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心臟毒性藥物的機制及其研究工具
閱讀：346 發布時間：2023-12-1
青霉素的發現改變了醫學的進程，也許正是這個原因，它成為藥物發現領域最*的范例之一。但是鮮為人知的是，從亞歷山大-弗萊明爵士于1928年shou次觀察到他的金黃色葡萄球菌菌落沒有在污染他的培養皿的真菌周圍生長，到1944年青霉素真正大規模上市，至少經歷了15年的時間。當然，弗萊明所要克服的挑戰，特別是在生產足以進行體內試驗的藥物時所遇到的困難，在現代已不可同日而語。這個時間長度仍然非常好地反映了藥物發現的漫長曲折之路。盡管我們現在有能力更好地處理純化/生產階段，但將新藥引入市場的過程仍然復雜而耗時（更不用說昂貴了）。
圖1 描述了藥物開發的主要步驟，這一過程通常持續十多年。從數以千計的潛在候選藥物開始，最終只剩下一個（或極少數）分子獲得監管機構的批準。這個嚴密的漏斗不僅與分子的有效性有關，還與安全性問題有關。據估計，每三個候選藥物中就有一個因藥物毒性而減產（1）。因此，有必要進行預測性毒理學研究，以預測和描述可能出現的不良反應。
圖1. 藥物發現過程的主要步驟概覽 *階段通常包括數千種化合物，并根據其療效和安全性進行逐步篩選。
化合物在生物體內的新陳代謝和脫靶活動是導致毒性反應的最常見原因。由于肝臟是解毒的主要部位，因此肝毒性研究是這方面的優先事項。不過，對其他器官和系統的潛在影響也需要進行評估（如心血管毒性、腎毒性、神經毒性等）。尤其是心臟毒性，它是與藥物開發相關的最嚴重的副作用之一。它限制了有效治療藥物的療效，并導致許多其他藥物在上市后停藥：在過去40年中，全球有近10%的藥物因心血管安全性問題而從臨床市場上召回（2）。遺憾的是，由于對這些不良反應的發生機制缺乏全面了解，因此很難在醫藥產品開發的臨床前階段有效揭示心臟毒性，因此人們越來越重視開發合適的模型和可靠的測試來克服這一限制。
哪些藥物會產生心臟毒性作用？
幾乎所有類別的治療藥物（包括抗生素、抗病du藥物或抗炎藥物等針對常見疾病的藥物）都可能引起心臟毒性事件。長期用藥（如神經/精神類藥物）所誘發的心臟毒性也備受關注，因為藥物或其代謝物的逐漸積累可能會誘發長期影響，而這在臨床前階段較難預見。此外，值得一提的是，癌癥是全球di二大死因，化療藥物對心血管系統的毒性作用已得到充分證實，這涉及到相對較高比例的人群。這種擔憂催生了一個新的研究領域：腫瘤心臟病，其研究重點是化療和放療副作用引起的心血管疾病的檢測、監測和治療(3)。
藥物引起的心臟毒性事件有哪些？
心肌病變（可能發展為心力衰竭）是可以觀察到的重大不良事件之一。然而，藥物引起的心臟毒性基本上可以從任何角度影響心血管系統。事實上，常見的臨床表現涉及心臟本身的功能或完整性（心肌缺血、心肌炎、心律失常、纖維化等）和血管系統（高血壓、血栓栓塞、血管痙攣等）。深入了解這些毒性表現背后的機制，對于制定更適合的治療方案和降低患者風險至關重要。
藥物誘發心臟毒性的典型機制是什么？
上述病理情況在分子水平上與細胞穩態的各種改變相關聯，下面舉幾個極為簡單的例子：
造成心臟毒性的主要原因之一是通過改變線粒體代謝來損害心肌細胞的活性。由于心臟持續跳動需要大量能量，因此與其他器官相比，心臟含有更多的線粒體。在這種情況下，線粒體是與心肌細胞收縮力相關的鈣平衡、維持細胞內氧化還原狀態和調節細胞凋亡/壞死機制的基礎。目前已發現多種藥物可通過不同途徑誘導線粒體毒性（4,5）。例如，已知一類名為蒽環類的抗癌分子對線粒體具有毒性，因為它們的直接靶標TOP2B很不幸也是線粒體DNA復制所必需的。
同樣，一些局部麻醉劑也與心臟毒性有關，這是因為它們的作用原理產生了副作用，即通過與質膜鈉通道的相互作用降低神經和心臟細胞的興奮性。由于它們也會影響線粒體膜上的磷脂，從而導致線粒體膜通透性增加，進而破壞電子傳遞鏈。
另一方面，一些抗逆轉錄病du藥物（如治療艾滋病毒的藥物）具有與脫靶相互作用相關的有絲分裂毒性效應。這些藥物通常用于抑制病毒逆轉錄酶，但事實證明，它們也會抑制線粒體DNA聚合酶γ，從而破壞線粒體功能（4,5）。
心肌收縮需要動作電位沿著心肌細胞的細胞膜協調傳播。因此，所有干擾離子通道運輸從而干擾心臟電生理學的藥物都可能誘發心臟毒性反應。最終退出市場的幾種*代抗抑郁藥就屬于這種情況，它們直接與鈉離子、鈣離子和鉀離子通道相互作用。考慮到神經細胞和心肌細胞都是通過在其質膜上傳播電信號來發揮功能的，因此這種脫靶作用也就不足為奇了（5）。上文提到的局部麻醉劑是與離子通道活性干擾有關的另一個毒性效應實例。
改變生長信號傳導因子是治療癌癥的一種常見策略，但也常常與心臟毒性效應相關（5）。例如，索拉非尼（Sorafenib）和凡德他尼（Vandetanib）就是這種情況，這兩種藥物是血管內皮生長因子（VEGF）信號通路的抑制劑，既參與了與腫瘤轉移相關的血管生成，也參與了心肌細胞在應對環境壓力或疾病時的存活。同樣，為結合特定細胞外受體以激活細胞凋亡和阻止腫瘤增殖而開發的治療性單克隆抗體也會對心血管系統產生不利影響。其中一個例子是曲妥珠單抗（Trastuzumab），它是一種ErbB2受體（HER2/neu）阻斷劑，已知也會下調神經膠質蛋白-1（Neuregulin-1，一種活躍于心臟穩態和發育的信號分子）。其最常見的副作用是高血壓，但也可能發生心肌梗死（5）。
心臟毒性藥物的研究工具
如前所述，要全面了解藥物誘發心臟毒性的機理，并能在藥物發現過程中盡早發現它們，需要完善的模型系統和適用的篩選方法。有以下的工具可以利用：
毒理學藥物預篩選：SCREEN-WELL® Cardiotoxicity library（BML-2850，Enzolife），該小分子化合物文庫精選了130種具有明確和不同心臟毒性作用的化合物。蒙泰羅-達羅沙（Monteiro da Rocha）于2017年利用該庫獲取了有關其體外模型可靠性的信息。他們證明，hiPSC-CMs（人類誘導多能干細胞衍生的心肌細胞）的成熟狀態是將促心律失常和心臟毒性研究結果應用于成人心臟時需要考慮的一個重要參數（6）。
分析毒性應激后的細胞反應：通過測量細胞的氧化應激反應可以檢測到藥物對細胞毒性的影響。Jiang等人證明了低劑量輻射可以保護心臟免受多柔比星（一種常用于治療實體和液體腫瘤的藥物）的心臟毒性影響（7）。在這項工作中，作者使用ROS-ID® Total ROS detection kit（ENZ-51011，Enzolife），通過流式細胞術監測多柔比星誘導的小鼠心肌細胞氧化應激。更多的在活細胞中分析毒性應激后的細胞反應或其亞細胞結構的變化，可以參考這篇文章。
確定心臟毒性反應的具體途徑： Quagliarello等人在2020年使用LTB4 ELISA kit（ADI-900-068，Enzolife），試圖闡明Ipilimumab和Nivolumab（兩種用于癌癥治療的免疫檢查點抑制劑）的心臟毒性效應的分子基礎（8）。
參考文獻：
1. Guengerich FP. Mechanisms of Drug Toxicity and Relevance to Pharmaceutical Development. Drug Metab Pharmacokinet (2011).
2. Kelleni MT & Abdelbasset M. Drug Induced Cardiotoxicity: Mechanism, Prevention and Management.
3. Kostakou PM et al. Cardio-oncology: a new and developing sector of research and therapy in the field of cardiology Heart Fail Rev (2019).
4. Kim CW et al. Effects of anti-cancer drugs on the cardiac mitochondrial toxicity and their underlying mechanisms for novel cardiac protective strategies. Life Sci (2021).
5. Mamoshina P et al. Toward a broader view of mechanisms of drug cardiotoxicity. Cell Rep Med (2021).
6. Monteiro da Rocha A et al. hiPSC-CM Monolayer Maturation State Determines Drug Responsiveness in High Throughput Pro-Arrhythmia Screen. Sci Rep (2017).
7. Jiang X. Low dose radiation prevents doxorubicin-induced cardiotoxicity. Oncotarget (2018).
8. Quagliariello V et al. Evidences of CTLA-4 and PD-1 Blocking Agents-Induced Cardiotoxicity in Cellular and Preclinical Models. J. Pers. Med. (2020).
文中部分相關產品：
| 貨號 | 產品名 | 相關應用 | 規格 |
| BML-2837-0500 | SCREEN-WELL® Autophagy library | 用于研究細胞和體外應用中促自噬和抗自噬分子作用的結構和機理不同的化合物。 | 1 Library、500 µl/well |
| BML-2837-0100 | 1 Library、100 µl/well | ||
| BML-2843-0100 | SCREEN-WELL® FDA approved drug library V2 | 用于心臟病學、神經精神病學、免疫學、腫瘤學等領域的化合物庫。 | 1 Library |
| ENZ-51019-KP002 | MITO-ID® Membrane potential cytotoxicity kit | 靈敏度高的線粒體膜電位實時測定法。 | 1 Kit |
| ENZ-51018-K100 | MITO-ID® Membrane potential detection kit | 雙發射染料可根據線粒體膜電位狀態發出綠色或橙色熒光；適用于化學/環境毒性篩選及高通量應用。 | 100 tests |
| ENZ-51018-0025 | 25 tests | ||
| ENZ-51015-KP002 | LYSO-ID® Red cytotoxicity kit (GFP-CERTIFIED®) | 一種快速、定量且與 HTS 兼容的活細胞細胞毒性檢測方法。 | 1 Kit |
| ENZ-51020-KP100 | GFP-CERTIFIED® FLUOFORTE® Calcium assay kit | 更明亮、更穩健、與 GFP 兼容（橙色染料）的鈣熒光測定法。 | 100x96 wells |
| ENZ-51020-KP010 | 10x96 wells | ||
| ENZ-51017 | FLUOFORTE® Calcium assay kit | 更明亮、更穩健的鈣熒光測定法。 | 10x96 tests |
| ENZ-KIT157-2500 | LDH Cytotoxicity WST Assay | 通過測量乳酸脫氫酶活性測定細胞毒性的比色試劑盒 | 5x500 tests |
| ENZ-KIT157-0500 | 500 tests | ||
| ADI-900-164 | cGMP complete ELISA kit | zui靈敏（0.043 pmol/ml）、zui全面的細胞內外 cGMP 定量比色試劑盒。 | 96 wells |
| ADI-900-013 | cGMP ELISA kit | zui靈敏的細胞外 cGMP 定量比色試劑盒（0.088 pmol/ml）。 | 96 wells |
| ADI-900-014 | Direct cGMP ELISA kit | zui靈敏的細胞內 cGMP 定量比色試劑盒（0.025 pmol/ml）。 | 96 wells |
| ENZ-KIT152-0001 | BNP Fragment ELISA kit | 靈敏的 BNP 片段 ELISA 試劑盒，可檢測血清和血漿中的 BNP 片段。 | 96 wells |
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