Individualisierte Medizin am Inselspital Genetik und Perioperative Medizin

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

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

Maligne Hyperthermie (MH) Lebensbedrohliche hypermetabole Stoffwechselstörung Azidose Hyperkapnie Hypoxämie Rigor Rhabdomyolyse Elektrolytentgleisung Herz-Kreislauf-Störungen Fieber

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. Canabis abuse has been shown to go along with an increased risk for schizophrenia, and it seems that canabis abuse is not an early sign for schizophrenia, but that it actually increases the risk for schizophrenia. A low IQ has also been repeatedly reported to be a risk factor for schizophrenia. But as you can see here; the largest risk factor known today is still to be a first degree relative of a patient with schizophrenia. Children and siblings have a relative risk of 5-10 and a monozygote twin even 42-60.

Zwillingsstudien DNA Identität → Krankheit eher umweltbedingt zweieiig eineiig DNA Identität 50% 100% Konkordanzrate ist gleich: → Krankheit eher umweltbedingt Konkordanzrate eineiig > zweieiig: → Krankheit eher genetisch bedingt

Tod durch Infektion RR = 6 Relatives Risiko für die Sterblichkeit Adoptierter Leibliche Eltern Adoptierte Adoptiveltern Tod durch Infektion RR = 6 RR = 1,2 Tod durch Infektion Sörensen et al. NEJM, 1988

Konkordanzrate eineiig zweieiig Zwillingsstudien bei komplexen Erkrankungen Konkordanzrate eineiig zweieiig 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

Gen-Identifikation z.B. Brustkrebs Häufige Varianten niedriger Penetranz BRCA3 etc BRCA1, 2 1.5 10 Relatives Risiko

3,2 mrd. Basenpaare etwa 25.000 Gene Das humane Genom 3,2 mrd. Basenpaare etwa 25.000 Gene

Genomic Variation: More than SNPs Exons, Introns 1. Single Base Changes C G A T G C A A 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

Genomische Varianten: „Site matters!“ -----------------------------------mRNA ----------------------------------- Start Stop UTR -ATG- kodierende Region -ATA- UTR 5´- -3´ Mit oder ohne Aminosäureaustausch Promotor Regulation der Transkription 3´ untranslated region Stabilität der mRNA 5´ untranslated region Stabilität der mRNA

TNF Locus Chromosom 6 HLA Klasse II Klasse III Klasse I LTb TNFa TNFb Zentromer Telomer DP DQ DR HSP TNF B C A LTb TNFa TNFb 3’ 5’ -308 Guanin/Adenin Exon Intron

CAT Reporter-Genkonstrukt TNF -308 B-Zelllinie, ex vivo pg CAT / mg Gesamtprotein p<0.05

TNF Plasmaspiegel und TNF Genotyp * * TNFa pg/ml B1/B1 B1/B2 B2/B2 TNF Genotyp * p<0,001 Stüber et al. Crit Care Med 1996, 24: 381

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: Apoptosis, cellular stress SOFA, MODS, ... Hypoxia Levy MM et al. Intensive Care Med (2003) 29:530.538

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

IL-6 Promoter-Polymorphismus assoziiert mit Vorhofflimmern nach ACB * *p<0.05 n=110 Häufigkeit von VHF % Gaudino M et al., Circulation 2003, 21(9):1458

Genomische Assoziationsstudie EPI 2 Kardioanästhesie (ACB) Patienten ∑ = 1250

Assoziationsstudie im Fall-Kontroll-Design (n=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)

Mögliche Kandidatengene Kardioanästhesie Katecholaminrezeptoren (z.B. b1,2) Glykoproteine auf Thrombozyten (Pro- und Anti-) koagulatorische Faktoren Zytokine/ -rezeptoren Signaltransduktionsmoleküle Ionenkanal-Proteine

IL-6 Promoter Polymorphismus nicht mit Vorhofflimmern nach ACB assoziiert ! Häufigkeit von VHF % 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 Canabis abuse has been shown to go along with an increased risk for schizophrenia, and it seems that canabis abuse is not an early sign for schizophrenia, but that it actually increases the risk for schizophrenia. A low IQ has also been repeatedly reported to be a risk factor for schizophrenia. But as you can see here; the largest risk factor known today is still to be a first degree relative of a patient with schizophrenia. Children and siblings have a relative risk of 5-10 and a monozygote twin even 42-60. Shalhub: J Trauma, Volume 66(1).January 2009.115-123

Trauma und Schwere Sepsis Canabis abuse has been shown to go along with an increased risk for schizophrenia, and it seems that canabis abuse is not an early sign for schizophrenia, but that it actually increases the risk for schizophrenia. A low IQ has also been repeatedly reported to be a risk factor for schizophrenia. But as you can see here; the largest risk factor known today is still to be a first degree relative of a patient with schizophrenia. Children and siblings have a relative risk of 5-10 and a monozygote twin even 42-60. Shalhub: J Trauma, Volume 66(1).January 2009.115-123

Genetische Risikofaktoren: TLR4 Canabis abuse has been shown to go along with an increased risk for schizophrenia, and it seems that canabis abuse is not an early sign for schizophrenia, but that it actually increases the risk for schizophrenia. A low IQ has also been repeatedly reported to be a risk factor for schizophrenia. But as you can see here; the largest risk factor known today is still to be a first degree relative of a patient with schizophrenia. Children and siblings have a relative risk of 5-10 and a monozygote twin even 42-60. Shalhub: J Trauma, Volume 66(1).January 2009.115-123

Frequenz of D Allele (95% CI) 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) Canabis abuse has been shown to go along with an increased risk for schizophrenia, and it seems that canabis abuse is not an early sign for schizophrenia, but that it actually increases the risk for schizophrenia. A low IQ has also been repeatedly reported to be a risk factor for schizophrenia. But as you can see here; the largest risk factor known today is still to be a first degree relative of a patient with schizophrenia. Children and siblings have a relative risk of 5-10 and a monozygote twin even 42-60. Marshall et al. AJRCCM 2001

Sepsis-induziertes ARDS Schwere Sepsis Sepsis-induziertes ARDS Villar et al., Intensive Care Med. 2008 Mar;34(3):488-95

Risiko für Bakteriämie: NOD2 Canabis abuse has been shown to go along with an increased risk for schizophrenia, and it seems that canabis abuse is not an early sign for schizophrenia, but that it actually increases the risk for schizophrenia. A low IQ has also been repeatedly reported to be a risk factor for schizophrenia. But as you can see here; the largest risk factor known today is still to be a first degree relative of a patient with schizophrenia. Children and siblings have a relative risk of 5-10 and a monozygote twin even 42-60. Henckaerts: Crit Care Med, Volume 37(1).January 2009.192-e3

Qualität der Studien, n=76 Kandidatengene für Sepsis Clark MF & Baudouin SV (2006) Intensive Care Med 32:1706-12

Signifikante Ergebnisse ? Patientenzahl % 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: Peritonitis Nekrotisierende Pankreatitis Ambulant erworbene Pneumonie Meningokokkensepsis

Das PIRO System: „Staging“ Sepsis 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: Apoptose, Zellstress, Redox Status SOFA, MODS, ... 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 Darstellung nur der besten Variablen aus 32 Variablen: Multiple logistische Regression; anderes sind SNPs auf drei verschiedenen chromosomalen Regionen p-Wert ist normaler, nicht adjustierter p-Wert p adjustiert ist adjustiert für das Testen von 32 Variablen mit der Prozedur von Simes Mutationen z.T. mit höherem Risiko, z.T. mit geringerem Risiko assoziiert Regionen sind hochinteressant; nach anderen Informationsquellen können wir davon ausgehen, dass wir hier echt positive gefunden haben Methode wird jetzt auch bei anderen GWAs eingesetzt Hier in diesem Modell noch keine Interaktionen berücksichtigt, wird noch gemacht (läuft gerade) 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 ..)