引言

聚乙二醇(PEG)是胃腸生理學研究中常用的一種不可吸收的標記物。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的滲透活性高于預測。隨著溶液濃度的增加，從溶液的質(zhì)量摩爾濃度預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的比例變化。當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的直線上。NaCl溶液的結(jié)果低于從NaCl的分子量預期的線，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)分數(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。如果水的束縛分數(shù)的概念是正確的，人們應(yīng)該能夠預測在含有已知質(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，與預測結(jié)果吻合良好。

可以想象，用聚乙二醇3350標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意義。當含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:蒸汽壓的分數(shù)降低與溶質(zhì)的摩爾分數(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。正偏差和負偏差都得到了承認。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數(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�，在純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雙碳長碳氫化合物組成的線性聚合物。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

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.