藥物研發早期階段EarlyToxTM心肌毒性檢測試劑盒的生物相關心肌毒性評價實驗

 

 

在藥物研發早期進行心急毒性評價是非常重要的，以便于排除潛在的有毒副作用的化合物，從而開展進一步的研究。高度預測性的生物相關性體外高通量篩選分析實驗對于提高效率和降低心臟安全性評價失敗的化合物篩選的高成本來說是至關重要的。干細胞分化的心肌細胞是特別完美的細胞模型，因為它們表達了GPCRs 和離子通道，表現出自發的類似原始心肌細胞的機械的和電學活性。

 

EarlyTox^TM心急毒性試劑盒包含一個新型的鈣離子敏感染料和一個專有的進過優化的屏蔽技術，用來檢測與心肌細胞跳動關聯的的胞質內鈣離子濃度的變化。跳動模式的信號特征表現時間很短。由于相機曝光時間短,細胞內的鈣離子結合染料產生的信號比標準的鈣流分析實驗小。這種新配方的試劑盒比其它商用鈣染料能提供更強的信號。如圖1 中所示，起到屏蔽作用的分子不會進入細胞內，但降低了細胞外背景熒光信號。這些特性有助于提高信號窗口，為心肌跳動波形圖檢測提供更多詳細信息。

 

 

 

 

這個檢測分析試劑盒可用于分析藥物對峰值頻率（BPM）、峰值幅度和跳動波形圖的影響，且被設計為用于干細胞分化的心肌細胞或原代心肌細胞。峰值頻率取決于EarlyTox 心肌毒性染料監測的細胞內鈣離子濃度的變化。在單個的心跳周期內，肌質網被激活后Ca²⁺被釋放進入胞質內。鈣結合肌鈣蛋白激活肌小節，引起細胞收縮。同步地，細胞中染料分子與游離的鈣離子結合增加了熒光信號強度。

 

心肌細胞舒張發生于鈣離子泵把細胞內的鈣離子攝取回肌質網并和細胞外液進行鈣離子交換時。熒光信號強度隨著鈣離子濃度降低而減小。隨著下一個心跳周期重復開始，熒光信號峰值隨著心跳同步被記錄。

 

使用EarlyTox^TM心急毒性試劑盒在FLIPR^Tetra 系統中已經對心肌細胞的鈣離子峰值頻率和非典型波形圖的濃度依賴性調控方式進行了驗證， 并通過ScreenWorks®Peak Pro 軟件作進一步的分析。確證參數的改變，如鈣離子峰值頻率、振幅、峰寬、增長和衰減的時間有助于對構效關系（SAR）方向修正或者排除化合物進入藥物化學或臨床前研發的評判。另外，這種方法還可以用于作用于心臟的新化合物開發。

 

在生物相關性心急毒性分析實驗中進行功能性研究

最大限度減少染料對心肌細胞跳動特性的非特異性影響

在最大的可用信號中觀察時間分辨率

無需幾小時，在數分鐘內檢測384 個樣品

 

本實驗中所使用的心肌細胞，來源于Cellular Dynamics International 的人誘導多能干細胞（iPS）分化的心肌細胞，根據建議的方案進行培養。實驗前細胞被培養在黑壁底透的384 孔板中10~14 天。EarlyTox Cardiotoxicity Explorer Kit (R8210) 染料加載緩沖液加熱至37°C 以避免降低心肌細胞的跳動。加入25μL 染料至多孔板中每孔25μL 的細胞體系中。細胞板放置于5% CO2，37℃條件下孵育2 小時。

 

試劑盒中含有三個參考化合物——普萘洛爾、異丙腎上腺素和索他洛爾，用于驗證iPS C 心肌細胞不同刺激下的反應狀態。準備好的化合物板中藥物的每個檢測濃度是終濃度的5 倍并在加樣前加熱至37℃，以減少溫度對細胞的影響。當在FLIPR^Tetra中系統添加化合物后，可以對細胞跳動頻率和波形圖觀察記錄持續4~6 小時。化合物添加后繼續記錄10 分鐘。可以額外記錄讀取幾個時間點直至4 個小時的信號。

 

對照和EarlyTox 心肌試劑盒中的三個參考化合物的峰值頻率和跳動波形圖實驗結果見圖2~5。

 

 

 

多種鈣離子指示染料以及其各自在細胞跳動、平均峰值振幅以及峰值頻率等方面的作用進行了4小時長時間的實驗比較。這些染料包括EarlyTox心急毒性染料, FLIPR. Calcium 5 試劑盒 (Molecular Devices)和Fluo-4 Direct 試劑盒(Invitrogen)。根據供應商產品說明，染料加入iPSC 心肌細胞中共孵育。使用FLIPRTetra系統對加樣前和加樣后幾個時間點的結果進行記錄。此實驗中同時設置了對照孔。如圖6 和7 中所示， 所有EarlyTox 心急毒性染料的峰值頻率和信號振幅均是最高的。圖8 中可以看到，EarlyTox 心急毒性染料對化合物添加后4 小時內細胞跳動能力（消失）沒有影響。FLIPR Calcium 5 染料作用下的多數細胞停止跳動，而Fluo-4 Direct 染料在加入化合物90 分鐘后所有孔均停止跳動。

 

 

 

 

 

 

EarlyTox 心肌毒性染料已進行優化，可以提供更強信號、高通量方法來檢測藥用化合物對干細胞分化的心肌細胞的效應。優化了的染料成分可以產生更大的信號窗口和顯著的降低試劑自身對心肌跳動、峰值頻率或信號振幅等隨著時間變化的很小的非特異性毒性作用，有別與其它類型的試劑染料。EarlyTox 心肌毒性染料配套FLIPRTetra 系統使用，是藥物研發早期檢測化合物心肌毒性和確證潛在心臟候選藥物發現的強大工具。