リドカインは生物膜の表面電荷をより正により回し、血液脳関門培養モデルの透過性を変化させる

血液脳関門（BBB）を形成する脳内皮細胞の表面電荷は、原形質膜とグリコカリックスのリン脂質のために非常に陰性です。この負電荷は、BBBの防衛システムの重要な要素です。麻酔および抗アールヒトミック特性を持つカチオン性および親油性分子であるリドカインは、脂質膜と相互作用することによりその作用を発揮します。リドカインは静脈内投与すると血管内皮細胞に作用しますが、脳内皮細胞へのその直接的な影響はまだ研究されていません。私たちの目的は、生物膜の電荷と脳内皮細胞のバリア機能に対するリドカインの効果を測定することでした。単純化された膜モデル、ハロバクテリウムサリナラムの紫色膜とBBBの培養モデルを含むバクテリオロドプシン（BR）を使用しました。リドカインは、紫色の膜の負の表面電荷をより正により回復させ、プロトンポンプBRの機能を回復することがわかりました。リドカインはまた、同じ方法で脳内皮細胞のゼータ電位を変化させました。10μM治療的に関連する濃度での短期のリドカイン治療は、主要なBBBバリア機能障害、細胞形態の実質的な変化またはP糖タンパク質流出ポンプ阻害を引き起こさなかった。リドカイン治療は、細胞層全体のカチオン性親油性分子のフラックスを減少させましたが、親水性中性または負に帯電したマーカーの浸透に影響はありませんでした。私たちの観察結果は、生物膜に対するリドカインの効果の生物物理学的背景を理解するのに役立ち、BBBのレベルでのカチオン性薬物分子の相互作用に注意を向けます。

The surface charge of brain endothelial cells forming the blood-brain barrier (BBB) is highly negative due to phospholipids in the plasma membrane and the glycocalyx. This negative charge is an important element of the defense systems of the BBB. Lidocaine, a cationic and lipophilic molecule which has anaesthetic and antiarrhytmic properties, exerts its actions by interacting with lipid membranes. Lidocaine when administered intravenously acts on vascular endothelial cells, but its direct effect on brain endothelial cells has not yet been studied. Our aim was to measure the effect of lidocaine on the charge of biological membranes and the barrier function of brain endothelial cells. We used the simplified membrane model, the bacteriorhodopsin (bR) containing purple membrane of Halobacterium salinarum and culture models of the BBB. We found that lidocaine turns the negative surface charge of purple membrane more positive and restores the function of the proton pump bR. Lidocaine also changed the zeta potential of brain endothelial cells in the same way. Short-term lidocaine treatment at a 10 μM therapeutically relevant concentration did not cause major BBB barrier dysfunction, substantial change in cell morphology or P-glycoprotein efflux pump inhibition. Lidocaine treatment decreased the flux of a cationic lipophilic molecule across the cell layer, but had no effect on the penetration of hydrophilic neutral or negatively charged markers. Our observations help to understand the biophysical background of the effect of lidocaine on biological membranes and draws the attention to the interaction of cationic drug molecules at the level of the BBB.