利用台式流变仪快速表征气道黏液的黏弹性

摘要

黏液的黏弹性特性在黏液纤毛清除过程中起着关键作用。然而，传统的黏液流变学技术需要复杂且耗时的操作方法。本研究提供了一种使用台式流变仪进行快速、可靠黏弹性测量的详细实验方案。

摘要

在黏液阻塞性肺疾病（如哮喘、慢性阻塞性肺疾病、囊性纤维化）及其他呼吸系统疾病（如病毒/细菌感染）中，杯状细胞过度分泌、气道脱水、氧化应激以及细胞外DNA的存在会改变黏液的生物物理特性。既往研究表明，痰液的黏弹性与肺功能相关，而影响痰液流变学性质的治疗手段（如黏液溶解剂）可带来显著的临床获益。通常，对非牛顿流体的流变学测量需采用复杂且耗时的方法（如平行板/锥板流变仪和/或微珠粒子追踪技术），这些方法在实验操作和数据分析方面均需要 extensive 的培训。本研究评估了Rheomuco的可靠性、可重复性及灵敏度，该设备是一种用户友好的台式仪器，旨在通过剪切应变扫描的动态振荡方式快速测量，以获得线性黏弹性模量（G′，G″）"，G^*，以及 tan δ）和凝胶点特征（γ_c 和 σ_c）在5分钟内完成临床样本的检测。通过使用不同浓度的模拟黏液物质——8 MDa聚环氧乙烷（PEO）——并对传统整体流变学测量结果进行比对，验证了该设备的性能。随后对一例重症哮喘（SA）插管患者临床分离样本进行了三次重复测量，各次测量间的变异系数为 <10%. 离体 使用强效黏液还原剂TCEP处理SA黏液后，其弹性模量降低了五倍，并向更流动的状态转变 "液态样" 总体行为（例如更高的 tan δ）。综上所述，这些结果表明，所测试的台式流变仪可在临床和研究环境中对黏液的黏弹性进行可靠的测量。总结而言，所述方案可用于在现场评估黏液活性药物（例如 rhDNase、N-乙酰半胱氨酸）的作用，从而根据个体情况调整治疗方案，或用于新型化合物的临床前研究。

引言

黏液阻塞性气道疾病，包括哮喘、慢性阻塞性肺疾病（COPD）、囊性纤维化（CF）以及其他呼吸系统疾病（如病毒性和细菌性肺炎），是全球普遍存在的健康问题。尽管这些疾病的病理生理机制差异显著，但一个共同的关键特征是黏液纤毛清除功能异常。在健康肺部，气道上皮表面覆盖着一层黏液，用于捕获吸入的颗粒物，并对病原体形成物理屏障。气道黏液分泌后，主要由约97.5%的水、0.9%的盐、约1.1%的球状蛋白和约0.5%的黏蛋白组成，通过纤毛的协调摆动被逐步向声门方向转运^1,2黏蛋白是大型O-连接糖蛋白，可相互作用 通过 非共价键和共价键赋予黏液独特的黏弹性特性，这是实现高效转运所必需的³离子转运改变、黏蛋白展开、静电相互作用、交联或成分变化所导致的黏液网络超微结构改变可显著影响黏液的黏弹性，并损害黏液纤毛清除功能^4,5因此，识别气道黏液生物物理特性的变化对于理解疾病发病机制以及测试新型黏液活性化合物至关重要。⁶.

多种因素可导致肺部产生异常黏液。在慢性阻塞性肺疾病（COPD）中，长期吸入香烟烟雾会引发杯状细胞化生及气道脱水，从而导致黏液过度分泌。 通过 囊性纤维化跨膜传导调节因子（CFTR）通道的下调，导致黏液过度浓缩和小气道阻塞^7,8同样，囊性纤维化（CF）是一种与CFTR基因突变相关的遗传性疾病，其特征是产生黏稠且黏附性强的黏液，无法有效运输。^8,9简言之，CFTR功能障碍可导致气道表面液体减少、聚合性黏蛋白缠结以及生化相互作用增强，从而引发慢性炎症和细菌感染。此外，被困在静止黏液中的炎性细胞会向凝胶基质中释放另一种大分子物质DNA，进一步增加黏液的黏弹性，加重气道阻塞。⁵黏液流变学对肺部整体健康重要性的一个最佳例证来自重组人DNase（rhDNase）在囊性纤维化患者治疗中的应用。rhDNase的作用最初被证实 离体 在咳出的痰液上，数分钟内即可观察到从黏稠的黏液转变为流动的液体^10,11临床试验表明，通过吸入重组人脱氧核糖核酸酶（rhDNase）降低囊性纤维化患者气道黏液的黏弹性，可减少肺部急性加重的发生率，并改善肺功能及患者整体健康状况^12,13,14因此，旨在促进清除的重组人脱氧核糖核酸酶（rhDNase）吸入疗法成为囊性纤维化（CF）患者的标准治疗方案长达二十多年。在CF患者中使用吸入性高渗盐水以实现黏液水合，也观察到类似的临床获益，这与黏液流变学特性的改变相关，并导致黏液纤毛清除加速及肺功能改善。^15,16因此，在临床环境中建立一种快速可靠的黏液黏弹性测量方案，对于优化治疗策略至关重要。

本研究中测试的台式流变仪为黏液/痰液样本的全面黏弹性测量提供了一种快速且便捷的替代方法。通过采用可控角位移的动态振荡，该仪器可提供形变 通过 一对可调节的平行板（例如，粗糙或光滑几何形状），用于测量扭矩和位移，分辨率为15 nN^.分别为 m 和 150 nm¹⁷. 默认的标准校准结合针对非流变学专业人员定制的用户指南，可实现简便的测量并降低操作人员出错的风险。该设备生成的应变扫描曲线可在约5分钟内实时处理和分析，并自动提供线性黏弹性参数（G'、G"，G^*，以及 tan δ）和凝胶点（γ_c 和 σ_c）特征（参见 表1弹性模量（G'）描述样品对应力的响应（即恢复其原始形状的能力），而黏性模量或损耗模量（G") 描述了正弦形变每周期所耗散的能量（即由于分子间摩擦导致的能量损失）。复数模量或动态模量（G*）是应力与应变的比值，用于描述在剪切位移作用下材料内部产生的内力大小（即整体的黏弹性特性）。阻尼因子（tan δ）是黏性模量与弹性模量的比值，反映样品耗散能量的能力（即 tan δ 值较低表明材料呈弹性主导/类固体行为，而 tan δ 值较高则表明材料呈黏性主导/类液体行为）。对于凝胶点特性，交点应变（γ_c是剪切应变的度量，通过偏转路径与剪切间隙高度的比值计算得到，表示样品从类固态行为转变为类液态行为的临界点，该点在定义上对应于 G' = G″ 时的振荡应变" 或 tan δ = 1。交点处的屈服应力（σ_c) 是指设备施加的应力达到弹性模量与黏性模量交叉时的测量值。在健康痰液中，弹性在对应变的力学响应中占主导地位（G' > G"）。在黏液阻塞性疾病中，G' 和 G" 由于病理性黏液改变而增加^17,18,19该设备操作简便，便于现场检测，无需将样品储存或运输至异地机构进行分析，从而避免了因时间和反复冻融对这些生物样品特性造成的影响。

本研究使用不同浓度（1%-3%）的8 MDa聚环氧乙烷（PEO）溶液，以验证商用台式流变仪（材料表）的测量范围，并将所得浓度依赖性曲线与传统体相流变仪（材料表）测得的结果进行直接比较。随后，采用经支气管镜采集的、来自一名患有重症哮喘（SA）的插管患者的黏液，评估流变学测量的重复性。重症哮喘是一种严重的哮喘急性发作形式，其特征为支气管痉挛、嗜酸性粒细胞炎症以及在环境或感染因子刺激下出现黏液过度分泌^8,20。该SA患者因严重呼吸衰竭而接受插管治疗，尽管已采用积极的标准哮喘疗法，但仍无法通过单纯机械通气有效且安全地维持通气，因此需要体外膜肺氧合（ECMO）。在因肺叶塌陷而进行的临床指征支气管镜检查期间，发现大量黏稠、透明且坚韧的分泌物阻塞肺叶支气管，通过生理盐水灌洗将其吸出。采集后立即去除吸出物中多余的生理盐水，并使用台式设备分析剩余SA样本的黏弹性特性。另取部分样本 aliquot，用还原剂三(2-羧乙基)膦盐酸盐（TCEP）处理，以评估该方案是否可用于在体外（ex vivo）表征治疗化合物的疗效。

结果表明，该方案和台式设备可在临床环境中有效使用。在测试的台式设备与传统平行板流变仪之间，由聚环氧乙烷（PEO）浓度依赖性曲线确定的流变学特性无显著差异（图1A） （图1B）。对SA黏液进行三次重复测量，结果具有良好的重复性，其G*、G'和G"终点值的变异系数为10%，并反映了该患者病例中临床上明显的黏液黏弹性显著异常（图1D）。最后，离体（ex vivo）使用TCEP处理后，G'和G"显著降低，tan δ升高，表明黏蛋白网络对治疗产生了响应（图2）。综上所述，使用台式流变仪的该方案为评估临床获取的黏液样本的黏弹性特性提供了一种简单而有效的方法。这一能力有助于推动精准医疗的发展，临床医生可在现场测试已批准的黏液活性药物的疗效，从而帮助确定替代治疗方案。此外，该方法也可用于临床试验中，以评估研究性药物的作用效果。

方案

在本研究中，根据北卡罗来纳大学机构审查委员会批准的方案，在获得知情同意后，于临床指征支气管镜检查期间采集样本。

1. 痰/黏液的采集与保存

1. 收集气道黏液 通过 痰液采集或支气管镜吸痰。
   1. 收集痰液，可采用以下任一方法 通过 通过自发咳痰或吸入3%高渗盐水诱导痰液。或者，在支气管镜检查过程中直接从气道吸出黏液。
   2. 将收集的呼吸道痰液/黏液储存于无菌样本杯中。若为痰液样本，采集后应立即去除多余的唾液。
   3. 将样品置于冰上运输，运输时间不超过4小时。
2. 在采集时分析样本，或在 -80 °C 下保存直至处理。
   1. 储存前，使用正向置换移液器或直接用移液器将黏液在微型离心管中轻轻吹打3至5次，使其充分混匀。
   2. 将样品分装保存，每份体积 ≥500 µL，以确保实验时有足够的样品量。
      注意：冻融可能影响样品的黏弹性特性。应仅比较经历相似冻融循环的样品。

2. 样品制备

1. 使用正向置换移液器直接移取新鲜或冷冻的痰液/黏液，或通过轻柔吹打3至5次进行样本均质化处理，然后再分装。
   注意：对于含有较厚凝块、可能影响重复性的样本，均质化处理尤为重要。
2. 将400–500 µL样本分装至不同的微量离心管中。根据需要准备足够数量的分装样本，用于重复测量和/或药物试剂处理（例如，重组人脱氧核糖核酸酶rhDNase、N-乙酰半胱氨酸）。在测量前，将待测样本于37 °C孵育至少5分钟。
3. 如需测试药理学试剂（可选），应使用高浓度的储备液以避免样本被稀释。
   1. 将所需试剂（例如TCEP）按终体积0.4%至10%的范围直接加入样本中（以尽量减少样本稀释）。确保试剂液滴未残留在管壁上。
   2. 在37 °C下孵育所需时间，以允许发生化学反应（<1 h，以防止黏液发生蛋白水解降解）。
   3. 每2分钟轻弹微量离心管底部，使试剂与黏液样本混合，促进试剂逐步渗透进入黏液样本，同时不破坏黏蛋白网络结构（例如，模拟纤毛摆动和黏液纤毛清除过程）。当比较多种药物试剂时，应确保孵育时间一致。

3. 仪器初始化与校准

1. 打开仪器（材料表）并启动软件。
2. 选择新建测量。在测量ID下输入样品编号，在操作员下输入操作人员姓名以继续。在备注下输入附加信息或注释。
3. 选择一个几何配置（例如粗糙面或光滑面25 mm平行板），并仔细检查大板和小板，确保其清洁且处于完好状态。
   注：粗糙面平板适用于较大体积（350–500 µL），光滑面平板适用于较小体积（250–350 µL）。使用低于或高于推荐范围的样品体积可能导致测量结果不准确。
4. 将大板牢固地安装在底部底座上。
5. 将小板轻轻安装在上部底座上，并通过轻微旋转将其锁定，直至听到"咔哒"声，表示平板已正确夹紧。请注意，上部平板存在轻微自由振荡属正常现象。
6. 等待温度升至目标值37 °C，然后根据软件提示启动自动校准。
   ​注意：在此过程中请勿触碰仪器或实验台面。

4. 样品上样

1. 使用正向置换移液器，缓慢将 250 至 500 µL 样品移取至大底板的中心。样品沉积于板上后，黏性样品会形成穹顶状，而高弹性样品可能需要进行物理切割（使用解剖剪刀）。
   注意：避免引入气泡。如有需要，可用移液枪头将残留的气泡推走。
2. 降低带有小平板的测量头 通过 软件并观察样品。如果样品在底板上放置正确，将与两板之间接触并居中。
3. 为确保样品充满间隙（即扩散至板的边缘），使用 缩小差距 功能直至样品不再呈双凹形状或与板的边缘对齐为止。 减小间隙 该功能以0.1 mm为步长降低测量头，最多限制为七步。
   注意：仔细监测样品，并逐步调整间隙，以避免溢出。
   1. 如果经过七次增量后仍存在间隙，则单击 重新安装 返回初始位置，并调整样品的位置和/或体积。
   2. 如果间隙显著减小（例如呈双凸形状），用刮刀沿上板边缘做环形运动，去除多余的样品。务必轻柔地修整多余样品，以避免产生剪切应力。
      ​注意：此步骤结束时，样品边缘应与上板边缘对齐，具体如用户指南所示。
4. 降低保护罩，以避免在振荡过程中受污染的液体意外飞溅。

5. 开始生物物理测量

1. 开始测量时，点击开始分析。一个完整循环需要 4–7 分钟。
   1. 在整个循环过程中，避免大声说话或触碰仪器及实验台。前 2 分钟尤其需要保持安静的环境。
      注意：在循环过程中，仪器会执行标准化的应变扫描测试，该测试包含一系列连续的振荡步骤。每个步骤由 10 次在恒定振幅和频率（1 Hz）下的振荡组成，在此期间实时测量相应的扭矩。应变和扭矩信号可用于计算每个步骤的复合模量（G*）、弹性模量（G'）和黏性模量（G"），以及阻尼比（tan δ）。振荡的振幅逐步增加，从而增强对样品施加的形变程度。

6. 样本移除

1. 循环结束后，单击下一步以升起测量头并生成样品分析报告。
   注意：软件将对记录的数据进行计算，并自动生成两条曲线，显示黏性模量和弹性模量随施加于样品的形变的变化情况，若存在线性黏弹性区域（即在低形变下出现平台期），也将一并显示。若未检测到线性区域，则在应变为0.05时提取G'、G"、G*和tan δ的数值。此外，在tan δ = 1时计算交点应变和屈服应力（γ_c, 和 σ_c）。每一步的数据也以电子表格形式提供，便于进一步分析。
2. 测量头完全缩回后，打开防护罩，弃去样品并小心取下测量板。使用温水和肥皂清洁并消毒测量板。
   注意：重复使用前务必彻底干燥几何组件。

结果

图1展示了使用粘弹性对照品（即聚环氧乙烷（PEO）溶液）和重症哮喘（SA）痰液的浓度依赖性曲线进行流变学测量的准确性和重复性。将所评估的台式流变仪与传统体相流变仪（材料表）对8 MDa PEO在五种不同浓度（1%、1.5%、2%、2.5%和3%）下的粘弹性特性测量结果进行了直接比较。与SA痰液相反，PEO溶液在整个应变范围内均表现为黏性主导（G" > G'），未出现模量交点，因而呈现类液态行为。此外，对1.5% PEO溶液和临床SA痰液样本进行的三次重复测量证实，从生物样本获得的线性粘弹性参数（G*、G'和G"）具有高度可重复性（变异系数 <10%）。

在SA患者中观察到肺叶塌陷，提示黏液栓塞可能影响肺部机械通气的效果，并提示可考虑采用非常规的黏液溶解疗法。在图2中，本文所述方案用于测量黏液溶解剂处理后黏液黏弹性性质的变化。尽管NAC已被批准用于COPD和CF的治疗，但其作为...

讨论

黏液独特的黏弹性特性对于维持呼吸道健康至关重要。内部和外部因素均可改变呼吸道黏液的生物物理特性，导致以黏液阻塞性疾病为特征的临床并发症。因此，在评估疾病状态以及探索降低黏液黏弹性的治疗方法时，可能需要考虑监测黏液黏弹性的变化。20世纪80年代的实证研究利用磁珠流变仪表明，黏液流变学特性与气道清除能力之间存在显著相关性^23,24。近年来，流变学技术不断发展，已可借助多种方法在不同尺度上分析黏液特性。例如，微流变学检测利用显微探针，通过监测磁性或荧光微米级颗粒的运动来描述黏液的局部特性。然而，由于该技术所需样本量较小，可能难以获得能够代表痰液等异质性样本的代表性数据。此外，微流变学检测需要高分辨率显微镜、较强的计算能力以及耗时的数据分析过程，因此不太适合 在实验室或临床广泛使用。

尽管微流变学与宏观流变学通常不具备可比性，但类似的局限性也存在于一些长期广泛应用的设备中，例如锥板或平行板体相流变仪。宏观流变学通过使用配备有精密旋转锥体、平板、杯体和/或不同尺寸转...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
毛细管活塞吸头	Gilson	CP1000
Discovery Hybrid Rheometer-3	TA Instruments		由位于美国特拉华州纽卡斯尔的 TA Instruments 制造的 DHR-3 体相流变仪： 用于进行流变学测试。
绘图软件	GraphPad Prism		用于数据分析的 GraphPad 软件（美国加利福尼亚州圣地亚哥）
微量离心管	Costar	3621
Peltier 温控板	TA Instruments		由位于美国特拉华州纽卡斯尔的 TA Instruments 制造的温度控制系统
聚环氧乙烷	Sigma	372838	8 MDa 聚合物，用作黏液模拟物
正向置换移液器	Gilson	M1000	用于处理高黏性溶液的移液器
Rheomuco	Rheonova		由法国 Rheonova 公司制造的台式流变仪：用于进行流变学测试。
粗糙下部几何夹具	Rheonova	D-1811-007	直径 25 mm
粗糙上部几何夹具	Rheonova	U-1811-007	直径 25 mm
光滑上部平行板	TA Instruments		直径 20 mm
三(2-羧乙基)膦	Sigma	646547-10X1ML	TCEP：强效还原剂。