CardioExcyte 96平台预测药物致心律失常

2019-09-12 14:07:08

药物引起的心率失常是药物研发失败及退市最常见的原因。因此临床前的药物安全性评价是每个制药人都极其重视的一个环节。上篇文章中我们提到了iPSC-CM作为一种临床前药物安全性评价模型的优势。这次我们将跟大家一起探讨非标记心脏安全功能仪CardioExcyte96(CE96)结合iPSC-CM在药物安全性评价上的应用。

 

尖端扭转型室速(TdP)是最主要的药物引起的心律失常反应。TdP是一种室性心动过速,心电图可见QRS波的尖端围绕基线扭转,常伴有QT间期延长(图一),有猝死的风险。早期后去极化(EAD)被认为是TdP产生的重要诱因。那么CE96和iPSC-CM的组合是怎么预测心律失常风险的呢?且听小艾从心肌细胞最基础的电信号-动作电位开始讲起。

图一: 心电图和TdP

 

心室肌细胞动作电位包括去极化和复极化两个过程,在这些过程中一些重要的离子(钠离子,钾离子,钙离子)会在细胞膜两侧来回流动。因为这些离子是带电的,所以它们的流动就产生了电流,也就说动作电位的产生就是电流流动的结果。心肌细胞动作电位细分为5个时期(图二):

图二:心肌细胞动作电位

 

0期:Na+的快速涌入使得动作电位迅速上升。

 

1期:动作电位上升冲程的终止和早期复极化相的形成期,此期Na+通道关闭,K+(Ito)瞬时流出。

 

2期:内向Ca2+,外向K+的平衡期。

 

3期:K+(IKr和IKs)的外流使得动作电位持续下降导致后期复极化。

 

4期:主要由K+(钾离子泵)维持着-90mv左右的静息电位。

 

心脏周围的所有组织和液体中都含有大量的离子,这意味着它们可以充当导体,将心肌产生的电流波动传输到皮肤上,进而被检测设备检测到,这就是我们所看到的心电图。单个细胞的动作电位可以通过膜片钳的方法记录到。类似心电图这种细胞群体的电生理活动则可以通过检测场电位的方法记录到。CE96就是一款可以检测场电位的高通量仪器,它可以同时记录96个通道。每个96孔板底部有两个金属电极:一个是环绕孔底的C型电极,另一个是中间的圆形电极。当96孔记录板被安放到机器上的时候,主机可以记录到培养小孔上两个金电极之间的阻抗值和电压值(可长时程记录)。iPSC-CM单层细胞在培养小孔中,经过一段时间的培养后即可利用CE96实时监测该层细胞的群体电学活动(阻抗值变化和电压值变化)。

a、阻抗:心肌细胞的形状在舒张状态时为梭型,收缩时则成球型。不同形状下心肌的阻抗不同。所以可以用阻抗的变化来代表细胞形体的变化,阻抗曲线即为心肌细胞的收缩曲线;

b、电压:两个电极也可以记录单层细胞动作电位产生过程中的电压变化。离子通道的开放和关闭会导致细胞群周围的电压发生改变,从而产生一定的电势差,即电压。由于培养小孔中所有细胞的离子通道开闭具有同步性,所以可利用CE96可以记录出一条单一的心肌细胞电压变化曲线,也即为该层心肌细胞的群体放电曲线。

 

单个细胞的动作电位、群体细胞的场电位和临床上的心电图在离子活动上存在着对应关系。0期Na+的迅速内流在场电位表现为Na+ Spike,心电图上是QRS波形;2期的相对平稳期在场电位和心电图中也得到了很好的体现;相对平稳期之后,动作电位的3期(后期复极化)和场电位、心电图的T波都是由于K+的外流引起的波形变化。这个时期被认为是心脏周期中一个比较脆弱的时期,因为在这个时期电刺激可以引起另一个动作电位的产生,可能会导致致命的室性心律失常。在iPSC-CM水平上检测动作电位和场电位波形,可以一定程度上反应心电图的表型(图三),预测心律失常风险。

图三:心肌细胞的动作电位,场电位和心电图关联示意图

 

目前CE96和iPSC-CM的组合,因为其能满足高通量筛选的需求,已经被越来越多的应用在药物的安全性评价中。Sotalol是临床上常用的抗心律失常药物之一,但也可能会导致严重的TdP反应。这一表型在CE96平台上得到了证实,加入10um后的iPSC-CM的细胞收缩明显异常,场电位产生了类似EAD的表型,提示这种药物极有可能会诱发TdP现象(图四)。

图四:SotaloliPSC-CM细胞收缩和场电位的影响

 

引用文献:

 

1. Enrique G. Navarrete, MD, Ping Liang, MD, PhD , Feng Lan, PhD ,Verónica Sanchez-Freire, PhD, et.al.,2013, Screening Adverse Drug-Induced Arrhythmia Events Using Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes and Low-Impedance Microelectrode Arrays. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.112.000570.

2. Xiaoyu Zhang, Liang Guo b , Haoyu Zeng c , Stephen L. White d , Michael Furniss b , et.al.,2016, Multi-parametric assessment of cardiomyocyte excitation-contraction

coupling using impedance and field potential recording: A tool for cardiac safety assessment.

推荐内容

扫描二维码分享到微信