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关于PDMS吸收小分子药物对生物测定影响的研究报告
一、 研究团队与发表信息
本研究的核心作者包括 B.J. van Meer, H. de Vries, K.S.A. Firth, J. van Weerd, L.G.J. Tertoolen, H.B.J. Karperien, P. Jonkheijm, C. Denning, A.P. IJzerman, C.L. Mummery。他们主要来自荷兰莱顿大学医学中心解剖与胚胎学系、莱顿大学莱顿药物研究中心、英国诺丁汉大学干细胞生物学系、荷兰Lipocoat公司以及特温特大学的相关院系。这项研究以题为“Small molecule absorption by PDMS in the context of drug response bioassays”的论文形式，于2016年11月14日在线发表，并正式刊登于2017年的《Biochemical and Biophysical Research Communications》期刊第482卷第2期323-328页。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于生物工程、药物开发与毒理学交叉领域，具体聚焦于微流控器官芯片技术中的材料科学问题。背景知识指出，聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）因其生物相容性、透明性、易加工性和可调的机械性能，被广泛用于构建细胞培养兼容的微流控设备，例如“器官芯片”。这些设备旨在模拟人体生理环境，用于研究细胞行为和测试药物效应，尤其在心脏毒性预测等新药安全评估领域具有重要前景。
然而，PDMS存在一个显著缺点：它能吸收培养基中添加的疏水性小分子药物。这种吸收会降低细胞实际接触的药物浓度（生物利用度），从而扭曲剂量反应曲线，影响基于此类设备的生物测定的准确性和预测价值。尽管此前有研究指出PDMS的药物吸收与化合物的疏水性（log P值）相关，并提出了一个预测吸收的log P阈值，但这些研究大多缺乏定量比较，且未考虑细胞培养环境对吸收过程的影响。
因此，本研究旨在系统地定量评估PDMS对特定心脏药物的吸收行为，并探究其决定因素。具体目标包括：1）开发一种定量测定PDMS药物吸收的方法；2）比较四种心脏药物在PDMS与传统组织培养塑料（TCPS）上的吸收差异；3）检验药物疏水性（log P）、分子量、拓扑极性表面积等参数与PDMS吸收的相关性；4）评估两种商用亲脂性涂层（Lipocoat Cellbinder）在减少PDMS药物吸收方面的效果；5）探究细胞的存在与否以及细胞密度对药物吸收的影响；6）验证所测试涂层的生物相容性及其对细胞附着的影响。
三、 详细研究流程
本研究包含多个相互关联的实验流程，主要采用高效液相色谱（HPLC）作为核心定量分析手段。
1. 实验平台与材料准备： * 基底制备： 使用标准96孔组织培养级聚苯乙烯（TCPS）板作为对照。对于PDMS实验组，在96孔板的孔底涂覆一层PDMS（Sylgard 184，固化剂与弹性体重量比1:10）。部分PDMS涂层孔板进一步使用Lipocoat Cellbinder（及其更稳定的变体Cellbinder+）进行涂覆，以测试其阻隔效果。 * 研究对象与药物： 研究选取了四种影响心脏功能的药物作为模型小分子：维拉帕米（Verapamil）、苄普地尔（Bepridil）、Bay K 8644和硝苯地平（Nifedipine）。这些药物均先溶于二甲基亚砜（DMSO）配制成1 mM储备液，然后使用杜氏磷酸盐缓冲盐水（DPBS）或含细胞的台罗德氏液（Tyrode’s buffer）稀释至1 μM工作浓度。 * 细胞培养： 使用人胚胎肾293T（HEK293T）细胞作为模型细胞系，研究细胞存在对药物吸收的影响。细胞以低（9×10³）、中（37×10³）、高（117×10³）三种密度接种于PDMS或涂层PDMS基底上。
2. 药物吸收动力学测定流程： * 孵育与取样： 将250 μL药物工作液加入TCPS孔、PDMS涂层孔或含细胞的孔中。在室温（无细胞实验）或37°C（有细胞实验）下分别孵育0.5、1、2、3小时。每个时间点结束时，轻轻混匀孔内液体并转移至玻璃样品瓶中立即密封。同时，设置0小时样品（即初始浓度对照）。 * 定量分析： 采用高效液相色谱（HPLC）测定样品中药物的剩余浓度（即未被吸收的游离药物浓度）。使用C18色谱柱，流动相为乙腈（MeCN）、十二烷基硫酸钠（SDS）和三氟乙酸（TFA）的混合溶液，通过紫外检测器在药物最大吸收波长下检测。每次实验均包含标准曲线以确保定量线性。每个条件通常进行2次独立重复实验。
3. 涂层生物相容性与细胞形态评估： * 细胞染色与成像： 将HEK293T细胞培养于TCPS、未涂层PDMS以及Cellbinder涂层的PDMS上。固定细胞后，使用Alexa Fluor 488标记的鬼笔环肽染色细胞骨架（肌动蛋白），DAPI染色细胞核，然后在荧光显微镜下观察并比较细胞铺展、细胞骨架组织和粘着斑形成情况。
4. 数据分析流程： * 主要数据为不同时间点测得的游离药物浓度，以初始浓度（0小时）的百分比或实际浓度表示。 * 通过比较不同基底（TCPS vs. PDMS）、不同涂层条件、不同细胞密度下，药物浓度随时间下降的曲线，来评估吸收程度和动力学。 * 将药物在PDMS上孵育3小时后的最终游离浓度与其理化参数（log P值、分子量、拓扑极性表面积）进行绘图，分析相关性。 * 综合比较不同实验条件下（单纯PDMS、涂层PDMS、PDMS+细胞、涂层PDMS+细胞）孵育3小时后的最终药物浓度，评估各因素的净效应。
四、 主要研究结果
1. PDMS对药物的吸收具有可变性和时间依赖性，且并非仅由疏水性决定。 * 与TCPS的比较： 在TCPS上，四种药物的吸收可忽略或较低（苄普地尔稍高）。而在PDMS上，药物吸收显著且差异巨大。孵育3小时后，PDMS对维拉帕米和硝苯地平的吸收比TCPS高20-50%，对Bay K 8644的吸收与TCPS无差异，而对苄普地尔的吸收极为强烈，使游离药物浓度降低了80%以上。所有药物在PDMS上均在3小时内达到吸收稳态（浓度变化<10%）。 * **与理化参数的相关性分析：** 研究未发现药物的log P值（范围3.79至8.0）或分子量与PDMS吸收程度之间存在明确关联。例如，具有高log P值（8.0）的苄普地尔被强烈吸收，但同样具有高log P值（4.03）的Bay K 8644却吸收很少。这与之前Wang等人提出的log P > 2.67即高吸收的结论相悖。然而，研究发现药物的拓扑极性表面积与PDMS吸收呈线性相关（R² = 7.61），提示极性表面积可能是影响吸收的因素之一，但需更多化合物验证。
2. 商用亲脂性涂层能有效减少PDMS的药物吸收。 * 在PDMS表面涂覆Lipocoat Cellbinder或Cellbinder+后，显著降低了药物吸收。对于高吸收药物苄普地尔，涂层将PDMS在3小时内的吸收率从>80%降低至约50%。对于低吸收药物Bay K 8644，涂层也轻微降低了吸收。两种涂层（Cellbinder与Cellbinder+）的效果相似。
3. 细胞的存在影响游离药物浓度，其效应因药物而异。 * 在PDMS上培养HEK293T细胞后，随着细胞密度增加，Bay K 8644的游离浓度在0.5小时和3小时均显著下降，表明细胞本身吸收了该药物，且这种细胞吸收效应超过了细胞可能对PDMS吸收位点的屏蔽作用。 * 对于苄普地尔，在0.5小时孵育时，高细胞密度下的游离浓度略高于低密度，但在3小时时，所有密度下的浓度均降至同样低的水平。这表明对于被PDMS强烈吸收的药物，初期细胞的屏蔽作用可能轻微可见，但最终被强大的PDMS基底吸收效应所掩盖。
4. 涂层具有良好的生物相容性并支持细胞附着。 * 细胞形态学观察显示，在未处理的PDMS上，HEK293T细胞铺展较差，呈圆形，细胞骨架可见度低。而在Cellbinder涂层的PDMS上，细胞展现出更多的粘着斑和更清晰的细胞骨架组织，表明涂层改善了细胞附着，减少了细胞应激，尽管其附着效果仍略逊于标准的TCPS。
5. 涂层在细胞存在条件下仍保持稳定并减少药物吸收。 * 在涂有Cellbinder的PDMS上培养HEK293T细胞后，再测试药物吸收。对于Bay K 8644，涂层体系（无论有无细胞）中的游离药物浓度均高于未涂层PDMS加细胞的体系，且能在3小时内维持较高浓度。对于苄普地尔，涂层基底（无论有无细胞）的药物损失均显著少于未涂层基底。这表明涂层在细胞培养条件下保持完整和稳定，能有效减少药物被PDMS吸收。
五、 研究结论与价值
本研究得出结论：PDMS对疏水性小分子药物的吸收是一个普遍但可变的问题，不能仅用化合物的疏水性（log P）来预测。吸收程度受药物本身特性（如拓扑极性表面积可能是一个因素）、基底材料、是否存在功能性涂层以及细胞培养环境等多种因素共同影响。
其科学价值在于：1）提供了定量评估PDMS药物吸收的可靠方法（HPLC法）；2）挑战了此前关于log P阈值预测PDMS吸收的简化观点，强调了问题的复杂性；3）首次系统评估了细胞存在对PDMS体系中游离药物浓度的双重影响（细胞吸收 vs. 基底屏蔽）；4）验证了商用亲脂性涂层（Lipocoat Cellbinder）作为一种实用解决方案，能在不影响生物相容性和细胞附着的前提下，有效减轻PDMS的药物吸收问题。
应用价值显著：随着PDMS基器官芯片和微生理系统在药物筛选和毒性测试中的应用日益广泛，确保药物剂量的准确性至关重要。本研究明确指出，在使用此类系统进行剂量反应生物测定时，必须考虑并校正PDMS的材料吸收特性。采用合适的涂层技术是提高实验数据可靠性和预测价值的一种有效策略。研究还提示，在解读基于PDMS设备的药物测试结果时，需要综合考量药物理化性质、设备几何尺寸（表面积/体积比）以及细胞因素。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究在讨论部分进行了一个重要的外推计算：基于本实验的孔板条件（表面积0.3 cm²，体积250 μL），苄普地尔的浓度在3小时内从1 μM降至约150 nM。研究者指出，在典型的微流控通道中（例如尺寸为50 mm × 5 mm × 200 μm），其体积与表面积之比比孔板条件低86倍以上，这意味着药物浓度的实际下降可能比孔板实验观察到的更为剧烈。这一计算深刻揭示了在微型化的器官芯片装置中，PDMS药物吸收问题可能被进一步放大，凸显了本研究的现实紧迫性和广泛适用性。此外，研究也得到了欧洲研究委员会（ERC）和英国国家3Rs中心（NC3Rs）的资助，体现了该研究在基础科学和替代动物实验（3Rs原则）方面的双重意义。