La variabilità nella risposta al trattamento farmacologico tra paziente e paziente costituisce da sempre uno dei problemi più rilevanti nella pratica clinica. Le risposte individuali ai farmaci, infatti, variano molto: si possono, infatti, osservare in alcuni pazienti rispetto ad altri, effetti terapeutici ridotti o addirittura assenti, reazioni avverse o effetti collaterali, nonostante sia stato somministrato lo stesso farmaco alla stessa posologia.

Questa variabilità inter-individuale veniva, nel passato, attribuita principalmente all’influenza di fattori non genetici come ad esempio l’età, il sesso, lo stato nutrizionale, quello di funzionalità renale ed epatica, le abitudini di vita con particolare riferimento alla dieta e all’abuso di alcool e fumo, la concomitante assunzione di altri farmaci o la presenza di comorbidità. Attualmente si ritiene che, oltre ai fattori sopra menzionati, giochino un ruolo importante nella risposta individuale ai farmaci anche quelli ereditari. 

Risultati di studi su gemelli monozigotici e dizigotici suggeriscono che, per taluni farmaci soggetti a intenso metabolismo, i fattori genetici esercitano un ruolo importante nel determinare la variabilità farmacocinetica e farmacodinamica. Le conseguenze cliniche della variabilità interindividuale nella risposta al trattamento farmacologico possono essere quindi rappresentate dal fallimento terapeutico (mancata o solo parziale efficacia della terapia), da effetti collaterali di un determinato principio attivo o da reazioni avverse anche gravi e talvolta fatali.

Ogni effetto non desiderato, che scaturisce dall’utilizzo di un farmaco a scopo profilattico, diagnostico o terapeutico viene considerato reazione avversa (Adverse Drug Reactions, ADR)”. Le ADR comprendono un'ampia varietà di reazioni farmacologiche di tipo tossico che si verificano durante il trattamento. Qualsiasi farmaco può essere causa di ADR, tali reazioni, in alcuni casi possono portare a morte il paziente. Una stima dell’incidenza di tali reazioni, secondo studi eseguiti negli Stati Uniti, mette in evidenza che il 5% degli adulti sono allergici ad almeno un farmaco, che il 30% dei farmaci utilizzati durante un ricovero provoca una ADR, che il 3% di tutti i ricoveri ospedalieri è provocato da una ADR e che il rischio di una reazione allergica varia approssimativamente dall’1 al 3% per la maggior parte dei farmaci.
L’incidenza di reazioni avverse gravi nei pazienti ricoverati risulta del 6,7 %, e del 15,1 % quando si considerano anche le reazioni meno gravi. Le reazioni avverse gravi rappresentavano la sesta causa di morte, venendo subito dopo i disturbi cardiovascolari, i tumori maligni, i disturbi polmonari e gli incidenti. Gli analgesici sembrano essere i farmaci chiamati maggiormente in causa nel provocare una ADR (29%) seguiti da sedativi (10%), antibiotici (9%) e antipsicotici (7%). Le complicazioni più frequentemente riscontrate sono state le reazioni allergiche, nel 7% dei pazienti, e quelle cardiovascolari, nel 16 % dei pazienti. Osservando questi dati, probabilmente sovrapponibili a quelli di altri paesi, la prima riflessione da fare è che le ADR rappresentano vere e proprie “patologie farmaco indotte” che pongono un problema di diagnosi differenziale molto impegnativa.

La farmacogenetica nasce intorno agli anni cinquanta quando i ricercatori cominciarono a pensare che anche la risposta ai farmaci potesse essere regolata, almeno in parte, dai geni e che la variabilità di reazione a un certo principio attivo da parte di individui diversi non fosse altro che il riflesso delle differenze genetiche.
La farmacogenetica studia le variazioni inter-individuali nella sequenza del DNA in relazione alla risposta ai farmaci. L'applicazione pratica delle conoscenze, provenienti dalla ricerca in farmacogenetica, consiste nella possibilità di predire la risposta di un paziente ad un certo farmaco sulla base di un test genetico di routine, per arrivare ad un’individualizzazione della terapia, "il farmaco giusto al paziente giusto".
I test del DNA, basati su queste variazioni genetiche, possono predire come un paziente risponderà a quel particolare farmaco. I clinici potranno utilizzare questa informazione per decidere la terapia ottimale e per personalizzare il dosaggio; i benefici consisteranno in una ridotta incidenza di reazioni avverse, in migliori esiti clinici ed in costi ridotti. Questi test rappresentano il primo passo verso terapie paziente-specifiche.

Con i test di farmacogenetica è possibile identificare molte variazioni nella struttura dei geni che codificano per enzimi del metabolismo dei farmaci, per proteine trasportatrici o proteine bersaglio (recettori, canali ionici, enzimi) di farmaci e correlarle alle variazioni inter-individuali nella risposta agli xenobiotici, individuando vari fattori genetici predittivi della tossicità e della risposta terapeutica al trattamento farmacologico. Un paziente con un metabolismo rapido, per esempio, può richiedere dosi più elevate e più frequenti per raggiungere le concentrazioni terapeutiche; invece un paziente con un metabolismo lento può avere bisogno di dosi più basse e meno frequenti per evitare la tossicità, specialmente nel caso di farmaci con un ristretto margine di sicurezza.
Inoltre, identificando gli individui che con molta probabilità possono manifestare una reazione avversa ad uno specifico trattamento farmacologico, i test di farmacogenetica aiutano il medico nella scelta del farmaco e della dose ottimale per il singolo paziente, evitando un lungo processo di aggiustamento della terapia e il rischio di tossicità. Analogamente, questi test sono potenzialmente utili nella selezione dei pazienti che con maggiore probabilità beneficiano dal punto di vista terapeutico di uno specifico trattamento farmacologico.

I test di farmacogenetica mettono quindi il medico nelle condizioni di sapere a priori se un medicinale in particolare sarà tollerato bene dal suo paziente, e quale dei diversi principi attivi a disposizione per curare una certa patologia avrà l'effetto migliore su una determinata persona. Attualmente la scelta del farmaco giusto avviene attraverso una procedura per tentativi ed errori, nel senso che si comincia con un farmaco e se questo non funziona bene si cambia la prescrizione fino a trovare il trattamento adatto per quella persona. Una simile procedura, tuttavia, espone il paziente agli effetti non desiderati. Il ricorso all’esecuzione di opportuni test genetici mette il medico in condizione di stabilire immediatamente quale farmaco funzionerà in quel particolare paziente. Ma sarà altresì possibile evitare farmaci potenzialmente tossici e prescrivere terapie efficaci più tempestivamente, in altri termini affrontare in modo più efficace ed economico le malattie. In prospettiva, la farmacogenetica punta a una personalizzazione dei trattamenti, cioè a farmaci o combinazioni di farmaci che sono efficaci per ciascun paziente, a secondo del suo specifico patrimonio genetico.

Il destino dei farmaci nell’organismo (farmacocinetica) e i loro effetti terapeutici e tossici (farmacodinamica) sono regolati da processi complessi ai quali partecipano, cooperando, numerose proteine deputate al trasporto e al metabolismo dei farmaci, o coinvolte nel loro meccanismo di azione, a loro volta codificate da geni diversi. Nell’uomo si ritiene che la maggioranza dei geni contenga variazioni casuali della sequenza nucleotidica tra i diversi individui, sviluppatesi nel corso dell’evoluzione; quando tali variazioni avvengono nella sequenza codificante o regolatoria possono portare all’inserzione di un aminoacido diverso a livello di una specifica posizione nella proteina e conseguentemente a modificazioni della sua funzione o influenzare i meccanismi di trascrizione e traduzione, modulando quindi i livelli di espressione dei prodotti genici (mRNA e proteine).
Le variazioni nella sequenza del DNA che sono presenti almeno nell’1% della popolazione sono definite polimorfismi. Tali polimorfismi genici danno luogo a enzimi con diversi livelli di attività metabolica o a recettori con diversa affinità per il farmaco, modificando la risposta farmacologica di un individuo. Le variazioni genetiche riguardano più spesso un singolo nucleotide e sono pertanto definite polimorfismi a singolo nucleotide (SNP), ma possono interessare anche più nucleotidi o anche ampi tratti di DNA: si tratta ad es. di sostituzioni, inserzioni, delezioni, amplificazioni e traslocazioni. Esse si riferiscono a tratti monogenici, cioè a polimorfismi di un singolo gene codificante una proteina coinvolta nel metabolismo di un farmaco o nel suo effetto che causano risposte individuali variabili ai farmaci.

Un farmaco, quando entra nell’organismo, si distribuisce al suo interno e a questo punto può essere metabolizzato, attivato, coniugato (cioè legato ad altre molecole) e infine escreto. Si supponga, per esempio, che un certo farmaco, per avere effetto, abbia bisogno di essere metabolizzato e poi trasportato, tramite un recettore, all’interno della cellula. Si supponga inoltre che, semplificando un processo molto più complesso, metabolismo e trasporto siano controllati solo da due geni diversi che possono essere polimorfici. In questo caso la variabilità di risposta sarà determinata dalle diverse interazioni delle varianti di questi due geni. Si avranno così individui con entrambi gli alleli normali (indicati come wt/wt = wild type, selvatico) che metabolizzano rapidamente e che hanno una concentrazione media di farmaco nel sangue piuttosto bassa; individui che hanno un allele mutato e sono quindi eterozigoti (wt/m), che metabolizzano più lentamente e hanno una concentrazione plasmatica di farmaco più alta e infine individui che hanno entrambi gli alleli mutati (m/m) e che hanno concentrazioni elevate di farmaco nel plasma. Si consideri, poi, il gene polimorfico che controlla il recettore del farmaco: possono esserci individui omozigoti per il gene normale, che trasportano il farmaco nella cellula in modo efficace e con rapidità; individui eterozigoti che hanno una capacità intermedia di trasportare il farmaco nella cellula e soggetti omozigoti per la mutazione che non hanno il recettore o ne hanno uno difettoso.

L’efficacia terapeutica del farmaco dipenderà quindi dall’interazione tra i due geni polimorfici. Per esempio, in una persona che metabolizza velocemente, anche se possiede i recettori funzionanti in modo ottimale (wt/wt), l’efficacia terapeutica sarà del 75 per cento. Se invece l’attività del recettore è in qualche modo minore, perché l’individuo è eterozigote per il recettore (wt/m), allora l’efficacia del farmaco sarà intermedia perché ne entra meno nella cellula. Infine, se il soggetto è omozigote per la mutazione nel recettore (m/m), l’efficacia del farmaco sarà pressoché inesistente. Se si considera come secondo parametro anche la tossicità del farmaco, quest’ultima dipende, in modo lineare, dalla concentrazione del principio attivo nel plasma. Nel caso dell’individuo che metabolizza normalmente, ma che ha recettori non perfettamente funzionanti, l’efficacia della molecola è bassa, ma la sua concentrazione nel plasma è in ogni caso più bassa di quella necessaria per produrre una reazione tossica. Diversa è la situazione per gli altri profili genetici; nel caso intermedio, essendoci più farmaco nel plasma per più tempo, l’effetto terapeutico aumenta (85 per cento), ma si sfiora l’effetto tossico (minore del 10 per cento). Infine per l’individuo che non metabolizza il farmaco, la situazione precipita, perché si hanno concentrazioni altissime di farmaco per molto tempo con il massimo della tossicità (maggiore dell’80 per cento), pur essendo questa situazione associata alla massima attività terapeutica (95 per cento). Coloro che poi hanno i recettori che non funzionano subiscono solo gli effetti tossici.

Il profilo genetico di un individuo, quindi, determina sia le caratteristiche dei bersagli (target) dei farmaci che delle proteine coinvolte nel processo del loro assorbimento e metabolismo. La variazione del nucleotide di un singolo gene può portare alla formazione di una proteina diversa nella struttura e nella funzione e pertanto ad una modifica della capacità dell’organismo umano di utilizzare e metabolizzare i farmaci. Soggetti con un particolare genotipo possono non essere in grado di metabolizzare particolari farmaci e quindi presentare un maggior rischio di reazioni avverse oppure di interazioni con altri farmaci. Altri geni sono in grado di determinare una rapida metabolizzazione di alcuni farmaci, con conseguente loro parziale inefficacia.

Il meccanismo di azione della maggior parte dei farmaci dipende dall'interazione del farmaco con specifiche proteine bersaglio quali recettori, trasportatori e vie di trasmissione cellulare. Molti di questi bersagli farmacologici presentano polimorfismi che possono influenzare la risposta a specifici farmaci. Inoltre i polimorfismi in vie patologiche note possono predire l'efficacia di uno specifico farmaco.

Un numero relativamente piccolo di enzimi farmaco-metabolizzanti (DMEs) è responsabile del metabolismo della maggior parte delle terapie farmacologiche oggi impiegate nell'uso clinico. Esiste un ristretto numero di polimorfismi rilevanti nell'ambito di questi enzimi, e molti di loro danno origine ad un mancato effetto terapeutico o ad un’esagerata risposta clinica al farmaco.
Il polimorfismo genetico negli DMEs dà origine alla formazione di quattro sottogruppi di individui che hanno diversità apprezzabili nella loro capacità di metabolizzare i farmaci per ciascun metabolita attivo o inattivo.

A. metabolizzatori poveri o lenti (Poor Metabolizer - PMs): sono persone con deficienze nel metabolismo (che possiedono quindi una capacità d’attivazione dei farmaci estremamente ridotta o assente). I PM presentano una mutazione in entrambi gli alleli del gene (due alleli non attivi).

B. metabolizzatori intermedi (Intermediate Metabolizer - IM) presentano un allele normale ed uno attivo del gene e possono richiedere, per un’azione terapeutica ottimale, un dosaggio farmacologico inferiore alla norma.

C. metabolizzatori estesi (Extensive Metabolizer - EMs): sono persone dotate di un normale metabolismo farmacologico. Di solito presentano due alleli attivi del gene.

D. ultra metabolizzatori (Ultra-Metabolizer - UMs): sono persone con un’aumentata espressione dei geni coinvolti nel metabolismo dei farmaci, a causa della quale possono richiedere, per un’azione terapeutica ottimale, un dosaggio farmacologico superiore alla norma. Gli UM presentano tre o più alleli attivi, a causa di una duplicazione di un allele attivo.

Dosi standard di farmaco con una curva dose-risposta ripida o un range terapeutico ristretto possono produrre reazioni farmacologiche avverse, tossicità, o diminuita efficacia nei PMs. Dosi standard di farmaco, quando assunte da UMs, possono essere incapaci di produrre l'effetto desiderato.

Il sistema enzimatico del citocromo P450 svolge un ruolo centrale nel metabolismo ossidativo dei farmaci. Questi citocromi sono molto importanti, in quanto sono responsabili del metabolismo di fase I per molti farmaci di uso corrente e per alcune sostanze endogene (es. ormoni). Questa classe di enzimi e’ responsabile della maggior parte delle reazioni di ossidazione a livello epatico. La loro funzione è quella di trasformare diverse sostanze endogene o esogene; ogni forma di citocromo ha una sua specificità per quanto riguarda la sostanza da ossidare. I geni che codificano per questi enzimi sono chiamati CYP. Nell’uomo sono stati identificati 57 CYP che sono suddivisibili in 18 famiglie e 42 sub-famiglie in base alla percentuale di sequenze aminoacidiche identiche.

Polimorfismi sui geni dei citocromi P-450 possono portare alla sintesi di enzimi con attività diverse, in grado di metabolizzare più o meno velocemente i farmaci (metabolizzatori lenti-PM; metabolizzatori rapidi - UM), portando ad un loro accumulo, nel caso di un metabolizzatore lento, oppure alla loro eliminazione troppo rapida dal circolo sanguigno, nel caso di un metabolizzatore rapido.
Lo studio delle varianti genetiche dei CYP e’ estremamente importante per valutare correttamente la risposta ai farmaci e la loro tossicità, in quanto molti prodotti oggi in commercio sono substrati di questi enzimi. Tali varianti alleliche sono responsabili dell’aumento nella risposta e nella tossicità di farmaci delle classi più disparate (ad es. anticoagulanti, statine, immunosoppressori) o della diminuita risposta di profarmaci, come la codeina (che deve essere metabolizzata a morfina per svolgere la sua azione analgesica) ed altri oppiacei. Di conseguenza, l’attività analgesica dei farmaci è ridotta o assente nei metabolizzatori lenti (PM).

Queste variazioni nella farmacocinetica possono causare effetti secondari indesiderati. Conoscere a priori quale polimorfismo presenta un paziente è utile nella scelta del farmaco oppure nel dosaggio dello stesso, in modo da ottenere il miglior effetto terapeutico, evitando spiacevoli effetti secondari.
Common pharmacogenetic polymorphisms in human drug metabolising enzymes (data from Weber 1974).

Il problema della variabilità individuale della risposta ai farmaci è particolarmente importante nella terapia dei tumori perchè vengono in questo caso impiegati farmaci caratterizzati da un indice terapeutico particolarmente ristretto, con variazione minima tra dose efficace e dose tossica.
Molte terapie antitumorali odierne sono in grado di eradicare i tumori, ma di queste molte hanno una modesta specificità per il tumore rispetto ai tessuti normali e, così, provocano un danno collaterale alle cellule non cancerogene. Pertanto, si dice che questi farmaci hanno un ristretto “range terapeutico”, in cui la proporzione tra la dose che è associata alla efficacia terapeutica e la dose associata alla tossicità è relativamente piccola.
La probabilità di migliorare l’efficacia aumenta con la dose del farmaco, ma anche la probabilità di eventi svantaggiosi. Se sarà possibile separare ancora di più le curve dose-efficacia e dose-tossicità, anche il range terapeutico potrà essere allargato.

Alterazioni anche limitate nel metabolismo di un chemioterapico antitumorale per variazioni genetiche possono causare cambiamenti notevoli nell’effetto farmacologico in termini sia di tossicità che di efficacia. Ciò si verifica purtroppo frequentemente in quanto la posologia degli agenti antineoplastici viene stabilita dal medico oncologo in maniera standardizzata sulla base della superficie corporea del paziente (tenendo ovviamente conto anche degli altri fattori non genetici di variabilità).

Come per altre patologie, le variazioni nella sequenza del DNA possono riguardare la struttura di geni che codificano per enzimi del metabolismo e del trasporto dei farmaci o per proteine impli cate nell’azione dei farmaci, influenzandone il destino nell’organismo, la tossicità ed anche, come più recentemente evidenziato, l’efficacia. A questo proposito è importante sottolineare che non soltanto i polimorfismi del genoma dell’ospite, ma anche quelli del genoma tumorale possono influenzare la risposta ai farmaci antineoplastici. I polimorfismi del genoma dell’ospite e del tumore regolano entrambi il trasporto, la ritenzione e l’efflusso dei farmaci antitumorali, determinandone il grado di penetrazione nel tessuto tumorale; il genoma del tumore possiede la maggioranza dei polimorfismi che influenzano l’aggressività tumorale e la sua farmaco-sensibilità o resistenza (ad esempio mutazioni di p53, KIT, EGFR, polimorfismi di TS, ecc.); i polimorfismi del genoma dell’ospite rappresentano i principali determinanti del rischio di tossicità per il paziente (ad esempio polimorfismi dei geni del metabolismo come tiopurina metiltransferasi, diidropirimidino deidrogenasi, UDP glucuronosiltransferasi, ecc), alla quale non contribuiscono invece in modo sostanziale i polimorfismi del genoma del tumore.
Test farmacogenomici nella terapia del cancro.

 L'importanza della farmacogenetica nella terapia antitumorale si estende al metabolismo dei farmaci e alle variabilità individuali che sono alla base delle gravi tossicità secondarie alla somministrazione di 5-FU, 6-mercaptopurina, metotressato, irinotecano, cisplatino ed etoposide che possono essere associate a polimorfismi genici di diidropirimidina deidrogenasi (DPD), tiopurina S-metiltransferasi (TPMT), 5,10-metilenetetraidrofolato reduttasi (MTHFR), UDP-glucuronosiltransferasi (UGT), glutatione S-transferasi (GST) ed enzimi del citocromo P450 (CYP), rispettivamente.