聚乙二醇的渗透效应

引言

聚乙二醇(PEG)是胃肠生理学研究中常用的一种不可吸收的标记物。它的可用性在于在生物液体中能够被测量、无毒性和极小的吸收（当使用更高分子量的聚合物时）这使它成为一种几乎理想的标记物质。近些年来聚乙二醇已经被用为肠道灌洗液的组成部分，在这种溶液中，它被用作不可吸收的、不可代谢的溶质，以增加灌洗液的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压），以减少水分吸收。尽管如此，还没有关于聚乙二醇渗透活性的系统研究。为了研究聚乙二醇的渗透行为，我们使用冰点和蒸汽压渗透计（渗透压仪，摩尔浓度渗透压仪，摩尔渗透压仪）测量了不同种类聚乙二醇溶液在不同浓度范围内的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）。在另外的体外实验中，我们通过离子选择电极测量钠的活性来分析PEG对PEG/NaCl溶液物理化学的影响。最后，我们通过肠道灌注的方式研究了高浓度PEG溶液的体内渗透特性。

结果

等摩尔量聚乙二醇的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）测量的比较

图1显示了PEG浓度的曲线，由加入200g水的溶质的摩尔数与通过冰点降低测量的渗透压计（渗透压仪，摩尔浓度渗透压仪，摩尔渗透压仪）算得出。同一性线也显示出来。甘露醇、聚乙二醇400和聚乙二醇600的溶液在15-120 mosmol/kg范围内与同类产品的浓度基本一致。相反，观察到PEG 1450和PEG 3350的渗透活性高于预测。随着溶液浓度的增加，从溶液的质量摩尔浓度预期的渗透压与测量到的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）之间的差值逐渐增大。例如，在PEG 3350的最高浓度(400 g/kg或119.4 mmol/kg)下，测得的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）为1230 mosmol/kg，大于理论渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）的10倍。

（图1所示。 用凝固点渗透法测定甘露醇和四种聚乙二醇的摩尔浓度。 实线表示等号线。 注意上下面板之间的纵坐标上的比例变化。） 

图2显示了PEG浓度的图，根据加入200g水的溶质的摩尔质量与通过蒸汽压法测量的渗透压计算得出。在浓度为>50 mmol/kg的水溶液中，甘露醇和两种较低分子量的聚乙二醇溶液的同源性非常接近。在浓度~50 mmol/kg时，蒸汽压渗透压计（渗透压仪，摩尔浓度渗透压仪，摩尔渗透压仪）不能准确地记录渗透压(见材料和方法)，并始终过高估计这些溶液的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）。两种质量较高的peg的渗透量比根据质量摩尔量预测的渗透量高，但不如冰点渗透量计的渗透量大。例如，最大的方差是理论渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）的6倍。

（图2。用蒸汽压渗透法测定甘露醇和四种聚乙二醇的摩尔浓度。实线表示等号线。注意上下面板之间的纵坐标的比例变化。当H₂O浓度为50 mmol/kg时，蒸汽压渗透计的响应不是线性的。）

等质量聚乙二醇渗透压测量值的比较

在前面的实验中，比较了等摩尔浓度的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质量存在较大差异，且乙二醇基的数目相差较大。为了评估这些差异带来的影响，我们进行了第二系列的实验：将相同质量的不同种类PEG加入到200g水中，并用冰点渗透计和蒸汽压渗透计测量其渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）。相对渗透压的定义是测量的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）除以溶质浓度(以克/千克水为单位)，用来补偿相对分子量较低的PEG每克应该有较多的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）。对于理想状态下的物质，渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）的增加与浓度的增加应该完全成正比且相对渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）与浓度的关系图的结果应该是一条平行于横坐标的直线(斜率= 0)。这条直线的y轴截距(无限稀释时的比例)是分子量的倒数。

如图3所示，NaCl和甘露醇溶液的冰点和蒸汽压测量结果相似，并落在平行于横坐标的直线上。NaCl溶液的结果低于从NaCl的分子量预期的线，因为在这些浓度下NaCl不能完全解离。甘露醇溶液(右图)几乎精确地落在期望值上。

（图3。含NaCl(左)和甘露醇(右)溶液的相对渗透压(测量渗透压除以加入溶质的克数的质量)与浓度。开放符号表示用凝固点渗透法测量;蒸气压渗透法为封闭符号）

PEG溶液的结果(图4)与线性回归吻合得很好(在所有情况下r>0.98)。与NaCl或甘露醇溶液相比，这些回归线有>0的斜率，表明测量的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）随浓度的平方而增加[斜率= dy/dx =(渗透/C)/(C) =渗透/C²，其中C为浓度]。如表2所示，这些线的y轴截距与理论值相似，支持这些聚合物的规定的平均分子量。从图1和图2的数据中可以预料到，凝固点渗透比蒸汽压渗透有更高的渗透量，凝固点渗透线的斜率大于蒸汽压渗透线的斜率。对于PEG400、PEG1450和PEG3350，当使用一种测量渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）的方法时，其斜率是相似的。这表明，分子量较高的PEG分子所观察到的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）增加并不仅仅是因为这些分子的体积大，而是至少部分地与PEG的质量或给定质量摩尔浓度下存在的乙二醇亚基数量有关，或两者兼有。PEG 600所获得的斜率与其他PEG不同。造成这种差异的原因尚不清楚。

（图4。相对渗透压(以加入溶质的克数除以质量的测量渗透压)与各种PEG的浓度。开放符号表示用凝固点渗透法测量;用蒸气压渗透法为封闭符号。虚线是用最小二乘法计算的回归线。）

聚乙二醇3350溶液中钠浓度的测量

高于预期的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）一个可能的解释是PEG与溶液中的水形成复合物，使水更少的与其他相互作用（降低水的活性）。这将增加溶解在剩余自由水中的溶质的活性。为了检验这种可能性，制备了聚乙二醇3350和氯化钠溶液，并用离子选择电极测量钠浓度作为钠活性的估计。钠的活性与NaCl的存在量、NaCl的离解程度以及与之相结合的水的体积有关。由于氯化钠的量已知，而且氯化钠在这些浓度下基本上是游离的，钠活性的主要决定因素将是钠分布的体积。NaCl和PEG水溶液的组成及分析见表3。用火焰光度法或电极法测定无PEG溶液(溶液A)中的钠浓度与加入的NaCl量(140 mmol/L)所期望的理想浓度相似。用火焰光度法测定的钠浓度随着PEG的最高浓度略有下降，可能是由于粘度的变化。加入少量PEG对蒸汽压渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）(溶液B)的影响很小，并没有显著增加电极测得的钠浓度，说明钠活性相对没有变化。然而，加入更多的PEG(溶液C和D)会使电极测得的钠浓度增加25%- 60%（表3）表明钠的活性增加了。如表3所示，假设钠溶解于加入水的总体积中，随着PEG的增加(水的减少)，预计加入水量的钠浓度会增加(PEG的置换效应)。然而，离子选择电极所观测到的钠浓度增加只有三分之一是由于这种效应。事实上，电极测量的钠浓度的增加大于这个值，这与PEG通过与水形成络合物并阻止一部分水与钠相互作用而增加钠活性的概念是一致的。这个假设分数的大小可以用加入的钠的摩尔数除以电极测得的钠浓度来估计这给出了溶液C和D的分布体积分别为791和609 ml(每升溶液)，并表明大量的水(分别为122和220 ml/L)被PEG结合，无法与溶液中的钠相互作用。如果水的束缚分数的概念是正确的，人们应该能够预测在含有已知质量的聚乙二醇和氯化钠的溶液中电极测定的钠浓度。为了验证这一点，另外配制了200 g/L PEG 3350和70或108 mmol NaCl的溶液。离子选择电极预测的钠浓度是用加入的NaCl的摩尔数除以609 ml，计算溶液D(同样含有200g/L PEG 3350)的分布体积。预测结果分别为115和177 mmol/L。电极测定的浓度分别为114和176 mmol/L，与预测结果吻合良好。

可以想象，用聚乙二醇3350标记的电极测得的钠浓度的增加是由渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）本身增加引起的人为现象。为了检验这种可能性，我们又进行了一组类似于表3所示的实验。在这些研究中，越来越多的甘露醇被添加到生理盐水中，以产生与表3中PEG/生理盐水溶液中测量的相似渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）。如表4所示，随着甘露醇浓度的增加，电极测得的钠浓度仅略有上升，且这一上升与加入水量的减少并不成比例。这表明，钠浓度的电极测量不受渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）增加本身的影响，与PEG相比，甘露醇从溶液中隔离的水非常少。

体内全肠道灌注

由于冰点渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）和蒸汽压渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）在体外是不同的，因此评估哪一个(如果其中一个)代表体内的真实值是至关重要的。为此，我们用含有高浓度PEG 3350的电解质溶液灌注正常志愿者的肠道。由于肠粘膜对水和电解质具有高度的渗透性，直肠排出液穿过整个小肠和结肠后应与血浆处于渗透平衡，有效渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）为290摩摩尔/kg(血浆渗透压)。根据理论计算的灌注溶液的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压），以及由蒸汽压渗透压计和冰点渗透压计测量的渗透压见表5。在理论基础上(即，如果渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）是严格由于离子和聚乙二醇分子的数量在溶液)，输注液是明显低渗于血浆。用蒸汽压渗透法测量输液也是低渗的，用凝固点渗透法则是等渗的。本研究结果如表5所示。直肠流出物的凝固点渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）上升到血浆的高渗水平。由于目前尚不清楚发生这种情况的机制，而且我们假定腔内液体在穿过整个肠道后会与血浆处于渗透平衡状态，因此冰点渗透压计似乎人为地给出了较高的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）测量值。相比之下，理论上计算的直肠流出物的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）低得令人难以置信。如果与血浆达到平衡，则直肠排出液的计算值为180±2mosmol/kg。然而，蒸气压渗透测定法所得到的值在生理学上是真实的，并且非常接近于等离子体的值。因此，蒸气压渗透法似乎可以准确地测量生物上有效的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）。

讨论

我们的研究表明，聚乙二醇产生的渗透效应比溶液中聚乙二醇分子的数量更大。这对所有被研究的聚乙二醇物种都是正确的，这种差异似乎与添加到溶液中的聚乙二醇的质量有关(以及乙二醇亚基数)。在每种情况下，用凝固点渗透计测得的渗透量都比用蒸汽压渗透计测得的渗透量大。我们的体内灌注实验扩展了这些观察结果，并表明PEG溶液出人意料的高渗透性不仅是实验室人为现象，而且具有真正的生物学意义。当含PEG的液体通过肠道灌注并与血浆平衡时(渗透压= 290 mosmol/kg)，由此产生的电解质浓度和PEG浓度结合，产生的理论计算渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）与血浆相比基本上是低渗的（表5）。由于实际渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）应为290mosmol/kg, PEG溶液的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）一定高于计算值。另一方面，冰点渗透计显示直肠流出物是高渗的，这是不可能的情况。由于蒸汽压渗透压计显示直肠流出物如预期的等渗，体内灌注实验表明蒸汽压渗透压计显示真实的渗透压，是测量高浓度PEG溶液中渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）的首选方法。PEG渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）大于预期的原因有几种可能。用蒸气压和凝固点渗透压计测量渗透压的依据是Raolt定律:蒸汽压的分数降低与溶质的摩尔分数之间的等价性。两种渗透计都是利用蒸汽压变化所产生的相变温度(露点温度或冰点温度)的变化来测量渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）。然而，拉奥尔特定律只是一个近似值。正偏差和负偏差都得到了承认。这些偏差通常最多只有几个百分点，并且发生在比我们用PEG实验中高得多的摩尔分数。因此，这不大可能解释这些相对稀释的PEG溶液所表现的多重偏差。对我们结果的另一个解释是，用于计算渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）的PEG的规定分子量存在错误。所述平均分子量与相对渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）与浓度曲线的y轴截距的倒数之间有很好的一致性(图4和表2)，说明所述平均分子量是准确的。然而，像大多数聚合物一样，市面上可买到的聚乙二醇的分子量在一定范围内。例如，PEG 3350包括分子量从3000到3700的分子(表1)由于溶液是用给定重量的PEG组成的，而摩尔浓度是通过除以分子量来计算的，使用分子量的单个中点值计算的渗透压误差可能高达10%。然而，这个误差不能解释我们所测量的出乎意料的高渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）的大小。它也不能解释随着PEG浓度的增加，计算的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）和测量的渗透压之间的差异越来越大(图1和图2)另一种可能是PEG被一些低分子量的渗透活性物质污染。如果发生了这种情况，人们会期望从恒等线出现线性位移，因为每克聚乙二醇将添加固定比例的污染物。由于没有观察到这一点(图2)，PEG污染不太可能解释观察到的偏差。一种更可能的解释是，PEG具有非依数性，从而在水溶液中产生意想不到的渗透效应。可以想象，PEG通过改变水在溶液中的活度来增加渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）。这可能会降低水与PEG和溶液中其他溶质相互作用的有效性，并将溶质溶解在更少的水中，从而增加溶质的化学活性和渗透活性。为了检验PEG是否会发生这种情况，我们测量了一系列NaCl/PEG 3350水溶液中的钠活性(表3)。这些结果表明，随着PEG浓度的升高，离子选择电极反映的钠活性不成比例地上升。这一结果与高浓度聚乙二醇将水从溶液中隔离并影响溶液中其他物质的化学和渗透活性的概念是一致的。从我们的数据中还不清楚这种假定的固水效应在多大程度上解释了纯聚乙二醇溶液的意外高渗透性。根据表3计算的钠的分布体积，对于纯200g/L PEG溶液，预计由这种效应引起的最大渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）增加将略小于2倍。实际上，在PEG 3350浓度下，蒸汽压渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）大约是预期的四倍(图2)。因此，不同的溶质(或溶质的组合)似乎有不同的固水效果。例如，当聚乙二醇是唯一存在的溶质时，聚乙二醇的分布体积甚至可能更小，而水结合的体积甚至比钠同时存在时的体积更大。可以计算出，在纯200 g/L PEG 3350溶液中，略低于300 ml的体积分布可以解释所测渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）的增加。这些相互作用可能与聚乙二醇分子的物理结构有关。聚乙二醇是由氧以醚键连接的重复双碳长碳氢化合物组成的线性聚合物。这使得氧与周围的水分子形成氢键。由于分子量较高的PEG分子较长，PEG 1450的平均长度为29-36个乙二醇单位，PEG 3350的平均长度为68-84个乙二醇单位，它们能够通过氢键来排列相对较大的水区域。在某种程度上，当存在足够高的浓度时，较小的PEG分子似乎也会这样，乙二醇亚基的数量与较长的PEG物种相似。这种顺序会使水分子更难从溶液中逃逸到溶液上方的空气中，从而降低蒸汽压。当设备将露点温度的降低转化为渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）的增加时，蒸汽压的降低将被检测为蒸汽压渗透压计露点温度的变化，并报告为渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）的增加。蒸汽压的变化也会影响冰点温度，从而改变冰点渗透计中渗透量的测量。应该强调的是，正如体内灌注实验所证实的那样，这代表了渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）的真实变化，而不仅仅是测量的假象。这种非依数渗透行为允许在灌洗液中使用更低浓度的PEG 3350来增加渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压），而不是在其他情况下。这种非依数性渗透行为使得PEG 3350用于增加灌洗液渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）的浓度比其他情况低得多。

如前所述，在我们的体外和体内实验中，冰点渗透法的结果始终高于蒸汽压渗透法。原因尚不明确。一种可能是高浓度的聚乙二醇抑制了冰的结晶，使冰点温度进一步降低，测量到的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压）更高。当冰结晶时，它是通过在不断增长的冰晶的平面上添加一层水分子来实现的，南极和北极地区的某些鱼类已经发展出一系列糖肽分子，可能是通过与冰晶的结晶面结合而抑制冰的结晶。这种化学适应对于这些鱼能在比普通体液冰点更冷的海水中生存是很重要的。这些延伸的肽链的分子结构在某些方面与聚乙二醇相似。因此，可以想象PEG分子以类似的方式抑制冰的结晶。这将降低冰点温度，并在冰点渗透计中记录为较高的渗透压（摩尔渗透压，摩尔浓度渗透压），但在不是蒸汽压渗透计中的因素。

参考文献

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.