Система цитохрома Р450 в лёгких: роль в патогенезе заболеваний и фармакокинетике лекарственных средств
Ср, 18 Апр 2012
3711

Наиболее часто, говоря о метаболизме (биотрансформации) ксенобиотиков, речь ведут о системе цитохрома Р450 в печени. Причём имеется в виду как метаболизм экзогенных токсинов, так и лекарственных средств (ЛС). Несомненно печёночные изоферменты цитохромы Р450 играют центральную роль в метаболизме экзогенных и эндогенных соединений, но гены, кодирующие изоферменты цитохрома Р450 кроме того активно экспрессируются и во внепеченочных тканях, что отражается на биотрансформации ЛС, активации проканцерогенов, метаболизме некоторых гормонов.

Для дыхательных путей характерно, то, что они могут постоянно «контактируют» с вредными соединениями до того, как они пройдут через печень, тоже касается и ингаляционных препаратов. Именно поэтому возрастает научный интерес к «местным» системам цитохрома Р450, и, в частности, в лёгких.

Говоря о значении «местных» изоферментов цитохрома Р450, следует помнить, что в лёгочной ткани существуют семейства цитохрома Р450 (CYP4) и подсемейства (CYP2J), связанные не с метаболизмом ксенобиотиков, а с синтезом эйкозанойдов, что может сказываться на течении и развитии различных заболеваний, однако в данном обзоре эти ферменты не рассматриваются.

Значение подсемейств цитохрома Р450, представленных в ткани лёгких, в основном связывали с их способностью превращать проканцерогены в активные канцерогены, тем самым потенцируя развитие рака лёгкого. Позже было показано, что полиморфизм некоторых изоферментов цитохрома Р450 влияет и на развитие эмфиземы лёгких и хронической обструктивной болезни лёгких (ХОБЛ), а также было показано, что некоторые полиморфизмы могут влиять на количество потребляемых сигарет.       

Интересно, что помимо межиндивидуальных различий в экспрессии изоферментов цитохрома Р450, их экспрессия отличается в разных отделах лёгких [1]. В целом цитохромы выявляются в бронхиальном и альвеолярном эпителии, клетках Клара, альвеолярных макрофагах. При этом CYP1A1 в основном представлен в эпителии периферических бронхов (и в большей степени экспрессируется у курильщиков) и в некоторых случаях в эндотелии. CYP1B1 находят только в альвеолярных макрофагах. CYP3A представлен во всех изученных образцах лёгких, как в эпителии, так и в макрофагах. CYP2J2 выявляют в эпителии бронхов от трахеи до альвеол и в макрофагах, а также в гладких мышцах бронхов и эндотелии. CYP2E1 расположен в эпителии, макрофагах и эндотелии. CYP2B6 определяли в клетках Клара, а CYP2C в серозных клетках бронхиальных желёз. МРНК CYP2A6 была определена в бронхиальном эпителии [2].

У курящих и некурящих обследуемых профиль экспрессии изоферментов цитохрома Р450 различается. Так экспрессия CYP1A1, CYP1B1 и CYP2S1 выше в бронхоальвеолярном лаваже (БАЛ) курильщиков, а экспрессия CYP2B6/7 и CYP3A5 – ниже. При этом в случае определения экспрессии цитохромов в бронхиальных биопсиях были выявлены различия от БАЛ: CYP1A1, CYP1B1 и CYP2C9 повышались у курильщиков, в отношении CYP3A5 отмечалась та же тенденция, но не статистически значимая, а экспрессия CYP2J2, неизменная в БАЛ, подавлялась [3].

Значение различных семейств цитохрома Р450 для лёгких различно. Например, ферменты семейства CYP1 способны метаболизировать полициклические углеводороды в их ДНК-связывающие формы, таким образом увеличивая вероятность развития неоплазий. Так же для всех представителей этого семейства характерна индукция синтеза на фоне введения полициклических углеводородов табачного дыма [2].

Было показано, что некоторые полиморфизмы CYP1A1 (A4889G=I462V, 3801T/C), а также гаплотипы CYP1A1 и CYP1A2 (462V:3860G и 462V:3801T:3860G) связаны с повышенной чувствительностью к оксидативному стрессу и предрасположенностью к развитию ХОБЛ [4]. Эти же полиморфизмы CYP1A1 связаны с более высоким риском рака лёгкого, особенно в азиатской популяции, для европейской популяции результаты были неоднозначными [2, 5]. При изолированном исследовании полиморфизма I462V, при котором валин в 462 положении даёт более активный фермент CYP1A1, было показано, что наличие этого полиморфизма в европейской популяции имеет значение при сочетании рака лёгкого и эмфиземы, увеличивая риск развития заболеваний [6]. Гомозиготы по аллели CYP1A1*2A (3801T>C, увеличивает индуцибельность фермента и обуславливает большую метаболическую активность) заметно чаще встречаются среди больных с тяжелым течением ХОБЛ, а при сочетании гомозиготности по аллели *2A и T аллели матриксной металопротеиназы-9 выражено повышается предрасположенность к ХОБЛ (OR=3.3) [5]. Другая связанная с риском развития ХОБЛ ассоциация генов – GSTT1 нулевой фенотип и CYP1A1*1A/*2A – увеличивает вероятность развития заболевания в 3,7 раз [7]. В отношении профессиональных бронхитов (пылевой и токсический) показано, что присутствие полиморфизма I462V CYP1A1 увеличивает предрасположенность к этим заболеваниям [8]. Вероятно, что присутствие более активного CYP1A1 будет приводить к более активному окислению воздушных токсинов, что будет предрасполагать к различным заболеваниям лёгких.

Возрастает интерес к CYP2A6, так как он метаболизирует никотин и активирует один из основных канцерогенов табачного дыма – NNK. Известно, что ферментная активность CYP2A6 ослаблена у носителей CYP2A6*2 или CYP2A6del, CYP2A6*1 считается диким типом [9].

Анализ показал, что количество потребляемых сигарет у носителей хотя бы одной редуцированной аллели ниже, но с другой стороны это же носительство, по-видимому, связано с более трудным отказом от курения. Это объясняется тем, что у носителей редуцированных аллелей сохраняется более высокий уровень никотина в крови после выкуренной сигареты. Другим важным выводом исследования стало то, что у носителей CYP2A6del отмечалась меньшая выраженность эмфиземы, в связи с чем было предположено, что неспецифические вещества, метаболизируемые CYP2A6 могут быть ответственны за различия в степени эмфиземы между курильщиками с различными генотипами и могут модифицировать специфические воспалительные процессы в лёгких [9]. Ранее в одном японском исследовании показали, что делеция в гене CYP2A6 имеет защитный эффект против рака лёгкого, за счёт уменьшенной активации канцерогенов [10]. В 2004 году было проведено крупное исследование, изучившие многочисленные полиморфизмы CYP2А6 и выявившее, что у носителей любой из редуцированных аллелей (а значит у более «медленных метаболизаторов») отмечается снижение дневного потребления сигарет, причём эта связь ожидаемо сильнее у гомозигот. Схожие данные были получены и для снижения риска рака лёгкого, при этом, чем больше было количество пачко-лет, тем сильнее снижение активности CYP2А6 было связано с более низким уровнем риска рака лёгкого [11]. В одном из российских исследований было показано, что полиморфизм CYP2А6 имеет этнические различия: в группе татар более частое развитие ХОБЛ ассоциировалось с наличием аллели *1A (OR=2,15), а делеционный полиморфизм CYP2A6*4 y больных ХОБЛ встречался реже, чем у контрольной группы, в то время как среди русских обследуемых подобной связи выявлено не было [12].

Однако в лёгких в большем количестве представлен другой изофермент цитохрома Р450 этого семейства – CYP2A13. Было показано, что CYP2A13, экспрессируемый в основном в дыхательных путях, способен метаболизировать теофиллин, тем самым возможно меняя его местную концентрацию в лёгких и терапевтическую эффективность [13].

Экспрессия CYP3A в лёгких в основном представлена CYP3A5. Значение этого подсемейства определяется участием в метаболизме NNK, а также метаболизме препаратов используемых при лечении ХОБЛ и астмы [3]. Было показано, что на фоне введения глюкокортикоидов (ГКС) отмечается индукция синтеза изоферментов цитохрома Р450 подсемейства 3А в 4 раза, которая опосредована через глюкокортикоидный рецептор. Однако гипотеза, что ингаляционные ГКС могут повышать уровень CYP3A5 в альвеолярных макрофагах, не подтвердилась. Возможно, это связано с тем, что целевыми клетками для ГКС являются клетки бронхиального эпителия. Интересно также, что сигаретный дым заметно снижал уровни CYP3A5 в альвеолярных макрофагах [2].

Что касается значения полиморфизма CYP3A5, то было показано, что у носителей даже одной аллели CYP3A5*1 («быстрые метаболизаторы» с большей активностью фермента) отмечается более быстрое ежегодное снижение ОФВ1 и ФЖЕЛ. Кроме того для них характерно более частое развитие ХОБЛ (OR=4,3), по сравнению с гомозиготами CYP3A5*3/*3 [14]. С другой стороны этот же полиморфизм, возможно, связан с меньшим риском рака лёгкого в тайваньской популяции [15]. При этом было показано, что при более высокой концентрации CYP3A (CYP3A4 и CYP3A5 совместно) в бронхоальвеолярных макрофагах отмечается более частое связывание ДНК с полициклическими углеводами, а значит увеличивается риск повреждения ДНК [16]. Интересно, что полиморфизм CYP3A4*1В, связанный с более высокой промоторной активностью, повышает риск мелкоклеточного рака лёгкого и находится в неравновесном сцеплении с полиморфизмом CYP3A5*1 [17].

Кроме описанных выше в лёгких синтезируются и другие изоферменты цитохрома Р450, в том числе участвующие в метаболизме проканцерогенов. Например, показано, что полиморфизм CYP2E1*1A/*5B (ассоциирован с повышенной активностью фермента) связан у увеличением риска ХОБЛ в 6 раз [7]. А инсерционный полиморфизм CYP2F1 ассоциирован с особенностями течения ХОБЛ у татар: частота аллели без инсерции гена CYP2F1 в группе татар с крайне тяжёлой стадией ХОБЛ и манифестацией после 55 лет значимо выше (OR=2,268) [18]. Полиморфизм же CYP2D6 может быть связан с измененной предрасположенностью к раку лёгкого. У «медленных метаболизаторов» отмечалось некоторое снижение риска рака лёгкого (OR=0,69) [19], при этом частота встречаемости «медленных метаболизаторов» довольно небольшая. С другой стороны полиморфизм CYP2D6 влияет на характер потребления сигарет, за счёт вовлечения в допаминэргические пути в головном мозге [2].

Помимо влияния на предрасположенность к различным заболевания лёгких, «местная» система цитохрома Р450 в лёгких также потенциально способна влиять на фармакокинетику препаратов, используемых ингаляционно.

В целом, в отношении лекарственной терапии наиболее изученными остаются печёночная система цитохрома Р450, однако несколько исследований было посвящено значению и системы цитохрома Р450 в лёгких. Выше уже упоминалось, что CYP2A13, экспрессируемый в основном в дыхательных путях, способен метаболизировать теофиллин, тем самым возможно меняя его местную концентрацию в лёгких и терапевтическую эффективность. Хотя в отношении теофиллина у CYP1A2 (синтезируется в основном в печени) отмечается заметно большая активность [13]. А недавно в отношении CYP3A5 было показано, что ингаляционные ГКС (а именно флутиказон) способны необратимо инактивировать фермент в дозо- и времязависимой «манере», причём действие на другие изоформы значительно меньше. Потеря активности лёгочного CYP3A5 может существенно снижать скорость метаболизма флутиказона, что будет приводить к увеличению его концентрации в лёгких, а значит повышению эффективности терапии. Но с другой стороны абсорбция ГКС также повысится, что может послужить источником побочных системных эффектов [20].

В настоящее время большинство исследований семейств цитохрома Р450 CYP1, CYP2, CYP3, ответственных за метаболизм ксенобиотиков, связано с метаболизмом воздушных поллютантов, так как именно это вероятно влияет на предрасположенность к развитию различных заболеваний, в том числе связанных с курением. Но целью дальнейших работ должно стать изучение метаболизма именно ЛС, так как ингаляционные препараты в настоящее время занимают центральное место в терапии таких распространённых лёгочных заболеваний, как бронхиальная астма и ХОБЛ.

Литература

  1. Leclerc J., Tournel G., Courcot-Ngoubo Ngangue E., Pottier N., Lafitte J.J., Jaillard S., Mensier E., Lhermitte M., Broly F., Lo-Guidice J.M. Profiling gene expression of whole cytochrome P450 superfamily in human bronchial and peripheral lung tissues: Differential expression in non-small cell lung cancers. Biochimie. 2010 Mar;92(3):292-306.
  2. Leclerc J., Courcot-Ngoubo Ngangue E., Cauffiez C., Allorge D., Pottier N., Lafitte J.J., Debaert M., Jaillard S., Broly F., Lo-Guidice J.M. Xenobiotic metabolism and disposition in human lung: transcript profiling in non-tumoral and tumoral tissues. Biochimie. 2011 Jun;93(6):1012-27.
  3. Thum T., Erpenbeck V.J., Moeller J., Hohlfeld J.M., Krug N., Borlak J. Expression of Xenobiotic Metabolizing Enzymes in Different Lung Compartments of Smokers and Nonsmokers. Environ Health Perspect. 2006 Nov;114(11):1655-61.
  4. Vibhuti A., Arif E., Mishra A., Deepak D., Singh B., Rahman I., Mohammad G., Pasha M.A. CYP1A1, CYP1A2 and CYBA gene polymorphisms associated with oxidative stress in COPD. Clin Chim Acta. 2010 Apr 2;411(7-8):474-80.
  5. Cheng S.L., Yu C.J., Yang P.C. Genetic polymorphisms of cytochrome p450 and matrix metalloproteinase in chronic obstructive pulmonary disease. Biochem Genet. 2009 Aug;47(7-8):591-601.
  6. Cantlay A.M., Lamb D., Gillooly M. et al. Association between the CYPlAl gene polymorphism and susceptibility to emphysema and lung cancer. Clin Mol Pathol. 1995 Aug;48(4):M210-4.
  7. Cantlay A.M., Lamb D., Gillooly M., Norrman J., Morrison D., Smith C.A., Harrison D.J. CYP1A1, CYP2E1, GSTM1, GSTT1, GSTP1, and TP53 polymorphisms: do they indicate susceptibility to chronic obstructive pulmonary disease and non-small-cell lung cancer? Clin Mol Pathol. 1995 Aug;48(4):M210-4.
  8. Ахмадишина Л.З., Корытина К.Ф., Мингазова С.Р. Роль прлиморфизма генов CYP1A1, EPHX1, GSTM1, GSTT1 и GSTP1 в развитии хронических бронхитов профессионального генеза. Экологическая генетика.- т.3, № 1, 2005, с. 18-24.
  9. Minematsu N., Nakamura H., Iwata M., Tateno H., Nakajima T., Takahashi S., Fujishima S., Yamaguchi K. Association of CYP2A6 deletion polymorphism with smoking habit and development of pulmonary emphysema. Thorax. 2003 Jul;58(7):623-8.
  10. Miyamoto M., Umetsu Y., Dosaka-Akita H., Sawamura Y., Yokota J., Kunitoh H., Nemoto N., Sato K., Ariyoshi N., Kamataki T. CYP2A6 Gene Deletion Reduces Susceptibility to Lung Cancer. Biochem Biophys Res Commun. 1999 Aug 11;261(3):658-60.
  11. Fujieda M., Yamazaki H., Saito T., Kiyotani K., Gyamfi M.A., Sakurai M., Dosaka-Akita H., Sawamura Y., Yokota J., Kunitoh H., Kamataki T. Evaluation of CYP2A6 genetic polymorphisms as determinants of smoking behavior and tobacco-related lung cancer risk in male Japanese smokers. Carcinogenesis. 2004 Dec;25(12):2451-8
  12. Ахмадишина Л.З., Янбаева Д.Г., Корытина Г.Ф. Делеционный полиморфизм гена цитохрома P450 (CYP2A6) и его возможная роль в развитии хронической обструктивной болезни лёгких // Медицинская генетика: ежемесячный научно-практический журнал. - 2005. - Том 4,N 12 . - С. 578-582.
  13. Fukami T., Nakajima M., Sakai H., Katoh M., Yokoi T. CYP2A13 Metabolizes the Substrates of Human CYP1A2, Phenacetin, and Theophylline. Drug Metab Dispos. 2007 Mar;35(3):335-9.
  14. Seo T., Pahwa P., McDuffie H.H., Yurube K., Egoshi M., Umemoto Y., Ghosh S., Fukushima Y., Nakagawa K. Association between cytochrome P450 3A5 polymorphism and the lung function in Saskatchewan grain workers. Pharmacogenet Genomics. 2008 Jun;18(6):487-93.
  15. Yeh K.T., Chen J.C., Chen C.M., Wang Y.F., Lee T.P., Chang J.G. CYP3A5*1 is an Inhibitory Factor for Lung Cancer in Taiwanese. Kaohsiung J Med Sci. 2003 May;19(5):201-7.
  16. Piipari R., Savela K., Nurminen T., Hukkanen J., Raunio H., Hakkola J., Mäntylä T., Beaune P., Edwards R.J., Boobis A.R., Anttila S. Expression of CYP1A1, CYP1B1 and CYP3A, and polycyclic aromatic hydrocarbon-DNA adduct formation in bronchoalveolar macrophages of smokers and non-smokers. Int J Cancer. 2000 Jun 1;86(5):610-6.
  17. Dally H., Edler L., Jäger B., Schmezer P., Spiegelhalder B., Dienemann H., Drings P., Schulz V., Kayser K., Bartsch H., Risch A. The CYP3A4*1B allele increases risk for small cell lung cancer: effect of gender and smoking dose. Pharmacogenetics. 2003 Oct;13(10):607-18.
  18. Корытина Г.Ф., Ахмадишина Л.З., Викторова Т.В. Частота полиморфных вариантов генов CYP1B1 и CYP2F1 в трех этнических группах жителей Республики Башкортостан и у больных хронической обструктивной болезнью легких. Молекулярная биология, т. 44, № 1, с. 33-41.
  19. Rostami-Hodjegan A., Lennard M.S., Woods H.F., Tucker G.T. Meta-analysis of studies of the CYP2D6 polymorphism in relation to lung cancer and Parkinson's disease. Pharmacogenetics. 1998 Jun;8(3):227-38.
  20. Murai T., Reilly C.A., Ward R.M., Yost G.S. The Inhaled Glucocorticoid Fluticasone Propionate Efficiently Inactivates Cytochrome P450 3A5, a Predominant Lung P450 Enzyme. Chem Res Toxicol. 2010 Aug 16;23(8):1356-64.

 

Похожие статьи