Pharmacogénétiquedes transporteurs de médicaments

Laurent ChouchanaPharmacologie, Hôpital Cochin, AP-HP

4 mars 2015

UE PPT-7 Variabilité pharmacologique de la réponse aux médicaments

Xénobiotique

O2 OH

Phase I

ex:

cytochromes

P450 (CYP)

Phase I : fonctionnalisation

ex: GST

OH O

Phase II

Phase II : conjugaison

ELIMINATION

ex: P-gP

O

Phase III

Phase III : expulsion du xénobiotique inchangé ou du métabolite (transport)

ex: MRP

Métabolisme des xénobiotiques : principales étapes

2

INTESTIN

(enterocyte)

FECESEXPOSITION

ORALE SecretionAbsorption

FOIE

(hepatocyte)

BILE

Efflux

Captation

Excretion

BHE

(Barrière hémato-

encéphalique)

Efflux Captation CERVEAU

REIN

(tubule proximal)

URINE

Secretion

Ré-absorption

Filtration

Circulation

sanguine

D’après JM Scherrmann, Comprehensive Med Chem, 2007

Les transporteurs : phase III

3

Problématique du passage transmembranaire

• 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)

4 Nécessité des transporteurs membranaires

Membrane plasmiqueinterface milieu ext./intracell.bicouche phospholipidique

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

Les transporteurs membranairesDéfinition

• 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 transmembranairedifférences 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

Les transporteurs membranaires

7

Structure des transporteurs membranaires

• Domaines extracellulaires• Domaines transmembranaires• Domaines intracellulaires

8

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 / substrat9

Caractéristiques générales des transporteurs membranaires

• Paramètres de transport

– Vmax, Km

• Cinétique michaelienne V=Vmax x [S]/(Km+[S])

10

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 « drugbinding 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 inhibiteurs11

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

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

Expression des transporteurs SLC et ABC dans les tissus épithéliaux

14From Sanjay K. Nigam, Nature Reviews Drug Discov. 2015

Expression différentielle dans les cellules polarisées épithéliales

15

pôle apical/pôle basolatéral

Giacomini et al, Nature 2010

Expression différentielle dans les cellules polarisées épithéliales

16

Barrière LCR/Sang (plexus choroïde)

Expression différentielle dans les cellules polarisées épithéliales

17

Barrière placentaire (syncyotrophoblaste)

Régulation de l’expression des transporteurs

• Par des xénobiotiques – agonistes PXR, CAR… – régulation coordonnée avec les enzymes du métabolisme

des xénobiotiques

18

Régulation de l’expression des transporteurs

• Par des situations physiopathologiques– inflammation (cytokines) – hormones– facteurs de croissance– grossesse– maladies

19Le Vée et al, Biochem Pharmacol, 2011

Régulation post-traductionnelle des transporteurs

• Par ajout d’un groupement– glycosylation– phosphorylation

20

P-glycoprotein/ABCB1

D’ après M.M. Gottesman et I. Pastan,Annu. Rev. Biochem., 62, 385, 1993

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)

21CFTR = canal chlore

Classification des transporteurs membranaires

• SLC : Solute Carrier

• ABC : ATP-Binding Cassette

• DMT : Drug Metabolite Transporter

• RND : Resistance/Nodulation/Division

• MATE : Multidrug And Toxic compound Extrusion

22

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

D’a

prè

s O

Fa

rdel

Orientation du transport

24

D’a

prè

s O

Fa

rdel

Transporteurs d’intérêt en PKune 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. 2015

LA SUPER-FAMILLE DES TRANSPORTEURS ABC

27

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 (halftransporteurs/BCRP)

28

(b)

(a)

MSD1MSD0 MSD2

NBD2COOH

NBD1

ABCC1,2,3

(MRP1,2,3)

NH2

(c)

OUT

IN

COOH

ABCB1

(MDR1)

ABCC4,5, 8

(MRP4,5,8)NH2

NBD2

OUT

INNBD1

NH2

ABCG2

(MXR/BCRP/ABCP)

COOH

OUT

INNBD1

Structure moléculaire des transporteurs ABC

29

Transporteurs d’efflux :la super-famille des transporteurs ABC

ABC (ATP – Binding Cassette)

• 49 transporteurs dont 9 de xénobiotiques

http://nutrigene.4t.com/humanabc.htm

NomsABCA ABCB ABCC ABCD ABCE ABCF ABCG

Anciens

noms

ABC1 MDR

P-gp

MRP ALD OABP GCN20 BCRP

Membres 14 11 13 4 1 3 5

Principaux transporteurs ABC de médicaments :ABCB1 - MRP2 - BCRP

30

Transporteurs d’efflux :la super-famille des transporteurs ABC

31

P-glycoprotéine (P-gp)

- Absorption intestinale des médicaments

- Résistance aux anticancéreux

Exemple :

- P-gp affecte la PK des xénobiotiques

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

ABCB1/MDR1 = P-glycoprotéine

• Implication dans les rechutes cliniques

– hémopathies malignes ?

33

ABCB1/MDR1 = P-glycoprotéine

34D’ après M.M. Gottesman et I. Pastan,Annu. Rev. Biochem., 62, 385, 1993

Structure primaire (1279 acides aminés)

Fixation d’un ATP ouverture du pore

P-gp : Implications en PK (ADME)

35Giacomini et al, Nature 2010

P-gp : Implications en PK (ADME)

36

Intestin Foie Cerveau Rein

P-gp diminution des concentrations plasmatiques (sauf cerveau)

D’a

prè

s X

De

clè

ve

s

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

P-gp : médicaments inhibiteurs

• Vérapamil, nifédipine• Quinidine• Tamoxifène• Chlorpromazine• Itraconazole, posaconazole, kétoconazole• Ciclosporine

38

Biodisponibilité orale et clairance biliaire Augmentation des concentrations plasmatiques

Source d’interactions médicamenteuses (IAM)

Alex Sparreboom et al. PNAS 1997;94:2031-2035

wt (•/▴) and mdr1a(−/−) (○/▵) mice after oral (A) and

i.v. (B) administration of paclitaxel (10 mg/kg)

P-gp : implications en PK

P-gp : biodisponibilité oraleet excrétion active épithéliale du paclitaxel

39

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;97:3473-347840

P-gp : polymorphisme génétique

41S. Hoffmeyer et al. PNAS 2000;97:3473-3478

Corrélation génotype-phénotype

SNP : C3435TCC : fort niveau d’expressionTT : faible niveau d’expression

S. Hoffmeyer et al. PNAS 2000;97:3473-3478

Ex

pre

ssio

n (

pro

téin

e)

42

P-gp et absorption orale

SNP : C3435TDigoxine p.o.Cmax TT > Cmax CC

S. Hoffmeyer et al. PNAS 2000;97:3473-3478

+38%

43

Polymorphisme génétiqueet induction de la P-gp

S. Hoffmeyer et al. PNAS 2000;97:3473-3478

Expre

ssio

n (

pro

téin

e d

sT

D)

IAM : digoxine et rifampicine

44

P-gp et induction

45

P-gp et cerveau

46

PSC833 = inhibiteur de P-gp

Microdialyse de l’hippocampe

+PSC833

P-gp = rôle protecteurpour le cerveau

Boschi and Scherrmann, 2000Schinkel et al, 1996

ABCG2/BCRPBreast 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

Localisation tissulaire ABCG2/BCRP

48

Nienke A. de Vries et al. Clin Cancer Res 2007;13:6440-6449

BCRP et P-gp au sein de la BHETopote

can

BRCP et P-gp travaillent en synergie pour protéger le cerveau

Elacridar : inhibiteur de BCRP 49

Dorina M. van der Kolk et al. Blood 2002;99:3763-3770

BRCP et concentration intracellulaire

50

LA SUPER-FAMILLE DES TRANSPORTEURS SLC

51

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

COOH

(a)

(b)

NH2

NH2

COOH

OUT

IN

OUT

IN

SLC22

(OAT)

SLC22

(OCT)

SLCO

(OATP)

Structure moléculaire des transporteurs SLC

53

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

http://www.genenames.org/cgi-bin/search

Transporteurs d’influx :la super-famille des transporteurs SLC

54

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.

Transporteurs SLC: transport des médicaments

55

Sang

Nombreux transporteurs: influence sur l’absorption, la distribution et l’excrétion

Transport et IAMComplexité de l’hépatocyte

56

Transporteurs et IAMNiveau hépatique

57

Captation hépatique et excrétion biliaire du valsartan

Transporteurs et IAMNiveau hépatique

58

Hépatocyte

Transporteurs et IAMNiveau rénal

59

60

patient traités

population de patients avec une maladie

patients ayant une réponse efficace au traitement

Médecine personnaliséeMédecine de précision

61

THERAPEUTIQUE PERSONNALISEE

médicament/posologie adaptés selon le génotype et les

caractéristiques clinico-biologiques de chaque patient

réponse efficace au traitement pour la grande majorité des

patients

Médecine personnaliséeMédecine de précision