The Development, Validation and Implementation of a Broad-Based ADME Genotyping Assay into Research and Clinical Trials

Abstract

Afin d’adresser la variabilité interindividuelle observée dans la réponse pharmacocinétique à de nombreux médicaments, nous avons créé un panel de génotypage personnalisée en utilisant des méthodes de conception et d’élaboration d’essais uniques. Celles-ci ont pour but premier de capturer les variations génétiques présentent dans les gènes clés impliqués dans les processus d'absorption, de distribution, de métabolisme et d’excrétion (ADME) de nombreux agents thérapeutiques. Bien que ces gènes et voies de signalement sont impliqués dans plusieurs mécanismes pharmacocinétiques qui sont bien connues, il y a eu jusqu’à présent peu d'efforts envers l’évaluation simultanée d’un grand nombre de ces gènes moyennant un seul outil expérimental. La recherche pharmacogénomique peut être réalisée en utilisant deux approches: 1) les marqueurs fonctionnels peuvent être utilisés pour présélectionner ou stratifier les populations de patients en se basant sur des états métaboliques connus; 2) les marqueurs Tag peuvent être utilisés pour découvrir de nouvelles corrélations génotype-phénotype. Présentement, il existe un besoin pour un outil de recherche qui englobe un grand nombre de gènes ADME et variantes et dont le contenu est applicable à ces deux modèles d'étude. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé un panel d’essais de génotypage de 3,000 marqueurs génétiques ADME qui peuvent satisfaire ce besoin. Dans le cadre de ce projet, les gènes et marqueurs associés avec la famille ADME ont été sélectionnés en collaboration avec plusieurs groupes du milieu universitaire et de l'industrie pharmaceutique. Pendant trois phases de développement de cet essai de génotypage, le taux de conversion pour 3,000 marqueurs a été amélioré de 83% à 97,4% grâce à l'incorporation de nouvelles stratégies ayant pour but de surmonter les zones d'interférence génomiques comprenant entre autres les régions homologues et les polymorphismes sous-jacent les régions d’intérêt. La précision du panel de génotypage a été validée par l’évaluation de plus de 200 échantillons pour lesquelles les génotypes sont connus pour lesquels nous avons obtenu une concordance > 98%. De plus, une comparaison croisée entre nos données provenant de cet essai et des données obtenues par différentes plateformes technologiques déjà disponibles sur le marché a révélé une concordance globale de > 99,5%. L'efficacité de notre stratégie de conception ont été démontrées par l'utilisation réussie de cet essai dans le cadre de plusieurs projets de recherche où plus de 1,000 échantillons ont été testés. Nous avons entre autre évalué avec succès 150 échantillons hépatiques qui ont été largement caractérisés pour plusieurs phénotypes. Dans ces échantillons, nous avons pu valider 13 gènes ADME avec cis-eQTL précédemment rapportés et de découvrir et de 13 autres gènes ADME avec cis eQTLs qui n'avaient pas été observés en utilisant des méthodes standard. Enfin, à l'appui de ce travail, un outil logiciel a été développé, Opitimus Primer, pour aider pour aider au développement du test. Le logiciel a également été utilisé pour aider à l'enrichissement de cibles génomiques pour d'expériences séquençage. Le contenu ainsi que la conception, l’optimisation et la validation de notre panel le distingue largement de l’ensemble des essais commerciaux couramment disponibles sur le marché qui comprennent soit des marqueurs fonctionnels pour seulement un petit nombre de gènes, ou alors n’offre pas une couverture adéquate pour les gènes connus d’ADME. Nous pouvons ainsi conclure que l’essai que nous avons développé est et continuera certainement d’être un outil d’une grande utilité pour les futures études et essais cliniques dans le domaine de la pharmacocinétique, qui bénéficieraient de l'évaluation d'une longue liste complète de gènes d’ADME.

In order to better assess the inter-individual variability observed in a patient’s pharmacokinetic response to many medications, we have created a custom genotyping panel that uses unique assay designs to analyze variation present in key genes involved in the absorption, distribution, metabolism and excretion (ADME) of many therapeutic agents. These genes and pathways involved in most pharmacokinetic mechanisms are well known. However, as yet, there has been little effort to develop tools that can interrogate a large number of variations in most known drug metabolizing genes simultaneously within a single experimental tool. Pharmacogenomic research has historically been conducted using two approaches: targeted studies that screen a small number of specific functional markers to identify known metabolic status phenotypes, and genome-wide studies that identify novel genetic correlations with drug response phenotypes. Thus, a gap currently exists for a targeted ADME research tool that can evaluate a large number of key ADME genes and variants in a format that can be applicable to both types of study designs. As part of this thesis, we have developed a 3000 SNP broad based ADME genotyping panel that can address this need. Genes and markers for the genotyping panel were selected in collaboration with many groups from both academia and the pharmaceutical industry in an effort to capture all pertinent genes and metabolic pathways that have been implicated in drug metabolism. The final assay design was composed of over 3000 markers in 181 genes. Over three phases of iterative development, the assay conversion rate for the 3000 markers was improved from 83.0% to 97.4% through the incorporation of novel design strategies to overcome areas of genomic interference such as regions of homology and underlying polymorphisms. Accuracy of the assay was validated by screening more than 200 samples of known genotype with a concordance of 99%. Additionally, data from the assay has also been compared to data from different technological platforms and has an overall concordance of 99.5%. The effectiveness of the design strategy was demonstrated in the successful utilization of the assay in the screening of over 1000 samples which identified several novel pharmacogenetic associations between ADME variations and adverse drug reactions in children. Another goal of this thesis was to demonstrate what added benefit/utility the 3000 SNP ADME panel would have when compared to currently available genotyping assays. Using 150 extensively investigated liver samples, the broad based assay was not only able to detect and validate 13 previously reported cis eQTLs in ADME genes but further identified an additional 13 novel ADME cis eQTLs that had never been observed before, doubling the number previously identified using standard methods on the same samples. Finally, in support of this work, a number of bioinformatic tools had to be developed to help expedite this research. These tools have been further refined and are currently being used to assist with enrichment of genomic targets for next generation sequencing experiments. In conclusion, this work has led to a better understanding of ADME genetics and the nuances of assaying ADME genes. The content and designs of the developed assay sets it apart from currently available commercial assays that contain only functional markers in a small number of genes or do not have adequate coverage across ADME genes. The assay has the ability to play a significant role in pharmacogenomic studies to identify known and novel pharmacogenomic biomarkers. These will lead to improved biomarkers that will help better stratify pharmaceutical clinical trial populations or assist physicians to select better, more personalized, efficacious and safer therapies for their patients.