青霉素的发现改变了医学的进程，也许正是这个原因，它成为药物发现领域最著名的范例之一。但是鲜为人知的是，从亚历山大-弗莱明爵士于1928年首次观察到他的金黄色葡萄球菌菌落没有在污染他的培养皿的真菌周围生长，到1944年青霉素真正大规模上市，至少经历了15年的时间。当然，弗莱明所要克服的挑战，特别是在生产足以进行体内试验的药物时所遇到的困难，在现代已不可同日而语。这个时间长度仍然非常好地反映了药物发现的漫长曲折之路。尽管我们现在有能力更好地处理纯化/生产阶段，但将新药引入市场的过程仍然复杂而耗时（更不用说昂贵了）。
图1 描述了药物开发的主要步骤，这一过程通常持续十多年。从数以千计的潜在候选药物开始，最终只剩下一个（或极少数）分子获得监管机构的批准。这个严密的漏斗不仅与分子的有效性有关，还与安全性问题有关。据估计，每三个候选药物中就有一个因药物毒性而减产（1）。因此，有必要进行预测性毒理学研究，以预测和描述可能出现的不良反应。
图1. 药物发现过程的主要步骤概览 第一阶段通常包括数千种化合物，并根据其疗效和安全性进行逐步筛选。
化合物在生物体内的新陈代谢和脱靶活动是导致毒性反应的最常见原因。由于肝脏是解毒的主要部位，因此肝毒性研究是这方面的优先事项。不过，对其他器官和系统的潜在影响也需要进行评估（如心血管毒性、肾毒性、神经毒性等）。尤其是心脏毒性，它是与药物开发相关的最严重的副作用之一。它限制了有效治疗药物的疗效，并导致许多其他药物在上市后停药：在过去40年中，全球有近10%的药物因心血管安全性问题而从临床市场上召回（2）。遗憾的是，由于对这些不良反应的发生机制缺乏全面了解，因此很难在医药产品开发的临床前阶段有效揭示心脏毒性，因此人们越来越重视开发合适的模型和可靠的测试来克服这一限制。
哪些药物会产生心脏毒性作用？
几乎所有类别的治疗药物（包括抗生素、抗病毒药物或抗炎药物等针对常见疾病的药物）都可能引起心脏毒性事件。长期用药（如神经/精神类药物）所诱发的心脏毒性也备受关注，因为药物或其代谢物的逐渐积累可能会诱发长期影响，而这在临床前阶段较难预见。此外，值得一提的是，癌症是全球第二大死因，化疗药物对心血管系统的毒性作用已得到充分证实，这涉及到相对较高比例的人群。这种担忧催生了一个新的研究领域：肿瘤心脏病，其研究重点是化疗和放疗副作用引起的心血管疾病的检测、监测和治疗(3)。
药物引起的心脏毒性事件有哪些？
心肌病变（可能发展为心力衰竭）是可以观察到的重大不良事件之一。然而，药物引起的心脏毒性基本上可以从任何角度影响心血管系统。事实上，常见的临床表现涉及心脏本身的功能或完整性（心肌缺血、心肌炎、心律失常、纤维化等）和血管系统（高血压、血栓栓塞、血管痉挛等）。深入了解这些毒性表现背后的机制，对于制定更适合的治疗方案和降低患者风险至关重要。
药物诱发心脏毒性的典型机制是什么？
上述病理情况在分子水平上与细胞稳态的各种改变相关联，下面举几个极为简单的例子：
造成心脏毒性的主要原因之一是通过改变线粒体代谢来损害心肌细胞的活性。由于心脏持续跳动需要大量能量，因此与其他器官相比，心脏含有更多的线粒体。在这种情况下，线粒体是与心肌细胞收缩力相关的钙平衡、维持细胞内氧化还原状态和调节细胞凋亡/坏死机制的基础。目前已发现多种药物可通过不同途径诱导线粒体毒性（4,5）。例如，已知一类名为蒽环类的抗癌分子对线粒体具有毒性，因为它们的直接靶标TOP2B很不幸也是线粒体DNA复制所必需的。
同样，一些局部麻醉剂也与心脏毒性有关，这是因为它们的作用原理产生了副作用，即通过与质膜钠通道的相互作用降低神经和心脏细胞的兴奋性。由于它们也会影响线粒体膜上的磷脂，从而导致线粒体膜通透性增加，进而破坏电子传递链。
另一方面，一些抗逆转录病毒药物（如治疗艾滋病毒的药物）具有与脱靶相互作用相关的有丝分裂毒性效应。这些药物通常用于抑制病毒逆转录酶，但事实证明，它们也会抑制线粒体DNA聚合酶γ，从而破坏线粒体功能（4,5）。
心肌收缩需要动作电位沿着心肌细胞的细胞膜协调传播。因此，所有干扰离子通道运输从而干扰心脏电生理学的药物都可能诱发心脏毒性反应。最终退出市场的几种第一代抗抑郁药就属于这种情况，它们直接与钠离子、钙离子和钾离子通道相互作用。考虑到神经细胞和心肌细胞都是通过在其质膜上传播电信号来发挥功能的，因此这种脱靶作用也就不足为奇了（5）。上文提到的局部麻醉剂是与离子通道活性干扰有关的另一个毒性效应实例。
改变生长信号传导因子是治疗癌症的一种常见策略，但也常常与心脏毒性效应相关（5）。例如，索拉非尼（Sorafenib）和凡德他尼（Vandetanib）就是这种情况，这两种药物是血管内皮生长因子（VEGF）信号通路的抑制剂，既参与了与肿瘤转移相关的血管生成，也参与了心肌细胞在应对环境压力或疾病时的存活。同样，为结合特定细胞外受体以激活细胞凋亡和阻止肿瘤增殖而开发的治疗性单克隆抗体也会对心血管系统产生不利影响。其中一个例子是曲妥珠单抗（Trastuzumab），它是一种ErbB2受体（HER2/neu）阻断剂，已知也会下调神经胶质蛋白-1（Neuregulin-1，一种活跃于心脏稳态和发育的信号分子）。其最常见的副作用是高血压，但也可能发生心肌梗死（5）。
心脏毒性药物的研究工具
如前所述，要全面了解药物诱发心脏毒性的机理，并能在药物发现过程中尽早发现它们，需要完善的模型系统和适用的筛选方法。有以下的工具可以利用：
毒理学药物预筛选：
SCREEN-WELL® Cardiotoxicity library（BML-2850，Enzolife），该小分子化合物文库精选了130种具有明确和不同心脏毒性作用的化合物。蒙泰罗-达罗沙（Monteiro da Rocha）于2017年利用该库获取了有关其体外模型可靠性的信息。他们证明，hiPSC-CMs（人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞）的成熟状态是将促心律失常和心脏毒性研究结果应用于成人心脏时需要考虑的一个重要参数（6）。
分析毒性应激后的细胞反应：通过测量细胞的氧化应激反应可以检测到药物对细胞毒性的影响。Jiang等人证明了低剂量辐射可以保护心脏免受多柔比星（一种常用于治疗实体和液体肿瘤的药物）的心脏毒性影响（7）。在这项工作中，作者使用
ROS-ID® Total ROS detection kit（ENZ-51011，Enzolife），通过流式细胞术监测多柔比星诱导的小鼠心肌细胞氧化应激。更多的在活细胞中分析毒性应激后的细胞反应或其亚细胞结构的变化，可以
参考这篇文章。
确定心脏毒性反应的具体途径： Quagliarello等人在2020年使用
LTB4 ELISA kit（ADI-900-068，Enzolife），试图阐明Ipilimumab和Nivolumab（两种用于癌症治疗的免疫检查点抑制剂）的心脏毒性效应的分子基础（8）。
参考文献：
1. Guengerich FP. Mechanisms of Drug Toxicity and Relevance to Pharmaceutical Development. Drug Metab Pharmacokinet (2011).
2. Kelleni MT & Abdelbasset M. Drug Induced Cardiotoxicity: Mechanism, Prevention and Management.
3. Kostakou PM et al. Cardio-oncology: a new and developing sector of research and therapy in the field of cardiology Heart Fail Rev (2019).
4. Kim CW et al. Effects of anti-cancer drugs on the cardiac mitochondrial toxicity and their underlying mechanisms for novel cardiac protective strategies. Life Sci (2021).
5. Mamoshina P et al. Toward a broader view of mechanisms of drug cardiotoxicity. Cell Rep Med (2021).
6. Monteiro da Rocha A et al. hiPSC-CM Monolayer Maturation State Determines Drug Responsiveness in High Throughput Pro-Arrhythmia Screen. Sci Rep (2017).
7. Jiang X. Low dose radiation prevents doxorubicin-induced cardiotoxicity. Oncotarget (2018).
8. Quagliariello V et al. Evidences of CTLA-4 and PD-1 Blocking Agents-Induced Cardiotoxicity in Cellular and Preclinical Models. J. Pers. Med. (2020).
文中部分相关产品：
货号产品名相关应用规格
BML-2837-0500SCREEN-WELL® Autophagy library用于研究细胞和体外应用中促自噬和抗自噬分子作用的结构和机理不同的化合物。1 Library、500 µl/well
BML-2837-01001 Library、100 µl/well
BML-2843-0100SCREEN-WELL® FDA approved drug library V2用于心脏病学、神经精神病学、免疫学、肿瘤学等领域的化合物库。1 Library
ENZ-51019-KP002MITO-ID® Membrane potential cytotoxicity kit灵敏度极高的线粒体膜电位实时测定法。1 Kit
ENZ-51018-K100MITO-ID® Membrane potential detection kit双发射染料可根据线粒体膜电位状态发出绿色或橙色荧光；适用于化学/环境毒性筛选及高通量应用。100 tests
ENZ-51018-002525 tests
ENZ-51015-KP002LYSO-ID® Red cytotoxicity kit (GFP-CERTIFIED®)一种快速、定量且与 HTS 兼容的活细胞细胞毒性检测方法。1 Kit
ENZ-51020-KP100GFP-CERTIFIED® FLUOFORTE® Calcium assay kit更明亮、更稳健、与 GFP 兼容（橙色染料）的钙荧光测定法。100x96 wells
ENZ-51020-KP01010x96 wells
ENZ-51017FLUOFORTE® Calcium assay kit更明亮、更稳健的钙荧光测定法。10x96 tests
ENZ-KIT157-2500LDH Cytotoxicity WST Assay通过测量乳酸脱氢酶活性测定细胞毒性的比色试剂盒5x500 tests
ENZ-KIT157-0500500 tests
ADI-900-164cGMP complete ELISA kit最灵敏（0.043 pmol/ml）、最全面的细胞内外 cGMP 定量比色试剂盒。96 wells
ADI-900-013cGMP ELISA kit最灵敏的细胞外 cGMP 定量比色试剂盒（0.088 pmol/ml）。96 wells
ADI-900-014Direct cGMP ELISA kit最灵敏的细胞内 cGMP 定量比色试剂盒（0.025 pmol/ml）。96 wells
ENZ-KIT152-0001BNP Fragment ELISA kit灵敏的 BNP 片段 ELISA 试剂盒，可检测血清和血浆中的 BNP 片段。96 wells
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Enzo Life做为分子诊断领域的先驱者，可提供包括基因、蛋白、细胞、组织全层面的标记和检测试剂，如原位杂交探针、活细胞荧光探针、组化试剂盒、小分子化学文库等。除了科研领域外，Enzo Life还给提供多样的生物工艺质量检测试剂盒（如Protein A残留检测盒，HCP残留检测等 ）
