Genetics and pharmacogenetics of renal diseases – implications for a personalized therapy

Ein gemeinsames Ziel pharmakogenetischer und pharmakogenomischer Forschung besteht darin, die Effekte der individuellen genetischen Ausstattung auf die Sicherheit und Effektivität einer etablierten Arzneimitteltherapie zu analysieren [1,3,7]. Im Hinblick auf die klinische Anwendung soll dadurch für den zu behandelnden Patienten ein optimaler Therapieeffekt bei einem Minimum an unerwünschten Arzneimittelreaktionen erzielt werden [1]. Im klassischen Sinn beschäftigt sich die Pharmakogenetik dabei mit Genvarianten in Proteinen, die für pharmakokinetische und –dynamische Prozesse bedeutsam sind [3]. Die genomweite Betrachtungsweise ermöglicht neben der Berücksichtigung der Summeneffekte genetischer Variabilität [1] die Identifizierung von Varianten, die mit der Prädisposition gegenüber Erkrankungen assoziiert sind und damit als Wegweiser für neue therapeutische Zielstrukturen in Frage kommen [12]. Die vorliegende Habilitationsschrift fasst fünf Arbeiten zusammen, in denen diese Aspekte bei renalen und kardiovaskulären Erkrankungen am Beispiel von zwei Kandidatengenen untersucht wurden. Die ersten drei Arbeiten stellen dabei klassische pharmakogenetische Analysen zur Genetik der Expression des Phase I-Enzyms CYP3A5 und ihrer Bedeutung bei Patienten nach Nierentransplantation dar. Da die systemische und lokale Exposition gegenüber dem CYP3A5-Substrat Ciclosporin und seinen Metaboliten die Toxizität des Calcineurin-Inhibitors beeinflusst [44,63], wurde zunächst (2.1.1) untersucht, ob der CYP3A5-Genotyp in Analogie zur hepatischen Expression auch die renale CYP3A5-Enzymexpression differentiell beeinflusst [81]. Die Arbeit bestätigte die in kleineren Analysen bereits vorbeschriebene renale Genotyp-Phänotyp-Korrelation für CYP3A5 in gesundem Nierengewebe [35,65]. Der Genotyp steuert dabei die Höhe der CYP3A5-Proteinexpression in den Zellen des proximalen Tubulus. Diese Ergebnisse konnten wir nachfolgend (2.1.2) auf die pathophysiologische Situation bei akuter Nierentransplantat-Rejektion erweitern [82]. Das CYP3A5*1-Allel des Spenders determinierte auch in Rejektionsbiopsaten sowohl eine höhere mRNA-Expression als auch eine stärkere Proteinexpression im proximalen Tubulus. Als neuen Befund detektierten wir zudem eine Assoziation des Spender-Genotyps und der CYP3A5-Expressionsspiegel im Nierentransplantat mit dem Erfolg einer Glukokortikoid-Therapie. Im Rahmen der dritten Arbeit (2.1.3) zeigte sich ein positiver Effekt des CYP3A5*1-Allels des Empfängers auf das Patientenüberleben nach Nierentransplantation [83]. Dies erschien plausibel, da der CYP3A5-Genotyp sowohl das Ciclosporin-Metabolitenprofil lokal in der Niere [58] als auch im systemischen Kreislauf beeinflusst [62]. Zwei sehr umfangreiche mittlerweile publizierte Studien zum Einfluss verschiedener genetischer Varianten auf das Nierentransplantatüberleben und die Mortalität der Empfänger [100,101] konnten unsere Befunde für den CYP3A5-Genotyp jedoch nicht bestätigen. Auf der Grundlage von Assoziationsstudien gelten Promotorvarianten im Uromodulin-Gen (UMOD) als vielversprechende Kandidaten für verschiedene renale Erkrankungen [67] und die arterielle Hypertonie [104]. Die vierte (2.2.1) und fünfte (2.2.2) hier vorgestellte Arbeit zur Bedeutung der UMOD-Variante rs12917707 für die Nierenfunktion [84,85] stellen daher beispielhaft den zweiten Aspekt genetischer Untersuchungen – die Analyse eines krankheitsmodifizierenden Einflusses – dar. In der Arbeit 2.2.1 bei Patienten nach Nierentransplantation [84] hatte das UMOD-Allel rs12917707-T der Spenderniere keinen Einfluss auf die Höhe der Serumkreatinin-Konzentration nach Transplantation. Grund hierfür könnte das geringe mittlere Alter (< 45 Jahre) in unserem Patientenkollektiv sein, da sich UMOD-Effekte auf Parameter der Nierenfunktion altersabhängig deutlicher darstellen [77,80]. Ein signifikanter positiver Effekt des protektiven UMOD-Allels des Spenders auf das Transplantatüberleben zeigte sich erst in der adjustierten multivariaten Analyse nach Ausschluss der Todesfälle mit funktionsfähigem Transplantat. In der letzten hier eingeschlossenen Publikation (2.2.2) konnten wir den in populationsbasierten Studien detektierten günstigen Einfluss des rs12917707-T Allels auf die glomeruläre Filtrationsrate auch bei Patienten mit arterieller Hypertonie und manifester kardiovaskulärer Erkrankung nachweisen [85]. Als neuer Befund zeigte sich zudem eine Assoziation mit dem linksatrialen Durchmesser. Dies deutet auf ein Wechselspiel kardialer und renaler Funktionen hin, das durch UMOD moduliert werden könnte. Die hier zusammengeführten Arbeiten verweisen am Beispiel von CYP3A5 und UMOD auf das Potential genetischer Untersuchungen für eine individualisierte Therapie. Der Erfolg dieser Ansätze ist jedoch unter anderem abhängig von der Anzahl mitbeteiligter Varianten, deren Allelfrequenzen und jeweiligen Effektgrößen [1]. Darüber hinaus stellen Varianten in Einzelgenen lediglich eine Variable unter vielen Faktoren mit Einfluss auf eine definierte Arzneimitteltherapie dar. Auch deshalb sollten unsere neuartigen Befunde in weiteren Studien verifiziert werden.A common objective of both pharmacogenetic and pharmacogenomic research is to analyze the effects of an individual's genetic composition on safety and efficacy of an established drug therapy [1,3,7]. With regard to the clinical application, this approach is meant to achieve an optimal drug response while reducing adverse drug reactions for the individual patient [1]. In its conventional meaning, pharmacogenetics deals with single genetic variations for proteins involved in pharmacokinetic and pharmacodynamic processes [3]. The genome-wide approach enables both consideration of sum effects of genetic variability [1] and identification of variants associated with disease susceptibility, the latter serving as markers for possible new therapeutic targets [12]. The professorial dissertation presented here combines five studies in which these aspects were investigated in renal and cardiovascular diseases using the example of two candidate genes. The first three publications represent pharmacogenetic analyses on the genotype-dependent expression of the phase I-metabolizing enzyme CYP3A5 and its relevance for patients after kidney transplantation. As systemic and local exposure to the CYP3A5-substrate cyclosporine and its metabolites affects the toxicity of this calcineurin inhibitor [44,63], we initially (2.1.1) investigated whether the CYP3A5-genotype differentially affects the renal CYP3A5 enzyme expression comparable to the hepatic expression [81]. Our work corroborated a renal genotype-phenotype-correlation for CYP3A5 in normal human kidney samples as had been described in smaller analyses [35,65]. The genotype determines the level of CYP3A5 protein expression in epithelial cells of the proximal tubule. Afterwards (2.1.2), we were able to extend these results to the pathophysiological situation of acute kidney transplant rejection [82]. In renal biopsies during acute rejection, the donor CYP3A5*1-allele likewise determines higher intragraft mRNA levels and a more intense protein expression in proximal tubules. As a novel finding we detected an association of responsiveness to steroid treatment during acute rejection with the donor CYP3A5*1-allele and CYP3A5 expression levels within the renal allograft. The third work (2.1.3) revealed a protective effect of the recipient CYP3A5*1-allele on patient survival after kidney transplantation [83]. This seemed plausible as the CYP3A5-genotype affects the profile of cyclosporine metabolites both locally in the kidney [58] and systemic circulation [62]. By now, however, two large studies on the effect of several genetic variants on kidney graft survival and recipient survival have been published [100,101] which did not confirm our results for the CYP3A5-genotype. Based on genome- wide association studies, variants in the promoter region of the uromodulin gene (UMOD) are promising candidates for different renal diseases [67] as well as arterial hypertension [104]. Thus, the fourth (2.2.1) and fifth (2.2.2) work on the impact of the UMOD-variant rs12917707 on renal function presented here [84,85] exemplify the second aspect of genetic research by analyzing the potential disease-modifying effect of genetic variants. In patients after kidney transplantation (2.2.1), the donor UMOD-allele rs12917707-T had no effect on serum creatinine concentrations after transplantation [84]. This may be attributable to the young age of our patients (mean < 45 years) as UMOD- effects on parameters of renal function are more pronounced with increasing age [77,80]. A significant positive influence of the protective donor UMOD- allele on graft survival was only observed in multivariate adjusted analysis after exclusion of deaths with a functioning graft. In the last study (2.2.2), we were able to extend the documented role of the rs12917707-T allele on glomerular filtration rate to patients with arterial hypertension and clinically apparent cardiovascular disease [85]. The work moreover revealed a novel association between rs12917707 and left atrial diameter. This suggests a cardiorenal interplay which may be modulated by UMOD. The studies presented here point out the potential impact of genetic research for an individualized therapy as exemplified for CYP3A5 and UMOD. However, the success of these approaches depends – amongst others – on the number of contributing genetic variants, their allele frequencies, and respective effect sizes [1]. Furthermore, variants in single genes are only one among many factors influencing a given drug therapy. Hence, our novel findings should be verified in further studies accounting for these aspects