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Caco-2細(xì)胞對(duì)負(fù)載維生素D3的納米粒的攝入研究

2011-12-06 08:03高艷麗
中國(guó)藥理學(xué)通報(bào) 2011年11期
關(guān)鍵詞:跨膜小室單層

高艷麗,劉 賽

(1.臨沂市沂水中心醫(yī)院臨床藥學(xué)科,山東 沂水 276400;2.青島大學(xué)醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)教研室山東 青島 266021)

為進(jìn)一步研究sSAN-FITC負(fù)載維生素D3后被Caco-2細(xì)胞的攝取情況,本實(shí)驗(yàn)采用激光共聚焦顯微鏡(laser scanning confocal microscope,LSCM)對(duì)sSAN-VD3-FITC被Caco-2細(xì)胞的攝取進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察,分析影響攝取的多種因素,使攝取的過(guò)程更加直觀、可信。

在此基礎(chǔ)上采用Caco-2細(xì)胞吸收模型對(duì)sSANVD3-FITC進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究。因它能為Caco-2細(xì)胞提供類似于體內(nèi)的生長(zhǎng)環(huán)境,當(dāng)Caco-2細(xì)胞形成單層之后,向腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化,與小腸上皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能非常相似,其跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)更加接近體內(nèi)吸收狀況。建立Caco-2細(xì)胞模型需要應(yīng)用Transwell,即跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)裝置。它的種類有多種,本實(shí)驗(yàn)選用懸掛式、內(nèi)側(cè)小室底部膜為孔徑0.4 μm的聚碳酯膜的Transwell,此種Transwell最適用于藥物的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)研究[1-2]。

跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用熒光酶標(biāo)儀檢測(cè)接受液的熒光強(qiáng)度,定量分析Caco-2細(xì)胞對(duì)藥物的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)情況,以推測(cè)機(jī)體對(duì)sSAN-VD3的吸收、利用情況,進(jìn)一步評(píng)估應(yīng)用海藻酸鈉經(jīng)油酸改性后的兼性材料、根據(jù)分子自組裝原理所制備的納米粒,作為疏水性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)載體的可行性。

1 材料與儀器

1.1 細(xì)胞 Caco-2細(xì)胞株,購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所。本實(shí)驗(yàn)采用30~40代。

1.2 藥品與試劑 負(fù)載VD3的自組裝海藻酸鈉納米粒(sSAN-VD3,食品級(jí),中國(guó)海洋大學(xué)生命科學(xué)部);異硫氰基熒光素(FITC,Amresco 0633,美國(guó));鼠尾膠原蛋白Ⅰ型(杭州生友生物試劑有限公司,批號(hào):20080515);熒光黃(上海埃彼化學(xué)試劑有限公司,分析純,批號(hào):2007-01-02);4',6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI,D212-10型,日本同仁化學(xué)研究所中國(guó)上海代理處);DMEM高糖培養(yǎng)基(Gibco,美國(guó),批號(hào):1290007);胎牛血清(中美合資蘭州民海生物工程有限公司,批號(hào):20071127);胰蛋白酶(Sigma,美國(guó));乙二胺四乙酸二鈉(EDTA,青島海泰生物科技有限公司分裝,荷蘭,超高純);雙抗(青霉素,山東魯抗醫(yī)藥股份有限公司,批號(hào):S080148;鏈霉素,山東魯抗醫(yī)藥股份有限公司,批號(hào):070303);曲拉通(Amresco 0694,美國(guó),Cat.No.T8200,試劑級(jí))。

1.3 儀器 熒光酶標(biāo)儀(M5型,美國(guó)分子儀器公司);激光共聚焦顯微鏡(LSM510-Meta型,德國(guó)蔡司公司);Transwell(3401型,美國(guó)康寧公司,批號(hào):31907011);Millicell-ERS電阻儀 (MERS00001型,Millipore,美國(guó));CO2培養(yǎng)箱(Heraeus,德國(guó)赫利公司);超凈工作臺(tái)(AIR TECH,蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司),倒置顯微鏡(Olympus,奧林巴斯北京銷售)。

2 方法

Caco-2細(xì)胞采用DMEM培養(yǎng)基(含10%胎牛血清、雙抗)于37℃、5%CO2、相對(duì)濕度90%條件下培養(yǎng)至 90%匯合,備用[3-4]。

2.1 共聚焦顯微鏡下觀察Caco-2細(xì)胞對(duì)sSANVD3-FITC的攝入 調(diào)整Caco-2細(xì)胞密度至6×107·L-1,接種到細(xì)胞爬片上,每孔2 ml,培養(yǎng)至70%匯合。實(shí)驗(yàn)前2 h更換無(wú)血清、無(wú)雙抗的培養(yǎng)基。實(shí)驗(yàn)前30 min,用37℃Hanks液沖洗細(xì)胞3次,在不破壞細(xì)胞的前提下,盡量去除細(xì)胞表面的雜質(zhì)[5]。用無(wú)血清、無(wú)雙抗的培養(yǎng)基溶解sSAN-VD3-FITC,設(shè)400 mg·L-1濃度組、空白對(duì)照組,孵育不同時(shí)間(1、4 h)后,用Hanks液沖洗,體積分?jǐn)?shù)為0.75的乙醇固定15 min,再次沖洗。將細(xì)胞爬片放置在滴有DAPI的載玻片上,通過(guò)激光共聚焦顯微鏡觀察攝入情況[6](FITC激發(fā)波長(zhǎng)為488 nm,發(fā)射波長(zhǎng)為521 nm;DAPI激發(fā)波長(zhǎng)為358 nm,發(fā)射波長(zhǎng)為461 nm)。

2.2 Caco-2細(xì)胞吸收模型對(duì)sSAN-VD3-FITC的攝入研究

2.2.1 Caco-2細(xì)胞吸收模型的建立

2.2.1.1 Transwell轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的準(zhǔn)備 將 5 g·L-1的鼠尾膠原蛋白Ⅰ型用0.006 mol·L-1冰醋酸溶液稀釋成終濃度為0.0012 g·L-1的溶液,將其加入Transwell內(nèi)側(cè)小室的聚碳酯膜上[2,7-9],每孔 200 μl,室溫下放置1 h后,用PBS緩沖液沖洗3次。

2.2.1.2 檢測(cè)跨細(xì)胞電阻(TEER) 在 Transwell內(nèi)、外側(cè)小室分別加入培養(yǎng)基0.5、1.5 ml,用Millicell-ERS電阻儀檢測(cè)電阻,均在170~185 Ω范圍內(nèi)。

2.2.1.3 接種及培養(yǎng)細(xì)胞 細(xì)胞接種于Transwell內(nèi)側(cè)小室內(nèi),使細(xì)胞在聚碳酯膜上最終密度為7.5×104/cm2[1-2,4,9],繼續(xù)培養(yǎng) 21 d。如 Fig 1 所示。

Fig 1 The conceptual diagram of transmembrane transport with Caco-2 cells model

2.2.2 細(xì)胞單層完整性檢測(cè) 培養(yǎng)21 d后,為了確定Caco-2細(xì)胞在Transwell內(nèi)側(cè)小室的聚碳酯膜上是否已生長(zhǎng)成一單層連結(jié)致密的細(xì)胞層,細(xì)胞單層是否完整,采用細(xì)胞跨膜電阻測(cè)量和熒光黃透過(guò)實(shí)驗(yàn)兩種方法進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.2.1 細(xì)胞跨膜電阻(TEER) 用Millicell-ERS電阻儀檢測(cè)各孔 TEER[3-4,7,9-11]。短電極放到內(nèi)側(cè)小室,長(zhǎng)電極放到外側(cè)小室,檢測(cè)時(shí)不觸及內(nèi)側(cè)小室的底部,以免損壞聚碳酯膜上的Caco-2細(xì)胞單層。當(dāng)細(xì)胞單層的電阻>600 Ω時(shí),表明細(xì)胞單層是完整的。

2.2.2.2 熒光黃透過(guò)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)前去除細(xì)胞表面的雜質(zhì)[5]。在各孔內(nèi)側(cè)小室加100 mg·L-1的熒光黃溶液[7,10]0.5 ml,外側(cè)小室加 1.5 ml Hanks 液,培養(yǎng)2 h。用熒光分光光度計(jì)檢測(cè)外側(cè)小室接受液的熒光強(qiáng)度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線確定接受液及原溶液中熒光黃的含量,并計(jì)算熒光黃透過(guò)率:

當(dāng)2 h熒光黃透過(guò)率<1%,則說(shuō)明膜的完整性良好[2]。

2.2.3 sSAN-VD3-FITC跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究 實(shí)驗(yàn)前去除細(xì)胞表面的雜質(zhì)[5]。用培養(yǎng)基溶解sSANVD3-FITC,濃度為 600 mg·L-1。

2.2.3.1 腸腔側(cè)(apica1,AP)-基底側(cè)(basolateral,BL)方向的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn) 設(shè)sSAN-VD3-FITC組和空白對(duì)照組,每組3個(gè)復(fù)孔,sSAN-VD3-FITC組在Transwell內(nèi)側(cè)小室加藥0.5 ml,外側(cè)小室加培養(yǎng)基1.5 ml;空白對(duì)照組內(nèi)外側(cè)小室均加培養(yǎng)基。分別于0.5、1、2、4 h 于接受池內(nèi)取200μl液體,用熒光酶標(biāo)儀檢測(cè)熒光強(qiáng)度,并補(bǔ)充200 μl培養(yǎng)基[9]。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后檢測(cè)各孔的細(xì)胞跨膜電阻。

2.2.3.2 BL-AP方向的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)分組同2.2.3.1,sSAN-VD3-FITC組在外側(cè)小室加藥1.5 ml,內(nèi)側(cè)小室加培養(yǎng)基0.5 ml;空白對(duì)照組的內(nèi)外側(cè)小室均加培養(yǎng)基。分別于0.5、1、2、4 h于接受池內(nèi)取100 μl液體,檢測(cè)其熒光強(qiáng)度,同時(shí)補(bǔ)充 100 μl培養(yǎng)基[9]。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后檢測(cè)各孔的細(xì)胞跨膜電阻。

3 結(jié)果

3.1 共聚焦顯微鏡 如Fig 2~5所示。

3.2 細(xì)胞單層完整性檢測(cè)結(jié)果

3.2.1 細(xì)胞跨膜電阻(TEER)12孔板的各孔電阻均>880 Ω,減掉未接種細(xì)胞時(shí)的電阻后,所測(cè)得的各孔的細(xì)胞跨膜電阻(TEER)均>600 Ω,符合跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)的要求[3-4,7,10-11]。

3.2.2 熒光黃透過(guò)實(shí)驗(yàn) ① 熒光黃直線回歸方程為Y=-18.804+926.477X(r=0.9999)測(cè)得接受液的熒光強(qiáng)度最高為254.4,2 h最高通過(guò)量為0.442 μg,原熒光黃溶液濃度為 100 mg·L-1,按下式計(jì)算:

得2 h熒光黃透過(guò)率為0.885%,<1%說(shuō)明膜的完整性良好,符合跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)要求[2]。

3.3 跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 AP-BL方向的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn) 與空白對(duì)照組相比,sSAN-VD3-FITC在Transwell內(nèi)側(cè)小室與Caco-2細(xì)胞作用不同時(shí)間(0.5、1、2、4 h)后,外側(cè)小室內(nèi)接受液的熒光強(qiáng)度均明顯增強(qiáng)(P<0.05);作用4 h后接受液的熒光強(qiáng)度最強(qiáng)(與作用0.5、1、2 h比較,P<0.05)。

3.3.2 BL-AP方向的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn) 與空白對(duì)照組相比,sSAN-VD3-FITC在Transwell外側(cè)小室與Caco-2細(xì)胞作用不同時(shí)間(0.5、1、2、4 h)后,內(nèi)側(cè)小室內(nèi)接受液的熒光強(qiáng)度均明顯增強(qiáng)(P<0.01);作用2 h后接受液的熒光強(qiáng)度較作用0.5 h明顯增強(qiáng)(P<0.01),較作用1h熒光強(qiáng)度也有所增強(qiáng)(P<0.05);作用4 h后熒光強(qiáng)度最強(qiáng)(與作用0.5、1、2 h比較,P<0.05)。

3.3.3 累積通過(guò)量 據(jù)直線回歸方程Y=97.798+433.394X,求得接受液內(nèi)藥物濃度,即可得到接受液內(nèi)藥物的含量,即藥物的累積跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)量ΔQ。

Fig 2 Picture of control group of sSAN-VD-FITC absorption study taken by LSCM

Fig 3 Nucelus dyed by DAPI control group of sSAN-VD3-FITC absorption study taken by LSCM

Fig 4 Picture of sSAN-VD3-FITC incubated with Caco-2 cells for 1h taken by LSCM

AP-BL方向的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),與空白對(duì)照組相比,sSAN-VD3-FITC與Caco-2細(xì)胞作用不同時(shí)間(0.5、1、2、4 h)后,接受液內(nèi)藥物的含量明顯增加(P<0.05);作用4 h后接受液內(nèi)的藥物含量最多(與作用0.5、1、2 h比較,P<0.05)。結(jié)果顯示,sSAN-VD3-FITC由AP-BL方向通過(guò)Caco-2單層的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)隨著孵育時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加,呈現(xiàn)時(shí)間依賴性。

BL-AP方向的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),與空白對(duì)照組相比,sSAN-VD3-FITC與Caco-2細(xì)胞作用不同時(shí)間(0.5、1、2、4 h)后,接受液內(nèi)藥物的含量均明顯增加(P<0.01);作用2 h后接受液的藥物含量較作用0.5、1 h明顯增加(P<0.05);作用4 h后細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)量最高(與作用0.5、1、2 h比較,P<0.05)。如 Tab 1所示。

3.3.4 表觀滲透系數(shù)(The apparent permeability coefficient,Papp)[2]:

AP-BL方向跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的Papp較穩(wěn)定,且隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小,BL-AP方向跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的Papp先上升后下降。提示sSAN-VD3-FITC的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)存在飽和現(xiàn)象,可能受載體介導(dǎo)。如Fig 6所示。

3.3.5 表觀滲透率 PDR P(BL-AP)為藥物從BL到AP的表觀滲透系數(shù),P(AP-BL)為藥物從AP到BL的表觀滲透系數(shù)。如Tab 2所示。

Tab 1 The time influence on the quantity of sSAN-VD3-FITC transport(±s,n=3)

Tab 1 The time influence on the quantity of sSAN-VD3-FITC transport(±s,n=3)

*P <0.05,**P <0.01 vs 4 h group

Time AP-BL/μg BL-AP 0.5 h 0.291 ±0.077** 0.384 ±0.09**1 h 0.515 ±0.175** 0.874 ±0.043**2 h 0.920 ±0.345* 4.897 ±1.713*4 h 1.791 ±0.571 8.822 ±2.860

Tab 2 The PDR of sSAN-VD3-FITC transport over time

4 討論

在跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)中,Caco-2細(xì)胞模型的建立非常關(guān)鍵,其中包括Transwell轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的種類的選擇、Caco-2細(xì)胞的接種、接種后細(xì)胞生長(zhǎng)情況的檢測(cè)、及模型制作完成后細(xì)胞單層完整性的判斷等。

本實(shí)驗(yàn)選用的是內(nèi)側(cè)小室底部材料為聚碳酯膜的 Transwell,材料的孔徑為 0.4 μm[1-2],此裝置被廣泛應(yīng)用于藥物的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究。在細(xì)胞接種前對(duì)Transwell轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的處理,即成功地將鼠尾膠原蛋白涂在Transwell內(nèi)側(cè)小室底部的聚碳酯膜上,是成功建立模型的前提。鼠尾膠原蛋白Ⅰ型能夠促進(jìn)Caco-2細(xì)胞貼壁,無(wú)菌、適宜濃度的鼠尾膠原蛋白Ⅰ型的配制是制作模型過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。因鼠尾膠原蛋白Ⅰ型在室溫下遇空氣易凝固,配置溶液時(shí)應(yīng)盡量在低溫條件下進(jìn)行,且動(dòng)作應(yīng)迅速,耗時(shí)不可過(guò)長(zhǎng)。接種的細(xì)胞數(shù)量是關(guān)鍵,細(xì)胞數(shù)量太少,細(xì)胞很難匯合,且生長(zhǎng)緩慢;細(xì)胞數(shù)量太多,容易發(fā)生擁擠、重疊等,不容易形成單層,影響藥物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)的效果。此外,細(xì)胞接種成功后,對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)情況需要嚴(yán)密觀測(cè),通過(guò)倒置顯微鏡觀察、檢測(cè)細(xì)胞跨膜電阻(TEER)等方法進(jìn)行檢測(cè)。細(xì)胞生長(zhǎng)21 d后,形成完整的細(xì)胞單層是保證跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。檢測(cè)方法有很多:①倒置顯微鏡觀察細(xì)胞的融合情況:細(xì)胞已完全融合,細(xì)胞緊密連接在一起,細(xì)胞之間無(wú)空隙。② 電鏡切片觀察:細(xì)胞間的緊密連接和橋粒的形成、微絨毛形成,證明細(xì)胞單層致密,Caco-2細(xì)胞已成功轉(zhuǎn)換為腸上皮細(xì)胞。③酚紅透過(guò)率實(shí)驗(yàn):(波長(zhǎng)為560 nm)測(cè)定其酚紅吸光度(D),p酚紅透過(guò)/%=D下層/D總×100%,D總為加入酚紅的吸光度值[13]。④3H或14C甘露醇透過(guò)率實(shí)驗(yàn):Papp<1×10-6cm·s-1[14],說(shuō)明膜是完整的。⑤ 檢測(cè)細(xì)胞跨膜電阻(TEER):Millicell-ERS檢測(cè)細(xì)胞TEER,能夠定性反映細(xì)胞的健康狀況,并定量反映細(xì)胞的融合程度,對(duì)細(xì)胞幾乎無(wú)損傷,是檢測(cè)Caco-2細(xì)胞模型完整性最常用的指標(biāo)。⑥熒光黃透過(guò)率檢測(cè):是胞旁通路的標(biāo)志物,其透過(guò)率檢測(cè)結(jié)果2 h累積透過(guò)率<1%,說(shuō)明細(xì)胞之間已經(jīng)形成緊密連接,細(xì)胞單層的完整性良好,符合跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)的要求[2]。

Fig 5 Picture of sSAN-VD3-FITC incubated with Caco-2 cells for 4h taken by LSCM

Fig 6 Transport of sSAN-VD3-FITC over time

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,sSAN-VD3-FITC可以進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),并且AP-BL、BL-AP方向的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)量均隨著孵育時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加,呈現(xiàn)時(shí)間依賴性。但從表觀滲透系數(shù)來(lái)看,跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)呈現(xiàn)很強(qiáng)的有向性,AP-BL的轉(zhuǎn)運(yùn)速率減慢,而B(niǎo)L-AP的轉(zhuǎn)運(yùn)速率增大,由此推測(cè)sSAN-VD3-FITC的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)可能受Caco-2細(xì)胞單層AP端細(xì)胞膜上P-gp的影響,它將細(xì)胞內(nèi)的sSAN-VD3-FITC作為底物排出細(xì)胞外,AP-BL方向的轉(zhuǎn)運(yùn)是受P-gp外排的負(fù)向作用,起到降低轉(zhuǎn)運(yùn)的作用,而B(niǎo)L-AP方向的轉(zhuǎn)運(yùn)可能是受P-gp的正向作用,起促進(jìn)作用。因此AP-BL的轉(zhuǎn)運(yùn)速率減慢,而B(niǎo)L-AP的轉(zhuǎn)運(yùn)速率增大,而B(niǎo)L-AP的轉(zhuǎn)運(yùn)速率于2h達(dá)高峰,后呈下降趨勢(shì),說(shuō)明存在飽和現(xiàn)象。吸收良好的藥物的表觀滲透系數(shù)Papp>10-6cm·s-1;吸收為1% ~100%的藥物表觀滲透系數(shù) Papp為0.1×10-6~1×10-6cm·s-1;而吸收差的藥物(即吸收 <1%)的 Papp<10-7cm·s-1[15]。本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示 Papp 在 0.1 ×10-6~1×10-6范圍內(nèi),因此吸收為1% ~100%。但是這一相關(guān)關(guān)系主要適用于被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn),對(duì)于吸收差的藥物,Caco-2細(xì)胞模型只能作為體內(nèi)吸收的一個(gè)定性而非定量指標(biāo)。有文獻(xiàn)報(bào)道在Caco-2細(xì)胞模型中吸收差的藥物的透過(guò)速度是其在人的空腸中透過(guò)速度的3.33% ~1.25%,其可能原因是Caco-2細(xì)胞模型中緊密連接的滲透性比正常小腸上皮小,在體內(nèi)擴(kuò)散距離加長(zhǎng)[15]。因此,sSAN-VD3在體內(nèi)的吸收分?jǐn)?shù)可能會(huì)比試驗(yàn)結(jié)果有所升高,這有待于體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)的進(jìn)一步研究。

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