HERG钾离子通道与药物心脏毒性的安全性评价

HERG钾离子通道与药物心脏毒性的安全性评价
郭舜
【摘要】The human ether-a-go-go-related gene( HERG )encodes the pore-forming α-subunits of channels that conduct the rapid delayed rectifier K + current, which is one of the most important membrane currents responsible for ventricular action potential repolarization The absence of HERG function or drug inhibition results in a long QT interval,which may induce torsadestachycardia and lead to arrhythmia. The HERG potassium ion channels as anti-arrhythmic drug treatment target, hasmore and more displayed its important roles in new drugs safety test and development.%人类ether-a-go-go相关基因(HERG)编码的快速延迟整流钾离子通道(Ikr)的α亚基介导的快速延迟整流钾电流在心肌动作电位复极过程中发挥着重要作用.HERG功能的缺失及药物抑制影响心脏动作电位复极过程,并会引起QT间期延长,同时可能诱发尖端扭转型室性心动过速,导致心律失常.HERG钾离子通道作为抗心律失常药物治疗的标靶,同时也越来越体现出在新药安全性检测和新药开发过程中的重要作用.
【期刊名称】《医学综述》
【年(卷),期】2012(018)016
【总页数】4页(P2572-2575)
【关键词】HERG基因;QT间期延长;药物安全评价
【作者】郭舜
【作者单位】天津中医药大学,天津,300193
【正文语种】中文
【中图分类】R966
随着科学技术的发展，人类对于生命科学的研究取得了巨大的进步。

随着美国在1990年启动的人类基因计划比预期提前5年完成，遗传生物学研究开始了一个崭新的篇章。

人类疾病基因研究正处于从鉴定少数单基因病基因到鉴定严重危害人类健康的复杂性疾病易患基因这一重大飞跃的历史时期。

其中关于长QT综合征的6个基因被识破，有关编码心脏钾离子通道蛋白的人类ether-a-go-go相关基因(HERG)也得到了进一步的研究。

HERG编码的延迟整流钾离流(Ikr)的α亚基在心肌动作电位复极化过程中发挥重要作用。

对于一些临床药物或者新药候选药物所表现出的心脏毒性，很多研究都表明主要是由于对心肌细胞的HERG钾离子通道产生阻断从而造成QT间期延长，进而引发患者尖端扭转型室性心动过速、心室纤颤甚至发生猝死［1-4］。

另外，药物也可以抑制钾通道蛋白的表达从而导致复极电流下降，导致心动过速［5-7］。

目前，国内外对药物在心脏复极方面的影响提出了严格要求，美国食品药品管理局和欧洲药品评价局等管理机构要求对于研究中新药申报临床前实验都应进行HERG/Ikr的安全性评价［8］。

因此，国内外对于HERG的安全性检测在药物评价及开发的过程中显得越来越重要。

1 HERG钾离子通道概述
HERG基因最初是由Warmke等［9］在1994年从人类海马cDNA文库中分离鉴定得出的，与果蝇EAG基因具有同源性。

HERG基因位于人7号染色体上
(7q35～q36)，约55 kb［10］，有16个外显子，编码1159个氨基酸残基。

其在人身体组织心肌、脑、肝脏、脾脏等中均有表达，在心肌组织中表达最高。

最近
的研究显示，在许多肿瘤细胞系中HERG基因均有表达。

HERG基因编码Ikr的α亚基，与minK编码的β亚基minK相关蛋白共同组成Ikr，HERG钾离子通道由4个相同的α亚基组成四聚体，中间型形成离子通道。

由HERG基因编码的蛋白具有电压门控型通道蛋白的结构，其中包括6个跨膜α螺旋片段(S1～S6)、S5和S6之间的P环、羧基端(C端)和氨基端(N端)［11-13］。

1995年，Sanguinetti 等［10］首次通过在细胞上转染HERG基因表达HERG蛋白的通道，其生物特性表现与编码Ikr几乎一样。

HERG基因在生理过程中发挥着重大作用，它表达的钾离子通道具有内向整流性质，内向Ikr在心肌细胞动作电位各时相均有开放，在动作电位3期复极和静息电位期电导性最大。

其超极化时表现为明显的内向电流，轻度除极时表现外向电流，借此维持静息电位的稳定。

HERG钾离子通道在动作电位除极到－30 mV左右时快速激活，并持续到3相动作电位末期。

因此，HERG 钾离子通道能够调节因来自心肌窦房结或异源兴奋性冲动提前到达，有效抑制期前收缩传播。

2 HERG钾离子通道与QT间期延长
HERG基因参与编码Ikr的α亚基，当HERG基因编码的Ikr电流受到阻断时，心肌细胞动作电位复极时的钾离子外流也就减少，动作电位时程延长，心电图上表现为QT间期延长，QT间期是指心室除极和随后的复极化的时间，在心电图上所表示的是从QRS波的起点到T波终点的过程。

QT间期延长可以引发尖端扭转室性心动过速，甚至猝死［14］。

QT间期延长主要分为遗传性(原发性)和非遗传性(继发性)。

遗传性QT间期延长主要包括能产生离子通道功能障碍的基因突变及先天性QT间期延长综合征;非遗传性QT间期延长可由代谢异常、疾病及药物所致引起的。

HERG基因的突变导致先天性长QT综合征，体表心电图异常T波和室性心律失常，以QT间隔延长为特征的心脏复极化的障碍占所有由于心脏猝死病例的1/3。

(此外，HERG通道蛋白是几乎所有的药物，导致后天形成的长QT综合征的
分子靶点。

)HERG钾通道扮演的核心作用是调节心脏兴奋性和维护正常的心脏节奏。

2.1 原发性QT间期延长离子通道功能表达畸形是引起心律失常的主要机制，其被认为宏观表现在心脏和其他存在问题包括:①生理和生化调节细胞膜表面离子通道
缺陷(门控缺陷、电流传导缺陷、磷酸化缺陷等)。

②生物调制离子通道蛋白缺陷(生物合成通道蛋白缺陷，合成后转运缺陷和退化)。

错误的细胞蛋白突变过程实际上增加了认知各种遗传性心律失常的机制［15］。

在这些问题当中最具特点的就
是遗传性QT延长综合征(LQTS)，目前分为8个亚型，即LQTS1～8，其分别与
不同的基因有关心律失常导致体表心电图QT间期的延长和心源性猝死风险的增加。

目前研究表明LQTS至少与250个HERG基因突变有关，HERG基因的异常将会
导致动作电位延长从而引起LQT2。

LQT2患者心肌细胞上位于染色体7q35～36
上的HERG基因突变可引起Ikr通道蛋白质分子结构异常，致延迟整流外向钾离子通道的功能下降，结构域跨膜段S1和S3上多个氨基酸缺失，造成心肌动作电位
平台期延长和早期后除极，引起心律失常［16-17］。

LQTS致病基因的发现为在
分子水平上研究心律失常开辟了新纪元，并为临床、细胞和分子水平的联合研究提供了机会，它将对某些心律失常发生机制和治疗研究产生深远的影响。

Nature杂志也报道了对于基因突变引起的通道功能失调导致的心律失常，并不是由于编码离子通道蛋白的基因突变，而是编码细胞内大分子信号复合体ankyrin-B的基因突
变［18］。

2.2 由药物引起的继发性QT间期延长澳大利亚药物不良反应公报2005年最后一期称，某些药物可通过阻断心肌的钾通道导致QT间期延长，产生危及患者生命的多形性室性心动过速，即所谓的尖端扭转型室性心动过速。

截止2005年6月，澳大利亚不良药物反应咨询委员会共收到QT间期延长致尖端扭转型室性心动过速报道140例，其中死亡7例。

报道最多的药物为索他洛尔(25例)、西沙必利(17例)、
氯氮平(14例)、胺碘酮(12例)和红霉素(12例)。

由于QT间期延长，在过去10年内很多药物被迫撤出市场或被限制使用。

在获得性LQTS中，对快速激活Ikr的抑制是药物诱导的复极延迟及致尖端扭转室性心动过速发生风险的主要机制。

致QT延长药物分子与心肌细胞HERG通道的不同位点结合，干扰它们的功能。

药物诱导的LQTS中所观察到的潜在致尖端扭转室性心动过速机制与报道的LQT2综合征相似。

先天性LQTS中，HERG基因突变导致离子通道结构缺陷或细胞内“运输”异常，致功能性Ikr特异离子通道数目减少，进而延长心室复极过程并增加心室复极的不均一性。

在过去的十几年中，许多上市的药物或者新药在开发的最后阶段由于发现其可引起QT间期延长不得不撤出市场和停止新药的继续研发。

随着研究的不断进步，人们发现许多抗生素类、抗心律失常药、抗精神病药、抗真菌、抗疟药和抗抑郁药等都会引起QT间期的延长，而且越来越多的非心脏类药物也存在着QT间期延长的不良反应。

由药物引起的QT间期延长并不等同于诱发尖端扭转型室性心动过速，这其中包含着不同的分类与机制。

美国食品药品管理局对致QT间期延长药物和与药物使用相关的尖端扭转型室性心动过速(致死性和非致死性)进行了回顾性分析［19］，已采取了多种调整方案，包括从市场撤除具有致QT间期延长、致死性危险显著增高的药物(特非那定、西沙比利、阿斯咪唑、格帕沙星等)，限制使用该类药物或调整为二线药物(苄普地尔、硫利达嗪)及禁止具有致QT间期延长、致死性危险显著增高的药物上市(利多氟嗪)。

据不完全统计，自1997年1月1日至2000年12月31日，由于QT间期延长引发严重心律失常而被美国食品药品管理局从临床撤除的处方药物占从临床撤除处方药物总数的45%。

可见药物在产生心脏毒性或潜在引起心脏毒性都已经越发得到人们的重视。

3 HERG钾离子通道与药物安全性
目前，全世界对于新药的研发都投入了较多的精力，新药研发是一项耗资大、周期
长的系统工程，安全性和有效性是决定新药研发成功与否的关键性因素。

据美国食品药品管理局估计，约有30%的新药因安全性不过关而导致研发失败。

最初对于
药物在研发过程中的毒理研究只有在新药开发的中后期才进行毒性评价，而不能积极主动地在开发前期展开工作，导致许多有很好开发前景的药物因毒性或其他安全性因素而中途夭折;即使经过结构改造后最终上市，也不可避免地造成人力资源的
巨大浪费。

药物产生的心脏毒性也是导致药物撤市和停止开发的重要原因，1996～1999年全球药物市场上撤回的药物中有9%是因为心脏毒性，而这些药物一半以上是由于药物诱导引发QT间期延长以及伴随心律失常的风险［20］，如2004年的万络撤市，2007年罗格列酮的撤市，2011年1月28日我国国家食品药品监督管理局发出通知，决定将含右丙氧芬的药品制剂(达宁)逐步撤出市场。

由于其引起明确的心电改变，并可增加严重甚至致死性心律失常的风险，最终撤出市场。

多年来对于药物心脏毒性的安全性评价的检测方法往往存在着低效高耗的状态，从而导致许多药物直至研发后期被迫中断。

1995年，Sanguinetti［10］证实了转
染HERG基因的通道蛋白能够准确地表达与正常Ikr通道一致的电生理作用，成为药物致QT间期延长的靶点，其大大提高了药物筛选的成本和数量。

目前许多对于药物因离子通道产生心脏毒性的研究和筛选都已经建立了系统的检测平台，如采用荧光高通量筛选、电生理检测等。

其中采用膜片钳技术药物对于HERG钾离子通
道作用对药物心脏毒性进行预测。

近年来又有利用计算机虚拟方法预测药物对HERG通道的阻滞作用［20］。

并不是所有能阻断HERG钾离子通道的药物都会
诱发尖端扭转型室性心动过速，如新型抗心绞痛药物雷诺嗪同样具有Ikr阻滞，长期使用对QT间期延长并不明显，两者间有较强的关联性［21-23］。

另据报道维拉帕米是相对较强的Ikr抑制剂，从无诱发尖端扭转型室性心动过速发生。

因此，在新药研发早期建立药物心脏毒性的筛选平台是很有价值的。

4 结语
药物心脏毒性的预测在新药开发中有重要作用，由HERG编码的延迟整流钾离子流在心肌动作电位复极化过程中发挥重要作用。

因此，利用分子生物技术手段对于药物心脏毒性的筛选建立平台，可以有效地提高药物研发的周期。

目前世界上各国的药品管理机构也越来越关注药物在心脏毒性方面的致命性作用，对于评价药物在心脏毒性方面，HERG钾离子电流也可作为药物毒性筛选的重要指标。

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