CN106574887A - 用于分析模拟的生理环境中的物质的行为的体外方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可用于分析模拟的生理环境中的物质的行为的体外方法和装置。所述方法包括提供第一流体、凝胶基质和第二流体，通过至少一层第一半透膜分离第一流体和凝胶基质及通过至少一层第二半透膜分离凝胶基质和第二流体的步骤。所述方法还包括将物质注入第一流体，使物质从所述第一流体通过至少一层第一半透膜、通过凝胶基质、通过至少一层第二半透膜迁移进入第二流体，及测定物质从第一流体的清除的步骤。
Description
技术领域
本发明涉及用于分析物质优选大分子例如蛋白质在模拟的生理环境中的行为的体外方法和装置。特别地，本发明涉及可用于分析物质在模拟的眼睛状况中的行为的体外方法和装置。
背景技术
为治疗黄斑变性或视网膜疾病例如糖尿病性视网膜病变，玻璃体内注射药物已证明是成功的。玻璃体内注射中，药物制剂是直接注射进入玻璃体液(VH)即注射进入透明凝胶中，填充例如人的眼球晶状体和视网膜之间的空隙。这不仅是因为玻璃体内注射中可到达视网膜的施用剂量的未变化药物的部分高，因此玻璃体内注射通常具有高生物利用度。
然而，研究例如药物制剂在玻璃体液(VH)中稳定性的体外测试已证实在模拟真实体内条件时几乎无效。VH不在其天然环境中时，快速变性，并且由于VH中变性产物的积累VH的pH值可快速升高。因此，测试可能不代表活着的人眼睛中的实际情况，特别是不能长时间例如数天。更近的测试系统中，可通过应用缓冲系统来稳定VH的生理pH值。其中，降解产物可通过半透膜离开VH进入缓冲溶液。
然而，所述系统无法模拟药物制剂的不同屏障条件。特别地，其无法模拟不同的屏障条件例如由眼睛的后段组织提供的。
因此，需要可模拟生理环境以分析物质例如大分子行为的改良的体外方法和装置。特别地，需要可分析不同的模拟生理环境中的物质的长期稳定性的体外方法和装置。
发明内容
本发明一方面，提供了可分析模拟的生理天然环境中物质的行为的体外方法。该方法包括提供第一流体、凝胶基质和第二流体的步骤。该方法还包括通过至少一层第一半透膜分离第一流体和凝胶基质以及通过至少一层第二半透膜分离凝胶基质和第二流体的步骤。另外的步骤是将物质注入第一流体中，使物质从第一流体迁移通过至少一层第一半透膜、然后通过凝胶基质、然后通过至少一层第二半透膜进入第二流体，并确定所述物质从第一流体的清除率。
在至少第一半透膜和至少第二半透膜之间设置凝胶基质以模拟物质的扩散屏障并使物质以真实方式通过所述屏障进行扩散。凝胶基质设置在物质(例如分子例如大分子例如蛋白质或药物制剂)注入的第一流体和用作缓冲溶液的第二流体之间。第一流体对应于或模拟物质被注入的流体或组织。第一流体可以是从人或动物提取的流体，也可以是模拟所述天然流体的人工流体。第二流体用作缓冲溶液，使得例如系统的pH值可保持在期望值例如保持恒定。第二流体可用作储存器，用于接收或吸收沉淀或降解产物。
特殊设置可模拟相同或不同生理系统的不同屏障条件。例如，通过将药物制剂注射到玻璃体液中，可模拟制剂的稳定性和生物利用度，用于人或动物眼睛。例如，可测试不同的扩散和沉淀行为，对于例如在不同眼睛条件(对应于或多或少退化的眼睛，根据年龄或疾病)及前眼组织和后眼组织及其任意组合中的不同蛋白质。这些组织具有不同的分子屏障性质，其可使用本发明的方法和装置通过改变凝胶基质的性质及任选地半透膜的性质进行模拟和测试。此外，通过考虑有效注射位置和扩散屏障位置之间的距离以及注射位点的物理和化学环境，可以实现更真实的测试结果，特别是对于物质例如蛋白质或药物制剂的稳定性和生物利用度。因此，本发明的方法和装置可更真实地模拟天然环境最优选眼环境的几何结构。这可通过流体和凝胶基质的特殊设置以及装置的设置来实现，下文将进一步详细描述。
本发明的方法和装置可用于但不限于稳定性评估，例如物质例如药物制剂、大分子、蛋白质和/或赋形剂或其组合的浓度依赖性沉淀；物质例如大分子和/或赋形剂在具体流体环境例如蛋白质在玻璃体液中的相互作用；在具体流体例如玻璃体液中稀释和失去稳定赋形剂例如表面活性剂、糖、缓冲剂和张度剂后物质的稳定性以及在模拟生理环境例如眼环境中的长期稳定性。
下文中，方法和装置通常涉及物质的测试，特别是大分子在模拟眼环境中的测试。因此，所述方法优选的实施方案中，第一流体是玻璃体液，第二流体是缓冲溶液优选生理相关缓冲溶液。但是，所述方法和装置不限于这些用途。例如，将物质注射到例如血管中时，也可模拟血脑屏障以测试例如物质在脑组织中的稳定性和生物利用度。此情况下，第一和第二流体可以是血液和脑脊液或模拟血液和模拟脑脊髓液的流体。
本申请中所述“物质”可以指可注射到流体中并且可使用本发明的方法和装置分析其稳定性或生物利用度的任意物质。物质可以是分子例如大分子例如蛋白质、抗体、抗体片段、融合蛋白、双特异性抗体、缀合蛋白质、天然或合成的肽或寡核苷酸、天然或合成分子例如小分子药物、糖、表面活性剂、缓冲剂、聚合物或任意常用赋形剂。优选地，物质是药物制剂例如溶液、悬液或乳液，其也可包含在固体基质或下文所述的任意其他递送系统中。
本申请中所述“玻璃体液”可来自天然或人工来源。天然玻璃体液可来自各种动物物种例如猪、牛、犬、猫、兔和非人灵长类动物或可以是人。天然玻璃体液可以例如从之前已被去除的眼睛获得。人工玻璃体液优选地模拟人玻璃体液。人工玻璃体液可以由多种聚合物材料制备，例如天然聚合物例如但不限于透明质酸、藻酸盐、琼脂、壳聚糖、明胶、黄原胶、果胶、胶原，或者例如合成聚合物例如但不限于普朗尼克凝胶、聚乙烯醇、聚磷腈、由PEG、PCL、PLA、PGA、PLGA、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸组成的任意二聚、三聚或多聚凝胶聚合物，以及所述聚合物不同浓度的组合。
玻璃体液也可以是人工玻璃体液和天然玻璃体液的混合物或其组分不同组合的混合物。
本申请中所述“凝胶基质”是具有预定义但可变粘度和预定义但可变浓度的凝胶基质材料化合物的流体或半流体(具有固体和液体之间的性质)。优选地，凝胶基质是粘性液体。凝胶基质代表模拟屏障的核心，并且夹在至少一层第一半透膜和至少一层第二半透膜之间。优选地，所述至少一层第一半透膜和至少一层第二半透膜是两个单一半透膜优选透析膜。但是，其也可以是多个半透膜，其中多于一个优选两层膜设置在彼此上方。通过改变凝胶基质的物理和/或化学性质，所述屏障的规格可变化并适应多种测试条件。对于凝胶基质，天然或人工来源的不同聚合物材料可单独使用或以不同浓度组合使用。具有化学修饰的天然聚合物可用于制备凝胶基质。天然、半合成和合成聚合物可以不同的组合和浓度用于制备凝胶基质。凝胶基质可由各种聚合物材料制备，例如天然聚合物例如但不限于透明质酸、藻酸盐、琼脂、壳聚糖、明胶、黄原胶、果胶、胶原，或例如合成聚合物例如但不限于普朗尼克凝胶、聚乙烯醇、聚磷腈、由PEG、PCL、PLA、PGA、PLGA、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸组成的任意二聚、三聚或多聚凝胶聚合物，以及所述聚合物不同浓度的组合。
本发明方法一些优选的实施方案中，至少一层第一半透膜或至少一层第二半透膜或两种膜的截留分子量(MWCO)是可变的。本发明方法一些优选的实施方案中，凝胶基质的组成是可变的，优选通过改变凝胶基质的粘度或改变凝胶基质化合物的浓度。本发明方法一些优选的实施方案中，至少一种所述膜的MWCO和凝胶基质的组成都是可变的。通过所述方式，通过膜的扩散性和/或物质通过凝胶基质的渗透性是可变的。可对第一流体中的物质与凝胶基质材料的相互作用及其对物质的稳定性、相容性和适用性的影响进行研究。
“缓冲溶液”是优选具有或能够保持系统pH值在例如pH 5.5和pH 8.5之间优选约pH 7.0和约pH 7.6之间更优选pH 7.4的溶液。“生理相关缓冲溶液”是优选具有或能够保持系统pH值在约pH 7.0和约pH 7.6之间更优选pH 7.2-7.4的溶液。优选地，缓冲溶液包含盐。缓冲溶液可以例如是磷酸盐缓冲盐水(PBS)、碳酸氢盐缓冲溶液、林格氏碳酸氢盐缓冲溶液、林格氏乳酸盐缓冲溶液、模拟体液、其他等渗溶液、细胞培养基和任意其他生理代表性缓冲溶液。用作缓冲溶液的流体还可用于制备与上述凝胶基质材料组合的凝胶基质。
在本申请中，“从流体中的物质清除”，例如第一流体，应理解为包括物质从已经注入物质的流体中扩散出来。但是，清除还包括物质的物理或化学变化，例如物质在流体或所述系统的任意其他部分(例如凝胶基质中或第二流体)中分解或沉淀。因此，第一流体的物质的清除包括关于例如代表性流体中和完全模拟生理环境中物质稳定性和生物利用度的信息。
通过本发明的方法，不仅可分析注射物质例如蛋白质或赋形剂的行为。通过本发明的方法，还可检测例如将物质注入第一流体及从第一流体扩散进入其他流体时发生的第一流体或任意其他流体的分解或物理和化学变化。
本发明方法的一个方面，确定物质从第一流体清除的步骤是通过测量第一流体、第二流体或第一和第二流体两者中的物质浓度来进行。这可以例如通过取各种流体的样本并分析其物质含量或分解产物来进行。分析可通过光谱法例如荧光光谱法、拉曼光谱法或紫外-可见光谱法进行。流体样本的分析也可通过液相或气相色谱例如尺寸排阻高效液相色谱(SE-HPLC)或离子交换高效液相色谱(IE-HPLC)进行。分析也可通过光散射方法例如静态光散射、动态光散射或比浊法进行。优选地，用于清除测定的浓度测量或其他测量是以重复方式优选周期性进行的。优选地，测量进行数小时，更优选数天例如一周或两周甚至更长时间。进行测量的持续时间和强度可适应于物质，例如系统的分子大小和渗透性。浓度测量或其他测量例如pH测量也可以通过将探针直接置入相应的待测量流体进行。
本发明方法的另一方面，注射物质包含大小范围在约100Da和约400kDa之间，优选约1kDa和约250kDa之间例如4kDa和150kDa之间的分子。半透膜的规格可以适合于用于本发明方法的分子的大小和形式(例如线性、球状)。例如，膜的截留分子量(MWCO)可以根据例如第一流体或例如凝胶基质中所需的物质保留时间来调节。例如，如果被分析的物质含有小分子例如小于约10kDa的分子或由其组成，则优选地具有小于或等于10kDa的MWCO的膜可用于延长保留时间(例如长达数天)。如果保留时间应该减少(例如减至数小时)，可以使用MWCO大于10KDa的膜。优选地，具有约10KDa至100KDa范围的MWCO的膜用于含有大小在约50KDa至150KDa之间的大分子或由其组成的物质。优选地，具有约1KDa至50KDa范围MWCO的膜用于含有大小为约10Kda的大分子或由其组成的物质。
优选地，一层第一半透膜和一层第二半透膜可用于本发明的方法和装置。但是，多层膜可替代一层膜设置在支持物上。优选地，膜可彼此直接相邻设置，优选位于彼此上方。如果使用几层膜例如两层膜，则几层膜可以具有相同的MWCO或不同的MWCO。通过使用多层膜，屏障的规格可以另外改变。多层膜可以改变屏障的规格，不仅是由于多层膜增加的厚度，还由于多层膜相对于单层膜不同的孔径范围(即使具有相同的MWCO)。并且，一层膜到另一层膜的过渡可由于不同的孔位置和膜尺寸而影响屏障的规格。
优选地，膜的规格适合于实际组织的渗透性。例如，本发明方法一些优选的实施方案中，至少一层第一半透膜的截留分子量(MWCO)实质上对应于视网膜排阻极限(REL)。“实质上对应于”意在包括REL以及与REL不同例如高达约50％的MWCO值。REL通常被认为能够自由扩散通过眼睛视网膜的分子最大尺寸。对于健康的人眼，REL定义在约50kDa(103道尔顿)至100kDa的范围内，优选70kDa。但是，对于不同物种并且根据眼睛的状态(由于年龄、死亡等引起的改变)，该范围可以显著变化。此外，REL高度依赖于扩散分子的结构，例如分子的线性或球形结构。
本发明的方法和装置中使用的半透膜能够控制通过膜的扩散速率。半透膜是扩散控制膜，也可认为是分子量大小选择性膜。优选地，半透膜是透析膜。透析膜是半透性薄膜，例如含有多种尺寸孔径的再生纤维素或纤维素酯片。通常，大于孔的分子不能通过膜，但小分子可自由通过。由透析膜的孔径范围确定的分离特性称为膜的截留分子量(MWCO)。与显著小于MWCO的分子相比，接近MWCO的分子扩散较慢。膜的MWCO不是严格定义的值。透析膜依据制造其的材料，可以包含宽范围的孔径。扩散控制膜的其他实例是具有不同孔径大小的过滤膜。通常，当较大分子注入到第一流体中时使用具有较大MWCO的膜，当较小分子注入到第一流体中时使用具有较小MWCO的膜。但是，也可改变膜的MWCO以影响物质在第一流体中的保留时间，如上所述。例如当物质需在第一流体中保留较长时间例如用于分子与第一流体的相互作用研究时，可减小MWCO。
本发明方法的另一方面，将物质注入第一流体的步骤包括通过物质递送系统将物质注入第一流体。因此，物质以延缓方式释放到第一流体中。物质可借助递送系统注入第一流体中，递送系统例如纳米颗粒、微粒、药物贮库(以固体、液体或凝胶形式)、用作药物贮库的植入物或者含或不含重复注射的可重复物质递送的外部装置。所述递送系统中，可将物质封装、共轭(连接到大分子)或包埋在材料或元素中，所述材料或元素随时间经历物理或化学变化或其二者(例如膨胀、降解)以将物质释放进入已注入所述递送系统的流体中。通过提供递送系统，可实现暂时延缓将物质释放到第一流体中。如果递送系统在第一流体中发生迁移，则在物质被释放并与第一流体接触之前，递送系统将移动更靠近至少一层第一半透膜。在实际系统中，通过使用递送系统，通过能够使物质例如药物制剂更接近其目的地位置而不必改变注射位置可提高生物利用度。
本发明方法的一个方面，所述方法还可包括在由半透膜支持的凝胶基质层中的2D或3D细胞培养物中生长细胞的步骤。例如，常用的视网膜细胞系如ARPE-19、D407、RF-6A。所述细胞可以在培养物或共培养物中生长以代表人后眼组织。所述系统可用于研究基于细胞的毒性及注射物质或递送系统或细胞分解物的清除研究。
本发明的方法和装置不仅可以通过选择流体、凝胶基质和半透膜来适应于具体的测试方案。所述方法和装置还可调整用于通过几何设置上述组件例如依据半透膜的取向来分析物质在其生理环境中不同的行为。例如，分子如蛋白质或药物制剂的长期稳定性或者例如抗原结合亲和力可很好地分析，如果相应分子在测试流体中的保留时间足够长。稳定性试验和保留时间可以例如提供关于如何选择具体药物给予频率的信息。因此，在一些应用中，期望物质在第一流体中的保留时间为数天优选数周更优选数月。优选地，物质在第一流体中的保留时间内，测试条件保持尽可能接近生理环境。下文中描述了用于分析分子在模拟生理环境中的行为的装置的多种实施方案。
本发明另一方面，提供了一种用于分析分子在模拟生理环境中的行为的装置。所述装置包括用于接受第一流体的第一隔室、用于接受凝胶基质的第二隔室和用于接受第二流体的第三隔室。所述装置还包括用于支撑至少一层第一半透膜的第一支撑件和用于支撑至少一层第二半透膜的第二支撑件。第二支撑件设置成与第一支撑件相距一定距离。第一支撑件设置在第一隔室和第二隔室之间，第二支撑件设置在第二隔室和第三隔室之间。
本发明的装置中，第一隔室中的第一流体可通过由第一支撑件支持的至少一层第一半透膜保持与第二隔室中的凝胶基质分离。优选地，所述至少一层第一半透膜设置在第一支撑件上。所述至少一层第一半透膜可仅通过膜的边缘部分设置在第一支撑件上。可设计第一支撑件使得将至少一层膜设置在第一支撑件的基本整个区域上并由其支撑。凝胶基质还通过由第二支撑件支持的至少一层第二半透膜保持与第三隔室中的第二流体分离。优选地，至少一层第二半透膜设置在第二支撑件上。至少一层第二半透膜可以仅通过膜的边缘部分设置在第二支撑件上。可以设计第二支撑件使得将至少一层膜设置在第二支撑件的基本整个区域上并由其支撑。
第二隔室主要由所述至少一层第一半透膜和至少一层第二半透膜形成，可能还由装置侧壁形成。依据装置的实施方案和支撑件的设置的实施方案，第二隔室主要由第一支撑件和第二支撑件形成，可能还由装置侧壁形成。优选地，三个隔室串联设置。优选地，在第一和第三隔室之间发生的唯一材料交换是分子通过至少一层第一半透膜和至少一层第二半透膜渗透并且通过凝胶基质扩散。
优选地，第一、第二和第三隔室具有至少一个开口。优选地，隔室的至少一个开口对应于第一和第二支撑件的每一个中提供的至少一个开口。优选地，第一和第二支撑件是具有至少一个开口的隔室壁。至少一个开口被相应的至少一个半透膜覆盖。在一些优选的实施方案中，第一支撑件形成第一隔室和第二隔室的多孔壁，第二支撑件形成第二隔室和第三隔室的多孔壁。这些实施方案中，第一支撑件和第二支撑件优选地具有多个开口，其优选地分布在支撑件的整个区域。
已讨论了与本发明方法相关的装置的多个方面和优点，将不再重复。
本发明装置的一个方面，所述至少一层第一半透膜的截留分子量(MWCO)小于或等于所述至少一层第二半透膜的截留分子量(MWCO)。至少一层第二膜具有较大或相等的MWCO理论上可保证已通过至少一层第一膜的所有分子也可以通过至少一层第二膜，并且可在第二流体中检测。本发明方法和装置一些优选的实施方案中，所述至少一层第一半透膜的截留分子量(MWCO)基本上符合视网膜排阻极限(REL)。优选地，所述至少一层第一膜的MWCO在10kDa和100kDa之间的范围内并包括10kDa和100kDa，特别是模拟眼环境时。
本发明装置的另一方面，第一支撑件的形状和尺寸适合于视网膜优选人视网膜的形状和尺寸。然后将一层或至少一层膜设置在第一支撑件上以适应第一支撑件的形式。由此，可模拟注入眼球玻璃体中的物质的分布和迁移。特别地，可以真实方式模拟注射位置和视网膜或眼球前部之间的距离。因此，在一些优选的实施方案中，至少第一支撑件是凹形的。由此，第一隔室的至少一部分可模拟部分眼球的形状，该部分对应于由第一支撑件形成的第一隔室的部分。该部分是与大分子渗透最相关的。通过凹形(或凸形)支撑件及相应的隔室形式，还可能通过弯曲表面以更真实的方式模拟其他器官的形状。优选地，第二支撑件也是凹形的，该凹形第二支撑件可以与所述第一支撑件同中心设置。然后可将第一支撑件和第二支撑件彼此平行设置，并彼此分离。从而，第二隔室可实质上完全由第一支撑件和第二支撑件(以及位于相应支撑件上的相应的膜)形成。
在第一隔室和至少一层第一膜的这种设置中，可模拟眼球内的几何结构以及物理和化学环境。与凝胶基质和优选凹形的至少一层第二膜组合，可模拟覆盖眼球的整个组织(例如前眼或后眼组织)的屏障。
装置即隔室壁和支撑件可由适合于在所述装置中使用的流体和物质的任意材料制成。优选地，使用惰性材料例如玻璃、不锈钢、惰性金属合金、惰性合成塑料或聚合物材料。优选地，使用玻璃或惰性塑料材料，因为其透明度。优选地，将玻璃用作所述装置的材料，由于其惰性和良好的重复利用性。本发明的装置的一些优选的实施方案中，所述装置包含玻璃或由其制成。优选地，第一、第二或第三隔室、第一支撑件和第二支撑件中的至少一种包含玻璃或由其制成。优选地，所述装置包括第一支撑件和第二支撑件的所有壁全部由玻璃制成。
本发明装置的另一方面，所述装置还包含盖，用于封闭第一隔室的开口。通过开口，可将第一流体填充到第一隔室中，以及再从第一隔室中移出。优选地，所述封闭可以气密方式完成。由此，可在物质注入之前和其后将环境例如湿度或污染对第一流体的影响保持在最小。优选地，盖由与装置相同的材料制成。优选地，盖由玻璃制成。
包含用于半透膜的支撑件的装置的实施方案特别有利于水平或基本水平设置的半透膜的应用。在装置的水平设置中，至少两个隔室优选所有隔室设置在彼此之上或顶部。其中，半透膜的设置可以是精确水平的。但是，水平设置还包括例如模拟视网膜或其他组织形式的膜的凹形或凸形形式。支撑件可支撑整个膜，并且流体或凝胶基质的重量作用于水平设置的半透膜上。注入的物质由于重力趋向于向下迁移。实质上水平设置的半透膜中，半透膜基本形成相应隔室的底部。因此，物质倾向于积聚于半透膜上，并且倾向于直接渗透出隔室。已发现，如果避免物质在膜上积聚，可能影响物质在隔室中的保留时间。这可以解释如下：如果隔室底部封闭，则物质可以再扩散到隔室中的流体内，直到其迁移到半透膜的位置。半透膜可以例如形成隔室的侧壁。所述装置的实施方案有利于垂直或实质上垂直设置的半透膜。在垂直设置中，可以避免或至少限制物质在膜上的积聚，并且物质在第一流体中或在凝胶基质中的保留时间可以延长。
本发明另一方面，提供了可用于分析模拟生理环境中的分子行为的其他装置。该装置包括用于接收第一流体的第一隔室、用于接收凝胶基质的第二隔室和用于接收第二流体的第三隔室。所述装置还包括至少一层第一半透膜和至少一层第二半透膜，其中所述至少一层第二半透膜设置成与所述至少一层第一半透膜相距一定距离。至少一层第一半透膜设置在第一隔室和第二隔室之间，至少一层第二半透膜设置在第二隔室和第三隔室之间。
本发明装置的所述实施方案中，半透膜设置在不含第一支撑件和第二支撑件的装置中。所述装置可包含用于将所述至少一层第一半透膜和所述至少一层第二半透膜保持在相应隔室之间的保持件(holder)。所述保持件可以例如是夹持构件或附接构件，将所述膜夹持或附接到那儿。优选地，将保持件设置在装置的外侧，并且不延伸到装置中，特别是不延伸到任意隔室中。这可简化装置的制造、装配和清洁。另外，半透膜可以作为隔室中流体和凝胶基质之间的仅有的屏障，并且此时第一支撑件和第二支撑件不存在其他机械元件。
本发明装置的一个方面，第一隔室、第二隔室和第三隔室成排设置，其中至少一层第一半透膜和至少一层第二半透膜在相应隔室之间基本上垂直设置。在半透膜的这种垂直设置中，作用在膜上的重力基本上沿着膜本身，使得可省略对膜的支撑。凝胶基质及可能的流体(依赖于其密度)当与膜并排设置时也可对半透膜具有支撑作用。基本上垂直设置时，半透膜的设置可以是精确垂直的。但是，其也可与精确垂直位成角度设置。“实质上垂直”还包括例如凹面或凸面形式以模拟眼球部分或其他需要模拟的组织形式。
半透膜的实质上垂直设置中，物质可不在所述膜上积聚，如例如隔室设置在彼此上方的装置的实施方案中。因此，长期测试例如第一流体(例如玻璃体液)中的稳定性测试优选在这样的装置设置中进行，其中重力对物质通过半透膜的通透度无影响或者仅具有限影响。
优选地，不具有支撑件的装置的实施方案由玻璃制成，但是半透膜除外，优选地还有保持件除外。
本发明的该另外的装置的其他方面和优点已通过所述方法和包含用于半透膜的支撑件的本发明的装置描述，并将不再重复。特别地，该另外的装置也可设置支撑件，该支撑件可以如前所述成形和构造。使用支撑件，可以省略保持件。此外，至少第一支撑件可以是凹形的，以模拟眼球或视网膜的形式。此外，半透膜的规格和实现可以与前述相同，例如具体的MWCO或者实现扩散控制膜，例如以单层半透膜形式或者设置或组合两层或更多层半透膜的形式。
优选地，本发明及本文所述的装置可用于物质优选药物制剂的体外测试，以确定物质优选药物制剂的稳定性或生物利用度数据。优选地，本发明的装置可用于实施本发明及本文所述的方法。
附图说明
本发明还通过实施例和实施方案描述，其以附图形式说明，其中：
图1示出了本发明测试设置的示意图；
图2和3示出了凝胶基质中葡聚糖相对于透明质酸浓度的扩散速率(图2)和渗透性(图3)；
图4示出了不同膜对大分子相对于时间的扩散的影响；
图5和6示出了不同大分子的扩散(图5)和渗透性(图6)；
图7示出了使用单克隆抗体的测试结果；
图8a-8e示出了本发明装置的第一示例性实施方案；
图9示出了本发明装置的第二实施方案的示意图；
图10a、10b示出了图9中装置的实施方案的变化形式。
具体实施方式
图1中，示意性地示出了装置和方法设置的实施方案。所述设置可模拟眼睛的几何结构和形势，并且可优选地用于模拟眼睛状况的体外测试。由上壁10和覆盖所述上壁10部分的第一半透膜4形成用于接收玻璃体液的第一隔室1。上壁10设置有开口101，用于通过所述开口101填充第一隔室1。开口101可用盖6封闭，优选地以气密方式封闭。盖6可以例如是锥形塞，例如玻璃塞。半透膜4具有部分圆的形式，例如2/3圆。第一隔室1和第一膜的形式可模拟眼球的几何结构和视网膜。第一隔室1安装到第三隔室3。因此，第一膜4优选完全插入第三隔室3的上开口303并位于第三隔室3内部。第三隔室3用于接收缓冲溶液。凹形的第二半透膜5设置在上开口303中并覆盖第三隔室3的上壁30的部分。第二膜5也具有部分圆的形式，例如1/2到2/3圆。第一和第二膜4、5可由相应的第一支撑件和第二支撑件支撑形成隔室壁，如下文关于图8a-8e所述。第一和第三隔室1、3在安装状态时，两种半透膜4、5彼此隔开，在所述第一和第二膜之间的间隙中形成第二隔室2。间隙尺寸可以不同，例如适于要模拟的生理系统。第一和第二膜4、5同中心设置，使得膜之间有预先确定的距离，优选地在膜的整个延伸范围内。通过设置在第一隔室1上壁10中的进入和排出开口102，可将凝胶基质填充到第二隔室2中和又从其移出。三个隔室可密封，例如通过提供O-型环，其设置在第三隔室的上壁30上，并且围绕形成第二隔室2的所述间隙周向设置。
第三隔室3设有进入和排出开口32、33。通过进入开口，可用缓冲溶液填充第三隔室3，并且通过排出开口，可排空第三隔室3。进入和排出开口优选设计成允许流过第三隔室，以清洁和更换第三隔室3的内容物。通过第三隔室3的连续或不连续流也可用于对第二流体进行取样用于后续的样品分析。
通过第一隔室和第一膜4，可模拟眼球内的几何结构及物理和化学环境。与凝胶基质和第二膜5组合，可模拟从包封眼球的组织例如前段或后段组织出来的屏障。可将物质例如大分子注射到第一隔室1内的玻璃体液中。其通过第一膜4和第二隔室2中的凝胶基质迁移到第一膜，通过第二膜进入第三隔室3中的缓冲溶液。第一隔室1的可移动盖6以及第三隔室的进入和排出开口32、33可允许提取样品用于分析目的。
下文中，描述了使用如图1所述系统执行的实例。实例中提及的所有实验均在无菌条件、分层式气流下进行。以不同的时间间隔从第一和第三隔室1、3(或分别从VH隔室1和FT隔室3)收集样本。
实施例
实施例1:
为优化透明质酸凝胶基质浓度进行实施例1。为此，研究了不同浓度的透明质酸(HA)(分子量1.4×106道尔顿)凝胶基质(GM)对FITC-葡聚糖(40kDa)从玻璃体液(VH)-隔室1到流通(FT)-隔室3的扩散速率的影响。VH-隔室和FT-隔室被作为扩散控制屏障的GM-隔室2分开。两种透析膜4、5用于分隔三个隔室1、2、3。将分隔VH-隔室1与GM-隔室2的第一透析膜4标示为DM-1(透析控制膜4)，将分隔GM-隔室与FT隔室的第二透析膜4标示为DM-2(透析控制膜5)。DM-1和DM-2的截留分子量(MWCO)分别为50kDa和100kDa。用无菌的磷酸盐缓冲盐水(PBS)(pH 7.4)填充FT隔室3，并用不同浓度的约3mL在PBS中制备的无菌HA凝胶(范围从0-0.9％w/v)填充GM隔室2。将约3.5mL无菌猪VH加入VH隔室中。将装置密封，VH保持在37℃过夜。孵育结束时，将50μL 80mg/mL的FITC-葡聚糖(40kDa)注入VH隔室1中。将该装置密封，并且整个研究过程在37℃孵育。通过荧光分光光度计在激发波长490nm和发射波长520nm评价样品的FITC-葡聚糖浓度。图2示出了扩散速率对HA浓度，图3示出了表观渗透率(Papp)对HA浓度。渗透率是扩散控制屏障(单一屏障)允许组分从屏障的一侧转移到另一侧的性能。涉及多于一个扩散控制屏障时，将渗透率计算为表观渗透率(Papp(表观)或Peff(有效))。本实验中，将Papp(表观)用于方便分析体外/离体扩散数据与文献中报道的体内扩散数据之间的相关度。例如，可由关系Papp＝Q/[A·t·(Co-Ci)]计算表观渗透率，其中Q是在时间t通过面积为(A)的膜运输的渗透量，。Co和Ci分别是供体浓度(VH隔室中的浓度)和受体浓度(FT隔室中的浓度)。Papp可用cm/sec、cm/min或cm/hr表示。
结果如图2所示，表明HA凝胶基质浓度的增加显著降低了大分子的扩散速率以及表观渗透率。比较合理的解释是HA浓度的增加可导致基质孔隙率降低和/或可增加葡聚糖与基质组分的相互作用导致FITC-葡聚糖的扩散较慢。这些结果表明，通过改变GM浓度，调节大分子穿过系统的扩散速率是可能的。
实施例2:
为分析透析膜对大分子扩散的影响进行实施例2。
通过改变透析膜的MWCO来研究牛血清白蛋白(BSA)和免疫球蛋白G(IgG)从VH隔室到FT隔室流动方向上的扩散。与实施例1中所述相似进行实验，但进行了微小的修改。MWCO为50kDa和100kDa的两种不同的MWCO透析膜作为DM-1，而DM-2的MWCO保持恒定在100kDa。用3.5mL无菌猪VH填充VH-隔室，并用约3mL无菌HA凝胶(0.6％w/v)填充GM-隔室。FT隔室填充无菌PBS。将装置密封，VH保持在37℃过夜。孵育结束时，将50μL FITC-BSA(80mg/mL)或200μL FITC-IgG(20mg/mL)注入VH隔室中。整个研究过程中将装置密封并在37℃下孵育。通过荧光分光光度计在激发波长490nm和发射波长520nm下分析样品的FITC-BSA和FITC-IgG浓度。
图4中，描述了FT隔室3(图中称为PBS隔室)中的扩散测量对时间的结果，DM-1和DM-2MWCO 100kDa用于BSA 81、DM-1和DM-2MWCO 100kDa用于IgG(约144kDa)82、DM-1 50kDa和DM-2MWCO 100kDa用于BSA 83、DM-1 50kDa和DM-2MWCO 100kDa用于IgG 84。如图4所示结果表明，与使用100kDa MWCO的DM-1(81、82)观察到的扩散相比时，具有50kDa MWCO的DM-1(83、84)显著抑制IgG和BSA的扩散。因此，通过改变透析膜MWCO，还可以调节大分子的扩散。
实施例3:
为观察不同大分子(线性和球形)的扩散进行实施例3。
与实施例1中所述相似进行该实验，但进行了微小的修改。使用50kDa MWCO透析膜作为DM-1，使用100kDa MWCO透析膜作为DM-2。用3.5mL无菌猪VH填充VH-隔室，并用约3mL无菌HA凝胶(0.6％w/v)填充GM-隔室。FT隔室填充约35mL无菌PBS。将装置密封，VH保持在37℃过夜。孵育结束时，将50μL 80mg/mL的FITC-葡聚糖4kDa 91、FITC-葡聚糖40kDa 92、FITC-葡聚糖70kDa 94、FITC-BSA 93或200μL FITC-IgG(20mg/mL)95注入VH隔室中。整个研究过程中将装置密封并在37℃下孵育。通过荧光分光光度计在激发波长490nm和发射波长520nm下分析样品的FITC-葡聚糖浓度。
如图5所示，其中示出了不同的扩散的大分子的量对时间，大分子表现出不同的扩散速率。按照预期，与较大分子相比，较小分子以更快的速率扩散。线性和球状大分子观察到相同的现象。类似地，较小分子相对于大分子显示较高的Papp，如图6所示。这可能是因为大分子由于其与较小分子相比具有较高的分子半径而受到GM更大的阻力，导致低Papp。有趣的是，FITC-葡聚糖40kDa和FITC-BSA(66kDa)显示出相似的Papp值。相似的分子半径(FITC-葡聚糖40kDa：4.5nm和FITC BSA：3.62nm)可归因于其相似的Papp。
实施例4:
该实验中，研究了存在或不存在GM时单克隆抗体(mAb1)在从VH隔室到FT隔室方向的扩散。与实施例1中所述相似进行实验，但进行了微小的修改。同样地，使用50kDa MWCO透析膜作为DM-1，使用100kDa MWCO透析膜作为DM-2。用3.5mL无菌猪VH填充VH-隔室，并用约3mL无菌HA凝胶(0.6％w/v)或无菌PBS(不含基质)填充GM-隔室。用无菌PBS填充FT隔室。将装置密封，VH保持在37℃过夜。孵育结束时，将33μL mAb1(120mg/mL)注入VH隔室中。整个研究过程中将装置密封并在37℃下孵育。通过尺寸排阻色谱法(SEC)分析样品的mAb1浓度。
图7描绘了VH隔室中mAB1的量对时间。如图所示，与在不存在GM时观察到的扩散(第120小时，从VH隔室扩散出约87％的mAb1，曲线86所示)相比，存在GM时mAb1的扩散显著减少(第120小时，从VH隔室扩散出约51％的mAb1，曲线85所示)。扩散减少可归因于凝胶基质提供的阻力。该结果清晰地表明，通过改变凝胶基质的浓度可调整蛋白质治疗剂在VH隔室1中的保留时间。
图8a到8e示出了本发明的装置及其部件的示例性实施方案。与图1相同的附图标记用于相同或相似的特征。图8a示出了具有圆柱形并且具有与第一隔室1的上壁10中的开口101的尺寸相对应的圆周的盖6。如图8c所示，安装状态时所述盖优选地与上壁101形成气密密封。大分子7，代表第一流体例如玻璃体液11中的物质，用圆圈表示。图8c中，大分子已经通过第一隔室1中的第一流体11例如玻璃体液迁移到第一膜4方向。第一膜设置在第一支撑件14上形成第一隔室1上壁101的部分。在图8d中，第二膜5设置在第二支撑件15上。第二支撑件15形成第三隔室3上壁30的部分。第三隔室是圆柱形的，但是基本上可具有任意其他形式。第三隔室填充有第二流体，优选生理相关的缓冲溶液31。入口和出口33、32由连接到或优选整合到第三隔室3侧壁34中的管部分形成。第一和第三隔室的安装状态下，第一和第二支撑件14、15等距离地设置，如图8e所示。此处，一些大分子显示已迁移到第一膜4；一些大分子显示部分通过由第一和第二膜4、5(由第一和第二支撑件14、15支撑)形成的第二隔室2中的凝胶基质21，一些大分子将扩散通过第二膜5。
三个隔室1、2、3设置在彼此之上或顶部。半透膜4、5实质上水平地设置在相应隔室之间，形成“水平设置”的装置。
紧邻膜的装置的所有部件可以由玻璃制成。优选地，所述装置仅由三个独立的部分制成：盖、第一隔室和第三隔室，其中所述独立的部件可彼此组装，优选以气密方式。另外，如图9中所述装置优选由玻璃制成。
图9的装置包含容器100，例如长方体或管状形式。第一半透膜4和第二半透膜5设置在容器中，以将容器100的内部分隔在第一隔室1、第二隔室2和第三隔室3中。第一半透膜4和第二半透膜5垂直设置在容器100中，并且垂直于容器100的纵轴300。
第一隔室1包含第一入口17，其设置在容器100的顶部用于将第一流体例如玻璃体液填入第一隔室1中。第一隔室1的一个侧壁由第一半透膜4形成。
两种半透膜4、5彼此远离设置，在两种膜之间形成第二隔室2。膜4、5之间的距离可变化，例如适于要模拟的生理系统。优选地，第一和第二膜4、5在膜之间优选在膜的整个延伸上具有预定的距离。第二隔室2包含第二入口18，其设置在容器100的顶部用于将凝胶基质填入和移出第二隔室2。
第三隔室3形成为包括入口和出口32、33的流通室，图9中其设置在容器100的顶部，用于填充或移出第三流体例如缓冲溶液。但是，入口和出口也可以设置在第三隔室的优选不同(实心)的侧壁中。第三隔室3的一个侧壁(不由容器壁形成)由第二半透膜5形成。
三个隔室1、2、3以并排方式彼此相邻地设置。半透膜4、5垂直地设置在容器中，形成装置的“垂直设置”。
半透膜4、5由保持件24、25保持。保持件24、25在容器100外部，设置在容器100的顶部和底部下面。保持件24、25也可围绕容器100周向设置。保持件可以例如是夹具。
膜4、5的夹紧也可以通过容器100本身实现。例如，容器100可由数个例如三个部件制成。将部件彼此安装和固定时，半透膜可以夹在两个部件之间。每个部件基本上形成隔室。所述装置的这种实施方案示于图10a和图10b。图10a示出了容器100的三个单独的部件101、102、103，其可安装到本发明的装置，其中第一半透膜4夹在第一和第二部件101、102之间，第二半透膜5夹在第二和第三部件102、103之间。容器的每两个部件可以配有夹紧构件(未示出)，用于将两个部件彼此保持并且实现两个部件之间的液密连接。为了支撑夹紧，101、102、103每个部件设置有周向延伸的边缘1010、1020、1021、1030。如图10b所示，容器安装状态时，1010、1020、1021、1030中每两个边缘彼此贴靠，沿着环形部分夹紧半透膜。优选地，提供夹紧构件以夹紧每两个边缘部分。
优选地，半透膜4、5是平面膜。但是，如果膜的材料允许，膜也可以是预成形的，例如凹面或凸面以模拟眼球部分的几何结构。优选地，半透膜4、5的形式彼此对应。虽然垂直设置的膜优选地通过夹具或其他保持构件保持在容器中，但是第一和第二膜4、5也可以由相应的第一和第二支撑件支撑形成隔室壁，如以上关于图8a-8e所描述的。保持件24、25可省略。
物质例如大分子可通过第一开口17注入第一隔室1中的第一流体。其可迁移到所有侧面。由于重力，优选迁移到第一隔室的底部。但是，由封闭的容器壁形成的底部不允许物质通过底部从第一流体中扩散出来。仅当物质迁移到第一半透膜4时，可发生通过第一膜4出第一隔室、进入并通过第二隔室2中的凝胶基质、通过第二膜并进入第三隔室3中的缓冲溶液的扩散。入口17以及第三隔室的入口和出口32、33还允许提取样品用于分析目的。
已通过具体实施方案描述了本发明。但是，其他实施方案在不脱离本发明范围的情况下也可实现。例如，装置的形式和尺寸可以适于具体应用的被测试物质。特别地，装置的几何形状可以变化。例如，隔室和膜可以实质上平面方式设置，使得装置可通过膜分离的隔室堆叠形成。装置的几何形状也可以影响本发明方法和装置中使用的材料。例如，在平面构造中，物质可以为膜提供足够的支撑，使得例如第一支撑件可省略或限于小的边缘部分。此外，凝胶基质的流体或半流体材料可被形成屏障的多孔固体材料代替。例如，当与屏障材料中的细胞生长结合时，开孔陶瓷或开口塑料材料可能是有利的。另一膜可由具有相同或不同MWCO的两层或更多层膜代替。
Claims (21)
1.用于分析模拟的生理环境中的物质行为的体外方法，所述方法包括步骤：
—提供第一流体、凝胶基质和第二流体；
—通过至少一层第一半透膜分离第一流体和凝胶基质；
—通过至少一层第二半透膜分离凝胶基质和第二流体；
—将物质注入第一流体；
—使物质从第一流体通过至少一层第一半透膜、通过凝胶基质、通过至少一层第二半透膜迁移进入第二流体；和
—测定物质从第一流体的清除。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一流体是玻璃体液并且所述第二流体是缓冲溶液，优选生理相关的缓冲溶液。
3.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中测定物质从第一流体的清除的步骤是通过测量第一流体中、第二流体中或者第一和第二流体中的物质浓度实施的。
4.根据上述任一项权利要求所述的方法，其还包括改变至少一层第一半透膜或至少一层第二半透膜的截留分子量(MWCO)或改变凝胶基质的组成，优选改变凝胶基质的粘度或改变凝胶基质组分浓度的步骤。
5.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中所注射的物质包含大小介于约100Da和约400kDa之间，优选约1kDa和约250kDa之间例如4kDa和150kDa之间的分子。
6.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中所述至少一层第一半透膜的截留分子量(MWCO)实质上符合视网膜排阻极限(REL)。
7.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中将物质注入第一流体的步骤包括通过物质递送系统将物质注入第一流体，以此以延缓方式将物质释放进入第一流体。
8.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中所述物质是大分子、药物制剂、赋形剂、蛋白质或其组合的至少一种。
9.用于分析模拟的生理环境中的分子行为的装置，所述装置包括：
第一隔室，其用于接受第一流体；
第二隔室，其用于接受凝胶基质；和
第三隔室，其用于接受第二流体；所述装置还包括：
第一支撑件，其用于支撑至少一层第一半透膜；和
第二支撑件，其用于支撑至少一层第二半透膜，第二支撑件设置成与所述第一支撑件相距一定距离，其中
第一支撑件设置在所述第一隔室和第二隔室之间，且第二支撑件设置在所述第二隔室和第三隔室之间。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一支撑件形成所述第一隔室和第二隔室的多孔壁，并且其中所述第二支撑件形成所述第二隔室和第三隔室的多孔壁。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其中所述至少一层第一半透膜设置在所述第一支撑件上且所述至少一层第二半透膜设置在所述第二支撑件上，所述至少一层第一半透膜的截留分子量(MWCO)小于或等于所述至少一层第二半透膜的截留分子量(MWCO)。
12.根据权利要求9至11任一项所述的装置，其中所述至少一层第一半透膜的截留分子量(MWCO)实质上符合视网膜排阻极限(REL)。
13.根据权利要求10至12任一项所述的装置，其中所述第一支撑件的形状和大小适于视网膜的形式和大小。
14.根据权利要求10至13任一项所述的装置，其中至少第一支撑件是凹形的。
15.用于分析模拟的生理环境中的分子行为的装置，所述装置包括：
第一隔室，其用于接受第一流体；
第二隔室，其用于接受凝胶基质，和
第三隔室，其用于接受第二流体；所述装置还包括：
至少一层第一半透膜，和
至少一层第二半透膜，所述至少一层第二半透膜设置成与所述至少一层第一半透膜相距一定距离，其中
所述至少一层第一半透膜设置在所述第一隔室和第二隔室之间，并且其中所述至少一层第二半透膜设置在第二隔室和第三隔室之间。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述第一隔室、第二隔室和第三隔室成排设置，并且其中所述至少一层第一半透膜和至少一层第二半透膜实质上垂直设置在相应的隔室之间。
17.根据权利要求15或16任一项所述的装置，其还包含保持件，用于将所述至少一层第一半透膜和至少一层第二半透膜保持在相应的隔室之间。
18.根据权利要求9至17任一项所述的装置，其包含玻璃或由其制成。
19.根据权利要求9至18任一项所述的装置，其还包含盖，用于封闭第一隔室的开口。
20.根据权利要求9至19任一项所述的装置用于体外测试物质以测定物质的稳定性和生物利用度数据的用途。
21.根据权利要求20所述的装置用途，其中所述物质是药物制剂。
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