PDMS 圆片和微通道比较药物及其他参考物的结合、释放与暴露条件。原创概念图说明测量和模型的用途。(J&E Bio)
PDMS 圆片和微通道比较药物及其他参考物的结合、释放与暴露条件。原创概念图说明测量和模型的用途。(J&E Bio)(J&E Bio)

材料结合会改变装置中的暴露条件

范德堡大学(Vanderbilt University)团队于 2019 年 1 月 29 日在 Lab on a Chip 首次发表这项研究。作者关注 聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)微流控装置中的药物暴露:一部分物质与材料结合后,入口设定浓度与装置内实际可用浓度可能出现差别。

研究选择 19 种参考物,涵盖药物、补充剂、染料及环境化学物质,逐种测试。多柔比星和多西他赛属于其中的药物对象。

实验主体是 PDMS 圆片与微通道中的溶液测量,另有计算传质模型。它为器官芯片等 NAMs 的暴露质量提供依据,本研究未直接测试活细胞的药效。

两种结构产生不同的结合测量结果

作者用紫外–可见光谱(ultraviolet–visible spectroscopy,UV–Vis)的吸收信号监测溶液中物质的减少,再把处理后的材料转入新溶剂,检查物质能否回到溶液。全氟辛酸(perfluorooctanoic acid,PFOA)的紫外吸收不适合该测量,因此另用红外法在单个时点估计结合程度。

圆片和通道的 PDMS 表面积与溶液体积比分别为 0.3 和 116 cm⁻¹。双酚 A 的初始浓度分别为 97 μM 和 488/3100 μM,经验平衡结合比例分别为 8 ± 2% 和 78 ± 1%;表 2 均标注 3 个样本重复,两类实验的结构和浓度条件均不同。

结合的时间过程也随实验条件变化。双酚 A 在圆片与通道中的拟合时间常数分别为 17.6 ± 1 小时和 3.12 ± 0.03 小时。表 2 同时列出结构、初始浓度、结合比例和时间参数,使暴露模型能够保留这些条件差异。

主文报告,双酚 A 的两类结构数据可以用同一组微观参数共同拟合。作者借此检查建模思路的一致性,这项核查仍来自同一研究的实测资料。

两种药物在所测条件下结合程度较低

多柔比星采用 60 μM 起始浓度,圆片与通道分别有 3 和 2 个样本重复。表 2 的经验结合比例分别为 6 ± 1% 和 5 ± 8%,并未像部分参考物那样显示明显的强结合。

多西他赛采用 12 μM,仅进行圆片实验,3 个样本重复中未见可辨结合。该溶液含 10% 二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide,DMSO);其通道实验因吸光测量条件不足而未开展,结果适用范围仍是这个材料与溶剂组合。

这些实测结果描述所用材料、结构、浓度和介质中的损失,为相应条件的暴露模型提供参数。

无 PDMS 参照帮助识别其他溶液损失

研究同时测量不含 PDMS 的匹配溶液,以检查物质本身的稳定性;另以溶剂参照校正仪器基线。大多数参考物没有明显的独立损失,这为材料结合判断提供了参照。

非药物参考物 molinate 在无 PDMS 条件下也出现损失,作者认为可能与挥发有关,并在结合实验中进行校正。其解离实验未能做同样校正,因此回到溶液的时间曲线解释受到限制。

溶液减少只能说明物质从该溶液中离开;研究的讨论还考虑了界面分配及进入 PDMS 内部的过程。这里的单位面积有效容量可包含进入材料内部的物质,表面分配与内部过程仍需进一步区分。

实测参数用于预测装置内的暴露过程

作者将实测结合和解离参数接入传质模型,模拟连续给入与短时给入的装置暴露。模拟采用三种参考物代表不同结合情形;这些图显示的是装置内的预测暴露,药物生物活性仍需另行实验评价。

模型还区分持续给入与短时给入。对可逆结合的物质,入口短时给入结束后,材料中释放的物质仍可能形成较长的低浓度暴露尾部。作者用这种预测说明,入口的给入时间与装置内的暴露时间未必相同。

研究还发现,疏水性与氢键供体数量共同影响对结合程度的判断。本文提供了检查材料损失、稳定性参照及时间过程的思路;具体药物用于 NAMs 时,仍需在目标装置和介质中核查暴露条件。

来源与延伸阅读

  1. Chemical-PDMS Binding Kinetics and Implications for Bioavailability in Microfluidic Devices. Lab on a Chip. 2019. doi:10.1039/c8lc00796a ↗