前 言

全球主要的體外毒理檢測(cè)服務(wù)及iPSC衍生細(xì)胞供應(yīng)商，都選用了Axion公司的Maestro MEA系統(tǒng)作為核心測(cè)試平臺(tái)。國(guó)內(nèi)的相關(guān)用戶有賽貝生物、霍德生物、藥明康德等；國(guó)外有CDI, Ncardia, Charles River, Eurofins, Cyprotex等。本文節(jié)選并翻譯自Cyprotex公司于2020年3月發(fā)布的白皮書(shū)“MEA技術(shù)用于早期毒理評(píng)估的展望”。在藥物心臟安全評(píng)估領(lǐng)域，希望能通過(guò)這樣的資訊交流，來(lái)促進(jìn)行業(yè)的整體發(fā)展。

Maestro MEA系統(tǒng)

心臟毒理的重要性

統(tǒng)計(jì)表明，單個(gè)新藥從研發(fā)到上市的總成本接近26億美金，耗時(shí)可達(dá)15年。同時(shí)，約90%的失敗案例發(fā)生在臨床開(kāi)發(fā)的晚期。所以大家就應(yīng)該很能理解為何藥企對(duì)于新藥研發(fā)損耗是極為關(guān)切的。2015年Waring等對(duì)四大國(guó)際藥企的候選藥物失敗案例做了研究并將結(jié)果發(fā)表在在Nature Reviews雜志上。有趣的是，作者發(fā)現(xiàn)安全及毒理是導(dǎo)致新藥臨床前開(kāi)發(fā)失敗的首要因素。

所以，盡早地發(fā)現(xiàn)藥物安全隱患成為改善上述情況的關(guān)鍵。一方面，我們需要使用可靠并可預(yù)測(cè)的人類相關(guān)模型來(lái)補(bǔ)充甚至替代傳統(tǒng)的臨床前動(dòng)物測(cè)試。在藥物毒理和化學(xué)毒理領(lǐng)域，我們已經(jīng)看到很多旨在調(diào)查、研究并推廣動(dòng)物替代實(shí)驗(yàn)的倡議存在。比如說(shuō)ECVAM、NC3Rs、SaferMedicines Trust、CiPA、 REACH、EPA Toxcast、HESI及FDATox工作組等等。

      另一方面，這類體外細(xì)胞模型還需要配合一些復(fù)雜的分析工具一起使用，才能提供相關(guān)的、高靈敏且針對(duì)性強(qiáng)的檢測(cè)結(jié)果。其中一種在心臟/神經(jīng)毒理方面展現(xiàn)出巨大價(jià)值的工具是MEA。在本文中，我們會(huì)評(píng)估并展示這個(gè)技術(shù)的作用，了解它是如何有助于轉(zhuǎn)變我們對(duì)于器官特異毒理方面的認(rèn)知的。

Maestro MEA 48孔板部分截圖。
板內(nèi)每孔植入多個(gè)微電極，可持續(xù)監(jiān)測(cè)細(xì)胞的電活動(dòng)。

MEA在心臟毒理測(cè)試中的作用

hERG足夠做出心臟毒理預(yù)測(cè)嗎？
      現(xiàn)行的FDA臨床前(ICH S7B8)和臨床(ICH E149)安全指導(dǎo)原則要求執(zhí)行的臨床前測(cè)試包括：體外的hERG電生理實(shí)驗(yàn)及隨后在體內(nèi)開(kāi)展的QT間期測(cè)試。但是，雖然這兩種實(shí)驗(yàn)可以代表發(fā)生了尖端扭轉(zhuǎn)性室速(TdP)及促心律失常，但是卻無(wú)法對(duì)后兩者做出自動(dòng)預(yù)判。大家都已經(jīng)清楚，由于完全依賴于hERG阻滯和QT間期延長(zhǎng)這兩項(xiàng)指標(biāo)，現(xiàn)在的指導(dǎo)原則可能導(dǎo)致了有潛在價(jià)值新型治療方案開(kāi)發(fā)的過(guò)早中斷（即心臟安全風(fēng)險(xiǎn)假陽(yáng)性）。

MEA改變法規(guī)的格局
      CiPA（Comprehensivein vitro Proarrhythmia Assay）項(xiàng)目是從2013年開(kāi)始的，起源于美國(guó)FDA的一個(gè)相關(guān)研討會(huì)。其目標(biāo)是開(kāi)發(fā)新的用于評(píng)估藥物促心律失常風(fēng)險(xiǎn)的方法。相對(duì)于現(xiàn)行方法而言，它要有更高的特異性。CiPA擁有強(qiáng)大的指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，除美國(guó)FDA外，成員來(lái)自于HESI、CSRC、SPS、EMA、Health Canada、JNIHS、PMDA等組織及制藥企業(yè)。項(xiàng)目的核心目的是在臨床前藥物心臟風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估方面，為未來(lái)版本的ICHS7B8 和ICH E149提供指導(dǎo)意見(jiàn)，以提高測(cè)試結(jié)果的臨床相關(guān)性。
      CiPA驗(yàn)證過(guò)的促心律不齊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法之一就是微電極陣列（MEA）。使用的樣本是從人多能干細(xì)胞分化而來(lái)的心肌細(xì)胞，它能夠自發(fā)跳動(dòng)。在生理及藥物對(duì)其‘類ECG’電反應(yīng)影響這兩個(gè)方面，此類細(xì)胞和人的原代心肌細(xì)胞十分類似。雖然CiPA的驗(yàn)證工作仍未完全結(jié)束，但預(yù)計(jì)從MEA平臺(tái)上得到的數(shù)據(jù)將會(huì)成為新的法規(guī)指導(dǎo)意見(jiàn)的重要組成部分。

Maestro MEA板記錄到的心肌細(xì)胞場(chǎng)電位與心電圖有著相似的波形圖。

利用MEA來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥物心臟毒性
      很多心臟疾病源于心肌細(xì)胞興奮性和/或收縮性方面的細(xì)微變化。MEA能夠無(wú)標(biāo)記且實(shí)時(shí)地對(duì)心臟功能性活動(dòng)的四個(gè)主要方面（傳導(dǎo)、場(chǎng)電位、收縮及動(dòng)作電位）做記錄，多孔樣本板中的單孔數(shù)據(jù)也可以獨(dú)立獲得。這樣，MEA系統(tǒng)就能檢測(cè)到一些心肌活動(dòng)的重要參數(shù)，比如去極化、興奮性傳播、復(fù)極化、跳動(dòng)時(shí)長(zhǎng)及無(wú)規(guī)律跳動(dòng)（心律不齊）。這種非侵入式的電信號(hào)測(cè)試意味著我們不再需要使用到染料或者其它報(bào)告子，這樣分析結(jié)果的靈敏度和特異性也就能得到也能夠得到很大的提高。

Maestro MEA系統(tǒng)可對(duì)心肌細(xì)胞做4個(gè)維度的功能分析。

一般來(lái)說(shuō)，MEA實(shí)驗(yàn)要用到從hiPSC分化來(lái)的高純度心肌細(xì)胞群落。這是一群具有自發(fā)電活動(dòng)的混合肌細(xì)胞，包括類心房、類結(jié)及類心室等類型。它們有著典型的人類心臟細(xì)胞的特征，能夠形成有著電傳導(dǎo)功能的細(xì)胞層。不但會(huì)同步跳動(dòng)，而且能在參考藥物處理下產(chǎn)生符合預(yù)期的電生理及生化反應(yīng)。

      MEA技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是細(xì)胞的培養(yǎng)和檢測(cè)能在同一塊多孔板內(nèi)完成。其它的高通量平臺(tái)，比如全自動(dòng)膜片鉗或者流式細(xì)胞儀等，在測(cè)試前，都需要將細(xì)胞樣本轉(zhuǎn)移到單細(xì)胞懸液中。這個(gè)操作會(huì)破壞培養(yǎng)時(shí)模擬出的類似心臟內(nèi)關(guān)聯(lián)細(xì)胞所形成的網(wǎng)絡(luò)。而且多步驟的細(xì)胞處理流程也會(huì)使得分析過(guò)程冗長(zhǎng)且昂貴。相對(duì)而言，MEA技術(shù)就能做到在保留心肌細(xì)胞模型形態(tài)的同時(shí)捕獲其功能信息。