哮喘治疗药物生物通路的基因多态性研究进展

Abstract

The studies on gene polymorphisms in biological pathways of the drugs for the treatment of asthma refer to the studies in which pharmacogenetic methods, such as genome-wide association studies, candidate gene studies, genome sequencing, admixture mapping analysis, and linkage disequilibrium, are used to identify, determine, and repeatedly validate the effect of one or more single nucleotide polymorphisms on the efficacy of drugs. This can provide therapeutic strategies with optimal benefits, least side effects, and lowest costs to patients with asthma, and thus realize individualized medicine. The common drugs for asthma are β2 receptor agonists, glucocorticoids, and leukotriene modifiers. This article reviews the research achievements in polymorphisms in biological pathways of the common drugs for asthma, hoping to provide guidance for pharmacogenetic studies on asthma in future and realize individualized medicine for patients with asthma soon.

哮喘是儿童时期最常见的慢性呼吸系统疾病之一，全世界约有3亿哮喘患者，且其患病率呈急剧上升趋势^[1-2]。2010年流行病学调查显示，我国儿童支气管哮喘患病率为3.02%，较10年前上升了50%^[3]。虽然全球支气管哮喘防治指南（GlobalInitiative for Asthma, GINA）不断更新进步，由于个体差异，临床上部分难治性哮喘患者仍不能得到良好的症状控制。提高哮喘患者的症状控制率对家庭、社会、国家乃至全世界来说仍是一个极其任重而道远的课题。庆幸的是，哮喘的个体化医疗工程为解决这一课题带来了新的希望。目前哮喘的主要治疗药物包括：① β2受体激动剂，包含短效β2受体激动剂（short-acting β2-agonist, SABA）如非诺特罗、左旋沙丁胺醇等；中长效β2受体激动剂，如维蓝特罗、茚达特罗等；长效β2受体激动剂（long-acting β2-agonist, LABA），如沙美特罗、福莫特罗等。②糖皮质激素，包括全身用药型及吸入型（inhaled corticosteroids, ICS）。③白三烯调节剂，可分为白三烯受体1阻断剂和5-脂氧合酶（5-lipoxygenase, 5-LO）抑制剂。④其他：包括茶碱类、抗胆碱能药物、肥大细胞膜稳定剂、抗IgE单克隆抗体等。尽管可选药物种类较多，多数患者仍不能避免哮喘反复发作，更有部分患者出现严重毒副作用^[4]。通过哮喘治疗药物的基因多态性与疗效的关联研究将有助于制定哮喘个体化的治疗方案，以期最大化药物疗效而最小化药物相关的副作用，真正实现哮喘的个体化医疗。

1. β2受体激动剂途径

β2受体受体激动剂是一种极为常用的儿童哮喘用药，其中SABA主要用于缓解急性发作，其气雾剂或者干粉剂吸入5~10 min即可见效，口服用药15~30 min起效；LABA主要与ICS联合作为控制症状的治疗。自从20世纪60年代有关β2受体激动剂的致死性事件报告以来，儿童哮喘患者使用β2受体激动剂治疗仍有争议。以往的研究认为这些致死性事件只与高剂量的SABA相关，然而在1993年英国Serevent National Surveillance Trial（SNS）机构以及2005年美国哮喘沙莫特罗多中心调查发现，LABA也可能与这些罕见的致死性事件相关^[5-6]。这部分患者体内是否包含有特殊的基因多态性位点，增加了对β2受体激动剂严重副作用的易感性？自20世纪中叶以来大量的多中心研究为解答此问题做了深入探索。有关β2受体激动剂通路的研究主要集中在β2肾上腺素受体（β2-adrenergic receptor gene, ADRB2）途径，和一氧化氮合酶（nitric oxide synthase, NOS）途径。

1.1. β2肾上腺素受体（ADRB2）途径

β2受体激动剂进入体内后，先与胞膜上的ADRB2结合，激活G蛋白受体，活化腺苷酸环化酶，胞内cAMP浓度升高，导致气道平滑肌舒张。ADRB2基因位于染色体5q31-32，无内含子，其编码的蛋白在气道平滑肌中含量丰富。目前发现ADRB2基因有近50个多态性位点，其中研究得最多的是16号氨基酸多态性位点Gly16Arg。通常情况下，人类ADRB2基因编码16号氨基酸Gly，表型为Gly16Gly；当+46位碱基A被G取代，则编码氨基酸为Arg，若只发生于一条染色体，表型为Gly16Arg；若发生于两条染色体，则表型为Arg16Arg。

体外实验发现，在β2受体激动剂刺激下，Arg16Arg组能够引起β2受体表达水平下调^[7]。在儿童哮喘的研究发现，Arg16Arg纯合子个体单次使用SABA表现为明显的支气管扩张^[8]。这一点在随后的小样本研究中也得到了证实^[9]。然而，2004年Israel等^[10]报告了第一项关于此多态性位点的前瞻性随机对照研究，他们根据基因分型不同将受试对象分为Arg16Arg组、Gly16Gly组以及对照组，随机接受SABA或者安慰剂治疗，以晨起呼气峰流速（peak expiratory flow rate, PEFR）作为评判指标，跟踪记录20周，发现Arg16纯合子组的PEFR相比于对照组无明显变化；相反，Gly16纯合子组PEFR相比于对照组明显增高。但是，2010年Bleecker和2015年Shah、Bandaru等人^[11-13]的研究提示，此多态性位点与SABA或LABA引起的PEFR并无明显关联。国内Fu等发现Arg16纯合子能增加对哮喘的易感性，但尚未发现其与药物反应性之间的关联^[14]。

不同研究中Arg16Gly多态性对SABA反应性不同，这可能与药代动力学相关，也有可能与体内复杂的炎症反应网络等相关，尚需进一步研究。Arg16Gly多态性位点能够影响SABA的疗效，它是否对LABA也有类似作用呢？

2009年Wechsler等^[15]一项包含42名Arg16Arg成人哮喘患者及45名Gly16Gly成人哮喘患者的前瞻性随机对照实验，患者随机使用ICS联合LABA或者安慰剂治疗18周，结果表明Arg16Arg组患者以及Gly16Gly组患者均有PEFR的改善；他们还发现，Gly16Gly组患者对于抗胆碱药（醋甲酰胆碱）的支气管扩张反应强于Arg16Arg组。最近Wechsler等^[16]报道，Gly16Arg多态性位点不影响成人哮喘患者对LABA或者抗胆碱能药物联合ICS治疗的反应性。一项包含179名Arg16纯合子个体、182名Arg16Gly杂合子个体和182名Gly16纯合子个体的更大样本成人哮喘研究，随机选用单独沙莫特罗或沙莫特罗与ICS联合的治疗方案，发现无论是否联合使用ICS，3组的PEFR差异无显著性^[17]。表明成人哮喘患者Arg16Gly多态性与LABA的疗效无明显关联。而在儿童哮喘当中的关联性还有待进一步证实。

Arg16Gly为ADRB2基因一个最常见的多态性位点，据报道其杂合子在美国约有40%~50%的变异率，亚洲人群则含有更高的Arg16Arg比例^[17]。已有大量研究表明Arg16Arg多态性能引起患者对β2受体激动剂反应性下降^{[7, 10]}，临床中这部分患者因加大β2受体激动剂用量而容易导致全身性副作用的发生。然而临床中β2受体激动剂的严重副作用事件发生率不到1%，且在各种族间发生率未发现明显差异^[18]，这提示很可能存在另一个极其罕见但具有极强生物学效应的变异位点影响着哮喘患者对β2受体激动剂的反应。在不同种族的哮喘患者ADRB2基因组测序中发现了少量变异率小于5%的多态性位点，Thr164Ile就是其中一例。Green等^[19-20]研究发现，Thr164Ile多态位点对SABA的反应表现为配体受体结合力下降；在体外此多态性位点对LABA表现出了类似反应。随后在一项超过60 000人的临床试验中发现，Thr164Ile与肺功能下降、哮喘临床发作等相关^[21]。2014年Ortega等^[22]在不同种族ADRB2罕见变异位点与LABA反应性关系的研究发现，Thr164Ile变异与哮喘急性发作相关，尤其是与哮喘相关的住院率有明显的关联：使用LABA治疗时，Thr164Ile变异型较普通型患者住院率明显增高；而不使用LABA时Thr164Ile变异型哮喘患者的住院率为0。由此说明，Thr164Ile变异与LABA的共同暴露增加了哮喘患者的住院率，此位点可作为这部分人群的遗传学标记位点之一，暗示着哮喘的临床表现是基因与环境共同作用的结果，也说明理想的哮喘个体化医疗必须考虑基因与环境之间的相互作用。

其他基因也能影响β2受体激动剂的药物疗效。促肾上腺皮质激素释放激素受体2（corticotropin-releasing hormone receptor 2, CRHR2）基因定位于7p14.3，其编码蛋白也能通过激活腺苷酸环化酶及蛋白激酶A引起支气管舒张效应。2008年Poon等^[23]在3个不同种族哮喘患者（包含607名哮喘儿童）对CRHR2基因28个多态性位点的关联研究发现，5个多态性位点与SABA的急性气道平滑肌舒张效应相关。而Drake等^[24]的一项全基因组关联研究（genome-wide associationstudies, GWAS）表明，在CRHR2附近的基因也能影响哮喘患者对SABA的反应。这说明β2受体途径的基因标记不仅需考虑基因本身、基因与环境的相互作用，还应包括基因与基因之间的相互作用。

1.2. 一氧化氮合酶（NOS）途径

NOS能够在一定条件下催化左旋精氨酸生成一氧化氮（nitric oxide, NO）。NO为内源性支气管舒张剂，能引起支气管舒张。精氨酸酶（arginase, ARG）基因1（ARG1）定位于6q23，ARG2定位于14q24.1，均含8个外显子。ARG1和ARG2均能够分解代谢左旋精氨酸，生成鸟氨酸和尿素。因此，ARG1和ARG2与NOS存在底物竞争性抑制的关系。当AGR1和ARG2发生编码信息改变时，其分解代谢左旋精氨酸的能力降低，从而有利于一氧化氮合酶过程。ARG1和ARG2基因多态性是一氧化氮合酶途径研究的热点。Litonjua等在209例使用吸入性β2受体激动剂的儿童哮喘研究中发现，ARG1基因多态性与吸入性β2受体激动剂引起的支气管舒张效应明显相关^[25]。随后Vonk等一项类似的成人哮喘研究证实了此结果，且认为ARG1和ARG2基因多态性还与哮喘的严重性相关^[26-28]。另外，Iordanidou等^[29]在一项包含81名哮喘儿童的研究中发现，编码NOS3的基因内部多态性位点Asp298Glu可作为ICS联合LABA治疗疗效判定的生物学标记之一。

2. 糖皮质激素途径

糖皮质激素是GINA推荐的哮喘一线药物。绝大部分哮喘儿童对糖皮质激素敏感，但有小部分患者对激素不敏感或耐药。这部分患者长期使用糖皮质激素，不但不能有效控制症状，甚至可能诱发哮喘急性发作。如果能预先推测哮喘儿童对糖皮质激素的反应性将能很好地解决这个问题，将影响哮喘患者糖皮质激素疗效的基因多态性位点总结如下。

2.1. 激素合成通路基因

肾上腺皮质由中胚层发育而来。胚胎时期，核转录因子（如T基因等）能促进中胚层的形成及分化。由下丘脑分泌的促肾上腺皮质激素释放激素（CRH）进入垂体前叶，与促肾上腺皮质激素释放激素受体1（CRHR1）结合，在伴侣蛋白如应激介导磷酸化蛋白1（stress-inducible protein1, STIP1等）协同下，通过促肾上腺皮质激素（adrenocorticotropic hormone, ACTH）促进糖皮质激素的分泌。

T基因定位于6q27，其编码蛋白为一种胎源性的核转录因子，能够影响中胚层的形成及分化。2012年Tantisira等^[30]运用GWAS方法发现，T基因中的两个多态性位点（rs3127412和rs6456042）也能影响ICS引起的肺功能变化。

CRHR1基因定位于17q21.31，其编码蛋白为促肾上腺皮质激素释放激素的受体，两者结合后可引起下游皮质激素释放增多。Tantisira等^[31]在3个独立的临床试验共计1 117名哮喘患者（包含211名儿童）中发现，有2个CRHR1多态性位点（rs1876828和rs242941）能够影响吸入型糖皮质激素对肺功能的效应。

STIP1作为伴侣蛋白加速糖皮质激素的合成，定位于11q13。Hawkins等^[32]发现，STIP1基因中3个多态性位点（rs6591838、rs2236647、rs1011219）与ICS改善肺功能有关。

2.2. 炎症基因

糖皮质激素途径可与其他的药物作用途径相互影响。腺苷酸环化酶（adenylate cyclase type 9, ADCY9）基因定位于16p13.3，其编码蛋白能分解ATP产生cAMP，最终引起支气管舒张。ADCY9对多种因素敏感，如微环境pH值、钙离子变化等。一项儿童哮喘管理工程（childhood asthmamanagement program, CAMP）研究发现，ADCY9多态性位点Met722Ile（rs2230739）与LABA联合ICS治疗的疗效相关^[33]。随后韩国的一项LABA联合ICS的研究也得到了类似的结果^[34]。

TBX21（T-box21）编码的蛋白为Th1细胞特异性的调节转录因子，它能调节Th1细胞的细胞因子（主要是IFN-γ）分泌。一项候选基因研究发现，调节原始T细胞分化的基因TBX21（定位于17q21.32）的多态性位点His33Glu（rs2240017）与哮喘患儿ICS治疗后的气道高反应性变化有关^[35]。成人哮喘的研究也发现TBX21多态性与患者对ICS的治疗反应相关^[36]。

糖皮质激素介导的转录因子1基因（glucocorticoid induced 1, GLCCI1）定位于7p21.3，与糖皮质激素介导的细胞凋亡相关。2011年Tantisira等^[37]通过GWAS方法发现GLCCI1的一个多态性位点（rs37972）与使用ICS治疗的肺功能变化相关；同时，细胞实验证实rs37972基因多态性能导致基因表达水平的降低。

2.3. 哮喘易感性基因

ORMDL3基因为一种哮喘易感基因，定位于17q12。来自欧洲白种人的实验发现，儿童哮喘易感基因ORMDL3多态性位点rs2872507也与ICS治疗后的肺功能改变相关^[38]。表明糖皮质激素途径同时受其他作用途径的影响，基因与基因的相互作用也能影响药物疗效。

2.4. 药代动力学基因

除了通路基因的多态性外，影响药代动力学的基因也能影响个体对药物的反应性。CYP3A4基因定位于7q21.1，其编码蛋白为细胞色素P450家族成员之一，为一种单氧酶，参与体内多种药物的降解代谢过程。Stockmann等^[39]一项包含734名哮喘儿童的研究，通过候选基因测定CYP3A4/CYP3A5/CYP3A7与ICS（吸入性氟替卡松）的关联，发现CYP3A4基因22位氨基酸位点多态性与治疗后的哮喘症状控制率相关，此多态性位点能够降低肝脏CYP3A4蛋白表达水平，CYP3A4活性降低，体内药物浓度增高，从而提高哮喘患者对ICS的反应性，增加哮喘的控制率。

综上，通路基因如T基因、CRHR1、STIP1，炎症基因如ADCY9、TBX21、GLCCI1，哮喘易感性基因如ORDML3，药代动力学基因如CYP3A4等均可影响哮喘患者对ICS的治疗反应。然而，根据Ortega等^[18]的预测，目前已发现的像GLCCI1等基因位点的突变或多态性等对ICS治疗反应的影响所占比例不到6.6%，可能还有许多其他的未考虑到的影响因素如遗传因素（如表观遗传）、环境因素等。这些因素可能通过基因与基因相互作用、基因与环境相互作用以及其他方式起作用，仍待进一步研究。

决定ICS治疗反应的整体图谱应在更大人群样本的多层面、多中心、多系统研究中绘制，且需同时考虑其他药物其他作用通路的影响，这对儿童哮喘的个体化医疗的实现是必须的。

3. 白三烯受体途径

3.1. 通路基因

白三烯调节剂作为比较常见的儿童哮喘联合用药，近年来其遗传药理学的研究也引发了广大科研工作者的兴趣。白三烯合成途径的限速酶为5-脂氧合酶，此酶由ALOX5基因编码，定位于10q11.2。Drazen等研究发现，在ALOX5启动子区域的串联重复序列可使ALOX5基因表达下降，从而导致对白三烯调节剂反应性降低，且在使用5-脂氧合酶抑制剂ABT-761后发现这个启动子区域的多态性与白三烯调节剂对肺功能的变化相关^[40]。随后更大范围的候选基因研究发现，ALOX5基因启动子的其他多态性位点也能影响孟鲁司特对哮喘儿童的疗效。例如Lima的研究发现，ALOX5（rs2115819）多态性与哮喘患者对孟鲁司特引起的FEV1（forced expiratory volume in 1 second, FEV1）变化相关^[41]。

白三烯C4合酶（LTC4S）和白三烯A4水解酶（LTA4H）为白三烯合成过程的作用酶，LTC4S基因多态性位点rs730012和LTA4H基因多态性位点rs2660845与哮喘症状的频率相关^[42-44]。2013年Mougey等^[45]对270例哮喘儿童的研究发现，在ALOX5启动子区域比较少见的重复等位基因序列（3/4/6个等位重复序列）与野生型（5个等位基因重复序列）相比较，患者尿液中含有更高浓度的LTE4，体内白三烯合成增加，这部分患者对孟鲁司特的疗效更好；进一步研究发现，这部分患者86%是来自于非洲的美裔患者，暗示着从非洲祖先来源的基因多态性可能影响着哮喘儿童的症状严重性以及对白三烯药物的反应性。

3.2. 药代动力学基因

影响药代动力学的基因也可能影响哮喘儿童体内的白三烯调节途径。生物个体内的白三烯水平受肠内载体介导转运功能的影响，这种转运受组织离子通道载体家族2B1基因（SLCO2B1）编码。此基因定位于11q13，其变异（Arg312Glnrs12422149）能够影响胞液中白三烯的水平，且在包含80名哮喘患者的临床试验中证实此变异与孟鲁司特作用后的哮喘症状控制率相关^[46]。但是小样本健康人群的研究未发现SLCO2B1多态性对孟鲁司特药代动力学的影响^[47-48]。其他的能够影响药代动力学的基因如细胞色素P450相关基因等是否有影响，仍需进一步实验证实^[49-50]。

4. 展望

哮喘中有关遗传因素影响药物疗效的研究正在世界各地大规模开展，已取得了相当可贵的结果，但是哮喘的个体化医疗仍处于起步阶段。临床较为广泛使用的哮喘个体化治疗的生物制剂IL-4受体拮抗剂—匹曲白滞素（IL-4受体单克隆抗体），主要针对于痰液或者血液中嗜酸性粒细胞数较高的患者，它能阻断IL-4和IL-13通路，纠正过敏反应过程，较好地控制部分患者的哮喘症状。哮喘的靶向生物治疗是昂贵的，因此有必要将特殊生物试剂严格限定于有阳性生物学标记的患者，且最好根据个体的药代动力学设定用药方法。

随着遗传药理学的研究深入，近年来新兴了很多更好的研究大样本多层次数据的方法，有助于正确分析错综复杂的基因SNPs网络在儿童哮喘中的地位。目前多个研究中心已经发现了大量的SNPs与儿童哮喘的疗效相关，但这些研究多是单因素或几个因素联合分析，而患者是一个整体，如何将这些相对零散的基因变异或多态性位点全部纳入进行综合分析将是一个需要攻克的难题。

5. 结论

儿童哮喘的遗传药理学研究有望为哮喘儿童提供个体化医疗的理论依据，争取最大化治疗反应而最小化副作用，为个体选择最优的治疗策略，减轻个人、家庭以及社会的负担。

目前的研究结果发现了许多可能是生物标记位点的变异基因或者SNPs，但尚需在更大样本量的个体中重复认证。但基于之前的研究发现，不同种族不同环境暴露的群体标记基因可能不同，同一个标记基因只能在某亚群中有指导意义，故不能盲目扩大样本量，而应根据群体分层研究。对哮喘个体而言，某一药物的反应性是体内多通路、多基因相互整合的结果，因此将所有研究结果整合是极其重要的。未来的遗传药理学需要依靠临床医师、生物学家、药理学家、统计学家等等的共同努力，运用大数据的、更全面的分析方法，以期最终为儿童哮喘患者提供真正的个体化医疗。

Biography

郭丹丹, 女, 硕士研究生