1

Introduction toPharmacogenomics

(Farmakologi molekuler)Dra.Mayagustina Andarini,M.Sc,Apt

Define Pharmacogenetics

“The role of genetics in drug responses”, refers to thestudy of genetic influences on an individual’s responseto drugs. In pharmacogenetics, the analysis of a specificgene, or group of genes, may be used to predictresponses to a specific drug or class of drugs.

Pharmacogenetics adalah studi mengenai pengaruh genetikpada respon obat secara individual.Dalam pharmacogenetics, analisis spesifik gen, ataukelompok gen, dapat dipergunakan untuk melakukan prediksirespon obat tertentu atau kelompok suatu obat.

Objectives of Pharmacogenetics

1. Identify variation in response (Identifikasivariasi respon)

2. Elucidate molecular mechanisms (Elusidasimekanisme molekular)

3. Evaluate clinical significance (Evaluasisignifikansi klinis)

4. Develop screening tests (Penyusunan tes skrining)5. Individualize drug therapy (Individualisasi terapi

obat)

Farmakogenetik

Faktor-faktor yang berkontribusi dalam variasi respon obat:jenis kelaminusiabody massdietterdapatnya obat lain yang sedang dikonsumsipenyakit lain yang sedang dideritabahan kimia atau toksin tertentu, seperti asap rokokfaktor genetik juga berpengaruh pada respon obat.

Introduction.mp4

2

Farmakogenomik

Cabang ilmu farmakologi yang berfokus pada pengaruhvariasi genetik atas respon obat pada pasien denganmenghubungkan ekspresi gen atau single-nucleotideplymorphism (SNPs) dengan efikasi atau toksisitas obat.

Farmakogenomik adalah aplikasi ilmu pengetahuanmengenai genom (genomics) untuk studi berbagaivariasi manusia dalam merespon obat.

(Genom adalah keseluruhan bahan genetik yang membawa semua informasi pendukungkehidupan pada suatu makhluk hidup, baik yang merupakan gen atau bukan. Pada semuamakhluk hidup, genom mencakup semua informasi genetik yang dibawa DNA, baik di inti sel(nukleus), mitokondria, maupun plastida)

Farmakogenomik

Efek dosis tertentu pada spesifik obat akanberbeda pada tiap individu. Obat yang efektifpada satu orang mungkin tidak mempunyai efekterapi yang sama pada orang lain, mungkinmemperlihatkan respon yang berbeda; ataubahkan mungkin terjadi efek samping yang tidakdiinginkan bagi orang lain.

Genomics:The study of gene organization

DNA is made of four“basepairs”:A,T,G,CEach gene is about 10,000 basepairs of DNA sequence.There are about 30,000-50,000genes.There are 2.9 billion base pairsin the human genome, of whichonly 0.1% accounts fordifferences betweenindividuals and 3% of whichencode for genes.

Using genetic information to predict whethera drug will help make a patient well or ill.

+

Farmakogenomik

(Menggunakan informasigenetik untuk memprediksi

apakah suatu obat akanmembantu pasin menjadi lebih

baik atau tidak)

3

What makes pharmacogenomicspossible today?

1. Sequencing of the human genome reveals 2.9 billion base pairs that areconstant, narrowing down variability to about 3 million base pairs, of which100,000 capture the full human variation and <10,000 may bepharmaceutically relevant. (Sekuensi genom manusia telah terungkapsebanyak 2,9 milyar “base pair”, variabilitasnya sekitar 3 juta “basepair”, 100.000 diantaranya merupakan varian dan <10.000 relevan secarafarmasetikal)

2. Advances in genome sequencing technology make possible addressing thoseindividual base pairs. (Kemajuan teknologi untuk melakukan sekuensi genommemungkinkan identifikasi “base pair” genom secara individual).

3. Automatization and miniaturization significantly drive down cost of DNAsequencing reaction. (Automatisasi dan miniaturisasi secara signifikanmenekan biaya reaksi sekuensi DNA).

4. Computer technology and computer networks facilitate handling of data.(Teknologi komputer dan jaringannya memberikan fasilitas proses data).

Current Impact(Dampak pada saat ini)

1. Pharmacogenomics broadly adopted in drug discovery anddevelopment phases in the pharmaceutical industry.(Farmakogenomik secara luas disertakan pada fase penelitian penemuanobat dan perkembangan obat di industri farmasi).

2. Pharmacogenomics research heavily invested upon by publicand private companies. (Penelitian Farmakogenomik sangat besardiinvestasikan oleh perusahaan milik publik dan swasta)

3. Pharmacogenomics seen as the future of medicine – so calledPERSONALIZED MEDICINE. (Farmakogenomik dipandangsebagai prospek masa depan pengobatan – yang disebut PengobatanIndividual)

Pharmacogenomics as a field

Pharmacogenomics studies howgenes determine interindividualvariability in drug response.

Combines many different fields:Genetics, genomics, molecularbiology, pharmacology,pharmaceutics, toxicology,population biology, statistics.

For Pharmacists: It may be used topredict how a patient may respondto drug, with the help of a genetictest.

Genetika:aspek yang menyangkut pewarisan sifat danvariasi sifat pada organisme

Genes : unit ofinformation encoding aninherited trait.

Inheritance (Warisan): howtraits are transmitted fromparents to offspring

Traits (Ciri Khas):characteristics of a person(from the color of the eyesto the response to drugs) Phenotype: The physical manifestation of

genes: eye color, height, blood group, …Genotype: The actual genes we have.

4

GENOTYPES

Molecular Biology:How gene encode traits

Basic tenets of molecular biology(Prinsip dasar biologi molekuler):

1. Genes are encoded in DNA (Gendisandikan dalam DNA).

2. DNA is transcribed to RNA which istranslated into protein (DNAditranskripsikan pada RNA yangditerjemahkan ke dalam protein) .

3. Proteins and RNA are the basic buildingblocks of cells and tissues, and comprisethe molecular machinery of life. (Proteindan RNA adalah komponen dasarpembentukan sel dan jaringan, sebagai mesinmolekuler kehidupan)

Pharmacology:How drugs exert their effects on thebody

Studies how drugs interactwith cellular molecules, andact by inhibiting orstimulating that “target”molecule. (Studi bagaimana obatberinteraksi dengan molekul seluler, danbertindak menghalangi atau menstimulasimolekul “target”)

Most drug targets are proteinsencoded by genes. (Kebanyakansasaran obat adalah protein yangdisandikan sebagai gen)

PharmaceuticsStudies how drug transport and distribution inthe body influences drug efficacy and toxicity.(Studi yang mempelajari pengaruh transpor dandistribusi obat di dalam badan terhadap efikasidan toksisitas).

Drug concentration in different bodycompartments determine where drug acts.(Konsentrasi obat akan berbeda pada tiap kompartementubuh untuk menentukan di mana obat melakukanaksinya).

Drug concentration varies with time after drugadministration according to rate constantsdetermining flux of drug into and out of tissuecompartments. (Konsentrasi obat berubah-ubahsejalan dengan waktu setelah obat masuk kedalam tubuh, sesuai konstan laji yangmenentukan transpor obat masuk ke dalam dankeluar dari jaringan kompartemen)

5

Toxicology

Toxicology: Studies the ability of adrug to make a person sick (Studimengenai pengaruh obat yangmerugikan bagi manusia).

While everything that goes into thebody can have a good effect, it canalso have bad effect. (Semua yangmasuk ke dalam tubuh bisa mempunyaiefek baik, juga bisa mengakibatkan efekburuk)

Efficacy: Good effect (Efek baik)Toxicity:Bad effect (Efek buruk)

Population Biology

Population biology: studies genecombinations as they exist in the humanpopulation, how they arose, how theyspread.(Biologi Populasi : studi tentang kombinasi genpada populasi manusia, bagaimana merekameningkat dan berkembang biak)

Gene variation in the humanpopulation is not random; rather,gene variations are found in certaincombinations that are moreprevalent than others. (Variasi genpada populasi manusia tidak acak; namunditemukan dengan kombinasi tertentu)

QUESTIONWhat are the driving forces behind

pharmacogenomics?(Apa yang mendorong penelitian mengenai

farmakogenomik?)

Adverse drug reaction costs

Reasons: Prescription error,overdosing, drug interactions,population genetic variables.(Kesalahan peresepan, overdosis,interaksi obat, variabilitas populasigenetik)

Drug interactions: Two or moredrugs metabolized or eliminatedby the same mechanismadministered at same time cansaturate mechanism, leading totoxicity.

Adverse drug effects areestimated to be the 5th or6th cause of illness anddeath in the US.

Costs estimates rangebetween 30 to 150 billiona year.

Adverse drug effectsaccount for up to 7% ofhospitalizations in US

6

Many drugs are intrinsicallyunsafe and could be made safer

Example Too little Too much

Anticoagulants: Warfarin clots, stroke bleeding/deathAnticancer: Paclitaxel Cancer grows immunocytopeniaPain killers: Morphine No effect Addiction/deathStatins Lipitor high cholestrol myopathy/deathAcetaminophen Tylenol No pain relief Liver failure/death

Variasi respon obat

Faktor-faktor genetik berkontrobusi antara 20 sampai 95%dari variasi respon obat yang diteliti pada individu-individu.

Obat mengalami lima tahap setelah berada dalam tubuh, yaitu:

1. Absorpsi2. Distribusi3. Target interaksi (ikatan pada reseptor selular atau pada kanal ion)4. Metabolisme5. Eksresi dari tubuh.

Secara teoritis, gen dapat berpengaruh pada tiap tahap di atas terhadap responobat secara keseluruhan

Variasi respon obat

Dua kelompok utama gen yang penting dalammempelajari variasi respon obat.

Farmakokinetik: cabang farmakologi yang dikaitkan dengan penentuannasib obat dalam tubuh, yang mencakup absorbsi, distribusi, metabolisme danekskresi. Bagaimana metabolisme obat oleh enzim-enzim dan obattransporters, yang mempengaruhi bagaimana obat bekerja dalam tubuh.

Farmakodinamik: Cara kerja obat , efek obat terhadap fungsi berbagaiorgan, dan pengaruh obat terhadap reaksi biokimia dan struktur organ obat,termasuk target-target obat seperti enzim, reseptor dan kanal ion, sertamekanisme mereka yang dihubungkan dengan efek di dalam tubuh.

Variasi respon obat

Contoh gen yang mempengaruhi Farmakokinetik obatadalah gen ABCB1, yang berkode drug transportersMDR1; variant ABCB1 dikorelasikan dengan resistensipada efek obat seperti antiepilepsi phenytoin.

Contoh gen yang mempengaruhi Farmakodinamik obatadalah gen CYP2C19, yang berkode enzim metabolikcytochrome p450. Variant CYP2C19 dikorelasikandengan berkurangnya respon omeprazole, obat pepticulcer dan gangguan gastrointestinal lain

video PG 2 Variation in drug response.mp4

7

Variasi FarmakogenetikWhat is SNPs.mp4

1. Single nucleotidepolymorphisms (SNPs ataudisebut SNIP),adalah variasi urutan DNA ketikasingle nucleotide — A, T, C, atau G— pada genom (atau urutan lainyang terbagi) berbeda di antaraspesies-spesies (atau di antarakromosom yang dipasangkan dalamsuatu individu). Misalnya, duaurutan fragmen DNA dari individuyang berbeda, AAGCCTA keAAGCTTA, mengandung satuperbedaan dalam satu singlenucleotide. Di kasus ini kita dapatmengatakan bahwa ada dua alel: Cdan T. hampir semua SNPsbiasanya hanya mempunyai duaalel.

Variasi genetik yang mempengaruhi aksi obat:

Variasi Farmakogenomik

2. Haplotypes

Satu set alel yang biasanya diwariskan bersama sebagai satu kelompok. Satuset alel dihubungkan berdekatan pada kromosom yang cenderung diwarisibersama; biasanya digunakan untuk referensi ikatan gen pada komplekshistocompatibility utama. Umumnya merupakan predictor yang lebih baikpada respon suatu obat daripada SNPs yang terisolasi. Misalnya, jika responobat tertentu Y berpengaruh oleh suatu bidang SNPs pada gen X, dan secaraumum terjadi lima haplotypes (kombinasi-kombinasi SNPs) dalam suatupopulasi, kemudian ada dua yang mungkin memberikan respon yang baik,satu dengan respon yang cukup baik, dan dua memberikan respon yangburuk. Dengan menggunakan ilustrasi yang real-life, ada dua variasi umum,C atau T, pada posisi spesifik dalam gen multi-drug transporter ABCB1.Kebanyakan individu akan mempunyai genotipe CC, CT atau TT yangberkaitan dengan SNP ini, dan genotipe CC terhubungkan dengan resistensiobat anti-epilepsi

video PG 3 Variation.mp4

Implikasi Klinis

Efikasi dan toksisitas adalah dua aspek pokokrespon obat dalam relevansi klinis.

Implikasi Klinis

Efikasi adalah respon manfaat atau terapimaksimum yang bisa dihasilkan oleh obat, danmerupakan ukuran keefektifan klinis. Dapatdipresentasikan dengan persentase pasien yangmemperlihatkan respon terapi pada dosis standaryang diberikan.

8

Implikasi Klinis

Toxicity adalah jumlah obat menyebabkan efek yang tidakdiinginkan atau efek berbahaya, dan dipresentasikan sebagaipersentase pasien yang memperlihatkan efek merugikan padadosis yang diberikan.

Kisaran dosis optimal untuk obat adalah jika efektivitas obattersebut adalah paling besar dan toksisitasnya paling rendah.

Therapeutic index: Dose range at which drug shows highestefficacy and low toxicity

Implikasi Klinis

Drug-responders ekstrim dalam suatu populasi pasien cukuppenting untuk dipertimbangkan:

1. Non-responders yang obat menjadi tidak efektif2. Adverse-responders yang obat menjadi memiliki efek samping yang

berbahaya.

Jika hal di atas dapat diidentifikasikan sebelumnya pada individu-individu,maka pengobatan bisa diperbaiki; pada non-responders bisa ditambahkandosisnya atau diberikan pengobatan alternatif lain, dan pada adverseresponders bisa dikurangi dosisnya atau bentuk pengobatan yang lain.

Goal: Use genetic info to broaden drug’s therapeutic indexvideo PG 4 Clinical Implication.mp4

Implikasi Klinis

Drug X Efficacy in an Individual Patient

Implikasi Klinis

Drug X Efficacy in Patient Population

9

Implikasi Klinis

DoseX-%efficacy curve

Dose (mg/kg) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Implikasi Klinis

Drug X Toxicity for Individual Patient

Implikasi Klinis

Drug X Toxicity in Patient Population

Implikasi Klinis

DrugX-toxicity curve

Dose (mg/kg) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

Implikasi Klinis

Dose (mg/kg) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Drug X combined efficacy-toxicity curves

Implikasi Klinis

Safe drug: large window

Therapeutic window

Implikasi Klinis

Efficacy-toxicity curves for safe drug

Dose (mg/kg) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Implikasi Klinis

Unsafe drug: small window

Therapeutic window

11

Implikasi Klinis

Drug-Toxicity Curves for unsafe Drug

Dose (mg/kg) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Implikasi Klinis

How can pharmacogenomics be used to enhanceTherapeutic Index?

(Bagaimana Farmakogenomik dapat digunakan untuk meningkatkan Index Terapi ?)

1. Don’t treat non-responders (patient stratification).

2. Don’t treat those most likely to be affected by toxicity (patientstratification).

3. Adjust dose to maximize efficacy while avoiding toxicity for eachindividual patient (individualized therapy).

(Menyesuaikan dosis agar terjadi efikasi maksimal, dan mencegahtoksisitas untuk setiap individu pasien – terapi invidual)

Implikasi Klinis

Use genetic info to enhance the therapeutic index

Therapeutic index w/ PG

Studi Farmakogenetikpada Kanker

Penggunaan yang paling banyak digunakan di bidang farmakogenetik adalahyang dalam terapi kanker.

Kanker adalah penyakit karena peningkatan akumulasi mutasi yang berlipatganda pada gen tertentu dalam sel, yang scara bersama beraksi untukmengganggu cek dan kontrol terhadap fungsi seluler dan replikasi normal. Halini menyebabkan proliferasi sel yang tak terkendali dan tak diperlukan.

Sel kanker mempunyai profil genetik yang jelas; genetika molekuler kankermemungkinkan untuk mengeksploitasi perbedaan antara sel biasa dan kankeryang merupakan target terapi. Masalah utama dalam kemoterapi konvensionaladalah diperlukan bagaimana mencapai efektivitas yang rasional dan tingkattoksisitas yang substansial. Target obat atau terapi lain lebih dikhususkan padasel tumor, sehingga menambah efektivitas dan mengurangi toksisitas.

12

Sel Kanker

Studi Farmakogenetik padaKanker

Herceptin adalah salah satu contoh obat dengan target genetik yang sangatdikenal (generik: trastuzumab).Terapi antibody-based (biologis) dipakai untuk pengobatan kanker payudaraHER2 positif. Yaitu yang menghasilkan kadar tinggi human epidermal growthfactor, ~20% dari seluruh kanker payudara.Sel kanker payudara yang menghasilkan kadar tinggi HER2, terstimulasi untukmereplikasi dengan ikatan HER2.Herceptin secara kompetitif mengikat HER2, menghalangi growth factorbinding dan menjadikan sel kanker dirusak sendiri oleh sistem tubuh.Sel bukan kanker tidak menghasilkan HER2 dalam jumlah banyak dan relatiftak terkena oleh efek obat, sehingga toksisitas dapat dikurangi.

video testing in cancer.mp4

Prospek Farmakogenetik

Saat ini, penelitian farmakogenetik sebagian besar terbatas untuk obatkemoterapetik, yang selektif untuk treatment secara optimal mempunyaidampak dalam biaya dan prognosis secara signifikan.

Walaupun pengujian farmakogenetik secara teoretis bisa dipakai untuk obatyang lebih umum (seperti obat antidepresi), namun pembiayaan masih lebihtinggi dibanding manfaatnya. Namun demikian, suatu peningkatanpengetahuan mengenai pengaruh genetik atas aksi obat, dikombinasikandengan teknologi baru yang mungkin dapat mengurangi biaya penelitian,membuat farmakogenomik menjadi “mungkin” khususnya jika pasien bisadiuji profil farmakogenetiknya sebagai bagian dari assesment medis yang rutindan informasi ini disimpan untuk penggunaan di masa mendatang yang disebut‘personalised medicine’.

Prospek Farmakogenetik

Farmakogenetik hanya ditingkatkan, tetapi tidak bisa mengganti manajemenklinis, karena klinisi dan apoteker juga harus mempertimbangkan secara luaspengaruh fungsi obat yang non genetik dalam memilih suatu pengobatan idealyang diberikan pada pasien.

Meskipun dalam situasi di mana penggunaan tes farmakogeneti mungkin dapatmencegah reaksi efek samping yang serius, kegunaan uji klinis konvensionalmasih dipertahankan.

video PG 5 The Future.mp4

13

Prospek Farmakogenetik

What are the steps for translatingpharmacogenomic info, from research

into practice?

Step 1.Identify SNPs in genes relevant to drug efficacyor toxic

Human Genome:video DNA Microarray.mp4

2,900,000,000 total base pairs10,000,000 total single nucleotide polymorphisms (SNP)

300,000 variant haplotypes10,000 haplotypes in pharmacologically-relevant genes

Step 2.Retrospectively, find SNPs associated withresponse

Step 3.Prospectively, determine if those SNPsaffect therapeutic outcome

Determine statistical significance(the probability that such a difference is

due to random chance)

14

Step 4.Require physician or pharmacist toperform those tests

Future Trends

Point-of-care (Doctor’s office/Pharmacy)genetic testingPopulation screeningPopulation sequencingPersonal Genomics

New Job Responsibilities

Pharmacist may become responsible for advicingdoctors and patients on gene-drug interactions. (Apotekerbertanggung jawab untuk memberikan informasi kepada dokter dan pasienatas interaksi obat dan gen).

Pharmacist may gain access to genetic informationabout patients and the population at large, with addedresponsibility. (Apoteker mendapat akses informasi mengenai genetikpasien dan penduduk secara luas, dan tanggung jawab yang bertambah).

Pharmacogenomics may become integral part of thefuture of pharmacy practice. (Pharmacogenomics mungkinmenjadi bagian integral dari praktek kefarmasian).

Conclusions

• Pharmacogenomics still a relatively new field.(Farmakogenomik merupakan bidang yang relatif baru)

• Human genome provides full information to cataloghuman variation, gene locations, marker locations.(Genom memberikan informasi komplit tentang variasi manusia, lokasi gen,dan lokasi “marker”)

• Initial pharmacogenetic examples are simple, with onegene-one drug. (Prinsip dasar Farmakogenetik pada awalnya adalahsederhana, yaitu satu gen-satu obat.)

• Future lies in complex drug responses involving manygenes and quantitative response. (Selanjutnya respon obatkompleks akan melibatkan banyak gen dan respon kuantitatif )