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Pharmacogénétique

Correspondances en Onco-Hématologie - Vol. IX - n° 6 - novembre-décembre 2014200200

Pharmacogénétique du méthotrexateMethotrexate pharmacogeneticsK. Bihan*, M. Korostelev*, N. Zahr*, J.S. Hulot*,**

* Département de phar-macologie, hôpital de la Pitié-Salpêtrière, Paris.

** Sorbonne Universités, université Pierre-et-Marie-

Curie, Paris.

L e méthotrexate (MTX) est un antinéoplasique indi-qué dans le traitement du choriocarcinome pla-centaire, des leucémies aiguës lymphoblastiques

(LAL) de l’enfant et de l’adulte, de l’ostéosarcome et d’autres tumeurs solides (sein, vessie). À l’heure actuelle, il trouve également d’autres indications non cancéro-logiques dans des maladies auto-immunes comme la polyarthrite rhumatoïde, le psoriasis sévère de l’adulte, la sarcoïdose corticorésistante ou la spondylarthrite ankylosante (1). L’utilisation du MTX est rendue com-pliquée par une très forte variabilité entre les individus des concentrations circulantes après l’administration d’une même dose. La toxicité du MTX dépend de cette concentration sanguine et de la durée d’exposition de l’organisme. Cependant, le développement de mani-

festations toxiques reste assez peu prédictible, certains sujets semblant plus susceptibles pour une même expo-sition au MTX. Plusieurs études ont cherché à identifi er les facteurs à l’origine de la variation des concentrations de MTX. L’altération de la fonction rénale est un facteur important, qui explique un ralentissement de l’élimina-tion du MTX et qui justifi e un ajustement posologique selon le débit de fi ltration glomérulaire. De même, des interactions médicamenteuses ont été décrites avec les traitements aff ectant la sécrétion urinaire ou biliaire du MTX (comme les anti-infl ammatoires non stéroïdiens [AINS], les bêtalactamines ou les benzimidazoles). Ces facteurs restent cependant peu explicatifs, et diff érentes études ont suggéré l’existence d’un déterminisme géné-tique de la réponse au MTX.

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» Le méthotrexate (MTX) est un antinéoplasique caractérisé par une très forte variabilité des concentrations circulantes entre les individus après l’administration d’une même dose. Une partie de cette variabilité est d’origine pharmacogénétique et liée essentiellement à des protéines impliquées dans le transport transmembranaire du MTX. Ce système de transport actif fait appel à de nombreux acteurs qui peuvent infl uencer son absorption, sa distribution et son élimination. Par exemple, la pompe d’efflux MRP2 est exprimée sur le versant biliaire des hépatocytes et le versant urinaire des cellules tubulaires rénales, et les mutations aff ectant son activité sont associées à un ralentissement de l’élimination du MTX. D’autres variants situés dans les gènes codant pour les cibles directes du MTX pourraient aussi infl uencer la réponse. La pluralité des mécanismes impliqués dans la pharmacocinétique et la pharmacodynamique du MTX laisse cependant supposer que la variabilité de la réponse provient de l’addition de variants génétiques aff ectant plusieurs de ces mécanismes. L’identifi cation d’une combinaison de variants “défavorables” n’a cependant pas été décrite à ce jour.

Mots-clés : Méthotrexate − Transport transmembranaire − Bases puriques − Pharmacogénétique.

Methotrexate (MTX) is a drug characterized by a high variability between individuals regarding circulating concentrations after administration of a single dose. This variability is partly related to pharmacogenetic variants. Most of them concern genes which code for proteins involved in the MTX membrane transport. This active transport system involves many actors that can infl uence MTX absorption, distribution and elimination. For example, the effl ux pump MRP2 is expressed both on hepatocytes (biliary side) and renal tubular cells (urinary side) and mutations aff ecting its activity are associated with a reduction in MTX elimination. Other variants located in the genes encoding the MTX direct targets may also infl uence the clinical response to MTX. However, the number of mechanisms involved in the pharmacokinetics and pharmacodynamics of MTX suggests that the clinical variability in response to MTX comes from the addition of several genetic variants aff ecting these mechanisms, and no combination of “unfavorable” variants has been described to date.

Keywords: Methotrexate − Membrane transport – Puric bases – Pharmacogenetics.

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Pharmacogénétique du méthotrexate

Quels sont les gènes candidats ?

PharmacocinétiqueLe MTX est un médicament dont la distribution et l’éli-mination dans l’organisme mettent en jeu de nombreux mécanismes (fi gure 1). La biodisponibilité du MTX est dose-dépendante. Sa demi-vie plasmatique est de l’ordre de 2 heures, avec une fi xation protéique d’envi-ron 50 %.Le passage à travers la membrane cellulaire s’eff ectue selon un processus actif faisant appel à diff érentes protéines de transport. Le premier groupe concerne des transporteurs solubles OATP (Organic Anion-Transporting Polypeptides), des protéines qui facilitent les échanges à travers la membrane plasmique. Elles sont du type 19A1 (codé par le gène SLC19A1), 1B1 (codé par le gène SLCO1B1) ou 1B3 (codé par le gène SLCO1B3) et 1A2 (codé par le gène SLCO1A2). Le deuxième groupe concerne la superfamille des trans-porteurs ABC (ATP Binding Cassette), qui fonctionnent comme des pompes capables de transporter diverses molécules moyennant une consommation énergétique. Ce transport peut donc se faire contre un gradient. Les protéines d’effl ux MRP2, 3 et 4 (Multidrug Resistance Protein 2, 3 ou 4) sont codées par les gènes ABCC2, ABCC3 ou ABCC4 respectivement. Il faut noter que la répartition de ces transporteurs peut dépendre du type cellulaire considéré. Les trans-porteurs MRP sont, par exemple, plus particulièrement exprimés sur le versant externe des cellules rénales ou hépatiques et peuvent donc jouer un rôle prédominant dans l’excrétion biliaire ou urinaire du MTX. Les trans-porteurs OATP sont en revanche davantage exprimés sur le versant interne de ces cellules et sont donc plus impliqués dans les phénomènes d’entrée dans la cel-lule. Enfi n, les analogues structuraux du MTX, l’acide 5-méthyltétrahydrofolique, ou son précurseur, l’acide 5-formyltétrahydrofolique – acide folinique –, sont des inhibiteurs compétitifs de ce processus. Le MTX est métabolisé principalement dans les cellules néoplasiques et dans les hépatocytes pour y être trans-formé en dérivés polyglutaminés. Lors de l’utilisation du MTX à fortes doses, un métabolite circulant a été mis en évidence, le 7-hydroxy-métho-trexate, qui se retrouve également après les injections intraveineuses de faibles doses de MTX, de l’ordre de 20 à 50 mg/m2. Ce métabolite ne semble pas avoir d’activité cytotoxique. Cependant, il joue un rôle dans l’accumulation intracellulaire du MTX. L’autre métabolite du MTX est l’acide 2,4 diamino-10-méthylptéroïque, ou DAMPA. L’élimination de ce métabolite est mixte (2).

PharmacodynamiqueLe mode d’action du MTX est présenté dans la figure 2 (p. 202) et implique de nombreux acteurs. Le MTX exerce son action au niveau intracellulaire par inhibition de la dihydrofolate réductase (DHFR), indui-sant une carence en tétrahydrofolate (THF) indispen-sable à la formation des bases puriques et pyrimidiques. La chaîne de fabrication et de recyclage de ces bases est complexe et fait intervenir de nombreuses molé-cules. La DHFR, la thymidylate synthase (TYMS) et la méthylène-tétrahydrofolate réductase (MTHFR) sont les 3 enzymes qui sont cependant les plus directement ciblées par le MTX.

Figure 1. Système de transport intracellulaire du MTX. Diff érents systèmes sont impliqués dans l’absorption, la distribution et l’élimination du MTX. (Figure reproduite avec l’autorisation de PharmGKB et de l’université de Stanford).

Lumière intestinale

Système sanguin

Cellule intestinale

Cellulerénale

Effluxvia urine

Effluxvia bile

Cellule hépatique

MTX

SLC19A1

SLC19A1

SLC22A6 SLC22A8

MTX

MTX

MTX

Méthotrexate (MTX)

FOLR1 ABCC2

ABCC2

ABCC2

ABCB1

ABCC1 ABCC3

ABCC3 ABCC4

ABCC4

ABCB1ABCG2

ABCG2

SLC46A1 SLCO1A2

SLCO1B1SLCO1B3

SLC : Solute Carrier ; ABC : ATP Binding Cassette.


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Figure 2. Mécanisme d’action du MTX permettant l’inhibition de la synthèse des bases puriques et pyrimidiques. (Figure reproduite avec l’autorisation de PharmGKB et de l’université de Stanford).

Voies de transport du MTX

MTXglu

MTXglu

MTXglu 2-7

MTXglun-1 to 6

Méthotrexate (MTX)

FPGS

GGH

TYMS

CBS

MTHFR SHMT1

MTHFD1

MTHFD1

ADA

MTHFD1

PPAT

GART

ATIC

MTR

MTRR

MTHFS

Méthyltransférases

DHFR

dTMP

dUMP

Glycine

Adénosine

Inosine

Hypoxanthine

Sérine

DHF

THF

THF

SAH

SAM

ATP

ADP

AMP

IMP

5,10-CH2=THF

5,10=CH-THF

Cystathionine

Homocystéine

Méthionine

Vitamine B12 5-CH3-THF

5-CHO-THF

10-CHO-THF

glu1-6

Synthèse dela pyrimidine

Synthèsede novo

des purines

Apoptose

Apoptose

Cassures double brin de l’ADN

Incorporation dans l’ADN

ProtéinesADN

ADN méthyléProtéines méthylées

5,10=CH-THF : 5,10-méthylènetétra-hydrofolate

5,10-CH2=THF : 5,10-diméthyl-tétra-hydrofolate

5-CH3-THF : 5-méthyl-tétrahydrofolate

10-CHO-THF : 10-méthoxy-tétrahydro-folate

ADA : adénosine déaminase

ADP : adénosine diphosphate

AMP : adénosine monophosphate

ATIC : 5-amino-4-imidazolecarboxamide ribonucléotide transformylase

ATP : adénosine triphosphate

CBS : cystathionine β synthase

DHF : dihydrofolate

DHFR : dihydrofolate réductase

DNA : ADN

dTMP : désoxythymidine monophosphate

dUMP : désoxyuridine monophosphate

FPGS : folylpolyglutamate synthase

GART : glycinamide ribonucleotide formyl transferase

GGH : gammaglutamyl hydroxylase

IMP : inosine monophosphate

MTHFD1 : methylenetetrahydrofolate dehydrogenase 1

MTHFR : 5,10-méthylènetétrahydro-folate réductase

MTR : méthionine synthase réductase

MTRR : méthionine synthase

MTXglu : MTX-glutamate

MTXglun : MTX-polyglutamate

PPAT : phosphoribosyl pyrophosphate amidotransférase

SAH : S-adénosylhomocystéine

SAM : S-adénosylméthionine

SHMT1 : sérine hydroxyméthyl-transferase 1

THF : tétrahydrofolate

TYMS : tymidylate synthase


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Pharmacogénétique du méthotrexate

Quel est l’impact des variants génétiques ?

S'il existe une pluralité de gènes candidats (donc de variants génétiques candidats), seule une partie d’entre eux a été étudiée. Il s’agit essentiellement des gènes impliqués dans le transport du MTX et des cibles directes du MTX.

Gène ABCC2M.L. Vlaming et al. (3) ont étudié l’impact des gènes ABCC2 et ABCC3 (codant respectivement pour MRP2 et MRP3), et du gène ABCG2 (codant pour le Breast Cancer Resistance Protein [BCRP]) sur la pharmacocinétique du MTX et de son métabolite hydroxylé, le 7-hydroxy-méthotrexate (7-OHMTX), après administration orale chez des souris mutées. Les résultats montrent une élévation importante de l’aire sous la courbe (ASC0-6h) du MTX chez les souris mutées ABCC2-/- et ABCG2-/- de façon statistiquement signifi cative. Par ailleurs, il est à noter un eff et additif des gènes ABCC2 et ABCG2 sur le profi l pharmacocinétique du MTX après administration orale. Ces résultats observés dans un modèle animal ont ensuite pu être reproduits chez l’homme. Dans une première étude, nous avons pu montrer le lien entre une mutation sur le gène ABCC2 codant pour la protéine MRP2 et un large surdosage en MTX observé chez un patient atteint d’un lymphome B non hodg-kinien. Ce patient présentait des signes biologiques en faveur d’une forme fruste du syndrome de Dubin-Johnson, un syndrome rare caractérisé par une anomalie de l’excrétion de la bilirubine et de ses métabolites (à lire, “Syndrome de Gilbert : aspects génétiques et pharmaco génétiques”, page 206). L’analyse génétique chez ce patient a montré une mutation dans l’exon 10 du gène ABCC2 (412R>G) induisant une perte d’acti-vité de la protéine MRP2. Les études fonctionnelles montraient l’incapacité de la forme mutée de MRP2 à transporter le MTX, expliquant ainsi le défaut majeur d’élimination du MTX et l’augmentation importante de son taux plasmatique ayant conduit secondaire-ment à une néphrotoxicité sévère chez ce patient (4). L’importance du gène ABCC2 a ensuite été confi rmée par une étude de N. Simon et al. (5), réalisée chez 50 patients atteints d’un lymphome ou d’une LAL et traités par de fortes doses de MTX, étude qui portait sur l’infl uence de polymorphismes génétiques communs d’ABCC2. Il a été montré que le polymorphisme -24C>T (rs717620) du promoteur du gène ABCC2 modifi e de façon signi-fi cative la pharmacocinétique du MTX. La clairance du MTX était signifi cativement plus élevée chez les porteurs d’au moins 1 copie de l’allèle rare -24T com-parés aux non-porteurs : 8,6 ± 2,2 l/h versus 6,7 ± 2,5 l/h

(p < 0,01). Le volume de distribution était également augmenté chez les porteurs de l’allèle -24T par rapport aux non-porteurs.

Gène SLCOLes familles OATP1 et SLC19 sont des protéines impli-quées dans le transport membranaire du MTX et sont codées respectivement par les gènes SLCO1 et SLC19A1. Il a été montré que certains polymorphismes de ces gènes modifi aient la cinétique et les eff ets du MTX. Une étude de E. van de Steeg et al. (6) a analysé l’in-fl uence des diff érents transporteurs, OATP1B1, OATP1B3 et OATP1A2 sur la pharmacocinétique du MTX à l’aide d’un modèle animal (souris transgéniques humani-sées). Cette étude a montré que, chez les souris mutées Slco1a/1b-/-, les concentrations en MTX étaient 3,9 à 5 fois plus élevées pour des doses injectées de 2 et 10 mg/kg respectivement par rapport au génotype sauvage. Il a également été observé une accumulation hépatique de MTX diminuée d’un facteur 17,6 à 23,8, et pour l’accumulation intestinale de 7,5 à 20,3, toujours pour les doses respectives de 2 et 10 mg/kg. Par ailleurs, on observe une augmentation des taux hépatique et intestinal de MTX plus marquée chez les souris trans-géniques OATP1B3 et OATP1A2 que chez les souris transgéniques OATP1B1 par rapport au groupe des souris mutées Slco1a/1b-/-. Des résultats similaires ont été observés avec le métabolite principal du MTX, le 7-hydroxyméthotrexate.Chez l’homme, l’étude de S. Radtke et al. (7), menée chez 415 patients atteints d’une LAL et traités par de fortes de doses de MTX, a analysé l’impact de polymor-phismes de type SNP (Single Nucleotide Polymorphism) sur la pharmacocinétique du MTX. Les SNP rs4149056 et rs2306283 étudiés portent sur le gène du transpor-teur SLCO1B1. Il a été mis en évidence par des analyses de régression (ajustées sur l’âge et le sexe) des associa-tions statistiquement signifi catives entre ces 2 SNP et l’ASC0-48h du MTX. Par ailleurs, cette même association a été retrouvée avec la clairance et les concentrations résiduelles du MTX. Concernant SLC19A1, l’étude portant sur le SNP rs1051266 (80G>A) de T. Dervieux et al. (8), menée chez 226 patients traités par du MTX pour une polyarthrite rhumatoïde, a mis en évidence que le géno-type AA est associé à des taux de MTX polyglutamates 3,4 fois supérieurs à ceux observés pour les génotypes GG et GA (p = 0,007). Enfi n, J Gregers et al. (9) ont mon-tré récemment, chez des enfants atteints d’une LAL, une infl uence du variant 80G>A sur le risque de toxi-cité du MTX, mais aussi sur le risque de rechute. Les enfants porteurs du variant AA ont un risque inférieur de 50 % de développer un événement par rapport à ceux


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ayant un génotype GG ou GA. L’atteinte de la fonction des transporteurs du MTX, potentiellement d’origine génétique, semble donc être un facteur important pour expliquer une modifi cation de l’élimination du MTX. L’infl uence de ces variants génétiques sur l’effi cacité ou la tolérance clinique du MTX n’est cependant pas formellement établie.

Gène MTHFRK. Schmiegelow (10) a recensé les études ayant traité des polymorphismes du MTHFR. Deux SNP sont essen-tiellement étudiés : MTHFR 1298A>C et MTHFR 677C>T, les 2 impliquant une réduction de l’activité de l’enzyme pour les porteurs des allèles respectifs C et T. Cependant, les résultats de ces études sont contradictoires. En fait, la majorité de ces études ne montre aucun impact signifi -catif de ces 2 polymorphismes sur la pharmacocinétique du MTX ou sur la toxicité induite :

✓ 4 études ont mis en évidence une élévation du risque de toxicité pour les allèles conférant une faible activité à l’enzyme MTHFR ;

✓ une seule étude semble indiquer que l’allèle T du variant MTHFR 677C>T est lié à une réduction signifi cative du risque de toxicité hématologique et hépatique du MTX.Il est très diffi cile de savoir si ces résultats peuvent être expliqués par des diff érences dans les caractéristiques des patients traités ou par d’autres facteurs confondants comme les cotraitements.

Gène TYMSLa thymidylate synthétase (TYMS) est l’enzyme impliquée dans la formation de la déoxythymidine monophosphate (dTMP) à partir de la déoxyuridine monophosphate (dUMP). Des mutations de TYMS pouvant rendre l’enzyme résistante à son inhibition par le MTX ont été rapportées. Peu d’études ont été menées pour évaluer l’impact de polymorphismes de TYMS sur la pharmacologie du MTX. N. Erčulj et al. (11) ont cependant réalisé une étude chez des enfants atteints de LAL traités par de fortes doses de MTX, montrant un impact des polymorphismes TYMS 2R>3RG/3RC sur la toxicité du MTX. En eff et, les génotypes associés à une forte expression de TYMS (2R/3RG, 3RC/3RG et 3RG/3RG) sont corrélés à une diminution signifi cative des taux de leucopénies de grade supérieur à 2 (OR = 0,49 ; IC95 : 0,25-0,94 ; p < 0,05) et de thrombopénies de grade supérieur à 2 (OR = 0,19 ; IC95 : 0,05-0,96 ; p < 0,05) par rapport aux génotypes associés à une faible expression

de la TYMS (2R/2R, 2R/3RC et 3RC/3RC). Les anémies semblent également moins fréquentes chez les porteurs de l’allèle TYMS 3R par rapport aux génotypes sauvages.

Autres polymorphismes étudiés

T. Dervieux et al. (12) ont montré que les poly-morphismes GGH-401C>T (gène codant pour la γ-glutamyl-hydroxylase) et ATIC (gène codant pour la 5-amino-imidazole-4-carboxamide ribonucléo-tide transformylase) [fi gure 2] étaient associés à une augmentation du risque de toxicité du MTX chez les enfants souff rant d’une LAL. D’autres polymorphismes impliquant la dihydrofolate réductase (DHFR), la méthionine synthase (MS), la méthionine synthase réductase (MSR) et la méthylène-tétrahydrofolate déshydrogénase (MTHFD) ont été identifiés, mais les études menées sur leur impact éventuel restent à l’heure actuelle insuffi santes pour juger de leur impor-tance clinique.

Conclusion

Devant des variabilités interindividuelles d’effi cacité et de tolérance du MTX chez des patients soumis à des conditions identiques de traitement, les cliniciens ont émis l’hypothèse d’une éventuelle implication de fac-teurs pharmacogénétiques. Des études ont donc été entreprises par diff érentes équipes travaillant sur l’uti-lisation du MTX dans ses multiples indications. Cet article indique que l’on connaît maintenant certaines mutations ou certains SNP des gènes codant pour des protéines impliquées soit dans le transport cellulaire du MTX, soit dans ses eff ets pharmacodynamiques, qui expliquent une partie de la variabilité interindividuelle des paramètres pharmacocinétiques et de l’effi cacité ou de la toxicité de ce médicament. Une systématisation de la recherche de certains polymorphismes ou mutations avant l’instauration d’un traitement par MTX pourrait ainsi, en théorie, permettre d’identifi er des patients présentant un risque de toxicité accrue chez lesquels l’instauration d’un traitement par MTX devrait être rééva-luée au vu du rapport bénéfi ce/risque. Cette approche doit cependant encore être défi nie, puis validée sur le plan clinique. ■

K. Bihan déclare ne pas avoir de liens d’intérêts.

1. http://www.has-sante.fr/portail/upload/docs/appli-cation/pdf/2010-10/metho-trexate_bellon_-_ct-_8473.pdf

2. http://www.mhra.gov.uk/home/groups/par/docu-ments/websiteresources/con140676.pdf?bcsI_scan_ 43167910db6ab4d9=0&bcsi_scan_fi lename=con140676.pdf

3. Vlaming ML, van Esch A, van de Steeg E et al. Impact of abcc2 [multidrug resistance-associated protein (MRP) 2], abcc3 (MRP3), and abcg2 (breast cancer resistance pro-tein) on the oral pharmacoki-netics of methotrexate and its main metabolite 7-hydroxy-methotrexate. Drug Metab Dispos 2011;39(8):1338-44.

4. Hulot JS, Villard E, Maguy A et al. A mutation in the drug t ra n s p o r t e r g e n e A B CC 2 associated with impaired methotrexate elimination. Pharmacogenet Genomics 2005;15(5):277-85.

5 . S i m o n N , M a r s o t A , Vi l lard E et al. Impact of ABCC2 polymorphisms on h i g h - d o s e m e t h o t re xa t e pharmacokinetics in patients with lymphoid malignancy. P h a r m a c o g e n o m i c s J 2013;13(6):507-13.

6. Van de Steeg E, van Esch A, Wagenaar E et al. Infl uence of human OATP1B1, OATP1B3, and OATP1A2 on the phar-macokinetics of methotrexate and paclitaxel in humanized transgenic mice. Clin Cancer Res 2013;19(4):821-32.

7. Radtke S, Zolk O, Renner B et al. Germline genetic varia-tions in methotrexate candi-date genes are associated with pharmacokinetics, toxicity, and outcome in childhood acute lymphoblastic leukemia. Blood 2013;121(26):5145-53.

8. Dervieux T, Kremer J, Lein DO et al. Contribution of common polymorphisms in reduced folate carrier and gamma-glutamylhydrolase to metho-trexate polyglutamate levels in patients with rheumatoid arthritis. Pharmacogenetics 2004;14(11):733-9.

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