Pharmacometric Evaluation of the Clinical Impact of Genetic Polymorphisms of the Cytochrome P450 and P-Glycoprotein in the Pharmacokinetics and Pharmacodynamics of Antidepressant Drugs: Fluoxetine, Paroxetine and Venlafaxine

Abstract

More than half a century after the discovery of the first antidepressant drug, the drug treatment of depressive disorders is still a major problem, due to the high interindividual variability and poor therapeutic outcomes. Over the last years, the acknowledgement that a significant portion of the interindividual variability in the drug outcomes is associated with genetic factors has provided the impetus for the pharmacogenetics research. However, pharmacogenetics alone has not been able to fully explain these clinical outcomes in a real-world setting, neither to provide clinically useful pharmacogenetic biomarkers for antidepressant drug therapy with the expected success. Bearing these facts in mind, the present doctoral work aimed to conduct a comprehensive and integrated pharmacometric evaluation of the clinical impact of genetic polymorphisms of the cytochrome P450 (CYP) 2C9, CYP2C19, CYP2D6 and Pglycoprotein (P-gp), as well as of non-genetic factors, on the pharmacokinetics and pharmacodynamics of widely used antidepressant drugs [fluoxetine (FLU), paroxetine (PAR) and venlafaxine (VEN)], focusing on the identification of clinically relevant biomarkers. For that purpose, a multicentre clinical study was planned and developed in the real-world setting of treatment of depression, exploring an integrated pharmacogenetics and therapeutic drug monitoring approach, the so called GnG-PK/PD-AD study. In a first phase, this doctoral work involved the development and validation of reliable bioanalytical tools to support the quantification of FLU + norfluoxetine (NFLU), PAR and VEN + O-desmethylvenlafaxine (ODV) planned in the GnG-PK/PD-AD study. Thus, two bioanalytical methods were properly validated: a high-performance liquid chromatography method coupled to fluorescence detection and using microextraction by packed sorbent (MEPS/HPLC-FLD) for the simultaneous quantification of VEN and ODV in human plasma and a MEPS/HPLC-FLD method for the quantification of FLU, NFLU and PAR in human plasma. Afterwards, in the scope of the GnG-PK/PD-AD study, 182 patients with depression under treatment with FLU, PAR or VEN were recruited, clinically characterised and submitted to the quantification of drug/metabolite plasma concentrations and genotyping of ABCB1, CYP2C9, CYP2C19 and CYP2D6 genes. Clinical outcomes of antidepressant drugs, including depression remission and adverse effects, were assessed by means of the 17-item Hamilton Depression Rating Scale (HAMD) and the Antidepressant Side-Effect Checklist (ASEC), respectively. Overall, the GnG-PK/PD-AD study provided a real-world clinical characterisation of Portuguese patients with depression and treated with FLU, PAR and VEN. Particularly, it demonstrated that the treatment of depression with these antidepressant drugs is frequently subject to a high inter-individual variability and poor clinical outcomes in the real-world setting. Several genetic and non-genetic factors were identified as potential determining causes of these findings. Specifically, a high frequency of genetic polymorphisms and nonwild- type genotype-predicted phenotypes (gPHs) were found for the CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6 and ABCB1 genes. Apart from these genetic factors, a co-morbid medical condition, polytherapy, a high risk of inhibition of P-gp, CYP2C9, CYP2C19 and CYP2D6 by drug-induced phenoconversion and, consequently, of drug-drug interactions were also found. Moreover, potential genetic and non-genetic therapeutic biomarkers were identified for FLU. Specifically, genetically determined CYP2D6 activity was found as a predictor of FLU and NFLU concentrations, while the potential of the CYP2D6 to be inhibited by drug-induced phenoconversion was associated with a higher severity of depression. In turn, the ABCB1 TTT-haplotype was favourable to better clinical outcomes with FLU (lower severity of adverse effects and higher likelihood of remission) and the potential of the P-gp to be inhibited by drug-induced phenoconversion was associated with a worse tolerability profile (higher severity and number of adverse effects). Still, the presence of nervous system co-morbidities was associated with a higher severity of adverse effects, while aging and the female gender were associated with a higher severity of depression and a lower probability of remission. Lastly, the present work offers real-world-based evidence which supports the necessity to change the mindset of pharmacogenetics and personalized medicine towards the integrated investigation of genetic and non-genetic factors and genotype-phenotype associations in the drug treatment of depression, aiming the translation of the pharmacogenetics knowledge into clinical practice.

O tratamento farmacológico das perturbações depressivas é ainda um importante problema devido à elevada variabilidade inter-individual e aos maus resultados terapêuticos. Ao longo dos últimos anos, o reconhecimento de que uma grande parte da variabilidade inter-individual nos resultados terapêuticos está associada a fatores genéticos tem providenciado o ímpeto para a investigação farmacogenética. No entanto, a farmacogenética não tem sido capaz de explicar totalmente estes resultados clínicos em ambiente naturalístico, nem de providenciar biomarcadores farmacogenéticos clinicamente úteis para a terapia farmacológica antidepressiva, pelo menos com o sucesso que seria de esperar. Considerando estes factos, o presente trabalho de doutoramento teve como objetivo levar a cabo uma avaliação farmacométrica integrada do impacto clínico de polimorfismos genéticos do citocromo P450 (CYP) 2C9, CYP2C19, CYP2D6 e da glicoproteína-P (P-gp), bem como de fatores não genéticos, na farmacocinética e farmacodinâmica de fármacos antidepressivos amplamente usados na prática clínica [fluoxetina (FLU), paroxetina (PAR) e venlafaxina (VEN)], visando a identificação de biomarcadores clinicamente relevantes. Com este objetivo, um estudo clínico multicêntrico foi planeado e desenvolvido em ambiente clínico naturalístico do tratamento da depressão, explorando uma abordagem integrada entre farmacogenética e monitorização farmacoterapêutica com base nas concentrações plasmática, designado por estudo GnG-PK/PD-AD. Numa primeira fase foram desenvolvidas e validadas ferramentas bioanalíticas para suportar a quantificação da FLU + norfluoxetina (NFLU), PAR e VEN + O-desmetilvenlafaxina (ODV), planeada no estudo GnG-PK/PD-AD. A este nível, dois métodos bioanalíticos foram adequadamente validados: um método de cromatografia líquida com deteção de fluorescência e micro-extração em seringa empacotada (MEPS/HPLC-FLD) para a quantificação simultânea da VEN e da ODV em plasma humano e um outro método de MEPS/HPLC-FLD para a quantificação de FLU, NFLU e PAR em plasma humano. Posteriormente, no âmbito do estudo GnG-PK/PD-AD, 182 doentes com depressão e tratados com FLU, PAR ou VEN foram recrutados, caraterizados clinicamente e submetidos à quantificação das concentrações plasmáticas do fármaco/metabolito e à genotipagem dos genes ABCB1, CYP2C9, CYP2C19 e CYP2D6. Os resultados clínicos dos fármacos antidepressivos, incluindo a remissão da depressão e os efeitos adversos, foram avaliados através da Escala de Avaliação para Depressão de Hamilton de 17 itens (HAMD) e da Checklist de Efeitos Adversos dos Antidepressivos (ASEC), respetivamente. Globalmente, o estudo providenciou uma caraterização naturalística de doentes portugueses com depressão e tratados com FLU, PAR ou VEN. Em particular, este estudo demonstrou que o tratamento da depressão com estes fármacos antidepressivos é frequentemente sujeito a elevada variabilidade inter-individual e a resultados clínicos sub-ótimos em ambiente naturalístico. Vários fatores genéticos e não-genéticos foram identificados como causas potenciais para estes resultados. Especificamente, foi observada uma elevada frequência de polimorfismos genéticos e de fenótipos não wildtype nos genes CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6 e ABCB1. Para além destes fatores genéticos, os doentes apresentaram um estado clínico com múltiplas co-morbilidades, múltiplos tratamentos farmacológicos e um elevado risco de inibição da P-gp e do CYP2C9, CYP2C19 e CYP2D6 por fenoconversão induzida por fármacos, com o risco consequente de interações farmacológicas. Adicionalmente, o estudo GnG-PK/PD-AD identificou potenciais biomarcadores genéticos e não genéticos para a FLU. Em detalhe, a atividade do CYP2D6 determinada geneticamente foi encontrada como um biomarcador das concentrações de FLU e NFLU, enquanto o potencial do CYP2D6 estar inibido por fenoconversão induzida por fármacos foi associado a uma maior severidade de depressão. Por sua vez, o haplótipo ABCB1 TTT foi favorável a melhores resultados clínicos com a FLU (menor severidade de efeitos adversos e maior probabilidade de remissão) e o potencial da P-gp estar inibida por fenoconversão induzida por fármacos foi associado a um perfil de tolerabilidade inferior (maior severidade e número de efeitos adversos). A presença de co-morbilidades do sistema nervoso central foi ainda associada a uma maior severidade de efeitos adversos, enquanto a idade e o género feminino foram associados a uma maior severidade de depressão e a uma menor probabilidade de remissão. Por fim, o presente trabalho providencia evidência clínica naturalística que suporta a necessidade de modificar o estado da arte da farmacogenética e da medicina personalizada, em direção da investigação integrada de fatores genéticos e não genéticos e associações genótipo-fenótipo no tratamento farmacológico da depressão, visando a translação do conhecimento farmacogenético para a prática clínica.