微透析技術在生命科學中的應用綜述

 

摘要：
近幾十年來利用微透析技術在許多組織中開展了監(jiān)測內源性及外源性物質濃度及其含量的研究。該技術已經逐漸顯示出其能直接且在線反映某物質在組織器官中信息的特點，同時微透析技術對組織器官是安全的，因其產生的損傷機體具有良好的耐受性。本文主要綜述了微透析技術原理及其在疾病進展監(jiān)測等臨床研究領域應用，同時展望了該技術在職業(yè)性疾病研究中的應用前景。

 

微透析技術是近四、五十年發(fā)展起來的實驗技術，由于可通過透析液與細胞外液的滲透交換作用，精確地獲取局部組織的代謝、排泌信息，故在生物學和醫(yī)學研究中得到愈來愈廣泛的應用。目前，多數文獻集中于利用微透析技術研究組織細胞代謝、細胞因子和介質排泌狀況。實際上，利用此項技術可獲取的信息遠不止于此，重要器官組織有關醫(yī)藥、農藥、金屬元素、環(huán)境污染物及上述物質代謝產物的詳細信息均可利用本項技術獲得。因此，微透析技術在環(huán)境和職業(yè)醫(yī)學領域似有著更廣闊的發(fā)展天地。本文對其基本原理和應用情況作一概述。

 

微透析(microdilaysis)一詞起源于20世紀50年代末期，當時是用來描述一種類似于透析的萃取技術。最初主要用于生物化學微量檢測，人們能從不足1mL血漿中分離出膽固醇，之后又逐漸應用于其他領域，1974年UNGERSTEDE和PYCOCK首次利用該技術對大鼠腦內神經遞質多巴胺進行研究。目前它已經成為重要的實驗研究技術，用于離體實驗或體內實驗的內源性、外源性化學物質濃度變化的分析研究。

 

微透析實驗技術采用具有截留不同相對分子質量物質性能的纖維半透膜制成極細的微透析探頭(micordilaysisprobe MDP)，埋入待測的組織區(qū)域內，再以恒定的速率向探頭內灌注與組織液成分相近的等滲灌流液；當灌流液流經探頭前端透析膜時，位于探頭膜外側組織內相對分子質量較小的生物活性物質，將依濃度梯度從膜外擴散入膜內，并隨灌流液引流出探頭；以一定的時間間隔有序地接收透析液，采用高靈敏度化學檢測系統連續(xù)檢測收集的透析液中待測生物活性物質濃度，便可有效監(jiān)測活體動物或人體特定組織區(qū)域內細胞外生物活性物質的動態(tài)變化情況。

 

早期微透析探頭(多為簡單的透析纖維管或u型探頭和I型探頭)對組織損傷較大；近年一種新型同心圓I型探頭，則可廣泛用于腦、血管和重要組織的微透析分析。欲采集的樣品可經過探針頂端的半透膜進入收集管(外管)形成“透析液”流出。當灌流液流經透析膜時，不同分子根據其濃度的大小不同或從灌流液中擴散出來(稱為“逆透析”)或由組織外液進入(回

收)透析液。

 

微透析出來的待檢物質濃度畢竟不能確切代表受檢組織中該物質的實際濃度；且由于使用不含待測成分的灌流液不斷進行灌注，因此永遠也達不到平衡狀態(tài)，提示從微透析液檢測到的濃度只能是該部位體液真實濃度的“片斷”，該物質在受檢組織中的濃度應恒定地大于灌流液中該物質的濃度，二者的比率即是所謂“相對回收率”。

 

2．1溫度

通透膜的物質彌散速率與溫度呈正比l3，根據StokesEinstein方程：彌散系數D=kh(6Ⅱ)，其中，kb為Boltzmann常數，彌散系數與溫度(T)呈正比，與液體黏滯度(叩)和粒子直徑呈反比，為圓周系數，提示溫度越高透析物質的通透率也越高。

2．2膜面積和截留分子量

只有相對分子質量低于透析膜截留閾的物質才能通過透析膜，從實驗的可信度來說，只有相對分子質量低于透析膜截留閾值1／4的物質，其相對回收率在實驗中才有意義。

2．3透析物質的濃度

根據Fick擴散定律很容易理解：所透析物質的濃度越高，其相對回收率也越高。

2．4灌流液的成分

在微透析實驗中，環(huán)境溫度、通透膜性能、待透析的物質均已確定，灌流液成分則可以根據實驗需要而變化。灌流液的制備過程中應根據待透物質的特性而有所選擇，目的是取得最佳的分析結果。目前國際上多采用人工腦脊液(ACSF)、Ringer液或Krebs液作為腦微透析的灌流液，而用生理鹽水作為非神經組織灌流液。不同的透析樣品可根據其性質在灌流液中加入不同的物質以利樣品分析。如測定肽類活性物質，可在灌流液中加入0．5％牛血清白蛋白，減少其對透析系統的黏附；單胺類神經遞質及其代謝產物在光照、常溫和pH>3．5條件下極易氧化，可在樣品收集管中加入微量醋酸，使收集的樣品液pH值保持在3．5以下，并在冰浴、避光條件下收集樣品，可有效避免樣品中去甲腎上腺素、多巴胺及5一羥色胺等物質的氧化。以上對回收率影響因素的控制不僅增加了微透析技術可檢測物質的種類，也有助于減少系統誤差。

2．5灌流速度

影響相對回收率的另一重要因素是透析灌流速度�？偟膩碚f，低流速能增加相對回收率，高流速會降低回收率。但KJELLSTROM等人1998年在實驗中發(fā)現，有時實驗結果會出現與此相悖的現象：當流速<1gL／min時，白三烯的相對回收率會降低，作者認為可能與該流速條件下透析膜的吸收過程發(fā)生變化有關。由于微透析實驗樣品收集體積相對較少，而且受到分析手段的限制，因此低流速取樣通常難以達到實驗需求；但較大的流速(比如10gL／min或更高)，則可能引起“超濾”現象，即在一較高流速條件下，取得的樣品并非有效成分的物理擴散，而是高流速形成的高濾過壓產生的一種“凈流動”。因此，微透析實驗中灌流液的流速一般宜控制在0．5～5gL／min。

2．6收集樣品管路扭曲程度

與離體實驗比較，在體微透析實驗的相對回收率會降低，因為在體實驗中微透析的實驗管路本身也存在一定的阻力，尤其是當實驗動物自由活動時管路可能會發(fā)生扭曲，此時阻力更

大，得到的實驗結果可能會失真。

 

3．1給藥方案設計

抗癌藥物的療效與腫瘤組織中的藥物濃度密切相關。以前藥物在腫瘤中的濃度很難直接測到，所以通常用血藥濃度來預測和評價藥物的抗癌效果，但由于腫瘤組織的特殊生理情況

在多數情況下，腫瘤的藥物濃度與血藥濃度并不一致。微透析技術可以在腫瘤組織直接采取藥樣，因此在設計抗癌藥物給藥方案、研究抗癌藥物在腫瘤中的代謝等方面占有很大的優(yōu)

勢。

3．2顱腦損傷監(jiān)測

20世紀90年代以來，微透析技術越來越多地應用于腦損傷以及手術過程監(jiān)測，為臨床提供了腦損傷和顱腦手術過程中腦代謝變化的多方面信息。1966年BITO等人首次使用微透析技術將一種灌有液體的半透膜裝置植入犬體內進行試驗；1992年PERSSON和HILLERED等人首次將微透析技術用于神經重癥監(jiān)護中，觀察了3例嚴重腦損傷和1例嚴重蛛網膜下隙出血患者病情發(fā)展和藥物干預過程中，能量代謝相關物質以及一些氨基酸的變化情況。2003年只達石等人在國內首次報道應用微透析技術觀察了7例顱腦創(chuàng)傷患者腦細胞間液中有關代謝產物的變化情況，以及亞低溫治療對上述指標的影響。近年還有文獻報道采用微透析技術研究動脈瘤破裂引起的動脈瘤性蛛網膜下隙出血患者，在腦血管痙攣、腦缺血或遲發(fā)性缺血神經功能障礙等狀況下，腦細胞外液的生化物質變化情況。微透析監(jiān)測能提供更多有關腦代謝方面的信息，且安全可靠。

3. 3其他疾病的監(jiān)測

除用于腦外傷后的缺血監(jiān)測，微透析技術還被用于監(jiān)測心臟手術后患者肌鈣蛋白T和天冬氨酸轉氨酶濃度，時間可長達100hE。心肌中上述指標的改變與心電圖的改變十分一致；血清中上述指標達到峰值需要1h，微透析技術則可隨時測知。腸道缺血是另一種嚴重且難以確診的病癥，在臨床癥狀出現前尤其如此，現在則可用微透析技術進行監(jiān)測。在整形手術中，微透析技術可用于及早發(fā)現重建皮瓣有無缺血。

 

環(huán)境及職業(yè)性毒物已成為當前醫(yī)學研究的重要熱點，其種類繁多，作用機制復雜。建立更優(yōu)化、靈敏的檢測和評價方法，進一步了解其對人類健康的影響以及作用機制，才能有針對性地提出合理的預防治療措施，減少這些毒物對人體的危害。長期低劑量暴露是環(huán)境性或職業(yè)性毒物接觸的特點，其造成生理生化改變十分隱匿，目前還缺少有效和靈敏的評價方法和分析手段。微透析檢驗技術創(chuàng)傷輕微，不破壞機體完整性，不易引起組織感染及組織部位容積變化，能長時間連續(xù)取樣，樣品相對純凈(不含蛋白質、酶等生物大分子物質)可不經預處理，可實現在線樣品分析，測定結果可真實代表取樣位點目標化含物的濃度，并可獲得有關代謝中間過程的信息。隨著微透析技術的進步和實踐經驗的積累，可以預料，在不久的將來，微透析技術將會迅速介入環(huán)境和職業(yè)醫(yī)學領域，而使這一醫(yī)學科學又獲得一個更得力的工具。

 

(文章來源：環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學 第25卷第1期  作者 關里 等）