR2 and TLR4 signal through MAL (MyD88 adaptor like)

Barber et al. J Burn Care Res. 2007 ;28(2):205-11.

Multiple Genetische Faktoren bestimmen das Risiko

Barber et al. J Burn Care Res. 2007 ;28(2):205-11.

ROC für Risikofaktoren für Komplikationen bei Verbrennung

Menges et al., CCM, May 2008

Schwere Sepsis nach Trauma

TNF Haplotypen

Menges et al., CCM, May 2008

Menges et al., CCM, May 2008

Genetik und Pathophysiologie der Sepsis

Assoziation mit TNF Plasmaspiegeln

Menges et al., CCM, May 2008

Trauma: Sepsis vs Keine Sepsis

Genetischer Marker als Risikofaktor: Sterblichkeit

Menges et al., CCM, May 2008

TOLL Like Rezeptor 4 Haplotypen

Shalhub: J Trauma, Volume 66(1).January 2009.115-123

Trauma und Schwere Sepsis

Shalhub: J Trauma, Volume 66(1).January 2009.115-123

Genetische Risikofaktoren: TLR4

Shalhub: J Trauma, Volume 66(1).January 2009.115-123

ARDS und ACE Varianten

Genotyp p

Frequenz of D Allele (95% CI)

II ID DD

ARDS 9

(0.09)43

(0.45) 44 (0.46) 0.69 (0.61–

0.75)

CABG 40 (0.23)

90 (0.52)

44 (0.25)  0.0009 0.51 (0.46–0.56)

ICU 31 (0.35)

36 (0.41)

21 (0.24) 0.00008 0.44 (0.37–0.52)

Healthy population

459 (0.24)

949 (0.50)

498 (0.26) 0.00004 0.51 (0.49–0.53)

Marshall et al. AJRCCM 2001

Schwere Sepsis

Sepsis-induziertes ARDS

Villar et al., Intensive Care Med. 2008 Mar;34(3):488-95

Risiko für Bakteriämie: NOD2

Henckaerts: Crit Care Med, Volume 37(1).January 2009.192-e3

Qualität der Studien, n=76

Clark MF & Baudouin SV (2006) Intensive Care Med 32:1706-12

Signifikante Ergebnisse ?

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

10 40 80 95

RR 4

RR 1,5

RR 1,1

RR 1,01

% Power; =0.05

Patientenzahl

Microchip

S

Hybridisierung der DNA

Example of good clustering

Example of poor clustering

Qualitätskriterien für Genotypisierung

• Allelhäufigkeit der Variante > 0.10

• Call Rate (CR) > 0.98

• Abweichung vom Hardy-Weinberg Gleichgewicht: p > 1E-5

• Visuelle Inspektion der Cluster

Analyse vor Anwendung der Qualitätskriterien

Analyse nach Anwendung der Qualitätskriterien

Genetisch-epidemiologische Assoziationsstudie

• Primärer Endpunkt: Mortalität

• Sekundärer Endpunkt: Morbidität (Organversagen)

• Schwere Sepsis durch:

1. Peritonitis

2. Nekrotisierende Pankreatitis

3. Ambulant erworbene Pneumonie

4. Meningokokkensepsis

2001 SCCM/ESICM/ATS/SISINTERNATIONAL SEPSIS DEFINITIONS CONFERENCE

Heute Künftig Prädisposition Vorerkrankung Genetische Prädisposition ?

Infektion Mikrob. Kultur Mikrobielle Bestandteile: Toxins,

bakterielle DNA

Reaktion SIRS, CRP Biomarker: Il-6, PCT

Organdysfunktion Scores: Apoptose, Zellstress, Redox StatusSOFA, MODS, ...

Das PIRO System: „Staging“ Sepsis

Levy MM et al. Intensive Care Med (2003) 29:530.538

Results of genetic testing in a hypothetical patient in 2010 and updated estimates of relative risks

Lancet – 39 (2005)

Perioperative Risk:BronchospasmBleedingAllergyHemodyn. InstabilityInflammationInfection…

Taylor the Perfect Perioperative Treatment:

• Pharmacogenetics (Cytochrome P450: Metabolism)

• Drug Receptors

• Inflammation!

• Adverse events (i.e. bleeding, allergic reaction, infection ..)