药物不良反应的遗传机制

一、药物代谢酶基因多态性

迄今为止，已有超过20种药物代谢酶被发现具有显著的基因多态性，其发生频率在不同种族间呈现种族差异。这些代谢酶主要包括Ⅰ相酶（主要是CYP450）和Ⅱ相酶（包括葡萄糖醛酸转移酶、N-乙酰基转移酶、磺基转移酶、谷胱甘肽转移酶），代谢酶编码基因的多态性通常导致酶活性的降低或丧失，偶尔可导致酶活性增加。基因多态性的存在可能带来底物特异性识别的改变，这已在CYP2D6和CYP2C9上得到证实表5-3，一般来说，药物代谢酶遗传变异通过以下一种或多种机制导致药物不良反应发生（以下机制不相互排斥）：

1.代谢酶活性下降引起血药浓度上升，进而导致浓度依赖性药物不良反应。

2.代谢酶活性丧失导致代谢通路改变，进而导致药物不良反应。

3.由母药代谢为活性代谢产物进而发挥药效的药物在代谢酶活性增加时，可产生超强药物反应。

4.活性代谢产物形成的个体差异可导致特异质的药物毒性。

5.活性代谢产物的生物失活途径减弱可造成药物自身解毒通路失效。

二、药物代谢缺陷引起的药物不良反应

与药物代谢酶CYP2C9基因多态性相关的抗凝药华法林剂量依赖性出血是药物代谢缺陷引起的剂量依赖性中毒的典型案例。作为预防房颤病人栓塞并发症的首选药物，华法林在临床上应用广泛，其主要不良反应是出血，发生率介于10%～24%，1.2%～7%的病人可发生严重而威胁生命的大出血。出血倾向增加的同时伴随着药物抗凝效果的增强。研究发现，把国际标准化比值（INR）控制在临床目标范围（2～3）之内所需的华法林剂量可相差10～50倍。华法林是一种手性药物，其S-华法林的抗凝效果是R-华法林的3倍，是抗凝的主要有效成分。S-华法林由细胞色素P450家族的CYP2C9所代谢，CYP2C9基因存在多种遗传变异，主要是CYP2C9*2和CYP2C9*3，该突变导致药物代谢的活性下降为野生型的5%～12%。因此，在这部分基因突变的个体中，所需的华法林剂量必须降低才能保证既安全又有效的抗凝作用。如果缺乏必需的基因检测，这部分突变病人的华法林起始剂量的使用将非常困难，且面临极大的出血风险。但目前将CYP2C9基因检测列为使用华法林前的临床唯一常规检查仍然存在不成熟的地方，因为以下3个理由：①即使在同一种基因型的患者群体中仍然存在显著的个体间差异，即使患者同为CYP2C9*3的突变者，剂量的需求仍有很大不同；②华法林代谢-效应通路上的多种基因可以影响华法林的剂量，如华法林作用的靶点维生素K环氧化物还原酶（VKORC1）也是影响华法林日常剂量的重要因素；③遗传因素和环境因素的交互作用也可能影响华法林的剂量，如日常饮食中维生素K的摄入量的多少可能对华法林的剂量需求造成一定影响，尚未证实。综合遗传和环境因素对华法林剂量的影响非常必需，Sconce等综合分析了年龄、体重、CYP2C9*2、CYP2C9*3和VKORC1（－1639G>A）的影响，可解释临床55%的华法林正确剂量。在另一项涉及1 015名受试者的研究中，研究者量化了影响华法林治疗剂量的多个遗传和非遗传因子，将各种影响因素和华法林剂量之间的关系整理为以下数学公式：VKORC1基因多态性-1639/3673 G>A（－28%等位基因），体表面积（＋11%每0.25平方米），CYP2C9*3（－33%等位基因），CYP2C9*2（－19%等位基因），年龄（－7%每10年），目标国际标准化比率（＋11%每0.5个单位增长量），胺碘酮的使用（－22%），吸烟（＋10%），种族（－9%），当前血栓形成（＋7%）。推广华法林的正确剂量以避免出血等不良反应，并以此为基础创建了一个非赢利的软件和网站（http：//www.WarfarinDosing.org），供临床工作者免费使用。该成果具有划时代的意义，它第一次以量化模型的方式结合遗传和非遗传因素，使个体化用药真正推向临床应用。

免疫抑制药环孢素和他克莫司是应用于器官移植术后的一线用药，对于预防移植排斥反应起了革命性的作用。尽管如此，由于环孢素和他克莫司的治疗指数相对较窄、个体间药动学差异较大，移植急慢性排斥反应和肾毒性的发生率仍然十分惊人。据《中华器官移植杂志》2001年大样本抽样调查统计，肾移植术后超急性排斥发生率为2.19%，急性排斥（AR）为21.4%，慢性排斥（CR）为17.9%，急性肾衰竭（ARF）为13.3%，死亡率约29.5%。环孢素和他克莫司具有相似的代谢通路，均为CYP3A所代谢，其中CYP3A5*3基因多态性的作用最为重要。研究者发现环孢素和他克莫司所需的剂量在CYP3A5*1/*1和*1/*3中显著高于CYP3A5*3/*3，血药浓度/剂量的比值在CYP3A5*1携带者明显低于CYP3A5*3突变纯合子，且CYP3A5*1携带者调整到目标浓度所需的时间更长，急性移植排斥的发生率显著升高。

药物Ⅱ相代谢酶同样受到研究者的关注。例如，慢乙酰化个体早已被证实和柳氮磺吡啶引起的呕吐反应、异烟肼引起的外周神经毒性、普鲁卡因胺引起的系统性红斑狼疮有关。近年来，在Ⅱ相代谢酶葡萄糖醛酸转移酶（UGT）上发现了大量具有功能意义的基因多态性。一项研究分析了抗帕金森病药物托卡朋引起的肝毒性反应和12个候选基因的功能突变之间的关系，证实UGT1A基因的Ala181和Ser184位点发生突变是导致肝毒性的主要原因，而UGT1A正是负责将托卡朋进行葡萄糖醛酸化代谢解毒的主要Ⅱ相代谢酶。但该研究的缺陷在于将肝毒性定义为转氨酶升高为正常值的1.5倍以上，纳入研究的许多老年人本身具有一定的肝功能受损，而并非由托卡朋引起。另一项研究证实UGT1A1的基因型与抗肿瘤药物依利替康的药效学之间存在着显著相关性。有学者针对118名服用依利替康的日本癌症患者进行了病例对照研究，在这118人中有26人发生了严重不良反应（发生频率为22%），包括4级粒细胞减少，4级血样便腹泻或脱水，3级水样便腹泻。在出现严重不良反应的26人中，发生UGT1A1*28突变的有12人（46%，其中纯合子4人，杂合子8人），另外没有发生不良反应中的92人中有13人是UGT1A1*28的突变的个体（14%），没有发现UGT1A1*29和UGT1A1*7突变的个体。多元分析提示，发生了UGT1A1*28突变的纯合子和杂合子的个体发生严重不良反应的风险极大的增加了（约7倍）。UGT1A启动子区的基因多态性还被证实与预防和治疗支气管哮喘及过敏性鼻炎的抗过敏药物曲尼司特引起的高胆红素血症有关，曲尼司特使用者约12%将发生高胆红素血症的不良反应，UGT1A基因TA7/TA7基因型在127名曲尼司特引起的高胆红素血症的个体中发生率高达约40%，而909名对照人群的发生率仅为7%（P=2×10-22）。

三、代谢酶活性丧失导致代谢通路改变

某些药物的解毒代谢通路缺失可能导致药物经过另一代谢通路代谢而产生有毒性的代谢产物。解热镇痛药非那西丁的代谢就属于这种情况，该药因为可引起肾毒性、致癌和高铁血红蛋白血症而被英国从市场上撤出。非那西丁首先由CYP1A2氧位脱乙基化生成对乙酰氨基酚，然后结合葡萄糖醛酸、磺基和谷胱甘肽经尿液排出体外。CYP1A2基因存在多种导致代谢活性下降的基因突变，如CYP1A2*11突变可导致非那西丁的氧位脱乙基化途径受阻。Peters等在CYP1A2基因敲除小鼠中证实非那西丁母药具有明显的毒性和致癌性，还发现CYP1A2的代谢可降低非那西丁对肝、肾、脾的毒性，证实了CYP1A2在非那西丁解毒中的重要作用，推断CYP1A2活性的丧失可能导致非那西丁的其他代谢通路增强，导致药物的肝肾毒性和致癌性增加。

四、功能增强的基因多态性与药物不良反应

某些药物本身无活性，通过生成活性代谢产物而发生药理和毒性效应。如镇痛药可待因，约10%的可待因经CYP2D6代谢发生氧位脱甲基化生成吗啡而发挥止痛作用。因此，CYP2D6的弱代谢者使用可待因无效，而占人群总数1%～30%（因种族而异）的CYP2D6超快代谢者可代谢产生超过治疗剂量所需的吗啡，而增加呼吸道、精神心理和瞳孔方面不良反应的发生率。该研究需要进一步在超快代谢者中进行特定研究来证实。

五、毒性代谢产物生成的个体差异

许多特异质的药物毒性反应并非由母药本身造成，而是由母药活化形成的具有毒性或化学活性的代谢产物造成，这些毒性代谢产物本可在绝大多数人中被正常生物转化失活而解毒。但是对于某些特定个体而言，某些基因在药物活化-失活的平衡中发挥重要作用，一旦发生遗传变异将可能使该平衡被打破，毒性代谢产物的结合和解毒发生障碍，从而引起形式多样的药物毒性反应，如致癌性、致畸性、坏死和超敏反应等。经此途径发生药物不良反应的经典案例是常与甲氧苄啶合用的磺胺甲基异唑（SMX），常用于尿路感染和免疫抑制病人的肺囊虫肺炎的治疗。SMX在体内代谢完全，主要代谢途径包括N-乙酰化、葡萄糖醛酸化、N-羟化和5-羟化。虽然经CYP2C9代谢形成的羟胺，并进一步氧化生成亚硝基代谢产物只是SMX的次要代谢途径，却与SMX的超敏反应关系密切。在HIV阴性个体中，慢乙酰化表型将成为超敏反应形成的高危因子，因为慢乙酰化使药物的N-乙酰化代谢减慢，从而使更多的SMX经过毒性代谢途径生成有毒的羟胺产物。

六、毒性代谢产物的解毒能力降低

毒性产物可通过非酶途径进行解毒，如与谷胱甘肽结合。但更多情况下，解毒是由酶类所介导，在这方面谷胱甘肽-S-转移酶（GST）受关注程度最高，主要体现在吸烟等环境致癌因素的解毒方面。但GST超家族存在明显的遗传多态性，也可能对药物不良反应的发生具有重要作用，我们从以下3个例子来说明：

1.曲格列酮是一类新型的治疗糖尿病药物，因其可导致严重甚至致命的肝毒性而被FDA从市场上撤出。一项110名应用曲格列酮的日本人群临床研究分析了51个候选基因上的68个基因多态性，发现曲格列酮所致的转氨酶升高和GSTM1和GSTT1同时沉默基因型存在强相关性。

2.顺铂是一种广泛应用于治疗上皮细胞恶性肿瘤的药物，耳毒性是顺铂的主要不良反应之一，与氧化应激有关。一项针对顺铂致耳毒性病人的临床研究表明，GSTM3*B基因突变的携带者发生耳毒性的可能性较低，是使用顺铂的患者的遗传保护因子。

3.他克林是一种乙酰胆碱酯酶抑制药，可改善脑的代谢功能，增强认识能力，用于治疗阿尔茨海默病。使用他克林的病人约50%可发生转氨酶升高。法国人群的一项研究表明，同时具有GSTM1和GSTT1遗传缺陷的患者发生肝毒性和转氨酶升高的风险最大。

七、转运体遗传变异与药物不良反应

药物转运蛋白介导了药物泵入或泵出细胞膜的过程，因此对调节药物的吸收、分布和排泄起重要作用。诸多泵入型和泵出型转运体的功能已被逐渐揭示，许多基因多态性对药物的影响也被日益发现。

总的来说，泵出型转运体可通过以下几方面影响药物的毒性作用：泵出型转运体功能减弱将导致药物的口服生物利用度增加，肾和胆汁管对药物的排泄减少，从而引起既定剂量药物的血浆浓度增加，可能的剂量依赖性药物不良反应也相应增加。泵出型转运体功能增强将起到相反的作用，引起所需药物剂量增加；细胞膜上的泵出型转运体活性减低将增加细胞内的药物浓度聚集，从而导致药物的细胞毒性，例如依赖于目的细胞内药物聚集而发挥作用的抗肿瘤药物。泵入型转运体则主要通过以下方面影响药物的毒性作用：主要体现在当泵入型转运体功能减低时，药物不能顺利摄取进入肝、肾等器官进行排泄，导致既定剂量药物的外周血药浓度增加，从而引起剂量依赖性的药物毒性反应。

研究最多的转运体是p-糖蛋白，隶属于ATP结合转运体家族，由MDR1（或ABCB1）基因所编码。许多抗癌药物、心血管药物、免疫抑制药物、糖皮质激素和抗反转录病毒药物已被证实是MDR1转运的底物。MDR1基因26号外显子区C3435T基因多态性的研究有较多报道，许多药物不良反应被发现与该基因多态性或MDR1基因上的其他位点有关（表5-5）。

表5-5　MDR1基因多态性相关的药物不良反应

光感受器特异性ATP结合转运体基因（ABCA4）基因变异被证实与黄色斑点状眼底合并黄斑变性以及老年性黄斑变性有关，均为视网膜色素上皮细胞和视网膜神经元相关的眼部疾病。Shroyer等在8名视网膜病变的病人中发现其中5人携带ABCA4错意突变，显著高于对照人群。

有机阴离子转运多肽OATP1B1是一种特异性分布于干细胞基底膜上的泵入型转运体，由SLCO1B1基因所编码，参与雌激素、甲状腺激素、利福平、他汀类降脂药等多种内外源性物质的肝脏摄取过程。一项全球多个实验室共同合作完成的研究表明，OATP1B1基因的T521C基因多态性是他汀类药物的主要不良反应横纹肌溶解的独立决定因子，对于预测和预防他汀类的肌毒性具有重要意义。

有机阳离子转运体OCT1和OCT2分别参与口服降糖药二甲双胍的肝和肾的摄入转运，目前已证实OCT1基因的C1022T，C848T突变和OCT2基因的G808T突变分别与二甲双胍的药动学和降糖效应关系密切，可能是造成二甲双胍的“原发性耐药”和高血糖不能控制的原因之一。

八、免疫系统遗传多态性

从症状学判断许多类型的药物不良反应受免疫系统所介导，如位于人类基因组第6号染色体短臂上的人类白细胞抗原复合物（HLA）与免疫系统相关药物不良反应关系十分密切。最初的研究建立于用药后的血清学分型基础上，如金制剂和青霉胺。但因为血清学分型方法对人类主要组织相容性抗原复合物（MHC）等位基因的鉴别相对不敏感，导致许多早期研究呈现相互矛盾，结果也并非完全可信。随着人类基因组的完成和MHC基因序列的完全清楚，我们现在对于MHC的结构的复杂性有了新的认识。随着高通量分型手段的应用和对于区域连锁不平衡理解的逐渐深入，研究者已经在该领域取得了一系列显著的成就。

阿巴卡韦是一种强效的HIV-1反转录酶抑制药，但却因约5%的过敏反应发生率令医生和病人困扰。发生过敏反应时病人常因皮疹、胃肠道或呼吸道症状而痛苦不堪，尤其在再次用药时严重者甚至可导致死亡。Mallal等进行的一项深入研究发现，MHC基因的HLA-B*5701，HLA-DR7，HLA-DQ3组成的单倍型与阿巴卡韦导致的过敏反应呈强相关，危险度优势比>100。Mallal等建议在白种人中对HLA-B*5701组成的单倍型进行基因分型对于临床上应用阿巴卡韦治疗的安全性具有重要意义。一项针对3个人群的Meta分析研究表明，每查明8例HLA-B*5701阳性的患者才能成功预防1例阿巴卡韦过敏，而根据比例分布计算，需要48例患者参加基因检测。由于种族差异的存在，目前尚无黑人和亚洲人群的数据，因此要想把基因型检测作为预防阿巴卡韦过敏的必须临床检测还有相当距离。

卡马西平（CBZ）是一种应用广泛的抗惊厥药，约10%的用药者可发生过敏性皮疹，严重者可发展成危险的甚至致命的皮肤反应（史蒂文斯-约翰逊综合征和中毒性表皮坏死溶解症，即SJS/TEN），可导致永久性残疾甚至死亡。在欧美国家进行的针对卡马西平导致SJS/TEN的整体评估显示，SJS/TEN发生率只有1/万→6/万。但根据世界卫生组织（WHO）和卡马西平制药商收到的上市药品不良事件报道显示，一些亚洲国家出现SJS/TEN的概率大约要高出10倍。欧洲、中国台湾和中国香港以中国汉族人群为对象的研究显示，SJS/TEN风险的增加与HLA-B*1502有非常显著的联系，危险度优势比=1 357，即HLA-B*1502突变携带者发生SJS/TEN的风险增加1 357倍。在中国、泰国、马来西亚、印度尼西亚和菲律宾部分地区，7%～15%的患者可能携带HLA-B*1502，远高于欧美人群的发生率2%。患者在开始使用卡马西平治疗之前，应进行HLA-B*1502等位基因检测，如经检测结果呈阳性，则不宜使用卡马西平，除非药品的预期收益明显大于严重皮肤反应风险的增加。服用卡马西平长达数月而未出现皮肤反应的患者则因卡马西平引起SJS/TEN的风险较低，也可以包括HLA-B*1502阳性携带患者。

药物不良反应的发生与MHC基因存在相关性并非意味着该药物不良反应必然为免疫系统所介导，也可能是与MHC基因存在连锁不平衡的其他类型基因所引起。以治疗难治性精神分裂症的抗精神病药物氯氮平为例，约1%的使用者可发生粒细胞缺乏症（CA）。研究发现，CA的发生与在犹太人和非犹太人中分别与HLA基因单倍型DRB1*0402、DQB1*0302、DQA1*0301和HLA-DR*02、DQB1*0502、DQA1*0102有关，起先人们认为是种族差异和连锁不平衡导致了在不同人群间的致病因素不同。后来，研究发现新的非免疫相关的候选基因HSP-70和TNF-α在两个种族中都与氯氮平引起的CA有关，并且这一结果在德国人群中也得到验证，说明氯氮平引起的CA可能并非免疫机制所介导（表5-6）。

表5-6　免疫系统HLA基因多态性引起的部分药物不良反应

又如应用抗反转录病毒治疗（HAART）可显著提高HIV患者的生存率，但HAART治疗可发生新的药物副作用-脂质营养不良，表现为脂肪分布和代谢异常的综合征，可发生胰岛素抵抗和高脂血症。Maher等研究发现TNF-α基因启动子区-238位的一个单核苷酸多态性的发生率在发生脂质营养不良的HIV患者中显著高于无不良反应者。澳大利亚人群的研究证实TNF-α基因-238位突变加快了脂质营养不良的发病时间。虽然TNF基因位于MHC内，但该药物不良反应很明显与免疫反应无关，而是与TNF-α基因对脂肪细胞和骨骼肌的多重作用有关。

九、受　体

药物受体基因的遗传变异可对药物的疗效和毒性产生显著影响。多数药物受体的遗传药理学和药物基因组学研究集中于中枢神经系统疾病，如多巴胺能、5-羟色胺能、肾上腺素能、组胺能信号通路系统对于药物疗效和毒性的影响已被广泛加以研究。如氯氮平可导致明显的体重增加、迟发性运动障碍和粒细胞缺乏症，许多难治性精神分裂症病人由于不良反应而依从性降低，或者换用其他药物治疗。据分析，氯氮平致体重增加的发生率为13%～85%，Basile等研究发现抗精神病药物引起的体重增加是多重神经递质和受体交互作用的结果，他们推测氯氮平通过结合下丘脑控制饱食感的受体而调节体重。在9个中枢神经系统受体候选基因中，5-HT2c基因启动子区的C759T位点发现可改变该受体的表达水平进而与氯氮平导致的体重增加有关。

迟发性运动障碍（TD）是抗精神病药物的又一严重不良反应，表现为舌、唇、口和躯干的异常不自主的缓慢不规则运动，多为不可逆性损害且治疗较为困难，预防它的发生十分重要。TD的发生机制尚未完全明了，但多巴胺能受体过度兴奋可能在其中起一定作用，Lerer等综合大量已发表的数据发现多巴胺受体3基因的Ser9Gly基因多态性可显著改变多巴胺与受体的亲和力。此外，药物代谢酶CYP1A2、CYP2D6和5-羟色胺受体2A、2C基因多态性也被发现与氯氮平引起的TD关系密切。

受体基因变异还可导致意想不到的药物毒性，如使用麻醉药氟烷之后的恶性高热。如肉桂碱钙离子释放受体基因多态性可解释约50%的恶性高热病因。目前在肉桂碱钙离子释放受体上已发现的基因多态性多达60余种，但不是所有的位点均已研究透彻。一项针对该受体44号外显子突变携带者肌小管的研究发现，该突变导致药物的敏感性显著增加，可能与肌浆网钙离子释放加速有关，进而引起恶性高热的持续性肌肉收缩、无氧代谢等症状。因此，对于具有家族史的病人应用麻醉药氟烷前可采取必要的预测手段，如侵入性的咖啡因-氟烷挛缩试验，或是肉桂碱钙离子释放受体基因型测定。

十、其他药物靶点

药物靶点的遗传多态性可导致药物效应动力学的改变，表现为药物疗效的个体差异和药物毒性的易感变化。对药物靶点的研究不如药物代谢动力学研究透彻，以下选取几例具体说明。

1.药物导致的Q-T间期延长综合征：心脏钾、钠离子通道基因多态性可导致药物的Q-T间期延长综合征，某些病人用药后可发生严重的室性心动过速甚至是扭转型室性心动过速。这样的药物包括抗生素红霉素、克拉红霉素、磺胺甲唑、抗组胺药特非那定、胃肠道动力药西沙必利、抗心律失常药奎尼丁等。目前，由于病人表型不能持续和患病病例数较少，室性心动过速的研究不如Q-T间期延长综合征普遍。目前已发现心脏钾、钠离子通道上的3个基因多态性与Q-T间期延长综合征有关，但仍有高达85%的Q-T间期延长综合征患者为野生型个体，并未携带此三个突变。目前，美国和英国多项大规模临床研究接近完成，结果值得期待。

2.口服避孕药引起的静脉血栓：凝血因子Ⅱ和Ⅴ基因上的突变与口服避孕药引起的深静脉血栓和脑静脉血栓有关。凝血因子Ⅴ基因的错意突变G1691A导致R506Q的氨基酸改变，在人群中的发生率为2%～15%。携带该突变的个体在服用口服避孕药时发生静脉血栓的危险性高于普通人群。

3.甲氨蝶呤中毒：低剂量甲氨蝶呤目前在临床上广泛应用于风湿性关节炎、银屑病关节炎、系统性红斑狼疮和强直性脊柱炎的治疗，长期应用甲氨蝶呤可对黏膜上皮、骨髓、肝脏等多个器官、系统产生毒性。研究发现，亚甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR）遗传变异与甲氨蝶呤毒性风险增加有关。MTHFR基因上的C677T和A1298C突变可降低MTHFR的酶活性，导致药物代谢减慢和蓄积中毒。C677T位点还可直接导致高半胱氨酸血症，引起消化道等多种不良反应。一项研究表明，风湿关节炎患者发生的甲氨蝶呤中毒，包括转氨酶升高、口腔炎、恶心、脱发、皮疹等症状均与MTHFR基因上的677T等位基因有明显关系。

4.ACE抑制药引起的咳嗽：血管紧张素转化酶（ACE）抑制药是一种治疗高血压、充血性心力衰竭和心肌梗死很好的药物。但约30%的服药者因持续性咳嗽而不得不停止使用该药。ACE、缓激肽受体β2、糜蛋白酶等基因的多态性均被广泛研究是否与ACE抑制药引起的咳嗽有关。ACE基因的1677插入/缺失突变已证实可调节体内ACE水平，可能是导致ACE抑制药引起的咳嗽的遗传因素之一。