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心臟毒性藥物的機(jī)制及其研究工具
閱讀：298 發(fā)布時(shí)間：2023-12-1
青霉素的發(fā)現(xiàn)改變了醫(yī)學(xué)的進(jìn)程，也許正是這個(gè)原因，它成為藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)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(guān)察到他的金黃色葡萄球菌菌落沒(méi)有在污染他的培養(yǎng)皿的真菌周?chē)L(zhǎng)，到1944年青霉素真正大規(guī)模上市，至少經(jīng)歷了15年的時(shí)間。當(dāng)然，弗萊明所要克服的挑戰(zhàn)，特別是在生產(chǎn)足以進(jìn)行體內(nèi)試驗(yàn)的藥物時(shí)所遇到的困難，在現(xiàn)代已不可同日而語(yǔ)。這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度仍然非常好地反映了藥物發(fā)現(xiàn)的漫長(zhǎng)曲折之路。盡管我們現(xiàn)在有能力更好地處理純化/生產(chǎn)階段，但將新藥引入市場(chǎng)的過(guò)程仍然復(fù)雜而耗時(shí)（更不用說(shuō)昂貴了）。
圖1 描述了藥物開(kāi)發(fā)的主要步驟，這一過(guò)程通常持續(xù)十多年。從數(shù)以千計(jì)的潛在候選藥物開(kāi)始，最終只剩下一個(gè)（或極少數(shù)）分子獲得監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)。這個(gè)嚴(yán)密的漏斗不僅與分子的有效性有關(guān)，還與安全性問(wèn)題有關(guān)。據(jù)估計(jì)，每三個(gè)候選藥物中就有一個(gè)因藥物毒性而減產(chǎn)（1）。因此，有必要進(jìn)行預(yù)測(cè)性毒理學(xué)研究，以預(yù)測(cè)和描述可能出現(xiàn)的不良反應(yīng)。
圖1. 藥物發(fā)現(xiàn)過(guò)程的主要步驟概覽 *階段通常包括數(shù)千種化合物，并根據(jù)其療效和安全性進(jìn)行逐步篩選。
化合物在生物體內(nèi)的新陳代謝和脫靶活動(dòng)是導(dǎo)致毒性反應(yīng)的最常見(jiàn)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(yōu)先事項(xiàng)。不過(guò)，對(duì)其他器官和系統(tǒng)的潛在影響也需要進(jìn)行評(píng)估（如心血管毒性、腎毒性、神經(jīng)毒性等）。尤其是心臟毒性，它是與藥物開(kāi)發(fā)相關(guān)的最嚴(yán)重的副作用之一。它限制了有效治療藥物的療效，并導(dǎo)致許多其他藥物在上市后停藥：在過(guò)去40年中，全球有近10%的藥物因心血管安全性問(wèn)題而從臨床市場(chǎng)上召回（2）。遺憾的是，由于對(duì)這些不良反應(yīng)的發(fā)生機(jī)制缺乏全面了解，因此很難在醫(yī)藥產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的臨床前階段有效揭示心臟毒性，因此人們?cè)絹?lái)越重視開(kāi)發(fā)合適的模型和可靠的測(cè)試來(lái)克服這一限制。
哪些藥物會(huì)產(chǎn)生心臟毒性作用？
幾乎所有類(lèi)別的治療藥物（包括抗生素、抗病du藥物或抗炎藥物等針對(duì)常見(jiàn)疾病的藥物）都可能引起心臟毒性事件。長(zhǎng)期用藥（如神經(jīng)/精神類(lèi)藥物）所誘發(fā)的心臟毒性也備受關(guān)注，因?yàn)樗幬锘蚱浯x物的逐漸積累可能會(huì)誘發(fā)長(zhǎng)期影響，而這在臨床前階段較難預(yù)見(jiàn)。此外，值得一提的是，癌癥是全球di二大死因，化療藥物對(duì)心血管系統(tǒng)的毒性作用已得到充分證實(shí)，這涉及到相對(duì)較高比例的人群。這種擔(dān)憂(yōu)催生了一個(gè)新的研究領(lǐng)域：腫瘤心臟病，其研究重點(diǎn)是化療和放療副作用引起的心血管疾病的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)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(fā)展為心力衰竭）是可以觀(guān)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(tǒng)。事實(shí)上，常見(jiàn)的臨床表現(xiàn)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(tǒng)（高血壓、血栓栓塞、血管痙攣等）。深入了解這些毒性表現(xiàn)背后的機(jī)制，對(duì)于制定更適合的治療方案和降低患者風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。
藥物誘發(fā)心臟毒性的典型機(jī)制是什么？
上述病理情況在分子水平上與細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的各種改變相關(guān)聯(lián)，下面舉幾個(gè)極為簡(jiǎn)單的例子：
造成心臟毒性的主要原因之一是通過(guò)改變線(xiàn)粒體代謝來(lái)?yè)p害心肌細(xì)胞的活性。由于心臟持續(xù)跳動(dòng)需要大量能量，因此與其他器官相比，心臟含有更多的線(xiàn)粒體。在這種情況下，線(xiàn)粒體是與心肌細(xì)胞收縮力相關(guān)的鈣平衡、維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)和調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡/壞死機(jī)制的基礎(chǔ)。目前已發(fā)現(xiàn)多種藥物可通過(guò)不同途徑誘導(dǎo)線(xiàn)粒體毒性（4,5）。例如，已知一類(lèi)名為蒽環(huán)類(lèi)的抗癌分子對(duì)線(xiàn)粒體具有毒性，因?yàn)樗鼈兊闹苯影袠?biāo)TOP2B很不幸也是線(xiàn)粒體DNA復(fù)制所必需的。
同樣，一些局部麻醉劑也與心臟毒性有關(guān)，這是因?yàn)樗鼈兊淖饔迷懋a(chǎn)生了副作用，即通過(guò)與質(zhì)膜鈉通道的相互作用降低神經(jīng)和心臟細(xì)胞的興奮性。由于它們也會(huì)影響線(xiàn)粒體膜上的磷脂，從而導(dǎo)致線(xiàn)粒體膜通透性增加，進(jìn)而破壞電子傳遞鏈。
另一方面，一些抗逆轉(zhuǎn)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(guān)的有絲分裂毒性效應(yīng)。這些藥物通常用于抑制病毒逆轉(zhuǎn)錄酶，但事實(shí)證明，它們也會(huì)抑制線(xiàn)粒體DNA聚合酶γ，從而破壞線(xiàn)粒體功能（4,5）。
心肌收縮需要?jiǎng)幼麟娢谎刂募〖?xì)胞的細(xì)胞膜協(xié)調(diào)傳播。因此，所有干擾離子通道運(yùn)輸從而干擾心臟電生理學(xué)的藥物都可能誘發(fā)心臟毒性反應(yīng)。最終退出市場(chǎng)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?？紤]到神經(jīng)細(xì)胞和心肌細(xì)胞都是通過(guò)在其質(zhì)膜上傳播電信號(hào)來(lái)發(fā)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(guān)的另一個(gè)毒性效應(yīng)實(shí)例。
改變生長(zhǎng)信號(hào)傳導(dǎo)因子是治療癌癥的一種常見(jiàn)策略，但也常常與心臟毒性效應(yīng)相關(guān)（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(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）信號(hào)通路的抑制劑，既參與了與腫瘤轉(zhuǎn)移相關(guān)的血管生成，也參與了心肌細(xì)胞在應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力或疾病時(shí)的存活。同樣，為結(jié)合特定細(xì)胞外受體以激活細(xì)胞凋亡和阻止腫瘤增殖而開(kāi)發(fā)的治療性單克隆抗體也會(huì)對(duì)心血管系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。其中一個(gè)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(huì)下調(diào)神經(jīng)膠質(zhì)蛋白-1（Neuregulin-1，一種活躍于心臟穩(wěn)態(tài)和發(fā)育的信號(hào)分子）。其最常見(jiàn)的副作用是高血壓，但也可能發(fā)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(fā)心臟毒性的機(jī)理，并能在藥物發(fā)現(xiàn)過(guò)程中盡早發(fā)現(xiàn)它們，需要完善的模型系統(tǒng)和適用的篩選方法。有以下的工具可以利用：
毒理學(xué)藥物預(yù)篩選：SCREEN-WELL® Cardiotoxicity library（BML-2850，Enzolife），該小分子化合物文庫(kù)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(dá)羅沙（Monteiro da Rocha）于2017年利用該庫(kù)獲取了有關(guān)其體外模型可靠性的信息。他們證明，hiPSC-CMs（人類(lèi)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞）的成熟狀態(tài)是將促心律失常和心臟毒性研究結(jié)果應(yīng)用于成人心臟時(shí)需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)（6）。
分析毒性應(yīng)激后的細(xì)胞反應(yīng)：通過(guò)測(cè)量細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)可以檢測(cè)到藥物對(duì)細(xì)胞毒性的影響。Jiang等人證明了低劑量輻射可以保護(hù)心臟免受多柔比星（一種常用于治療實(shí)體和液體腫瘤的藥物）的心臟毒性影響（7）。在這項(xiàng)工作中，作者使用ROS-ID® Total ROS detection kit（ENZ-51011，Enzolife），通過(guò)流式細(xì)胞術(shù)監(jiān)測(cè)多柔比星誘導(dǎo)的小鼠心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激。更多的在活細(xì)胞中分析毒性應(yīng)激后的細(xì)胞反應(yīng)或其亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化，可以參考這篇文章。
確定心臟毒性反應(yīng)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(diǎn)抑制劑）的心臟毒性效應(yīng)的分子基礎(chǔ)（8）。
參考文獻(xiàn)：
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(guān)產(chǎn)品：
| 貨號(hào) | 產(chǎn)品名 | 相關(guān)應(yīng)用 | 規(guī)格 |
| BML-2837-0500 | SCREEN-WELL® Autophagy library | 用于研究細(xì)胞和體外應(yīng)用中促自噬和抗自噬分子作用的結(jié)構(gòu)和機(jī)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(xué)、神經(jīng)精神病學(xué)、免疫學(xué)、腫瘤學(xué)等領(lǐng)域的化合物庫(kù)。 | 1 Library |
| ENZ-51019-KP002 | MITO-ID® Membrane potential cytotoxicity kit | 靈敏度高的線(xiàn)粒體膜電位實(shí)時(shí)測(cè)定法。 | 1 Kit |
| ENZ-51018-K100 | MITO-ID® Membrane potential detection kit | 雙發(fā)射染料可根據(jù)線(xiàn)粒體膜電位狀態(tài)發(fā)出綠色或橙色熒光；適用于化學(xué)/環(huán)境毒性篩選及高通量應(yīng)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(xì)胞細(xì)胞毒性檢測(cè)方法。 | 1 Kit |
| ENZ-51020-KP100 | GFP-CERTIFIED® FLUOFORTE® Calcium assay kit | 更明亮、更穩(wěn)健、與 GFP 兼容（橙色染料）的鈣熒光測(cè)定法。 | 100x96 wells |
| ENZ-51020-KP010 | 10x96 wells | ||
| ENZ-51017 | FLUOFORTE® Calcium assay kit | 更明亮、更穩(wěn)健的鈣熒光測(cè)定法。 | 10x96 tests |
| ENZ-KIT157-2500 | LDH Cytotoxicity WST Assay | 通過(guò)測(cè)量乳酸脫氫酶活性測(cè)定細(xì)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(xì)胞內(nèi)外 cGMP 定量比色試劑盒。 | 96 wells |
| ADI-900-013 | cGMP ELISA kit | zui靈敏的細(xì)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(xì)胞內(nèi) 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(cè)血清和血漿中的 BNP 片段。 | 96 wells |
關(guān)于Enzo Life
Enzo Life做為分子診斷領(lǐng)域的*者，可提供包括基因、蛋白、細(xì)胞、組織全層面的標(biāo)記和檢測(cè)試劑，如原位雜交探針、活細(xì)胞熒光探針、組化試劑盒、小分子化學(xué)文庫(kù)等。除了科研領(lǐng)域外，Enzo Life還給提供多樣的生物工藝質(zhì)量檢測(cè)試劑盒（如Protein A殘留檢測(cè)盒，HCP殘留檢測(cè)等 ）
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