Pharmacogenetics of Carboxylesterase 1

Abstract

Carboxylesterases (CESs) catalyze the hydrolysis of a variety of ester- and amide containing compounds to their respective free acids. The main CES isozymes involved in drug metabolism are carboxylesterases 1 and 2 (CES1 and CES2). CES1 contributes to an estimated 80 to 95% of the total hydrolytic activity in the human liver. A CES1 c.428G>A (p.G143E, rs71647871) single nucleotide variation (SNV) markedly decreases the catalytic efficiency of CES1 in vitro. Possible effects of this variant on drug pharmacokinetics in vivo in humans, however, have not been systematically investigated. Furthermore, only a few studies have investigated the effects of CES1 variants on its expression and/or activity. Therefore, this thesis aimed to investigate genetic variability in the CES1 gene in the Finnish population and their effects on drug pharmacokinetics and pharmacodynamics in humans. The frequency distribution of the CES1 c.428G>A SNV was investigated in 860 healthy Finnish volunteers. The effects of the CES1 c.428G>A SNV on the pharmacokinetics of oseltamivir, clopidogrel, quinapril, and enalapril were investigated in 40 healthy volunteers. The CES1 gene and its flanking regions were sequenced in 192 healthy volunteers to identify previously unknown variants affecting CES1 whole blood expression. The findings were replicated in another set of 88 healthy volunteers. Furthermore, the effects of the detected variants on CES1 liver expression were investigated in 177 liver samples and on clopidogrel pharmacokinetics in 106 healthy volunteers from previous pharmacokinetic studies on clopidogrel. The CES1 c.428G>A variant allele was found with a minor allele frequency of 2.2%. The c.428G>A SNV reduced the hydrolysis of oseltamivir to the active oseltamivir carboxylate. The oseltamivir carboxylate to oseltamivir area under the plasma concentration-time curve (AUC) ratio was 23% smaller in heterozygous carriers than noncarriers. The c.428G>A SNV reduced the hydrolysis of clopidogrel to the inactive carboxylic acid metabolite. Consequently, the AUC of the parent clopidogrel was about 120% higher and that of the active metabolite about 70% higher in carriers than in noncarriers. Consistently, the c.428G>A SNV markedly enhanced the platelet inhibitory effect of clopidogrel. The average percentage inhibition of platelet aggregation at 0-12 hours was 19% higher in carriers than in noncarriers. The c.428G>A SNV significantly reduced the hydrolysis of enalapril to active enalaprilat. The AUC of enalaprilat was 20% lower in carriers than in noncarriers. The c.428G>A SNV had no observable effect on the pharmacokinetics of quinapril. Two intronic CES1 rs12443580 and rs8192935 SNVs were discovered to have a major effect on CES1 expression in whole blood, but not the liver. Moreover, these two SNVs had no effect on clopidogrel pharmacokinetics. In conclusion, the CES1 c.428G>A SNV reduces the bioactivation of oseltamivir, markedly increases the clopidogrel active metabolite plasma concentrations and antiplatelet effects, and reduces the bioactivation of enalapril in vivo in humans. The two intronic CES1 rs12443580 and rs8192935 SNVs have tissue-specific effects on CES1 expression. This could lead to substrate-dependent effects of these SNVs on drug biotransformation.Karboksyyliesteraasit hydrolysoivat erilaisia esteri- ja amidirakenteisia yhdisteitä. Lääkeaineiden hydrolyysiin osallistuvat lähinnä karboksyyliesteraasit 1 ja 2 (CES1 ja CES2). CES1 katalysoi noin 80-95 % maksassa tapahtuvasta hydrolyysistä. CES1-geenissä tunnetaan sen toimintaa in vitro heikentävä yhden nukleotidin muunnos (c.428G>A, p.G143E, rs71647871), mutta sen vaikutuksia lääkkeiden farmakokinetiikkaan ei ole aiemmin systemaattisesti tutkittu. Lisäksi muiden mahdollisten CES1-geenimuunnosten vaikutuksista CES1:n ilmentymiseen ja/tai aktiivisuuteen on vain vähän tietoa. Väitöskirjatyön tavoitteena oli tutkia CES1-geenimuunnosten esiintyvyyksiä suomalaisilla sekä näiden geenimuunnosten vaikutuksia CES1:n ilmentymiseen sekä lääkeaineiden farmakokinetiikkaan ja farmakodynamiikkaan ihmisillä. CES1 c.428G>A geenimuunnoksen esiintyvyyttä tutkittiin 860 terveen vapaaehtoisen koehenkilön otoksessa. CES1-geenimuunnoksen vaikutusta oseltamiviirin, klopidogreelin, kinapriilin ja enalapriilin farmakokinetiikkaan tutkittiin yhteensä 40 terveellä vapaaehtoisella koehenkilöllä. CES1-geeni sekvensoitiin 192 terveeltä vapaaehtoiselta koehenkilöltä mahdollisten CES1:n ilmentymiseen kokoveressä vaikuttavien geenimuunnosten löytämiseksi. Löydettyjen geenimuunnosten vaikutus toistettiin 88 terveen vapaaehtoisen aineistossa. Lisäksi geenimuunnosten vaikutusta tutkittiin CES1:n ilmentymiseen maksassa 177 maksanäytteen aineistossa ja klopidogreelin farmakokinetiikkaan 106 terveellä vapaaehtoisella koehenkilöllä aiemmin tehtyjä farmakokineettisiä töitä hyödyntäen. CES1 c.428G>A geenimuunnoksen esiintyvyys oli 2,2 %. CES1-geenimuunnos vähensi oseltamiviirin metaboliaa aktiiviseksi oseltamiviirikarboksylaatiksi, minkä seurauksena oseltamiviirikarboksylaatin ja oseltamiviirin pitoisuus-aikakäyrän alle jäävän pinta-alan (AUC) suhde oli 23 % pienempi kantajilla kuin ei-kantajilla. CES1-geenimuunnos vähensi klopidogreelin metaboliaa inaktiiviseksi karboksyylihappometaboliitiksi, minkä seurauksena klopidogreelin AUC oli noin 120 % suurempi ja aktiivisen metaboliitin AUC noin 70 % suurempi kantajilla kuin ei-kantajilla. Vastaavasti CES1-geenimuunnos lisäsi merkittävästi klopidogreelin antitromboottista vaikutusta; 12 tunnin keskimääräinen verihiutaleiden paakkuuntumisen esto oli 19 prosenttiyksikköä suurempi kantajilla kuin ei-kantajilla. CES1-geenimuunnos vähensi enalapriilin metaboliaa aktiiviseksi enalaprilaatiksi, minkä seurauksena enalaprilaatin AUC oli 20 % pienempi kantajilla kuin ei-kantajilla. CES1-geenimuunnoksella ei ollut vaikutusta kinapriilin farmakokinetiikkaan. Kaksi intronissa sijaitsevaa CES1-geenimuunnosta (rs12443580 ja rs8192935) vaikuttivat merkittävästi CES1:n ilmentymiseen kokoveressä, mutta eivät maksassa. Näillä kahdella geenimuunnoksella ei myöskään ollut vaikutusta klopidogreelin farmakokinetiikkaan. Yhteenvetona voidaan todeta, että CES1 c.428G>A geenimuunnos heikentää oseltamiviirin bioaktivaatiota, lisää klopidogreelin aktiivisen metaboliitin plasmapitoisuuksia ja antitromboottista vaikutusta sekä heikentää enalapriilin bioaktivaatiota. Kahden CES1-geenimuunnoksen (rs12443580 ja rs8192935) vaikutus CES1:n ilmentymiseen vaikuttaa olevan kudosspesifistä ja siten niiden vaikutus lääkeaineiden metaboliaan voi vaihdella eri aineiden välillä