Farmakokinetisk variabilitet i pasienter med fedme og friske frivillige – med fokus på sentrale legemiddel­metaboliserende enzymer

Bakgrunn og hensikt

Ulik evne til å metabolisere legemidler er en viktig årsak til variasjon i legemiddelrespons mellom individer og en klinisk utfordring med tanke på legemiddeldosering. Dette er spesielt relevant for cytokrom P450 (CYP)-enzymfamilien, som er involvert i metabolismen av rundt 75 prosent av legemidlene i klinisk bruk (1). Denne enzymfamilien omfatter 57 ulike enkeltenzymer (2), men bare noen få av disse, inkludert CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, og CYP3A har betydning for metabolismen av legemidler (1). CYP-enzymene finnes hovedsakelig i lever og i tynntarm, hvor de spiller en viktig rolle i å begrense oral biotilgjengelighet. En rekke faktorer, slik som alder, genetikk, sykdom og samtidig bruk av andre legemidler, påvirker CYP-enzymene.

I senere år har det vært et økende fokus på hvordan fedme og relaterte komorbiditeter som diabetes type 2 og ikke-alkoholisk fettlever påvirker farmakokinetiske prosesser, med  spesielt fokus på legemiddelmetabolisme (3). Den raskt økende forekomsten av fedme har også medført at antallet pasienter som gjennomgår gastrisk bypass øker (4), men kunnskap om hvordan vi skal dosere legemidler i disse pasientene er mangelfull. Både de anatomiske endringene i mage-tarm-kanalen etter operasjonen samt den påfølgende vektreduksjonen kan påvirke farmakokinetiske prosesser, og dermed legemiddelresponsen. Hensikten med de tre første artiklene i dette doktorgradsprosjektet var derfor å studere hvordan vekt, gastrisk bypass, vektnedgang og diabetes type 2 påvirker aktiviteten til CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19 og CYP3A.

Aktiviteten til et bestemt CYP-enzym in vivo kan bestemmes ved å gi et probelegemiddel som primært reflekterer aktiviteten til det CYP-enzymet vi ønsker å studere. Deretter måles konsentrasjonen av legemidlet (og metabolitt) over tid i en velegnet matriks, som regel blod. Denne informasjonen kan brukes for å beregne ulike farmakokinetiske parametere som mål på enzymaktivitet. At markøren har lav intraindividuell variabilitet, er en forutsetning for å studere endring i CYP-aktivitet over tid. Midazolam anses i dag som gullstandarden for å bestemme CYP3A-aktivitet (5, 6). I den første artikkelen i dette doktorgradsarbeidet derimot, så vi en betydelig intraindividuell variabilitet i midazolam farmakokinetikk hos pasienter med fedme over en niukersperiode. Hensikten med artikkel 4 var derfor å studere intraindividuell variabilitet i absolutt biotilgjengelighet og clearance av midazolam i friske frivillige. Videre ønsket vi i artikkel 5 å evaluere om 4β-hydroksykolesterol, en endogen markør formet fra kolesterol av CYP3A4 (7), er egnet for CYP3A-fenotyping.
 

Materiale og metoder

Dette doktorgradsarbeidet er primært basert på data fra COCKTAIL-studien (artikkel 1–3 og 5), en åpen, trearmet, ikke-randomisert kontrollert studie utført på Sykehuset i Vestfold (8). Totalt 108 pasienter med fedme som skulle gjennomgå vektreduksjon ved gastrisk bypass (n = 44) eller lavenergidiett alene (n = 44), samt en kontrollgruppe bestående av primært normalvektige individer (n = 20), ble inkludert. For å skille effekten av vektreduksjon fra operasjonseffekten, hadde gastrisk bypass-gruppen og diettgruppen et likt vekttap de første ni ukene av studien. Studiedesignet inkluderte også en stratifisering basert på diabetesstatus. Studien inkluderte fire farmakokinetiske undersøkelser; uke 0, 3, 9 og år 2. Probelegemidlene koffein, losartan, omeprazol og midazolam ble brukt for å bestemme henholdsvis CYP1A2-, CYP2C9-, CYP2C19- og CYP3A-aktivitet in vivo. 4β-hydroksykolesterol ble også målt. I tillegg ble biopsier fra tarm og lever tatt for å kunne bestemme ekspresjon og aktivitet til de ulike CYP-enzymene ex vivo.

Artikkel 4 var basert på data fra IntraCYP-studien som inkluderte 33 friske frivillige over 18 år (kroppsmasseindeks < 30 kg/m²). Studien besto av fire farmakokinetiske undersøkelser; uke 0, 2, 4 og 8. For å kunne bestemme absolutt biotilgjengelighet og clearance ble midazolam først gitt oralt og deretter intravenøst to timer senere.
 

Resultater

I artikkel 1–3 fant vi at pasienter med fedme har lavere CYP2C19- og CYP3A-aktivitet enn normalvektige. Vi fant også at pasienter med fedme og diabetes type 2 har enda lavere CYP2C19-aktivitet enn pasienter med kun fedme. Videre fant vi at CYP2C19-aktiviteten øker raskt ved vektreduksjon som følge av gastrisk bypass eller lavenergidiett, men at den blir nedregulert igjen dersom man går opp igjen i vekt. Derimot fant vi ingen påvirkning på CYP3A-aktivitet i den første perioden med vektnedgang, men vi så en økning på år 2. Dette tyder på at CYP3A-aktiviteten trenger lengre tid på å gjenopprettes. Vi fant ingen klinisk relevante effekter på CYP1A2 og CYP2C9.

I artikkel 4 fant vi en gjennomsnittlig lav- til moderat intraindividuell variabilitet i absolutt biotilgjengelighet og clearance av midazolam i friske frivillige, men en relevant andel hadde en betydelig intraindividuell variabilitet, spesielt i absolutt biotilgjengelighet. Videre fant vi i artikkel 5 at 4β-hydroksykolesterol reflekterer CYP3A-aktivitet i lever, men ikke i tarm.
 

Diskusjon

Økt kunnskap om årsakene til variabilitet i legemiddelrespons mellom individer er nødvendig for å kunne optimalisere doseringen til hver enkelt pasient. I dette doktorgradsarbeidet viste vi at fedme og diabetes type 2 påvirker ulike CYP-isoformer i ulik grad. CYP2C19- og CYP3A-aktivitet var lavere i pasienter med fedme sammenliknet med normalvektige kontroller, mens det var ingen forskjell i CYP1A2- og CYP2C9-aktivitet. Mekanismene for ulik regulering av CYP-isoformer er ikke fullt ut forstått, men inflammasjon ser ut til å spille en sentral rolle for nedreguleringen av CYP3A og CYP2C19 (3). Videre fant vi at pasienter med diabetes type 2 og fedme hadde 60 prosent lavere CYP2C19-aktivitet enn pasienter med kun fedme. Regresjonsanalyser indikerte at ikke-alkoholisk fettlever ser ut til å være en viktig årsak til nedreguleringen av CYP2C19-aktivitet i disse pasientene. Dette samsvarer med litteraturen, som også har vist lavere CYP2C19- og CYP3A proteinekspresjon og -aktivitet ved ikke-alkoholisk fettlever (9).

Det har blitt antatt at gastrisk bypass vil medføre en økning i oral biotilgjengelighet av mange legemidler, da operasjonen medfører at en stor del av tarmen rik på CYP-enzymer forbikobles. Dette er spesielt relevant for CYP3A-legemidler, da CYP3A er rikelig uttrykt i tarm (10). Vi ble derfor overrasket over at de store endringene i mage-tarm-kanalen ikke medførte noen endring i absolutt biotilgjengelighet av midazolam (CYP3A) i den tidlige perioden etter gastrisk bypass. Det ser derimot ut til at den nedregulerte CYP3A-aktiviteten gjenopprettes med nok tid. Videre fant vi også at CYP2C19-aktiviteten øker raskt ved vektreduksjon indusert av gastrisk bypass eller diett, noe som kanskje kan forklares av en reduksjon i leverfett ved vektreduksjon. Totalt sett indikerer funnene i dette doktorgradsarbeidet at gastrisk bypass har mindre klinisk betydning for legemiddeldosering enn tidligere antatt.

Selv om vi så en gjennomsnittlig lav- til moderat intraindividuell variabilitet i midazolam absolutt biotilgjengelighet og clearance i friske frivillige, utviste en signifikant andel betydelig intraindividuell variabilitet. Dette funnet utfordrer bruken av midazolam som eneste mål på endring i CYP3A-aktivitet over tid. Videre så vi i COCKTAIL-studien en manglende korrelasjon mellom in vivo midazolam clearance og CYP3A-clearance i leverbiopsier. Dette tyder på at i pasienter med fedme, så reflekterer ikke midazolam clearance bare CYP3A-aktivitet, men også andre prosesser som økt hepatisk blodstrøm. 4β-hydroksykolesterol ser derimot ut til å reflektere hepatisk CYP3A-aktivitet i denne pasientpopulasjonen. Dermed kan 4β-hydroksykolesterol være et verdifullt supplement til fenotyping med probelegemidler for å gi komplementær informasjon når sykdom eller fysiologiske endringer er forventet å påvirke farmakokinetikken til CYP3A-probelegemidler.
 

Konklusjon

Klinikere bør være observant på bivirkninger, og terapisvikt for prodrugs, når de forskriver legemidler som primært metaboliseres av CYP2C19 eller CYP3A til pasienter med fedme, og spesielt CYP2C19-legemidler til pasienter med diabetes type 2 og fedme.

Gastrisk bypass ser ut til å ha mindre betydning for biotilgjengelighet og dermed dosering av legemidler som i stor grad metaboliseres av CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19 og CYP3A tidlig etter operasjon enn først antatt.

Betydelig intraindividuell variabilitet i midazolam farmakokinetikk i noen individer kan begrense bruken av denne proben som eneste mål på endring i CYP3A-aktivitet over tid. 4β-hydroksykolesterol kan være en verdifull markør på hepatisk CYP3A-aktivitet.
 

Referanser

1. Rendic S, Guengerich FP. Survey of Human Oxidoreductases and Cytochrome P450 Enzymes Involved in the Metabolism of Xenobiotic and Natural Chemicals. Chem Res Toxicol 2015; 28: 38–42.
2. Nelson DR, Zeldin DC, Hoffman SMG et al. Comparison of cytochrome P450 (CYP) genes from the mouse and human genomes, including nomenclature recommendations for genes, pseudogenes and alternative-splice variants. Pharmacogenetics 2004; 14: 1–18.
3. Lenoir C, Rollason V, Desmeules JA et al. Influence of Inflammation on Cytochromes P450 Activity in Adults: A Systematic Review of the Literature. Front Pharmacol 2021; 12: 733935.
4. Sandbu R, Svanevik M. Fedmekirurgi i Norge – fritt fram? Tidsskr Nor Legeforen 2019; 139.
5. Fuhr U, Jetter A, Kirchheiner J. Appropriate phenotyping procedures for drug metabolizing enzymes and transporters in humans and their simultaneous use in the «cocktail» approach. Clin Pharmacol Ther 2007; 81: 270–83.
6. Keller GA, Gago MLF, Diez RA et al. In vivo Phenotyping Methods: Cytochrome P450 Probes with Emphasis on the Cocktail Approach. Curr Pharm Des 2017; 23: 2035–49.
7. Bodin K, Andersson U, Rystedt E et al. Metabolism of 4 beta -hydroxycholesterol in humans. J Biol Chem 2002; 277: 31534–40.
8. Hjelmesæth J, Åsberg A, Andersson S et al. Impact of body weight, low energy diet and gastric bypass on drug bioavailability, cardiovascular risk factors and metabolic biomarkers: protocol for an open, non-randomised, three-armed single centre study (COCKTAIL). BMJ Open 2018; 8: e021878.
9. Fisher CD, Lickteig AJ, Augustine LM et al. Hepatic cytochrome P450 enzyme alterations in humans with progressive stages of nonalcoholic fatty liver disease. Drug Metab Dispos 2009; 37: 2087–94.
10. Paine MF, Hart HL, Ludington SS et al. The human intestinal cytochrome P450 «pie». Drug Metab Dispos 2006; 34: 880–6.

(Publisert i NFT nr. 4/2023 side 44–45)