ABC-transporter gene polymorphisms are potential pharmacogenetic markers for mitoxantrone response in multiple sclerosis

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Häufigkeit von ABC-Transporter-Genpolymorphismen, der Transporter-Expression auf potentiellen Zielorganen der Mitoxantron-Therapie, der funktionellen Rolle in vitro und in vivo und eine retrospektive, klinische Analyse des potentiellen Einflusses auf die Mitoxantron-Ansprechrate in Multipler Sklerose. Es konnte eine hohe Prävalenz von funktionell relevanten Allelvarianten in ABC-Transporter-Genen von Multiple-Sklerose-Patienten detektiert werden, die den Mitoxantron-Efflux und den Mitoxantron-induzierten Zelltod in Immunzellen in vitro bestimmen. Eine hohe ABC-Transporter-mRNA-Expression im ZNS- sowie im kardialen Gewebe argumentiert für die Relevanz der ABC-Transporter bei Mitoxantron-behandelten Multiple-Sklerose-Patienten. In Mitoxantron-behandelten Abcg2-Knock-Out-EAE-Mäusen konnte in vivo ein funktioneller Einfluss der ABC-Transporter-Genpolymorphismen gezeigt werden. In einer retrospektiven, klinischen Assoziation wurde ein Zusammenhang zwischen dem Ansprechen auf die Mitoxantron-Therapie und dem ABC-Transporter-Genotyp detektiert in Multiple-Sklerose-Patienten. Träger des ABCB1/ABCG2-H-Genotyps, deren Immunzellen in vitro einen höheren Mitoxantron-Efflux und damit verbunden eine höhere Transporteraktivität zeigten, wiesen eine niedrigere positive Mitoxantron-Behandlungsansprechrate/Response auf im Vergleich zu Trägern des I- oder -L-Genotyps. Daneben konnte eine in-vitro-Inhibition des Mitoxantron-Effluxes durch Glukokortikosteroide nachgewiesen werden, die klinisch oft in Kombination mit Mitoxantron verwendet werden. Zusammengefasst, eröffnen unsere Daten die Möglichkeit, das individuelle Risiko-/Benefit-Profil von Mitoxantron zu optimieren und damit die therapeutische Effektivität zu steigern. Auf der Grundlage solcher potentiellen pharmakogenetischen Biomarker könnte beispielsweise direkt Einfluss auf die individuelle Titration der Dosis, der Intervalle oder der Sicherheitsüberwachung genommen werden. Das ist von besonderem Interesse, da nicht erwartet wird, dass in naher Zukunft Mitoxantron durch andere Substanzen ersetzt werden kann und Untersuchungen zur Optimierung der Mitoxantron-Therapie, wie die additive Gabe von kardioprotektiven Agenzien, noch im experimentellen Stadium sind (Bernitsas et al. 2006, Weilbach et al. 2004, Zecca et al. 2011).Escalation therapy with mitoxantrone (MX) in highly active multiple sclerosis is limited by partially dose-dependent side-effects. Predictors of therapeutic response may result in individualized risk stratification and MX dosing. ATP-binding cassettetransporters ABCB1 and ABCG2 represent multi-drug resistance mechanisms involved in active cellular MX efflux. Here, we investigated the role of ABC-gene single nucleotide polymorphisms (SNPs) for clinical MX response, corroborated by experimental in vitro and in vivo data. Frequencies of ABCB1 2677G4T, 3435C4T and five ABCG2-SNPs were analysed in 832 multiple sclerosis patients (Germany, Spain) and 264 healthy donors. Using a flow-cytometry-based in vitro assay, MX efflux in leukocytes from individuals with variant alleles in both ABC-genes (designated genotype ABCB1/ABCG2-L(ow), 22.2% of patients) was 37.7% lower than from individuals homozygous for common alleles (ABCB1/ABCG2-H(igh), P50.05, 14.8% of patients), resulting in genotype-dependent MX accumulation and cell death. Addition of glucocorticosteroids (GCs) inhibited MX efflux in vitro. ABC-transporters were highly expressed in leukocyte subsets, glial and neuronal cells as well as myocardium, i.e. cells/tissues potentially affected by MX therapy. In vivo significance was further corroborated in experimental autoimmune encephalomyelitis in Abcg2 / animals. Using a MX dose titrated to be ineffective in wild-type animals, disease course and histopathology in Abcg2 / mice were strongly ameliorated. Retrospective clinical analysis in MX monotherapy patients (n = 155) used expanded disability status scale, relapse rate and multiple sclerosis functional composite as major outcome parameters. The clinical response rate [overall 121 of 155 patients (78.1%)] increased significantly with genotypes associated with decreasing ABCB1/ABCG2-function [ABCB1/ABCG2-H 15/24 (62.5%) responders, ABCB1/ABCG2-I(ntermediate) 78/98 (79.6%), ABCB1/ABCG2-L 28/33 (84.8%), exact Cochran-Armitage test P = 0.039]. The odds ratio for response was 1.9 (95% CI 1.0 3.5) with each increase in ABCB1/ABCG2 score (from ABCB1/ABCG2-H to I, and I to L). In 36 patients with severe cardiac or haematological side effects no statistically relevant difference in genotype frequency was observed. However, one patient with biopsy proven cardiomyopathy only after 24 mg/m2 MX exhibited a rare genotype with variant, partly homozygous alleles in 3 ABC-transporter genes. In conclusion, SNPs in ABC-transporter genes may serve as pharmacogenetic markers associated with clinical response to MX therapy in multiple sclerosis. Combined MX/GC-treatment warrants further investigation