Drug Metabolism and Cytochrome P450

Определение

Метаболизм (биотрансформация) — совокупность ферментативных реакций, превращающих лекарственное вещество в более полярные, водорастворимые соединения, которые легче выводятся с мочой и желчью. Главный орган метаболизма — печень; значительная часть превращений идёт также в стенке кишечника, меньшая — в почках, лёгких, коже и плазме крови.

Метаболизм не равен «обезвреживанию». Результат может быть разным:

• неактивный метаболит — наиболее частый исход;
• активный метаболит — собственное фармакологическое действие (диазепам → десметилдиазепам → оксазепам; прокаинамид → N-ацетилпрокаинамид);
• активация пролекарства — исходное вещество неактивно (клопидогрел, кодеин, эналаприл, тамоксифен);
• токсичный метаболит — парацетамол → N-ацетилбензохинонимин (NAPQI), поражающий печень.

Скорость метаболизма определяет клиренс, период полувыведения и биодоступность при приёме внутрь. Поэтому он же — главный источник различий в ответе на одну и ту же дозу у разных пациентов и главный механизм клинически значимых лекарственных взаимодействий. Здесь и ниже речь идёт о механизмах и клинических следствиях; общая модель фармакокинетики — в Фармакокинетика, генетические варианты ответа — в Фармакогенетика и вариабельность ответа, перечни взаимодействующих пар — в Лекарственные взаимодействия.

Две фазы биотрансформации

Фаза I: функционализация

Реакции окисления, восстановления и гидролиза вводят или «обнажают» в молекуле полярную группу (–OH, –NH₂, –SH, –COOH). Основной участник — микросомальные ферменты цитохрома P450 в эндоплазматическом ретикулуме гепатоцитов; меньшая часть реакций идёт немикросомальными ферментами — эстеразами, алкогольдегидрогеназой, моноаминоксидазой. Результат фазы I бывает любым из четырёх перечисленных выше.

Фаза II: конъюгация

К самому препарату или к метаболиту фазы I присоединяется эндогенная молекула. Образуются высокополярные неактивные конъюгаты, которые выводятся почками или с желчью. Ключевые ферменты:

• УДФ-глюкуронилтрансферазы (UGT) — глюкуронирование, основной путь фазы II: билирубин, парацетамол, морфин, НПВП, хлорамфеникол, вальпроевая кислота;
• N-ацетилтрансфераза 2 (NAT2) — ацетилирование: изониазид, сульфаниламиды, прокаинамид, гидралазин;
• сульфотрансферазы (SULT) — сульфатирование: парацетамол (преобладающий путь у новорождённых), тиреоидные гормоны, эстрогены;
• глутатион-S-трансферазы (GST) — связывание электрофильных токсичных метаболитов, в том числе NAPQI.

Последовательность фаз необязательна: часть препаратов подвергается сразу конъюгации (морфин, лоразепам, оксазепам), часть — только окислению.

Цитохром P450

Цитохром P450 (CYP) — суперсемейство гемсодержащих ферментов, участвующих в большей части реакций фазы I; семейства CYP1, CYP2 и CYP3 отвечают примерно за 80% метаболизма зарегистрированных препаратов. Для клиники значимы шесть-восемь изоферментов. Доли — порядок величины, в разных источниках они различаются.

Изофермент	Доля метаболизируемых препаратов	Типичные субстраты	Сильные индукторы	Сильные ингибиторы
CYP3A4/5	около 50%	мидазолам, статины (аторвастатин, симвастатин), блокаторы кальциевых каналов, циклоспорин, такролимус, ингибиторы протеазы ВИЧ, силденафил, макролиды	рифампицин, карбамазепин, фенитоин, фенобарбитал, зверобой, эфавиренз, дексаметазон	кларитромицин, эритромицин, кетоконазол, итраконазол, ритонавир, дилтиазем, верапамил, грейпфрутовый сок
CYP2D6	около 20–25%	кодеин, трамадол, оксикодон, метопролол, карведилол, трициклические антидепрессанты, галоперидол, рисперидон, тамоксифен	значимых нет	пароксетин, флуоксетин, бупропион, хинидин, тербинафин, циметидин
CYP2C9	около 10–20%	S-варфарин, фенитоин, диклофенак, ибупрофен, целекоксиб, глибенкламид, лозартан	рифампицин, карбамазепин, фенитоин, фенобарбитал	флуконазол, амиодарон, метронидазол, сульфаниламиды
CYP2C19	около 5%	омепразол, лансопразол, клопидогрел, диазепам, вориконазол, СИОЗС	рифампицин, карбамазепин	флувоксамин, флуоксетин, тиклопидин, омепразол
CYP1A2	около 5–15%	теофиллин, кофеин, клозапин, оланзапин	курение, продукты гриля, крестоцветные овощи	ципрофлоксацин, флувоксамин
CYP2E1	около 2–5%	этанол, парацетамол, галотан	хроническое употребление алкоголя, изониазид	дисульфирам
CYP2C8, CYP2B6	меньшие доли	паклитаксел, репаглинид, пиоглитазон; эфавиренз, бупропион, циклофосфамид, метадон	—	—

На практике одно правило экономит много памяти: CYP3A4 метаболизирует примерно половину препаратов, поэтому любое сочетание с сильным ингибитором или индуктором CYP3A4 нужно проверять заранее. Для субстратов с узким терапевтическим диапазоном (такролимус, циклоспорин, симвастатин, варфарин) разница в концентрации между полной индукцией и полным ингибированием достигает многих раз.

Ферменты CYP работают не только в печени. Кишечный CYP3A4 даёт значительную долю пресистемного метаболизма: грейпфрутовый сок необратимо ингибирует именно кишечный (а не печёночный) CYP3A4 и повышает биодоступность субстратов при приёме внутрь; эффект сохраняется, пока не синтезируется новый фермент.

Индукция и ингибирование: разное время

Это самое важное практическое различие. Его нельзя пропускать.

Ингибирование развивается быстро. При конкурентном ингибировании эффект возникает, как только ингибитор достигает фермента, — от нескольких часов до суток, максимум при выходе ингибитора на равновесную концентрацию (зависит от его периода полувыведения). Механизм-зависимые (необратимые) ингибиторы — кларитромицин, компоненты грейпфрутового сока — действуют, пока не будет синтезирован новый фермент. Поэтому токсичность субстрата при добавлении ингибитора может развиться в первые дни.

Индукция развивается медленно. Она требует транскрипции и синтеза нового белка-фермента: от 2–4 суток для рифампицина до 1–3 недель для барбитуратов и карбамазепина; зверобой — по типу индуктора с задержкой в дни. После отмены индуктора нормализация занимает сопоставимое время. Следствия:

• эффект субстрата снижается постепенно, а не сразу после назначения индуктора (противосудорожные, варфарин, оральные контрацептивы, иммунодепрессанты — «тихая» потеря эффекта);
• при отмене индуктора активность фермента падает за дни–недели, и доза субстрата, подобранная на фоне индукции, становится избыточной — именно в этот момент возникает токсичность (классический сценарий — отмена рифампицина или карбамазепина у больного на варфарине или такролимусе);
• при отмене индуктора дозу субстрата нужно снижать заранее и постепенно, контролируя концентрацию или МНО.

Курение индуцирует CYP1A2 (компоненты дыма, а не никотин): клиренс теофиллина, кофеина, клозапина у курящих примерно вдвое выше. После отказа от курения индукция проходит за недели, и концентрации этих препаратов растут — дозу клозапина и теофиллина при отказе от курения снижают под контролем.

Хроническое употребление алкоголя индуцирует CYP2E1 и истощает запасы глутатиона: при приёме даже терапевтических доз парацетамола образуется избыток NAPQI, который не успевает нейтрализоваться, — отсюда тяжёлое поражение печени.

Важное ограничение: метаболизм ингибируется и индуцируется только у препаратов, зависящих от данного фермента. Если препарат выводится почками в неизменённом виде, ингибитор или индуктор CYP не изменит его концентрацию. Практичный вопрос — «каким путём выводится препарат и какой фермент отвечает за его главный путь?» — решает половину случаев.

Печёночный клиренс и эффект первого прохождения

Печёночный клиренс равен произведению печёночного кровотока и коэффициента экстракции:

Cl_печ = Q × E, где Q — кровоток печени (около 1,5 л/мин, 20–25% сердечного выброса), E — коэффициент экстракции (от 0 до 1).

Коэффициент экстракции определяет, что именно ограничивает клиренс:

• E больше 0,7 — клиренс ограничен кровотоком. Печень извлекает препарат практически полностью за один проход; клиренс следует за печёночным кровотоком и мало зависит от связывания с белками и от индукции или ингибирования ферментов. Пример: пропранолол, верапамил, лидокаин, морфин, петидин. Эти препараты имеют выраженный эффект первого прохождения и низкую биодоступность при приёме внутрь. При сердечной недостаточности, шоке, циррозе кровоток падает — концентрации таких препаратов резко растут.
• E меньше 0,3 — клиренс ограничен ферментами. Клиренс определяется внутренней ферментативной ёмкостью и свободной фракцией: диазепам, фенитоин, варфарин, теофиллин. Такие препараты чувствительны к индукторам и ингибиторам CYP и к изменению связывания с белками плазмы (см. Drug Distribution and Plasma Protein Binding).
• E от 0,3 до 0,7 — зависят от всех трёх факторов.

Эффект первого прохождения — метаболизм препарата в стенке кишечника и печени до того, как он попадёт в общий кровоток. Биодоступность при приёме внутрь равна произведению доли всасывания, доли, прошедшей кишечную стенку, и доли, прошедшей печень. Препараты с выраженным эффектом первого прохождения (нитроглицерин, лидокаин, пропранолол, верапамил, морфин, сальбутамол, многие статины) дают разную дозу внутрь и парентерально; при циррозе и портосистемных шунтах их биодоступность вырастает, и стандартная пероральная доза оказывается избыточной. Подробно о биодоступности — в Всасывание лекарственных средств.

Пролекарства и активные метаболиты

Для пролекарства «слабый» фермент означает отсутствие эффекта, а «сильный» — передозировку метаболита.

Пролекарство	Фермент	Активное вещество	Что происходит при дефиците фермента
Клопидогрел	CYP2C19 (и CYP3A4)	активный тиоловый метаболит	недостаточное подавление агрегации, риск повторных тромбозов; ингибиторы CYP2C19 (омепразол) снижают эффект
Кодеин	CYP2D6	морфин	у медленных метаболизаторов анальгезии нет; у сверхбыстрых — высокий уровень морфина и угнетение дыхания
Тамоксифен	CYP2D6	эндоксифен	снижение активного метаболита, ингибиторы CYP2D6 (пароксетин, флуоксетин) нежелательны
Эналаприл	эстеразы	эналаприлат	при тяжёлом поражении печени эффект ослабевает
Симвастатин	CYP3A4 (фаза I)	активные метаболиты	ингибиторы CYP3A4 резко повышают риск миопатии

Генетические варианты метаболизма

У разных людей активность ферментов может отличаться в разы. Фенотип определяют по генотипу, выделяют категории: медленный (PM), промежуточный (IM), нормальный (NM), быстрый (RM) и сверхбыстрый (UM) метаболизатор. Для CYP2D6 и CYP2C9 фенотип рассчитывают по шкале активности аллелей.

Практические следствия сведены в таблицу. Направление рекомендаций соответствует международным рекомендациям по фармакогенетике (CPIC, DPWG); подробности по каждой паре «ген — препарат» меняются и сверяются с актуальным текстом рекомендации.

Ген	Препараты	Рекомендация
CYP2D6	кодеин, трамадол, оксикодон, трициклические антидепрессанты, СИОЗС, тамоксифен, атомоксетин	кодеин и трамадол не назначать медленным (неэффективны) и сверхбыстрым (токсичны) метаболизаторам; выбрать другой анальгетик
CYP2C19	клопидогрел, вориконазол, ингибиторы протонной помпы, СИОЗС	у носителей аллелей с потерей функции — альтернативный антиагрегант (прасугрел, тикагрелор); вориконазол и ИПП — коррекция дозы
CYP2C9, VKORC1	варфарин	дозирование по алгоритму с учётом генотипа; носителям аллелей *2 и *3 доза ниже
UGT1A1	иринотекан, атазанавир	при генотипе *28/*28 снизить дозу иринотекана (нейтропения, гипербилирубинемия)
TPMT, NUDT15	азатиоприн, меркаптопурин, тиогуанин	промежуточным и медленным метаболизаторам — резкое снижение дозы или другой препарат (риск миелосупрессии)
NAT2	изониазид, гидралазин, сульфаниламиды	у медленных ацетиляторов выше концентрации и риск токсичности (полинейропатия, гепатит); у быстрых стандартная доза может быть неэффективна
DPYD	фторурацил, капецитабин	снижение дозы или отказ при вариантах с пониженной функцией
HLA-B	абакавир, карбамазепин, аллопуринол	не назначать носителям аллеля риска (тяжёлые реакции гиперчувствительности)

В рутинной практике РФ фармакогенетическое тестирование используют ограниченно, поэтому на уровне назначения важнее знать клинические подсказки: необъяснимо слабый эффект или, напротив, выраженные реакции на обычную дозу препарата, метаболизируемого CYP2D6, CYP2C19, CYP2C9, TPMT, NAT2, — повод заподозрить генетический вариант и пересмотреть схему.

Метаболизм в особых группах

Новорождённые и дети

• Активность окислительных ферментов CYP при рождении низкая — порядка половины уровня взрослых — и созревает месяцы и годы; разные пути созревают в разное время.
• Глюкуронирование незрело (UGT достигают уровня взрослых лишь в детском возрасте), поэтому хлорамфеникол кумулирует и вызывает «серый синдром»; морфин и билирубин выводятся медленнее.
• Парацетамол у новорождённых метаболизируется преимущественно сульфатированием.
• Теофиллин у новорождённых не деметилируется, а метилируется в кофеин; период полувыведения диазепама у недоношенных — десятки часов (у детей 1–2 лет — 15–21 ч).
• Клиренс растёт быстро в первые месяцы жизни; дозу на килограмм у детей старшего возраста нередко приходится увеличивать относительно взрослой, поскольку метаболизм «на килограмм» временно выше. Подробности — Фармакотерапия у детей и Neonatal Pharmacology and Dosing of Antibiotics.

Пожилые

• Печёночный кровоток снижается на 20–40%, масса печени — примерно на 30%.
• Сильнее всего падает клиренс препаратов с высокой экстракцией (ограниченных кровотоком) — на 40–60%; клиренс ферментозависимых препаратов страдает меньше.
• Снижается эффект первого прохождения, биодоступность таких препаратов растёт. Принцип — «начинай с малой дозы, повышай медленно». См. Фармакотерапия у пожилых.

Заболевания печени

• Страдают одновременно кровоток (портосистемные шунты), внутренняя ферментативная активность, синтез альбумина. Метаболизм снижается неравномерно: наиболее чувствительны CYP1A2, UGT и транспортёры печени; CYP3A в тяжёлых случаях теряет в среднем более половины активности. Глюкуронирование при лёгкой и умеренной недостаточности относительно сохранено.
• Для препаратов с высокой экстракцией при циррозе биодоступность внутрь растёт; для ферментозависимых препаратов клиренс падает.
• Дозирование ориентируют по классу Чайлда—Пью, но универсальной процентной шкалы не существует: степень снижения дозы зависит от препарата и указана в его инструкции.

Воспаление и критическое состояние

Цитокины (ИЛ-6, ФНО) подавляют экспрессию CYP, поэтому при сепсисе, тяжёлом воспалении и истощении клиренс препаратов-субстратов снижается. Это одна из причин непредсказуемых концентраций в реанимации.

Парацетамол: все пути метаболизма на одном препарате

Парацетамол удобно запомнить как учебную модель, потому что в нём сходятся обе фазы, токсичный метаболит и влияние возраста, алкоголя и ферментов.

• Основные пути у взрослого — фаза II. Большая часть дозы глюкуронируется (UGT) и сульфатируется (SULT); конъюгаты неактивны и выводятся почками.
• Малая часть идёт по пути фазы I. CYP2E1 (с участием CYP1A2 и CYP3A4) окисляет небольшую долю в токсичный NAPQI. В норме NAPQI мгновенно связывается с глутатионом (GST) и выводится в виде безопасного конъюгата.
• При передозировке пути глюкуронирования и сульфатирования насыщаются, образование NAPQI растёт, запас глутатиона исчерпывается, и избыток NAPQI связывается с белками гепатоцитов — развивается некроз печени. Антидот (ацетилцистеин) восполняет запас глутатиона; он тем эффективнее, чем раньше назначен.
• Хронический алкоголизм индуцирует CYP2E1 и истощает глутатион: потенциально опасной оказывается и терапевтическая доза. Одновременно однократный приём большой дозы алкоголя действует противоположно — конкурентно ингибирует микросомальные ферменты.
• У новорождённых глюкуронирование незрело, поэтому преобладает сульфатирование; с возрастом соотношение смещается к глюкуронированию.
• Голодание и истощение снижают запас глутатиона и повышают риск гепатотоксичности при обычной дозе.

Этот пример показывает, почему вопрос «как метаболизируется препарат?» важнее вопроса «какова его доза?».

Три клинических разбора

1. Симвастатин и кларитромицин. Симвастатин — субстрат CYP3A4 с выраженным пресистемным метаболизмом, поэтому его концентрация очень чувствительна к ингибиторам фермента. Кларитромицин — сильный механизм-зависимый ингибитор CYP3A4: концентрация статина повышается многократно, риск миопатии и рабдомиолиза резко возрастает уже в первые дни. Решение: на время курса макролида отменить статин либо выбрать антибиотик, не ингибирующий CYP3A4 (азитромицин), либо статин, не зависящий от CYP3A4 (розувастатин, правастатин).

2. Варфарин и рифампицин, затем отмена рифампицина. Рифампицин индуцирует CYP2C9 и CYP3A4: через 1–2 недели концентрация S-варфарина падает, МНО уходит ниже целевого, дозу приходится повышать. Когда рифампицин отменяют, индукция исчезает за дни–недели, и прежняя повышенная доза варфарина даёт передозировку и кровотечение. Решение: планировать снижение дозы варфарина заранее, контролировать МНО чаще в течение месяца после отмены индуктора. Об антитромботических препаратах — Direct Oral Anticoagulants и Antithrombotic Agents; о рифампицине — Rifamycins Fusidic Acid and Chloramphenicol.

3. Кодеин у кормящей матери или ребёнка. Кодеин — пролекарство: превращается в морфин с помощью CYP2D6. У сверхбыстрого метаболизатора образуется избыток морфина, возможно угнетение дыхания; у медленного анальгезия отсутствует. Приём кодеина вместе с сильным ингибитором CYP2D6 (пароксетин, флуоксетин) переводит нормального метаболизатора в «медленного» и лишает кодеин эффекта. Решение: избегать кодеина и трамадола у детей и кормящих; при необходимости опиоидной анальгезии выбирать препарат, не зависящий от CYP2D6, и учитывать сопутствующие ингибиторы.

Алгоритм оценки метаболизма при назначении

1. 1

   Определите, как препарат выводится: метаболизм в печени или почечное выведение в неизменённом виде; если метаболизм — какой фермент главный (CYP3A4, 2D6, 2C9, 2C19, 1A2, UGT, NAT2).

2. 2

   Определите тип клиренса: ограничен кровотоком (высокая экстракция, большой эффект первого прохождения) или ферментами (низкая экстракция).

3. 3

   Составьте список сопутствующих препаратов, пищи и привычек (грейпфрутовый сок, зверобой, курение, алкоголь) и найдите среди них сильные ингибиторы и индукторы нужного фермента.

4. 4

   При ингибиторе заранее снизьте дозу или выберите препарат другого пути; ожидайте токсичность в первые дни.

5. 5

   При индукторе ожидайте потерю эффекта в течение 1–3 недель; при отмене индуктора заранее снижайте дозу субстрата и контролируйте концентрацию или МНО.

6. 6

   Для пролекарства проверьте, нет ли ингибитора фермента активации (омепразол и клопидогрел, пароксетин и тамоксифен, кодеин и сильные ингибиторы CYP2D6).

7. 7

   Учтите пациента: новорождённый (незрелые CYP и UGT), пожилой (кровоток печени), цирроз, воспаление, курение, алкоголизм.

8. 8

   При необъяснимо слабом эффекте или токсичности обычной дозы препарата, зависящего от полиморфного фермента, рассмотрите генетический вариант и фармакогенетическое тестирование.

Типичные ошибки

1. Считать метаболизм всегда обезвреживанием. Пролекарства и токсичные метаболиты требуют отдельного учёта.
2. Не проверять сочетание с сильными ингибиторами CYP3A4. Кларитромицин, азолы, ритонавир, дилтиазем повышают концентрации статинов, иммунодепрессантов, блокаторов кальциевых каналов.
3. Ждать быстрой потери эффекта от индуктора. Индукция развивается дни и недели, потеря эффекта «тихая».
4. Не снижать дозу субстрата при отмене индуктора. Токсичность развивается через дни–недели после отмены рифампицина, карбамазепина, зверобоя.
5. Назначать кодеин или трамадол без учёта CYP2D6 и ингибиторов. В обоих полюсах (отсутствие эффекта и токсичность) риск реален.
6. Сочетать омепразол с клопидогрелом. Омепразол ингибирует CYP2C19 и ослабляет активацию клопидогрела.
7. Игнорировать путь выведения. При почечном выведении в неизменённом виде индукторы и ингибиторы CYP не действуют.
8. Применять стандартные дозы при циррозе, воспалении и в старческом возрасте для препаратов с высоким эффектом первого прохождения.
9. Не учитывать курение и алкоголь. Курение ускоряет метаболизм теофиллина и клозапина; хронический алкоголизм повышает риск гепатотоксичности парацетамола.
10. Переносить взрослые схемы на новорождённых. Незрелые ферменты дают накопление хлорамфеникола, диазепама, морфина.