hERG及其在药物研发中的评价

药物安全性评价在药物研发过程中扮演着极其重要的角色，随着一些非心血管类药物相继被发现会诱发获得性QT间期延长综合症(LQTS)，导致严重的心律失常(Torsade de Pointes，TdP)而退出市场后，药物对心脏的安全性评价显得格外重要。心脏的QT间期是指从QRS波群开始到T波结束的一段时间，包括心室去极化和复极化的过程，QT间期延长正受到越来越多的关注，并且被认为是新药安全性评价的关键指标之一。

在心肌细胞中，hERG (human Ether-a-go-go Related Gene)编码的钾通道介导一种延迟整流钾电流(IKr)，IKr抑制是药物导致QT间期延长最重要的机制。hERG因其特殊的分子结构(如图1)，其功能的缺失或药物抑制都会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。

图1

hERG钾离子通道作为抗心律失常药物治疗的标靶，也越来越体现出在新药安全性检测和新药开发过程中。目前，检测化合物对hERG钾通道的作用已是临床前评价化合物心脏安全性的关键步骤，也是美国食品药品管理局(FDA)和欧洲药品评价局(EMEA)等管理机构要求的新药报批必备资料，以此规避药物心脏毒性的风险。据估计，每提高10%药物致心律失常的预测率，在药物开发过程中每个药物就可以节省1亿美元的开发成本。hERG钾离子通道在药物研发中起到如此重要的指导作用，接下来，本文就简要介绍下hERG抑制的相关知识。

hERG 简介

hERG基因最初是由Warmke等在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55kb，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、脏肝、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。由于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)(如图2)。1995年，Sanguinetti等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-30mV左右时快速激活，并持续到3相动作电位末期。因此，hHERG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。

图2 

hERG抑制

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。hERG抑制分为遗传性(原发性)和非遗传性(继发性)两类。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。

在过去几十年内很多药物由于hERG抑制，而出现心脏毒性被迫撤出市场或被限制使用。随着人们对药物抑制hERG(hERG的药物结合位点如图3)了解的不断加深，很多抗生素、抗心率失常、抗精神病、抗真菌、抗疟疾药物等都有hERG抑制。如上个世纪80年代上市的抗组胺药特非那定，由于当时药物学家对hERG抑制几乎没什么认识，根本没考虑到要对特非那定进行心脏毒性的测试，也就不可能发现特非那定分子本身对钾离子通道有较强的抑制作用(即hERG抑制)，所以当大量的患者出现心律副作用后，1990年，FDA不得不给特非那定加上了心律副作用的警告，两年之后又升级为严重的“黑框警告”。1997年，在刚刚批准它成为非处方药之后没多久，FDA最终勒令特非那定撤市，结束了这个原创药的商业旅程，从而造就另一没有hERG抑制的重磅抗组胺药氯雷他定的市场霸主地位。

图3

hERG抑制的评价技术

随着研究的不断深入，hERG抑制的安全性评价技术也日趋成熟，目前市场上已经有了很多成熟的评价手段，如全自动膜片钳技术(Automated Patch-Clamp)，传统膜片钳技术(Conventional Patch-Clamp) 和FluxORTM Thallium Assay。

全自动膜片钳技术(hERG Qpatch assay)：传统膜片钳技术通过特制的玻璃管吸附于细胞表面，形成高阻抗千兆欧封接，可精确记录离子通道介导的电流的变化，被认为是研究离子通道的“金标准”，但其对操作人员的技术要求较高，通量低，无法满足目前药物研发对hERG毒性评价的大量需求。

传统膜片钳技术(hERG manual patch-clamp asssay)：膜片钳技术(Conventional Patch-Clamp) 是研究离子通道最重要的技术手段，被公认为是离子通道研究的“黄金标准”，是最精确的测量离子通道的实验方法，适用于研究化合物与离子通道作用的作用机制，亦可用于新药申报过程中候选药物的毒性评价和先导化合物的结构优化。

FluxORTM Thallium Assay：Thallium assay使用FluxORTM荧光染料发光的方法测试化合物对hERG钾通道的影响。对铊敏感的荧光染料被加载到细胞膜内，细胞外的铊离子通过开放的hERG钾离子通道顺浓度梯度进入细胞内，与荧光染料结合后产生荧光。FluxORTM thallium assay在国际上已经被制药公司及科研机构广泛用于化合物hERG活性检测，因其可以在96孔板或384孔板上进行测试，达到高通量的要求，适用于化合物初筛及先导化合物优化。

有了先进的药物心脏毒性评价设备和雄厚的实验数据做背书，不仅降低了药物研发的风险，同时也大大推进了药物研发的进程。当然也为患者用上更加安全有效的药提供一定的保障。

结语

目前，为了满足患者的需求，全世界对于新药研发都投入了大量的财力、物力，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。上个世纪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进行测试评价，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，也不可避免地造成各种资源的巨大浪费。所以现在越来越多的药企都比较谨慎，所做的相关项目基础研究也更为全面细致，以尽量降低因hERG抑制而夭折的风险，对于整个新药研发周期及投入而言，这方面研究所耗时间不长，投入也不多，越晚开始相关研究，因这个风险而导致的损失也是越为严重的。

参考文献

[1] Warmke JW, GanetzkyB. A family of potassium channel genes related to eag in Drosophila and mammals Proc Natl Acad Sci USA 1994,91 (8):3438-3442.

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/HERG

[3] Sanguinetti MC, Jiang C, Curran ME,et al. A mechanistic link between an inherited and an acquired cardiac arrhythmia: HERG encodes the Ikr potassium channel. Cell，1995,127:243-251.

[4] Tsujimae K, Suzuki S, Yamada M,et al. Comparison of kinetic properties of quinidine and dofetilide block of HERG channels. Eur J Pharmacol，2004, 493(1-3):29-40 [5] Brown AM. Drugs, hERG and sudden death.Cell Calcium，2005, 35(6):543-547.

[5] StephenB. Long et al.Crystal Structure of a Mammalian Voltage-Dependent yShaker family K+channel. Science 309,897(2005).

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