综述：评估植物药心脏毒性潜力的方法开发

《Frontiers in Toxicology》：Developing an approach for evaluating the cardiotoxic potential of botanicals

本文系统阐述了植物安全性联盟（BSC）心脏毒性工作组利用新方法（NAM）评估植物复杂混合物心脏毒性的创新策略。文章重点介绍了基于人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CM）的体外模型，如微电极阵列（MEA）、光学映射、线粒体功能测定和收缩力测量等关键技术，并选取乌头、麻黄等16种特征明确的植物提取物作为案例进行研究。该工作旨在建立高通量、高预测性的人类相关性心脏毒性筛查工具包，推动植物药安全性评估从传统动物试验向更高效、更可靠的NAM转变。

　　

1 引言

植物药（如源自植物、藻类或真菌的提取物）在全球范围内的使用日益广泛，消费者期望借此促进健康、管理症状或预防疾病。然而，这些产品在上市前的毒性测试往往有限。传统毒性测试（如啮齿类动物试验）因植物药作为复杂混合物的性质以及化学成分批次间差异的潜在可能性而变得复杂。心脏毒性是一个关键关注领域，因为对心血管系统的不良影响可能造成严重后果。虽然不常见报道，但已有心脏不良事件的报告。新方法（NAM）为评估植物药的心脏毒性提供了与人类相关、高效、创新且成本效益高的解决方案。植物安全性联盟（BSC）成立，旨在聚焦于识别合适的NAM，以筛查这些广泛使用的产品相关的潜在毒性。本手稿概述了BSC心脏毒性工作组评估用于评估植物药潜在心脏毒性的NAM的方法。

鉴于心血管疾病的流行及其对发病率和死亡率的显著贡献，保护心脏健康是临床和公共卫生领域的优先事项。尽管植物药引起的心脏毒性报告不常见，但这并不意味其安全性，因为市场上许多植物药尚未经过心脏毒性评估。确有研究将某些植物药与心脏毒性联系起来。因此，BSC心脏毒性工作组致力于开发高效的筛查策略，以帮助识别具有潜在心脏毒性的植物药。

2 用于心脏毒性筛查的选定检测方法

为有效筛查植物药诱导的心脏毒性，需要一套能够捕捉与心脏相关的一系列机制的检测方法。当前检测组合中包含的检测方法由心脏体外工具专家建议和选定，大多数专家具有类似全面体外致心律失常 assay（CiPA）等项目的经验。选择检测方法时，专家们确定了那些已建立且可重复、与植物药诱导心脏毒性的关键机制相关、并且易于获取的技术。

2.1 体外细胞系

大多数为此项工作选定的检测方法使用了人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CM）。尽管hiPSC-CM常表现出胎儿样表型，但它们表达成年心肌细胞中发现的所有主要心脏离子通道。此外，hiPSC-CM正被广泛评估作为心脏安全性评估的替代模型。虽然这些检测方法已广泛用于测试药物，但用于检测复杂混合物（如环境样品或植物提取物）诱导的心脏毒性的应用尚未被广泛报道，仍需测试和评估。

2.2 微电极阵列

微电极阵列（MEA）记录通过记录hiPSC-CM单层细胞的细胞外场电位，提供了一种非侵入性、动力学的方法来研究心肌细胞功能。使用在MEA上培养的自发活性hiPSC-CM作为心脏毒性评估的生理相关模型，可以评估对多个心脏靶点（包括离子通道）的影响。记录的场电位与通常使用膜片钳记录测量的细胞内动作电位相关。此外，药物对场电位的影响与标准功能性心脏电生理方法有很好的相关性。细胞外场电位记录允许研究几个功能参数，包括搏动频率、场电位时程和峰值振幅。这些参数与心电图（ECG）中的心率、QT间期和QRS波群振幅相似，从而能够将体外发现转化为体内效应。因此，在MEA上培养的hiPSC-CM具有巨大潜力用于研究药物诱导的电生理改变、致扭转型室性心动过速潜力和心律失常。

2.3 电压变化的光学映射

电压敏感性染料允许通过光学成像评估膜电位变化。这些染料结合到细胞膜外表面而不破坏功能，其荧光强度随膜电位变化而变化。该方法能够评估hiPSC-CM中的动作电位波形和时程，提供与QT间期评估相关的见解。光学映射可以提供比MEA更高的时空分辨率，并且可以捕捉关键的电生理参数，如动作电位时程、异质性和传导速度。将传导速度纳入致心律失常风险评估模型提高了预测准确性。鉴于其检测细微电生理改变的能力，光学映射已广泛应用于药物筛选。

2.4 细胞内钙瞬变的光学映射

细胞内钙瞬变的变化为了解心肌细胞功能提供了关键见解，因为钙处理异常与致心律失常、收缩功能障碍和其他心脏病理有关。钙瞬变的光学映射以与电压敏感性染料光学映射类似的方式进行，主要区别在于所用染料的类型。用于映射细胞内钙瞬变的荧光染料对从铺板细胞释放的钙离子产生反应。鉴于植物药可能影响钙处理，光学映射可能是评估其心脏作用的有价值工具。

2.5 线粒体功能

线粒体功能障碍是心脏毒性的一个关键因素，导致ATP产生受损、氧化应激增加和细胞死亡，所有这些都会损害心脏功能。Seahorse细胞线粒体压力测试是一种广泛使用的检测方法，通过实时测量活细胞的耗氧率（OCR）来评估线粒体功能。该检测方法测量关键参数，包括基础呼吸、ATP关联呼吸、最大和备用呼吸能力以及非线粒体呼吸。线粒体功能在心肌细胞中尤其重要，因为ATP产生直接支持心脏收缩和血管功能。虽然其对植物提取物的应用探索较少，但这种方法可以深入了解影响线粒体功能的植物源化合物。

2.6 收缩力

心脏毒性的体外评估通常涉及测量收缩力，可以通过直接或基于阻抗的技术进行。收缩力的直接测量通常利用分离的心肌细胞或组织构建体，其中机械传感器检测细胞收缩过程中产生的力。或者，阻抗测量提供了一种评估收缩性的非侵入性方法，通过检测心肌细胞收缩和舒张时电阻的变化。FLEXcyte 96技术将收缩力测量和基于阻抗的评估集成在96孔板格式中，提供了生理相关的机械环境。

2.7 安全药理学筛查

安全药理学筛查广泛用于识别对关键器官系统（尤其是心脏）的潜在不良影响。这些筛查汇集了捕捉心肌细胞功能不同方面的互补检测方法，如兴奋性、钙处理和收缩性。虽然广泛用于制药行业，但安全药理学检测通常侧重于单一靶点，可能错过更广泛的药理作用。

3 植物药案例研究

为评估上述筛查检测方法，心脏毒性工作组提名了植物药作为示范案例研究。在选择中，几种通常不作为膳食补充剂服用（如乌头、夹竹桃和康富利），但其已知的毒性使其成为检测方法的有用案例研究。除了心脏毒性工作组特别选择的植物药外，其他工作组也选择了其他植物药作为案例研究，可能关于心脏毒性的数据有限或没有数据。BSC选择的植物药基于现有文献，并优先考虑包含化学分析数据可用的植物药。

3.1 乌头

乌头（Aconitum napellus L.），也称为舟形乌头，是一种开花植物。传统药物通常由全株或根制备，但有过量致死的当代案例研究。在过量情况下，乌头已知会引起心脏毒性和神经毒性。乌头碱（aconitine）是植物中发现的一种有毒生物碱。乌头碱已在各种动物研究中显示诱导室性心动过速和心室颤动，并已被证明可作为晚钠电流激动剂，导致复极化延迟。来自hiPSC-CM的数据表明，抑制L型钙通道电流以及增加搏动频率和缩短动作电位时程可能在乌头碱对人类致心律失常作用中起关键作用。总体而言，预计乌头会诱导人类心脏效应。

3.2 广防己

广防己（Aristolochia fangchi）是一种多年生攀援藤本植物。它含有马兜铃酸，已知具有基因毒性和肾毒性特性。根据文献检索，没有关于马兜铃对心脏毒性的人类或啮齿类动物模型研究。一项斑马鱼胚胎研究报道了心脏发育影响，但这可能是由于化合物引起发育毒性。虽然斑马鱼胚胎研究中有影响，但尚不清楚对广防己在选定检测方法中预期何种心脏效应。

3.3 南非醉茄

南非醉茄（Withania somnifera），也称为印度人参，是一种常绿灌木。其根提取物的短期服用可能是安全的，但长期安全性信息不足。一篇综述报告称病例报告中有休克和室性心动过速与南非醉茄相关，但材料鉴定细节不详。给予大鼠标准化根提取物据报道可降低多柔比星诱导的心脏毒性。一篇综述总结了南非醉茄心血管效应的数据，许多检测方法结果表明其具有降低炎症和抗血管生成作用。虽然南非醉茄引起心脏毒性效应似乎不太可能，但尚不清楚它是否会在选定检测方法中引起心脏效应。

3.4 人参

人参（Panax ginseng）是一种多年生草本植物。根据国家补充和综合健康中心（NCCIH）的说法，短期口服使用（最多6个月）对大多数个体通常是安全的。该植物根提取物的选择基于文献支持的各种终点缺乏不良效应。人参含有皂苷。临床试验表明，在含咖啡因饮料中单剂量高达800毫克与人参心电图参数变化或心率、血压升高无关。体外细胞培养和体内动物模型的研究通过多种机制显示了人参潜在的心血管益处。预计人参不会引起心脏毒性，但可能在选定检测方法中对心脏活动有影响。

3.5 蓝升麻

蓝升麻（Caulophyllum thalictroides）是一种开花植物。它已被助产士用于帮助引产，但与围产期卒中、充血性心力衰竭和新生儿休克有关。其根含有N-甲基胞苷，具有尼古丁样作用，以及皂苷，可收缩冠状动脉血管。虽然未进行广泛研究，但急性暴露于尼古丁样生物碱可能产生心血管效应。蓝升麻根提取物破坏了青鳉鱼胚胎的心血管和颅面软骨发育。需要更多研究来观察蓝升麻是否会诱导心脏效应。

3.6 康富利

康富利（Symphytum officinale）是一种多年生开花植物。它含有已知的基因毒性化合物，特别是吡咯里西啶生物碱（PAs）。一项临床研究监测患者每日局部使用含康富利提取物时的心率和血压，报告与安慰剂无差异。虽然有误服毛地黄而非康富利的心血管相关不良事件报告，但未对康富利或其成分对心脏的影响进行广泛研究。未知康富利是否会在选定体外检测方法中诱导心脏毒性效应。

3.7 麻黄

麻黄（Ephedra sinica），也称为麻黄，是一种多年生草本植物。其相关成分包括生物碱，如麻黄碱、伪麻黄碱和N-甲基麻黄碱。它曾被用于减肥补充剂，但因不良效应（包括心血管和神经效应）被美国食品药品监督管理局（US FDA）禁止销售。如果滥用、高剂量服用或由已有心血管疾病的消费者服用，麻黄可能导致不良事件。过量症状包括心悸、极度紧张、出汗、瞳孔放大、严重头痛、头晕、呼吸困难、体温升高，最终死亡。报告表明，在控制良好的剂量下服用麻黄生物碱显示心血管副作用，如血压升高、心率和轻度心悸。在人类单剂量研究中，口服麻黄生物碱补充剂的生物效应包括中枢神经刺激、外周血管收缩、血压升高、支气管扩张和心脏刺激。一项研究报道，麻黄与咖啡因联合使用比单独使用草药或活性成分增强了心脏毒性。基于相关不良事件报告，预计麻黄会在选定的心脏毒性评估检测方法中诱导效应。

3.8 白毛茛

白毛茛（Hydrastis canadensis）是一种开花多年生植物。传统上被用于治疗多种疾病，但科学证据不支持其任何健康相关用途。此外，白毛茛已知会诱导植物-药物相互作用。其已知成分包括小檗碱和北美汉防己碱。国家毒理学计划（NTP）完成了对大鼠和小鼠的白毛茛根粉研究。在两年研究中，高剂量雄性和雌性大鼠以及高剂量雄性小鼠肝癌发生率增加，但发现提取物可能降低F344/N大鼠心肌病的背景水平。小檗碱被报道既有心脏毒性也有心脏保护作用。尚不清楚白毛茛是否会在选定体外检测方法中诱导心脏效应。

3.9 绿茶脱咖啡因干提取物

绿茶（Camellia sinensis）是全球最常见的饮料之一，作为浸泡饮料被认为是安全的。其多酚主要是儿茶素，其中主要单体之一是表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）。BSC专注于一种脱咖啡因的浓缩绿茶提取物，类似于常用作膳食补充剂的提取物。一些数据表明，较高剂量的绿茶提取物和/或儿茶素可能与肝功能中度至重度异常有关。一些研究评估了绿茶提取物的心脏毒性或心脏保护潜力。一项人类志愿者研究提示可能对小血管张力有益。在动物中，许多研究报道绿茶具有心脏保护作用。总体而言，绿茶不太可能产生心脏毒性效应，但可能在选定检测方法中诱导心脏活动。

3.10 卡瓦

卡瓦（Piper methysticum）是一种多年生灌木。其根和根茎的水提取物历史上用作仪式饮料，现代用作草药产品。BSC肝毒性工作组选择卡瓦是因为与其消费相关的不良事件报告。卡瓦内酯是其主要成分。NTP对大鼠和小鼠进行了卡瓦提取物研究，发现小鼠肝癌发生率增加，大鼠肝脏病变发生率更高，但未报告对心血管系统的影响。虽然肝毒性是主要健康问题，但其他报告的可逆副作用包括心动过速和心电图异常。一项研究提示卡瓦能够改善焦虑症患者的反射性迷走神经对心率的控制。卡瓦宾在体外对人血小板显示出抗血栓形成作用。由于现有科学文献的混合性，尚不清楚卡瓦在选定体外检测方法中是否会有预期的心脏效应。

3.11 卡痛树

卡痛树（Mitragyna speciosa）是一种热带常绿乔木。其提取物中已鉴定出40多种生物碱，其中帽柱木碱、7-羟基帽柱木碱已知具有药理作用。它们作用于μ-阿片受体，导致卡痛树被用于治疗疼痛和阿片类药物戒断。US FDA已警告其可能引起严重不良事件。有使用卡痛树的不良事件报告，包括一名年轻男性脑出血，以及其他成瘾和死亡报告。卡痛树可引起心动过速和血压变化。一份毒物控制中心报告显示，45%的病例包括心血管效应。一项观察性研究报告，定期使用与窦性心动过速几率增加至少8倍相关。在定期使用者中，较高的血清帽柱木碱水平与QT间期延长相关，且效应呈剂量依赖性。一项机制研究表明，帽柱木碱抑制hERG蛋白表达和尾电流，并抑制G蛋白偶联内向整流钾（GIRK）通道。总体而言，预计卡痛树会在选定体外检测方法中诱导心脏效应。

3.12 水飞蓟

水飞蓟（Silybum marianum）是一年生植物。通常被认为安全，其果实被用于帮助消化问题，现代配方声称有助于肝脏健康。NTP对大鼠和小鼠进行的两年研究发现，与对照组相比，小鼠或大鼠的心脏效应无差异。此外，一些文献报道水飞蓟可以对抗化学诱导的心脏毒性。总体而言，预计水飞蓟不会诱导心脏毒性。

3.13 夹竹桃

夹竹桃（Nerium oleander）是一种亚热带开花灌木。其主要药理成分是夹竹桃苷，一种苷。夹竹桃在摄入足够量时是一种毒物。夹竹桃提取物含有夹竹桃苷和其他强心苷，可抑制Na⁺/K⁺ ATP酶活性，导致高钾血症。强心苷最初用于治疗充血性心力衰竭等。心脏毒性效应包括出血、坏死、心律失常、窦性心动过缓和心电图P-R间期延长。夹竹桃已在动物模型中测试，显示肌钙素水平升高、心律失常等。总体而言，夹竹桃已知具有心脏效应，预计会在选定检测方法中引起效应。

3.14 雷公藤

雷公藤（Tripterygium wilfordii），也称为雷公藤，历史上用于治疗炎症和自身免疫性疾病。其根提取物含有雷公藤甲素和雷公藤红素作为主要成分。有雷公藤过量病例和人类其他不良事件报告。一篇综述强调了与雷公藤相关的各种毒性，另一篇综述报道文献中13%的不良事件是心脏相关的。有一例年轻男性摄入提取物后心脏损伤并死亡的记录病例。一项使用HEK293细胞的研究发现，水提粗品抑制hERG电流幅度。另一项体外研究预测雷公藤可靶向电压门控钠通道。其他研究报道雷公藤在低剂量下可改善其他化学物质造成的损伤。总体而言，预计雷公藤会在选定检测方法中诱导心脏效应。

3.15 松萝

松萝（Usnea lichen），也称为“胡子地衣”，在全球都有发现。在中草药中，松萝属植物被用于治疗许多疾病。其主要相关成分是松萝酸。NTP的一项三个月研究表明，暴露于含有松萝酸的乙醇提取物对大鼠有毒，但未发现心脏毒性证据。一项14天研究报道了心肌细胞内容物变薄和氧化应激相关基因表达变化，但可能是高剂量所致。一项研究报道，从Cladonia substellata分离的松萝酸损害了豚鼠的心肌收缩力和心房收缩，该效应与心肌细胞钙内流减少有关。此外，在分离的心肌细胞中体外暴露于松萝酸引起不可逆的心脏挛缩——再次与钙稳态有关。鉴于文献的混合性，未知松萝是否会在选定体外检测方法中诱导心脏效应。

3.16 育亨宾

育亨宾（Corynanthe johimbe）是一种常绿植物。其树皮传统上用作治疗发热、麻风病和咳嗽，以及勃起功能障碍和催情药。最近，育亨宾作为催情药和运动表现增强剂销售。吲哚生物碱育亨宾是其主要相关成分。有与育亨宾成分相关的不良事件报告，包括一名男性健美运动员摄入5克后出现严重但可逆的急性效应。育亨宾过量与暂时性高血压、心率加速和心房颤动有关。在hiPSC-CM模型中，育亨宾通过抑制钠电流和钙电流来抑制自发动作电位的频率并延长其持续时间。育亨宾被鉴定为α₂-肾上腺素受体拮抗剂，并已在动物研究中用作模型拮抗剂。在猫中，育亨宾拮抗可乐定（α₂-肾上腺素受体激动剂）对静脉乙酰毒毛花苷原诱发室性心动过速的抗心律失常作用。在豚鼠中，育亨宾加剧了哇巴因（一种植物源有毒物质）的心脏毒性。总体而言，预计育亨宾会有心脏效应。

4 结论与下一步骤

植物药在全球范围内使用，确保其安全性至关重要，包括它们引起心脏毒性效应的可能性。为满足这一需求，BSC的跨部门专家团队已确定了几种NAM，以使用特征明确、数据丰富的植物药作为案例研究来测试它们对评估植物复杂混合物的适用性。检测方法的选择基于其可重复性、与关键机制的相关性和可及性。这项工作旨在为研究人员提供工具，以更好地了解心脏毒性，优先考虑并指导进一步测试，并通过扩展植物药安全工具包来加深对评估中植物产品的了解。它体现了植物药安全性评估向更具机制洞察力的方法转变，从依赖传统动物测试方法转向更具预测性、与人类相关的模型。联盟的下一步包括在选定的植物药案例研究中测试这些检测方法，分析数据，将发现与现有文献进行比较，并开发用于心脏毒性评估的体外检测方法工具包。

虽然这项初步工作将侧重于危害识别和筛查，但未来的努力可能包含更多基于暴露的方法，并有助于研究NAM对人类反应的预测性。未来的关键考虑将包括尝试评估体外发现的相关性，考虑人类的吸收、分布和代谢。使用基于生理的药代动力学（PBPK）建模和模拟进行体外到体内外推也可能有助于确定与人类相关的浓度。先进的复杂细胞共培养模型也可以提供对毒性发现临床相关性的额外见解，并帮助识别超出筛查水平检测方法能力的特定效应和作用机制。此外，探索这些检测方法在更广泛的植物提取物基质中的表现将有助于评估这些方法的适用范围。

这项以心脏毒性为重点的工作代表了植物安全性联盟更广泛努力的一个组成部分，该联盟还包括在遗传毒性、肝毒性、神经毒性、生殖和皮肤毒性方面正在进行的倡议。这些新颖的研究计划扩展植物药安全工具包，并为研究人员提供工具，以更好地了解心脏毒性，根据需要优先考虑和规划未来的测试，并更好地了解正在测试的植物药。