《Journal of Biomechanics》：An experimental-computational approach for measuring charged solute diffusivity through human synovium
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滑膜带电溶质扩散机制研究：基于有限元模型分析分子量与电荷对药物递送的影响
亚历山德拉·L·戴维斯（Alexandra L. Davis）| 阿希什·瓦伊迪亚纳坦（Ashish Vaidyanathan）| 萨拉·奥武苏·萨奇（Sarah Owusu Sachie）| 米拉德·罗哈尼法尔（Milad Rohanifar）| 李芳静（Liufang Jing）| 沙米穆尔·R·阿坎达（Shamimur R. Akanda）| 洛里·A·塞顿（Lori A. Setton）
美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学生物医学工程系
摘要
关节内药物输送在针对关节炎关节方面显示出潜力，但其治疗效果受到滑膜的阻碍。滑膜是一种多层结缔组织，会迅速将局部输送的药物从关节腔中清除。为了更好地理解滑膜药物清除的机制，我们之前开发了一个将滑膜视为多相组织的有限元模型，并使用反演方法确定了中性溶质通过滑膜的有效扩散系数（D_eff），研究发现该系数随着分子量的增加而减小。在这里，我们采用了这种实验-计算方法来测量带电右旋糖酐（dextrans）通过人体滑膜的有效扩散系数（D_eff）。研究发现，滑膜的固定电荷密度可以忽略不计，且远低于其他软组织；此外，D_eff不仅受分子量影响，还受到电荷的影响，尤其是在高分子量溶质中。根据有限元预测和对实验数据的单指数拟合，阳离子右旋糖酐的D_eff和t1/2分别高于其阴离子和中性对应物。除了阳离子右旋糖酐外，4 kDa的右旋糖酐通过滑膜的扩散速度比20 kDa的右旋糖酐快，这与预期一致。这些数据是首次探索滑膜中带电溶质-基质相互作用的研究成果，将为未来的带电药物输送实验和计算研究提供指导。
引言
骨关节炎（OA）是一个公共卫生问题，仅2019年全球就记录了近5.28亿病例（He等人，2024年）。系统性输送疾病修饰药物可以减轻炎症性关节炎，但在治疗OA方面效果不佳，同时还会引发不良副作用（Elliott等人，1994年；Jones等人，2019年）。关节内（IA）药物输送可以提高靶点的生物利用度并降低药物成本（Evans等人，2014年）。然而，IA药物输送的优势受到药物在关节内停留时间短（从几小时到几天不等）的限制（Simkin和Nilson，1981年）。
滑膜是一种薄层结缔组织，包裹着关节，并将血管区和非血管区分隔开来。滑膜由两层组成：一层不连续的、厚2至3层的“渗漏”内层（Castor，1960年；Levick和McDonald，1995年），其中含有IV型胶原蛋白和层粘连蛋白（Pollock等人，1990年）；其上方是一层更松散、异质性更高的次内层，包含脂肪、多种胶原蛋白和细胞类型以及血管和淋巴管（Castor，1960年；Smith，2011年）。跨滑膜的药物传输是由关节腔和滑膜之间的浓度梯度以及IA静水压力驱动的，这两者都受到细胞外孔隙空间和引流淋巴管及毛细血管的调节（Levick和McDonald，1989年）。
历史上，IA药物清除率是通过放射性标记物在体内测量的（Brown等人，1991年；Owen等人，1994年；Wallis等人，1985年），但最近也使用近红外染料（Bernard等人，2021年；Doan等人，2019年）、荧光标记物（Mwangi等人，2015年；Qin等人，2024年）和磁性纳米粒子（Ajayi等人，2023年）来显示健康关节和病变关节之间药物的差异性保留和分布（Mwangi等人，2018年）。然而，这些技术无法解析药物在滑膜本身的传输过程，并且由于体内的强烈稀释效应而限制了药物检测的灵敏度，特别是在测量血浆或血液中的pK值时。尽管体外研究通过使用水凝胶（Kiener等人，2010年；Kiener等人，2006年）和Transwell系统（Stefani等人，2019年；Blewis等人，2010年）规避了这些问题，但它们依赖于分离的细胞和生物材料来模拟滑膜以及特定几何形状的测量，这阻碍了跨组织、疾病状态和物种的比较。
利用基于双相和多相模型的数值方法研究了多孔、充满液体的软组织中的溶质传输（Ateshian等人，2012年；Lai等人，1991年）。这种方法可以确定溶质的有效扩散系数D_eff，这是一种可以在不同组织和疾病状态之间进行比较的固有属性。为了测量中性溶质通过滑膜的有效扩散系数D_eff，我们之前将体外扩散数据与滑膜的多相有限元模型（FEM）相结合（Guang等人，2020年；Maas等人，2012年）；我们的研究发现，D_eff随着分子量（MW）的增加而减小，这一趋势与之前的研究结果一致（Blewis等人，2010年；Doan等人，2019年）。
滑膜中的溶质清除可能受到除分子量之外的其他因素的影响，如净电荷或构象。许多软组织的细胞外基质（ECM）带有负电荷，这可能使其固定电荷密度（FCD）不为零，从而影响溶质传输（Bajpayee和Grodzinsky，2017年）。在滑膜中很少被探索的带电溶质-基质相互作用被认为可以增强软骨中的药物保留（Bajpayee等人，2014年；Boyer等人，2025年；He等人，2020年；Kumar和Sharma，2020年；Shah等人，2016年；Vedadghavami等人，2019年）。早期报告表明滑膜中也含有糖胺聚糖（GAGs）（Price等人，1996年；Worrall等人，1994年），但尚不清楚它们是否会引起影响药物传输的电静力相互作用。
在这项研究中，我们改进了之前关于中性溶质通过滑膜传输的多相FEM模型（Guang等人，2021年；2020年），以探讨电荷如何影响人类滑膜中的溶质扩散。这种方法的目标是建立一个滑膜有效扩散系数的数据库，以便在不同溶质和组织之间进行比较，最终指导IA治疗药物的设计。
部分摘录
组织采集与制备
通过与Mid-America移植基金会（密苏里州圣路易斯）的协议获得了匿名捐赠的人类膝关节组织，从脂肪和其他结缔组织中分离出约10毫米×10毫米的样本，并通过在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中浸泡15%蔗糖（Sigma-Aldrich，密苏里州圣路易斯）24小时，然后在30%蔗糖中浸泡24小时来进行低温保护。为确保组织失活，样本在异戊烷（Sigma-Aldrich）浴中快速冷冻。
DMMB检测
研究发现，与其他软结缔组织相比，人类滑膜中的sGAG浓度非常低（0.620±0.504 mg sGAG/g），估计其FCD可以忽略不计（-0.247±0.201 mM）（表1）。基于这一初步发现，我们在FEM中将滑膜建模为不带电的固体（表2）。
扩散实验的指数拟合
共有n=40个人类滑膜样本来自n=21名组织捐赠者，用于扩散实验。组织捐赠者的平均年龄为67.1±11.2岁，其中大多数为男性。
讨论
与溶质相关的因素，包括分子量、电荷和形状，以及组织本身的孔隙率、电荷和组成，都可能影响IA药物输送后溶质通过滑膜的清除。跨滑膜的溶质扩散和对流还可能受到IA压力、组织尺寸和滑膜液组成的影响，因为浓缩的溶质或药物是通过滑膜静脉和淋巴管清除的。之前，我们开发了一种实验-计算方法来探索这些因素
CRediT作者贡献声明
亚历山德拉·L·戴维斯（Alexandra L. Davis）：撰写 – 审阅与编辑、资源管理、数据整理、可视化、研究、初稿撰写、方法学设计、概念化、验证、正式分析。阿希什·瓦伊迪亚纳坦（Ashish Vaidyanathan）：撰写 – 审阅与编辑、数据整理。萨拉·奥武苏·萨奇（Sarah Owusu Sachie）：撰写 – 审阅与编辑、研究。米拉德·罗哈尼法尔（Milad Rohanifar）：软件开发、撰写 – 审阅与编辑、方法学设计。李芳静（Liufang Jing）：方法学设计。沙米穆尔·R·阿坎达（Shamimur R. Akanda）：验证、数据整理、撰写 – 审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢Mid-America移植基金会提供的膝关节组织。我们还要感谢PhRMA基金会的药物输送博士后奖学金（ISNI ID：0000 0000 9959 8153，Crossref资助者ID：100001797）。这项工作得到了美国国立卫生研究院（R01 AR070975）和Barnes-Jewish医院的资助。
