人 iPSC 心肌细胞与工程心脏组织,分别用活性、收缩、钙处理和电活动评价 indisulam 共同处理后的阿霉素损伤。原创概念示意,非原始组织或实测曲线。
人 iPSC 心肌细胞与工程心脏组织,分别用活性、收缩、钙处理和电活动评价 indisulam 共同处理后的阿霉素损伤。原创概念示意,非原始组织或实测曲线。(J&E Bio)

用人源心肌模型复核靶点筛选结果

阿霉素(doxorubicin)能损伤心肌,候选保护作用还需要兼顾抗肿瘤作用。美国斯坦福大学(Stanford University)等团队把人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)来源心肌细胞用于药物比较,研究碳酸酐酶 12(CA12)相关线索。

在靶点筛选后,团队选择 40 种有碳酸酐酶拮抗潜力的化合物。主文报告 indisulam、U104 和 S4 能减轻心肌细胞损伤;不同 iPSC 来源复测后,indisulam 的改善更稳定,随后进入功能评价。

在后续心肌细胞存活比较中,团队以 1 μM indisulam 与 0.5 μM 阿霉素共同处理 72 小时,再与阿霉素单独处理及溶剂对照比较。

存活相关信号之外,再看收缩、钙和电活动

团队用 ATP 发光法评价心肌细胞存活相关信号,并用半胱天冬酶 3/7 检测凋亡。两个指标分别提供细胞状态信息;药物保护也通过其他功能终点检查。

indisulam 改善阿霉素处理后降低的收缩和舒张速度,也改善钙信号幅度及延长的钙衰减。收缩速度来自视频运动分析,钙参数来自单细胞荧光记录,检测对象并不相同。

多电极阵列(multi-electrode array,MEA)还记录场电位,分析速率校正的场电位持续时间(FPDc)和异常事件。原图与主文显示 indisulam 共同处理使相关电学异常减轻,支持存活指标之外的功能改善。

男性与女性来源、二维与三维组织分别比较

团队在男性及女性来源的心肌细胞中,比较 CA12 和 DNA 损伤相关标志,并检查肌节结构。阿霉素使 Z 线缩短、排列变乱,indisulam 共同处理后这些变化减轻。

肌节评价将细胞放在微图案培养条件中,以肌钙蛋白和 α-actinin 染色后测量 Z 线长度及排列参数。这些肌节指标与细胞活性、电活动提供互补信息。

三维验证用 SCVI20 心肌细胞形成工程心脏组织(engineered heart tissue,EHT)。组织收缩使支柱偏转,视频分析据此计算功能。72 小时药物处理后,indisulam 改善阿霉素所致的存活相关信号与收缩功能下降,图 4L 每组 4 个组织。

CA12 与糖酵解变化提示可能机制

作者把 CA12 与阿霉素引起的糖酵解变化联系起来。转录资料显示,indisulam 使部分异常通路向溶剂对照状态恢复;代谢检测也观察到阿霉素条件下升高的糖酵解指标受到抑制。

主文还报告,另一种直接糖酵解抑制剂 2-deoxy-D-glucose 能减轻心肌细胞损伤。这为代谢参与提供了药理支持,但作者指出,CA12 和其他代谢调节因子的作用仍需更完整的机制研究。

保护并不覆盖所有药物或细胞类型

团队扩展比较相关抗肿瘤药物。indisulam 减轻表柔比星和柔红霉素造成的心肌细胞损伤,却没有减轻米托蒽醌造成的损伤;不同结构和作用条件下的结果没有被合并为普遍保护。

在人 iPSC 来源内皮细胞及平滑肌细胞中,indisulam 没有防止阿霉素引起的细胞丢失,即使使用较高浓度。这个阴性结果提示,心肌中的改善并不能推广为所有细胞的保护。

研究也在 PANC-1 和 MCF7 癌细胞系中检查两种药物共同处理的效果。主文报告,indisulam 没有削弱阿霉素在这两种细胞模型中的作用。该比较提供了两种癌细胞系中的抗肿瘤兼容性线索。

模型成熟度与供者背景影响后续验证

原文列出 3 条健康供者来源 iPSC 及 2 条癌症患者来源 iPSC,并有不同检测子集。患者对阿霉素损伤的易感性比较,与性别、肌节或 EHT 验证采用不同的细胞来源和重复层级。

作者指出,这些心肌细胞的生理和代谢状态仍较未成熟。更多候选、其他靶点以及更成熟模型中的评价,可以帮助确定保护作用是否稳定;当前结果显示,indisulam 能在这些人源心肌细胞和工程心脏组织中减轻阿霉素损伤。

研究还比较了两种癌症患者来源的心肌模型,其中 1 位患者出现过阿霉素心肌损伤,另一位没有。前者细胞对药物更敏感;indisulam 在两种背景中均改善活性,敏感背景中的改善更明显。

来源与延伸阅读

  1. CRISPRi/a screens in human iPSC-cardiomyocytes identify glycolytic activation as a druggable target for doxorubicin-induced cardiotoxicity. Cell Stem Cell. 2024. doi:10.1016/j.stem.2024.10.007 ↗