Effects of Genotype and Phenotype in Personalized Drug Therapy

The focus of medical research has steadily shifted from population-based medicine to personalized medicine in recent years. It has become clear that interindividual variability plays a big role in treatment responses. For example, CYP2D6 is involved in the metabolism of 20-25% of clinically used drugs, and the CYP2D6 mediated metabolic rate varies widely between people. Chronic myeloid leukemia (CML) is the only leukemia with highly effective targeted treatment. However, some patients become resistant or intolerant to the first-line treatment, and personalized treatment adjustment is sometimes necessary. The purpose of this thesis was to study how genetic and functional screening can be utilized in personalized-medicine research. In Study I, we genotyped 857 Finnish volunteers for 10 CYP2D6 genetic variants. We found that the frequencies of CYP2D6 variants differ from our neighboring populations. More importantly, genotype-based classification of CYP2D6 metabolic activity showed a high frequency of ultra-rapid metabolizer (UM) genotype (7.2%), which was the consequence of the high prevalence of CYP2D6 duplications. In contrast, the frequencies of poor metabolizer (PM) (2.3%) and intermediate metabolizer (IM) (3.0%) genotypes were relatively low, which indicates that Finns have a high capacity for CYP2D6 mediated metabolism in general. In Studies II and III, we explored the drug sensitivity profiles of chronic myelogenous leukemia (CML) in blast crisis (BC) and chronic phase (CP) utilizing cell line and patient primary cell samples in a high-throughput drug screening platform. The median drug responses of the BC CML cell line and patient samples correlated well. By comparing the drug responses in these samples, we were able to identify several compounds (e.g., NAMPT, VEGFR, and MEK inhibitors), which were highly effective in all samples. Testing the drug sensitivities of CP CML samples and comparing them to BC CML samples revealed CP CML cells to be clearly less sensitive in general. Most surprisingly, CP CML samples seemed to be resistant to tyrosine kinase inhibitors (TKIs). We also studied the variance of absorption, distribution, metabolism, and excretion (ADME) genes in CP CML patients with poor responses to TKI treatment. In our study population of poor responders (n=21), we discovered several gene variants significantly more frequently in poor responders than in the healthy control population. Furthermore, we identified novel ADME gene variants that have not been reported previously. Interestingly, some of these novel variants may be CML cell-specific somatic mutations. To conclude, in this thesis, we showed clinically relevant CYP2D6 variation in the Finnish population, which should be taken into consideration when prescribing drugs that are CYP2D6 substrates. We saw also that high-throughput drug screening is an effective way of studying individual drug responses in patient cells. We think that the findings of this thesis can be used to improve personalized medicine research.Viime vuosien aikana lääketieteellisen tutkimuksen painopiste on vähitellen siirtynyt väestöpohjaisista tutkimuksista yksilökohtaisempiin tutkimuksiin. Nykytiedon perusteella on hyvin selvää, että yksilöiden välisillä eroilla on suuri vaikutus hoitovasteisiin. Esimerkiksi CYP2D6-entsyymin välityksellä metaboloituu merkittävä osa (20-25 %) kliinisessä käytössä olevista lääkeaineista. CYP2D6:n metabolinen aktiivisuus vaihtelee laajasti yksilöiden välillä. Krooninen myelooinen leukemia (KML) on verisyöpä, johon on olemassa tehokas kohdennettu lääkehoito. Osa potilaista ei kuitenkaan saavuta toivottua vastetta ensilinjan lääkehoidolla tai tulee intolerantiksi sille. Tällaisissa tapauksissa lääkehoidon yksilöllinen hienosäätö on tarpeen. Tässä väitöskirjatyössä tutkimme kuinka geneettistä ja funktionaalista testaamista voidaan hyödyntää yksilöllisen lääkehoidon tutkimuksessa. Tutkimuksissamme havaitsimme, että suomalaisen väestön CYP2D6-lääkemetaboliaentsyymin geneettisten varianttien yleisyydet poikkesivat selkeästi maantieteellisistä naapurikansoista. Geneettisten varianttien yleisyyksiin pohjautuvien laskelmien perusteella suomalaisessa väestössä on poikkeuksellisen paljon ultranopeita (7,2 %) ja vähän hitaita (2,3 %) CYP2D6-metaboloijia verrattuna naapuripopulaatioihin. Testasimme KML-potilaiden luuydin- ja verinäytteillä yksilöllisiä leukemiasolujen lääkeaineherkkyyksiä. Löysimme useita uusia lääkeaineita, joilla mahdollisesti voisi olla tehoa KML:n aggressiivisen vaiheen hoidossa. Lääkevasteet kroonisen vaiheen ja edenneen aggressiivisen vaiheen KML-solujen välillä erosivat selkeästi. Mielenkiintoisena yksityiskohtana havaitsimme, että kroonisen vaiheen KML-soluista vain pieni osa vaikutti olevan oikeasti herkkiä nykyisille KML:n hoidossa käytettäville lääkeaineille. Huonovasteisten KML-potilaiden geenitestauksella löysimme myös useita metaboliageenien variantteja, joiden yleisyys oli merkittävästi pienempi terveessä verrokkiväestössä. Tässä väitöskirjatyössä osoitimme, että suomalaisessa väestössä on kliinisesti relevanttia CYP2D6-aktiivisuuden vaihtelevuutta, joka tulisi ottaa huomioon lääkehoidossa. Havaitsimme myös, että potilaiden omien leukemiasolujen käyttäminen lääkeaineseulonnassa on tehokas tapa tutkia yksilöllisiä lääkevasteita. Uskomme, että tämän työn löydöksiä voidaan hyödyntää yksilöllisen lääkehoidon tutkimuksen parantamiseen