Perioperative Medizin und Genetik
Individualisierte Medizin am InselspitalGenetik 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 AnästhetikaSuccinylcholin
• 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 50% 100%
Konkordanzrate ist gleich:
→ Krankheit eher umweltbedingt
zweieiig eineiig
Konkordanzrate eineiig > zweieiig:
→ Krankheit eher genetisch bedingt
Relatives Risiko für die Sterblichkeit Adoptierter
Leibliche Eltern Adoptierte
Sörensen et al. NEJM, 1988
Adoptiveltern
Tod durch Infektion RR = 6
RR = 1,2 Tod durch Infektion
Zwillingsstudien bei komplexen Erkrankungen
Diabetes mellitus Type 2 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
Konkordanzrateeineiig zweieiig
Häufige Varianten niedriger Penetranz
BRCA3 etc BRCA1, 2
1.5 10 Relatives Risiko
Gen-Identifikation
z.B. Brustkrebs
Das humane Genom
3,2 mrd. Basenpaare
etwa 25.000 Gene
Perioperative Medizin und Genetik
Genomic Variation: More than SNPs
• Exons, Introns1. Single Base Changes C G A T G C A A C T
C
2. Deletion/Insertion of Single Bases
ACGTCGCTGAG ACGTCG TGAG
• Introns, Exons1. 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!“
5´- -3´UTR -ATG- kodierende Region -ATA- UTR
Promotor
5´ untranslated region
3´ untranslated region
Stabilität der mRNA
Stabilität der mRNA
Regulation derTranskription
Mit oder ohne Aminosäureaustausch
-----------------------------------mRNA -----------------------------------
Start Stop
TelomerDP DQ DR HSP TNF A B C
Zentromer
Klasse III Klasse IHLA Klasse II
LT TNF TNF
Exon Intron
5’3’
-308 Guanin/Adenin
TNF LocusChromosom 6
CAT Reporter-Genkonstrukt TNF -308
B-Zelllinie, ex vivo
0
1000
2000
3000
Kontrolle TNF1 TNF2
pg CAT / mg Gesamtprotein
p<0.05
Perioperative Medizin und Genetik
TNF Plasmaspiegel und TNF Genotyp
0
100
200
300
400TNFpg/ml
B1/B1 B1/B2 B2/B2 TNF Genotyp
Stüber et al. Crit Care Med 1996, 24: 381
**
* p<0,001
Perioperative Medizin und Genetik
2001 SCCM/ESICM/ATS/SISINTERNATIONAL SEPSIS DEFINITIONS CONFERENCE
Present to be added in FuturePredisposition 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: Apoptosis, cellular stress SOFA, MODS, ... Hypoxia
The PIRO System for Staging Sepsis
Levy MM et al. Intensive Care Med (2003) 29:530.538
Perioperative Medizin und Genetik
Perioperative Inflammationand Complications
Meiler et al.Journal of Anesthesia Safety Foundation 2004,19:3-7
InflammationRisk ofComplication
postoperative(Weeks, Month)
Time
Intraoperative(hours)
preoperative
Perioperative Medizin und Genetik
IL-6 Promoter-Polymorphismus assoziiert mit Vorhofflimmern nach ACB
0
10
20
30
40
-174 GG -174 GC/CC
* *p<0.05 n=110
Gaudino M et al., Circulation 2003, 21(9):1458
Häufigkeitvon VHF
%
Genomische Assoziationsstudie EPI 2Kardioanästhesie (ACB)
0 200 400 600 800
Andere
Europa
USA
Kanada
Patienten ∑ = 1250
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. 1,2)
• 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 !
p>0.05 n=1250
Stüber, McSpi et al., 2009
Häufigkeitvon VHF
%
0
10
20
30
40
-174 GG -174 GC/CC
Khor et al. Nature Genetics; 2007 (39): 523 - 528
TLR2 and TLR4 signal through MAL (MyD88 adaptor like)
Barber et al. J Burn Care Res. 2007 ;28(2):205-11.
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
Menges et al., CCM, May 2008
Schwere Sepsis nach Trauma
TNF Haplotypen
Menges et al., CCM, May 2008
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
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
Genotyp p
Frequenz of D Allele (95% CI)
II ID DD
ARDS 9
(0.09)43
(0.45) 44 (0.46) 0.69 (0.61–
0.75)
CABG 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)
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 ?
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
10 40 80 95
RR 4
RR 1,5
RR 1,1
RR 1,01
% Power; =0.05
Patientenzahl
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/SISINTERNATIONAL SEPSIS DEFINITIONS CONFERENCE
Heute Künftig Prädisposition Vorerkrankung Genetische Prädisposition ?
Infektion Mikrob. Kultur Mikrobielle Bestandteile: Toxins,
bakterielle DNA
Reaktion SIRS, CRP Biomarker: Il-6, PCT
Organdysfunktion Scores: Apoptose, Zellstress, Redox StatusSOFA, MODS, ...
Das PIRO System: „Staging“ Sepsis
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
Lancet – 39 (2005)
Perioperative Risk:BronchospasmBleedingAllergyHemodyn. InstabilityInflammationInfection…
Taylor the Perfect Perioperative Treatment:
• Pharmacogenetics (Cytochrome P450: Metabolism)
• Drug Receptors
• Inflammation!
• Adverse events (i.e. bleeding, allergic reaction, infection ..)