HERG鉀離子通道與藥物心臟毒性的安全性評價

郭 舜(綜述)，張金曉，田義紅※(審校)

(1.天津中醫藥大學，天津300193;2.天津市新藥安全評價研究中心，天津300301)

隨著科學技術的發展，人類對于生命科學的研究取得了巨大的進步。隨著美國在1990年啟動的人類基因計劃比預期提前5年完成，遺傳生物學研究開始了一個嶄新的篇章。人類疾病基因研究正處于從鑒定少數單基因病基因到鑒定嚴重危害人類健康的復雜性疾病易患基因這一重大飛躍的歷史時期。其中關于長QT綜合征的6個基因被識破，有關編碼心臟鉀離子通道蛋白的人類ether-a-go-go相關基因(HERG)也得到了進一步的研究。HERG編碼的延遲整流鉀離流(Ikr)的α亞基在心肌動作電位復極化過程中發揮重要作用。對于一些臨床藥物或者新藥候選藥物所表現出的心臟毒性，很多研究都表明主要是由于對心肌細胞的HERG鉀離子通道產生阻斷從而造成QT間期延長，進而引發患者尖端扭轉型室性心動過速、心室纖顫甚至發生猝死［1-4］。另外，藥物也可以抑制鉀通道蛋白的表達從而導致復極電流下降，導致心動過速［5-7］。目前，國內外對藥物在心臟復極方面的影響提出了嚴格要求，美國食品藥品管理局和歐洲藥品評價局等管理機構要求對于研究中新藥申報臨床前實驗都應進行HERG/Ikr的安全性評價［8］。因此，國內外對于HERG的安全性檢測在藥物評價及開發的過程中顯得越來越重要。

1 HERG鉀離子通道概述

HERG基因最初是由Warmke等［9］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基因位于人7號染色體上(7q35～q36)，約55 kb［10］，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、肝臟、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)［11-13］。1995年，Sanguinetti等［10］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，借此維持靜息電位的穩定。HERG鉀離子通道在動作電位除極到－30 mV左右時快速激活，并持續到3相動作電位末期。因此，HERG鉀離子通道能夠調節因來自心肌竇房結或異源興奮性沖動提前到達，有效抑制期前收縮傳播。

2 HERG鉀離子通道與QT間期延長

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后的復極化的時間，在心電圖上所表示的是從QRS波的起點到T波終點的過程。QT間期延長可以引發尖端扭轉室性心動過速，甚至猝死［14］。QT間期延長主要分為遺傳性(原發性)和非遺傳性(繼發性)。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。HERG基因的突變導致先天性長QT綜合征，體表心電圖異常T波和室性心律失常，以QT間隔延長為特征的心臟復極化的障礙占所有由于心臟猝死病例的1/3。(此外，HERG通道蛋白是幾乎所有的藥物，導致后天形成的長QT綜合征的分子靶點。)HERG鉀通道扮演的核心作用是調節心臟興奮性和維護正常的心臟節奏。

2.1 原發性QT間期延長 離子通道功能表達畸形是引起心律失常的主要機制，其被認為宏觀表現在心臟和其他存在問題包括:①生理和生化調節細胞膜表面離子通道缺陷(門控缺陷、電流傳導缺陷、磷酸化缺陷等)。②生物調制離子通道蛋白缺陷(生物合成通道蛋白缺陷，合成后轉運缺陷和退化)。錯誤的細胞蛋白突變過程實際上增加了認知各種遺傳性心律失常的機制［15］。在這些問題當中最具特點的就是遺傳性QT延長綜合征(LQTS)，目前分為8個亞型，即LQTS1～8，其分別與不同的基因有關心律失常導致體表心電圖QT間期的延長和心源性猝死風險的增加。目前研究表明LQTS至少與250個HERG基因突變有關，HERG基因的異常將會導致動作電位延長從而引起LQT2。LQT2患者心肌細胞上位于染色體7q35～36上的HERG基因突變可引起Ikr通道蛋白質分子結構異常，致延遲整流外向鉀離子通道的功能下降，結構域跨膜段S1和S3上多個氨基酸缺失，造成心肌動作電位平臺期延長和早期后除極，引起心律失常［16-17］。LQTS致病基因的發現為在分子水平上研究心律失常開辟了新紀元，并為臨床、細胞和分子水平的聯合研究提供了機會，它將對某些心律失常發生機制和治療研究產生深遠的影響。Nature雜志也報道了對于基因突變引起的通道功能失調導致的心律失常，并不是由于編碼離子通道蛋白的基因突變，而是編碼細胞內大分子信號復合體ankyrin-B的基因突變［18］。

2.2 由藥物引起的繼發性QT間期延長 澳大利亞藥物不良反應公報2005年最后一期稱，某些藥物可通過阻斷心肌的鉀通道導致QT間期延長，產生危及患者生命的多形性室性心動過速，即所謂的尖端扭轉型室性心動過速。截止2005年6月，澳大利亞不良藥物反應咨詢委員會共收到QT間期延長致尖端扭轉型室性心動過速報道140例，其中死亡7例。報道最多的藥物為索他洛爾(25例)、西沙必利(17例)、氯氮平(14例)、胺碘酮(12例)和紅霉素(12例)。由于QT間期延長，在過去10年內很多藥物被迫撤出市場或被限制使用。

在獲得性LQTS中，對快速激活Ikr的抑制是藥物誘導的復極延遲及致尖端扭轉室性心動過速發生風險的主要機制。致QT延長藥物分子與心肌細胞HERG通道的不同位點結合，干擾它們的功能。藥物誘導的LQTS中所觀察到的潛在致尖端扭轉室性心動過速機制與報道的LQT2綜合征相似。先天性LQTS中，HERG基因突變導致離子通道結構缺陷或細胞內“運輸”異常，致功能性Ikr特異離子通道數目減少，進而延長心室復極過程并增加心室復極的不均一性。

在過去的十幾年中，許多上市的藥物或者新藥在開發的最后階段由于發現其可引起QT間期延長不得不撤出市場和停止新藥的繼續研發。隨著研究的不斷進步，人們發現許多抗生素類、抗心律失常藥、抗精神病藥、抗真菌、抗瘧藥和抗抑郁藥等都會引起QT間期的延長，而且越來越多的非心臟類藥物也存在著QT間期延長的不良反應。由藥物引起的QT間期延長并不等同于誘發尖端扭轉型室性心動過速，這其中包含著不同的分類與機制。美國食品藥品管理局對致QT間期延長藥物和與藥物使用相關的尖端扭轉型室性心動過速(致死性和非致死性)進行了回顧性分析［19］，已采取了多種調整方案，包括從市場撤除具有致QT間期延長、致死性危險顯著增高的藥物(特非那定、西沙比利、阿斯咪唑、格帕沙星等)，限制使用該類藥物或調整為二線藥物(芐普地爾、硫利達嗪)及禁止具有致QT間期延長、致死性危險顯著增高的藥物上市(利多氟嗪)。據不完全統計，自1997年1月1日至2000年12月31日，由于QT間期延長引發嚴重心律失常而被美國食品藥品管理局從臨床撤除的處方藥物占從臨床撤除處方藥物總數的45%。可見藥物在產生心臟毒性或潛在引起心臟毒性都已經越發得到人們的重視。

3 HERG鉀離子通道與藥物安全性

目前，全世界對于新藥的研發都投入了較多的精力，新藥研發是一項耗資大、周期長的系統工程，安全性和有效性是決定新藥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%的新藥因安全性不過關而導致研發失敗。最初對于藥物在研發過程中的毒理研究只有在新藥開發的中后期才進行毒性評價，而不能積極主動地在開發前期展開工作，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;即使經過結構改造后最終上市，也不可避免地造成人力資源的巨大浪費。

藥物產生的心臟毒性也是導致藥物撤市和停止開發的重要原因，1996～1999年全球藥物市場上撤回的藥物中有9%是因為心臟毒性，而這些藥物一半以上是由于藥物誘導引發QT間期延長以及伴隨心律失常的風險［20］，如2004年的萬絡撤市，2007年羅格列酮的撤市，2011年1月28日我國國家食品藥品監督管理局發出通知，決定將含右丙氧芬的藥品制劑(達寧)逐步撤出市場。由于其引起明確的心電改變，并可增加嚴重甚至致死性心律失常的風險，最終撤出市場。

多年來對于藥物心臟毒性的安全性評價的檢測方法往往存在著低效高耗的狀態，從而導致許多藥物直至研發后期被迫中斷。1995年，Sanguinetti［10］證實了轉染HERG基因的通道蛋白能夠準確地表達與正常Ikr通道一致的電生理作用，成為藥物致QT間期延長的靶點，其大大提高了藥物篩選的成本和數量。目前許多對于藥物因離子通道產生心臟毒性的研究和篩選都已經建立了系統的檢測平臺，如采用熒光高通量篩選、電生理檢測等。其中采用膜片鉗技術藥物對于HERG鉀離子通道作用對藥物心臟毒性進行預測。近年來又有利用計算機虛擬方法預測藥物對HERG通道的阻滯作用［20］。并不是所有能阻斷HERG鉀離子通道的藥物都會誘發尖端扭轉型室性心動過速，如新型抗心絞痛藥物雷諾嗪同樣具有Ikr阻滯，長期使用對QT間期延長并不明顯，兩者間有較強的關聯性［21-23］。另據報道維拉帕米是相對較強的Ikr抑制劑，從無誘發尖端扭轉型室性心動過速發生。因此，在新藥研發早期建立藥物心臟毒性的篩選平臺是很有價值的。

4 結語

藥物心臟毒性的預測在新藥開發中有重要作用，由HERG編碼的延遲整流鉀離子流在心肌動作電位復極化過程中發揮重要作用。因此，利用分子生物技術手段對于藥物心臟毒性的篩選建立平臺，可以有效地提高藥物研發的周期。目前世界上各國的藥品管理機構也越來越關注藥物在心臟毒性方面的致命性作用，對于評價藥物在心臟毒性方面，HERG鉀離子電流也可作為藥物毒性篩選的重要指標。

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