Wiki College M Projekt Individualisierte Medizin am Inselspital
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Perioperative Medizin und Genetik Individualisierte Medizin am Inselspital Genetik und Perioperative Medizin Perioperative Medizin und Genetik If it were not for the great variability among individuals, medicine might as well be a science and not an art. Sir William Osler, 1892 Perioperative Medizin und Genetik Cholinesteraseaktivität und Succinylcholin SuC durch Plasmacholinesterase hydrolisiert • Erbliche Defizienz für Cholinesterase • 44 Mutationen des Butyrylcholinesterase Gens beschrieben • A 209 G (Asp 70 Gly) „Dibucain-Punktmutation“ im Exon 2 reduziert die Bindungsaffinität • Langanhaltende Muskelblockade nach einmaliger Injektion von Succinylcholin • Häufigkeit 1 : 3500 Perioperative Medizin und Genetik Maligne Hyperthermie (MH) Lebensbedrohliche hypermetabole Stoffwechselstörung –Azidose –Hyperkapnie –Hypoxämie –Rigor –Rhabdomyolyse –Elektrolytentgleisung –Herz-Kreislauf-Störungen –Fieber Perioperative Medizin und Genetik Maligne Hyperthermie (MH) • Auslöser: volatile Anästhetika Succinylcholin • Defekt der myoplasmatischen Ca-Homöostase • autosomal dominanter Erbgang – Punktmutationen im Ryanodinrezeptor – z.B. ein Basenaustausch C 1840 T im RYR1 Gen • Inzidenz 1 : 15.000 bis 1: 60.000 Komplexe Erkrankungen Die meisten komplexen Erkrankungen haben einen komplexen genetischen Hintergrund. Multiple genetische Faktoren tragen gemeinsam mit Umwelteinflüssen zu Inzidenz und Verlauf bei. Zwillingsstudien DNA Identität zweieiig eineiig 50% 100% Konkordanzrate ist gleich: → Krankheit eher umweltbedingt Konkordanzrate eineiig > zweieiig: → Krankheit eher genetisch bedingt Relatives Risiko für die Sterblichkeit Adoptierter Leibliche Eltern Tod durch Infektion Adoptierte Adoptiveltern RR = 6 RR = 1,2 Tod durch Infektion Sörensen et al. NEJM, 1988 Zwillingsstudien bei komplexen Erkrankungen Diabetes mellitus Type 2 Konkordanzrate eineiig zweieiig 0,80 0,35 MI (Frauen) 0,44 0,14 MI (Männer) 0,39 0,26 Prostata-Carcinom 0,27 0,07 Epilepsie (idiopathisch) 0,69 0,14 Multiple Sklerose 0,28 0,03 Gaumenspalte 0,38 0,08 Schizophrenie 0,50 0,12 Bipolare Störung 0,60 0,10 Tuberculose 0,37 0,15 Gen-Identifikation z.B. Brustkrebs Häufige Varianten niedriger Penetranz BRCA3 etc 1.5 10 BRCA1, 2 Relatives Risiko Das humane Genom 3,2 mrd. Basenpaare etwa 25.000 Gene Perioperative Medizin und Genetik Genomic Variation: More than SNPs • Exons, Introns 1. Single Base Changes C GAT G C AA C T C 2. Deletion/Insertion of Single Bases ACGTCGCTGAG ACGTCG TGAG • Introns, Exons 1. Variable Length of Tandem Repeats TAACGCGCGCGATGC TAACGCGATGC TAACGATGC 2. Repeats of longer Motifs TGACAAC...GTCATTAC...GTCATTAC...GCATTTAC...GTCATT Perioperative Medizin und Genetik Genomische Varianten: „Site matters!“ -----------------------------------mRNA ---------------------------------Start 5´- UTR Promotor -ATG- Stop kodierende Region -ATA- UTR -3´ Mit oder ohne Aminosäureaustausch Regulation der Transkription 3´ untranslated region 5´ untranslated region Stabilität der mRNA Stabilität der mRNA TNF Locus Chromosom 6 HLA Klasse II Klasse III Klasse I Telomer Zentromer DP 3’ DQ DR HSP LTb TNF B C TNFa -308 Guanin/Adenin Exon Intron A TNFb 5’ CAT Reporter-Genkonstrukt TNF -308 B-Zelllinie, ex vivo pg CAT / mg 3000 Gesamtprotein p<0.05 2000 1000 0 Kontrolle TNF1 TNF2 Perioperative Medizin und Genetik TNF Plasmaspiegel und TNF Genotyp * TNFa pg/ml * 400 300 * p<0,001 200 100 0 B1/B1 B1/B2 TNF Genotyp B2/B2 Stüber et al. Crit Care Med 1996, 24: 381 Perioperative Medizin und Genetik 2001 SCCM/ESICM/ATS/SIS INTERNATIONAL SEPSIS DEFINITIONS CONFERENCE The PIRO System for Staging Sepsis Present to be added in Future Predisposition Preexist. Disease Genetic Polymorphisms Infection Microb. Culture Microbielle Products: Toxins, bacterial DNA Response SIRS, CRP Biomarkers: Il-6, PCT, LBP „targets“: TNF, PAF, Protein C (activated), ... Organdysfunction Scores: SOFA, MODS, ... Apoptosis, cellular stress Hypoxia Levy MM et al. Intensive Care Med (2003) 29:530.538 Perioperative Medizin und Genetik Perioperative Inflammation and Complications preoperative Intraoperative (hours) postoperative (Weeks, Month) Inflammation Risk of Complication Time Meiler et al.Journal of Anesthesia Safety Foundation 2004,19:3-7 Perioperative Medizin und Genetik IL-6 Promoter-Polymorphismus assoziiert mit Vorhofflimmern nach ACB 40 * *p<0.05 n=110 30 Häufigkeit von VHF % 20 10 0 -174 GG -174 GC/CC Gaudino M et al., Circulation 2003, 21(9):1458 Genomische Assoziationsstudie EPI 2 Kardioanästhesie (ACB) Kanada USA Europa Andere 0 200 400 Patienten ∑ = 1250 600 800 IREF / McSPI Genetische Prädisposition für Komplikationen bei kardiochirurgischen Patienten: EPI-2 Studie Studiendesign • Assoziationsstudie im Fall-Kontroll-Design (n=1250) • Kandidatengene aus 4 Bereichen Koagulation, Inflammation, Lipidmetabolismus, Membranintegrität (140 Kandidaten-SNPs) • Genomische Kontrollen (70 SNPs) Perioperative Medizin und Genetik Mögliche Kandidatengene Kardioanästhesie • Katecholaminrezeptoren (z.B. b1,2) • • • • Glykoproteine auf Thrombozyten (Pro- und Anti-) koagulatorische Faktoren Zytokine/ -rezeptoren Signaltransduktionsmoleküle • Ionenkanal-Proteine Perioperative Medizin und Genetik IL-6 Promoter Polymorphismus nicht mit Vorhofflimmern nach ACB assoziiert ! 40 p>0.05 30 Häufigkeit von VHF % n=1250 20 10 0 -174 GG -174 GC/CC Stüber, McSpi et al., 2009 TLR2 and TLR4 signal through MAL (MyD88 adaptor like) Khor et al. Nature Genetics; 2007 (39): 523 - 528 Multiple Genetische Faktoren bestimmen das Risiko Barber et al. J Burn Care Res. 2007 ;28(2):205-11. ROC für Risikofaktoren für Komplikationen bei Verbrennung Barber et al. J Burn Care Res. 2007 ;28(2):205-11. Schwere Sepsis nach Trauma Menges et al., CCM, May 2008 TNF Haplotypen Menges et al., CCM, May 2008 Genetik und Pathophysiologie der Sepsis Assoziation mit TNF Plasmaspiegeln Menges et al., CCM, May 2008 Trauma: Sepsis vs Keine Sepsis Menges et al., CCM, May 2008 Genetischer Marker als Risikofaktor: Sterblichkeit Menges et al., CCM, May 2008 TOLL Like Rezeptor 4 Haplotypen Shalhub: J Trauma, Volume 66(1).January 2009.115-123 Trauma und Schwere Sepsis Shalhub: J Trauma, Volume 66(1).January 2009.115-123 Genetische Risikofaktoren: TLR4 Shalhub: J Trauma, Volume 66(1).January 2009.115-123 ARDS und ACE Varianten Frequenz of D Allele (95% CI) Genotyp p DD II ID 9 (0.09) 43 (0.45) 40 (0.23) 90 (0.52) 44 (0.25) 0.0009 0.51 (0.46– 0.56) ICU 31 (0.35) 36 (0.41) 21 (0.24) 0.00008 0.44 (0.37– 0.52) Healthy population 459 (0.24) 949 (0.50) 498 (0.26) 0.00004 0.51 (0.49– 0.53) ARDS CABG 0.69 (0.61– 44 (0.46) 0.75) Marshall et al. AJRCCM 2001 Schwere Sepsis Sepsis-induziertes ARDS Villar et al., Intensive Care Med. 2008 Mar;34(3):488-95 Risiko für Bakteriämie: NOD2 Henckaerts: Crit Care Med, Volume 37(1).January 2009.192-e3 Qualität der Studien, n=76 Clark MF & Baudouin SV (2006) Intensive Care Med 32:1706-12 Signifikante Ergebnisse ? Patientenzahl 10000000 1000000 100000 RR 4 RR 1,5 RR 1,1 RR 1,01 10000 1000 100 10 1 10 40 80 95 % Power; a=0.05 Microchip S Hybridisierung der DNA Example of good clustering Example of poor clustering Qualitätskriterien für Genotypisierung • • • • Allelhäufigkeit der Variante > 0.10 Call Rate (CR) > 0.98 Abweichung vom Hardy-Weinberg Gleichgewicht: p > 1E-5 Visuelle Inspektion der Cluster Analyse vor Anwendung der Qualitätskriterien Analyse nach Anwendung der Qualitätskriterien Genetisch-epidemiologische Assoziationsstudie • Primärer Endpunkt: Mortalität • Sekundärer Endpunkt: Morbidität (Organversagen) • Schwere Sepsis durch: 1. Peritonitis 2. Nekrotisierende Pankreatitis 3. Ambulant erworbene Pneumonie 4. Meningokokkensepsis 2001 SCCM/ESICM/ATS/SIS INTERNATIONAL SEPSIS DEFINITIONS CONFERENCE Das PIRO System: „Staging“ Sepsis Heute Künftig Prädisposition Vorerkrankung Genetische Prädisposition ? Infektion Mikrob. Kultur Mikrobielle Bestandteile: Toxins, bakterielle DNA Reaktion SIRS, CRP Biomarker: Il-6, PCT Organdysfunktion Scores: SOFA, MODS, ... Apoptose, Zellstress, Redox Status Levy MM et al. Intensive Care Med (2003) 29:530.538 Results of genetic testing in a hypothetical patient in 2010 and updated estimates of relative risks Perioperative Risk: Bronchospasm Bleeding Allergy Hemodyn. Instability Inflammation Infection … Lancet – 39 (2005) Taylor the Perfect Perioperative Treatment: • Pharmacogenetics (Cytochrome P450: Metabolism) • Drug Receptors • Inflammation! • Adverse events (i.e. bleeding, allergic reaction, infection ..)
