心臟毒性藥物的作用機制及研究工具
青霉素的發(fā)現(xiàn)改變了醫(yī)學(xué)的進程，也許正是這個原因，它成為藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域最著名的范例之一。但是鮮為人知的是，從亞歷山大-弗萊明爵士于1928年首次觀察到他的金黃色葡萄球菌菌落沒有在污染他的培養(yǎng)皿的真菌周圍生長，到1944年青霉素真正大規(guī)模上市，至少經(jīng)歷了15年的時間。當(dāng)然，弗萊明所要克服的挑戰(zhàn)，特別是在生產(chǎn)足以進行體內(nèi)試驗的藥物時所遇到的困難，在現(xiàn)代已不可同日而語。這個時間長度仍然非常好地反映了藥物發(fā)現(xiàn)的漫長曲折之路。盡管我們現(xiàn)在有能力更好地處理純化/生產(chǎn)階段，但將新藥引入市場的過程仍然復(fù)雜而耗時（更不用說昂貴了）。
圖1 描述了藥物開發(fā)的主要步驟，這一過程通常持續(xù)十多年。從數(shù)以千計的潛在候選藥物開始，最終只剩下一個（或極少數(shù)）分子獲得監(jiān)管機構(gòu)的批準(zhǔn)。這個嚴(yán)密的漏斗不僅與分子的有效性有關(guān)，還與安全性問題有關(guān)。據(jù)估計，每三個候選藥物中就有一個因藥物毒性而減產(chǎn)（1）。因此，有必要進行預(yù)測性毒理學(xué)研究，以預(yù)測和描述可能出現(xiàn)的不良反應(yīng)。
圖1. 藥物發(fā)現(xiàn)過程的主要步驟概覽 第一階段通常包括數(shù)千種化合物，并根據(jù)其療效和安全性進行逐步篩選。
化合物在生物體內(nèi)的新陳代謝和脫靶活動是導(dǎo)致毒性反應(yīng)的最常見原因。由于肝臟是解毒的主要部位，因此肝毒性研究是這方面的優(yōu)先事項。不過，對其他器官和系統(tǒng)的潛在影響也需要進行評估（如心血管毒性、腎毒性、神經(jīng)毒性等）。尤其是心臟毒性，它是與藥物開發(fā)相關(guān)的最嚴(yán)重的副作用之一。它限制了有效治療藥物的療效，并導(dǎo)致許多其他藥物在上市后停藥：在過去40年中，全球有近10%的藥物因心血管安全性問題而從臨床市場上召回（2）。遺憾的是，由于對這些不良反應(yīng)的發(fā)生機制缺乏全面了解，因此很難在醫(yī)藥產(chǎn)品開發(fā)的臨床前階段有效揭示心臟毒性，因此人們越來越重視開發(fā)合適的模型和可靠的測試來克服這一限制。
哪些藥物會產(chǎn)生心臟毒性作用？
幾乎所有類別的治療藥物（包括抗生素、抗病毒藥物或抗炎藥物等針對常見疾病的藥物）都可能引起心臟毒性事件。長期用藥（如神經(jīng)/精神類藥物）所誘發(fā)的心臟毒性也備受關(guān)注，因為藥物或其代謝物的逐漸積累可能會誘發(fā)長期影響，而這在臨床前階段較難預(yù)見。此外，值得一提的是，癌癥是全球第二大死因，化療藥物對心血管系統(tǒng)的毒性作用已得到充分證實，這涉及到相對較高比例的人群。這種擔(dān)憂催生了一個新的研究領(lǐng)域：腫瘤心臟病，其研究重點是化療和放療副作用引起的心血管疾病的檢測、監(jiān)測和治療(3)。
藥物引起的心臟毒性事件有哪些？
心肌病變（可能發(fā)展為心力衰竭）是可以觀察到的重大不良事件之一。然而，藥物引起的心臟毒性基本上可以從任何角度影響心血管系統(tǒng)。事實上，常見的臨床表現(xiàn)涉及心臟本身的功能或完整性（心肌缺血、心肌炎、心律失常、纖維化等）和血管系統(tǒng)（高血壓、血栓栓塞、血管痙攣等）。深入了解這些毒性表現(xiàn)背后的機制，對于制定更適合的治療方案和降低患者風(fēng)險至關(guān)重要。
藥物誘發(fā)心臟毒性的典型機制是什么？
上述病理情況在分子水平上與細胞穩(wěn)態(tài)的各種改變相關(guān)聯(lián)，下面舉幾個極為簡單的例子：
造成心臟毒性的主要原因之一是通過改變線粒體代謝來損害心肌細胞的活性。由于心臟持續(xù)跳動需要大量能量，因此與其他器官相比，心臟含有更多的線粒體。在這種情況下，線粒體是與心肌細胞收縮力相關(guān)的鈣平衡、維持細胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)和調(diào)節(jié)細胞凋亡/壞死機制的基礎(chǔ)。目前已發(fā)現(xiàn)多種藥物可通過不同途徑誘導(dǎo)線粒體毒性（4,5）。例如，已知一類名為蒽環(huán)類的抗癌分子對線粒體具有毒性，因為它們的直接靶標(biāo)TOP2B很不幸也是線粒體DNA復(fù)制所必需的。
同樣，一些局部麻醉劑也與心臟毒性有關(guān)，這是因為它們的作用原理產(chǎn)生了副作用，即通過與質(zhì)膜鈉通道的相互作用降低神經(jīng)和心臟細胞的興奮性。由于它們也會影響線粒體膜上的磷脂，從而導(dǎo)致線粒體膜通透性增加，進而破壞電子傳遞鏈。
另一方面，一些抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物（如治療艾滋病毒的藥物）具有與脫靶相互作用相關(guān)的有絲分裂毒性效應(yīng)。這些藥物通常用于抑制病毒逆轉(zhuǎn)錄酶，但事實證明，它們也會抑制線粒體DNA聚合酶γ，從而破壞線粒體功能（4,5）。
心肌收縮需要動作電位沿著心肌細胞的細胞膜協(xié)調(diào)傳播。因此，所有干擾離子通道運輸從而干擾心臟電生理學(xué)的藥物都可能誘發(fā)心臟毒性反應(yīng)。最終退出市場的幾種第一代抗抑郁藥就屬于這種情況，它們直接與鈉離子、鈣離子和鉀離子通道相互作用�？紤]到神經(jīng)細胞和心肌細胞都是通過在其質(zhì)膜上傳播電信號來發(fā)揮功能的，因此這種脫靶作用也就不足為奇了（5）。上文提到的局部麻醉劑是與離子通道活性干擾有關(guān)的另一個毒性效應(yīng)實例。
改變生長信號傳導(dǎo)因子是治療癌癥的一種常見策略，但也常常與心臟毒性效應(yīng)相關(guān)（5）。例如，索拉非尼（Sorafenib）和凡德他尼（Vandetanib）就是這種情況，這兩種藥物是血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）信號通路的抑制劑，既參與了與腫瘤轉(zhuǎn)移相關(guān)的血管生成，也參與了心肌細胞在應(yīng)對環(huán)境壓力或疾病時的存活。同樣，為結(jié)合特定細胞外受體以激活細胞凋亡和阻止腫瘤增殖而開發(fā)的治療性單克隆抗體也會對心血管系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。其中一個例子是曲妥珠單抗（Trastuzumab），它是一種ErbB2受體（HER2/neu）阻斷劑，已知也會下調(diào)神經(jīng)膠質(zhì)蛋白-1（Neuregulin-1，一種活躍于心臟穩(wěn)態(tài)和發(fā)育的信號分子）。其最常見的副作用是高血壓，但也可能發(fā)生心肌梗死（5）。
心臟毒性藥物的研究工具
如前所述，要全面了解藥物誘發(fā)心臟毒性的機理，并能在藥物發(fā)現(xiàn)過程中盡早發(fā)現(xiàn)它們，需要完善的模型系統(tǒng)和適用的篩選方法。有以下的工具可以利用：
毒理學(xué)藥物預(yù)篩選：SCREEN-WELL® Cardiotoxicity library（BML-2850，Enzolife），該小分子化合物文庫精選了130種具有明確和不同心臟毒性作用的化合物。蒙泰羅-達羅沙（Monteiro da Rocha）于2017年利用該庫獲取了有關(guān)其體外模型可靠性的信息。他們證明，hiPSC-CMs（人類誘導(dǎo)多能干細胞衍生的心肌細胞）的成熟狀態(tài)是將促心律失常和心臟毒性研究結(jié)果應(yīng)用于成人心臟時需要考慮的一個重要參數(shù)（6）。
分析毒性應(yīng)激后的細胞反應(yīng)：通過測量細胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)可以檢測到藥物對細胞毒性的影響。Jiang等人證明了低劑量輻射可以保護心臟免受多柔比星（一種常用于治療實體和液體腫瘤的藥物）的心臟毒性影響（7）。在這項工作中，作者使用ROS-ID® Total ROS detection kit（ENZ-51011，Enzolife），通過流式細胞術(shù)監(jiān)測多柔比星誘導(dǎo)的小鼠心肌細胞氧化應(yīng)激。
確定心臟毒性反應(yīng)的具體途徑： Quagliarello等人在2020年使用LTB4 ELISA kit（ADI-900-068，Enzolife），試圖闡明Ipilimumab和Nivolumab（兩種用于癌癥治療的免疫檢查點抑制劑）的心臟毒性效應(yīng)的分子基礎(chǔ)（8）。
參考文獻：
1. Guengerich FP. Mechanisms of Drug Toxicity and Relevance to Pharmaceutical Development. Drug Metab Pharmacokinet (2011).
2. Kelleni MT & Abdelbasset M. Drug Induced Cardiotoxicity: Mechanism, Prevention and Management.
3. Kostakou PM et al. Cardio-oncology: a new and developing sector of research and therapy in the field of cardiology Heart Fail Rev (2019).
4. Kim CW et al. Effects of anti-cancer drugs on the cardiac mitochondrial toxicity and their underlying mechanisms for novel cardiac protective strategies. Life Sci (2021).
5. Mamoshina P et al. Toward a broader view of mechanisms of drug cardiotoxicity. Cell Rep Med (2021).
6. Monteiro da Rocha A et al. hiPSC-CM Monolayer Maturation State Determines Drug Responsiveness in High Throughput Pro-Arrhythmia Screen. Sci Rep (2017).
7. Jiang X. Low dose radiation prevents doxorubicin-induced cardiotoxicity. Oncotarget (2018).
8. Quagliariello V et al. Evidences of CTLA-4 and PD-1 Blocking Agents-Induced Cardiotoxicity in Cellular and Preclinical Models. J. Pers. Med. (2020).
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