hERG及其在藥物研發中的評價

作者：Chrisach

藥物安全性評價在藥物研發過程中扮演著極其重要的角色，隨著一些非心血管類藥物相繼被發現會誘發獲得性QT間期延長綜合症(LQTS)，導致嚴重的心律失常(Torsade de Pointes，TdP)而退出市場後，藥物對心臟的安全性評價顯得格外重要。心臟的QT間期是指從QRS波群開始到T波結束的一段時間，包括心室去極化和復極化的過程，QT間期延長正受到越來越多的關注，並且被認為是新葯安全性評價的關鍵指標之一。

在心肌細胞中，hERG (human Ether-a-go-go Related Gene)編碼的鉀通道介導一種延遲整流鉀電流(IKr)，IKr抑制是藥物導致QT間期延長最重要的機制。hERG因其特殊的分子結構(如圖1)，其功能的缺失或藥物抑制都會影響心臟動作電位復極過程並會引起QT間期延長，同時可能誘發尖端扭轉型室性心動過速，導致心律失常。

圖1

hERG鉀離子通道作為抗心律失常藥物治療的標靶，也越來越體現出在新葯安全性檢測和新葯開發過程中。目前，檢測化合物對hERG鉀通道的作用已是臨床前評價化合物心臟安全性的關鍵步驟，也是美國食品藥品管理局(FDA)和歐洲藥品評價局(EMEA)等管理機構要求的新葯報批必備資料，以此規避藥物心臟毒性的風險。據估計，每提高10%藥物致心律失常的預測率，在藥物開發過程中每個藥物就可以節省1億美元的開發成本。hERG鉀離子通道在藥物研發中起到如此重要的指導作用，接下來，本文就簡要介紹下hERG抑制的相關知識。

hERG 簡介

hERG基因最初是由Warmke等在1994年從人類海馬cDNA文庫中分離鑒定得出的，與果蠅EAG基因具有同源性。hERG基因位於人7號染色體上(7q35～q36)，約55kb，有16個外顯子，編碼1159個氨基酸殘基。其在人身體組織心肌、腦、臟肝、脾臟等中均有表達，在心肌組織中表達最高。最近的研究顯示，在許多腫瘤細胞系中hERG基因均有表達。hERG基因編碼Ikr的α亞基與minK編碼的β亞基minK相關蛋白共同組成Ikr，hERG鉀離子通道由4個相同的α亞基組成四聚體，中間型形成離子通道。由於hERG基因編碼的蛋白具有電壓門控型通道蛋白的結構，其中包括6個跨膜α螺旋片段(S1～S6)、S5和S6之間的P環、羧基端(C端)和氨基端(N端)(如圖2)。1995年，Sanguinetti等首次通過在細胞上轉染hERG基因表達hERG蛋白的通道，其生物特性表現與編碼Ikr幾乎一樣。hERG基因在生理過程中發揮著重大作用，它表達的鉀離子通道具有內向整流性質，內向Ikr在心肌細胞動作電位各時相均有開放，在動作電位3期復極和靜息電位期電導性最大。其超極化時表現為明顯的內向電流，輕度除極時表現外向電流，藉此維持靜息電位的穩定。hERG鉀離子通道在動作電位除極到-30mV左右時快速激活，並持續到3相動作電位末期。因此，hHERG鉀離子通道能夠調節因來自心肌竇房結或異源興奮性衝動提前到達，有效抑制期前收縮傳播。

圖2

hERG抑制

hERG基因參與編碼Ikr的α亞基，當hERG基因編碼的Ikr電流受到阻斷時，心肌細胞動作電位復極時的鉀離子外流也就減少，動作電位時程延長，心電圖上表現為QT間期延長，QT間期是指心室除極和隨後的復極化的時間，在心電圖上所表示的是從QRS波的起點到T波終點的過程。hERG抑制分為遺傳性(原發性)和非遺傳性(繼發性)兩類。遺傳性QT間期延長主要包括能產生離子通道功能障礙的基因突變及先天性QT間期延長綜合征；非遺傳性QT間期延長可由代謝異常、疾病及藥物所致引起的。

在過去幾十年內很多藥物由於hERG抑制，而出現心臟毒性被迫撤出市場或被限制使用。隨著人們對藥物抑制hERG(hERG的藥物結合位點如圖3)了解的不斷加深，很多抗生素、抗心率失常、抗精神病、抗真菌、抗瘧疾藥物等都有hERG抑制。如上個世紀80年代上市的抗組胺葯特非那定，由於當時藥物學家對hERG抑制幾乎沒什麼認識，根本沒考慮到要對特非那定進行心臟毒性的測試，也就不可能發現特非那定分子本身對鉀離子通道有較強的抑制作用(即hERG抑制)，所以當大量的患者出現心律副作用後，1990年，FDA不得不給特非那定加上了心律副作用的警告，兩年之後又升級為嚴重的「黑框警告」。1997年，在剛剛批准它成為非處方葯之後沒多久，FDA最終勒令特非那定撤市，結束了這個原創葯的商業旅程，從而造就另一沒有hERG抑制的重磅抗組胺葯氯雷他定的市場霸主地位。

圖3

hERG抑制的評價技術

隨著研究的不斷深入，hERG抑制的安全性評價技術也日趨成熟，目前市場上已經有了很多成熟的評價手段，如全自動膜片鉗技術(Automated Patch-Clamp)，傳統膜片鉗技術(Conventional Patch-Clamp) 和FluxORTM Thallium Assay。

全自動膜片鉗技術(hERG Qpatch assay)：傳統膜片鉗技術通過特製的玻璃管吸附於細胞表面，形成高阻抗千兆歐封接，可精確記錄離子通道介導的電流的變化，被認為是研究離子通道的「金標準」，但其對操作人員的技術要求較高，通量低，無法滿足目前藥物研發對hERG毒性評價的大量需求。

傳統膜片鉗技術(hERG manual patch-clamp asssay)：膜片鉗技術(Conventional Patch-Clamp) 是研究離子通道最重要的技術手段，被公認為是離子通道研究的「黃金標準」，是最精確的測量離子通道的實驗方法，適用於研究化合物與離子通道作用的作用機制，亦可用於新葯申報過程中候選藥物的毒性評價和先導化合物的結構優化。

FluxORTM Thallium Assay：Thallium assay使用FluxORTM熒光染料發光的方法測試化合物對hERG鉀通道的影響。對鉈敏感的熒光染料被載入到細胞膜內，細胞外的鉈離子通過開放的hERG鉀離子通道順濃度梯度進入細胞內，與熒光染料結合後產生熒光。FluxORTM thallium assay在國際上已經被製藥公司及科研機構廣泛用於化合物hERG活性檢測，因其可以在96孔板或384孔板上進行測試，達到高通量的要求，適用於化合物初篩及先導化合物優化。

有了先進的藥物心臟毒性評價設備和雄厚的實驗數據做背書，不僅降低了藥物研發的風險，同時也大大推進了藥物研發的進程。當然也為患者用上更加安全有效的葯提供一定的保障。

結語

目前，為了滿足患者的需求，全世界對於新葯研發都投入了大量的財力、物力，新葯研發是一項耗資大、周期長的系統工程，安全性和有效性是決定新葯研發成功與否的關鍵性因素。據美國食品藥品管理局估計，約有30%的新葯因安全性不過關而導致研發失敗。上個世紀對於藥物在研發過程中的毒理研究只有在新葯開發的中後期才進行毒性評價，而不能積極主動地在開發前期進行測試評價，導致許多有很好開發前景的藥物因毒性或其他安全性因素而中途夭折；即使經過結構改造後最終上市，也不可避免地造成各種資源的巨大浪費。所以現在越來越多的葯企都比較謹慎，所做的相關項目基礎研究也更為全面細緻，以盡量降低因hERG抑制而夭折的風險，對於整個新葯研發周期及投入而言，這方面研究所耗時間不長，投入也不多，越晚開始相關研究，因這個風險而導致的損失也是越為嚴重的。

參考文獻

[1] Warmke JW, GanetzkyB. A family of potassium channel genes related to eag in Drosophila and mammals Proc Natl Acad Sci USA 1994,91 (8):3438-3442.

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