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創薬早期における心循環器毒性評価法に関する研究

磯部, 剛仁 東京大学 DOI:10.15083/0002004208

2022.06.22

概要

医薬品の研究開発において、不整脈や心不全、高血圧など心循環系の副作用は生命に即刻あるいは長期的に影響を及ぼす毒性として重篤性が高く、臨床段階および非臨床段階における開発中止の主要な原因となる。心循環器リスクの少ない薬を効率的に創出するためには、非臨床における心循環器毒性評価法を開発、確立し、心循環器リスク回避戦略を立てることが重要となる。本研究では、心機能と血圧それぞれについて創薬早期段階に応用可能であり、総合的な評価法として臨床相関性に優れた評価系の確立を目指した。

心機能の評価においてヒトiPS細胞由来心筋細胞(hiPS-CMs)が応用されつつある。hiPS-CMsは心筋細胞の主要なイオンチャネルを発現し活動電位を発生させることが可能であり、また電気的に接合された1つの細胞塊として同期して収縮する性質を有する。これら性質からhiPS-CMsは催不整脈リスク、興奮伝導障害、収縮不全など多様な心毒性の評価に応用できるポテンシャルがあり、画期的な心機能評価ツールになる可能性がある。Motion field imaging(MFI)技術は、高い時空間解像度にて位相差像を撮像し、心筋細胞の動きを非侵襲的な方法により測定、解析可能である。さらにマルチウェルプレートを用いた測定システムのため高いスループットが実現され、創薬早期に応用可能である。本研究では心機能の新規評価系として、MFI技術を用いたhiPS-CMs評価系の確立を目指した。

最初にMFIによりhiPS-CMsの伝導・収縮の基本特性を明らかにすることを目的とした。4倍対物レンズを用い、縦横2.8mm×2.8mmの領域の心筋細胞の位相差像を解析することにより、興奮伝導、収縮力、拍動数、再分極時間の指標を同一標本から同時測定し、安定的にデータを取得可能であった。心臓の興奮伝導と収縮を調節する典型的な薬理作用を有する薬物としてNa+チャネル阻害薬(lidocaine)、Ca2+チャネル阻害薬(diltiazem)、β受容体賦活薬(isoproterenol)、ギャップ結合阻害薬(carbenoxolone)を使用し、薬理反応をモルモット灌流心臓標本モデル(ランゲンドルフ灌流心モデル)と比較した。その結果、lidocaineおよびdiltiazemにより伝導速度と収縮力(maximum contraction speed: MCS)の低下が、isoproterenolにより伝導速度の上昇とMCSの増大が、carbenoxoloneにより伝導速度の低下が認められ、これらhiPS-CMsにおける反応はランゲンドルフ灌流心における心室伝導速度(QRS幅)や収縮力(LVdP/dtmax)の反応と一致していた。したがって、MFIを用いたhiPSCMs評価が心機能評価に応用できることが示された。

次にhiPS-CMsを用いた総合的な心機能評価系の確立を目的として、社内検体9化合物と対照薬4化合物を追加し多検体によるバリデーションを実施した。hiPS-CMsの再分極時間の指標であるcontraction-relaxation duration(CRDc)を解析したところ、マルチチャネル阻害薬において、ランゲンドルフ灌流心でQT延長が認められたにも関わらずhiPS-CMsではCRDcが短縮するかあるいは作用が認められなかった。この原因を調べるため、hERG、Cav1.2、Nav1.5の3種のイオンチャネルの阻害作用についてオートパッチクランプシステムを用いて検討したところ、hERGとCav1.2の阻害活性の比率(Cav1.2IC50/hERGIC50)が1から10の間にある化合物ではhiPS-CMsとランゲンドルフ灌流心の再分極時間の反応に乖離が認められ、Cav1.2IC50/hERGIC50が1未満あるいは10より大きい化合物では両モデルで反応が一致することが明らかとなった。拍動数について、hiPS-CMsとランゲンドルフ灌流心の反応の一致率は47%と低かったが、その理由はCa2+阻害作用によりhiPS-CMsで拍動数が上昇したためであり、本研究に用いたhiPS-CMs(iCell®)に特有の反応であると考えられた。興奮伝導速度、収縮力の反応についてhiPS-CMsの検出率はそれぞれ83%および80%であり、ランゲンドルフ灌流心におけるQRS幅とLVdP/dtmaxの変化が高感度で検出された。本研究において多検体を用いた包括的バリデーションの結果から、hiPS-CMsとランゲンドルフ灌流心モデルの薬理反応は概ね一致しており、MFIを用いたhiPS-CMs評価系は多岐にわたる心リスクを網羅的に評価可能であり、さらに創薬早期に応用可能な有用な心機能評価系であると考えられた。いくつかの化合物でhiPS-CMsとランゲンドルフ灌流心で再分極時間や拍動数の反応に乖離が認められたものの、その理由が心筋イオンチャネルの阻害プロファイルによって説明された。したがって、MFIを用いたhiPS-CMs評価系にイオンチャネルプロファイリングを組み合わせた統合的な心リスク評価が推奨される。

血圧の評価において、自律神経系や内分泌系など様々な生体調節機構の影響を総合的に評価できる点でinvivo評価系の有用性が高い。テレメトリー送信器を用いた無麻酔非拘束下における血圧測定はラット等の小動物でも確立されており、評価に必要な検体量が比較的少ないことから創薬早期段階の血圧評価に応用できる可能性がある。近年臨床において血圧上昇が生じる薬物クラスとして血管内皮増殖因子(vascular endothelial growth factor: VEGF)シグナル阻害剤が報告され、重篤な高血圧を引き起こす場合があり問題となっている。VEGFシグナル阻害による血圧上昇では、投薬開始後数日間かけて血圧が徐々に上昇する特徴があり、従来の単回投与による急性作用を検討するだけでなく、反復投与により生じる血圧上昇を評価する必要性が示唆されている。通常反復投与による血圧評価は非臨床段階後期で大動物を用いた反復投与毒性試験の中において評価されることから、VEGF阻害性の血圧上昇リスクをより早期段階において検出し評価することが課題である。そこで本研究では、VEGF阻害性血圧上昇におけるテレメトリーラットモデルの臨床相関性を検討し、創薬早期段階における血圧評価法としてテレメトリーラットの有用性を明らかにすることを目指した。

強力なVEGFチロシンキナーゼ受容体の阻害剤であり、臨床において主要な副作用として高血圧が生じるcediranib、sunitinib、およびsorafenibを4日間反復経口投与し、無麻酔非拘束下での血圧測定と、pharmaco kinetics(PK)の計測を行った。3薬剤とも4日間の投与期間に有意な血圧上昇が認められ、休薬により回復した。この血圧の経時的変化は臨床結果と類似していた。また、3薬剤ともラットにおいて10mmHg程度の有意な血圧上昇が生じる血漿中濃度時間曲線化面積(Area under the curve: AUC)は、臨床において中程度から重篤な高血圧が生じるAUCと同程度であった。これらの結果はVEGFシグナル阻害剤による高血圧について非臨床と臨床がトランスレーショナルであることを示しており、臨床における高血圧リスクを予測するうえでラットを用いた非臨床評価が有用であることが示された。VEGFシグナル阻害剤による血圧上昇機序は生体内因子であるVEGFによるNOS活性化が阻害されるためと考えられ、単純なin vitro摘出血管標本モデルではVEGF阻害性血圧上昇リスクを評価することはできないと考えられる。テレメトリーラットモデルは、in vivo評価系として生体内因子や代謝物の影響が評価可能であり、臨床投与経路で薬物を投与し、PKプロファイルと合わせて総合的な血圧リスク評価が可能なため臨床相関性に優れ、創薬早期段階における有用な血圧リスク評価系であると考えられた。

以上より、本研究では心機能と血圧それぞれについて創薬早期段階に応用可能であり臨床相関性に優れた評価系を確立した。心機能の新規評価系としてMFIを用いたhiPS-CMs評価系を確立し、これまで心臓全体を用いたex vivo実験や生体を用いたin vivo実験でしか測定できなかった複数の心機能パラメータの網羅的評価が、創薬早期段階から可能になった。また、VEGF阻害性の血圧上昇リスク評価系としてテレメトリーラットの有用性を明らかにし、反復投与による血圧上昇を早期段階で評価可能な方法を確立した。心循環器リスク評価では、ヒトに投与される前の最終段階においてテレメトリー埋め込み大動物(イヌ、サル等)を用いた無麻酔非拘束下の心電図、心収縮力、血圧の測定を行い、心循環器リスクの総合的な評価が行われる。しかしながらその段階において心循環器毒性が検出された場合、開発遅延の影響が大きくなるとともに費用面の損失も大きい。本研究において開発・確立した心循環リスク評価系は網羅的な心循環器リスクを創薬早期段階において検出し評価することを可能にし、創薬開発の効率を大幅に上げる画期的な評価法であると考えられた。

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参考文献

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