导言


本期的小贝论坛我们邀请到了美国FDA 心脏QT统计评审组组长党谦宇博士为大家介绍FDA目前正在进行的CiPA项目在新药心脏毒副作用评价中的重要作用。众所周知,新药上市之后,如果出现毒性反应,将会引起药物召回事件。在药物召回事件中心脏毒性排在第一位,占42%。为了避免由于心脏毒副作用所引起的药物召回事件,FDA2003年将hERG试验作为临床前药物心脏毒性检测的新标准,希望通过hERG试验降低由于心脏毒性所引起的药物召回。由于hERG试验只检测了候选化合物对单一的hERG钾离子通道的影响,导致它具有两个显著的局限性:

1)假阳性。一些没有心脏毒性的药物会呈现阳性结果,如在临床上使用了数十年的钙离子拮抗剂维拉帕米等。这会导致一些具有前景的药物无法通过测试,在一定程度上阻碍了新药的研发;

2)假阴性。一些有心脏毒性的药物可以通过测试,这就是为什么在2003年之后我们仍然能够看到由于心脏毒性所引起的药物召回事件。为了进一步优化药物心脏毒性的检测方法,美国FDA2013年底启动了Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay (CiPA) 项目,旨在建立临床前药物心血管危险性评估的新体系和新标准,其最终的目标是修改指南,提高临床前药物筛选的精准性和有效性,同时让绝大多数新药可以免于做QT人体临床试验,达到降低新药研发费用的目的。CiPA项目中的一个重要组成部分是将干细胞诱导分化的人源心肌细胞作为临床前心脏毒性筛查的标准之一人源心肌细胞和hERG试验对于药物心脏毒性检测的数据可以起到互补和相互印证的作用,相信会极大的提高心脏毒性药物的检出率。在不久的将来随着人源心肌细胞检测技术的不断进步和标准化,整个CiPA流程将成为FDA药物安全性评价的标准过程,从而确定为各成员国临床前和临床药物试验遵循的准则,该标准将会使新药的试验和审批过程更加安全快捷,促使更多安全有效的药物提早上市。

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一旦FDA颁布新的指南,在药物毒性检测方面,人源心肌细胞将会参与hERG试验十几亿美金的毒性检测市场。同时,人源心肌细胞还是一个优质的功能模型,可以运用到心血管药物的研发中来,我们认为新药研发的市场是毒性检测市场的2-3倍。由于人源心肌细胞来源于干细胞,目前中国是禁止进口和出口的,赛贝生物作为中国的人源心肌细胞供应企业,长期致力于提供高质量的人源心肌细胞,欢迎对心肌细胞感兴趣的小伙伴们一起来为中国的新药研发贡献自己的一份力量。


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听美国FDA专家介绍CiPA 及人源心肌细胞

 (hPSC-CMs)在药物心血管系统安全性评价中的作用


药物对于心血管系统毒副作用的测试是新药上市之前安全性评估的一个重要组成部分,而其中的核心部分则是测试药物分子对于心肌细胞上钾离子通道hERG 的阻滞作用。临床上当hERG通道被药物阻滞之后,会造成心室过早收缩,形成尖端扭转性室速(Torsades de Pointes (TdP) 和心率失常(Cardiac Arrhythmia),最后导致心室颤动而死亡。为此,ICH2005年制订了两份指南其中ICH S7B是关于临床试验之前的实验室检测;ICH E-14则是规定与之相关的临床实验指导。在临床上,目前公认的测试标准是通过人体心电图中Q波和T波之间的距离(以毫秒为单位)来评估的。 ICH E-14中详细规定了相关临床实验以及数据分析的方法,这里不再冗述,但是,QT检测本身有其明显的局限性:首先,这种方法的特异性(specificity)不高,容易造成假阳性的结果,从而导致一些原本没有安全问题的药物研发被终止。其次,检测的标准很难确定。ICH E-14最后的规定是药物导致的QT延长(相对基线和安慰剂)90% 上限不超过10毫秒。但实际上这个标准并没有大量数据的支持而存在很大的主观和随意性。最后,QT临床试验属于一期临床,一般需要30-50名健康志愿者,并且试验剂量往往大大高于实际临床使用剂量,对志愿者有一定危险性,也给制药公司增加了研发费用和时间(QT临床试验花费一般是200-400万美元,耗时3-6个月)。


基于以上原因,FDA和工业界都希望心血管安全性评估能够在临床之前完成,然而目前的ICH S7B中推荐的检测项目和方法却不足以得出可靠的结论。为此,FDA和工业界在2014年联合提出了Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay (CiPA) 项目计划,旨在建立临床前药物心血管危险性评估体系和标准,其最终的目标是修改ICH S7B指导,从而让绝大多数新药可以免于做QT人体临床试验,以降低新药的研发费用。


最近的一些研究还发现:一些药物分子(比如:Verapamil and Ranolazine)会同时阻滞极化(Repolarizing)和去极化(Depolarizing)两个过程的离子流,造成其作用相互抵消。在这种情况下,我们可以在实验室中观察到药物对hERG通道的阻滞作用,但这些药物却不会诱发心律失常。如何把这类药物准确的区分开来,也是CiPA计划的研究目标之一。


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CiPA计划包括以下三部分:

1. 建立in silico(计算)模型。 In silico模型是利用计算机和数据库来建立药物的化学分子结构和人体心肌细胞离子通道之间的作用关系,近年来已经被广泛应用于新药的研发和筛选。FDA已经通过和工业界以及高科技公司的合作,建立了庞大的药物心血管安全信息数据库并进行了算法优化,极大的提高了对新药分子心血管毒副作用的预测准确率。


2. 利用干细胞诱导分化的人源心肌细胞 (hPSC-CMs) 进行体外细胞电生理学测试。很多近期的文献已经证明了人源心肌细胞可以成功地检测到被in silico模型忽略的细胞电生理信号。但是这种方法的局限性在于不同公司出品的干细胞,不同的制备方法,不同的试验室检测条件,不同的检测系统和平台都有可能影响到试验结果。更重要的是:目前并没有一个量化的标准来建立微观的人源心肌细胞电生理信号和宏观的人体心律失常之间的关系。为此,CiPA 项目计划中FDA和工业界进行合作,建立了生物学和数学模型对hPSC-CMs系统的不同检测平台,以及细胞种类进行统一测试和评估,利用现有的药物心血管安全分类建立量化标准。目前该项目测试部分已经完成,相关的论文将在近期内发表。

ACEA Biosciences, Inc.   xCElligence RTCA CardioECR

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3. 只有在前两部分评估中不能确定心血管毒副作用的新药,才需要进一步通过人体临床测试来评估其对于心血管系统的作用。CiPA计划同时致力于研究QT间期之外的一些心电图标志物(ECG Biomarker例如J to TP 来弥补QT 间期的局限性。

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对于人源心肌细胞 (hPSC-CMs) 体外细胞电生理学测试技术已经越来越成熟。对于测试平台来说,目前主要有MEA (Microelectrode array)  VSO ( Voltage-sensing Optical)系统,以往的文献研究表明:两种系统有一定差别但是只要操作得当,最后结果差别并不大。MEA 的检测项目包括FPD (Field Potential Duration), BP (Beat Period), AMP (Spike Amplitude) 和心律失常 (Arrhythmia Occurrence). VSO 的主要检测项目有APD90 (90% Action potential duration), APD60, APD30, BP和心律失常等。其中APD90MEAFPD数值基本相当。需要注意的是FPDAPD都和心律有关,所以在分析数据之前要做心律校准。目前有实验室用Pacing的方法来取代心律校准,但是效果尚不清楚。影响hPSC-CMs测试数据的因素主要是人源心肌细胞来源于(1)不同种类的干细胞和(2)不同公司的产品。目前美国市场有五六家公司的产品,主要占据市场的两家是Cellular Dynamics InternationalCDI)的iCellAxiogenesisCor.4U cells。中国市场有赛贝生物 Cellapy)的CardioEasy CiPA 的研究的目的之一也是通过数学模型来定量检测平台和干细胞类型对于心肌细胞毒性检测的影响。




可以预见的是:在不久的将来随着In silico模型的不断完善和人源心肌细胞检测技术的不断进步和标准化,整个CiPA流程将成为FDA药物安全性评估的标准过程,进而促使ICH S7BICH E-14 的修改,从而确定为各成员国临床前和临床药物试验遵循的准则,该标准将会使新药的试验和审批过程更加安全快捷,促使更多安全有效的药物提早上市。




相关文献



    Stockbridge, N., et al., Dealing with global safety issues : was the response to QT-liability of non-cardiac drugs well coordinated? Drug Saf, 2013. 36(3): p. 167-182.

    Fermini, B., et al., A New Perspective in the Field of Cardiac Safety Testing through the Comprehensive In Vitro Proarrhythmia Assay Paradigm. J Biomol. Screen, 2016. 21(1): p. 1-11.

    Sager, P.T., et al., Rechanneling the cardiac proarrhythmia safety paradigm: a meeting report from the Cardiac Safety Research Consortium. Am Heart. J, 2014. 167(3): p. 292-300.

    Pharmaceutical Science and Clinical Pharmacology Advisory Committee Meeting: Strategies, approaches, and challenges in model-informed drug development (MIDD). 2017; Available from:https://www.fda.gov/downloads/AdvisoryCommittees/CommitteesMeetingMaterials/Drugs/AdvisoryCommitteeforPharmaceuticalScienceandClinicalPharmacology/UCM544838.pdf.

    Clements, M. and N. Thomas, High-throughput multi-parameter profiling of electrophysiological drug effects in human embryonic stem cell derived cardiomyocytes using multi-electrode arrays. Toxicol Sci, 2014. 140(2): p. 445-461.

    Blinova, K., et al., Comprehensive Translational Assessment of Human-Induced Pluripotent Stem Cell Derived Cardiomyocytes for Evaluating Drug-Induced Arrhythmias. Toxicol Sci, 2017. 155(1): p. 234-247.

    Yamamoto, W., et al., Electrophysiological Characteristics of Human iPSC-Derived Cardiomyocytes for the Assessment of Drug-Induced Proarrhythmic Potential. PLoS One, 2016. 11(12): p. e0167348.

    Ando, H., et al., A new paradigm for drug-induced torsadogenic risk assessment using human iPS cell-derived cardiomyocytes. J Pharmacol Toxicol Methods, 2017. 84: p. 111-127.

    Ma, J., et al., High purity human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes: electrophysiological properties of action potentials and ionic currents. Am J Physiol Heart Circ. Physiol, 2011. 301(5): p. H2006-H2017.

    Jonsson, M.K., et al., Application of human stem cell-derived cardiomyocytes in safety pharmacology requires caution beyond hERG. J Mol Cell Cardiol, 2012. 52(5): p. 998-1008.

    Sala, L., M. Bellin, and C.L. Mummery, Integrating cardiomyocytes from human pluripotent stem cells in safety pharmacology: has the time come? Br J Pharmacol, 2016.

    Millard, D., Cross-Site Reliability of Human Induced Pluripotent Stem-Cell Derived Cardiomyocyte Based Safety Assays Using Microelectrode Arrays: Results frm a Blinded CiPA Pilot Study. 2018.

    Colatsky, T., et al., The Comprehensive in Vitro Proarrhythmia Assay (CiPA) initiative - Update on progress. J Pharmacol Toxicol Methods, 2016.

    Crumb, W.J., Jr., et al., An evaluation of 30 clinical drugs against the comprehensive in vitro proarrhythmia assay (CiPA) proposed ion channel panel. J Pharmacol Toxicol Methods, 2016.

    Kawakami, K., et al., Comparison of HERG channel blocking effects of various beta-blockers-- implication for clinical strategy. Br J Pharmacol, 2006. 147(6): p. 642-52.

    Obejero-Paz, C.A., et al., Quantitative Profiling of the Effects of Vanoxerine on Human Cardiac Ion Channels and its Application to Cardiac Risk. Sci Rep, 2015. 5: p. 17623.

    Johannesen, L., et al., Late sodium current block for drug-induced long QT syndrome: Results from a prospective clinical trial. Clin Pharmacol Ther, 2016. 99(2): p. 214-223.

    Lemoine, M.D., et al., Human iPSC-derived cardiomyocytes cultured in 3D engineered heart tissue show physiological upstroke velocity and sodium current density. Sci Rep, 2017. 7(1): p. 5464.

    Yang, X., L. Pabon, and C.E. Murry, Engineering adolescence: maturation of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Circ Res, 2014. 114(3): p. 511-23.

    Wanjare, M. and N.F. Huang, Regulation of the microenvironment for cardiac tissue engineering. Regen Med, 2017. 12(2): p. 187-201.

    Hondeghem, L.M., L. Carlsson, and G. Duker, Instability and triangulation of the action potential predict serious proarrhythmia, but action potential duration prolongation is antiarrhythmic. Circulation, 2001. 103(15): p. 2004-13.

    Schocken, D., et al., Comparative analysis of media effects on human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes in Proarrhythmia risk assessment. J Pharmacol Toxicol Methods, 2017.

    Vorperian, V.R., et al., Torsade de pointes with an antihistamine metabolite: potassium channel blockade with desmethylastemizole. J Am Coll Cardiol, 1996. 28(6): p. 1556-61.

    Fridericia, L.S., The duration of systole in an electrocardiogram in normal humans and in patients with heart disease. 1920. Ann Noninvasive. Electrocardiol, 2003. 8(4): p. 343-351.



特别感谢



党谦宇  博士

1995年毕业于复旦大学化学系,之后获美国堪萨斯州立大学化学硕士和匹兹堡大学生物统计学博士学位。毕业后在匹兹堡大学医学院数据中心担任助理教授,从事临床医学研究。从2008年起担任美国联邦食药监局 (FDA) 药物评审中心 (CDER) 评审员,从事药物心血管安全性临床试验数据分析并研究QT临床试验的数学模型。2012年起担任QT统计评审组长。2016年起任药物成瘾性统计评审组长。在 一,二,三期临床试验设计,临床试验数据分析药物心血管安全性评估,新药成瘾性评估和建立药物动力学数学模型等方面具有丰富的经验。


2018年03月30日

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