细胞光毒性试验原理和实验步骤

为什么要对药物进行光毒性试验？

>虽然许多药物和日化用品对人体不会造成直接的伤害，但在紫外线的作用下，例如日光照射、紫外环境下操作条件下便会发生化学反应，从而引发皮肤过敏症或者其他形式的伤害，专业上称之为化学品具有的光毒性伤害。对此类化学制品进行光毒性检测实验可以预防和减轻这类光毒性给我们带来的不利影响。

LUYOR-3450细胞光毒性辐照仪克服了现有的光毒性鉴定实验设施所用的光源不纯， 实验效率低下，而且实验条件恶劣，操作人员不安全。LUYOR-3450可以准确控制实验精度、安全、方便、高效的紫外辐照仪。

细胞光毒性试验原理

细胞光毒性是指应用于机体的物质经暴露于光线后诱发或增强（在低剂量水平时明显）的毒性反应，或全身应用一种物质后由皮肤光照引起的反应。中性红是一种弱的阳离子染料，极易以非离子扩散的方式穿透细胞膜并在细胞溶酶体内聚集。某些化学物质和外界条件作用可引起细胞表面或溶酶体膜敏感性的改变导致溶酶体脆性增高等不可逆的细胞毒性变化，从而导致细胞吸收中性红的能力下降。

本试验方法通过测定3T3成纤维细胞经化学物质和紫外线照射联合作用后细胞吸收中性红的能力或细胞毒性的变化来判断该化学物质是否具有光毒性。

细胞光毒性试验材料与试剂

（一）光源类型

选择合适的光源必须符合的标准包括：光源发射的光波长能被受试物吸收（吸收光谱），光的剂量（在一个合理的暴露时间内能达到的剂量）能满足已知光毒性化学物质的检测。此外的波长和剂量不能有损于试验系统，如（红外区域）热量散发或类似UVB波长的高细胞毒性的干扰，因此光源要求能够稳定地释放UVA和可见光波长，推荐使用LUYOR-3450细胞光毒性辐照仪。

由于的太阳光模拟器都发射出相当数量的UVB，应经过适当的过滤使UVB＜0.1J/cm2。透过96孔组织培养板盖的光强度建议为1.7mW/cm2光强度（即5J/cm2）剂量。

（二）细胞株

选用永生化小鼠成纤维细胞系—Balb/c 3T3成纤维细胞。要求细胞来源必须是具有公信力的机构且能确保细胞品质稳定。

由于细胞对UVA的敏感性随传代数的增加可能增高，建议用于试验的Balb/c 3T3成纤维细胞传代次数好少于100次。

测试单位若自行培养细胞株，则须定期检测细胞株对UV光的敏感性，并确保无支原体污染。

（三）培养基

采用DMEM培养基、胎牛血清或小牛血清（10%）、谷氨酰胺（4mmol/L）、抗生素（青霉素和链霉素，浓度分别为100IU和100μg/mL），在36.5℃—37.5℃, 5%—7.5%CO2条件下培养。

（四）溶剂的选择

在测定前，应首先评价受试物的溶解度，以选择佳溶剂体系。溶剂必须不与受试物发生化学反应，不影响细胞活性。

能溶于水且浓度达1000μg/mL的受试物可溶于预先加温（37℃）和灭菌的磷酸盐缓冲液（EBSS或PBS）。水中溶解度有限的受试物（＜1000μg/mL）可用二甲基亚砜（DMSO）或乙醇（ETOH）等溶剂溶解。使用DMSO或ETOH作为溶剂时，其终浓度不得超过总体积的1%（v/v），阴性对照组和受试物组溶剂的体积比例应相同。

（五）受试物的配制

受试物必须在使用前新鲜配制。建议的化学物质操作和细胞处理初期都应避免受试物在光激活或光降解的光线条件下进行。

每次实验应设空白对照、溶剂对照和阳性对照（推荐使用氯丙嗪）。加样示意图见附录B。

（六）受试物剂量的设置

需通过预实验确定有光照和无光照条件下受试物的浓度范围。用溶剂将受试物原液使用同一常数稀释因子（如 ＝3.16）稀释成8个浓度，相关浓度范围应包括从大细胞毒性至几乎无细胞毒性浓度（细胞存活率在20%—的范围）。

如果预实验结果表明在浓度等于1000μg/mL时仍未出现细胞毒性，则建议高浓度为1000μg/mL；若出现细胞毒性的浓度低于1000μg/mL时，有细胞毒性的浓度少于三种，则需要进行重复试验或使用更小的稀释因子，直至出现有细胞毒性的浓度至少三种。如果根据受试物的溶解度，高浓度不能达到1000μg/mL，则以大溶解度时的浓度作为高浓度，避免受试物在任何浓度出现沉淀。

如果在无光照条件下(-Irr)受试物在高浓度时仍然不具有细胞毒性，而在有光照条件下(+Irr)出现强烈细胞毒性，则在-Irr试验和+Irr试验中可采用不同的试验浓度。

（七）中性红（Neutral Red，NR）

化学名为3-氨基一7一二甲氨基一2一甲基吩嗪盐酸盐(3-amino-7-dime-2-thylamino-2-methylphenazine hydrochloride)，CAS编号:553-24-2；或药品标准物质，编号：100460。

（八）中性红溶液

1．中性红原液。称取0.4g中性红染料，溶于100mL蒸馏水（室温条件下可保存2个月）

2．中性红使用液。在79mL DMEM培养液中加入1mL中性红原液，即为使用液。中性红终浓度为50μg/mL。

（九）中性红解吸附溶液

将蒸馏水、乙醇、乙酸按49:50:1比例配制（现用现配，储存不超过1小时）。

细胞光毒性试验步骤

（一）加100μL培养基于96孔组织培养板的外围孔（空白对照），在其余孔中加入100μL密度为1×105个细胞/mL的细胞悬液（即1×104细胞/孔）。每次试验制备两个板，包括相同的受试物浓度系列、溶剂对照、空白对照和阳性对照，一个板用于确定细胞毒性（-Irr），另一个板用于确定光毒性（+Irr）。

（二）培养细胞24小时（5%—7.5%CO2，37℃）直至它们形成单层半饱和细胞。该培养过程允许细胞恢复和粘连。

（三）去除培养液，用150μL EBSS或PBS轻柔冲洗细胞一次或两次。加入100μL含适当浓度受试物或溶剂的缓冲液到孔中。培养细胞1小时（5%—7.5%CO2，37℃）。

（四）在室温下将其中一个板放入LUYOR-3450细胞光毒性辐照仪的辐照腔内进行光照（+Irr）暴露，以1.7mW/cm2光强度透过96孔板盖照射细胞50分钟；同时将另一个平板无光照（-Irr）置于暗盒内50分钟。

（五）去除受试溶液，用150μL EBSS或PBS仔细冲洗细胞两次。加入100μL培养液，培养过夜（18—22小时，5%—7.5%CO2，37℃）。

（六）在相差显微镜下检查细胞，记录受试物细胞毒性所致细胞形态学的改变，用于排除试验误差。

（七）中性红吸收（NRU）测量。细胞吸收中性红进入溶酶体和活细胞体内空泡，可用作细胞数量和活性的定量指标。

1．用150μL预温的EBSS或PBS冲洗细胞一次或两次。轻柔拍打平板，去除冲洗溶液。加入100μL含50μg/mL中性红的培养液，在5%—7.5%CO2，37℃和湿度适宜的环境下培养细胞3小时。

2．去除中性红培养液，用150μL EBSS或PBS冲洗细胞一次或两次。

3．轻轻倒出并吸干全部EBSS或PBS。

4．准确加入150μL中性红解吸附溶液。

5．在微量滴定平板振荡器上震荡96孔板10分钟，直至中性红从细胞内被提取出来，并形成均匀溶液。

6．用分光光度计或酶标仪测定中性红提取物溶液在540nm波长处的光密度。用空白孔作为参考对照。

七、结果评判标准

（一）确定以光刺激因子（PIF值）为基础的预测模型

1．通过分析在有光照（+Irr）和无光照（-Irr）两种情况下获得的细胞毒性浓度反应曲线，确定能抑制50%细胞活性的受试物浓度（IC50），按下列公式计算光刺激因子（PIF）。

PIF＝IC50（-Irr）

IC50（+Irr）

评判标准：PIF≤2：预测“无光毒性”；PIF≥5：预测“有光毒性”。PIF介于2—5之间，需进行重复试验；如果PIF仍介于2—5之间，预测“有潜在光毒性”。

2．如果受试物在有光照（+Irr）时有细胞毒性，无光照（-Irr）时无细胞毒性，且细胞毒性试验所使用的浓度已达高受试浓度（Cmax）时，可按照下列公式计算＞PIF：

＞PIF＝Cmax（-Irr）/ IC50（+Irr）

评判标准为：如果只获得一个“＞PIF”，那么任何＞PIF ＞1的值都能提示“有潜在光毒性”。

3．受试物在高浓度时仍未显示任何细胞毒性，用“PIF＝*1”表示，提示“无潜在光毒性”。

（二）确定以平均光效应（MPE值）为基础的预测模型

通过在浓度网格上比较有光照（+Irr）和无光照（-Irr）两种情况下获得的细胞毒性浓度反应曲线（i＝1，….，N）可得到平均光效应（MPE），细胞毒性浓度反应曲线的染毒浓度需在有光照（+Irr）和无光照（-Irr）试验共有的浓度范围内选择。浓度Ci的光效应（PEi）等于浓度效应（CEi）和反应效应（REi）的乘积。使用专门的软件“PHOTO32或更高版本”求得平均光效应（MPE），建立以平均光效应（MPE）为基础的预测模型。通过将MPE与临界阈值MPEc比较，预测化学物潜在光毒性的预测模型。

阈值MPEc＝0.1

评判标准：

如果MPE≤0.1：预测无潜在光毒性；

如果MPE≥0.15：预测有潜在光毒性。

如果MPE介于0.1—0.15之间，需进行重复实验；如果MPE仍介于0.1—0.15之间，预测有潜在光毒性。

上图：LUYOR-3450细胞光毒性辐照仪