先检查心肌细胞及检测稳定性

心脏安全性检测需要同时观察细胞状态和电活动。NEXEL 等机构的韩国团队在 Archives of Toxicology 报道一种整合平台,将人诱导多能干细胞来源心肌细胞(human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes,hiPSC-CM)、多电极阵列(multielectrode array,MEA)、长期阻抗检测和机器学习结合,用于分析抗癌药相关风险。

研究使用 Cardiosight-S 心肌细胞。3 个批次的心肌肌钙蛋白 T 阳性比例均超过 95%,心室相关标志 MLC2v 阳性比例约为 78%–85%。细胞解冻后继续培养,待记录稳定再进入药物试验。

MEA 分析重点包括场电位时程、心搏周期、电峰幅度及心搏不规则程度。场电位时程分别使用原值和心率校正值,研究据此比较不同特征组合对风险分类的影响。

28 种参照药物用于建模与测试

团队使用全面体外致心律失常评估(Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay,CiPA)的 28 种参照药物。这些药物已有高、中、低致心律失常风险分类,研究按其临床最大血浆浓度设置多个体外暴露水平。

28 种药物中,12 种进入训练集,16 种保留为测试集。研究比较逻辑回归、人工神经网络、随机森林和梯度提升等算法;分类时将高风险与中等风险合并,与低风险区分。

采用心率校正特征时,人工神经网络的 ROC 曲线下面积中位数为 0.982,逻辑回归和梯度提升分别为 0.964。该指标反映模型区分两类参照药物的能力。

结果通过 10,000 次重采样分析观察稳定性。重采样使用的是既有参照药物资料,训练和测试药物仍来自这 28 种药物。研究随后把建立的分类框架用于抗癌药物的功能分析。

研究以尖端扭转型室性心动过速(torsade de pointes,TdP)相关风险分类为参照。校正后的场电位时程、心搏周期、峰幅和不规则度共同参与分析,随后用相同特征框架观察抗癌药的时间变化。

原研究图 6,展示心肌细胞、28 种参照药物建模与后续抗癌药的阻抗和电生理分析。
研究的心肌细胞、电生理分类及抗癌药检测流程概览。(Kim et al. / Archives of Toxicology, 2026, Fig. 6;CC BY 4.0)窄屏可横向滑动查看完整图表。

长期阻抗检测筛查 12 种抗癌药

抗癌药集包括 4 种蒽环类、5 种酪氨酸激酶抑制剂和 3 种其他化疗药。团队用 AtlaZ 阻抗平台持续观察最长 120 小时的变化,分析不同浓度和时间下的细胞状态。

多数药物引起阻抗下降,但伊达比星、厄洛替尼、舒尼替尼和环磷酰胺在所测条件下没有出现同样明显的下降。研究将这 4 种药物进一步纳入 MEA,观察长期处理后的电活动。

阻抗受到细胞数量、黏附和形态等因素影响。电生理检测则观察心肌功能,两类测量结合可帮助发现阻抗变化不明显时仍出现的功能异常。

蒽环类包括多柔比星、柔红霉素、表柔比星和伊达比星;酪氨酸激酶抑制剂包括舒尼替尼、索拉非尼、厄洛替尼、凡德他尼和克唑替尼;另外 3 种为顺铂、卡铂和环磷酰胺。药物集覆盖不同抗癌治疗类别。

4 种抗癌药的复极与节律变化

这 4 种药物均在部分条件下延长心率校正的场电位时程,但发生时间有所不同。伊达比星和环磷酰胺的变化更多出现在较长处理后,厄洛替尼和舒尼替尼可在较早时间出现变化。

舒尼替尼在 1 μM、120 小时条件下使心搏频率和电峰幅度下降约 40%。部分处理还增加了心搏不规则程度。

抗癌药分类采用包含多个模型的软投票集成结果。厄洛替尼和舒尼替尼超过高/中风险一侧的 0.5 评分阈值;伊达比星和环磷酰胺虽然有场电位时程延长,分类仍落在较低风险一侧。单个电生理参数与多参数分类的结果因此有所差别。

舒尼替尼在 0.3 和 1 μM 条件下,24 小时内的校正场电位时程增加超过 20%。伊达比星在部分低浓度、120 小时时增加心搏不规则度;舒尼替尼则在部分条件下较早出现这一变化。

整合阻抗与电生理的心脏安全性筛查

研究展示了一个连续分析流程:先确认心肌细胞特征,使用临床参照药物检验电生理分类,再筛查抗癌药长期阻抗变化,最后对选定药物开展多参数功能分析。

模型特征也存在一定相关性,场电位原值与校正值尤其接近。研究通过不同特征场景比较分类表现。

来源与延伸阅读

  1. Integrating high-fidelity hiPSC-cardiomyocytes with AI-driven modeling for enhanced proarrhythmic risk assessment. Archives of Toxicology (2026). ↗