聚乙二醇的滲透效應(yīng)

引言

聚乙二醇(PEG)是胃腸生理學(xué)研究中常用的一種不可吸收的標(biāo)記物。它的可用性在于在生物液體中能夠被測量、無毒性和極小的吸收（當(dāng)使用更高分子量的聚合物時）這使它成為一種幾乎理想的標(biāo)記物質(zhì)。近些年來聚乙二醇已經(jīng)被用為腸道灌洗液的組成部分，在這種溶液中，它被用作不可吸收的、不可代謝的溶質(zhì)，以增加灌洗液的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓），以減少水分吸收。盡管如此，還沒有關(guān)于聚乙二醇滲透活性的系統(tǒng)研究。為了研究聚乙二醇的滲透行為，我們使用冰點和蒸汽壓滲透計（滲透壓儀，摩爾濃度滲透壓儀，摩爾滲透壓儀）測量了不同種類聚乙二醇溶液在不同濃度范圍內(nèi)的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）。在另外的體外實驗中，我們通過離子選擇電極測量鈉的活性來分析PEG對PEG/NaCl溶液物理化學(xué)的影響。最后，我們通過腸道灌注的方式研究了高濃度PEG溶液的體內(nèi)滲透特性。

結(jié)果

等摩爾量聚乙二醇的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）測量的比較

圖1顯示了PEG濃度的曲線，由加入200g水的溶質(zhì)的摩爾數(shù)與通過冰點降低測量的滲透壓計（滲透壓儀，摩爾濃度滲透壓儀，摩爾滲透壓儀）算得出。同一性線也顯示出來。甘露醇、聚乙二醇400和聚乙二醇600的溶液在15-120 mosmol/kg范圍內(nèi)與同類產(chǎn)品的濃度基本一致。相反，觀察到PEG 1450和PEG 3350的滲透活性高于預(yù)測。隨著溶液濃度的增加，從溶液的質(zhì)量摩爾濃度預(yù)期的滲透壓與測量到的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）之間的差值逐漸增大。例如，在PEG 3350的最高濃度(400 g/kg或119.4 mmol/kg)下，測得的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）為1230 mosmol/kg，大于理論滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）的10倍。

（圖1所示。 用凝固點滲透法測定甘露醇和四種聚乙二醇的摩爾濃度。 實線表示等號線。 注意上下面板之間的縱坐標(biāo)上的比例變化。） 

圖2顯示了PEG濃度的圖，根據(jù)加入200g水的溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量與通過蒸汽壓法測量的滲透壓計算得出。在濃度為>50 mmol/kg的水溶液中，甘露醇和兩種較低分子量的聚乙二醇溶液的同源性非常接近。在濃度~50 mmol/kg時，蒸汽壓滲透壓計（滲透壓儀，摩爾濃度滲透壓儀，摩爾滲透壓儀）不能準(zhǔn)確地記錄滲透壓(見材料和方法)，并始終過高估計這些溶液的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）。兩種質(zhì)量較高的peg的滲透量比根據(jù)質(zhì)量摩爾量預(yù)測的滲透量高，但不如冰點滲透量計的滲透量大。例如，最大的方差是理論滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）的6倍。

（圖2。用蒸汽壓滲透法測定甘露醇和四種聚乙二醇的摩爾濃度。實線表示等號線。注意上下面板之間的縱坐標(biāo)的比例變化。當(dāng)H₂O濃度為50 mmol/kg時，蒸汽壓滲透計的響應(yīng)不是線性的。）

等質(zhì)量聚乙二醇滲透壓測量值的比較

在前面的實驗中，比較了等摩爾濃度的PEG。由于不同聚乙二醇的分子量相差8倍，不同溶液中添加聚乙二醇的質(zhì)量存在較大差異，且乙二醇基的數(shù)目相差較大。為了評估這些差異帶來的影響，我們進(jìn)行了第二系列的實驗：將相同質(zhì)量的不同種類PEG加入到200g水中，并用冰點滲透計和蒸汽壓滲透計測量其滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）。相對滲透壓的定義是測量的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）除以溶質(zhì)濃度(以克/千克水為單位)，用來補(bǔ)償相對分子量較低的PEG每克應(yīng)該有較多的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）。對于理想狀態(tài)下的物質(zhì)，滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）的增加與濃度的增加應(yīng)該完全成正比且相對滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）與濃度的關(guān)系圖的結(jié)果應(yīng)該是一條平行于橫坐標(biāo)的直線(斜率= 0)。這條直線的y軸截距(無限稀釋時的比例)是分子量的倒數(shù)。

如圖3所示，NaCl和甘露醇溶液的冰點和蒸汽壓測量結(jié)果相似，并落在平行于橫坐標(biāo)的直線上。NaCl溶液的結(jié)果低于從NaCl的分子量預(yù)期的線，因為在這些濃度下NaCl不能完全解離。甘露醇溶液(右圖)幾乎精確地落在期望值上。

（圖3。含NaCl(左)和甘露醇(右)溶液的相對滲透壓(測量滲透壓除以加入溶質(zhì)的克數(shù)的質(zhì)量)與濃度。開放符號表示用凝固點滲透法測量;蒸氣壓滲透法為封閉符號）

PEG溶液的結(jié)果(圖4)與線性回歸吻合得很好(在所有情況下r>0.98)。與NaCl或甘露醇溶液相比，這些回歸線有>0的斜率，表明測量的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）隨濃度的平方而增加[斜率= dy/dx =(滲透/C)/(C) =滲透/C2，其中C為濃度]。如表2所示，這些線的y軸截距與理論值相似，支持這些聚合物的規(guī)定的平均分子量。從圖1和圖2的數(shù)據(jù)中可以預(yù)料到，凝固點滲透比蒸汽壓滲透有更高的滲透量，凝固點滲透線的斜率大于蒸汽壓滲透線的斜率。對于PEG400、PEG1450和PEG3350，當(dāng)使用一種測量滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）的方法時，其斜率是相似的。這表明，分子量較高的PEG分子所觀察到的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）增加并不僅僅是因為這些分子的體積大，而是至少部分地與PEG的質(zhì)量或給定質(zhì)量摩爾濃度下存在的乙二醇亞基數(shù)量有關(guān)，或兩者兼有。PEG 600所獲得的斜率與其他PEG不同。造成這種差異的原因尚不清楚。

（圖4。相對滲透壓(以加入溶質(zhì)的克數(shù)除以質(zhì)量的測量滲透壓)與各種PEG的濃度。開放符號表示用凝固點滲透法測量;用蒸氣壓滲透法為封閉符號。虛線是用最小二乘法計算的回歸線。）

聚乙二醇3350溶液中鈉濃度的測量

高于預(yù)期的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）一個可能的解釋是PEG與溶液中的水形成復(fù)合物，使水更少的與其他相互作用（降低水的活性）。這將增加溶解在剩余自由水中的溶質(zhì)的活性。為了檢驗這種可能性，制備了聚乙二醇3350和氯化鈉溶液，并用離子選擇電極測量鈉濃度作為鈉活性的估計。鈉的活性與NaCl的存在量、NaCl的離解程度以及與之相結(jié)合的水的體積有關(guān)。由于氯化鈉的量已知，而且氯化鈉在這些濃度下基本上是游離的，鈉活性的主要決定因素將是鈉分布的體積。NaCl和PEG水溶液的組成及分析見表3。用火焰光度法或電極法測定無PEG溶液(溶液A)中的鈉濃度與加入的NaCl量(140 mmol/L)所期望的理想濃度相似。用火焰光度法測定的鈉濃度隨著PEG的最高濃度略有下降，可能是由于粘度的變化。加入少量PEG對蒸汽壓滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）(溶液B)的影響很小，并沒有顯著增加電極測得的鈉濃度，說明鈉活性相對沒有變化。然而，加入更多的PEG(溶液C和D)會使電極測得的鈉濃度增加25%- 60%（表3）表明鈉的活性增加了。如表3所示，假設(shè)鈉溶解于加入水的總體積中，隨著PEG的增加(水的減少)，預(yù)計加入水量的鈉濃度會增加(PEG的置換效應(yīng))。然而，離子選擇電極所觀測到的鈉濃度增加只有三分之一是由于這種效應(yīng)。事實上，電極測量的鈉濃度的增加大于這個值，這與PEG通過與水形成絡(luò)合物并阻止一部分水與鈉相互作用而增加鈉活性的概念是一致的。這個假設(shè)分?jǐn)?shù)的大小可以用加入的鈉的摩爾數(shù)除以電極測得的鈉濃度來估計這給出了溶液C和D的分布體積分別為791和609 ml(每升溶液)，并表明大量的水(分別為122和220 ml/L)被PEG結(jié)合，無法與溶液中的鈉相互作用。如果水的束縛分?jǐn)?shù)的概念是正確的，人們應(yīng)該能夠預(yù)測在含有已知質(zhì)量的聚乙二醇和氯化鈉的溶液中電極測定的鈉濃度。為了驗證這一點，另外配制了200 g/L PEG 3350和70或108 mmol NaCl的溶液。離子選擇電極預(yù)測的鈉濃度是用加入的NaCl的摩爾數(shù)除以609 ml，計算溶液D(同樣含有200g/L PEG 3350)的分布體積。預(yù)測結(jié)果分別為115和177 mmol/L。電極測定的濃度分別為114和176 mmol/L，與預(yù)測結(jié)果吻合良好。

可以想象，用聚乙二醇3350標(biāo)記的電極測得的鈉濃度的增加是由滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）本身增加引起的人為現(xiàn)象。為了檢驗這種可能性，我們又進(jìn)行了一組類似于表3所示的實驗。在這些研究中，越來越多的甘露醇被添加到生理鹽水中，以產(chǎn)生與表3中PEG/生理鹽水溶液中測量的相似滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）。如表4所示，隨著甘露醇濃度的增加，電極測得的鈉濃度僅略有上升，且這一上升與加入水量的減少并不成比例。這表明，鈉濃度的電極測量不受滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）增加本身的影響，與PEG相比，甘露醇從溶液中隔離的水非常少。

體內(nèi)全腸道灌注

由于冰點滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）和蒸汽壓滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）在體外是不同的，因此評估哪一個(如果其中一個)代表體內(nèi)的真實值是至關(guān)重要的。為此，我們用含有高濃度PEG 3350的電解質(zhì)溶液灌注正常志愿者的腸道。由于腸粘膜對水和電解質(zhì)具有高度的滲透性，直腸排出液穿過整個小腸和結(jié)腸后應(yīng)與血漿處于滲透平衡，有效滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）為290摩摩爾/kg(血漿滲透壓)。根據(jù)理論計算的灌注溶液的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓），以及由蒸汽壓滲透壓計和冰點滲透壓計測量的滲透壓見表5。在理論基礎(chǔ)上(即，如果滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）是嚴(yán)格由于離子和聚乙二醇分子的數(shù)量在溶液)，輸注液是明顯低滲于血漿。用蒸汽壓滲透法測量輸液也是低滲的，用凝固點滲透法則是等滲的。本研究結(jié)果如表5所示。直腸流出物的凝固點滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）上升到血漿的高滲水平。由于目前尚不清楚發(fā)生這種情況的機(jī)制，而且我們假定腔內(nèi)液體在穿過整個腸道后會與血漿處于滲透平衡狀態(tài)，因此冰點滲透壓計似乎人為地給出了較高的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）測量值。相比之下，理論上計算的直腸流出物的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）低得令人難以置信。如果與血漿達(dá)到平衡，則直腸排出液的計算值為180±2mosmol/kg。然而，蒸氣壓滲透測定法所得到的值在生理學(xué)上是真實的，并且非常接近于等離子體的值。因此，蒸氣壓滲透法似乎可以準(zhǔn)確地測量生物上有效的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）。

討論

我們的研究表明，聚乙二醇產(chǎn)生的滲透效應(yīng)比溶液中聚乙二醇分子的數(shù)量更大。這對所有被研究的聚乙二醇物種都是正確的，這種差異似乎與添加到溶液中的聚乙二醇的質(zhì)量有關(guān)(以及乙二醇亞基數(shù))。在每種情況下，用凝固點滲透計測得的滲透量都比用蒸汽壓滲透計測得的滲透量大。我們的體內(nèi)灌注實驗擴(kuò)展了這些觀察結(jié)果，并表明PEG溶液出人意料的高滲透性不僅是實驗室人為現(xiàn)象，而且具有真正的生物學(xué)意義。當(dāng)含PEG的液體通過腸道灌注并與血漿平衡時(滲透壓= 290 mosmol/kg)，由此產(chǎn)生的電解質(zhì)濃度和PEG濃度結(jié)合，產(chǎn)生的理論計算滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）與血漿相比基本上是低滲的（表5）。由于實際滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）應(yīng)為290mosmol/kg, PEG溶液的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）一定高于計算值。另一方面，冰點滲透計顯示直腸流出物是高滲的，這是不可能的情況。由于蒸汽壓滲透壓計顯示直腸流出物如預(yù)期的等滲，體內(nèi)灌注實驗表明蒸汽壓滲透壓計顯示真實的滲透壓，是測量高濃度PEG溶液中滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）的首選方法。PEG滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）大于預(yù)期的原因有幾種可能。用蒸氣壓和凝固點滲透壓計測量滲透壓的依據(jù)是Raolt定律:蒸汽壓的分?jǐn)?shù)降低與溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)之間的等價性。兩種滲透計都是利用蒸汽壓變化所產(chǎn)生的相變溫度(露點溫度或冰點溫度)的變化來測量滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）。然而，拉奧爾特定律只是一個近似值。正偏差和負(fù)偏差都得到了承認(rèn)。這些偏差通常最多只有幾個百分點，并且發(fā)生在比我們用PEG實驗中高得多的摩爾分?jǐn)?shù)。因此，這不大可能解釋這些相對稀釋的PEG溶液所表現(xiàn)的多重偏差。對我們結(jié)果的另一個解釋是，用于計算滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）的PEG的規(guī)定分子量存在錯誤。所述平均分子量與相對滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）與濃度曲線的y軸截距的倒數(shù)之間有很好的一致性(圖4和表2)，說明所述平均分子量是準(zhǔn)確的。然而，像大多數(shù)聚合物一樣，市面上可買到的聚乙二醇的分子量在一定范圍內(nèi)。例如，PEG 3350包括分子量從3000到3700的分子(表1)由于溶液是用給定重量的PEG組成的，而摩爾濃度是通過除以分子量來計算的，使用分子量的單個中點值計算的滲透壓誤差可能高達(dá)10%。然而，這個誤差不能解釋我們所測量的出乎意料的高滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）的大小。它也不能解釋隨著PEG濃度的增加，計算的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）和測量的滲透壓之間的差異越來越大(圖1和圖2)另一種可能是PEG被一些低分子量的滲透活性物質(zhì)污染。如果發(fā)生了這種情況，人們會期望從恒等線出現(xiàn)線性位移，因為每克聚乙二醇將添加固定比例的污染物。由于沒有觀察到這一點(圖2)，PEG污染不太可能解釋觀察到的偏差。一種更可能的解釋是，PEG具有非依數(shù)性，從而在水溶液中產(chǎn)生意想不到的滲透效應(yīng)。可以想象，PEG通過改變水在溶液中的活度來增加滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）。這可能會降低水與PEG和溶液中其他溶質(zhì)相互作用的有效性，并將溶質(zhì)溶解在更少的水中，從而增加溶質(zhì)的化學(xué)活性和滲透活性。為了檢驗PEG是否會發(fā)生這種情況，我們測量了一系列NaCl/PEG 3350水溶液中的鈉活性(表3)。這些結(jié)果表明，隨著PEG濃度的升高，離子選擇電極反映的鈉活性不成比例地上升。這一結(jié)果與高濃度聚乙二醇將水從溶液中隔離并影響溶液中其他物質(zhì)的化學(xué)和滲透活性的概念是一致的。從我們的數(shù)據(jù)中還不清楚這種假定的固水效應(yīng)在多大程度上解釋了純聚乙二醇溶液的意外高滲透性。根據(jù)表3計算的鈉的分布體積，對于純200g/L PEG溶液，預(yù)計由這種效應(yīng)引起的最大滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）增加將略小于2倍。實際上，在PEG 3350濃度下，蒸汽壓滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）大約是預(yù)期的四倍(圖2)。因此，不同的溶質(zhì)(或溶質(zhì)的組合)似乎有不同的固水效果。例如，當(dāng)聚乙二醇是唯一存在的溶質(zhì)時，聚乙二醇的分布體積甚至可能更小，而水結(jié)合的體積甚至比鈉同時存在時的體積更大�？梢杂嬎愠觯诩�200 g/L PEG 3350溶液中，略低于300 ml的體積分布可以解釋所測滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）的增加。這些相互作用可能與聚乙二醇分子的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。聚乙二醇是由氧以醚鍵連接的重復(fù)雙碳長碳?xì)浠衔锝M成的線性聚合物。這使得氧與周圍的水分子形成氫鍵。由于分子量較高的PEG分子較長，PEG 1450的平均長度為29-36個乙二醇單位，PEG 3350的平均長度為68-84個乙二醇單位，它們能夠通過氫鍵來排列相對較大的水區(qū)域。在某種程度上，當(dāng)存在足夠高的濃度時，較小的PEG分子似乎也會這樣，乙二醇亞基的數(shù)量與較長的PEG物種相似。這種順序會使水分子更難從溶液中逃逸到溶液上方的空氣中，從而降低蒸汽壓。當(dāng)設(shè)備將露點溫度的降低轉(zhuǎn)化為滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）的增加時，蒸汽壓的降低將被檢測為蒸汽壓滲透壓計露點溫度的變化，并報告為滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）的增加。蒸汽壓的變化也會影響冰點溫度，從而改變冰點滲透計中滲透量的測量。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，正如體內(nèi)灌注實驗所證實的那樣，這代表了滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）的真實變化，而不僅僅是測量的假象。這種非依數(shù)滲透行為允許在灌洗液中使用更低濃度的PEG 3350來增加滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓），而不是在其他情況下。這種非依數(shù)性滲透行為使得PEG 3350用于增加灌洗液滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）的濃度比其他情況低得多。

如前所述，在我們的體外和體內(nèi)實驗中，冰點滲透法的結(jié)果始終高于蒸汽壓滲透法。原因尚不明確。一種可能是高濃度的聚乙二醇抑制了冰的結(jié)晶，使冰點溫度進(jìn)一步降低，測量到的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓）更高。當(dāng)冰結(jié)晶時，它是通過在不斷增長的冰晶的平面上添加一層水分子來實現(xiàn)的，南極和北極地區(qū)的某些魚類已經(jīng)發(fā)展出一系列糖肽分子，可能是通過與冰晶的結(jié)晶面結(jié)合而抑制冰的結(jié)晶。這種化學(xué)適應(yīng)對于這些魚能在比普通體液冰點更冷的海水中生存是很重要的。這些延伸的肽鏈的分子結(jié)構(gòu)在某些方面與聚乙二醇相似。因此，可以想象PEG分子以類似的方式抑制冰的結(jié)晶。這將降低冰點溫度，并在冰點滲透計中記錄為較高的滲透壓（摩爾滲透壓，摩爾濃度滲透壓），但在不是蒸汽壓滲透計中的因素。

參考文獻(xiàn)

Schiller LR, Emmett M, Santa Ana CA, Fordtran JS. Osmotic effects of polyethylene glycol. Gastroenterology. 1988 Apr;94(4):933-41. doi:10.1016/0016-5085(88)90550-1. PMID: 3345895.