MEA可以檢測到所有參與電生理反應的通道，而不是只有單個離子通道。所以能夠被用來定義特定離子通道或者受體與藥物互作所引起的的細胞整體特征性反應。在這個版塊里，我們會進一步地通過實驗探索這個概念。用來處理細胞的藥物包括快速鈉離子通道阻斷劑、hERG抑制劑和β-腎上腺素受體激動劑這三種，然后會用MEA系統(tǒng)來分析細胞反應的電信號。

      河豚毒素是一種有效的鈉離子阻斷劑。它對于心臟快速鈉離子通道Nav1.5作用的IC50濃度范圍在1-2個2μM。從上圖的MEA場電位連續(xù)波形圖上可以看出，用2μM濃度的藥物處理后，iPSC衍生心肌細胞的總體信號強度減弱了。結(jié)果符合我們的預期。

      QT間期延長可能會導致TdP（尖端扭轉(zhuǎn)性室速）。這種異常的主要的機理之一就是hERG阻斷。

      分析上面的MEA跳動圖示，可以看到奎尼丁和E4031這兩個藥物對T波振幅的抑制作用。這個圖形結(jié)果還給出了EAD形成的證據(jù)，它已被證明和TdP以及心律不齊相關。另外，兩種加藥組樣本的跳動頻率也下降了。

      異丙腎上腺素對于T波的幅度沒有影響，但是會縮短場電位時長，也就改變了跳動頻率。 這表明受測的細胞有效表達了β-腎上腺素G蛋白偶聯(lián)受體。

      以上這三個案例表明，iPSC衍生心肌細胞與MEA技術聯(lián)用，將會是一種強大的篩選工具。通過分析急性的藥物心臟反應對一系列電生理信號的影響，我們就能了解到其背后的藥物作用機理。

      并非所有的藥物對于心臟的副作用，都會在急性給藥實驗中體現(xiàn)出來。將iPSC-CMs和MEA結(jié)合為一個平臺后，最重要的優(yōu)勢就是能夠在體外預測意料之外的風險以及藥物的長期慢性作用。由于無需標記且能夠長時間地維持細胞存活并實時檢測，這項技術很適合在新藥開發(fā)的初始階段就藥物的短期和長期的風險做出評估。目前，長期研究是在狗的身上遙測完成的，價格不菲。另外，雖然大部分藥物是通過直接阻斷來作用于hERG通道的，但是人們還發(fā)現(xiàn)了其它的藥物作用機理，即抑制hERG通道遷移到細胞表面。它可能會導致傳統(tǒng)安全評估實驗的假陰性結(jié)果。在這里，我們將通過一些實驗案例，來展示MEA是如何克服這些瓶頸的。

      這是一種殺菌劑，可以作為hERG遷移受到藥物影響的案例。在iPSC-CMs樣本中加入藥物后，持續(xù)培養(yǎng)24至48小時。我們使用MEA技術就能檢測到hERG的遷移作用。結(jié)果顯示在下方的跳動圖示上，黑色的分組是未加藥對照，紅、綠、藍色分別對應藥物處理后第2、24及48小時的檢測結(jié)果。

      我們可以看出兩小時內(nèi)，并未能檢出藥物的急性作用，MEA結(jié)果和對照組是完全一致的。而藥物持續(xù)作用24小時后，細胞就明顯顯現(xiàn)出復極延遲和跳動時長的延長，而且復極的信號幅度也有些微下降。到48小時后，藥物的作用還會進一步加強。

      這是一種鳥嘌呤核苷的類似物，BMS將它開發(fā)成前體藥物，用來治療丙肝病毒。 在二期臨床實驗中，先是有一名受試病人死亡，而后又有八人因為藥物心臟毒性進院治療。 在這些人身上都觀察到了一系列心臟毒副作用，包括ST段壓低、T波倒置及其振幅減小。 這樣，該藥物開發(fā)的后續(xù)工作就在2012年徹底停止了。 值得注意的是，上述毒性反應在用量提高至200mg時才發(fā)生。 而在當時，體外心臟毒性測試無法對更大給藥量的影響做出評估。 這恰恰就是該藥物二期臨床前風險評估失敗的主要原因之一。

      后來，我們使用MEA技術，結(jié)合iPSC衍生心肌細胞對BMS-986094藥物的心臟毒性機理做了研究。圖A是從四個電生理參數(shù)的角度，記錄了336小時（14天）內(nèi)隨著藥物濃度增加，細胞反應的變化。表內(nèi)數(shù)值代表加藥組結(jié)果占未加藥組基線值（經(jīng)過空載體對照校對）的百分比。

      從圖A的結(jié)果可知，隨著時間的推移，藥物的毒性會越來越顯著直到最終導致細胞停止跳動。而且就算在80 nM這樣的高濃度，藥物持續(xù)作用14天后，我們?nèi)匀荒苡^察到跳動頻率的顯著改變，鈉通道信號幅度相比基礎值持續(xù)增加，并且保持高度一致性。

      圖B 是跳動示意圖。可以幫著我們了解不同濃度的藥物作用下，心肌細胞在跳動時長和T波幅度方面的相應變化，而且可以在相對比較大的時間跨度上進行分析。

      對體外心臟慢性毒性效應評估來說，傳統(tǒng)的方法學是第一大阻礙。因為在這些平臺上得到的結(jié)果曾導致有著很大心臟健康風險的藥物未能在新藥開發(fā)流程的早期被有效識別。從上述案例中可以看到，MEA這種強大的技術平臺能夠更早更有效地檢測到這些風險，從而能夠在藥物早期開發(fā)中起到作用。

      全球人口結(jié)構(gòu)的老齡化，導致包括心血管藥物在內(nèi)的多處方藥品聯(lián)合治療方案得到越來越廣泛的應用。這樣藥物間相互作用（DDI）導致意外發(fā)生的可能性也大大提高了。雖然在體外和臨床試驗中DDI藥代動力學測試已經(jīng)是常規(guī)項目了，但是對藥物安全受到基于藥效動力學的DDI影響的重視程度卻沒有那么高。在開展體外高通量藥物篩選時，要么是沒有做這項實驗，要么就是無法檢測出DDI。這就意味著只有等藥物完成市場準入后，這種風險才會被暴露出來。

      人們觀察到心血管藥物的DDI作用已經(jīng)有相當長的一段時間了。MEA技術使得我們能夠在藥物開發(fā)的早期就將其識別出來。而iPSC-CMs具備的綜合性表型特征，使得藥物的心臟副作用MEA應用，可以從定量評估拓展到機理探索。

      這兩種藥物在藥效動力學DDI的意料之外發(fā)現(xiàn)可以作為對心臟安全有影響的案例來供大家探討。索非布韋一類的藥物對于丙型病毒性肝炎病人來說是個莫大的福音。雖然在藥物的臨床試驗中并未發(fā)現(xiàn)它對心臟有不利影響，但是上市后卻有多起報告顯示，它與胺碘酮聯(lián)用會導致嚴重的心動過緩病癥。雖然這種DDI背后的機理不明，但據(jù)猜測是和P-糖蛋白這種多藥物轉(zhuǎn)運蛋白互作有關。在下面的實驗中，我們使用MEA結(jié)合iPSC衍生心肌細胞在體外來重現(xiàn)這種DDI，并初步地測試了該樣本作為DDI研究模型的可行性。

       索非布韋+胺碘酮單獨或合并處理hiPSC衍生心肌細胞電生理參數(shù)變化。

      MEA實驗記錄到的數(shù)據(jù)表明，這兩種藥物的DDI會影響到iPSC衍生心肌細胞的電生理。而這些影響的根源并非是常見的鈉、鉀、鈣電流受到直接阻滯，或者是P-gp藥物轉(zhuǎn)運體和代謝產(chǎn)物等相關因素。反而，它們倒是和藥物在臨床相關濃度下引起的胞內(nèi)鈣調(diào)控紊亂有關。并且，當藥物濃度達到最高的超生理濃度水平時，還會發(fā)生收縮跳動的停滯。

      因此，這些MEA數(shù)據(jù)說明，這種基于藥效動力學的DDI的機理可能會和心臟功能相關。這個結(jié)果不但為索非布韋-胺碘酮互作提供了新的機理研究線索，而且說明iPSC-CMs這種綜合性的模型系統(tǒng)，有著可被用于DDI評估的可能性。

      有效開展心臟毒理評估是確保新藥開發(fā)在臨床（前）階段獲得成功的重要因素。和注重機理研究的傳統(tǒng)電生理技術相比，多孔MEA技術能夠在類ECG的綜合表型水平開展多因素毒性風險分析。上述案例表明，這種特性支持從短期、長期及藥物間互作等多個維度評估候選藥物。同時，人源細胞樣本的使用，也避免了物種差異給檢測結(jié)果帶來的不確定性。總體而言，這項技術的使用，能在很大程度上提高臨床前與臨床實驗結(jié)果的一致性，從而降低藥物開發(fā)全流程的成本與風險。