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[關(guān)鍵詞] 噴霧干燥條件;吸濕性;含水量;吸濕率-時(shí)間曲線;吸濕速度
骨痹顆粒復(fù)方是由桑寄生、骨碎補(bǔ)、千年健、牛膝、雞血藤、油松節(jié)、土鱉蟲等組成的純中藥制劑,臨床上用來治療老年性關(guān)節(jié)炎具有很好的效果。噴霧干燥是骨痹顆粒制備工藝的重要工序。中藥粉體的吸濕性一直是噴霧干燥領(lǐng)域研究的重點(diǎn),但其研究內(nèi)容多為考察不同制劑輔料[1],以及粉體表面改性技術(shù)對中藥粉體吸濕性的影響[2]。本文以骨痹顆粒復(fù)方為實(shí)驗(yàn)體系,通過考察不同工藝條件下噴霧干燥樣品含水量與吸濕性能,建立吸濕過程動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)合掃描電鏡技術(shù),分析相關(guān)吸濕機(jī)制,為中藥噴霧干燥工藝優(yōu)化研究提供一種新的方法。
1 材料
BUCHI B-290小型噴霧干燥機(jī)(瑞士布奇公司);S4800掃描電鏡(日本日立公司) ;Waters2695高效液相色譜儀,Waters2998光電二極管陣列檢測器(美國沃特世公司);RE52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠);SK8200H超聲波清洗器(上海科導(dǎo)超聲儀器有限公司);754型紫外分光光度儀(上海光譜儀器有限公司);賽多利斯MA30快速紅外水分測定儀(德國賽多利斯有限公司);GQ105管式離心機(jī)(上海市離心機(jī)械研究所);島津AUW120D電子天平(日本島津公司)。
川續(xù)斷(產(chǎn)地東北,批號(hào)111026);懷牛膝(產(chǎn)地貴州,批號(hào)111026);骨碎補(bǔ)(產(chǎn)地貴州,批號(hào)111026);千年健(產(chǎn)地廣東,批號(hào)111026);雞血藤(產(chǎn)地廣西,批號(hào)111026);土鱉蟲(產(chǎn)地安徽,批號(hào)111026);桑寄生(產(chǎn)地廣西,批號(hào)111026);油松節(jié)(產(chǎn)地安徽,批號(hào)111026)均購自亳州市中藥材飲片廠,經(jīng)本校吳啟南教授鑒定,均符合2010年版《中國藥典》(二部)要求。
2 方法
2.1 骨痹顆粒水提液的制備
按如下處方:川續(xù)斷(25 g)、懷牛膝(15 g)、骨碎補(bǔ)(15 g)、千年健(15 g)、雞血藤(25 g)、土鱉蟲(10 g)、桑寄生(25 g)、油松節(jié)(15 g)稱取總處方量145 g水煎煮2次,每次10倍量水。水提液經(jīng)過4層紗布過濾得濾過液,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮到相對密度為1.05 g?mL-1備用。
2.2 噴霧干燥工藝考察因素及其水平的確定
中藥提取液的噴霧干燥工藝研究,一般以進(jìn)出、口溫度,空氣流量,霧化壓力,送料速度,送料密度及噴霧輔料為考察因素[3-6]。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn),本實(shí)驗(yàn)中選擇進(jìn)口溫度(A)、送料密度(B)、送料速度(C)、空氣流量(D)4個(gè)因素進(jìn)行考察。為了確定各因素水平的考察范圍,進(jìn)行了如下單因素實(shí)驗(yàn)。
2.2.1 進(jìn)口溫度對噴霧干燥的影響 控制送料密度為1.01 g?mL-1,送料速度為15 mL?min-1,空氣流量40 m3?h-1,選取進(jìn)口溫度分別為110,120,150,180,200 ℃,分析進(jìn)口溫度對噴霧干燥過程的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)進(jìn)口溫度為110 ℃與200 ℃時(shí)均出現(xiàn)了黏壁現(xiàn)象。為了使客觀存在的差異明顯,在考察溫度的影響時(shí)選擇了120,180 ℃這2個(gè)水平。
2.2.2 送料密度對噴霧干燥的影響 控制進(jìn)口溫度為150 ℃,送料速度為15 mL?min-1,空氣流量為40 m3?h-1,選取送料密度分別為1.01,1.03,1.05,1.10 g?mL-1,分析送料密度對噴霧干燥過程的影響。結(jié)果顯示,送料密度為1.10 g?mL-1時(shí)物料過濃,在噴霧干燥過程中會(huì)發(fā)生噴頭堵塞的情況。與上同理,送料密度選擇了1.01,1.05 g?mL-1這2個(gè)水平。
2.2.3 送料速度對噴霧干燥的影響 控制進(jìn)口溫度為150 ℃,空氣流量為40 m3?h-1,送料密度為1.01 g?mL-1,選取送料速度分別為5,10,15,20,30 mL?min-1分析送料速度對噴霧干燥過程的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)送料速度為30 mL?min-1時(shí),出口溫度為48 ℃,粉末黏附在噴霧干燥室內(nèi)壁上;而送料速度為5 mL?min-1時(shí)雖然干燥完全,但是噴干效率較低。送料速度選擇了10,20 mL?min-1這2個(gè)水平。
2.2.4 空氣流量對噴霧干燥的影響 控制進(jìn)口溫度為150 ℃,送料密度為40 m3?h-1,送料速度為15 mL?min-1,選取空氣流量分別為20,30,40,50,60 m3?h-1分析空氣流量對對噴霧干燥過程的影響,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)空氣流量為20 m3?h-1時(shí)物料完全粘附在內(nèi)壁。而在其他條件下均正常,但空氣流量在60 m3?h-1時(shí)噴干用氮?dú)馐褂眠^快,使空氣流量無法始終保持在高流量,會(huì)出現(xiàn)無法準(zhǔn)確控制條件的情況。于是空氣流量選擇了30,50 m3?h-1這2個(gè)水平。
綜上所述,選擇進(jìn)口溫度(120,180 ℃);進(jìn)樣密度(1.01,1.05 g?mL-1);送料速度(10,20 mL?min-1);空氣流量(30,50 m3?h-1)進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。
2.3 噴霧干燥實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
以上述因素水平設(shè)計(jì)平行比較實(shí)驗(yàn),控制除考察因素以外的條件保持一致,考察不同噴霧干燥因素對粉體含水量與平衡吸濕量的影響。
2.4 粉體含水量與吸濕性的測定
2.4.1 含水量測定 樣品在噴霧干燥完成后,立即采用賽多利斯MA30快速紅外水分測定儀測定水分含量。
2.4.2 粉體的吸濕性測定 中藥粉體的吸濕性能往往采用平衡吸濕量表征,但平衡吸濕量所代表的是物料達(dá)到吸濕平衡時(shí)的含水量[7]。有些物料雖然平衡吸濕量很大,吸濕過程卻很緩慢;而有些物料在一定短時(shí)間內(nèi)吸濕量猛增,之后卻增長緩慢。所以平衡吸濕量只能衡量吸濕終點(diǎn)物料的特性,而不能反映物料吸濕過程的速度特征。為表征物料吸濕速率,本研究參考文獻(xiàn)[8],引入吸濕率-時(shí)間曲線以及吸濕初速度、吸濕速度、吸濕加速度等參數(shù)。以冀能較全面的表征中藥噴干粉的吸濕行為。
平衡吸濕量測定方法:取樣品約300 mg,精密稱量,平攤于稱量瓶中,厚度不超過5 mm,開蓋置于干燥器中48 h脫濕平衡。精密稱重后置于25 ℃,相對濕度75%的恒溫恒濕箱中,每隔一定時(shí)間測定,計(jì)算吸濕增重,一直維持24 h。
噴霧干燥樣品吸濕率-時(shí)間曲線的繪制:計(jì)算吸濕率,以吸濕率為縱坐標(biāo),時(shí)間為橫坐標(biāo),繪制吸濕率-時(shí)間曲線。吸濕率=(吸濕后樣品質(zhì)量-吸濕前樣品質(zhì)量)/吸濕前樣品質(zhì)量×100%。
吸濕過程動(dòng)力學(xué)分析:粉體吸濕過程數(shù)據(jù)一般可用多項(xiàng)式方程進(jìn)行擬合,對噴霧干燥各樣品的吸濕曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,可得到如下吸濕方程[9]。
由方程(1)~(3)求算各樣品的吸濕初速度、吸濕平衡時(shí)間、吸濕速度與吸濕加速度。
2.5 微粒的形貌觀察
取不同條件下制備的噴霧干燥粉末少許,固定于電鏡樣品臺(tái)導(dǎo)電膠上噴金,然后在真空條件下進(jìn)行成像觀察。
3 結(jié)果與討論
3.1 吸濕曲線的繪制與吸濕過程速度方程的計(jì)算與比較
骨痹顆粒噴霧干燥實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。
為了表征不同噴霧干燥條件下粉末的吸濕特征,按照表3的擬合方程以2.4.2項(xiàng)下方法進(jìn)行了數(shù)學(xué)計(jì)算,得到各組不同條件噴干粉末的吸濕初速度與吸濕平衡時(shí)間數(shù)據(jù),見表4。按照表3的吸濕速度方程繪制出了吸濕速度變化曲線,見圖1。
由表3,4中的數(shù)據(jù)可知,D2組的吸濕初速度最大,B2組的吸濕初速度最小,D2組的吸濕平衡時(shí)間最短,A1組的吸濕平衡時(shí)間最長。由表4中可知,吸濕加速度也不像文獻(xiàn)[10]報(bào)導(dǎo)的維持在一個(gè)恒定的值,以A2組為例,由它的一元二次方程可知其吸濕加速度曲線呈“拋物線”型。即吸濕過程不是一個(gè)勻減速過程。由圖1可知,同一組的噴干粉末吸濕速度變化情況也不一樣。此處要說明的是,4組實(shí)驗(yàn)中均出現(xiàn)了吸濕速度變?yōu)樨?fù)值的情況,作者推測這種情況基本排除實(shí)驗(yàn)誤差的情況,原因可能是物料的吸濕性能由化學(xué)組成和物理性質(zhì)共同決定,隨著吸濕過程的進(jìn)行,中藥出現(xiàn)液化的情況,顆粒的物理結(jié)構(gòu)漸漸消失,便會(huì)釋放出一部分水分。由此可見不同噴霧干燥條件下,化學(xué)組成相同的噴霧干燥粉體的吸濕過程存在較大差異。中藥噴干粉體的吸濕過程相對復(fù)雜,里面可能包含著很多相互影響的作用,其中的具體機(jī)制待進(jìn)一步探究。
3.2 粉體微觀形貌分析
按2.5項(xiàng)下方法,獲取噴霧干燥粉末不同樣品微粒的的掃描電鏡圖見圖2。
溫度下,均出現(xiàn)了較強(qiáng)程度的黏連,結(jié)合前面的含水量測定結(jié)果分析,認(rèn)為過低的的進(jìn)口溫度與過高的進(jìn)口溫度均不利于噴霧干燥的進(jìn)行,過低的進(jìn)口溫度導(dǎo)致含水量過高,而這誘導(dǎo)了粉末的黏性產(chǎn)生;過高的進(jìn)口溫度使粉末的含水量過低,不僅粉末吸濕活性更強(qiáng),且粉末易于團(tuán)聚也會(huì)加劇粉末的黏連。不同的進(jìn)料密度下粉體的粒徑出現(xiàn)了明顯的差異,送料密度為1.01 g?mL-1,粉體的粒徑在1~3 μm;而送料密度為1.05 g?mL-1,大部分粉體粒徑都集中在6 μm左右。不同送料速度下的噴干粉體的形態(tài)與粒徑未見明顯差異。不同空氣流速的粉體粒徑也出現(xiàn)了明顯差異,空氣流速30 m3?h-1中大顆粒的數(shù)量明顯多,粒徑集中在4~10 μm;而空氣流速50 m3?h-1粒徑明顯偏小,大部分集中在1~2 μm。另外實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn),除了120,180 ℃時(shí)粉末發(fā)生嚴(yán)重黏連之外,其他各組的粉末均呈現(xiàn)出了較優(yōu)的球狀,一般認(rèn)為球形顆粒具有更好的粉體學(xué)性質(zhì),這也說明了骨痹顆粒的噴霧干燥溫度控制在150 ℃左右較為適宜。
3.3 關(guān)于吸濕機(jī)制的若干分析
整個(gè)吸濕過程的主要影響因素有兩大類:一類是制劑原料的物理特性,如制劑原料的孔隙率、含水量,粒徑[11]、粒子的表面性質(zhì)[12]等;另一類則是由制劑原料的化學(xué)特性,如化學(xué)基團(tuán)所決定的制劑原料與水分子之間的吸引力。從本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,噴霧干燥條件的不同,造成了粉體物理性質(zhì),如含水量、粒徑等的差異,而這些差異也確實(shí)帶來了粉體吸濕性能上的不同。
吸附理論[13]認(rèn)為制劑原料吸濕的主要?jiǎng)恿κ撬臄U(kuò)散,環(huán)境中的水分子吸附于制劑原料表面,隨著水分子濃度的增大,內(nèi)外壓差促使水分逐步向內(nèi)部滲透。因而,中藥的吸濕行為可以描述為水分子向內(nèi)部擴(kuò)散的一個(gè)過程,而此過程可以用FICK′s定理來描述[14]。dw/dt=-DA(dc/dx),式中,w為t時(shí)浸膏表面含水量,dw/dt為擴(kuò)散速度,A為擴(kuò)散面積,dc/dx為濃度梯度,dc代表表面的水分子濃度,dx表示擴(kuò)散間距。“-”表示擴(kuò)散方向為濃度梯度的反方向,即擴(kuò)散物質(zhì)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散,D為擴(kuò)散系數(shù)(其受多方面因素影響,如溫度)。
由FICK′s定律可知,擴(kuò)散面積、擴(kuò)散系數(shù)、濃度梯度越大,水分的擴(kuò)散速度越快,也就是吸濕性越強(qiáng),反之則越弱。所以吸濕曲線的分析結(jié)果可以結(jié)合圖2和FICK′s定理來得到合理的解釋。
圖2顯示,由于溫度較高,A2組粉末的含水量更低,其表面的活性基團(tuán)具有更強(qiáng)的吸水活力。所以其在短時(shí)間內(nèi)可以吸附大量的水,具有更高的吸濕初速度10.412 0 g?h-1。當(dāng)表面吸附一定的水后,由于A2組粉末內(nèi)部的含水量(2.66%)也很低,造成了內(nèi)外大的濃度梯度,所以吸濕速度也較A1組更快(由圖1中A圖可以看出)。但隨著內(nèi)部水分的越來越多,內(nèi)外水分子濃度梯度的減小,其吸濕速度也急劇減緩。而120 ℃粉末由于內(nèi)外的含水量(6.79%)均要高,所以無論是外部的吸水速度還是水分向粉體內(nèi)部擴(kuò)散的速度都要慢,造成了總體吸濕過程的緩慢,吸濕平衡時(shí)間也更長為13.55 h。
圖2中B2組的粉體粒徑要比B1組明顯大,可見相同質(zhì)量的粉體,B1組的比表面積要比B2組大。由FICK′s定律可知,B1組的擴(kuò)散初速度與擴(kuò)散速度要比B2組快。所以B1達(dá)到吸濕平衡的時(shí)間也更短。這與表4和圖1中B圖的結(jié)果相符。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著實(shí)驗(yàn)過程的進(jìn)行,粉體B1出現(xiàn)了部分液化的現(xiàn)象。其原因可能是隨著吸水過程快速進(jìn)行,誘導(dǎo)了粉體之間的黏性增大,導(dǎo)致粉體之間互相粘附,見圖3。而此過程帶來的影響是擴(kuò)散表面積減小,擴(kuò)散速度變慢。與此同時(shí),也伴隨著濃度差的影響,即隨著水分?jǐn)U散的進(jìn)行,粉體內(nèi)外的水分濃度差快速減小,進(jìn)而導(dǎo)致擴(kuò)散速度的進(jìn)一步變慢。圖2中D1、D2也可以通過上述原理來解釋,在此不重復(fù)說明。
C1,C2圖中粉體粒徑未見明顯差異,可見進(jìn)樣速度不同對粉體粒徑的影響不大。由表2知,C1組粉體含水量為3.97%,C2組含水量為4.73%,可見含水量的差異也不大。由表2,3可發(fā)現(xiàn),2組噴干粉末的吸濕擬合曲線很相似,每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的吸濕率也相差較小。C1,C2 2組的上述結(jié)果再一次提示了粉體的粒徑差異和含水量是影響粉體吸濕性的主要因素。
綜上所述,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在本研究的實(shí)驗(yàn)體系中,可得較佳工藝條件為進(jìn)口溫度150 ℃,進(jìn)料密度1.05 g?mL-1,進(jìn)料速度20 mL?min-1,空氣流速30 m3?h-1。在此綜合條件下,得到的粉體具有較優(yōu)的形態(tài)特征,并且具有較優(yōu)的吸濕動(dòng)力學(xué)過程,包括較小的吸濕速度,與較長的吸濕平衡時(shí)間。
4 結(jié)論
本文以骨痹顆粒水提液為模型體系考察了噴霧干燥條件對粉體的含水量與平衡吸濕量的影響。研究發(fā)現(xiàn),噴霧干燥諸多工藝條件中,送料密度和空氣流量對粉體的吸濕性影響較大,這對探索中藥物料復(fù)雜體系噴霧干燥作用機(jī)制,指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有參考意義。本研究所采用的研究方法與考察指標(biāo),亦可為評價(jià)中藥物料改性條件提供借鑒。
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Research about effect of spray drying conditions on hygroscopicity of spray
dry powder of Gubi compound′s water extract and its mechanism
ZONG Jie1,2,SHAO Qi2,ZHANG Hong-qing2,PAN Yong-lan1,2,ZHU Hua-xu1,2*,GUO Li-wei1,2*
(1. College of Pharmacy,Nanjing University of Traditional Chinese Medicine,Nanjing 210023,China;
2. Key Laboratory of Chinese Herbal Compound Separation,Nanjing 210023,China)
[Abstract] Objective: To investigate moisture content and hygroscopicity of spray dry powder of Gubi compound′s water extract obtained at different spray drying conditions and laying a foundation for spray drying process of chinese herbal compound preparation.Method: In the paper,on the basis of single-factor experiments,the author choose inlet temperature,liquid density,feed rate,air flow rate as investigated factors.Result: The experimental absorption rate-time curve and scanning electron microscopy results showed that under different spray drying conditions the spray-dried powders have different morphology and different adsorption process. Conclusion: At different spray-dried conditions,the morphology and water content of the powder is different,these differences lead to differences in the adsorption process,at the appropriate inlet temperature and feed rate with a higher sample density and lower air flow rate,in the experimental system the optimum conditions is inlet temperature of 150 ℃,feed density of 1.05 g?mL-1,feed rate of 20 mL?min-1,air flow rate of 30 m3?h-1.
【摘要】
目的 觀察放射對小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMMSCs)體外成骨潛能及體內(nèi)骨髓造血干細(xì)胞(hematologic stem cells, HSCs)龕位的影響。方法 分離、培養(yǎng)正常及接受4Gy放射后不同時(shí)間點(diǎn)小鼠BMMSCs,用堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)染色法和實(shí)時(shí)定量RTPCR檢測成骨分化相關(guān)基因,鑒定BMMSCs體外成骨分化潛能的改變,并通過骨組織形態(tài)學(xué)和免疫組織化學(xué)的方法檢測放射后小鼠體內(nèi)成骨細(xì)胞及紡錘形的、表達(dá)神經(jīng)鈣黏附分子的成骨細(xì)胞(spindleshaped Ncadherinexpressing osteoblasts, SNOs)數(shù)量的變化。結(jié)果 全身照射(total body irradiation, TBI)后早期小鼠BMMSCs的成骨潛能增強(qiáng),但隨后迅速降低;TBI后28d小鼠骨髓中成骨細(xì)胞和SNOs的數(shù)量均顯著減少。結(jié)論 4Gy放射損傷后遠(yuǎn)期小鼠BMMSCs的成骨潛能顯著降低,體內(nèi)HSCs龕位也明顯縮小。
【關(guān)鍵詞】 目的 觀察放射對小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMMSCs)體外成骨潛能及體內(nèi)骨髓造血干細(xì)胞(hematologic stem cells, HSCs)龕位的影響。方法 分離、培養(yǎng)正常及接受4Gy放射后不同時(shí)間點(diǎn)小鼠BMMSCs,用堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)染色法和實(shí)時(shí)定量RTPCR檢測成骨分化相關(guān)基因,鑒定BMMSCs體外成骨分化潛能的改變,并通過骨組織形態(tài)學(xué)和免疫組織化學(xué)的方法檢測放射后小鼠體內(nèi)成骨細(xì)胞及紡錘形的、表達(dá)神經(jīng)鈣黏附分子的成骨細(xì)胞(spindleshaped Ncad
ABSTRACT: Objective To investigate the effects of irradiation on the osteogenesis potential of bone marrow mesenchymal stem cells (BMMSCs) and the niche of hematopoietic stem cells (HSCs) in vivo. Methods At the different time points after 4Gy irradiation, BMMSCs were isolated from male C57BL/6 mice and cultured. Their osteogenesis potentials in vitro were evaluated by alkaline phosphatase staining and osteogenesisrelated gene expression was examined by realtime RTPCR. Bone histomorphometric analysis and immunohistochemical staining of the spindleshaped Ncadherinexpressing osteoblasts (SNOs) were performed to detect the changes in HSCs niche in vivo. Results Significant impairment of osteogenic differentiation of BMMSCs up to 28 days after irradiation was observed preceded by transitory enhancement at the early time after irradiation. Meanwhile, the number of osteoblasts as well as SNOs in vivo decreased greatly. Conclusion Irradiation resulted in damage in osteogenesis potential of BMMSCs accompanied by noticeable shrinking of HSCs niche in vivo.
KEY WORDS: irradiation; bone marrow mesenchymal stem cells (BMMSCs); osteogenesis potential; hematopoietic stem cells (HSCs) niche
骨髓是對放射較為敏感的組織器官,放射后造血系統(tǒng)的損傷不僅包括早期的急性骨髓造血功能抑制,還包括晚期殘存的造血功能障礙。造血干細(xì)胞(hematopoietic stem cells, HSCs)凋亡、自我更新能力減低及HSCs池縮小以及HSCs衰老[13]被認(rèn)為是放射后造血系統(tǒng)短期和長期損傷的主要原因。然而HSCs在體內(nèi)的存在并不是孤立的,其生物學(xué)行為與功能受其所在微環(huán)境或龕位(niche)的調(diào)控。骨和骨髓在解剖上的毗鄰使其在功能上也相互依賴,成為一個(gè)功能單位[4],骨發(fā)育或骨重塑異常的突變小鼠同時(shí)也存在造血生成異常,提示成骨細(xì)胞和/或破骨細(xì)胞參與了骨髓HSCs微環(huán)境或龕位的形成和功能維持[57]。目前認(rèn)為成骨細(xì)胞或其中的一個(gè)亞群,即紡錘形的、表達(dá)神經(jīng)鈣黏附分子的成骨細(xì)胞(spindleshaped Ncadherinexpressing osteoblasts, SNOs)作為HSCs龕位的骨龕(osteoblastic or endosteal niche)中的關(guān)鍵細(xì)胞成分,限定造血龕位的大小和/或活性[5,78]。雖然以往關(guān)于大劑量化療和/或放療對骨髓基質(zhì)微環(huán)境的影響有一些報(bào)道,但有關(guān)放射對HSCs龕位的影響尚未見報(bào)道。本研究著眼于成骨細(xì)胞的祖細(xì)胞——BMMSCs在放射損傷后成骨潛能的變化來探討放射損傷對HSCs龕位的影響,旨在進(jìn)一步闡明放射損傷后長期造血功能損傷的可能機(jī)制。
1 材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及輻射損傷模型制備
5周齡雄性C57BL/6小鼠購自中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物隨機(jī)分為正常對照組和全身照射組,后者經(jīng)137Cs射線進(jìn)行一次性全身照射4.0Gy,吸收劑量率為2.4Gy/min。每批動(dòng)物分別在照射后的0、1、3、7、14、28d取材,所得到的BMMSCs分別命名為D0、D1、D3、D7、D14和D28。
1.2 主要試劑和儀器
Flk1抗體(美國Santa Cruz 公司);CD34、CD45、CD31、GlyA、vWF、CD11a、CD11b抗體(晶美生物工程有限公司);Realtime PCR試劑盒(德國QIAGEN公司);Realtime PCR儀(ABI PRISM7500,美國Applied Biosystems公司);堿性磷酸酶染色試劑盒(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液病研究所科技公司);兔多克隆抗NCadherin抗體(英國Abcam公司);即用型過氧化物酶標(biāo)記的鏈霉卵白素染色試劑盒(Zymed公司);PCR引物(上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司)。
1.3 小鼠BMMSCs的分離和培養(yǎng)
無菌狀態(tài)下取雄性C57 BL/6小鼠股骨和脛骨,沖出骨髓,經(jīng)4號(hào)針頭反復(fù)沖洗,制成單細(xì)胞懸液。用FicollPaque(1.077g/mL)分離出骨髓單個(gè)核細(xì)胞(bone marrow mononuclear cells, BMMNCs),用MACS CD45、GlyA和CD34磁珠去除造血細(xì)胞,以107個(gè)/mL密度接種在25cm2的培養(yǎng)瓶內(nèi)。培養(yǎng)液成分為400mL/L MCDB、550mL/L DF12、40mL/L胎牛血清、100u/mL青霉素和1000u/mL鏈霉素,置于37℃、50mL/L CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)。24h后去掉懸浮細(xì)胞,細(xì)胞融合達(dá)70%時(shí),用1.25g/L胰酶消化并以1∶2比例傳代。這些細(xì)胞的免疫表型為CD34、CD45、CD31、vWF、GlyA、CD11a、CD11b陰性,F(xiàn)lk1陽性(資料未顯示)。
1.4 成骨的定向誘導(dǎo)分化
以2×104/cm2的密度將小鼠BMMSCs接種于含有成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)體系(100mL/L胎牛血清、1.0×10-8mol/L地塞米松、2.0×10-4mol/L抗壞血酸、7.0×10-3mol/L β磷酸甘油的IMDM培養(yǎng)液)的T25cm2培養(yǎng)瓶或35cm2的培養(yǎng)皿中,置于37℃ 50mL/L CO2、飽和濕度的CO2培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng),每天觀察1次,每3d半量換液1次。
1.5 堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)染色
正常及全身照射(total body irradiation, TBI)后1、3、7、14、28d的小鼠BMMSCs體外成骨誘導(dǎo)分化1周時(shí)傾出培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)液,PBS洗細(xì)胞2次;加固定液2mL,室溫固定1min,流水漂洗2min;加作用液2mL,置濕盒內(nèi)于37℃孵育2h,流水沖洗2min;加染色液2mL,復(fù)染5min,流水沖洗2min;甘油封固,倒置顯微鏡下觀察,胞質(zhì)出現(xiàn)藍(lán)紫色沉淀的為陽性細(xì)胞。
1.6 熒光實(shí)時(shí)定量RTPCR(real time RTPCR)
正常及照射后1、3、7、14、28d的小鼠BMMSCs體外分別成骨誘導(dǎo)1周或3周后,用Gibco公司的Trizol regeant提取其總RNA,參照說明書逆轉(zhuǎn)錄后的cDNA產(chǎn)物,以βactin為管家基因,應(yīng)用嵌入熒光染料SYBR Green I進(jìn)行熒光定量PCR擴(kuò)增,檢測成骨分化相關(guān)基因核心結(jié)合因子(corebinding factor 1, Cbfa1)、Ⅰ型膠原(type Ⅰ collagen, ColⅠ)和骨鈣蛋白(osteocalcin, OC)的表達(dá)變化。25μL擴(kuò)增體系中含ROX 0.5μL,2×Premix 12.5μL,上游和下游引物各1μL,模板cDNA 1μL,DEPC水7μL。所用引物及退火溫度見表1。表1 用于實(shí)時(shí)定量RTPCR的成骨分化相關(guān)基因引物序列(略)
1.7 骨組織標(biāo)本的制備及蘇木素
伊紅染色(HE染色) 在放射后不同時(shí)間點(diǎn)處死模型和正常小鼠,取出股骨,剔除骨表面附著的軟組織,按常規(guī)的方法制備5μm的脫鈣石蠟切片,進(jìn)行HE染色,并參照ZHANG等[8]的方法,計(jì)數(shù)每張切片中皮質(zhì)骨和小梁骨表面成骨細(xì)胞數(shù)。
1.8 NCadherin陽性細(xì)胞的免疫組織化學(xué)檢測
上述脫鈣的石蠟包埋的骨組織切片常規(guī)脫蠟至水,按照試劑盒說明書,采用SP法進(jìn)行NCadherin的免疫組織化學(xué)染色,微波煮沸抗原修復(fù)。兔多克隆抗NCadherin抗體的濃度為1∶200稀釋。顯色采用DAB法并經(jīng)蘇木素復(fù)染,參照ZHANG等[8]的方法,計(jì)數(shù)每張切片的SNOs。每次都做不加一抗的陰性對照片。
1.9 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,應(yīng)用SPSS12.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,多個(gè)樣本均數(shù)的比較采用方差分析,兩兩比較采用StudentNewmanKeuls法(SNK法),以α=0.05為顯著性檢驗(yàn)水準(zhǔn)。
2 結(jié)果
2.1 放射損傷后小鼠BMMSCs成骨潛能的改變
接受4Gy放射后小鼠BMMSCs體外均能向成骨細(xì)胞分化,但其分化潛能卻存在著較大差異。放射前后不同時(shí)間點(diǎn)BMMSCs在成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基中誘導(dǎo)1周后,細(xì)胞變大,扁平(圖1),進(jìn)行ALP染色,發(fā)現(xiàn)ALP陽性細(xì)胞的數(shù)量在放射后第3天BMMSCs的成骨分化體系中明顯增多,聚集成片,且著色較深(圖1C),而在放射后第7天BMMSCs的成骨分化體系中明顯下降(圖1D~圖1F),至放射后28d時(shí)仍未見明顯恢復(fù)(圖1F)。
2.2 放射損傷后小鼠BMMSCs成骨分化相關(guān)基因表達(dá)變化
成骨細(xì)胞分化過程伴隨著一些成骨分化相關(guān)基因的表達(dá)。體外成骨誘導(dǎo)1周后,與成骨分化相關(guān)的Cbfa1、ColⅠ和OC在放射損傷后第3天BMMSCs中表達(dá)最高,第28天表達(dá)最低。在成骨體系中培養(yǎng)3周,TBI后3d BMMNCs Cbfa1的表達(dá)仍然最高,但ColⅠ和OC的表達(dá)最低;不同的是ColⅠ和OC的表達(dá)在TBI后28d達(dá)高峰,TBI后3d最低(圖2)。提示雖然放射損傷后早期小鼠BMMSCs的成骨分化潛能明顯增強(qiáng),但最終其成骨分化的能力顯著降低,在放射后28d未見恢復(fù)的傾向。
2.3 放射損傷后體內(nèi)骨組織形態(tài)學(xué)和成骨細(xì)胞的改變
正常小鼠股骨近端干骺端骨小梁豐富,骨小梁排列以縱向?yàn)橹鳎g互相連接,形態(tài)結(jié)構(gòu)完整(圖3A、圖3F)。而放射損傷后,股骨近端干骺端骨小梁排列逐漸稀疏,間隙增寬,形態(tài)結(jié)構(gòu)性差,皮質(zhì)骨變薄。部分骨小梁斷裂及部分區(qū)域骨小梁消失出現(xiàn)于放射后第7天(圖3C、圖3H),以第28天時(shí)表現(xiàn)最為顯著(圖3E、圖3J)。
正常小鼠成骨細(xì)胞緊密地排列于骨小梁和皮質(zhì)骨表面(圖3A、圖3F),而放射后骨小梁和皮質(zhì)骨表面成骨細(xì)胞逐漸減少直至消失(圖3B~圖3E、圖3G~圖3J)。計(jì)數(shù)正常和放射后第28天時(shí)每張HE染色切片的成骨細(xì)胞數(shù)量可見TBI后28d時(shí)小鼠體內(nèi)成骨細(xì)胞的數(shù)量顯著減少(圖5A)。
2.4 放射損傷后HSCs龕位的改變
近來認(rèn)為成骨細(xì)胞的一個(gè)亞群,即SNOs是HSCs龕位中骨龕的關(guān)鍵細(xì)胞成分[5,78]。正常小鼠骨髓中骨小梁表面含有較多的NCadherin+細(xì)胞,包括SNOs和NCadherin+、卵園形的成骨細(xì)胞(圖4A)。而放射后28d,皮質(zhì)骨及骨小梁表面成骨細(xì)胞數(shù)量顯著減少(圖3B~圖3E、圖3G~圖3J),僅在骨骺和皮質(zhì)骨交界處骨小梁相對較豐富的地方可見到少量的SNOs(圖4B),其數(shù)量較正常減少近70%(圖5B)。
3 討 論
隨著對BMMSCs生物學(xué)特性和HSCs龕位研究的深入,BMMSCs在造血功能的起始和維持中的作用逐漸被認(rèn)識(shí)。BMMSCs能生成絕大多數(shù)的骨髓基質(zhì)細(xì)胞,構(gòu)建HSCs賴以生存的微環(huán)境[910],并且它還是成骨細(xì)胞的來源,而后者則被認(rèn)為是HSCs龕位中的關(guān)鍵細(xì)胞成分,參與對HSCs的調(diào)控[5,78]。已有研究證實(shí)BMMSCs不僅為一些疾病的治療帶來了新的希望[11],其生物學(xué)特性的改變還參與了一些疾病的發(fā)生和發(fā)展[1213]。本研究發(fā)現(xiàn)放射損傷晚期BMMSCs成骨潛能明顯降低,同時(shí)體內(nèi)成骨細(xì)胞數(shù)量明顯減少,HSCs龕位顯著縮小。
體外誘導(dǎo)成骨分化1周時(shí),放射損傷后晚期(28d)BMMSCs的成骨分化體系中ALP陽性細(xì)胞數(shù)量明顯減少,其成骨分化相關(guān)基因的表達(dá)均顯著低于正常。ColⅠ是成骨分化過程的早期標(biāo)志之一,在鈣質(zhì)沉積將結(jié)束時(shí)表達(dá)降低,而OC在成骨分化的終末階段即分化至骨細(xì)胞和骨襯細(xì)胞時(shí)則不表達(dá)。本實(shí)驗(yàn)顯示體外誘導(dǎo)分化3周即成骨細(xì)胞分化以成熟基質(zhì)礦化為特征時(shí),TBI后28d BMMSCs成骨分化相關(guān)基因ColⅠ和OC高表達(dá),提示分化的成骨細(xì)胞仍然處于一個(gè)早期的不成熟階段,說明放射損傷后BMMSCs的成骨分化潛能明顯減弱。而在放射后早期(3d),BMMSCs的成骨潛能有明顯增強(qiáng),這可能是因?yàn)闄C(jī)體受到放射損傷后,BMMSCs通過成骨能力的增強(qiáng)來盡力維持體內(nèi)骨髓微環(huán)境的穩(wěn)定,但是這種代償功能是有限的。
近年關(guān)于HSCs龕位的研究取得了突破進(jìn)展。在一些特殊的轉(zhuǎn)基因小鼠模型中,成骨細(xì)胞數(shù)量的增加或減少直接與HSCs數(shù)量增加或減少相關(guān)[5,78],說明成骨細(xì)胞是HSCs龕位的重要組成部分,參與限定HSCs龕位的大小和/或活性。ZHANG等[8]證實(shí)HSCs通過同型的NCadherin分子和成骨細(xì)胞接觸,進(jìn)而提出了骨內(nèi)膜表面的專職SNOs是HSCs龕位的必需成分。NCadherin同時(shí)表達(dá)于SNOs和HSCs,這種同型的NCadherin分子間的相互作用可能在HSCs錨定(anchor)于骨龕中起重要作用。βcatenin是HSCs自我更新的關(guān)鍵調(diào)控因子[14],而在許多類型的細(xì)胞中,NCadherin和βcatenin構(gòu)成了一個(gè)功能性的信號(hào)通路復(fù)合體,因而在HSCs龕位中,NCadherin介導(dǎo)的成骨細(xì)胞和HSCs的黏附可能通過βcatenin與WntLEF1Notch 1信號(hào)通路相連,維持HSCs的自我更新能力,防止其分化。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示放射損傷后除了骨髓內(nèi)骨組織形態(tài)學(xué)發(fā)生顯著變化外,放射后第28天,成骨細(xì)胞也顯著減少,而SNOs僅見于骨骺和皮質(zhì)骨交界處骨小梁相對較豐富的地方,其數(shù)量也減少近70%,提示TBI后骨髓HSCs的骨龕也顯著縮小。
HSCs和其龕位是一個(gè)功能整體,任何一方的改變均會(huì)導(dǎo)致造血系統(tǒng)功能損傷。雖然以往認(rèn)為HSCs本身自我更新能力減低、HSCs池的縮小以及HSCs細(xì)胞衰老[14]是放射損傷后遠(yuǎn)期造血功能損傷的機(jī)制,然而本實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示放射損傷后BMMSCs成骨潛能的改變及其所導(dǎo)致的HSCs龕位的顯著縮小可能也是導(dǎo)致放射后遠(yuǎn)期造血功能障礙的潛在機(jī)制之一。
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你可曾有過這樣的減肥經(jīng)歷:無論當(dāng)初的決心多么堅(jiān)決,最終還是會(huì)屈服于美食的誘惑?據(jù)英國媒體報(bào)道,牛津大學(xué)和英國醫(yī)學(xué)研究理事會(huì)的最新研究證實(shí),一種與肥胖有關(guān)的基因能通過促進(jìn)食欲使我們發(fā)胖。換言之,正是因?yàn)槿梭w內(nèi)攜帶這種“貪吃基因”,使得人們的節(jié)食努力往往以失敗告終。
這種名為FTO的等位基因最早發(fā)現(xiàn)于2007年,它定位在人體第16號(hào)染色體上,有分別來自父母的各一個(gè)副本。調(diào)查顯示,多達(dá)14%的英國人兩個(gè)FTO基因副本均出現(xiàn)變異。跟沒有變異副本的人相比,他們的肥胖風(fēng)險(xiǎn)增加了70%,罹患糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)增加了50%。有49%的英國人攜帶一個(gè)FTO基因變異副本,他們患肥胖的可能性跟正常人相比要多30%,而患糖尿病的可能性則多了25%。科研人員認(rèn)為,FTO是一種與肥胖有關(guān)的最普遍的基因。
據(jù)英國醫(yī)學(xué)會(huì)研究理事羅杰?考克斯介紹,這一研究使人們重新認(rèn)識(shí)到,僅僅鍛煉或節(jié)食來對付肥胖并不奏效。科研人員目前正致力于研究如何通過藥物或者其它方法“關(guān)閉”這種基因,從而在根本上解決減肥反彈問題。
手機(jī)影響心理健康
“喂,喂,你說什么?信號(hào)不好,聽不見!”類似的場景無論在電視上還是生活中都很常見。研究發(fā)現(xiàn),手機(jī)對現(xiàn)代人的影響超過錢包,手機(jī)丟了,大多數(shù)人不到一小時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn),而錢包丟了,可能一兩天才會(huì)發(fā)現(xiàn)。日前,某雜志撰文指出,手機(jī)不僅拿在手里,也可能“長”在心里,對心理健康造成不良影響。不少人老是聽到手機(jī)在響,掏出手機(jī)看,卻并沒有來電或短信。這是一種“手機(jī)幻聽癥”,在高級白領(lǐng)、媒體人員以及銷售業(yè)務(wù)人員中很常見。長時(shí)間的幻聽,會(huì)使人過度緊張,產(chǎn)生煩躁、焦慮等情緒。因此,癥狀較輕者,不妨養(yǎng)成睡覺前關(guān)機(jī)的習(xí)慣,用健康的方式使用手機(jī),更好地緩解壓力。情況嚴(yán)重者,則應(yīng)該考慮去尋求心理醫(yī)生的幫助。
早睡早起 有助成功戒煙
美國一項(xiàng)最新研究表明,“夜貓子”(喜歡熬夜的人)比“百靈鳥”(喜歡早起的人)更容易吸煙上癮,而且戒煙難度更大。
研究人員對23000多對雙胞胎進(jìn)行了長達(dá)30年的跟蹤調(diào)查。結(jié)果發(fā)現(xiàn),“夜貓子”成為癮君子的可能性比“百靈鳥”更大,吸煙上癮后戒煙成功率更低,而且更容易產(chǎn)生尼古丁依賴癥。
研究人員表示,一種可能是,由于尼古丁會(huì)讓吸煙者在夜晚保持清醒狀態(tài),因此“夜貓子”更可能用吸煙來提神。另一種可能是,“夜貓子”更可能去酒吧和餐館等吸煙環(huán)境,這也增加了他們吸煙上癮和戒煙難的可能性。另外,“夜貓子”尋求上癮行為的可能性更大,理由是其大腦中的多巴胺和類鴉片物質(zhì)發(fā)揮著重要作用。因此,“夜貓子”要想徹底戒煙,最好改變“睡眠模式”,嚴(yán)格早睡早起,這必然會(huì)大大提高戒煙成功率。
電腦族常吃黃花菜可預(yù)防電腦臉
心理學(xué)專家研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)常與電腦打交道的人,由于長時(shí)間面對沒有生命的電腦屏幕,而與人的交流越來越少,會(huì)在不知不覺中生出一張表情淡漠、冷峻的“電腦臉”。
國外兒科醫(yī)生新近發(fā)現(xiàn),人的笑容與鐵質(zhì)有關(guān)聯(lián)。研究資料顯示,凡是面帶微笑、眼球靈活、目光炯炯有神的嬰兒,其體內(nèi)的鐵貯存多數(shù)正常;相反,面孔嚴(yán)肅、呆板,或1小時(shí)內(nèi)僅發(fā)笑1~2次的寶寶,血中鐵含量可能不足。因此,要把缺少笑容作為體內(nèi)缺鐵的一個(gè)早期警報(bào)。
人們都知道菠菜富含鐵,其實(shí),黃花菜中所含的鐵是菠菜的幾十倍。古人曾給黃花菜(金針菜)起名叫忘憂、療愁,這足以說明黃花菜的功效。在我國的徐州,有道傳統(tǒng)名菜“軟炸黃花菜”,用黃花菜做主料,因外以雞蛋糊裹炸,食之軟嫩而得名,最適合“電腦族”們吃。
秋天出生的孩子更易食物過敏
英國《流行病和公共衛(wèi)生雜志》刊登的一項(xiàng)最新研究顯示,秋天出生的孩子發(fā)生食物過敏危險(xiǎn)更大。
芬蘭奧盧大學(xué)研究人員調(diào)查了2001年4月至2006年3月出生于芬蘭東南部的近6000名兒童。研究發(fā)現(xiàn),在母親子宮內(nèi)11周時(shí)正值4~5月份的孩子中,食物過敏幾率為11%。而母親懷孕11周時(shí)候正好是12月或1月的孩子中,食物過敏發(fā)病率只有6%。
研究人員對研究期間花粉水平進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),4~5月份正是樺樹和赤楊花粉的高峰期。早期研究已發(fā)現(xiàn),孕期接觸花粉會(huì)增加孩子食物過敏危險(xiǎn)。研究人員發(fā)現(xiàn), 4~5月份母親妊娠11周的時(shí)候接觸花粉最多,孩子發(fā)生牛奶和雞蛋過敏的危險(xiǎn),比母親妊娠11周時(shí)為12月到1月的孩子高3倍。
減慢呼吸有助緩解疼痛
美國一項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn),減慢呼吸可以在一定程度上幫助人們緩解疼痛感。研究人員分別選取了兩組年齡在45歲至65歲之間的女性進(jìn)行研究,其中一組為受到慢性疼痛困擾的纖維肌痛綜合征患者,另一組為健康女性作為對照。
實(shí)驗(yàn)過程中,這些女性在呼吸正常和呼吸速度減半狀態(tài)下,其手掌分別受到適度的熱脈沖的沖擊。每一次熱脈沖之后,研究人員都會(huì)記錄下她們報(bào)告的掌部疼痛感程度以及情緒的變化等參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),對于健康女性來說,當(dāng)減慢呼吸時(shí),她們感覺到的疼痛程度也隨之降低。而對于患病一組的女性來說,整體上的作用不很明顯,但那些情緒相對樂觀的患者,也能借助減慢呼吸緩解其疼痛感。
研究人員說,這一研究結(jié)果可以幫助解釋為何瑜珈等一些活動(dòng)通過調(diào)整呼吸來放松身心,提升情緒。
烤肉醬汁能減少致癌物質(zhì)
肉類在烤、煎、炸等高溫烹調(diào)時(shí),會(huì)產(chǎn)生一種叫做雜環(huán)胺的物質(zhì)。這種物質(zhì)在體內(nèi)蓄積,可能誘發(fā)胃癌、腸癌等多種癌癥。
美國堪薩斯州立大學(xué)的研究人員將鮮牛肉和用調(diào)料腌過的牛肉燒烤后,對比二者的雜環(huán)胺含量。發(fā)現(xiàn)腌過的肉高溫?zé)竞?所含雜環(huán)胺比未經(jīng)腌制的低40%以上。經(jīng)過對多種調(diào)料的測試發(fā)現(xiàn),用孜然、咖喱、迷迭香腌過的肉,高溫烹調(diào)后產(chǎn)生的致癌物最少。這是因?yàn)?烤肉醬中所含的淀粉、糖分等成分在受熱的時(shí)候首先吸收熱量,可以保護(hù)中間的肉塊不會(huì)驟然受到高溫,從而減少了致癌物質(zhì)產(chǎn)生的機(jī)會(huì)。另外,烤肉醬中含有的一些有益成分,也是阻礙致癌物質(zhì)產(chǎn)生的原因。這些食品配料本身均有一定的抗癌防癌作用,也有益于預(yù)防高溫加熱食物對人體的危害。
因此,建議在燒烤、煎炸肉類前,放些調(diào)料腌半小時(shí),不僅味道好,還可減少致癌物產(chǎn)生。
“邊吃邊K”有傷胃健康