Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Зонды для микродиализа производства CMA Microdialysis AB, Киста, Швеция

Микродиализ - это минимально инвазивный метод отбора проб, который используется для непрерывного измерения концентрации свободных, несвязанных аналитов во внеклеточной жидкости практически любой ткани. Аналиты могут включать эндогенные молекулы (например, нейромедиатор , гормоны , глюкозу и т.д.) для оценки их биохимических функций в организме или экзогенные соединения (например, фармацевтические препараты ) для определения их распределения в организме. Техника микродиализа требует введения небольшого катетера микродиализа (также называемого зондом микродиализа) в интересующую ткань. Зонд для микродиализа имитирует кровеносный капилляр и состоит из стержня с полупроницаемыммембрана из полых волокон на ее конце, который соединен с впускной и выпускной трубками. Зонд непрерывно перфузируется водным раствором (перфузатом), который очень напоминает (ионный) состав окружающей тканевой жидкости при низкой скорости потока примерно 0,1-5 мкл / мин. [1] Попав в интересующую ткань или (тело) жидкость, небольшие растворенные вещества могут проникать через полупроницаемую мембрану путем пассивной диффузии . Направление потока аналита определяется соответствующим градиентом концентрации и позволяет использовать зонды микродиализа в качестве инструментов для отбора проб и доставки. [1] Раствор, покидающий зонд (диализат), собирается через определенные промежутки времени для анализа.

История [ править ]

Принцип микродиализа был впервые использован в начале 1960-х годов, когда двухтактные канюли [2] и диализные мешочки [3] были имплантированы в ткани животных, особенно в мозг грызунов, для непосредственного изучения биохимии тканей. [1] Несмотря на то, что эти методы имели ряд экспериментальных недостатков, таких как количество образцов на животное или отсутствие / ограниченное временное разрешение, изобретение дилитродов с непрерывной перфузией в 1972 году помогло преодолеть некоторые из этих ограничений. [4] Дальнейшее усовершенствование концепции дилитрода привело к изобретению в 1974 году «полого волокна», трубчатой ​​полупроницаемой мембраны диаметром ~ 200-300 мкм [5]. Наиболее распространенная на сегодняшний день форма - игольчатый зонд - состоит из стержня с полым волокном на конце и может быть введен с помощью направляющей канюли в мозг и другие ткани.

Зонды для микродиализа [ править ]

Схематическое изображение зонда для микродиализа

Доступно множество зондов с различными комбинациями длины мембраны и стержня. Предельная молекулярная масса коммерчески доступных зондов для микродиализа охватывает широкий диапазон приблизительно от 6 до 100 кДа, но также доступен 1MD. В то время как водорастворимые соединения обычно свободно диффундируют через мембрану микродиализа, ситуация не так ясна для высоколипофильных аналитов, о которых сообщалось как об успешных (например, кортикостероиды), так и неудачных экспериментах по микродиализу (например, эстрадиол, фузидовая кислота). [6] Однако извлечение водорастворимых соединений обычно быстро снижается, если молекулярная масса анализируемого вещества превышает 25% предельной молекулярной массы мембраны.

Способы восстановления и калибровки [ править ]

Из-за постоянной перфузии микродиализного зонда свежим перфузатом невозможно установить полное равновесие. [1] Это приводит к тому, что концентрации диализата ниже, чем измеренные на удаленном участке отбора проб. Чтобы сопоставить концентрации, измеренные в диализате, с концентрациями, присутствующими в удаленном месте отбора проб, необходим калибровочный коэффициент (восстановление). [7]Извлечение можно определить в установившемся режиме, используя постоянную скорость обмена аналита через мембрану микродиализа. Скорость, с которой аналит обменивается через полупроницаемую мембрану, обычно выражается как эффективность извлечения аналита. Эффективность экстракции определяется как отношение между потерей / приростом аналита во время его прохождения через зонд (C in -C out ) и разницей в концентрации между перфузатом и удаленным местом отбора проб (C in -C образец ).

Теоретически эффективность экстракции микродиализного зонда может быть определена: 1) изменением концентраций лекарственного средства при сохранении постоянной скорости потока или 2) изменением скорости потока при сохранении постоянных соответствующих концентраций лекарственного средства. В стационарном режиме достигается одно и то же значение эффективности экстракции, независимо от того, обогащен ли аналит перфузатом или истощен. [1] Датчики микродиализа, следовательно, могут быть откалиброваны либо путем измерения потери аналита с использованием перфузата, содержащего лекарственное средство, либо путем измерения увеличения количества анализируемого вещества с использованием растворов образцов, содержащих лекарство. На сегодняшний день наиболее часто используемыми методами калибровки являются метод низкого расхода, метод отсутствия чистого потока [8], динамический (расширенный) метод отсутствия чистого потока [9] и метод ретродиализа.[10] Правильный выбор соответствующего метода калибровки критически важен для успеха эксперимента по микродиализу. Поэтому рекомендуютсяподдерживающиеэксперименты in vitro перед использованием на животных или людях. [1] Кроме того, восстановление, определенное in vitro, может отличаться от восстановления у людей. Поэтому его фактическое значение необходимо определять в каждом эксперименте in vivo. [6]

Метод с низким расходом [ править ]

Метод низкого расхода основан на том факте, что эффективность экстракции зависит от расхода. При высоких скоростях потока количество лекарства, диффундирующего из места отбора пробы в диализат за единицу времени, меньше (низкая эффективность экстракции), чем при более низких скоростях потока (высокая эффективность экстракции). При нулевом расходе устанавливается полное равновесие между этими двумя участками (C out = C sample). Эта концепция применяется для метода (низкой) скорости потока, когда зонд перфузируется холостым перфузатом с разной скоростью потока. Концентрация в месте отбора проб может быть определена путем построения графиков соотношений экстракции в зависимости от соответствующих скоростей потока и экстраполяции на нулевой поток. Метод с низким расходом ограничен тем фактом, что время калибровки может занять довольно много времени, прежде чем будет собран достаточный объем пробы. [ необходима цитата ]

Метод No-net-flux-method [ править ]

Во время калибровки методом no-net-flux-зонд для микродиализа перфузируется по крайней мере четырьмя различными концентрациями представляющего интерес аналита (C in ), а установившиеся концентрации аналита, покидающего зонд, измеряются в диализате (C из ). [8] Восстановление для этого метода может быть определено путем построения графика C out -C in над C inи вычисление наклона линии регрессии. Если концентрации анализируемого вещества в перфузате равны концентрациям в месте отбора пробы, происходит отсутствие чистого потока. Соответствующие концентрации в точке отсутствия чистого потока представлены отрезком x линии регрессии. Сила этого метода состоит в том, что в установившемся режиме не нужно делать никаких предположений о поведении соединения в непосредственной близости от зонда, поскольку равновесие существует в определенное время и в определенном месте. [6]Однако в переходных условиях (например, после провокации лекарством) восстановление зонда может измениться, что приведет к смещению оценок концентраций в месте отбора проб. Чтобы преодолеть это ограничение, было разработано несколько подходов, которые также применимы в нестационарных условиях. Одним из таких подходов является метод динамического отсутствия чистых потоков. [9]

Метод Dynamic no-net-flux [ править ]

В то время как один субъект / животное перфузируются несколькими концентрациями во время метода без чистого потока, несколько субъектов перфузируются одной концентрацией во время метода динамического отсутствия потока (DNNF). [9] Затем данные различных субъектов / животных объединяются в каждый момент времени для регрессионного анализа, позволяющего определить восстановление с течением времени. Разработка метода калибровки DNNF оказалась очень полезной для исследований, которые оценивают реакцию эндогенных соединений, таких как нейротрансмиттеры, на лекарственную нагрузку. [9]

Ретродиализ [ править ]

Во время ретродиализа зонд для микродиализа перфузируется раствором, содержащим аналит, и отслеживается исчезновение лекарства из зонда. Восстановление для этого метода может быть вычислено как соотношение лекарства, потерянного во время прохождения (C in -C out ), и лекарства, поступающего в зонд для микродиализа (C in ). В принципе, ретродиализ можно проводить с использованием либо самого анализируемого вещества (ретродиализ с помощью лекарственного средства), либо эталонного соединения (ретродиализ с помощью калибратора), которое по своим физико-химическим и биологическим свойствам очень близко к аналиту. [10]Несмотря на то, что ретродиализ с помощью лекарств нельзя использовать для эндогенных соединений, поскольку он требует отсутствия аналита в месте отбора пробы, этот метод калибровки чаще всего используется для экзогенных соединений в клинических условиях. [1]

Приложения [ править ]

Метод микродиализа претерпел большое развитие с момента его первого использования в 1972 году [4], когда он впервые был применен для мониторинга концентраций эндогенных биомолекул в головном мозге. [11] Сегодняшняя область применения расширилась до мониторинга свободных концентраций как эндогенных, так и экзогенных соединений практически в любой ткани. Хотя микродиализ по-прежнему в основном используется в доклинических исследованиях на животных (например, лабораторных грызунах, собаках, овцах, свиньях), в настоящее время он все чаще используется на людях для мониторинга концентраций свободных, несвязавшихся лекарственных средств в тканях, а также интерстициальных концентраций регуляторных цитокинов и метаболитов в ответ на воздействие. нарушения гомеостаза, такие как кормление и / или упражнения. [12]

При исследовании мозга микродиализ обычно используется для измерения нейромедиаторов (например, дофамина , серотонина , норэпинефрина , ацетилхолина , глутамата , ГАМК ) и их метаболитов, а также малых нейромодуляторов (например, цАМФ , цГМФ , NO ), аминокислот (например, глицина). , цистеин , тирозин ) и энергетические субстраты (например, глюкоза , лактат , пируват ). Экзогенные препараты, подлежащие анализу с помощью микродиализа, включают новыеантидепрессанты , нейролептики , а также антибиотики и многие другие препараты, фармакологическое действие которых находится в головном мозге. Первым неметаболитом, который был проанализирован с помощью микродиализа in vivo в человеческом мозге, был рифампицин . [13] [14] [15]

Применения в других органах включают кожу (оценка биодоступности и биоэквивалентности дерматологических лекарственных препаратов местного применения) [16], а также мониторинг концентрации глюкозы у пациентов с диабетом (внутрисосудистое или подкожное размещение зонда). Последний может даже быть включен в систему искусственной поджелудочной железы для автоматического введения инсулина.

Микродиализ также нашел все более широкое применение в исследованиях окружающей среды, [17] отбор проб различных соединений из сточных вод и почвенного раствора, включая сахариды, [18] ионы металлов, [19] микронутриенты, [20] органические кислоты [21] и низкомолекулярный азот. [22] Учитывая разрушительную природу традиционных методов отбора проб почвы, [23] микродиализ имеет потенциал для оценки потоков почвенных ионов, которые лучше отражают ненарушенную почвенную среду.

Критический анализ [ править ]

Преимущества [ править ]

  1. На сегодняшний день микродиализ является единственным методом отбора проб in vivo , который позволяет непрерывно контролировать концентрацию лекарств или метаболитов во внеклеточной жидкости практически любой ткани. В зависимости от конкретного применения, концентрацию аналита можно контролировать в течение нескольких часов, дней или даже недель. Концентрации свободных, несвязанных внеклеточных тканей во многих случаях представляют особый интерес, поскольку они напоминают фармакологически активные концентрации в месте действия или вблизи него. Комбинация микродиализа с современными методами визуализации, такими как позитронно-эмиссионная томография , также позволяет определять внутриклеточные концентрации.
  2. Введение зонда в точное место выбранной ткани дополнительно позволяет оценить градиенты внеклеточной концентрации, обусловленные активностью переносчика или другими факторами, такими как различия в перфузии. Поэтому он был предложен как наиболее подходящий метод для исследования распределения в тканях.
  3. Обмен аналита через полупроницаемую мембрану и постоянная замена жидкости для отбора проб свежим перфузатом предотвращает дренаж жидкости из места отбора проб, что позволяет отбирать пробы без потери жидкости. Следовательно, микродиализ можно использовать без нарушения условий ткани из-за локальной потери жидкости или артефактов давления, которые могут возникать при использовании других методов, таких как микроинъекция или двухтактная перфузия.
  4. Полупроницаемая мембрана предотвращает попадание клеток, клеточного мусора и белков в диализат. Из-за недостатка белка в диализате очистка образца перед анализом не требуется, и ферментативное разложение не вызывает беспокойства.

Ограничения [ править ]

  1. Несмотря на научные достижения в уменьшении размеров и более эффективных зондов для микродиализа, инвазивный характер этого метода по-прежнему создает некоторые практические и этические ограничения. Например, было показано, что имплантация зонда для микродиализа может изменить морфологию ткани, что приведет к нарушению микроциркуляции, скорости метаболизма или целостности физиологических барьеров, таких как гематоэнцефалический барьер . [24] В то время как острые реакции на введение зонда, такие как травмы имплантации, требуют достаточного времени на восстановление, дополнительные факторы, такие как некроз , воспалительные реакции, [12]или процессы заживления ран должны быть приняты во внимание для долгосрочного отбора проб, поскольку они могут повлиять на результат эксперимента. С практической точки зрения было предложено проводить эксперименты по микродиализу в оптимальном временном окне, обычно через 24–48 часов после введения зонда. [25] [26]
  2. Микродиализ имеет относительно низкое временное и пространственное разрешение по сравнению, например, с электрохимическими биосенсорами . В то время как временное разрешение определяется длиной интервалов выборки (обычно несколько минут), пространственное разрешение определяется размерами зонда. Размер зонда может варьироваться в зависимости от области применения и охватывает диапазон от нескольких миллиметров (внутримозговое введение) до нескольких сантиметров ( подкожное введение) в длину и до нескольких сотен микрометров в диаметре. [ необходима цитата ]
  3. Применение метода микродиализа часто ограничивается определением восстановления зонда, особенно для in vivo.эксперименты. Определение выздоровления может занять много времени и может потребоваться дополнительные испытуемые или пилотные эксперименты. Восстановление во многом зависит от скорости потока: чем ниже скорость потока, тем выше выход. Однако на практике скорость потока не может быть уменьшена слишком сильно, поскольку либо объем пробы, полученный для анализа, будет недостаточным, либо временное разрешение эксперимента будет потеряно. Поэтому важно оптимизировать взаимосвязь между скоростью потока и чувствительностью аналитического анализа. Ситуация может быть более сложной для липофильных соединений, поскольку они могут прилипать к трубке или другим компонентам зонда, что приводит к низкому извлечению аналита или его отсутствию. [ необходима цитата ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г Чаурасия CS, Müller M, шишка ED, Benfeldt E, Bolinder J, Bullock R, Bungay PM, Delange EC, Дерендорф H, Elmquist WF, Хаммарлунд-Udenaes M, Joukhadar C, Kellogg DL, Lunte CE, Nordstrom CH, Rollema H, Sawchuk RJ, Cheung BW, Shah VP, Stahle L, Ungerstedt U, Welty DF, Yeo H (май 2007 г.). «Белая книга семинара AAPS-FDA: принципы микродиализа, применение и перспективы регулирования». Фармацевтические исследования . 24 (5): 1014–25. DOI : 10.1007 / s11095-006-9206-Z . PMID  17458685 . S2CID  8087765 .
  2. ^ "Труды физиологического общества". Журнал физиологии . 155 : 1–28. 1961. DOI : 10.1113 / jphysiol.1961.sp006651 .
  3. ^ Бито л, Давсона Н, Левин Е, Мюррей М, Н Снайдер (ноябрь 1966). «Концентрации свободных аминокислот и других электролитов в спинномозговой жидкости, диализате мозга in vivo и плазме крови собаки». Журнал нейрохимии . 13 (11): 1057–67. DOI : 10.1111 / j.1471-4159.1966.tb04265.x . PMID 5924657 . S2CID 32976369 .  
  4. ^ а б Дельгадо Дж. М., ДеФеудис Ф. В., Рот Р. Х., Рюго Д. К., Митрука Б. М. (1972). «Диалитрод для длительного внутримозгового перфузии у бодрствующих обезьян». Archives Internationales de Pharmacodynamie et de Thérapie . 198 (1): 9–21. PMID 4626478 . 
  5. ^ Ungerstedt U, Pycock C (июль 1974). «Функциональные корреляты нейротрансмиссии дофамина». Bulletin der Schweizerischen Akademie der Medizinischen Wissenschaften . 30 (1–3): 44–55. PMID 4371656 . 
  6. ^ a b c Stahl M, Bouw R, Jackson A, Pay V (июнь 2002 г.). «Микродиализ человека». Текущая фармацевтическая биотехнология . 3 (2): 165–78. DOI : 10.2174 / 1389201023378373 . PMID 12022259 . 
  7. ^ «Методологические аспекты использования калибратора в микродиализе in vivo - дальнейшее развитие метода ретродиализа» .
  8. ↑ a b Lönnroth P, Jansson PA, Smith U (август 1987 г.). «Метод микродиализа, позволяющий охарактеризовать межклеточное водное пространство у человека». Американский журнал физиологии . 253 (2, часть 1): E228-31. DOI : 10.1152 / ajpendo.1987.253.2.E228 . PMID 3618773 . 
  9. ^ a b c d Олсон Р. Дж., Джастис Дж. Б. (2002). «Количественный микродиализ в переходных условиях». Аналитическая химия . 65 (8): 1017–1022. DOI : 10.1021 / ac00056a012 . PMID 8494171 . 
  10. ^ a b Wang Y, Wong SL, Sawchuk RJ (октябрь 1993 г.). «Калибровка микродиализа с использованием ретродиализа и нулевого потока: приложение к исследованию распределения зидовудина в спинномозговой жидкости и таламусе кроликов». Фармацевтические исследования . 10 (10): 1411–9. DOI : 10,1023 / A: 1018906821725 . PMID 8272401 . S2CID 20232288 .  
  11. ^ Бенвенист Н, Hüttemeier ПК (1990). «Микродиализ - теория и применение». Прогресс нейробиологии . 35 (3): 195–215. DOI : 10.1016 / 0301-0082 (90) 90027-E . PMID 2236577 . S2CID 29998649 .  
  12. ^ a b Карсон Б.П., Маккормак В.Г., Конвей С., Кук Дж., Сондерс Дж., О'Коннор В.Т., Джейкман П.М. (февраль 2015 г.). «Характеристика микродиализа in vivo временных изменений в интерстициальной концентрации метаболитов и цитокинов в диализате в скелетных мышцах человека в ответ на введение зонда микродиализа». Цитокин . 71 (2): 327–33. DOI : 10.1016 / j.cyto.2014.10.022 . PMID 25528289 . 
  13. ^ Mindermann T, Зиммерли W, Gratzl O (октябрь 1998). «Концентрации рифампицина в различных отделах головного мозга человека: новый метод определения уровней лекарств в церебральном внеклеточном пространстве» . Противомикробные препараты и химиотерапия . 42 (10): 2626–9. DOI : 10.1128 / aac.42.10.2626 . PMC 105908 . PMID 9756766 .  
  14. ^ Müller М Дела Пенья А, Дерендорф H (май 2004). «Вопросы фармакокинетики и фармакодинамики противоинфекционных агентов: распределение в тканях» . Противомикробные препараты и химиотерапия . 48 (5): 1441–53. DOI : 10,1128 / aac.48.5.1441-1453.2004 . PMC 400530 . PMID 15105091 .  
  15. ^ Chefer VI, Thompson AC, Сапата A, Shippenberg TS (апрель 2009). «Обзор микродиализа мозга» . Текущие протоколы в неврологии . Глава 7: 7.1.1–7.1.28. DOI : 10.1002 / 0471142301.ns0701s47 . PMC 2953244 . PMID 19340812 .  
  16. Перейти ↑ Schmidt S, Banks R, Kumar V, Rand KH, Derendorf H (март 2008 г.). «Клинический микродиализ кожи и мягких тканей: обновленная информация». Журнал клинической фармакологии . 48 (3): 351–64. DOI : 10.1177 / 0091270007312152 . PMID 18285620 . S2CID 12379638 .  
  17. Перейти ↑ Miro M, Frenzel W (2005). «Возможности микродиализа как метода автоматической обработки проб для исследования окружающей среды». Тенденции TrAC в аналитической химии . 24 (4): 324–333. DOI : 10.1016 / j.trac.2004.10.004 .
  18. ^ Torto N, Lobelo В, Гортон L (2000). «Определение сахаридов в сточных водах производства напитков с помощью микродиализного отбора проб, микроканальной высокоэффективной анионообменной хроматографии и интегрированного импульсного электрохимического обнаружения». Аналитик . 125 (8): 1379–1381. Bibcode : 2000Ana ... 125.1379T . DOI : 10.1039 / b004064i .
  19. ^ Torto N, Mwatseteza Дж, Sawula G (2002). «Исследование микродиализного отбора проб ионов металлов». Analytica Chimica Acta . 456 (2): 253–261. DOI : 10.1016 / S0003-2670 (02) 00048-X .
  20. ^ Хамфри, OS, Young, SD, Crout, NM, Бейли, EH, Андер, EL, и Уоттс, MJ (2020). Краткосрочная динамика йода в почвенном растворе. Наука об окружающей среде и технологии, 54 (3), 1443-1450.
  21. ^ Sulyok M, Миро M, Stingeder G, Koellensperger G (август 2005). «Возможности проточного микродиализа для исследования низкомолекулярных органических анионов в почвенном растворе ризосферы». Analytica Chimica Acta . 546 (1): 1–10. DOI : 10.1016 / j.aca.2005.05.027 . PMID 29569545 . 
  22. ^ Inselsbacher, Эрих; Олунд, Йонас; Ямтгард, Сандра; Хус-Данелл, Керстин; Näsholm, Torgny (2011). «Возможности микродиализа для мониторинга органических и неорганических соединений азота в почве». Биология и биохимия почвы . 43 (6): 1321–1332. DOI : 10.1016 / j.soilbio.2011.03.003 .
  23. ^ Inselsbacher, Эрих (2014). «Восстановление индивидуальных форм азота почвы после просеивания и экстракции». Биология и биохимия почвы . 71 : 76–86. DOI : 10.1016 / j.soilbio.2014.01.009 .
  24. ↑ Morgan ME, Singhal D, Anderson BD (май 1996 г.). «Количественная оценка повреждения гематоэнцефалического барьера при микродиализе». Журнал фармакологии и экспериментальной терапии . 277 (2): 1167–76. PMID 8627529 . 
  25. ^ Di Chiara G, Tanda G, E Карбони (ноябрь 1996). «Оценка высвобождения нейромедиаторов in vivo с помощью микродиализа головного мозга: вопрос достоверности». Поведенческая фармакология . 7 (7): 640–657. DOI : 10.1097 / 00008877-199611000-00009 . PMID 11224460 . 
  26. ^ Damsma G, Westerink BH, Императо A, Rollema H, де Врис JB, Horn AS (август 1987). «Автоматический диализ ацетилхолина головного мозга у свободно движущихся крыс: определение базального ацетилхолина». Науки о жизни . 41 (7): 873–6. DOI : 10.1016 / 0024-3205 (87) 90695-3 . PMID 3613848 .