Cardiotoxicity(심장독성)

심장독성과 약물 안전성에 대한 High-Throughput 평가를 위한 예측적 In Vitro Assay

심장독성: 신약 개발 프로세스의 초기 단계에서 독성 약물 평가

심장독성은 심장에 독성을 가져 근육 손상 또는 심장에 전기 생리학적 기능 장애를 일으키는 화학 물질을 정의하는 데 사용되는 용어입니다.

심장독성 평가는 향후 개발에서 잠재적인 독성 약물을 제거하는 신약 개발 초기 단계에서 중요합니다. 이는 심장 안전성 평가를 통과하지 못하는 약물과 관련된 비효율성과 높은 비용을 줄이는 데 있어 중요합니다.

심장 활성 약물은 심부전, 부정맥 또는 기타 심장 질환의 임상적 치료에 사용됩니다. 심장독성은 부정맥이나 심부전을 유발할 수 있습니다. 따라서 생물학적으로 연관성을 가진 세포 기반 모델을 사용하고 High-Throughput Screening에 적합하며 고도로 예측 가능한 In Vitro 심장독성 Assay에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

심장 스페로이드의 기계적 움직임과 칼슘 흐름은 타임랩스 획득 이미지의 Stack에서 관찰할 수 있습니다.

인간 iPSC 유래 심근세포를 사용하여 심장독성 약물 효과를 평가

심근세포는 심장 근육을 구성하고 심장의 수축 기능을 담당하는 세포입니다. 유도 만능 줄기세포(iPSC) 유래 심근세포와 같이 특수한 심근세포는 고유 심근세포와 유사한 자연적인 기계성과 전기적 활성을 보이면서 표현형 특성뿐만 아니라 유전자 발현 프로파일을 제공하는 GPCR과 이온채널을 발현하므로 특히 매력적인 세포 모델입니다. iPSC 유래 심근세포는 세포내 칼슘 진동의 변화를 Monitoring하는 빠른 운동 형광 Assay를 사용하여 약물 관련 심장 생리학적 표현형을 안정적으로 재현하는 데 사용할 수 있는 동기식 박동 단층을 형성합니다.

Eurofins와 협력하여 우리는 hiPSC-CM을 사용한 In Vitro Assay를 포함하는 새로운 심장 안전성 테스트 패러다임인 CiPA 계획을 통해 약물의 잠재적 심장독성 평가에 대해 논의합니다.

CiPA 계획 – 종합적인 In Vitro 부정맥 유발 Assay(CiPA)

인간 유도 만능 줄기세포 유래 심근세포(hiPSC-CM)는 잠재적 심장독성 약물의 효과를 확인하고 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 미국 FDA는 종합적인 In Vitro 부정맥 유발 Assay(CiPA) 계획이라고 하는 이 범주의 약물을 평가하기 위한 계획을 의뢰했습니다. 독성이 있을 수 있는 심근세포에 다양한 영향을 미치는 28개 약물이 있습니다. 이 계획의 목적은 신약 개발 과정의 초기 단계 또는 출시 이후에 실패를 예방하는 데 도움이 될 수 있는 예측 가능한 Assay를 결정하는 것입니다. CiPA 목록에 있는 여러 약물이 심장독성으로 인해 판매가 중단되었습니다. 칼슘 흐름 측정값과 High Content Imaging을 모두 사용하여 이러한 약물의 독성을 확인하는 것이 가능합니다. High-Throughput Screening에 적합한 고도로 예측 가능한 In Vitro Assay의 개발은 심장 안전성을 확보하지 못한 약물과 관련된 비효율성과 높은 비용을 개선하는 데 있어 중요합니다.

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독성학을 위한 High-Throughput 운동 Screening 솔루션과 선도 약물 식별

FLIPR® Penta High-Throughput 세포 Screening 시스템은 GPCR과 이온채널 수용체에 대한 초기 선도 약물을 식별하기 위한 유연하고 신뢰할 수 있는 실시간 운동 High-Throughput 세포 Assay Screening 시스템입니다. 이는 동시에 모든 Well에서 신호를 수집하도록 설계되었습니다. 또한 이 시스템은 EarlyTox 심장독성 키트를 사용하여 심근세포 Contraction과 관련되어 있는 세포내 Ca2+ 흐름(칼슘 진동)의 변화를 Monitoring할 수 있습니다. 이 Assay는 칼슘에 민감한 염색시약이 로딩된 iPSC 유래 심근세포를 사용하며 세포가 박동할 때 세포 내에서 진동하는 칼슘에 대한 약물의 영향을 Monitoring할 수 있습니다.

ScreenWorks® 피크 프로 소프트웨어는 세포의 다중 피크 칼슘 진동 반응, 특히 심근세포 박동수와 피크의 상승, 하강, 진폭을 포함한 시간적 특성을 분석하는 기능을 제공합니다. 이러한 기능은 In Vitro 심근세포 기능과 hERG 차단 칼륨 채널과 같은 심장 이상을 유발하는 독성을 가진 약물의 효과를 더 잘 이해하는 데 있어 중요합니다. 결과적으로 조기에 실패하거나 특정한 약물의 추가적인 Monitoring을 실행할 수 있으며, 가장 유망하고 안전한 선도 약물을 더 잘 우선순위화하여 전임상 연구를 진전시킬 수 있습니다.

FLIPR 칼슘 Assay 키트와 iPSC 심근세포 또는 3D 심장 스페로이드에서 FLIPR 시스템으로 촬영한 자연적 칼슘 진동은 제약적 및 환경적 약물의 포괄적인 표현형 분석과 생물활성 프로파일링을 위해 ImageXpress 공초점 시스템에서 얻은 세포독성 및 미토콘드리아 무결성 데이터와 짝지을 수 있습니다.

FLIPR® Penta 시스템으로 심근세포와 뉴런으로 분화되는 인간 유도 만능 줄기세포(hiPSC)의 피크를 최대 초당 100회까지 측정하고 분석하며, 조기 후탈분극 유사 Event(EAD 유사 Event), 세동, 불규칙한 박동과 같은 중요한 Event만 신속하게 선택할 수 있습니다.

줄기세포 유래 심근세포를 이용한 심장독성 약물의 특성 분석에 대한 응용 분야

심장독성 약물을 특성 분석하는 전통적인 방법은 노동 집약적이고 속도가 느립니다. 수동 패치 클램핑과 자동화된 전기 생리학은 개별 세포의 단일 채널 분석으로 제한되며 높은 비용과 Low-Throughput을 갖습니다. 보다 High-Throughput의 다른 방법을 사용하려면, 데이터를 분석 또는 시간이 많이 소요되는 수동 데이터 분석을 위해 복잡한 추가 소프트웨어로 데이터를 종종 내보내야 합니다.

아래의 응용 분야 자료는 EarlyTox 심장독성 키트가 장착된 FLIPR 시스템에서 실행되는 ScreenWorks 피크 프로 소프트웨어가 줄기세포 유래 심근세포를 사용하여 심장독성이 있는 약물을 빠르고 쉽게 특성분석하는 방법을 보여줍니다. 또한, FLIPR 시스템은 iPSC 유래 심근세포와 거의 동일한 방식으로 신경 스페로이드에 대한 신경독성 효과를 분석하는 데 사용할 수 있습니다.

3D 심장 스페로이드
In Vitro 약물 유도 부정맥 유발 효과 평가
박동 심근세포 Assay
칼슘 진동
3D 신경 스페로이드에서의 칼슘 진동
심장독성 Assay
eBook
심장독성에 대한 출판

3D 심장 스페로이드

조직 생물학과 독성 평가를 모델링하기 위한 3차원(3D) 스페로이드 사용을 탐구하는 데 관심이 증가하고 있습니다. 3D 배양을 이용한 보다 High-Throughput의 정량분석법 개발이 활발하게 연구되고 있습니다. High-Content Imaging(HCI)과 빠른 운동 형광 이미징을 모두 사용하여 인간 유도 만능 줄기세포(iPSC)에서 파생된 3D 스페로이드의 형성을 연구하면 다양한 약물이 칼슘에 민감한 염색시약을 사용한 세포내 칼슘 수치의 변화로 심장 스페로이드의 박동 속도와 패턴에 미치는 효과를 측정하는 데 도움이 됩니다.

In Vitro 약물 유도 부정맥 유발 효과 평가

인간 iPSC 유래 심근세포를 In Vitro 모델로 사용하여 낮은, 중간, 높은 TdP(Torsades de Pointes) 위험 범주와 관련된 28개 약물에 대한 반응과 농도 의존성을 평가했습니다. 다양한 약물이 심근세포의 자연적 활성 패턴과 박동 속도에 미치는 영향은 FLIPR Penta 시스템에서 칼슘에 민감한 염색시약을 사용하여 빠른 운동 형광으로 측정한 세포내 Ca2+진동의 변화로 Monitoring했습니다.

박동 심근세포 Assay

줄기세포 유래 인간 심근세포는 표현형 특성과 고유 인간 심근세포와 유사한 전기생리학적 프로파일을 가집니다. 배양된 심근세포는 고유 심근세포와 유사하게 거동하는 박동 합포체를 형성할 수 있습니다. 세포의 동기화된 수축으로 발생하는 세포 내 칼슘 수치의 진동은 칼슘 민감성 염료를 사용하여 모니터링할 수 있으며, 시간 경과에 따른 형광 신호의 변화를 통해 처치 유도 진동 패턴의 변화를 모니터링할 수 있습니다.

칼슘 진동

유도 만능 줄기세포(iPSC) 유래 심근세포는 심장 기능과 안전성 둘 다에 대한 약물 효과 평가에 사용되므로 특히 매력적인 In Vitro 모델 시스템입니다. 칼슘 신호 진동은 세포질 칼슘 농도의 변화를 반영하므로 EarlyTox™ Cardiotoxicity Kit와 같이 칼슘에 민감도가 높은 염색시약을 사용할 수 있습니다.