前 言

全球主要的體外毒理檢測服務及iPSC衍生細胞供應商，都選用了Axion公司的Maestro MEA系統作為核心測試平臺。國內的相關用戶有賽貝生物、霍德生物、藥明康德等；國外有CDI, Ncardia, Charles River, Eurofins, Cyprotex等。本文節選并翻譯自Cyprotex公司于2020年3月發布的白皮書“MEA技術用于早期毒理評估的展望”。在藥物心臟安全評估領域，希望能通過這樣的資訊交流，來促進行業的整體發展。

Maestro MEA系統

心臟毒理的重要性

統計表明，單個新藥從研發到上市的總成本接近26億美金，耗時可達15年。同時，約90%的失敗案例發生在臨床開發的晚期。所以大家就應該很能理解為何藥企對于新藥研發損耗是極為關切的。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果發表在在Nature Reviews雜志上。有趣的是，作者發現安全及毒理是導致新藥臨床前開發失敗的首要因素。

所以，盡早地發現藥物安全隱患成為改善上述情況的關鍵。一方面，我們需要使用可靠并可預測的人類相關模型來補充甚至替代傳統的臨床前動物測試。在藥物毒理和化學毒理領域，我們已經看到很多旨在調查、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，這類體外細胞模型還需要配合一些復雜的分析工具一起使用，才能提供相關的、高靈敏且針對性強的檢測結果。其中一種在心臟/神經毒理方面展現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的作用，了解它是如何有助于轉變我們對于器官特異毒理方面的認知的。

Maestro MEA 48孔板部分截圖。
板內每孔植入多個微電極，可持續監測細胞的電活動。

MEA在心臟毒理測試中的作用

hERG足夠做出心臟毒理預測嗎？
      現行的FDA臨床前(ICH S7B8)和臨床(ICH E149)安全指導原則要求執行的臨床前測試包括：體外的hERG電生理實驗及隨后在體內開展的QT間期測試。但是，雖然這兩種實驗可以代表發生了尖端扭轉性室速(TdP)及促心律失常，但是卻無法對后兩者做出自動預判。大家都已經清楚，由于完全依賴于hERG阻滯和QT間期延長這兩項指標，現在的指導原則可能導致了有潛在價值新型治療方案開發的過早中斷（即心臟安全風險假陽性）。

MEA改變法規的格局
      CiPA（Comprehensivein vitro Proarrhythmia Assay）項目是從2013年開始的，起源于美國FDA的一個相關研討會。其目標是開發新的用于評估藥物促心律失常風險的方法。相對于現行方法而言，它要有更高的特異性。CiPA擁有強大的指導團隊，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。項目的核心目的是在臨床前藥物心臟風險性評估方面，為未來版本的ICHS7B8 和ICH E149提供指導意見，以提高測試結果的臨床相關性。
      CiPA驗證過的促心律不齊風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胞分化而來的心肌細胞，它能夠自發跳動。在生理及藥物對其‘類ECG’電反應影響這兩個方面，此類細胞和人的原代心肌細胞十分類似。雖然CiPA的驗證工作仍未完全結束，但預計從MEA平臺上得到的數據將會成為新的法規指導意見的重要組成部分。

Maestro MEA板記錄到的心肌細胞場電位與心電圖有著相似的波形圖。

利用MEA來實時監測藥物心臟毒性
      很多心臟疾病源于心肌細胞興奮性和/或收縮性方面的細微變化。MEA能夠無標記且實時地對心臟功能性活動的四個主要方面（傳導、場電位、收縮及動作電位）做記錄，多孔樣本板中的單孔數據也可以獨立獲得。這樣，MEA系統就能檢測到一些心肌活動的重要參數，比如去極化、興奮性傳播、復極化、跳動時長及無規律跳動（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系統可對心肌細胞做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胞群落。這是一群具有自發電活動的混合肌細胞，包括類心房、類結及類心室等類型。它們有著典型的人類心臟細胞的特征，能夠形成有著電傳導功能的細胞層。不但會同步跳動，而且能在參考藥物處理下產生符合預期的電生理及生化反應。

      MEA技術的一個優勢是細胞的培養和檢測能在同一塊多孔板內完成。其它的高通量平臺，比如全自動膜片鉗或者流式細胞儀等，在測試前，都需要將細胞樣本轉移到單細胞懸液中。這個操作會破壞培養時模擬出的類似心臟內關聯細胞所形成的網絡。而且多步驟的細胞處理流程也會使得分析過程冗長且昂貴。相對而言，MEA技術就能做到在保留心肌細胞模型形態的同時捕獲其功能信息。