人源诱导型多能干细胞来源的心肌细胞(hiPSC-CM)在药物安全性评价上的优势

2019-08-23 14:45:42

众所周知,新药的研发需要漫长的周期和巨大的资金投入,平均每一种药物上市之前约花费13-19亿美元,历时14-16年(图1)。但是因为上市之前药物安全性评估体系或其他环节存在的缺陷,导致部分药物被迫退市。可以说药物退市对于任何一家医药公司都会造成巨大冲击。如何进行进行有效的安全性评估,是每个医药公司都需要思考的问题。2013年美国FDA(食品药品监督管理局)和SPS(安全药理学学会)等机构提出了体外综合心律失常分析方法(CiPA)。CiPA建议以hiPSC-CM为模型,研究药物的心脏毒性。以细胞系或动物为模型的药物毒性评价已经用了很多年,现在CiPA缘何将hiPSC-CM作为理想的研究模型了呢?

 

1.hiPSC-CM与人的遗传背景相同

所有药物安全性评价的最终目的都是降低对人体的毒性作用,因为遗传背景一致,hiPSC-CM可以在体外将人心肌细胞复杂的生理功能表征出来。hiPSC-CM可以表达出心脏离子通道的所有主要基因如钠通道(SCN5A)、L型钙通道(CACNA1C和CACNA1D),钾通道(KCNH2和KCNQ1)。此外,hiPSC-CMs表达编码Ca2+循环关键成分的基因如肌醇三磷酸受体(IP3R)、赖氨酸受体(RYR2)、肌浆网Ca2 + ATP酶(SERCA2a),钙螯合素2 (CASQ2),钙网(CALR)、连接hilin 2 (JPH2)、phospholamban (PLN)、钠钙交换器(NCX)、triadin (TRDN)[1]。这些都是鼠源动物模型,CHO或HEK细胞系无法比拟的优势。

图1:新药研发周期

 

2.hiPSC-CM拥有人类的心脏电生理学特性

人心肌细胞的去极化时程与啮齿类动物差异很大。例如,人心脏生理条件下每分钟搏动60-90次,而小鼠为500-700次,大鼠为300-400次[2],因此鼠源心肌细胞与人源心肌细胞在细胞收缩上的表型差异很大(图2)。因此,在小动物心肌细胞模型中发现的理论,当需要进一步在验证时,由于缺失人类心肌系统,只能取用其他大型哺乳动物的原代分离心肌细胞替代。而这些细胞的来源都不稳定,实验结果的重复性也无法保证。由于取材和体外培养条件等问题的限制,原代人心肌细胞用于体外实验困难很大,以hiPS定向分化形成的心肌细胞,是目前和将来唯一的人源心肌细胞来源。

大鼠原代心肌细胞

小鼠ES-CM

hiPSC-CM

图2:鼠源心肌细胞和人源心肌细胞阻抗图

 

 

3.hiPSC-CM拥有人类心肌细胞的生化和分子生物学特性

人类心肌细胞的很多核心功能蛋白与小鼠等模式动物不同。例如,小鼠心肌细胞主要表达α重链肌球蛋白,以适应高频率的搏动,而人类心肌细胞主要表达β重链肌球蛋白,适应低频率的搏动。此外,以Ito和Ik为代表的钾离子通道在不同种属动物及人类心肌细胞间的表达和功能差异极大,对于动作电位形成的贡献也各不相同。对药物安全性评价而言,hiPSC-CM是最理想的研究工具。

 

4.hiPSC-CM纯化方便并且可以长时间体外培养

传统研究采用的心肌细胞, 主要是采用从新生或成年动物心脏分离获得的原代心肌细胞。但是此类细胞存在分离技术复杂繁琐、缺少有效的纯化方法、体外培养困难等缺陷。尤其是对于心脏生理接近人类的大型哺乳动物而言,分离原代心肌细胞的动物成本极其高昂,而获取的心肌细胞活性也更低。相比而言hiPSC-CM的纯化简单很多,可以快速得到纯度95%以上的心肌细胞(图3)。因此,hiPSC-CM是此类研究的最理想的选择。

图3:HELP心肌细胞纯度鉴定

 

 

5.hiPSC-CM可以批量生产满足高通量实验需求缩短试验周期

由于传统原代心肌细胞在培养中存活时间极短(成年动物仅有数小时,新生动物不超过1周),绝大多数耗时较长的心脏生理和病理学研究难以采用心肌细胞开展,不得不选择复杂且成本较高的动物模型,甚至无法开展。而hiPSC-CM完美的解决了这一问题,可以批量生产满足体外高通量实验需求。目前hiPSC-CM已经较广泛的应用于体外高通量药物安全性评价中(图4)。

图4:CE96平台检测硝苯地平 IV类抗心律失常药的心脏毒性(HELP数据)

 

 

参考文献:

1.Calvin Chen Sheng, a,b,c Laleh Amiri-Kordestani,et.al,2016, 21st Century Cardio-Oncology Identifying Cardiac Safety Signals in the Era of Personalized Medicine.

2.David Ho, Xin Zhao, Shumin Gao,et.al,2011,Heart Rate and Electrocardiography Monitoring in Mice.

 

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