Introduction au métabolisme des Xénobiotitques Implications en Toxicologie

1. M2s Toxicologie THERV, TES Introduction au métabolisme des Xénobiotitques Implications en Toxicologie Ph. Beaune Université Paris Descartes, INSERM U775, APHP (HUPO, HEGP)

2. 1 Xénobiotiques Substances étrangères à l'organisme de faible poids moléculaire Médicaments polluants aliments Exposition inévitable

3. 2 XOH Phase I Phase II Phase III Phase IV ROH O 2 X XOH XOR XOR Elimination Cellule (hépatocyte) Phase I: fonctionnalisation Phase II: conjugaison (+ hydrophile) Phase III: expulsion de conjugués ou du produit parent (ex: mdr, MRP) : expulsion du xénobiotique inchangé ou conjugué Métabolisme des xénobiotiques X Monooxygénases P450 Ex: GST Ex: MRP Ex: PGP

4. 2 From Wienkers and Heath 2008

5. NADPH/H+ + RH + O2ROH + NADP+ + H2O Cys P450 Reductase RH S Fe FAD / FMN ROH Membrane RE Microsomes 2 Monooxygenase O2

6. Nomenclature des Cytochromes P450 2 CYPs impliqués dans le métabolisme des xénobiotiques Familles (+de 40% de similitudes) 1 2 3 Sous-familles (+ de 55% de similitudes) A B A B C D E J… A CYPs humains 1A1, 1B12A62B62C8, 2C92D 62E12J23A4 1A2 2A7 2B7 2C18, 2C19 2J4 3A5 2A13 3A7 3A43 CYPs soulignés: polymorphisme génétique en rouge: principaux CYPs hépatiques humains une nomenclature détaillée et mise à jour peut être consultée sur le site internet: http://drnelson.utmem.edu

7. C Y P 2 E 1 C Y P 2 D 6 C Y P 2 C 1 9 C Y P 2 C 1 8 other CYPs CYP2C9 CYP1A2 CYP2C8 CYP3A CYP2B6 2

9. 2 Les enzymes de phase II * Transférases, T X-OH + R-OH --->XOR, très hydrophile ou moins réactif R Enzyme donneur Ac. Glucuronique Glucosyl T (UGT) UDPGA Glutathion Glutathion-S-T (GST) GSH Acétyl= N-acétyl T (NAT) Acétyl CoA Méthyl Methyl T (MT) SAM Sulfate Sulfo T (ST) PAPS Nombreuses isoformes, superfamilles d’enzymes

10. CERVEAU Efflux Captation Sang REIN (tubule proximal) BHE(Barrière hémato-encéphalique), BBB: Blood-Brain Barrier FOIE(hepatocyte) Filtration Ré-absorption Captation Secretion Efflux Excretion BILE URINE INTESTIN(enterocyte) EXPOSITION ORALE FECES Absorption Secretion D’après JM Scherrmann

11. MRP3-6 MRP1 MRP4 NTCP1 OAT2-4 OCT1-3 Sang OATP1A2 OATP1B1 MDR1 BCRP MDR3 Canalicule biliaire OATP1B3 MRP2 BSEP OATP2B1 2 D’après JM Scherrmann

12. http://nutrigene.4t.com/human abc.htm http://www.gene.ulc.ac.uk/nomenclature 2 SUPERFAMILIES and FAMILIES of DRUG TRANSPORTERS ABC (ATP Binding Cassette) SUPERFAMILY 48 human genes; 9 drug transporters • SLC (SoLute Carrier) SUPERFAMILY 362 mammalian genes; ≈ 30 drug transporters

13. Les enzymes du métabolisme et du transport des médicaments (EMTM) • Propriétés communes: • - nombreuses isoformes • spécificité relative et chevauchante • redondantes • peu efficace • variabilité d’expression extrême • substrats exogènes et endogènes • importance dans réponse aux médicaments

14. 2 Le transporteur mdr (P-gp, ABCB1) affecte la distribution des médicaments dans l ’organisme Excrétion fécale Absorption orale Intestin I.V. Espace vasculaire Excrétion urinaire Espace intersticiel

15. Variations d ’expression des EMX d’origine physiopathologiques * Sexe: peu de variations en fonction du sexe chez l ’homme mais variations importantes chez le rat. * Pathologies: foie: insuffisance hépatique ( ), inflammation cytokines( ), diabète ( ), cancers (variations dans la tumeur), traitements. * Age: fœtus ( moins de CYP, autre isoformes, CYP3A7), vieillard ( Induction) * Tissus: variations qualitatives et quantitatives (Foie organe majeur)

16. Elimination

17. Importance du métabolisme « extrahépatique » des xénobiotiques - Effet de premier passage ex: intestin - Devenir in situ des métabolites Elimination Foie X X + XOC Transport X + XOC X + XOC. - Toxicité - Effets - Interaction endo - Elimination X et/ou Métabolites terminaux

18. . . . . 120 100 80 60 40 20 0 3 metaboliseurs rapides metaboliseurs Nombre d ’individus ultra-rapides metaboliseurs lents 12.6 ( )n 0.1 1 10 100 Log Debrisoquine / 4OH debrisoquine: RM Bertilsson and Dahl 1996

19. 3 Déficits génétiques en enzymes du métabolisme des médicaments GSTM1* (50%) GSTT1 (10-20%) GSTP1 (10%) UGT1A1 (5-10%) UGT1A7 NAT1 NAT2 (50%) EH (<5%) TPMT(<1%) Mdr1 (20-25%) CYP 1A1(induction ~ 10%) CYP1B1 (%) CYP 2A6* (5%) CYP 2C9 (3%) CYP 2C18 (?) CYP 2C19 (5-20%) CYP 2D6* (5-7%) CYP 2E1(>1%) CYP3A5 (15%) * : gènes pour lesquels une duplication est connue

20. 3 Phénotype: - activité réelle - quantifiable - mise en oeuvre plus difficile - variations (xénobiotiques, pathologies) - pas permanent Génotype: - facile - permanent - pas quantifiable - pas activité réelle

21. 3 Certaines substances peuvent faire varier l’expression des EMTM et en particulier des CYPs. - Modification de l’activité: quantité d’enzyme constante, activité variable activation, inhibition - Modification de l’enzyme Quantitative: induction, répression Qualitative: modification post-traductionnelle

23. 3

24. 3 Plusieurs récepteurs médient l’induction des EMTX

25. 3 Inhibition des EMX * Inhibition réversible (cimétidine) et irreversible (TAO, Gestodène) * Médicaments /substrats => interactions médicamenteuses, aliments * Constantes d’affinité: Km / Ki à manipuler avec précautions * Exemples: CYP 3A4: Ketoconazole, ritonavir, jus de pamplemousse CYP1A2: fluvoxamine, furafylline CYP 2C9: sulfaphenazole CYP2C19: omeprazole CYP2D6: quinidine, paroxétine CYP2E1 disulfiram

26. v = Vm S Km + S (1+ I/Ki) Med1(S) Met 1 Km CYP3A4 Ki Med2 (I) Met 2

28. 3 Conséquences de l’induction ou de l’inhibition * Modification de la production de métabolites: * Toxicité: production métabolite toxique * Effets exagérés: accumulation du produit * inéfficacité: élimination trop rapide, pas de production de métabolite actif * ! Absorption aussi entre en ligne de compte (MDR)

29. IDENTIFICATION of SUB-POPULATIONS Effectiveness / Toxicity

30. 4 Xenobiotiques Médicament Exposition Métabolisme Transport Activation Métabolites Métabolites EMTX Cellule normale adduits ADN, signal mitogénique … Cellule normale Tumeur Pharmacogénétique Xenogénétique Réponse

31. 4 Exposition Xénobiotique EMTX Activation/détoxication Elimination Métabolite réactif DNA Réparation Adduit ADN Exposition + métabolisme Mutation Signature moléculaire Echappement Cancer

32. Conclusions • Expositions aux xénobiotiques inévitable • Métabolisme et transport important dans réponse • aux xénobiotiques (Efficacité et Toxicité) • Métabolisme complexe • Métabolisme variable (physiopath, génétique, • environnement…) • EMTX propriétés communes • Substrats endogènes • Connaissance métabolisme et transport permet • comprendre, prédire, prévenir toxicité (efficacité)