独立示意:血液与脑组织之间的扩散、转运、跨胞和外排通路。
独立示意:血液与脑组织之间的扩散、转运、跨胞和外排通路。(Armin Kübelbeck (Kuebi); English-language version by Swilson43 / Wikimedia Commons;CC BY 3.0)

药物运输前,先确认屏障处于什么状态

药物要进入脑、肠道或肺相关组织,会受到细胞屏障及转运过程影响。2015 年,美国中佛罗里达大学(University of Central Florida)与康奈尔大学(Cornell University)团队在 Journal of Laboratory Automation 的综述中,讨论跨上皮/内皮电阻(transepithelial/transendothelial electrical resistance,TEER)怎样用于体外屏障质量检查。

TEER 可连续、非破坏性地观察细胞层变化,但它主要反映离子通过旁细胞途径的传导。非电解质示踪分子的通量,则反映不同的运输性质。两种测量分别提供离子传导与示踪分子通透信息,用于描述屏障的不同性质。

背景、面积与电极位置都进入读数

跨膜测得的总电阻包括细胞层、支持膜和培养液等贡献。综述介绍,先扣除无细胞膜的背景,再按有效面积归一化,才得到常用的Ω·cm²结果。直接以Ω报告的电阻与面积归一化结果具有不同单位,比较时应统一报告方式。

电极几何和位置也会改变电流分布。手持插入式电极若放置不一致,或与较大膜面积不匹配,可能造成不均匀电流并高估电阻。固定、对称的几何有助于减少变化,但其适用性仍取决于具体培养结构。

多频阻抗提供更多信息,也需要电路解释

与单一频率的电阻读数相比,多频阻抗测量还记录幅度和相位变化。结合等效电路,可把细胞层电阻与电容、培养液以及电极贡献加以区分;不同频率范围受这些成分的影响不同。

这类分析依赖电路假设和参数拟合。用于芯片时,电极可更靠近细胞层,便于在培养环境内连续检测,但也要考虑寄生电容、电流均匀性和电气封装。报告阻抗结果时,还应交代这些测量和拟合条件。

高电阻可能来自细胞状态变化

温度是读数的重要影响因素。从培养箱转到室温测量,可能同时改变电学读数和细胞生理状态。综述讨论记录实际温度及相应校正的做法,以减少不同实验或实验室间的温度混杂。

所引 Caco-2 研究中,第 35–47 代的电阻约为 475–700 Ω·cm²,第 87–112 代约为 1100–1500 Ω·cm²;后者还出现多层细胞与异常腔隙。另一个传代研究却观察到先上升、波动再下降的过程。电阻升高因而需要连同单层结构及细胞状态解释。

培养液也会影响细胞分化、紧密连接与离子通道。在部分所引研究中,较低电阻反而可能更接近生理通透状态。比较培养方案时,应同时看结构及运输功能,考察其与生理屏障的对应程度。

电阻峰值与药物转运功能未必同步

培养时间会改变紧密连接及外排转运体功能。综述介绍的 Caco-2 研究里,电阻在约 3 周达到较高水平,而某些外排运输活性在 2 周已经足以检测底物。屏障电阻与外排功能的时间变化不同,实验时间应按所研究的运输过程确定。

血脑屏障模型受到细胞来源、共培养和流动条件影响。综述另以猪肺动脉内皮细胞为例,说明剪切可改变连接相关蛋白及细胞形态,电阻先短暂上升再下降。动态培养和静态培养的数值,应连同刺激时程及细胞状态一起判断。

跨研究比较需要测量与生物条件共同说明

作者建议,报告电阻时同时说明电极及测量方式、温度、培养液、培养时间和传代。芯片整合电极有利于连续观察,药物吸收或毒性预测仍取决于模型是否重现相关生理屏障与转运过程。

来源与延伸阅读

  1. TEER measurement techniques for in vitro barrier model systems. Journal of Laboratory Automation. 2015. doi:10.1177/2211068214561025 ↗