前 言

全球主要的體外毒理檢測服務(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)作為核心測試平臺。國內(nèi)的相關(guān)用戶有賽貝生物、霍德生物、藥明康德等；國外有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“MEA技術(shù)用于早期毒理評估的展望”。在藥物心臟安全評估領(lǐng)域，希望能通過這樣的資訊交流，來促進(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)計表明，單個新藥從研發(fā)到上市的總成本接近26億美金，耗時可達(dá)15年。同時，約90%的失敗案例發(fā)生在臨床開發(fā)的晚期。所以大家就應(yīng)該很能理解為何藥企對于新藥研發(fā)損耗是極為關(guān)切的。2015年Waring等對四大國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)測的人類相關(guān)模型來補(bǔ)充甚至替代傳統(tǒng)的臨床前動物測試。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、研究并推廣動物替代實驗的倡議存在。比如說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、高靈敏且針對性強(qiáng)的檢測結(jié)果。其中一種在心臟/神經(jīng)毒理方面展現(xiàn)出巨大價值的工具是MEA。在本文中，我們會評估并展示這個技術(shù)的作用，了解它是如何有助于轉(zhuǎn)變我們對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)每孔植入多個微電極，可持續(xù)監(jiān)測細(xì)胞的電活動。

MEA在心臟毒理測試中的作用

hERG足夠做出心臟毒理預(yù)測嗎？
      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)行的臨床前測試包括：體外的hERG電生理實驗及隨后在體內(nèi)開展的QT間期測試。但是，雖然這兩種實驗可以代表發(fā)生了尖端扭轉(zhuǎn)性室速(TdP)及促心律失常，但是卻無法對后兩者做出自動預(yù)判。大家都已經(jīng)清楚，由于完全依賴于hERG阻滯和QT間期延長這兩項指標(biāo)，現(xiàn)在的指導(dǎo)原則可能導(dǎo)致了有潛在價值新型治療方案開發(fā)的過早中斷（即心臟安全風(fēng)險假陽性）。

MEA改變法規(guī)的格局
      CiPA（Comprehensivein vitro Proarrhythmia Assay）項目是從2013年開始的，起源于美國FDA的一個相關(guān)研討會。其目標(biāo)是開發(fā)新的用于評估藥物促心律失常風(fēng)險的方法。相對于現(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，除美國FDA外，成員來自于HESI、CSRC、SPS、EMA、Health Canada、JNIHS、PMDA等組織及制藥企業(yè)。項目的核心目的是在臨床前藥物心臟風(fēng)險性評估方面，為未來版本的ICHS7B8 和ICH E149提供指導(dǎo)意見，以提高測試結(jié)果的臨床相關(guān)性。
      CiPA驗證過的促心律不齊風(fēng)險評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)胞分化而來的心肌細(xì)胞，它能夠自發(fā)跳動。在生理及藥物對其‘類ECG’電反應(yīng)影響這兩個方面，此類細(xì)胞和人的原代心肌細(xì)胞十分類似。雖然CiPA的驗證工作仍未完全結(jié)束，但預(yù)計從MEA平臺上得到的數(shù)據(jù)將會成為新的法規(guī)指導(dǎo)意見的重要組成部分。

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

利用MEA來實時監(jiān)測藥物心臟毒性
      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能夠無標(biāo)記且實時地對心臟功能性活動的四個主要方面（傳導(dǎo)、場電位、收縮及動作電位）做記錄，多孔樣本板中的單孔數(shù)據(jù)也可以獨立獲得。這樣，MEA系統(tǒng)就能檢測到一些心肌活動的重要參數(shù)，比如去極化、興奮性傳播、復(fù)極化、跳動時長及無規(guī)律跳動（心律不齊）。這種非侵入式的電信號測試意味著我們不再需要使用到染料或者其它報告子，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)可對心肌細(xì)胞做4個維度的功能分析。

一般來說，MEA實驗要用到從hiPSC分化來的高純度心肌細(xì)胞群落。這是一群具有自發(fā)電活動的混合肌細(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。不但會同步跳動，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)的一個優(yōu)勢是細(xì)胞的培養(yǎng)和檢測能在同一塊多孔板內(nèi)完成。其它的高通量平臺，比如全自動膜片鉗或者流式細(xì)胞儀等，在測試前，都需要將細(xì)胞樣本轉(zhuǎn)移到單細(xì)胞懸液中。這個操作會破壞培養(yǎng)時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)胞處理流程也會使得分析過程冗長且昂貴。相對而言，MEA技術(shù)就能做到在保留心肌細(xì)胞模型形態(tài)的同時捕獲其功能信息。