微流控芯片在药物代谢动力学研究中的应用

微流控芯片在药物代谢动力学研究中的应用

于松洋

黑龙江大学  邮编：150080

摘要：随着社会的发展，科学技术也在不断进步。自微流控（Microfludics）技术诞生以来，微米尺度下的流体流动得到了迅速的发展。通常把在微米尺度空间里流动的流体称为微流体，对以层流或低雷诺数为主要特征的微流体操控相应地称为微流控。微流控技术通常又称作芯片实验室（Lab-On-Chip)，是在微机电流控技术（MEMS）基础上发展而来的，是使用尺寸为几十微米至数百微米通道，处理或操纵少量（10-9~10-18L)流体的系统的科学与技术，被应用于生物、化学、机械、材料等各个交叉学科领域。

关键词：微流控芯片；药物代谢；动力学研究；应用

引言

液滴微流控技术是在微流控系统的基础上制得分散液滴的技术，同样也是通过控制液体在芯片中微管道内的流动，来实现操纵微液滴的生成、传输、存储，液滴内溶液反应等功能。液滴的生成方法简单，将两种不相溶的流体从不同的交叉管道注入，两种液体接触后因界面张力的作用一相被另一相包裹，即可形成离散的液滴。其中被包裹的液体为分散相，通道内液体为连续相。液滴体量小、生成数量多、灵敏快速、反应时间短，在生物生化检测、纳米粒子合成等领域具有广阔的应用前景。

1液滴微流控技术概述

微流控技术可以通过操纵互不相溶的连续相和分散相，进而产生相分散的微液滴，具有在微尺度上对多种流体精细控制的优点。因此，它允许精确调节微粒的组成和几何特征。而传统的乳状液生成大多是利用搅拌产生的剪切或冲击应力使液滴破碎，而剪切力施加不均匀会造成液滴尺寸高度多分散。利用微流控技术的这些优点，可以产生具有可控尺寸、单分散性、多样形态和特定功能的工程微粒。在微流控系统中，液滴生成的大小和稳定性除了受液体本身的性质（如黏度和表面张力）以及温度、流速和通道几何形状等外界因素的影响，还与分散相和连续相的流速、流体本身的性质以及微通道的几何形状有关。根据作用力的不同，液滴生成的方法可以分为被动法和主动法。被动法与微通道结构和润湿性的变化有关，因此需要设计一定结构的微通道，使其液流局部产生相应的浓度梯度，进而生成微液滴。而主动法是通过外部能量（例如电磁场）来诱导界面不稳定。

2体内代谢内稳态调节机制

人体内稳态调节是指生物体控制自身的体内环境，使生命系统维持相对稳定状态，也是医学研究的重要范畴。中医学的“阴平阳秘”和西方医学的“血液质学说”均认为健康人体是处于有序稳定的状态，如19世纪法国生理学家贝尔纳提出人体的“内环境恒定”理论，20世纪美国生理学家坎农首次提出了“内稳态”理论，特别我国著名科学家钱学森对人体稳态理论的“人体功能态”和“亚稳态”学说进一步提升。

1.1肝脏中的内稳态

药物在体内需经过肝脏代谢酶和转运蛋白之间的相互作用，才能进行下一步的代谢。其中I相代谢酶（CYP3A）联合外排转运体（P-蛋白，P-gp）、摄入转运体（有机阴离子转运多肽，OATPs）共同影响药物代谢。同时II相代谢酶（如尿苷二磷酸-葡萄糖醛酸转移酶，UGTs；黄基转移酶，SULTs；谷胱甘肽硫转移酶，GSTs）和摄入转运蛋白OATP、外排转运蛋白（如乳腺癌耐药蛋白，BCRP；多药耐药相关蛋白，MRPs）可协同介导药物主动转运进出细胞，共同影响药物及其代谢物体内处置。

CYP3A-P-gp相互作用可影响药物的体内处置并增加复杂性。在肝脏中抑制CYP3A可降低药物代谢、抑制P-gp可增加药物代谢，而双重抑制CYP3A和P-gp时，由于不同底物和抑制剂对其亲和力的差异，不同药物代谢物发生增加或减少等影响。II相代谢酶（如UGTs、SULTs、GSTs）-外排转运蛋白（如BCRP、MRPs）存在的相互作用显著影响药物及其代谢物的体内代谢和转运。药物经过葡萄糖醛酸化、硫酸化等需进行II相代谢消除，通常II相代谢物难以通过被动扩散方式排出细胞，需外排转运蛋白参与协调达到清除的效果。因此，抑制或降低外排转运蛋白的活性可显著影响细胞内代谢物水平的排泄率。

1.2肾脏中的内稳态

肾脏通过近端小管中多种代谢酶-转运体协作（如CYP3A-P-gp、BCRP/MRPs-UGTs/SULTs）来清除体内代谢物，进一步改善药物相互作用（DDIs），是人体最重要的排泄器官。除此之外，肾脏也存在I相代谢酶-II相代谢酶（如CYP4A-UGT1A9/2B7）共同协调发挥解除药物代谢物肾毒性作用，同时还可通过转运-转运蛋白（如有机阴离子转运体OATs；其亚型为OAT1-OAT3）或另一种转运蛋白复合体（如有机阳离子转运体OTCs和多药及毒素外排转运蛋白MATEs构成的蛋白复合体；其亚型为OCT2-MATE1/MATE2-k），在底物摄取和DDIs协同调节下，促进药物及其代谢物从血液摄取进入细胞，最终完成药物代谢物的排泄内稳态过程。另有研究表明两者还可协同调控彼此的基因表达。总之，药物及其代谢物的排泄涉及多种肾脏转运体和/或代谢酶介导的协同作用，对于肾脏的代谢酶-转运体的如何相互调节处理DDIs作用还需深入研究。

3对药物代谢具有影响的主要食物

从药代动力学的角度看，药物的吸收、分布和代谢均可能受到食物的影响。食物对药物代谢的影响主要有诱导和抑制两种方式，约９０％的药物通过细胞色素Ｐ４５０酶（ｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅＰ４５０，ＣＹＰ４５０）代谢，食物可抑制或诱导ＣＹＰ４５０酶的活性及表达，从而导致药物疗效改变或毒性的增加，受食物影响较多的ＣＹＰ４５０酶亚型主要有ＣＹＰ３Ａ４、ＣＹＰ２Ｃ、ＣＹＰ１Ａ２和ＣＹＰ２Ｄ６。食物对ＣＹＰ４５０酶抑制作用的主要机制是食物中的某些成分可能与药物在ＣＹＰ４５０酶上发生竞争，占据酶的活性中心或结合位置，从而降低药物代谢的速率，也可能与ＣＹＰ４５０酶的其他部位相互作用，改变酶的构象或活性，从而降低酶的催化能力。已有研究将ＣＹＰ４５０酶的抑制作用归因于几种不同类型的呋喃香豆素和异二聚体的作用结果，特别是呋喃香豆素二聚体已被证明是非常有效的ＣＹＰ３Ａ抑制剂。食物对ＣＹＰ４５０酶诱导作用的主要机制是食物中的成分可以作为核受体的激动剂或抑制剂，进而调节ＣＹＰ４５０酶的转录和表达，也可以通过细胞信号传递途径调节ＣＹＰ４５０酶的表达和活性，比如食物中的一些成分可以通过激活肠道内的受体来间接地增加ＣＹＰ４５０酶的表达和活性。不仅ＣＹＰ４５０酶的抑制或诱导会造成药物疗效改变，Ｐ⁃糖蛋白（ｐ⁃ｇｌｕｃｏｐｒｏｔｅｉｎ，Ｐ⁃ｇｐ）的表达也会对药物药代动力学造成一定影响。Ｐ⁃ｇｐ是一种存在于多种组织中的外排转运蛋白，具有广泛的底物特异性，在正常组织中广泛表达，包括主要的药物吸收、分布和消除器官。由于Ｐ⁃ｇｐ限制药物的吸收和转运，因此它可以参与药物的药代动力学相互作用，在肿瘤细胞中，Ｐ⁃ｇｐ可降低细胞内药物浓度，从而限制化疗底物进入作用部位。相关研究提示，由于Ｐ⁃ｇｐ是一种外排转运蛋白，所以它具有的药物外排泵作用，导致了一些口服ＴＫＩｓ药物在肠道内的生物利用度被限制。药代动力学中，肠道吸收是非常重要的一个环节，是药物在消化道通过肠壁进入血液循环的过程。当肠道吸收发生改变时，可能会导致药代动力学参数的改变，肠道壁上存在多种转运蛋白，如Ｐ⁃ｇｐ和有机阴离子转运多肽（ｏｒｇａｎｉｃａｎｉｏｎｔｒａｎｓ⁃ｐｏｒｔｐｏｌｙｐｅｐｔｉｄｅ，ＯＡＴＰ），它们可以调节药物在肠道中的吸收和排泄。某些食物成分可能影响这些转运蛋白的功能，从而影响药物的吸收速率和范围。

结语

目前，微流控作为一个新兴交叉学科，其技术已在许多领域广泛使用。未来，随着微流控技术的不断革新，将进一步加快在生物传感、航天医学、环境监测领域的应用进程，也将有更广阔的发展空间。

参考文献

[1]李战华.微流控芯片中的流体流动[M].北京:科学出版社,2012.

[2]满佳,华泽升,夏荷,等.微流控技术在机械工程-生命科学交叉领域的应用[J].中国机械工程,2022,33(15):1857-1868.