Caco-2单层细胞模型在中药化学成分吸收转运研究中的应用

于连婷，矫艳磊，于美娜，雷玉敏，马莹慧

(吉林医药学院，吉林 吉林 132013)

将来源于人体结肠癌细胞的Caco-2细胞培养于多孔可渗透聚碳酸酯膜上，在培养过程中经历分化过程，可形成在形态和功能上都类似于人体小肠上皮细胞的连续紧密的单层，这就是Caco-2单层细胞模型[1]。中药主要经口服给药的方式进入人体，在经过小肠上皮细胞时被吸收转运进入人体进而发挥出相应的药效。因此，我们可以通过建立并评价Caco-2单层细胞模型，用来模拟人体小肠对中药当中某些化学成分的吸收转运过程，从而研究这些化学成分的转运机制、生物利用度以及不同化学成分之间的相互影响，对研究中药能否发挥药效以及不同药物之间相互作用非常重要[2-3]。本文对Caco-2单层细胞模型在中药化学成分吸收转运研究中的应用进行综述。

1 Caco-2单层细胞模型概述

Caco-2单个细胞呈现出扁平状或多角形，连成膜状贴壁生长。将细胞接种于培养瓶一段时间后，细胞会进行形态学上的分化，细胞边缘侧呈刷状缘，并且细胞与细胞之间无缝连接形成紧密的细胞单层，当细胞之间紧密连接融合后，细胞的数量即到达高峰[4]。在接种细胞几天后，细胞开始进行分化，这时候，细胞可分化为AP侧和Bl侧。具体来说，AP侧(apical)又叫肠腔侧，含有小肠微绒毛水解酶以及载体；BL侧(basolateral)又叫肠内壁侧，当AP侧碱性磷酸酶高于BL侧的时候就会产生极化现象[5]。一般来说，Caco-2单层细胞模型的通透性、完整性、极化程度是判断其是否符合各项指标的主要条件[6]。研究表明，在Caco-2细胞中同时存在氨肽酶等与生物体内物质代谢相关重要酶类[7]。Caco-2细胞在培养方面具有方法简单、成本低等优点，可以用来模仿人体小肠环境，研究药物经过人体小肠的吸收转运过程和具体的转运机制。另外，对于口服药物的前体药物，还可以利用该模型评价安全性等。但是，Caco-2细胞同时也具有培养周期较长、模型建立是否成功的评价标准不易确定等缺点[8-10]。

2 Caco-2单层细胞模型在中药化学成分吸收转运研究中的应用

人体的给药途径包括皮肤给药、舌下给药、直肠给药以及口服给药等，其中口服给药是最常用也是最方便的一种给药方式。在口服给药过程中，肠道是药物的必经之路。将来源于人类结肠癌系细胞株的Caco-2细胞在某种特定的条件下进行培养，通过分化与极化形成功能，建立成一种在形态、渗透性、功能特征等都与人体小肠上皮细胞极为相似的单层细胞模型，并且药物通过该模型的体外吸收过程与药物在人体体内的肠道吸收过程具有良好的相关性。因此，可以将Caco-2单层细胞模型作为一种研究药物在人体小肠吸收及转运机制的工具，通过模拟小肠上皮细胞的形态和功能来研究药物的吸收转运过程[9-12]。在建立好Caco-2单层细胞模型后，对药物从AP侧转运到基底面BL侧，或从BL侧转运到AP侧进行研究，再利用液质联用的方法对细胞液样品进行定量分析，明确药物的吸收转运过程，继而研究其转运机制、影响因素、代谢情况以及药物之间相互作用。

2.1 转运过程中影响因素的研究

大量试验表明，可利用Caco-2单层细胞模型来研究药液pH值、浓度、时间等因素对药物吸收转运的影响[13]。李松林等为探究不同结构类别的黄酮类化合物的吸收与其结构的关系，通过建立Caco-2单层细胞模型，分别研究了多种类黄酮化合物通过细胞模型的吸收过程。选取了pH从5.0到8.0七个不同值来探究Caco-2细胞对不同黄酮类药物的吸收性，发现当pH从小增大时，黄酮类药物的吸收度越来越小，其中槲皮素的吸收度变化最大。接下来选取pH为7.4来考察不同药物浓度对吸收度的影响。结果表明，几种不同的黄酮类药物经Caco-2细胞的吸收量与药物浓度均呈线性关系[14]。

2.2 药物转运机制的研究

药物在肠道中的转运机制可分为被动转运和主动转运以及膜动转运三种。首先是被动转运，当发生被动转运时往往是物质从浓度高的一侧向浓度低的一侧转运，这个过程并不需要载体；而主动转运则与被动转运相反，当发生主动转运时，物质是从浓度较低的一侧至浓度高的一侧，并且需要能量与载体。在探究药物在人体肠道转运时究竟是何种机制时，Caco-2单层细胞模型成为主要的考察手段[15]。

2.3 药物代谢及吸收转运与构效关系的研究

研究发现，人体小肠中存在丰富的代谢酶，部分口服药物在经过胃肠道上皮过程中可被代谢。而在体外建立的Caco-2单层细胞模型经过检测发现存在着与人体小肠中相同的细胞色素P450同工酶，因此该模型可被应用于口服药物的代谢研究中。近年来，Caco-2细胞模型还在药物代谢的相关研究中取得了很多成就。例如刘东等对Caco-2单层细胞模羧酸酯酶的代谢特征进行研究，证明Caco-2细胞表达人类羧酸酯酶1较高，表达人类羧酸酯酶2较少[16]。葛月宾等应用Caco-2单层细胞模型对大豆苷元溶液进行转运试验，在A侧、B侧、分子细胞膜中检测到了少量的代谢产物，证明大豆苷元药物在人体肠部具有良好的吸收性[17]。

2.4 药物的毒性研究

刘志伟等为探究铜对人体的毒性，建立了Caco-2单层细胞模型。培养Caco-2细胞后加入不同浓度的铜离子并采用MTT法测定了细胞活力，发现铜暴露浓度在超过20 μmol/L时显著降低细胞活力；采用P糖蛋白活性检测试验来判断Caco-2细胞的耐药性，发现铜暴露的浓度越高，暴露的时间越长，糖蛋白活性越低；采用细菌入侵试验测定铜对细菌入侵Caco-2细胞及其在细胞内存活率的影响，结果发现铜会显著增加细菌入侵Caco-2细胞的数量，细胞经铜暴露30 min后，存活细胞的CFU值由400左右降到300左右，而24 h后，细菌在细胞中的存活数量又发生减少[18]。

2.5 中药化学成分之间相互作用研究

临床上所应用的中药复方或者中药制剂通常为几种中药或药物中几种有效成分组成的联合制剂，多种成分在经体内小肠吸收时可能会存在协同或拮抗的作用，主要原因可能是这些药物或有效成分存在竞争酶或载体的问题。在研究药物相互作用的关系和机制过程中也可应用Caco-2单层细胞模型模拟人体小肠。例如廖正根等探究了桂枝茯苓胶囊中几种有效成分在小肠上皮细胞中的吸收特点，结果显示，单度药物中提取出来的成分，例如桂枝桃仁提取物中的苦杏仁苷，白芍、牡丹皮提取物中的芍药苷，它们的吸收参数明显低于中药复方桂枝茯苓中这二者的吸收参数,表明该复方当中几种中药的配伍可能促进某些药用活性成分的吸收，从而使其更好地发挥药效[19]。另外有研究表明，小檗碱与黄连碱具有协同作用；细胞色素P4503A4和P糖蛋白具有协同作用；白芷有效成分对阿魏酸的转运具有促进作用；胡皂苷a和d对肠道吸收芍药苷具有促进作用[20]。

近年来，因Caco-2单层细胞模型与人体小肠具有良好的相关性，利用Caco-2单层细胞模型来研究中药当中化学成分的吸收、代谢、转运过程、转运机制和相互作用关系得到了越来越多学者的认可。另外，Caco-2单层细胞模型也可用于药物的高通量筛选，在预测药物在人体内的转运机制、评价药物应用的安全性、为药物的剂型设计提供实验依据等方面发挥重要的作用。随着对其不断地深入研究，Caco-2单层细胞模型在中药化学成分吸收转运研究领域，将具有越来越广泛的应用前景，并且其在食品领域也将被越来越多地应用[21-22]。但是，由于Caco-2单层细胞模型还存在着一些不足之处，因此需对其进行更多的试验与研究，使其更好地应用于相应领域，以发挥更大的作用。