AI 辅助的高内涵筛选发现抗化疗心肌毒性活性物质

2023-10-10 13:12:24, 美谷分子仪器美谷分子仪器（上海）有限公司

阿霉素(doxorubicin,Dox)等蒽环类药物作为临床常用肿瘤化疗药物之一，在白血病、乳腺癌等多种癌症中都表现出良好的治疗效果。但 Dox 可致心脏毒性，包括不可逆退行性心肌病和充血性心力衰竭等，严重限制了其临床应用^[1,2]。因此，为 Dox 治疗患者开发有效的心脏保护药物具有重要的临床意义。但常规心力衰竭动物模型如心脏铁死亡小鼠模型成本高、周期长，不适用于药物高通量筛选。而小型模式生物斑马鱼则具有体型小、繁殖力强、胚胎透明、实验周期短等优势，近年来越来越多被用于药效物质的表型筛选^[3,4]。能否建立适用于中药药效物质发现的心力衰竭高内涵筛选模型，并快速准确地从大量动态图像中提取心功能重要指标进行药效评价，已成为关键技术挑战。

2023 年 9 月 8 日，MD共建实验室浙江大学药学院王毅教授、赵璐副教授团队和浙江大学计算机科学与技术学院吴鸿智教授团队，在 Advanced Science 在线发文 “Use of Deep-Learning Assisted Assessment of Cardiac Parameters in Zebrafish to Discover Cyanidin Chloride as a Novel Keap1 Inhibitor Against Doxorubicin-Induced Cardiotoxicity”，开发了一种可自动定位斑马鱼胚胎心室并进行心功能多参数分析的深度学习算法，结合高内涵成像分析系统，首次实现了斑马鱼心衰模型中以 AI 为辅助的形态学中药药效物质筛选。祝贺王毅教授团队发表文章！

作者首先在斑马鱼中构建了阿霉素诱导的心肌病（Doxorubicin-induced cardiomyopathy,DIC）模型，在比较多种细胞死亡抑制剂对 DIC 斑马鱼作用后，发现铁死亡抑制剂可显著挽救心肌损伤，提示铁死亡在斑马鱼 DIC 发生中具有关键作用。作者记录了药物处理前后斑马鱼心脏跳动的视频，手动标注了 2000 余张斑马鱼胚胎心室图像，训练开发计算机神经网络 ZVSegNet 实现心室自动分割，获取心脏收缩末期面积、舒张末期面积和长短轴等心功能关键参数（图1B）。进一步通过接近 300 个斑马鱼心脏跳动视频训练，构建 HRNet 实现了心率的准确定量（图1C）。

图 1 DIC 斑马鱼模型构建及基于斑马鱼心脏搏动图像的心功能与心率智能判定算法 ZVSegNet 与 HRNet

运用该模型和算法，研究团队采集了约 80 G 动态图像数据，对 347 个中药来源的活性化合物（组成占比见图2B）进行了两轮筛选，第一轮筛选用于鉴定可以抑制 Dox 引起的斑马鱼心衰的化合物（图2A），第二轮筛选使用血液疾病斑马鱼模型，排除对于 Dox 的肿瘤杀伤有抑制作用的候选化合物（图2C）。经过两步筛选，作者发现了氯化矢车菊素（CyCl）、迷迭香酸、芒果苷、2''''-O- 酰基金丝桃苷等 10 余个具有抗心衰活性的中药成分（图2E），其中来自桑葚的活性成分 CyCl 的铁死亡抑制作用及 DIC 挽救活性为首次报道。

图 2 两轮筛选策略鉴定出氯化矢车菊素（CyCl）和 2''''-O- 酰基金丝桃苷等活性物质可以减轻 Dox 引起的心肌细胞损伤，且不影响对 Dox 的肿瘤细胞杀伤作用

在细胞模型上，CyCl 同样可以有效减轻 Dox 引起的心肌细胞损伤，抑制铁死亡发生，且不影响对 Dox 的肿瘤细胞杀伤作用（图3A-3C）。由于氧化应激和亚硝酸应激被认为是导致心衰的主要原因^[5,6]，作者对 Dox 处理的心肌细胞的应激水平进行了检测。经线粒体 ROS 指示剂 MitoSOX 和 ONOO− 荧光探针 B545b 标记后，使用高内涵成像系统对心肌细胞的荧光表达水平进行鉴定，作者在 H9C2 细胞中检测到这两种探针的荧光强度在 Dox 刺激后显著增强，而 CyCl 或 2''''-O-GH 都能缓解过氧亚硝基的增加，CyCl 也能减少线粒体中超氧化物自由基的累积，这表明它对活性物质具有更普遍的清除作用（图3D）。

图3 CyCl 可有效减轻 Dox 引起的心肌细胞损伤和胞内应激水平的增加

后续研究发现 CyCl 的治疗作用可以被谷胱甘肽过氧化物酶 GPX 4 抑制剂 RSL 3 完全阻断。CyCl 可能通过干扰 KEAP 1 - NRF 2 间相互作用，增加 NRF 2 核内水平，进而激活下游 GPX 4 等抗氧化因子表达发挥作用。最后，在急性和慢性造模 DIC 小鼠中，CyCl 也可显著挽救其心脏功能，提示 CyCl 的心脏保护作用和调节机制在哺乳动物模型中高度保守。

相关工作提出了一种基于斑马鱼形态学的高内涵筛选与深度学习算法相结合的中药药效物质发现创新策略，不仅为阿霉素临床使用中可能引发的心脏毒性提供了中医药辅助治疗方案，也为人工智能时代的中药药效物质筛选提供了新范例。

参考文献

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