把芯片与完整流路分开测试

器官芯片中加入的药物浓度,可能在接触培养装置后下降。瑞典皇家理工学院(KTH Royal Institute of Technology)与卡罗林斯卡研究院(Karolinska Institute)团队在 ACS Applied Materials & Interfaces 比较芯片与管路造成的损失,重点检查循环灌流装置中的实际药物暴露。

团队制作了聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)、硫醇—烯—环氧聚合物 OSTE+ 以及聚碳酸酯与压敏胶带层合材料 PC/PSA 三类装置。每类装置采用相同通道几何,减少结构差异对材料比较的影响。

研究没有接种细胞,并以无孔聚碳酸酯膜替代通常用于培养的多孔膜。测试的对象是药物被材料吸附或吸收造成的损失;这些过程会改变溶液中仍可接触细胞的药物量。

所测芯片材料的接液面积为 1 cm²,同一流路的管路约为 7.1 cm²,另含储液器与连接件。团队设置不含芯片的相同流路作为参照,以单独估计芯片本体造成的变化。

用含蛋白培养液进行 24 小时循环灌流

候选集合包括 15 种神经精神药物与 3 种荧光探针。药物浓度主要依据治疗药物监测范围设置,集合偏向较疏水的药物,以增加观察材料滞留的机会。

装置先经缓冲液和不含药物的培养液预处理,再加入含药培养液循环 24 小时。培养液以 MEM 为基础,含 10% 血清替代物;团队还设置不加该组分的条件,检查蛋白相关成分对药物损失的影响。

实验采用 2.5 mL 含药培养液,终点收集样本,以液相色谱串联质谱定量药物,荧光探针另用酶标仪检测。未经过流路的对照用于检查药物在相同时间和温度下的变化。

由于 3 类泵管的尺寸与输液特性不同,相同泵的线性运行设置对应的流速也不同:PharMed BPT 为 4.0 mL/h,Tygon MHLL 为 6.0 mL/h,Tygon SI 为 10.8 mL/h。

芯片材料间的差异较小

在芯片材料分析中,团队将 24 小时后的溶液浓度与相同管路但不含芯片的浓度比较。13 种可检测化合物的残留比例,其 95% 置信区间都包含 1;三类芯片材料之间的置信区间也明显重叠。

整体趋势分析仍显示,PDMS 与 OSTE+ 中较疏水化合物的损失略大;PC/PSA 未出现相同的明显趋势。在这些实验条件下,芯片本体的材料差异小于管路造成的浓度变化。

管路损失明显,而且取决于具体药物

团队单独比较 PharMed BPT、硅胶类 Tygon SI 和聚烯烃类 Tygon MHLL 管路。按相同接液面积归一化后,管路造成的损失仍大于芯片本体;3 类管路均对至少一半受测化合物产生明显影响。

Tygon MHLL 在多数比较中保留的药物量较高,9 种化合物优于 PharMed BPT。但按 10 cm² 管路面积归一化后,阿米替林、氯米帕明和舍曲林在该管路中的损失仍超过 99%。不同材料的总体排名因此需要结合具体药物判断。

培养液中的蛋白相关成分也改变了结果。在 PharMed BPT 条件下,去除血清替代物后,5 种神经精神药物的回收量降低。作者据此强调,在贴近实际培养条件的液体中测试材料,比仅用水或简单缓冲液更有参考价值。

3 类泵管中的化合物回收比例,结果按 10 cm² 管路接液面积归一化。

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3 类泵管中的化合物回收比例,结果按 10 cm² 管路接液面积归一化。(Thomas E Winkler et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, Figure 3;CC BY 4.0)

暴露质量控制应覆盖储液器、连接件与管路

研究使用的是单一终点、24 小时循环灌流和一组偏疏水化合物。强烈的管路损失还可能降低对芯片材料间小差异的检出能力,原文将这一点纳入结果解释。

药物定量方法原本用于血浆与血清。团队用内标、基质效应和分析效率检查培养液测量的适用性,但培养液并不是这些方法最初完成验证的基质。

对器官芯片药物实验,这项工作的直接建议是检查完整流路中的实际浓度,将芯片、泵管、储液器和连接件一并纳入药物回收评估,再选择适合具体药物与培养液的材料。

来源与延伸阅读

  1. Sorption of Neuropsychopharmaca in Microfluidic Materials for In Vitro Studies. ACS Applied Materials & Interfaces. 2021. doi:10.1021/acsami.1c07639 ↗