陶小妹,趙 雪,隋航爍,王淑梅,馬英杰#
(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京世紀(jì)壇醫(yī)院藥劑科,北京100038; 2.臨床合理用藥評價北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038; 3.北大醫(yī)療魯中醫(yī)院臨床營養(yǎng)科,山東 淄博 255400; 4.承德市中心醫(yī)院臨床營養(yǎng)科,河北 承德 067000)
通過納米載體改善藥物輸送是近年來的研究熱點(diǎn)。了解納米載體與細(xì)胞的相互作用,包括其跨細(xì)胞行為,對于口服納米藥物遞送系統(tǒng)的設(shè)計以及潛在納米材料的安全性研究都是至關(guān)重要的。迄今為止,大多數(shù)研究都集中在納米載體而非口服途徑的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。關(guān)于納米載體口服途徑的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制研究較少。聚乙二醇-二硬脂酰磷脂酰乙醇胺(PEG-DSPE)通常用于制備脂質(zhì)體。近年來發(fā)現(xiàn)PEG-DSPE可單獨(dú)制備成膠束,用來遞送小分子抗腫瘤藥和難溶性藥物。聚合物膠束由于具有增溶性、高穩(wěn)定性、良好的生物相容性、高負(fù)載能力、長循環(huán)、選擇性靶向以及可以改變所包載藥物的內(nèi)化途徑和亞細(xì)胞定位特性,因此顯示出了巨大的藥物輸送潛力[1-3]。
MDCK細(xì)胞是馬丁達(dá)比犬的腎近區(qū)小管上皮細(xì)胞,其和Caco-2細(xì)胞是目前用于體外跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)研究的兩個最主要的單層細(xì)胞模型[4-5]。本研究選擇MDCK細(xì)胞作為上皮細(xì)胞模型,探討PEG-DSPE膠束的口服跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。
Nano ZS型激光粒度測定儀(英國Malvern instruments公司);HH-1型數(shù)顯恒溫水浴鍋(國華電器有限公司);昆山舒美KQ-100DB型超聲波清洗儀(昆山市超聲儀器有限公司);BSA223S型電子分析天平(德國sartorius公司);TG-16W型高速離心機(jī)(山東博科公司);MERS00002型跨膜電阻測定儀(美國Millipre公司);伯樂680型酶標(biāo)儀(美國Biorad公司);TCS SP5型激光共聚焦掃描顯微鏡(德國Leica公司)。
mPEG2000-DSPE(日本油脂株式會社);香豆素6(美國Sigma-Aldrich公司),DMEM高糖培養(yǎng)基、胎牛血清(美國Life Technologies 公司),Hoechst 33258、羅丹明-鬼筆環(huán)肽(美國Molecular Probes公司),100 U/ml青霉素、100 μg/ml鏈霉素及0.25%胰蛋白酶/0.02%乙二胺四乙酸(EDTA)(北京邁晨生物科技有限公司);氯丙嗪、蔗糖、阿米洛利、氯丙嗪及甲基-β-環(huán)糊精(美國Sigma-Aldrich公司),Transwell(12孔,孔徑3 μm,聚碳酸酯膜,美國Corning Costar公司),BCA蛋白定量試劑盒(普利萊公司);其余試劑均為分析純,購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
犬腎小管細(xì)胞株MDCK (中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院細(xì)胞中心)。培養(yǎng)液為DMEM高糖培養(yǎng)液,含10%胎牛血清、1%的青霉素和1%的鏈霉素。培養(yǎng)于37 ℃、相對濕度為95%,CO2含量為5%的細(xì)胞培養(yǎng)箱中,隔日更換細(xì)胞培養(yǎng)液。
采用薄膜水化法制備PEG-DSPE膠束。將PEG-DSPE溶解于乙腈中,在40 ℃的真空旋轉(zhuǎn)條件下蒸發(fā),以除去乙腈,得到一層薄薄的均勻薄膜。然后將聚合物薄膜在40 ℃的蒸餾水中超聲處理5 min,使其水合。冷卻至室溫(25 ℃)后,獲得澄清的膠束溶液。最后,將溶液通過0.22 μm的膜過濾。
將香豆素6添加到聚合物乙腈溶液中。其他步驟與制備空白膠束的步驟相同。在負(fù)載有香豆素6的膠束中,香豆素6與聚合物的質(zhì)量比為1∶1 000。
使用激光粒度分布儀在25 ℃下通過動態(tài)光散射分析對C6-PD的大小和Zeta電位進(jìn)行表征。為測定C6-PD的包封率,以10 000 r/min離心10 min,除去未溶解的香豆素6,將膠束溶解在甲醇中,測定包載的香豆素6含量。包封率(%)=(包封于膠束中的香豆素6/膠束制備時加入的香豆素6量)×100%。膠束體外泄露實(shí)驗(yàn),使用透析袋(截留分子量為14 000 Da)裝載C6-PD后,置于無血清的培養(yǎng)基(pH=7.4),37 ℃、100 r/min下培養(yǎng),不同時間點(diǎn)取樣測定。
香豆素6可以自發(fā)熒光,可用熒光分析法進(jìn)行檢測。建立定量檢測細(xì)胞中香豆素6的熒光分析方法。取空白細(xì)胞裂解液100 μl置于1.5 ml離心管中,加入甲醇配制的系類標(biāo)準(zhǔn)溶液100 μl,渦旋1 min后,以14 000 r/min離心10 min,取100 μl上清液用酶標(biāo)儀進(jìn)行檢測,激發(fā)波長為467 nm,發(fā)射波長為502 nm,并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。樣品前處理類似,取細(xì)胞樣品100 μl置于1.5 ml離心管中,加入甲醇溶液100 μl,渦旋1 min后,以1 400 r/min離心10 min,取上清液100 μl進(jìn)行分析。
2.5.1 BCA法定量檢測蛋白含量:使用BCA蛋白定量試劑盒檢測細(xì)胞的蛋白濃度。根據(jù)試劑盒說明配制BCA工作液。用PBS緩沖液逐級稀釋蛋白標(biāo)準(zhǔn)品為系列梯度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。將BCA工作液與不同濃度的蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液混合,37 ℃水浴加熱30 min,用酶標(biāo)儀在540 nm波長處測定樣品吸光度,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,并計算細(xì)胞裂解液樣品的蛋白濃度。
2.5.2 激光共聚焦顯微鏡對C6-PD進(jìn)行定性分析:為驗(yàn)證C6-PD能否被細(xì)胞攝取,本研究采用共聚焦顯微鏡對C6-PD攝取進(jìn)行定性研究。將C6-PD加入合格的MDCK單層細(xì)胞中進(jìn)行孵育,同時計時。以空白DMEM培養(yǎng)基處理的細(xì)胞作為陰性對照。在共聚焦顯微鏡下進(jìn)行熒光檢測,選擇的激發(fā)波長為香豆素6激發(fā)/發(fā)射波長(Ex/Em=488/502 nm),觀察香豆素6綠色激發(fā)光的強(qiáng)度。
2.5.3 MDCK細(xì)胞對C6-PD表面吸附作用的定量分析:為定量分析C6-PD在MDCK細(xì)胞單層表面的吸附作用,采用熒光分析法測定熒光標(biāo)記的PEG-DSPE膠束的表面吸附及攝取量的差異。
將MDCK細(xì)胞以1×106/ml培養(yǎng)于12孔板中。待細(xì)胞匯合后,用PBS洗滌細(xì)胞2~3次,再于孔板中加入制備好的C6-PD,在37 ℃條件下孵育10、30、60、90及120 min。孵育時間結(jié)束后,一組使用冰冷的PBS清洗細(xì)胞單層3次,1次3 min,以保證充分洗去細(xì)胞表面所吸附的膠束,之后加入胰酶/EDTA將MDCK細(xì)胞消化并吹打成單細(xì)胞懸液,重新將細(xì)胞離心并使用PBS洗滌細(xì)胞懸液3次,洗去懸浮的單細(xì)胞上吸附的膠束,最后以1 000 r/min離心細(xì)胞懸液5 min獲取細(xì)胞沉淀,除去上清液,加入RIPA細(xì)胞裂解液于4 ℃條件下裂解細(xì)胞30 min以釋放胞內(nèi)膠束。此時裂解液中所含膠束的濃度即為經(jīng)MDCK細(xì)胞攝取入胞的膠束的濃度。
另一組吸去MDCK細(xì)胞單層表面的膠束,不進(jìn)行消化細(xì)胞的步驟,直接加入RIPA裂解細(xì)胞以釋放胞內(nèi)膠束。采用這種方法所得到的膠束的濃度為MDCK細(xì)胞對膠束的攝取量以及細(xì)胞單層表面及細(xì)胞間對C6-PD的吸附量之和。
對于采用上述兩種方法得到的細(xì)胞裂解液,加入甲醇沉淀蛋白,室溫下于黑暗處振搖12 h后以14 000 r/min離心10 min,取上清液進(jìn)行香豆素6熒光分析。測定香豆素6濃度,同時對每管的細(xì)胞裂解液利用BCA蛋白定量試劑盒分別進(jìn)行蛋白濃度測定。
口服跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)主要指腸上皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)。分子可以通過兩種途徑在腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn),即細(xì)胞旁轉(zhuǎn)運(yùn)和跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)。
細(xì)胞旁途徑指通過打開胃腸道上皮細(xì)胞間的緊密連接來進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。細(xì)胞旁間隙占黏膜表面積的比例<1%,并且緊密連接的孔徑<10 ?。因此,口服跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)還是以跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)為主。在跨細(xì)胞途徑中,上皮細(xì)胞對納米顆粒的攝取有吸附、融合、膜間轉(zhuǎn)運(yùn)和內(nèi)吞等方式,其中,內(nèi)吞被認(rèn)為是納米粒子跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)的主要機(jī)制[6-8]。通常納米載體首先被膜侵入,并形成內(nèi)體。然后,內(nèi)體將納米載體遞送至各種細(xì)胞器內(nèi),例如溶酶體、高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng),或再循環(huán)至細(xì)胞外環(huán)境或跨細(xì)胞遞送(轉(zhuǎn)胞吞作用)[9-11]。
2.6.1 不同內(nèi)吞抑制劑的作用:內(nèi)吞被認(rèn)為是納米粒子跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)的主要機(jī)制,包括巨胞飲作用、網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用、小窩蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用、非網(wǎng)格蛋白和小窩蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用。通過加入不同內(nèi)吞抑制劑可以分析C6-PD的具體內(nèi)吞機(jī)制[12-15]。內(nèi)吞實(shí)驗(yàn)中所用藥物抑制劑的作用和濃度見表1。
表1 內(nèi)吞實(shí)驗(yàn)中所用藥物抑制劑的作用和濃度Tab 1 Effect and concentration of drug inhibitor used in the endocytosis experiment
(1)定量分析。37 ℃下,將內(nèi)吞抑制劑與MDCK細(xì)胞共同孵育30 min,然后添加C6-PD后再孵育1 h。用熒光分析法測定細(xì)胞裂解液中所含膠束的濃度。
(2)定性分析。37 ℃下,將內(nèi)吞抑制劑與MDCK細(xì)胞共同孵育30 min,然后添加C6-PD后再孵育1 h。孵育時間結(jié)束后,細(xì)胞用3.7%的多聚甲醛固定后,分別用Hoechst33258和羅丹明-鬼筆環(huán)肽與細(xì)胞孵育,以標(biāo)記細(xì)胞核(藍(lán)色熒光)和微絲(紅色熒光),在激光共聚焦顯微鏡下觀察細(xì)胞的染色情況。
2.6.2 溫度對跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)的影響:低溫會抑制能量代謝過程。為考察C6-PD的細(xì)胞攝取是否為能量依賴的過程,將MDCK細(xì)胞分為兩組,一組在37 ℃條件下孵育1 h,另一組在4 ℃條件下孵育1 h。定量檢測兩種溫度下MDCK細(xì)胞對C6-PD的攝取量的差異。
通過動態(tài)光散射分析確定的無血清培養(yǎng)基中C6-PD的典型粒徑見圖1。3次測定后的平均粒徑為(21.7±1.7)nm,Zeta電位幾乎是中性的,包封率為(92.4±1.43)%,見表2。12 h內(nèi),香豆素6泄漏總量<5%,見圖2。也就是說,在接觸細(xì)胞之前,幾乎沒有香豆素6泄漏,這表明香豆素6的行為可以代表PEG-DSPE膠束的行為。
圖1 C6-PD的粒徑分布圖Fig 1 Particle size distribution of C6-PD
表2 C6-PD的表征Tab 2 Characterization of
圖2 pH 7.4條件下C6-PD的釋放曲線(n=3)Fig 2 Leakage of C6-PD under pH 7.4 condition (n=3)
3.2.1 細(xì)胞內(nèi)香豆素6含量及蛋白濃度定量檢測方法:以香豆素6的質(zhì)量濃度(ng/ml)為橫坐標(biāo)(x),以香豆素6的熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)(y),以加權(quán)最小二乘法進(jìn)行回歸,得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.136 4x-0.029 9,R2=0.999 6,檢測范圍為1~1 000 ng/ml。以蛋白濃度(ng/ml)為橫坐標(biāo)(x),以吸光度為縱坐標(biāo)(y),以加權(quán)最小二乘法進(jìn)行回歸,得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.000 4x+0.102 1,R2=0.999 0,檢測范圍為8~320 μg/ml??捎糜诤罄m(xù)對細(xì)胞蛋白進(jìn)行定量分析。
3.2.2 激光共聚焦顯微鏡對C6-PD進(jìn)行定性分析:當(dāng)C6-PD加入到MDCK單層細(xì)胞上后,可以在激光共聚焦顯微鏡下觀察到膠束立刻被攝取,在120 s時細(xì)胞內(nèi)的綠色熒光強(qiáng)度幾乎達(dá)到飽和,見圖3。采用兩種方法處理MDCK細(xì)胞后所得到的熒光強(qiáng)度百分比,見圖4。由圖4可見,在0~120 min范圍內(nèi),由細(xì)胞單層、細(xì)胞間連接吸附的膠束和內(nèi)吞膠束總量均高于同時間點(diǎn)下MDCK細(xì)胞對膠束的內(nèi)吞量。表明細(xì)胞表面確實(shí)對C6-PD存在吸附效應(yīng)。同時也可以看到,在加入C6-PD 10 min時,便有大量的膠束聚集在細(xì)胞表面,隨著孵育時間的延長,部分表面的膠束被內(nèi)吞入胞,在90 min和120 min時,表面吸附的膠束量與內(nèi)吞的膠束量趨于動態(tài)平衡,說明吸附量會隨著孵育時間的延長逐漸達(dá)到飽和。
A.10 s;B.60 s;C.120 sA.10 s;B.60 s;C.120 s圖3 激光共聚焦顯微鏡觀察MDCK細(xì)胞對C6-PD的攝取(標(biāo)尺=25 μm)Fig 3 Uptake of C6-PD by MDCK cells by laser confocal microscopy (Bar=25 μm)
3.2.3 MDCK細(xì)胞對C6-PD表面吸附作用的定量分析:結(jié)果見圖4。
圖4 MDCK單層細(xì)胞對C6-PD攝取的定量分析(n=3)Fig 4 Quantitative analysis of C6-PD uptake by MDCK monolayer cells(n=3)
3.3.1 不同內(nèi)吞抑制劑的作用:細(xì)胞膜上富含鞘磷脂和膽固醇的區(qū)域稱為脂筏結(jié)構(gòu),脂筏結(jié)構(gòu)包含小窩,而制霉菌素可以抑制小窩蛋白的形成,甲基-β-環(huán)糊精可以有效螯合細(xì)胞膜上的膽固醇,進(jìn)而抑制小窩蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞。鹽酸氯丙嗪和高滲蔗糖可以抑制細(xì)胞膜上網(wǎng)格蛋白的組裝,進(jìn)而抑制網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞。鹽酸阿米洛利可以抑制巨胞飲作用。
轉(zhuǎn)胞吞作用的過程包括膜的內(nèi)陷、囊泡出芽以及囊泡向細(xì)胞的相對側(cè)移動,其攝取取決于所涉及的內(nèi)吞作用類型,即巨胞飲作用、網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用、小窩介導(dǎo)的內(nèi)吞作用以及小窩和網(wǎng)格蛋白非依賴性內(nèi)吞作用。如表1所列,使用了網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用抑制劑(氯丙嗪和高滲蔗糖)、巨胞飲作用抑制劑(阿米洛利)和小窩蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用抑制劑(甲基-β-環(huán)糊精和制霉菌素)。37 ℃下MDCK細(xì)胞在不同內(nèi)吞抑制劑作用1 h下對C6-PD的攝取見圖5。圖5中的數(shù)據(jù)提示,對C6-PD細(xì)胞內(nèi)吞作用最有效的抑制劑是甲基-β-環(huán)糊精(降低88.1%,P<0.01),其次是高滲蔗糖(降低44.1%,P<0.01)、制霉菌素(降低27.9%,P<0.01)和氯丙嗪(降低29.4%,P<0.01)。與對照組相比,阿米洛利的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。在甲基-β-環(huán)糊精處理后,C6-PD幾乎沒有被內(nèi)化到細(xì)胞中,而是剩余完整性的細(xì)胞骨架,見圖6。
與對照組比較,*P<0.01vs. the control group, *P<0.01圖5 37 ℃下MDCK細(xì)胞在不同內(nèi)吞抑制劑作用1 h下對C6-PD的攝取(n=3)Fig 5 Uptake of C6-PDs by MDCK cells in the presence of different inhibitors at 37 ℃ for 1 h (n=3)
圖6 37 ℃下,用或不用MβCD處理1 h后,共聚焦顯微鏡下MDCK細(xì)胞對C6-PD的攝取圖像(標(biāo)尺=25 μm)Fig 6 Confocal images of MDCK cells treated with or without MβCD at 37 ℃ for 1 h (Bar=25 μm)
甲基-β-環(huán)糊精對C6-PD吸收的抑制作用很快發(fā)生,并且在1 h內(nèi)抑制了超過85%的內(nèi)吞作用。膽固醇屬于非極性疏水化合物,甲基-β-環(huán)糊精的疏水性空腔與膽固醇的分子結(jié)構(gòu)相適宜,因此,甲基-β-環(huán)糊精可以與膽固醇螯合在一起。為了排除甲基-β-環(huán)糊精的任何藥物特異性作用,使用了另一種抑制劑制霉菌素,該抑制劑可以與膽固醇結(jié)合并通過直接插入膜將膽固醇螯合為復(fù)合物來破壞脂質(zhì)筏。文獻(xiàn)報道,通過對膽固醇的螯合作用可以有效阻止小窩蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用[16]。甲基-β-環(huán)糊精和制霉菌素的顯著抑制作用表明內(nèi)吞過程是具有高度膽固醇依賴性的。膽固醇被鰲合后可能引起細(xì)胞膜雙層生物物理特性(例如膜張力、彎曲剛度或厚度)的變化而抑制內(nèi)吞作用[17]。因此,本研究實(shí)際上證明了MDCK細(xì)胞對C6-PD的內(nèi)吞作用是膽固醇依賴性和小窩蛋白介導(dǎo)的過程。
氯丙嗪是一種陽離子兩親分子,可通過破壞網(wǎng)格蛋白和細(xì)胞表面的復(fù)合物來特異性阻斷網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用。高滲蔗糖因干擾網(wǎng)格蛋白晶格在脂膜上的分散而被廣泛用于抑制網(wǎng)格蛋白囊泡的形成[18]。高滲蔗糖通過使質(zhì)膜內(nèi)小葉處的網(wǎng)格蛋白晶格解離來抑制網(wǎng)格蛋白包被的小孔的形成。因此,網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑也參與C6-PD的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。
另一方面,阿米洛利通過改變鈉離子的濃度來抑制巨胞飲作用[19]。巨噬細(xì)胞表面普遍存在皺褶結(jié)構(gòu),鈉離子的濃度對細(xì)胞膜皺褶的形成很重要。用阿米洛利進(jìn)行的研究結(jié)果表明,巨胞飲作用機(jī)制在實(shí)驗(yàn)條件下作用不大。這與通常粒徑>150 nm的顆??赡芫哂羞@種內(nèi)吞途徑的報道相符[20-21]。
使用內(nèi)吞抑制劑進(jìn)行的研究結(jié)果表明,C6-PD的胞吞作用可能是通過多種機(jī)制介導(dǎo)的。
3.3.2 溫度對跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)的影響:為考察C6-PD的細(xì)胞攝取是否為能量依賴的過程,用熒光分析法對不同溫度下的C6-PD的細(xì)胞攝取進(jìn)行定量研究。低溫(4 ℃)會抑制所有ATP依賴的細(xì)胞過程。如果細(xì)胞中的ATP消耗殆盡,那么其依賴能量的內(nèi)吞作用就會受到抑制。將溫度從37 ℃降低到4 ℃會顯著降低MDCK細(xì)胞對C6-PD在不同時間下的攝取百分比,見圖7。這表明跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)過程在很大程度上依賴于溫度或能量,進(jìn)一步說明跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)的過程可能是主動轉(zhuǎn)運(yùn)。
圖7 不同溫度下MDCK細(xì)胞對C6-PD的攝取(n=3)Fig 7 Uptake of C6-PD by MDCK cells at different temperatures (n=3)
在本研究中,制備并表征了包含熒光探針香豆素6的典型膠束系統(tǒng),并探討了其在MDCK細(xì)胞單層中的轉(zhuǎn)運(yùn)。PEG-DSPE膠束具有較快的跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)能力可能與DSPE作為一種磷脂,對細(xì)胞膜具有較高的親和力相關(guān)。通過不同內(nèi)吞抑制劑和溫度的研究,可以證明小窩蛋白和網(wǎng)格蛋白都參與了MDCK細(xì)胞對PEG-DSPE膠束的內(nèi)吞作用,并且跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的過程是需要能量的主動轉(zhuǎn)運(yùn)過程。本研究中的發(fā)現(xiàn)為口服藥物遞送的兩親性納米生物材料的設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)。