微透析技术在生命科学中的应用综述

 

摘要：
近几十年来利用微透析技术在许多组织中开展了监测内源性及外源性物质浓度及其含量的研究。该技术已经逐渐显示出其能直接且在线反映某物质在组织器官中信息的特点，同时微透析技术对组织器官是安全的，因其产生的损伤机体具有良好的耐受性。本文主要综述了微透析技术原理及其在疾病进展监测等临床研究领域应用，同时展望了该技术在职业性疾病研究中的应用前景。

 

微透析技术是近四、五十年发展起来的实验技术，由于可通过透析液与细胞外液的渗透交换作用，精确地获取局部组织的代谢、排泌信息，故在生物学和医学研究中得到愈来愈广泛的应用。目前，多数文献集中于利用微透析技术研究组织细胞代谢、细胞因子和介质排泌状况。实际上，利用此项技术可获取的信息远不止于此，重要器官组织有关医药、农药、金属元素、环境污染物及上述物质代谢产物的详细信息均可利用本项技术获得。因此，微透析技术在环境和职业医学领域似有着更广阔的发展天地。本文对其基本原理和应用情况作一概述。

 

微透析(microdilaysis)一词起源于20世纪50年代末期，当时是用来描述一种类似于透析的萃取技术。最初主要用于生物化学微量检测，人们能从不足1mL血浆中分离出胆固醇，之后又逐渐应用于其他领域，1974年UNGERSTEDE和PYCOCK首次利用该技术对大鼠脑内神经递质多巴胺进行研究。目前它已经成为重要的实验研究技术，用于离体实验或体内实验的内源性、外源性化学物质浓度变化的分析研究。

 

微透析实验技术采用具有截留不同相对分子质量物质性能的纤维半透膜制成极细的微透析探头(micordilaysisprobe MDP)，埋入待测的组织区域内，再以恒定的速率向探头内灌注与组织液成分相近的等渗灌流液；当灌流液流经探头前端透析膜时，位于探头膜外侧组织内相对分子质量较小的生物活性物质，将依浓度梯度从膜外扩散入膜内，并随灌流液引流出探头；以一定的时间间隔有序地接收透析液，采用高灵敏度化学检测系统连续检测收集的透析液中待测生物活性物质浓度，便可有效监测活体动物或人体特定组织区域内细胞外生物活性物质的动态变化情况。

 

早期微透析探头(多为简单的透析纤维管或u型探头和I型探头)对组织损伤较大；近年一种新型同心圆I型探头，则可广泛用于脑、血管和重要组织的微透析分析。欲采集的样品可经过探针顶端的半透膜进入收集管(外管)形成“透析液”流出。当灌流液流经透析膜时，不同分子根据其浓度的大小不同或从灌流液中扩散出来(称为“逆透析”)或由组织外液进入(回

收)透析液。

 

微透析出来的待检物质浓度毕竟不能确切代表受检组织中该物质的实际浓度；且由于使用不含待测成分的灌流液不断进行灌注，因此永远也达不到平衡状态，提示从微透析液检测到的浓度只能是该部位体液真实浓度的“片断”，该物质在受检组织中的浓度应恒定地大于灌流液中该物质的浓度，二者的比率即是所谓“相对回收率”。

 

2．1温度

通透膜的物质弥散速率与温度呈正比l3，根据StokesEinstein方程：弥散系数D=kh(6Ⅱ)，其中，kb为Boltzmann常数，弥散系数与温度(T)呈正比，与液体黏滞度(叩)和粒子直径呈反比，为圆周系数，提示温度越高透析物质的通透率也越高。

2．2膜面积和截留分子量

只有相对分子质量低于透析膜截留阈的物质才能通过透析膜，从实验的可信度来说，只有相对分子质量低于透析膜截留阈值1／4的物质，其相对回收率在实验中才有意义。

2．3透析物质的浓度

根据Fick扩散定律很容易理解：所透析物质的浓度越高，其相对回收率也越高。

2．4灌流液的成分

在微透析实验中，环境温度、通透膜性能、待透析的物质均已确定，灌流液成分则可以根据实验需要而变化。灌流液的制备过程中应根据待透物质的特性而有所选择，目的是取得最佳的分析结果。目前国际上多采用人工脑脊液(ACSF)、Ringer液或Krebs液作为脑微透析的灌流液，而用生理盐水作为非神经组织灌流液。不同的透析样品可根据其性质在灌流液中加入不同的物质以利样品分析。如测定肽类活性物质，可在灌流液中加入0．5％牛血清白蛋白，减少其对透析系统的黏附；单胺类神经递质及其代谢产物在光照、常温和pH>3．5条件下极易氧化，可在样品收集管中加入微量醋酸，使收集的样品液pH值保持在3．5以下，并在冰浴、避光条件下收集样品，可有效避免样品中去甲肾上腺素、多巴胺及5一羟色胺等物质的氧化。以上对回收率影响因素的控制不仅增加了微透析技术可检测物质的种类，也有助于减少系统误差。

2．5灌流速度

影响相对回收率的另一重要因素是透析灌流速度。总的来说，低流速能增加相对回收率，高流速会降低回收率。但KJELLSTROM等人1998年在实验中发现，有时实验结果会出现与此相悖的现象：当流速<1gL／min时，白三烯的相对回收率会降低，作者认为可能与该流速条件下透析膜的吸收过程发生变化有关。由于微透析实验样品收集体积相对较少，而且受到分析手段的限制，因此低流速取样通常难以达到实验需求；但较大的流速(比如10gL／min或更高)，则可能引起“超滤”现象，即在一较高流速条件下，取得的样品并非有效成分的物理扩散，而是高流速形成的高滤过压产生的一种“净流动”。因此，微透析实验中灌流液的流速一般宜控制在0．5～5gL／min。

2．6收集样品管路扭曲程度

与离体实验比较，在体微透析实验的相对回收率会降低，因为在体实验中微透析的实验管路本身也存在一定的阻力，尤其是当实验动物自由活动时管路可能会发生扭曲，此时阻力更

大，得到的实验结果可能会失真。

 

3．1给药方案设计

抗癌药物的疗效与肿瘤组织中的药物浓度密切相关。以前药物在肿瘤中的浓度很难直接测到，所以通常用血药浓度来预测和评价药物的抗癌效果，但由于肿瘤组织的特殊生理情况

在多数情况下，肿瘤的药物浓度与血药浓度并不一致。微透析技术可以在肿瘤组织直接采取药样，因此在设计抗癌药物给药方案、研究抗癌药物在肿瘤中的代谢等方面占有很大的优

势。

3．2颅脑损伤监测

20世纪90年代以来，微透析技术越来越多地应用于脑损伤以及手术过程监测，为临床提供了脑损伤和颅脑手术过程中脑代谢变化的多方面信息。1966年BITO等人首次使用微透析技术将一种灌有液体的半透膜装置植入犬体内进行试验；1992年PERSSON和HILLERED等人首次将微透析技术用于神经重症监护中，观察了3例严重脑损伤和1例严重蛛网膜下隙出血患者病情发展和药物干预过程中，能量代谢相关物质以及一些氨基酸的变化情况。2003年只达石等人在国内首次报道应用微透析技术观察了7例颅脑创伤患者脑细胞间液中有关代谢产物的变化情况，以及亚低温治疗对上述指标的影响。近年还有文献报道采用微透析技术研究动脉瘤破裂引起的动脉瘤性蛛网膜下隙出血患者，在脑血管痉挛、脑缺血或迟发性缺血神经功能障碍等状况下，脑细胞外液的生化物质变化情况。微透析监测能提供更多有关脑代谢方面的信息，且安全可靠。

3. 3其他疾病的监测

除用于脑外伤后的缺血监测，微透析技术还被用于监测心脏手术后患者肌钙蛋白T和天冬氨酸转氨酶浓度，时间可长达100hE。心肌中上述指标的改变与心电图的改变十分一致；血清中上述指标达到峰值需要1h，微透析技术则可随时测知。肠道缺血是另一种严重且难以确诊的病症，在临床症状出现前尤其如此，现在则可用微透析技术进行监测。在整形手术中，微透析技术可用于及早发现重建皮瓣有无缺血。

 

环境及职业性毒物已成为当前医学研究的重要热点，其种类繁多，作用机制复杂。建立更优化、灵敏的检测和评价方法，进一步了解其对人类健康的影响以及作用机制，才能有针对性地提出合理的预防治疗措施，减少这些毒物对人体的危害。长期低剂量暴露是环境性或职业性毒物接触的特点，其造成生理生化改变十分隐匿，目前还缺少有效和灵敏的评价方法和分析手段。微透析检验技术创伤轻微，不破坏机体完整性，不易引起组织感染及组织部位容积变化，能长时间连续取样，样品相对纯净(不含蛋白质、酶等生物大分子物质)可不经预处理，可实现在线样品分析，测定结果可真实代表取样位点目标化含物的浓度，并可获得有关代谢中间过程的信息。随着微透析技术的进步和实践经验的积累，可以预料，在不久的将来，微透析技术将会迅速介入环境和职业医学领域，而使这一医学科学又获得一个更得力的工具。

 

(文章来源：环境与职业医学 第25卷第1期  作者 关里 等）