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离子导入技术是一种利用低强度电流进行局部或全身给药的非侵入性给药方法,具有高效、安全、患者依从性好等特点 [1-3]。随着离子导入给药研究的不断深入,离子导入不再局限于经皮给药,经黏膜、角膜等其他组织给药的研究增多,其中离子导入辅助口腔麻醉,辅助角膜交联促进眼部药物递送等也是近年来的研究热点 [1, 4]。除了离子导入,微针、超声导入等促透技术在经皮给药领域也引起了广泛关注(表1为各种物理促透方式的比较),纳米载体、水凝胶等新剂型也是研究的热点。并且其他促透技术与离子导入的联合应用,在提高药物渗透率的同时,也减弱了离子导入电流对皮肤和黏膜的刺激性,进一步扩大了离子导入跨生物屏障给药的适用范围 [5]。本文将综述离子导入技术与水凝胶、微针和纳米载体等剂型的联合应用方面的相关研究,并对该研究领域的未来发展方向提出新的思路。
表 1 经皮给药物理促透方式的比较
促透技术 驱动力 优点 缺点 离子导入 [5] 微电流 1、 不易造成细胞损伤
2、 大、小分子药物都可递送1、 引起皮肤刺激
2、 少见皮肤灼伤超声导入 [5-6] 治疗性频率(1~3 MHz) 、
低频(20~100 kHz)1、 增加皮肤通透性
2、 大、小分子药物都可递送1、 引起皮肤刺激
2、 少见皮肤灼伤
3、 使用时间较长微针 [7-9] 长度500~1000μm的微针机械穿透皮肤 1、 破坏角质层在皮肤表面产生微通道
2、 可实现系统性给药
3、 大、小分子药物都可递送1、 偶发过敏或炎症
2、 给药剂量有限
3、 针头可能残留于皮肤中无针注射器 [8,10] 高速液体射流 1、 穿透性较强
2、 减少针头恐惧症1、 少见表皮皱纹
2、 偶发凹陷或肥厚性疤痕 -
离子导入技术是一种非侵入性促透技术,通过施加低强度电流增强带电药物对组织的渗透。使用带有与药物相同电荷的电极进行给药,而与药物所带电荷相反的电极则被放置在身体的其他地方以形成闭合电路 [11]。与常见的被动给药相比,药物经离子导入可以更高效地释放到皮肤或其他靶组织中,在一定条件下,也可以避免药物的首过代谢 [12]。离子导入给药系统作用示意图如图1所示。
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离子导入给药技术主要涉及两种物理转运机制:电迁移和电渗透 [2, 12]。电迁移是离子在电场的直接作用下穿过生物膜,其中带负电荷的药物被转移到阴极的皮肤下,而带正电荷的药物则被转移到阳极的皮肤下 [12]。电渗透则是溶剂在外加电场作用下因离子的电迁移而引起的定向运动。人体皮肤的生理等电点在4~4.5左右,因此皮肤在正常生理条件下带负电荷,在皮肤上施加电场有利于阳离子的迁移,有利于带正电荷药物的运输,也可使中性分子扩散至组织中 [5, 12-13]。此外,有研究表明离子导入可在皮肤表面激活细胞内信号通路,导致细胞间隙的开放,从而促进药物跨越皮肤屏障进行迁移。离子导入也打通了细胞间的连接并产生了快速的运输分流,使生物大分子通过细胞旁路途径穿透皮肤屏障 [5]。
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影响离子导入给药的因素可分为药物因素、电流因素和生理因素。药物因素包括药物浓度、相对分子量、脂水分配系数、所带电荷等。一般来说,在离子导入作用下小的亲水性分子比大的亲脂性分子更易透过皮肤屏障 [12]。药物的解离度也是影响其释放的关键因素,解离度越高,离子导入作用越强 [14-15]。电流因素包括电流给予时间、电流密度和电极材料。通常情况下,药物渗透量随电流密度的增大而增加,但电流密度不宜超过生理阈值0.5 mA/cm2,电流施加时间不宜超过3 min,以免引起烧伤 [5, 14,16-17]。电极材料首选Ag/AgCl电极,因为Ag/AgCl的电极反应不涉及H+和OH−,能够抵抗皮肤pH值的变化。而惰性电极,如铂电极,使用H+和OH−作为电化学反应的来源,易导致溶液pH值的改变,还可能引起蛋白质和多肽的降解 [2]。此外,皮肤的生理因素,包括皮肤完整度、厚度、有无毛发等也会影响给药的效率 [12, 18]。其中紧密排列的上层角质层是离子导入给药的主要障碍,创伤性皮肤损伤以及影响屏障功能或皮肤水合状态的疾病(如牛皮癣)也会影响药物的渗透 [8, 12]。
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有关离子导入给药研究的文献报道较多,主要集中在局麻药、抗炎药、化疗药、氟化物和维生素等方面 [1]。比如离子导入脸部透皮递送维生素C的临床试验 [19],以及在荷兰开展的离子导入氯胺酮治疗慢性疼痛的全国性调研等 [20]。近年来的研究更多集中在离子导入与其他物理或化学促透方法的联合应用上,相较于单独的离子导入给药,与微针、纳米载体等技术的联用在提高给药效率的同时,还能减弱给药电流从而减少对人体屏障的损害。本文主要介绍离子导入与其他促透技术联合应用的相关研究。
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水凝胶是一种具有三维网络结构的亲水性高分子聚合物,具有良好的生物相容性与溶胀性,是理想的生物医学材料 [21]。在离子导入给药的研究中,水凝胶常作为一种药物储存库,同时也是一种导电材料 [22-23]。相较于药物溶液,水凝胶可以最大程度地减少皮肤的水合,与离子导入联合应用,在提高药物渗透效率的同时,还可以通过调整水凝胶的结构和载药方式实现药物的控制性释放 [11]。
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由于水凝胶大多由天然大分子交联而成,具有一定的促进创面愈合功能,因此,近年来,离子导入与水凝胶联合应用于小分子药物的递送主要集中在皮肤创面的给药和黏膜给药 [24-25]。Kanaan等[24]以壳聚糖和离子液体半互穿构建了一种具有网状结构的电响应性生物材料,可用于离子导入给药。在0.56 mA/cm2的电刺激下,该生物材料的动力学释放常数和扩散系数分别是被动释放的1.5倍和2.7倍,且具有较好的止血效果,可用于促进创面愈合与离子导入贴片的制备。Guigui等 [26]证明了局部离子导入曲前列尼尔水凝胶治疗系统性硬化症指端溃疡的可行性与安全性。相较一线疗法静脉注射伊洛前列素,可避免头痛、恶心、呕吐等不良反应。
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离子导入在小分子药物的递送方面具有显著效果,但对大分子药物以及纳米粒的递送仍然具有挑战性。通常采用增加电流强度的方法来增加药物的渗透,但也容易导致导电材料温度升高,同时伴随皮肤组织不良反应率的增加 [27]。因此开发能用于高强度电流、具有良好热稳定性的导电水凝胶是解决离子导入大分子药物局限性的方向之一。Zhao等 [23]开发了一种基于水凝胶离子回路的离子导入装置,该装置中填充了电导率高达51.31 mS/cm的饱和磷酸盐溶液作为流体通道,其外包裹聚乙二醇水凝胶,共同构建成双水相的分离系统。该水凝胶离子电路可在含水的组织环境中保持稳定,将离子电流引导至生物组织的同时不产生电化学反应,减少组织损伤。该装置可对眼部输出高达87 mA/cm2的电流且不引起不良反应,从而实现眼部大分子药物与纳米粒的有效递送。
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微针是由多个微米级的细小针尖以阵列的方式连接在基座上形成的,针体直径一般小于300 μm,长度在500 μm到1000 μm之间。微针可以直接穿透角质层,并在皮肤真皮层中释放药物,故可以有效解决传统经皮给药中大分子药物难以透过皮肤角质层的问题 [28]。离子导入可以促进药物分子通过微针产生的低阻通道扩散,从而进一步增强亲水性药物或带电大分子药物的传输 [14]。
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有关离子导入与微针联合应用进行小分子给药的研究较多,主要集中在一些慢性病的治疗,包括阿尔兹海默症、银屑病以及一些神经系统疾病等。近10年来文献报道的离子导入与微针联用的小分子药物研究见表2。
表 2 离子导入与微针联用递送小分子药物
药物 给药电流与施加时间 微针阵列 组织/模型 研究概况 甲氨蝶呤 0.2 mA/cm2,4 h length=500 μm 新鲜冷冻人体尸体全层皮肤 离子导入加微针组合应用可显著提高给药量。与单独使用微针给药相比,两者结合减少滞后时间,提高治疗效果 [29]。 川芎嗪 0.4 mA/cm2,10 h N=36,
length=500 μmSD大鼠腹部皮肤 微针预处理2 min后,再施加微电流可协同增强川芎嗪在脑内的透皮渗透,且与冰片配伍使用后可明显缩小中脑动脉栓塞大鼠的脑梗塞体积 [30]。 盐酸多奈哌齐 0.4 mA/cm2,2 h N=10×10,
length=415 μm猪耳皮肤 微针的给药渗透量为282.23±8.28 μg /cm2,离子导入的给药渗透量为623.4±21.3 μg /cm2,两者结合高达1000±160.9 μg /cm2 [31]。 枸橼酸托法替尼 0.5 mA/cm2,4 h N=10×10,
length= 395μm新鲜冷冻人体尸体全层皮肤 被动给药的递送量为11.04±1μg/ cm2,微针给药的递送量为314.7±33.32μg/ cm2,微针与离子导入结合可达566.59 μg/ cm2,表明具有协同效应 [32]。 格隆溴铵 0.5 mA/cm2,4 h N=27×3 猪全层皮肤 相较于被动给药与微针给药,离子导入和微针的组合应用显著增加了药物的透皮渗透量,并且发现格隆溴铵对皮肤无刺激性,可用于经皮给药[33]。 琥珀酸舒马曲坦 0.5 mA/cm2,6 h 圆形阵列:S=0.7850 cm2, N= 600,length=500 μm 雌性哥廷根小型猪背部皮肤 离子导入技术可以减少角质层对带电分子运输的阻力。可溶性微针贴片在微电流的辅助下,只需近1/3的原料药就能提供与单独使用微针给药相同的给药剂量 [34]。 二甲双胍 0.2 mA/cm2,0.5 h N=10×10,
length=800 μm肥胖C57BL/6J小鼠模型 离子导入和微针联用能有效将二甲双胍输送到皮下白色脂肪组织,并诱导其褐变,改善能量代谢。与传统的口服或静注相比,此法可明显增加给药剂量 [35]。 -
小分子药物的离子导入递送大多依赖于电斥力,而随着分子量的增大,对于蛋白质和多肽等生物药物而言,则更多依赖于电渗透作用 [36-37]。而渗透作用的增强可能增加皮肤的损伤概率。微针可在皮肤上产生微米级的微通道,因此与离子导入技术的联用对于大分子药物的递送也是研究的热点 [37]。Noh等[37]开发了一种将名为Tappy Tok Tok®的新型微针与离子导入组合应用的大分子药物给药系统,并以重组人生长激素为模型药物进行考察。研究发现微针加离子导入的组合应用相较单独的离子导入给药,药物的经皮吸收增加了近6倍。Bok等[38]将透明质酸微针与超声和离子导入相结合,构建了一种多功能透皮给药系统。可溶性微针在皮肤上产生孔道并溶解,超声波和交流电场促进药物的渗透,从而有利于提高生物大分子药物的经皮递送效果。Kusama等[39]开发了一种基于离子导入的多孔性聚乳酸微针给药系统,可以通过微针产生的微孔道传输较大的分子,在微孔道中产生电渗透流,此外,其内置的酶生物电池可作为集成电源为药物透皮过程供电。Bai等[40]研究了一种将麦芽糖可溶性微针与离子导入相结合的蛋白质透皮给药系统。该装置可将离子导入给药所允许的最大分子量10~12 kDa扩大到66 kDa,在大分子生物药物的递送方面具有巨大的应用潜力。
此外,离子导入与微针的联用在糖尿病的智能给药领域也是研究的热点。在现代医学中,血糖跟踪监测和药物智能释放的集成系统是治疗糖尿病最有发展前景的方向之一。微针阵列与离子导入的组合既可以用于葡萄糖的提取监测,又可用于胰岛素的释放,可对糖尿病患者的血糖实现精准调控。Li等[41]开发了一种集微针和可穿戴电子设备于一体,可同时在线监测血糖和治疗糖尿病的全集成系统。其中介孔微针-反向离子导入葡萄糖传感器可准确监测血糖波动,微针-离子导入胰岛素递送组件可响应性的递送胰岛素来调节血糖,为改善糖尿病患者的生活质量提供了新的可能。Yang等[42]开发了一种由智能手机驱动的离子导入-微针阵列贴片,实现了渗透、扩散、离子导入的一步给药策略。通过施加不同的电流强度来调节胰岛素的给药量,从而实现高效、按需的胰岛素给药。
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纳米载体是一种纳米级的亚微粒药物载体递送系统,包括脂质体、纳米粒、纳米乳剂等,具有一定的渗透性、滞留性和稳定性 [43]。将纳米载体与离子导入相结合进行经皮给药时,可以更好的实现药物的控制性释放,有效增加渗透量。载药的纳米颗粒可以在皮肤表面或毛囊中形成药物贮库,药物可以从贮库缓慢释放到皮肤表面或进入更深的皮肤层。离子导入电流还可促进已释放的药物透过皮肤进入体循环[44-45]。An等[22]开发了一种用于传递纳米载体的离子导入经皮给药系统,利用便携式一次性反向电渗析电池的离子交换反应为离子导入提供电能,加入导电水凝胶作为药物储存库。Hasan等[46]也发现核酸药物纳米载体可以通过离子导入直接将核酸药物输送到内脏器官,而无需通过血液循环途径。近10年来更多关于离子导入与纳米载体联用的小分子药物递送研究见表3。
表 3 离子导入与纳米载体联用递送小分子药物
药物 给药电流与
施加时间纳米载体 组织/模型 研究概况 吡罗昔康 0.6 mA/cm2,
1 h纳米醇质体 Wistar大鼠皮肤 体外透皮实验表明1 h内,游离药物和纳米醇质体的皮肤渗透率无显著性差异。添加微电流可显著促进醇质体的渗透,但对游离药物无影响 [47]。 氢化可的松 0.5 mA/cm2,
0.5 h醇质体 大鼠皮肤 游离药物和醇质体在120 min的皮肤渗透浓度为0和7.98 μg/cm2;在离子导入的影响下,两者在30 min的渗透浓度为0和19.69 μg/cm2,离子导入对游离药物的渗透无影响 [48]。 奥沙利铂 0.5 mA/cm2,
2 h壳聚糖纳米粒 猪口腔黏膜 将奥沙利铂制成壳聚糖纳米粒后,药物在口腔黏膜渗透率相较被动给药增加3倍,离子导入技术又在此基础上增加1倍 [49]。 姜黄素 0.2 mA/cm2,
20 min脂质金纳米粒 新西兰兔耳皮肤(金黄色葡萄球菌感染) 脂质金纳米粒在离子导入的作用下透过皮肤,而后在红外光照射下诱导姜黄素释放,最后利用姜黄素在蓝光照射下的杀菌作用治疗痤疮 [50]。 盐酸环丙沙星 0.42 mA/cm2,
3 h金纳米粒 猪耳皮肤 大豆油凝胶中的促透剂硬脂酸和离子导入技术联合可使凝胶中的金纳米粒在1 h内渗透猪耳皮肤,并且此设计可开发成导电纳米粒的自我透皮递送装置 [51]。 STAT3 siRNA,甲磺酸伊马替尼 0.5 mA/cm2,
2 h金纳米粒 雌性C57BL/6小鼠黑色素瘤模型 体外实验表明,相较游离药物,双药物纳米颗粒可显著降低黑素瘤细胞的存活率。动物实验中,双药物纳米颗粒的局部离子导入效果与瘤内给药相当,显著降低肿瘤体积百分比,抑制STAT3蛋白的表达 [52]。 阿霉素 0.5 mA/cm2,
6 h固体脂质纳米粒 猪耳皮肤 固体脂质纳米粒在离子导入的作用下可使56%的阿霉素穿过活性表皮层;而被动给药仅有26%的药物保留在活性表皮层。且固体脂质纳米粒使阿霉素对黑色素瘤细胞的杀伤活性增加50% [53]。 洛匹那韦 0.5 mA/cm2,
6 h脂质纳米粒 猪耳皮肤 脂质纳米粒可增加药物在皮肤上的滞留。DSC研究表明,电流可以触发洛匹那韦脂质纳米粒的多态性转变,并增加药物在脂质基质中的溶解度 [54]。 -
超声导入给药是指利用超声波能量打破皮肤屏障,使各种药物进入和穿透皮肤的方法[55-56]。超声导入的频率范围是20~16 MHz,强度可高达14 W/cm2,一般可在低频(20~100 kHz)或治疗性频率(1~3 MHz)下进行超声导入[55]。超声导入经皮给药的主要机制是超声空化打破皮肤屏障,而在超声导入打破皮肤角质层的结构之后,离子导入可以进一步促进药物渗透并提高经皮给药浓度。并且超声波可去除角质层中的脂类,导致角质层流态化,和离子导入的电渗透协同作用,增强药物的渗透性[14]。Park等[57]开发了一种联合给药装置,不仅可以单独进行离子导入或超声导入给药,也可以实现两种物理渗透技术的联用。研究发现超声导入(350kHz)与离子导入(0.2mA/cm2)同时应用时,谷胱甘肽的渗透效率是被动给药的2.4倍,且高于单独应用超声导入或离子导入给药。
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化学渗透剂是最经典的促进经皮给药的方法之一,其原理是通过与角质层细胞间的脂质相互作用,改变其结构或角质化环境从而增强皮肤的渗透性。但由于化学渗透剂在高剂量下具有一定毒性,因此只有少数应用于市场。常见的渗透剂有氮酮、月桂醇、丙二醇和桂皮烯等 [58]。化学渗透剂与离子导入相结合可以协同增强药物的渗透性,提高经皮给药效率 [14]。Teaima等 [59]发现化学渗透剂与离子导入相结合可增强富马酸比索洛尔的透皮渗透,可作为传统口服片剂的一种替代给药方法,用于吞咽困难人群。虽然化学渗透剂与离子导入联用可促进药物的经皮渗透,但同时应注意监测此类给药方法对皮肤组织的刺激与损伤。
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离子导入技术可用于局部或全身给药,是经皮给药、跨黏膜给药最有前景的方向之一。但是离子导入技术的推广应用仍然面临较大的挑战,主要是给药装置的设计研发以及电流引起的皮肤不良反应 [14]。相较于常规给药方式,离子导入不仅要考虑药物成本,还要考虑设备成本。而且现在大多数离子导入给药治疗都仅限于在医院进行,患者能够自行装药给药的装置仍然不成熟。因此,开发一种方便携带、操作简便、成本低廉的给药装置是将离子导入技术推向临床应用的最重要的任务之一。而针对离子导入对皮肤产生的瘙痒、刺痛、红肿等不良反应,应当避免长时间、高密度的使用,并且在研发设计时尽量减少金属电极和恒定直流电的使用,优先选择低刺激性的给药基质 [13]。此外,随着其他促透技术的发展,离子导入技术与水凝胶、微针和纳米载体等剂型的联用也具有更广阔的应用前景。未来针对多种给药方式组合应用的装置的设计开发也将进一步推动该技术的发展。
Progress on drug delivery of iontophoresis
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摘要: 离子导入是一种非侵入性的物理促透技术,相较于其他常用促透技术,具有高效、患者依从性好、递送剂量可控等优点,在药物经皮肤、黏膜转运方面具有广阔的应用前景。近年来随着微针、纳米载体等递送技术的发展,离子导入与其他渗透技术的联合应用也逐渐成为研究的热点。本文介绍离子导入给药的转运机制与影响因素,并对该技术与水凝胶、微针和纳米载体等剂型的联合应用的相关研究进行综述和展望。Abstract: Iontophoresis is a non-invasive physical permeation technology, which has been widely applied in transdermal and transmucosal administration. Compared with other permeation technologies, iontophoresis have the advantages of high efficacy, high patient compliance and controllable delivery dose. With the development of microneedles and nano-carrier technology, the combination of iontophoresis and other penetration promotion technologies has gradually become a research hotspot. The penetration mechanism and influencing factors of iontophoresis, and the study on the combination of iontophoresis with hydrogel, microneedles or nano-carrier were reviewed in this paper.
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Key words:
- iontophoresis /
- drug delivery system /
- microneedle /
- nano-carrier
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脑血管疾病是仅次于心脑血管疾病和癌症的第三大病症,其中脑缺血是常见的脑血管疾病之一。脑缺血的患病率和死亡率仍处于上升趋势,严重影响人们的健康。目前,西医对于脑缺血的主要治疗方式是溶栓和取栓,但有严格的溶栓时间窗和较大的取栓风险,并且缺血后造成神经功能的损伤没有有效的药物治疗[1]。中医药在脑缺血的预防和治疗中具有潜在作用,以气虚为本、血瘀为标作为主要病因[2]。查阅近几年文献发现,益气活血化瘀方药在防治脑缺血中表现出多方面和整体调节的优势。
参麻颈复方是临床名老中医经验方,临床应用发现具有活血通络,益气养血,宁神安脑,健筋壮骨之效。该方由首乌藤、丹参、山茱萸(制)、天麻、当归、川芎等组成,临床应用广泛。首乌藤有养血安神、祛风通络之效[3],丹参有活血调经、祛瘀止痛、凉血消痈、除烦安神之效[4],当归有补血调经、活血散寒、消肿止痛生肌、润肠通便之效[5],川芎、陈皮的补气之效辅佐以上药物活血功效运行,而且川芎具有活血化瘀之效,是传统中医防治中风选择最多的配方之一[6]。本研究评估参麻颈复方对小鼠脑缺血损伤的改善作用,并进一步探讨其对骨髓来源内皮祖细胞干预发挥防治脑缺血损伤的机制,为中药方剂治疗脑缺血提供新的思路、寻找新的靶点。
1. 材料与方法
1.1 实验仪器及试剂
细胞培养箱(Thermo公司);倒置荧光显微镜(Leica 公司);Odssey红外荧光显像(Li-Cor公司);酶标仪(芬兰 Labsystens Dragon 公司);涡旋混合器(江苏天翎仪器有限公司);超净台(苏州净化设备有限公司);电子天平JA2003(上海天平仪器厂)。 参麻颈复方颗粒(岳阳医院自制制剂,批准文号:沪药制字Z05050324);尼莫地平片(天津市中央药业有限公司);BCA蛋白定量试剂盒(Thermo公司);2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC,北京西浓科技有限公司);VEGF抗体(abcam公司);BDNF抗体(abcam公司);GAPDH内参抗体(abcam公司);Tubulin内参抗体(abcam公司);内皮细胞培养基(EGM-2 Single Quots,Lonza公司);波连蛋白(vitronection,BD公司)。
1.2 实验动物及分组
实验动物为SPF级C57BL/6雄性小鼠30只(上海吉辉实验动物饲养有限公司,许可证:SCXK(沪)2017-0012),体重为18-20 g,6-7周龄。适应性饲养1周后,将30只小鼠随机分为模型对照组(Control组)、参麻颈组(SMJ组)、尼莫地平组(NMDP组),10只/组。实验过程中对于实验小鼠的所有处理均符合伦理学规定。
1.3 实验方法
1.3.1 制备动物模型
采用电凝法制备局灶性脑缺血模型[7],用浓度为12%的水合氯醛对小鼠进行腹腔注射,剂量控制在350 mg/kg。小鼠麻醉后,仰卧位固定在手术台。借助显微镜,用显微镊沿颞肌纤维束的方向钝性分离肌肉,直到颧骨及麟骨暴露,显微镊夹住颧骨固定小鼠头部,用牙科钻重点打磨颧骨和麟骨的交叉部位,骨壳变薄并有裂缝时,停止打磨,用撬棒沿已暴露的动脉血管剥离骨片,直至小鼠左侧大脑中动脉与伴行的迷走神经分叉暴露;在显微镜下,找准纹状体外侧动脉近心端,用双极电凝器凝断左侧大脑中动脉后,将电凝器缓慢移出,显微镜下再次确认是否凝断。最后用显微镊将皮肤和肌肉归置原位,以便于缝合。小鼠完全苏醒后,观察精神状态,若出现站立不稳、左侧肢体偏瘫、提尾向一侧转圈等神经功能损害症状,即为造模成功。
参麻颈组在手术前通过灌胃方式给予6.88 g∙kg−1的参麻颈复颗粒;尼莫地平组给予2.16 mg/kg溶液灌胃;模型对照组给予等量蒸馏水灌胃,每日1次,共14 d。
1.3.2 神经行为学功能评分
术后第3 d,由观察者在不知分组情况下记录神经行为学表现,并采用参考文献[7]评分方法,如提尾悬空试验等[8],评估神经行为学功能评分。
提尾悬空试验:提起小鼠尾巴末端使其悬空,观察小鼠头部偏转。以小鼠身体的中线为基准,头部偏离中线超过10度记为成功的偏转,每只小鼠重复提尾悬空试验:提起小鼠尾巴末端使其悬空,观察小鼠头部偏转。以小鼠身体的中线为基准,头部偏离中线超过10度记为成功的偏转,每只小鼠测20次,并且每次测定的时间间隔不少于1 min,以保证小鼠得到充足的休息。小鼠的偏转率计算按以下公式:摆动频率(%)=(T−10)/10×100%。
T为实验小鼠头部向手术对侧偏转的次数。
平衡木试验:记录小鼠由木棍一端顺利通过平衡木80%长度所用的时间。在正式试验前对小鼠进行3次训练,正式试验时每只小鼠重复测定3次,对每只小鼠均间隔5 min后进行下一次实验。
1.3.3 脑组织TTC染色
行为学评分测完后,小鼠脱颈处死,取脑组织,放1×PBS中清洗干净,将脑组织放在脑片模具中,共切7片,每片2 mm,放2%的TTC溶液中,并在37 ℃水浴锅中染色10 min,染色结束后放4%多聚甲醛固定6 h,按照脑片大小顺序排好拍照,脑片使用Image J统计软件测定小鼠的脑梗死体积。
1.3.4 细胞功能测定
取脑组织的同时,提取小鼠骨髓来源内皮祖细胞,培养至第7d时,收集和处理细胞,对细胞黏附、迁移及形成小管能力进行测定。
细胞黏附实验:用胰酶消化细胞,按照3×105个/ml细胞接种于预先包被人纤维粘连蛋白的96孔板中,在细胞培养箱中培养5 h后弃掉未黏附细胞,再用4%多聚甲醛固定,以Hochest 33258染料染色后于倒置显微镜下拍照。
细胞迁移实验:调整细胞浓度3×105个/ml,Transwell小室置于24孔板,按分组下室加600 μl配好的下室溶液,细胞悬液接种于上室各100 μl,置培养箱内培养24 h,用PBS清洗2次,弃上清液,在2%多聚甲醛固定15 min。弃上清,PBS清洗2次,上室转移至含600 μl Hochest 33258染料的孔中,避光染色15 min。弃上清,PBS浸泡5 min,弃上清,光学显微镜下拍照,以Image J软件计算各组迁移细胞数。
小管形成实验:调整各组细胞至3×105个/ml,每孔100 μl的细胞悬液加到铺有基质胶的孔中,最后将96孔板移至培养箱孵育6 h,在光学显微镜下拍照,以Image J软件计算各组小管形成数量。
1.3.5 Western blot检测
细胞样本同“1.3.4”项中相同来源,六孔板放在冰枕上,用预冷PBS润洗细胞两次,弃上清液;向板内加入60 μl已配置好的细胞裂解液,在冰枕上裂解15 min,收集细胞液转移至1.5 ml EP管中,使用高速离心机在12 000 r/min,4 ℃离心15 min,将离心后的上清液收集到新的离心管中并放到−80 ℃冰箱保存。应用紫外分光光度计测量蛋白浓度后,进行蛋白定量,95 ℃ 5 min蛋白灭活后,−20 ℃保存待用。SDS-PAGE凝胶电泳:初始电压调为50 V,电泳至Marker中红色条带分离出,将电压调为 120 V,直至Marker显示跑到胶的底部时停止电泳。转膜:恒流200 mA转膜,不同目的蛋白按其分子量大小设置转膜时间。封闭:用5%脱脂牛奶封闭1 h。封闭之后用1%牛奶配置的一抗4 ℃孵育过夜。第2天,用1%牛奶配制的二抗室温孵育1 h,NC膜放到Odyssey扫膜仪上进行扫描,保存扫描照片,使用Quantity One软件统计蛋白的灰度值。
1.4 统计学处理
使用Graphpad prism 5.0分析数据。实验数据均以(
$ \bar x $ ±s)表示,两组之间的差异采用非配对T检验进行分析,多组数据间的差异采用单因素方差分析(ANOVA),P<0.05表示差异具有统计学意义。2. 结果
2.1 各组小鼠神经功能学评分
小鼠造模成功后出现明显的神经功能障碍,表现为站立不稳、左前肢屈曲内收,肌张力下降。与对照组比较,尼莫地平组小鼠的神经功能有明显改(P<0.01);与对照组比较,参麻颈组小鼠的爬杆时间(P<0.05)和对侧偏转率(P<0.01)均有显著降低,表明小鼠给予参麻颈复方后,能有效保护缺血后神经功能的缺损(图1)。
2.2 各组小鼠脑梗体积变化
用TTC染色后结果显示:对照组小鼠术后脑组织出现明显的梗死灶。与对照组比较,给参麻颈组小鼠脑缺血后脑梗体积显著减少(P<0.01);给予尼莫地平的小鼠与参麻颈组相比,其脑梗体积虽有减少,但无统计学差异(图2)。 2.3 各组小鼠内皮祖细胞黏附功能比较
细胞黏附实验结果显示:对照组相比于另外两组,黏附细胞数目减少。预先给予参麻颈的小鼠,在发生脑缺血后,小鼠骨髓来源内皮祖细胞黏附于96孔板中细胞数目,明显高于对照组(P<0.01);给予尼莫地平组,其细胞数目也比对照组增多(P<0.01);而尼莫地平组和参麻颈组两组的差异无统计学意义(图3)。 2.4 各组小鼠内皮祖细胞迁移功能比较
迁移实验结果显示:与参麻颈组和尼莫地平组比较,模型对照组细胞迁移至Transwell板上室下面的数目可见减少。与对照组比较,给予参麻颈复颗粒后的脑缺血小鼠,其骨髓来源内皮祖细胞迁移数显著增加(P<0.05);给予尼莫地平的小鼠与对照组比较,其迁移细胞数目增加(P<0.01);参麻颈组和尼莫地平组,两组结果有差异但无统计意义(图4)。 2.5 各组小鼠内皮祖细胞形成小管能力比较
从图中可看出,对照组小鼠内皮祖细胞形成小管的数目减少。与对照组比较,参麻颈组内皮祖细胞形成小管数目有明显增加(P<0.05),尼莫地平组小管形成数目更为突出(P<0.01);尼莫地平组形成的小管状态也优于参麻颈组(图5)。
2.6 各组小鼠内皮祖细胞中相关蛋白的表达水平
Western blot检测结果显示:与对照组比较,参麻颈组(P<0.01)和尼莫地平组(P<0.01)小鼠内皮祖细胞内BDNF蛋白表达增加,而参麻颈组和尼莫地平组之间结果差异无统计学意义(图6)。
3. 讨论
缺血性中风是一种以动脉粥样硬化为基础的中枢系统不可逆损伤;它是由阻塞颈内动脉、椎动脉或者脑血管的血栓形成引起的,这一过程减少了血液供应,导致细胞代谢紊乱和衰老,并进一步导致血管内皮损伤[9-10]。脑缺血后导致严重的脑损伤,并造成神经功能障碍,包括偏瘫、肢体痉挛和认知障碍等,从而降低患者的生活质量[11]。目前,西医临床治疗存在局限性,使得该疾病的残疾率仍然很高,以及带来的社会经济负担也在继续增加。中医药博大精深,很多研究者一直都在致力于寻找改善脑缺血所致神经功能障碍的中医疗法。
中医典籍《伤寒杂病论》早就将活血化瘀中药或中药复方用于缺血性疾病的治疗。活血化瘀中药复方通过多靶点、多途径的作用方式发挥整体性作用。现代研究方法——代谢组学、基因组学、蛋白质组学等为中药复方作用机制的阐述提供强有力的支持。前期相关研究显示,在传统中药中,发现许多成分可以促进血管的生成,如丹参酮,川芎嗪,三七总皂苷等[12-14],这些是方剂中常用的中药,也是活血化瘀类草药的代表。而参麻颈复方中,大部分的中药具有活血化瘀作用,是否能够改善骨髓来源内皮祖细胞功能,又能否促进脑缺血损伤后的新血管的生成,需要进一步验证。
本研究中,参麻颈复方颗粒预处理后,小鼠脑缺血所致的神经行为学功能评分显著改善;TTC染色梗死体积也显著减少(P<0.01)。证明参麻颈复方颗粒对小鼠脑缺血损伤具有保护作用,可改善神经功能和减小缺血梗死体积。
越来越多的临床前研究表明[15],无论是缺血性脑卒中急性期还是慢性期,均会导致炎症和脑组织不可逆转的损伤。因此,为了减轻缺血组织的病理损伤,修复内皮功能障碍引起的血管损伤成为缺血性脑卒中治疗的主要方向。骨髓来源内皮祖细胞是内皮愈合和血管生成的关键效应因子。内皮祖细数量减少、内皮功能障碍与心血管事件风险增加息息相关[16],这与内皮祖细胞介导的血管修复受损致使血管疾病进展是一致的[17]。为了响应缺血信号和血管损伤,骨髓来源的内皮祖细胞被动员到循环中并募集到内皮损伤部位,从而形成新生血管,这也是一种自然的防御机制[18]。
第二部分实验研究了参麻颈复方颗粒对脑缺血损伤小鼠内皮祖细胞的保护作用。结果显示,小鼠脑缺血损伤后,来自骨髓的内皮祖细胞黏附在96孔板和迁移至Transwell板下室的数目有显著减少,给予参麻颈复方颗粒预处理后,黏附细胞数目(P<0.01)和迁移细胞数目(P<0.05)均有明显增加。另外,脑缺血损伤可影响血管新生的速度和质量,表现为内皮祖细胞形成小管的能力,包括形成小管的数量和小管长度。本研究的结果中,参麻颈复方颗粒显著增加脑缺血损伤小鼠的内皮祖细胞形成小管的数量和长度(P<0.05)。
神经营养因子是一组对神经系统的发育、生长、存活和分化至关重要的蛋白质[19]。脑源性神经营养因子(BDNF)是神经系统中含量最丰富、分布最广的神经营养因子。血管内皮细胞合成并分泌BDNF,并通过刺激其原肌球蛋白受体激酶B促进神经系统中的细胞分化、细胞生长、突触形成和神经发生[20-21]。重要的是,BDNF在缺血性和创伤性脑损伤后表现出许多神经保护特性[22]。BDNF通过促进新生血管、调节内皮一氧化氮生成和抑制凋亡来改善内皮细胞功能障碍[23]。
第三部分实验深入探讨了参麻颈复方颗粒保护小鼠脑缺血损伤的作用,结果显示,小鼠脑缺血后,大脑受到损伤,内皮祖细胞中BDNF蛋白表达显著降低,内皮祖细胞功能受损;参麻颈复方颗粒干预后,BDNF蛋白表达水平显著增加(P<0.01),细胞功能得以改善。这与二甲双胍上调人脐静脉内皮细胞(HUVEC)中BDNF的表达逆转高糖状态下的细胞损伤相同[23]。由于BDNF蛋白表达的增加,脑缺血小鼠的神经功能得到改善,脑梗死体积减小。
综上所述,参麻颈复方颗粒对小鼠脑缺血损伤有保护作用,这一作用可能与促进内皮祖细胞中脑源性神经因子BDNF蛋白表达,改善内皮祖细胞功能有关。我们这一研究为参麻颈复方颗粒在心血管疾病的治疗提供了新视角,并进一步验证了在心脑血管疾病治疗领域的应用,这可能减缓疾病的进展和改善预后。
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表 1 经皮给药物理促透方式的比较
促透技术 驱动力 优点 缺点 离子导入 [5] 微电流 1、 不易造成细胞损伤
2、 大、小分子药物都可递送1、 引起皮肤刺激
2、 少见皮肤灼伤超声导入 [5-6] 治疗性频率(1~3 MHz) 、
低频(20~100 kHz)1、 增加皮肤通透性
2、 大、小分子药物都可递送1、 引起皮肤刺激
2、 少见皮肤灼伤
3、 使用时间较长微针 [7-9] 长度500~1000μm的微针机械穿透皮肤 1、 破坏角质层在皮肤表面产生微通道
2、 可实现系统性给药
3、 大、小分子药物都可递送1、 偶发过敏或炎症
2、 给药剂量有限
3、 针头可能残留于皮肤中无针注射器 [8,10] 高速液体射流 1、 穿透性较强
2、 减少针头恐惧症1、 少见表皮皱纹
2、 偶发凹陷或肥厚性疤痕表 2 离子导入与微针联用递送小分子药物
药物 给药电流与施加时间 微针阵列 组织/模型 研究概况 甲氨蝶呤 0.2 mA/cm2,4 h length=500 μm 新鲜冷冻人体尸体全层皮肤 离子导入加微针组合应用可显著提高给药量。与单独使用微针给药相比,两者结合减少滞后时间,提高治疗效果 [29]。 川芎嗪 0.4 mA/cm2,10 h N=36,
length=500 μmSD大鼠腹部皮肤 微针预处理2 min后,再施加微电流可协同增强川芎嗪在脑内的透皮渗透,且与冰片配伍使用后可明显缩小中脑动脉栓塞大鼠的脑梗塞体积 [30]。 盐酸多奈哌齐 0.4 mA/cm2,2 h N=10×10,
length=415 μm猪耳皮肤 微针的给药渗透量为282.23±8.28 μg /cm2,离子导入的给药渗透量为623.4±21.3 μg /cm2,两者结合高达1000±160.9 μg /cm2 [31]。 枸橼酸托法替尼 0.5 mA/cm2,4 h N=10×10,
length= 395μm新鲜冷冻人体尸体全层皮肤 被动给药的递送量为11.04±1μg/ cm2,微针给药的递送量为314.7±33.32μg/ cm2,微针与离子导入结合可达566.59 μg/ cm2,表明具有协同效应 [32]。 格隆溴铵 0.5 mA/cm2,4 h N=27×3 猪全层皮肤 相较于被动给药与微针给药,离子导入和微针的组合应用显著增加了药物的透皮渗透量,并且发现格隆溴铵对皮肤无刺激性,可用于经皮给药[33]。 琥珀酸舒马曲坦 0.5 mA/cm2,6 h 圆形阵列:S=0.7850 cm2, N= 600,length=500 μm 雌性哥廷根小型猪背部皮肤 离子导入技术可以减少角质层对带电分子运输的阻力。可溶性微针贴片在微电流的辅助下,只需近1/3的原料药就能提供与单独使用微针给药相同的给药剂量 [34]。 二甲双胍 0.2 mA/cm2,0.5 h N=10×10,
length=800 μm肥胖C57BL/6J小鼠模型 离子导入和微针联用能有效将二甲双胍输送到皮下白色脂肪组织,并诱导其褐变,改善能量代谢。与传统的口服或静注相比,此法可明显增加给药剂量 [35]。 表 3 离子导入与纳米载体联用递送小分子药物
药物 给药电流与
施加时间纳米载体 组织/模型 研究概况 吡罗昔康 0.6 mA/cm2,
1 h纳米醇质体 Wistar大鼠皮肤 体外透皮实验表明1 h内,游离药物和纳米醇质体的皮肤渗透率无显著性差异。添加微电流可显著促进醇质体的渗透,但对游离药物无影响 [47]。 氢化可的松 0.5 mA/cm2,
0.5 h醇质体 大鼠皮肤 游离药物和醇质体在120 min的皮肤渗透浓度为0和7.98 μg/cm2;在离子导入的影响下,两者在30 min的渗透浓度为0和19.69 μg/cm2,离子导入对游离药物的渗透无影响 [48]。 奥沙利铂 0.5 mA/cm2,
2 h壳聚糖纳米粒 猪口腔黏膜 将奥沙利铂制成壳聚糖纳米粒后,药物在口腔黏膜渗透率相较被动给药增加3倍,离子导入技术又在此基础上增加1倍 [49]。 姜黄素 0.2 mA/cm2,
20 min脂质金纳米粒 新西兰兔耳皮肤(金黄色葡萄球菌感染) 脂质金纳米粒在离子导入的作用下透过皮肤,而后在红外光照射下诱导姜黄素释放,最后利用姜黄素在蓝光照射下的杀菌作用治疗痤疮 [50]。 盐酸环丙沙星 0.42 mA/cm2,
3 h金纳米粒 猪耳皮肤 大豆油凝胶中的促透剂硬脂酸和离子导入技术联合可使凝胶中的金纳米粒在1 h内渗透猪耳皮肤,并且此设计可开发成导电纳米粒的自我透皮递送装置 [51]。 STAT3 siRNA,甲磺酸伊马替尼 0.5 mA/cm2,
2 h金纳米粒 雌性C57BL/6小鼠黑色素瘤模型 体外实验表明,相较游离药物,双药物纳米颗粒可显著降低黑素瘤细胞的存活率。动物实验中,双药物纳米颗粒的局部离子导入效果与瘤内给药相当,显著降低肿瘤体积百分比,抑制STAT3蛋白的表达 [52]。 阿霉素 0.5 mA/cm2,
6 h固体脂质纳米粒 猪耳皮肤 固体脂质纳米粒在离子导入的作用下可使56%的阿霉素穿过活性表皮层;而被动给药仅有26%的药物保留在活性表皮层。且固体脂质纳米粒使阿霉素对黑色素瘤细胞的杀伤活性增加50% [53]。 洛匹那韦 0.5 mA/cm2,
6 h脂质纳米粒 猪耳皮肤 脂质纳米粒可增加药物在皮肤上的滞留。DSC研究表明,电流可以触发洛匹那韦脂质纳米粒的多态性转变,并增加药物在脂质基质中的溶解度 [54]。 -
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