MEA助力心脏毒理研究---系列一

前 言

全球主要的体外毒理检测服务及iPSC衍生细胞供应商，都选用了Axion公司的Maestro MEA系统作为核心测试平台。国内的相关用户有赛贝生物、霍德生物、药明康德等；国外有CDI, Ncardia, Charles River, Eurofins, Cyprotex等。本文节选并翻译自Cyprotex公司于2020年3月发布的白皮书“MEA技术用于早期毒理评估的展望”。在药物心脏安全评估领域，希望能通过这样的资讯交流，来促进行业的整体发展。

Maestro MEA系统

心脏毒理的重要性

统计表明，单个新药从研发到上市的总成本接近26亿美金，耗时可达15年。同时，约90%的失败案例发生在临床开发的晚期。所以大家就应该很能理解为何药企对于新药研发损耗是极为关切的。2015年Waring等对四大国际药企的候选药物失败案例做了研究并将结果发表在在Nature Reviews杂志上。有趣的是，作者发现安全及毒理是导致新药临床前开发失败的首要因素。

所以，尽早地发现药物安全隐患成为改善上述情况的关键。一方面，我们需要使用可靠并可预测的人类相关模型来补充甚至替代传统的临床前动物测试。在药物毒理和化学毒理领域，我们已经看到很多旨在调查、研究并推广动物替代实验的倡议存在。比如说ECVAM、NC3Rs、SaferMedicines Trust、CiPA、 REACH、EPA Toxcast、HESI及FDATox工作组等等。

      另一方面，这类体外细胞模型还需要配合一些复杂的分析工具一起使用，才能提供相关的、高灵敏且针对性强的检测结果。其中一种在心脏/神经毒理方面展现出巨大价值的工具是MEA。在本文中，我们会评估并展示这个技术的作用，了解它是如何有助于转变我们对于器官特异毒理方面的认知的。

Maestro MEA 48孔板部分截图。
板内每孔植入多个微电极，可持续监测细胞的电活动。

MEA在心脏毒理测试中的作用

hERG足够做出心脏毒理预测吗？
      现行的FDA临床前(ICH S7B8)和临床(ICH E149)安全指导原则要求执行的临床前测试包括：体外的hERG电生理实验及随后在体内开展的QT间期测试。但是，虽然这两种实验可以代表发生了尖端扭转性室速(TdP)及促心律失常，但是却无法对后两者做出自动预判。大家都已经清楚，由于完全依赖于hERG阻滞和QT间期延长这两项指标，现在的指导原则可能导致了有潜在价值新型治疗方案开发的过早中断（即心脏安全风险假阳性）。

MEA改变法规的格局
      CiPA（Comprehensivein vitro Proarrhythmia Assay）项目是从2013年开始的，起源于美国FDA的一个相关研讨会。其目标是开发新的用于评估药物促心律失常风险的方法。相对于现行方法而言，它要有更高的特异性。CiPA拥有强大的指导团队，除美国FDA外，成员来自于HESI、CSRC、SPS、EMA、Health Canada、JNIHS、PMDA等组织及制药企业。项目的核心目的是在临床前药物心脏风险性评估方面，为未来版本的ICHS7B8 和ICH E149提供指导意见，以提高测试结果的临床相关性。
      CiPA验证过的促心律不齐风险评估方法之一就是微电极阵列（MEA）。使用的样本是从人多能干细胞分化而来的心肌细胞，它能够自发跳动。在生理及药物对其‘类ECG’电反应影响这两个方面，此类细胞和人的原代心肌细胞十分类似。虽然CiPA的验证工作仍未完全结束，但预计从MEA平台上得到的数据将会成为新的法规指导意见的重要组成部分。

Maestro MEA板记录到的心肌细胞场电位与心电图有着相似的波形图。

利用MEA来实时监测药物心脏毒性
      很多心脏疾病源于心肌细胞兴奋性和/或收缩性方面的细微变化。MEA能够无标记且实时地对心脏功能性活动的四个主要方面（传导、场电位、收缩及动作电位）做记录，多孔样本板中的单孔数据也可以独立获得。这样，MEA系统就能检测到一些心肌活动的重要参数，比如去极化、兴奋性传播、复极化、跳动时长及无规律跳动（心律不齐）。这种非侵入式的电信号测试意味着我们不再需要使用到染料或者其它报告子，这样分析结果的灵敏度和特异性也就能得到也能够得到很大的提高。

Maestro MEA系统可对心肌细胞做4个维度的功能分析。

一般来说，MEA实验要用到从hiPSC分化来的高纯度心肌细胞群落。这是一群具有自发电活动的混合肌细胞，包括类心房、类结及类心室等类型。它们有着典型的人类心脏细胞的特征，能够形成有着电传导功能的细胞层。不但会同步跳动，而且能在参考药物处理下产生符合预期的电生理及生化反应。

      MEA技术的一个优势是细胞的培养和检测能在同一块多孔板内完成。其它的高通量平台，比如全自动膜片钳或者流式细胞仪等，在测试前，都需要将细胞样本转移到单细胞悬液中。这个操作会破坏培养时模拟出的类似心脏内关联细胞所形成的网络。而且多步骤的细胞处理流程也会使得分析过程冗长且昂贵。相对而言，MEA技术就能做到在保留心肌细胞模型形态的同时捕获其功能信息。