高內(nèi)涵分析在新藥發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

劉利波，王莉莉

(軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院毒物藥物研究所藥物化學(xué)研究室，北京100850)

高內(nèi)涵分析在新藥發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

劉利波，王莉莉

(軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院毒物藥物研究所藥物化學(xué)研究室，北京100850)

在新藥發(fā)現(xiàn)早期開展發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)研究是提高新藥研發(fā)效率的重要策略之一。高內(nèi)涵分析(HCA)是基于高效新藥篩選需求發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，其主要特點(diǎn)是基于活細(xì)胞、多參數(shù)、實(shí)時(shí)、高通量，能夠?qū)崿F(xiàn)化合物多種生物活性、毒性的早期、快速地檢測(cè)，為發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)研究提供了高效的技術(shù)手段。目前，HCA已用于多種靶器官細(xì)胞毒性、遺傳毒性、神經(jīng)毒性、血管毒性、生殖毒性等檢測(cè)以及毒理學(xué)分子機(jī)制的研究，本文就HCA在新藥發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)方面的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

高內(nèi)涵分析;發(fā)現(xiàn)毒理學(xué);藥物毒性

新藥研發(fā)的高成本、高風(fēng)險(xiǎn)和低產(chǎn)出已成為現(xiàn)代新藥創(chuàng)制的主要瓶頸。近年來(lái)，盡管組合化學(xué)和高通量篩選技術(shù)的應(yīng)用，新化學(xué)實(shí)體及新藥靶的數(shù)目迅速增長(zhǎng)，但同期進(jìn)入臨床且最終成功上市的新藥僅有十分之一［1］。有效性和毒性是導(dǎo)致新藥臨床失敗的主要原因，其中毒性因素占總失敗率的30%［2］。另外，近年來(lái)，屢有上市新藥因毒性問(wèn)題被撤市或限制使用。因此，臨床前特別是在新藥發(fā)現(xiàn)階段深入研究化合物的毒性對(duì)于優(yōu)化候選藥物質(zhì)量、提高新藥研發(fā)效率具有重要意義。

發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)是在新藥研發(fā)早期階段開展的先導(dǎo)或候選化合物的毒性篩選和評(píng)價(jià)，以便及早發(fā)現(xiàn)和淘汰有嚴(yán)重毒性、甚至根本不適合繼續(xù)開發(fā)的化合物。然而，受限于藥物發(fā)現(xiàn)早期受試樣品多，樣品量少，發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)的研究?jī)?nèi)容十分有限。

高內(nèi)涵分析(high content analysis，HCA)［3］是新藥篩選的新技術(shù)，在保留了高通量能力的基礎(chǔ)上，不再是在分子水平針對(duì)某種單一靶標(biāo)進(jìn)行的篩選，而是在細(xì)胞水平針對(duì)生物體內(nèi)多系統(tǒng)、多途徑、多種靶標(biāo)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)篩選，不僅能了解樣品相關(guān)的細(xì)胞生物學(xué)的變化，闡明樣品與藥靶相互作用的關(guān)系，還能通過(guò)觀察細(xì)胞形態(tài)預(yù)測(cè)化合物的毒性，實(shí)現(xiàn)化合物多種生物活性和毒性的早期、快速、高通量檢測(cè)［3］，彌補(bǔ)了現(xiàn)有發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)篩選方法在通量、毒性機(jī)制檢測(cè)、潛在毒性揭示全方面的不足，是發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)新興的和最具效率的技術(shù)。本文綜述了HCA在新藥發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)中的應(yīng)用及進(jìn)展。

1 HCA與發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)

HCA系統(tǒng)平臺(tái)由硬件和軟件兩個(gè)部分組成。硬件主要包括具有自動(dòng)共聚焦功能的高通量熒光顯微鏡、自動(dòng)載板與升降平臺(tái)、高分辨率CCD相機(jī)等，可以高速、自動(dòng)化、動(dòng)態(tài)地獲取高質(zhì)量的細(xì)胞成像。軟件有強(qiáng)大的高通量的圖像分析功能，能夠定量分析包括細(xì)胞內(nèi)靶標(biāo)蛋白空間位移、空間位移動(dòng)力學(xué)、目標(biāo)蛋白強(qiáng)度、細(xì)胞周期、配體/受體顆粒形成、神經(jīng)生長(zhǎng)、形態(tài)學(xué)、細(xì)胞凋亡和微核形成等的變化。因此，HCA是一種基于細(xì)胞表型和途徑分析的高效新藥篩選技術(shù)。

組織病理學(xué)是評(píng)價(jià)化合物毒性的金標(biāo)準(zhǔn)。體外以細(xì)胞形態(tài)為基礎(chǔ)的圖像分析與組織病理學(xué)具有直接的相關(guān)性，完全適用于與受試樣品靶標(biāo)相關(guān)和非相關(guān)的組織病理學(xué)的終點(diǎn)，如細(xì)胞壞死、凋亡、脂肪變性、磷脂質(zhì)病、微核、線粒體異常和氧化應(yīng)激等的測(cè)定。并且活細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑分析所反映的分子作用機(jī)制能夠提示被測(cè)樣品的潛在毒性。可見，毒理學(xué)的研究?jī)?nèi)容也大都是以細(xì)胞分析方法為主。HCA可以在細(xì)胞水平高通量、平行、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)多種毒性指標(biāo)在單次實(shí)驗(yàn)中能靈敏全面地捕捉可能由藥物毒性引起的細(xì)胞形態(tài)和標(biāo)志分子的微小變化，獲得藥物毒性多重效應(yīng)及潛在毒性信息。其效率與功能都是其他傳統(tǒng)的體外細(xì)胞分析方法所不及的。因此，HCA是發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)研究最有效的技術(shù)，通過(guò)細(xì)胞水平全面的毒性分析，優(yōu)化候選化合物的質(zhì)量，切實(shí)提高新藥發(fā)現(xiàn)效率。

2 HCA在發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)中的應(yīng)用

2.1 HCA用于靶器官細(xì)胞毒性的分析

細(xì)胞毒性是藥物損傷靶器官的主要原因。由于藥物在體內(nèi)代謝分布、作用于靶組織產(chǎn)生藥效，因此，藥物可能對(duì)特定組織產(chǎn)生細(xì)胞毒性反應(yīng)，誘發(fā)組織或器官損傷，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的不良反應(yīng)，如肝毒性和腎毒性;此外，心臟毒性和骨骼肌毒性等器官毒性均與細(xì)胞毒性相關(guān)。因此，靶組織細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)是藥物毒理學(xué)評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。常規(guī)的細(xì)胞毒性檢測(cè)內(nèi)容包括膜完整性的喪失或細(xì)胞溶解、凋亡、關(guān)鍵大分子損耗、代謝抑制效應(yīng)和增殖抑制效應(yīng)［4］。這些檢測(cè)可以初步觀察化合物毒性特點(diǎn)。然而，不同的方法分開進(jìn)行，既耗時(shí)且難以獲得一致的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

HCA用于細(xì)胞毒性測(cè)定，在一次實(shí)驗(yàn)中平行監(jiān)測(cè)與毒性機(jī)制相關(guān)的多個(gè)參數(shù)甚至是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，包括細(xì)胞核形態(tài)、大小和數(shù)量、線粒體膜電位、膜完整性、骨架蛋白、氧化脅迫和DNA損傷等，并可通過(guò)藥物處理的不同時(shí)間，確定上述反應(yīng)為急性或慢性反應(yīng)。因此，HCA細(xì)胞多參數(shù)毒性的測(cè)定，增加了毒性表型的特異性和選擇性，能夠分辨出早期可逆效應(yīng)和晚期不可逆效應(yīng)，更能全面準(zhǔn)確地反映化合物誘導(dǎo)的毒性特征及潛在機(jī)制［5］。O'Brien等［6］采用HCA細(xì)胞毒性的多參數(shù)測(cè)定方法，在96孔板上用4種熒光染料(Fluo-4 AM標(biāo)記胞內(nèi)鈣;TMRM標(biāo)記線粒體膜電位;Hoechst 33342標(biāo)記DNA;TOTO-3標(biāo)記膜通透性)標(biāo)記HepG2細(xì)胞多參數(shù)毒性，評(píng)價(jià)了243種藥物誘導(dǎo)的人類肝細(xì)胞毒性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與7種常用的體外細(xì)胞毒性檢測(cè)法相比，HCA方法的敏感性是93%，特異性達(dá)到98%。O'Brien等［7］還用同樣的方法篩選了250種化合物的毒性，也證明HCA檢測(cè)方法的敏感性為90%，特異性則大于95%，可以看出，HCA能夠準(zhǔn)確反映藥物的細(xì)胞毒性的特征。目前，針對(duì)HCA細(xì)胞毒性分析，Thermo Fisher和Millipore公司都有多種專門的試劑盒，包括多參數(shù)細(xì)胞毒性和多參數(shù)細(xì)胞凋亡檢測(cè)等。此外，選擇標(biāo)記細(xì)胞毒性特異性標(biāo)志分子的熒光探針結(jié)合商品化多參數(shù)細(xì)胞毒性試劑盒，可以目標(biāo)清晰、快速的分析細(xì)胞毒的分子機(jī)制，如Kim等［8］應(yīng)用HCA實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥物造成的線粒體異常介導(dǎo)的肝毒性，觀測(cè)線粒體通透性轉(zhuǎn)變、胞內(nèi)鈣離子、胱天蛋白酶3三個(gè)指標(biāo)的實(shí)時(shí)變化情況，發(fā)現(xiàn)奈法唑酮、托卡朋和曲格列酮造成HepG2細(xì)胞線粒體功能障礙和后續(xù)的細(xì)胞凋亡，同時(shí)胞內(nèi)鈣離子顯著增加，從而造成細(xì)胞死亡;另外，觀測(cè)吡羅昔康處理HepG2細(xì)胞后，外圍途徑介導(dǎo)的凋亡細(xì)胞死亡，發(fā)現(xiàn)其誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡并沒(méi)有線粒體膜通透性的改變，而是清楚觀測(cè)到胞內(nèi)鈣離子的增加。以上結(jié)果得到胱天蛋白酶8抑制法的證實(shí)。Tolosa等［9］結(jié)合HCA細(xì)胞多參數(shù)毒性的監(jiān)測(cè)方法，3和24 h時(shí)78種化合物對(duì)HepG2細(xì)胞的膜完整性、氧化應(yīng)激脅迫、胞內(nèi)鈣離子濃度和線粒體功能等影響所代表的細(xì)胞毒性機(jī)制，對(duì)其按照損傷程度進(jìn)行分類。因此，采用HCA分析細(xì)胞毒性已成為藥物細(xì)胞毒性常規(guī)高效的檢測(cè)方法。

2.2 HCA用于遺傳毒性的分析

藥物遺傳毒性主要源于藥物損傷DNA，誘發(fā)基因突變、染色體突變和基因組突變［10］。HCA用于遺傳毒性分析包括微核、DNA損傷和細(xì)胞周期抑制分析3個(gè)方面。

微核形成是公認(rèn)的檢測(cè)染色體異常的方法，是遺傳毒性評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。最常用的方法是小鼠骨髓紅細(xì)胞微核檢測(cè)法。小鼠給藥后，解剖取骨髓，再經(jīng)過(guò)離心處理、涂片、固定和染色，最后觀察分析微核細(xì)胞形成率，一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期需2周以上［10］。HCA分析微核形成，一般采用CHO-K1細(xì)胞，通過(guò)圖像分析和數(shù)據(jù)處理獲得微核形成率。從細(xì)胞種板開始，一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期約3 d，并能夠高通量進(jìn)行檢測(cè)。Diaz等［11］用HCA評(píng)價(jià)了包含非整倍體誘變劑和斷裂劑在內(nèi)的46種化合物及13種非遺傳毒性的化合物對(duì)CHO-K1細(xì)胞微核形成的影響，結(jié)果顯示，與人工微核檢測(cè)相比，HCA方法的敏感性是88%，特異性為100%，對(duì)比文獻(xiàn)信息，獲得了100%陽(yáng)性預(yù)測(cè)率和76%陰性預(yù)測(cè)率。Scott等［12］同樣應(yīng)用HCA評(píng)價(jià)21種誘變劑和9種非誘變劑化合物，結(jié)果與人工微核檢測(cè)結(jié)果相比，兩種方法的一致性為83.3%。

DNA損傷作用可以預(yù)示化合物存在潛在的遺傳和發(fā)育毒性。具有DNA損傷作用的化合物或藥物往往也表現(xiàn)為明顯的細(xì)胞周期的抑制效應(yīng)。采用HCA技術(shù)，能對(duì)DNA損傷的標(biāo)志分子組蛋白H3磷酸化，Rad51以及細(xì)胞周期進(jìn)行動(dòng)態(tài)和定量檢測(cè)。目前，已有商品化的HCA專用DNA損傷、細(xì)胞周期檢測(cè)的試劑盒和分析細(xì)胞株，如磷酸化組蛋白H2A.X檢測(cè)試劑盒、Rad51 Redistribution?試劑盒、G2M細(xì)胞周期分析和G1S細(xì)胞周期分析細(xì)胞株。Gasparri等［13］在骨肉瘤U-2 OS細(xì)胞上，通過(guò)組蛋白H3磷酸化等特異的標(biāo)志分子的檢測(cè)結(jié)合細(xì)胞周期的分析，篩選出了細(xì)胞周期抑制劑，預(yù)測(cè)了化合物的潛在遺傳和發(fā)育毒性。需要說(shuō)明的是，在上述實(shí)驗(yàn)中還可以同時(shí)檢測(cè)細(xì)胞核的大小及核片段化情況［14］。由于HCA是在96孔或384孔板進(jìn)行分析，與流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)細(xì)胞周期相比，HCA所需細(xì)胞數(shù)量更少，消耗試劑更少，但檢測(cè)的通量更大，同一實(shí)驗(yàn)獲得的信息量更大。

由此可見，相對(duì)于傳統(tǒng)的遺傳毒性的檢測(cè)方法，HCA為新藥的遺傳毒性的預(yù)測(cè)提供了更高效的方法。

2.3 HCA用于神經(jīng)毒性的篩選

神經(jīng)軸突生長(zhǎng)對(duì)神經(jīng)毒藥物的反應(yīng)較一般細(xì)胞更為敏感，表現(xiàn)為神經(jīng)細(xì)胞軸突的生長(zhǎng)數(shù)量和長(zhǎng)度減少。另外，神經(jīng)元死亡導(dǎo)致神經(jīng)病變，神經(jīng)膠質(zhì)(星形膠質(zhì))細(xì)胞增生。因此，藥物誘導(dǎo)的體外培養(yǎng)神經(jīng)細(xì)胞軸突病變的形態(tài)學(xué)以及共培養(yǎng)中神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的變化是篩選藥物特異性神經(jīng)毒性的重要內(nèi)容［15］。傳統(tǒng)的神經(jīng)軸突生長(zhǎng)和星形(膠質(zhì))細(xì)胞的研究是采用形態(tài)學(xué)和神經(jīng)膠質(zhì)酸性蛋白染色，結(jié)合圖像分析軟件對(duì)神經(jīng)軸突數(shù)量、平均面積和長(zhǎng)度以及神經(jīng)膠質(zhì)酸性蛋白著色的程度進(jìn)行測(cè)定［16］，并根據(jù)定量分析結(jié)果評(píng)價(jià)化合物的神經(jīng)毒性。然而，這種方法多為人工操作，工作量巨大，結(jié)果判斷易受主觀因素干擾。HCA可以克服以上局限性，同時(shí)檢測(cè)各項(xiàng)參數(shù)，并能通量自動(dòng)化的進(jìn)行。如，Anderl等［17］將神經(jīng)細(xì)胞與星形細(xì)胞共培養(yǎng)，分別用核熒光染料、熒光抗體標(biāo)記細(xì)胞核，微管蛋白和神經(jīng)膠質(zhì)酸性蛋白，采用HCA檢測(cè)神經(jīng)元細(xì)胞核總數(shù)、軸突數(shù)和軸突長(zhǎng)度，同時(shí)檢測(cè)星形細(xì)胞神經(jīng)膠質(zhì)酸性蛋白表達(dá)量、細(xì)胞肥大，增生，進(jìn)行化合物神經(jīng)毒性研究，最終獲得高通量的、準(zhǔn)確的神經(jīng)毒性相關(guān)信息。Radio等［18］采用以PC12細(xì)胞系運(yùn)用HCA方法，通過(guò)觀察化合物對(duì)軸突生長(zhǎng)的影響，確定化合物潛在的神經(jīng)發(fā)育毒性，對(duì)5種具有明顯軸突生長(zhǎng)抑制作用的化合物再評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)其中3種化合物的神經(jīng)毒作用主要與降低細(xì)胞活力相關(guān)。

人多能干細(xì)胞來(lái)源的功能相關(guān)、終端分化的純細(xì)胞，是藥物發(fā)現(xiàn)與毒理學(xué)檢測(cè)的一個(gè)理想模型。Hesley等［19］采用高內(nèi)涵特有的大CCD系統(tǒng)，以人iPSC-derived iCell?為模型，用抗β微管蛋白熒光抗體標(biāo)記微管顯示神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，Hoechst染核，并用CellMeterTMJC-10標(biāo)記線粒體，鈣黃綠素/AM標(biāo)記神經(jīng)突起，從神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、線粒體膜完整性等形態(tài)表型的變化觀察了不同劑量的激酶抑制劑星孢素，MK571，抗霉素A(antimycin A)，和絲裂霉素C對(duì)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的影響，比較了抗霉素A和纈氨霉素對(duì)細(xì)胞線粒體毒性相關(guān)的神經(jīng)細(xì)胞損傷作用，并通過(guò)神經(jīng)生長(zhǎng)和Transfluor?(可識(shí)別細(xì)胞內(nèi)2種以上完全不同的顆粒和小點(diǎn))分析模塊，獲得了藥物毀損神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和線粒體膜完整性的毒效-濃度曲線。證實(shí)絲裂霉素C和星孢素較MK571，抗霉素A神經(jīng)細(xì)胞毒性更強(qiáng)，IC50相差10倍左右;纈氨霉素和抗霉素A劑量依賴地阻斷線粒體的氧化呼吸，前者IC50值低于后者約300倍?？梢?，結(jié)合人多能干細(xì)胞來(lái)源的神經(jīng)細(xì)胞，HCA是神經(jīng)毒性的早期檢測(cè)的有效的工具。

2.4 HCA用于心臟毒性的分析

心臟毒性是導(dǎo)致藥物撤市或未能完成臨床評(píng)價(jià)的重要原因之一。提高臨床前特別藥物研發(fā)早期的心臟毒性評(píng)價(jià)的可預(yù)測(cè)性十分迫切。現(xiàn)有的體外毒性評(píng)價(jià)的研究模型主要有工程化的心肌組織和原代心肌細(xì)胞、細(xì)胞系及胚胎干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞［20］。原代心肌細(xì)胞主要來(lái)源于動(dòng)物，并且維持困難，可讀信息少，而工程化心肌組織尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。因此，細(xì)胞系及生物相關(guān)性最強(qiáng)的人多能干細(xì)胞誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞成為現(xiàn)代心臟毒性研究的最好模型，并有商品化產(chǎn)品，如GE公司的CytivaTM心肌細(xì)胞來(lái)自于人類胚胎干細(xì)胞，Cellular Dynamics公司的iCell?心肌細(xì)胞。這種細(xì)胞可形成能收縮的單細(xì)胞層，表達(dá)心臟相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子、結(jié)構(gòu)蛋白和具有功能的離子通道，結(jié)合HCA技術(shù)，可以檢測(cè)心臟毒性藥物影響的細(xì)胞行為和表型，包括線粒體呼吸、質(zhì)膜完整性和胞內(nèi)鈣離子濃度波動(dòng)等其它細(xì)胞形態(tài)微小的變化。GE公司［21］使用HCA檢測(cè)了在臨床產(chǎn)生心肌毒性的藥物多柔比星、抗霉素A、胺碘酮、雙氯芬酸、齊多夫定和硝苯地平對(duì)CytivaTM心肌細(xì)胞的影響，觀察了處理24，48和72 h細(xì)胞明場(chǎng)成像引起的形態(tài)學(xué)的變化和四色熒光標(biāo)記的細(xì)胞核、線粒體膜電位、質(zhì)膜完整性和胞內(nèi)鈣離子濃度的變化，可以看出不同藥物產(chǎn)生不同的細(xì)胞圖像。通過(guò)整理每個(gè)藥物處理后得到54個(gè)細(xì)胞學(xué)參數(shù)，經(jīng)過(guò)主成分分析簡(jiǎn)化為3個(gè)主要成分，由主成分的多維點(diǎn)展示的實(shí)驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)可以揭示藥物作用總趨勢(shì)和不同之處，可以很容易看出前3個(gè)藥物產(chǎn)生明顯的急性毒性反應(yīng)，后3個(gè)藥物產(chǎn)生的毒性是累積的，這與文獻(xiàn)報(bào)道一致。在比較前3個(gè)藥物的心肌細(xì)胞表型譜特征時(shí)很容易辨別出，由線粒體超氧化生成物介導(dǎo)的心肌細(xì)胞毒性時(shí)多柔比星與抗霉素A最早產(chǎn)生，胺碘酮產(chǎn)生的毒性反應(yīng)同時(shí)產(chǎn)生，但多柔比星表現(xiàn)為明顯的劑量依賴關(guān)系，抗霉素A和胺碘酮顯示為閾值反應(yīng)類型，這與臨床上其狹窄的毒性-療效范圍相對(duì)應(yīng)。MD公司［22］采用iCell?心肌細(xì)胞也獲得相同的結(jié)果。另外，MD公司通過(guò)比較膜片鉗與HCA測(cè)定iCell?心肌細(xì)胞鈣通道、鉀通道與胞內(nèi)鈣離子濃度波動(dòng)的研究結(jié)果，確認(rèn)高內(nèi)涵成像能夠?qū)崟r(shí)分析心肌細(xì)胞搏動(dòng)。此外，利用H9C2細(xì)胞系，一種來(lái)源于BD1X品系大鼠心臟的細(xì)胞，Kim等［23］在H9C2細(xì)胞建立了HCA心臟毒性藥物的檢測(cè)方法，定量監(jiān)測(cè)胞內(nèi)離子濃度、鉀離子通道的通透性和細(xì)胞凋亡/壞死等毒性相關(guān)靶標(biāo)的信息，評(píng)價(jià)西沙必利、地高辛、喜樹堿和新合成的抗腫瘤藥物(SH-03)的潛在心臟毒性，并進(jìn)行化合物心臟毒性機(jī)制的研究。說(shuō)明高內(nèi)涵檢測(cè)心肌細(xì)胞毒性已建立最完善技術(shù)平臺(tái)，是電生理或其他傳統(tǒng)辦法無(wú)法比擬的技術(shù)。

2.5 HCA用于發(fā)育毒性分析

藥物誘發(fā)的血管缺陷是人體四肢畸形和其他系統(tǒng)發(fā)育異常的潛在基礎(chǔ)，血管異常又是形成流產(chǎn)相關(guān)的胎盤缺陷的基礎(chǔ)。因此，觀察藥物對(duì)血管生成及血管發(fā)生的影響可以預(yù)測(cè)藥物的發(fā)育毒性。

斑馬魚是現(xiàn)代藥物篩選的新研究對(duì)象，屬于脊椎動(dòng)物，其器官在解剖、生理和分子水平都與人類非常相似，其節(jié)間血管(ISV)與哺乳動(dòng)物毛細(xì)血管相當(dāng)，軸向血管相當(dāng)于大血管(如動(dòng)脈)，而毛細(xì)血管和主血管發(fā)育分別屬于血管生成和血管發(fā)生［24］。此外，斑馬魚胚胎具有體型小，易培養(yǎng);透明，適于圖像為基礎(chǔ)的檢測(cè)。因此，近年來(lái)可利用轉(zhuǎn)基因斑馬魚胚胎，結(jié)合HCA的篩選優(yōu)勢(shì)進(jìn)行藥物或毒物的血管發(fā)育毒性的相關(guān)研究，如Vogt等［25］利用Tg(Fli1∶EGFP)y1熒光標(biāo)記血管的轉(zhuǎn)基因斑馬魚胚胎，評(píng)價(jià)化合物對(duì)其胚胎血管發(fā)育的影響，從血管長(zhǎng)度與總面積兩個(gè)參數(shù)來(lái)對(duì)化合物的毒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，檢測(cè)化合物對(duì)血管生成的影響。HCA結(jié)合斑馬魚模型的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了整體水平快速、高通量的檢測(cè)小分子藥物對(duì)血管形成和發(fā)育的影響。

2.6 HCA用于藥物毒理學(xué)分子機(jī)制研究

藥物的毒理學(xué)效應(yīng)是通過(guò)藥物作用于細(xì)胞/組織，擾亂細(xì)胞內(nèi)正常信號(hào)通路和調(diào)節(jié)作用，最終產(chǎn)生毒理學(xué)效應(yīng)。隨著細(xì)胞和分子生物學(xué)的理論和技術(shù)的快速發(fā)展，在細(xì)胞水平測(cè)試藥物毒性反應(yīng)的信號(hào)通路的變化，闡明分子機(jī)制成為可能［26］。近來(lái)有觀點(diǎn)認(rèn)為，藥物產(chǎn)生毒性反應(yīng)的信號(hào)通路的變化可作為特征性毒性反應(yīng)的標(biāo)志，是預(yù)測(cè)人類毒性的有效工具和可能取代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的新的安全性的評(píng)價(jià)方法［27］。而HCA分析的最大優(yōu)勢(shì)就是能在細(xì)胞水平對(duì)信號(hào)通路的變化進(jìn)行高內(nèi)涵的定量分析。目前正在建立毒性通路與毒效的關(guān)系，希望能為藥物毒性預(yù)測(cè)和早期發(fā)現(xiàn)提供有效工具。

3 展望

作為新藥篩選革命性的新技術(shù)，HCA不僅提供了細(xì)胞水平全方位的檢測(cè)平臺(tái)，也為發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)的研究提供了高效的工具。但截至目前，與體內(nèi)毒性對(duì)應(yīng)的HCA早期毒性的方法與模型數(shù)量仍然有限，其毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與體內(nèi)毒性相關(guān)性的綜合性分析尚十分不足，新方法仍在探索中。因此，運(yùn)用HCA實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)人類體內(nèi)毒性尚處于起步與發(fā)展階段。相信隨著HCA技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，HCA試劑、多參數(shù)篩選方法以及與之匹配的軟件功能的進(jìn)一步增強(qiáng)，系統(tǒng)生物學(xué)的結(jié)合，HCA勢(shì)必為體外評(píng)價(jià)化合物潛在人類器官毒性、從機(jī)制上了解候選藥物的安全性提供高效的手段。

［1］Schoonen WG，Westerink WM，Horbach GJ.High-throughput screening for analysis of in vitro toxicity［J］.EXS，2009，99:401-452.

［2］Kola I，Landis J.Can the pharmaceutical industry reduce attrition rates?［J］.Nat Rev Drug Discov，2004，3(8):711-715.

［3］Dragunow M.High-content analysis in neuroscience［J］.Nat Rev Neurosci，2008，9(10):779-788.

［4］Xu JJ，Diaz D，O'Brien PJ.Applications of cytotoxicity assays and pre-lethal mechanistic assays for assessment of human hepatotoxicity potential［J］.Chem Biol Interact，2004，150(1):115-128.

［5］Rausch O.High content cellular screening［J］.Curr Opin Chem Biol，2006，10(4):316-320.

［6］O'Brien PJ，Irwin W，Diaz D，Howard-Cofield E，Krejsa CM，Slaughter MR，et al.High concordance of drug-induced human hepatotoxicity with in vitro cytotoxicity measured in a novel cellbased model using high content screening［J］.Arch Toxicol，2006，80(9):580-604.

［7］O'Brien P，Haskins JR.In vitro cytotoxicity assessment［M］∥Taylor DL，Haskins JR，Giuliano KA.High Content Screening:A Powerful Approach to Systems Cell Biology and Drug Discovery.Totova:Humana Press，2007:424.

［8］Kim JA，Han E，Eun CJ，Tak YK，Song JM.Real-time concurrent monitoring of apoptosis，cytosolic calcium，and mitochondria permeability transition for hypermulticolor high-content screening of drug-induced mitochondrial dysfunction-mediated hepatotoxicity［J］.Toxicol Lett，2012，214(2):175-181.

［9］Tolosa L，Pinto S，Donato MT，Lahoz A，Castell JV，O'Connor JE，et al.Development of a multiparametric cell-based protocol to screen and classify the hepatotoxicity potential of drugs［J］.Toxicol Sci，2012，127(1):187-198.

［10］Peng SQ，Hao WD，Wu YJ.Toxicology Alternative Method(毒理學(xué)替代法)［M］.Beijing:Military Medical Science Press，2008:396-430.

［11］Diaz D，Scott A，Carmichael P，Shi W，Costales C.Evaluation of an automated in vitro micronucleus assay in CHO-K1 cells［J］.Mutat Res，2007，630(1-2):1-13.

［12］Scott A，Malcomber S，Maskell S，Moore C，Windebank S，Diaz D，et al.An assessment of the performance of an automated scoring system(Cellomics)for the in vitro micronucleus assay in CHO-K1 cells［J］.Toxicol，2007，231(2-3):111-112.

［13］Gasparri F，Ciavolella A，Galvani A.Cell-cycle inhibitor profiling by high-content analysis［J］.Adv Exp Med Biol，2007，604:137-148.

［14］Howell BJ，Lee S，Sepp-Lorenzino L.Development and implementation of multiplexed cell-based imaging assays［J］.Methods Enzymol，2006，414:284-300.

［15］Xu B，Du GH.Methods for in vitro assessment of neurotoxicants［J］.Chin J Pharmacol Toxicol(中國(guó)藥理學(xué)與毒理學(xué)雜志)，2008，22(4):311-315.

［16］Sakai Y，Shoji R，Mishima Y，Sakoda A，Suzuki M.Rapid and sensitive neurotoxicity test based on the morphological changes of PC12 cells with simple computer-assisted image analysis［J］.J Biosci Bioeng，2000，90(1):20-24.

［17］Anderl JL，Redpath S，Ball AJ.A neuronal and astrocyte coculture assay for high content analysis of neurotoxicity［J］.J Vis Exp，2009，(27):1173-1180.

［18］Radio NM，Breier JM，Shafer TJ，Mundy WR.Assessment of chemical effects on neurite outgrowth in PC 12 cells using high content screening［J］.Toxicol Sci，2008，105(1):106-118.

［19］Hesly J，Sirenko O，Sridhar K，Luke S.Acceletating your high content Imaging:A case study using neuronal toxicity screening［EB/OL］.［2011-08-30］http://www.moleculardevices.com/Documents/general-documents/scientific-posters/imaging-posters/2012%20Poster%20HCA_NeuroTox_PowerCore.pdf.

［20］Kettenhofen R，Bohlen H.Preclinical assessment of cardiac toxicity［J］.Drug Discov Today，2008，13(15-16):702-707.

［21］GE.High-content analysis of a live multiplexed cytotoxicity study using cardiomyocytes［EB/OL］.［2010-10-11］.https://promo.gelifesciences.com/NA/k11286/misc/cytiva/App_note_28985916AA.pdf.

［22］MD.Automated functional cellular analyses of human iPS-derived cardiomyocytes.［2010-10-11］.http://www.moleculardevices.com/Documents/general-documents/scientific-posters/flipr-posters/2011_WPC_Cardiomyocyte_FLIPR_Imaging.pdf.

［23］Kim MJ，Lee SC，Pal S，Han E，Song JM.High-content screening of drug－induced cardiotoxicity using quantitative single cell imaging cytometry on microfluidic device［J］.Lab Chip，2011，11(1):104-114.

［24］Yang SL，Xue QZ，Wang Y，Guo ZY，Qin S.Roles of vascular endothelial growth factor and its Receotirs in embryonic zebrafish vascular development［J］.Acta Biophys Sin(生物物理學(xué)報(bào))，2009，25(1):1-8.

［25］Vogt A，Cholewinski A，Shen X，Nelson SG，Lazo JS，Tsang M，et al.Automated image-based phenotypic analysis in zebrafish embryos［J］.Dev Dyn，2009，238(3):656-663.

［26］Elespuru RK.Future approaches to genetic toxicology risk assessment［J］.Mutat Res，1996，365(1-3):191-204.

［27］Zhang Q，Bhattacharya S，Andersen ME，Conolly RB.Computational systems biology and dose-response modeling in relation to new directions in toxicity testing［J］.J Toxicol Environ Health B Crit Rev，2010，13(2-4):253-276.

Application progress of high content analysis in discovery toxicology

LIU Li-bo，WANG Li-li
(Department of Medicinal Chemistry，Institute of Pharmacology and Toxicology，Academy of Military Medical Sciences，Beijing100850，China)

One important strategy for improving efficiency of new drug research and discovery is applying discovery toxicology earlier in the drug development process.High content analysis(HCA)，a new technology based on efficient drug screening，employs image based cellular assays in a real-time，high throughput and multiparameter analysis format，allowing identify a variety of biological and toxicological activity of compounds rapidly and early.Thus HCA provides a high-efficient technique for the discovery toxicology study.Currently，HCA has been applied in testing various cytotoxicity，genotoxicity，neurotoxicity，vessles toxicity，reproductive toxicity etc.In addition to those，the molecular mechanism of toxicology could also be studied with HCA.This paper reviewed the progressing of HCA in discovery toxicology.

high content analysis;discovery toxicology;drug toxicity

The project supported by National Key Technologies R＆D Program for New Drug(2012ZX09301003-003)

WANG Li-li，E-mail:wangll63@yahoo.com.cn，Tel:(010)66932674

R99

A

1000-3002(2012)06-0893-04

10.3867/j.issn.1000-3002.2012.06.020

國(guó)家“重大新藥創(chuàng)制”重大專項(xiàng)(2012ZX09301003-003)

劉利波(1983－)，男，碩士研究生;王莉莉(1963－)，女，博士，研究員，主要從事新藥篩選及分子藥理學(xué)研究。

王莉莉，E-mail:wangll63@yahoo.com.cn，Tel:(010)66932674

2011-11-10接受日期:2012-09-19)

(本文編輯:付良青)