經(jīng)皮給藥系統(tǒng)的研究進(jìn)展

經(jīng)皮給藥系統(tǒng)的研究進(jìn)展

皮膚藥物系統(tǒng)（tdd）是指藥物以一定的速度從皮膚中吸收，并通過(guò)毛孔環(huán)體系循環(huán)而產(chǎn)生療效的制劑。與傳統(tǒng)的給藥方式相比,透皮給藥有許多優(yōu)點(diǎn):避免因口服給藥而產(chǎn)生的腸胃內(nèi)消化酶對(duì)藥物的分解、破壞作用和肝臟的“首過(guò)效應(yīng)”;避免因靜脈注射而引起的痛楚和感染;通過(guò)控制藥劑輸送的速率,維持恒定的血藥濃度增加療效;降低藥物的毒副作用和胃腸道反應(yīng);隨時(shí)可中斷給藥改善患者的順應(yīng)性等。二十年來(lái)人們致力于對(duì)TDDS的深入研究,期望通過(guò)皮膚傳遞藥物成為替代傳統(tǒng)給藥方式的一個(gè)有效途徑。然而,由于皮膚(特別是角質(zhì)層)嚴(yán)重阻礙藥物的透皮吸收,即便在各種促滲劑的作用下,也僅能使部分小分子藥物穿過(guò)皮膚達(dá)到有效的藥物濃度,大多數(shù)藥物,尤其是蛋白類大分子藥物,即便是一些劑量低、療效高的藥物,透皮滲透速度也難以滿足治療的需要。因此,皮膚尤其是角質(zhì)層成為開(kāi)發(fā)透皮給藥制劑的重大障礙,相關(guān)研究多,但產(chǎn)品少。為了改變這一現(xiàn)狀,諸多物理透皮技術(shù)不斷涌現(xiàn),如離子導(dǎo)入、電穿孔、超聲導(dǎo)入技術(shù)、電磁導(dǎo)入、熱穿孔、激光技術(shù)等,其中微針陣列技術(shù)為經(jīng)皮給藥技術(shù)注入了新的活力。近年來(lái)隨著微機(jī)電(micro-electro-mechanicalsystem,MEMS)加工技術(shù)的發(fā)展及經(jīng)皮給藥系統(tǒng)的逐漸完善,使微針(microneedle)給藥系統(tǒng)的建立成為可能,微針陣列促進(jìn)透皮技術(shù)的研究得到迅速發(fā)展。利用微針陣列來(lái)改進(jìn)皮膚的通透性是一種較新的藥物釋放途徑,它可以創(chuàng)造出微米尺寸的通道———比分子尺寸大一個(gè)數(shù)量級(jí),因此允許大分子通過(guò),甚至超分子的復(fù)合體以及微粒也可能通過(guò)。本文對(duì)微針的促滲機(jī)制、影響微針促滲的因素、微針促滲的具體應(yīng)用以及微針?biāo)媾R的問(wèn)題進(jìn)行綜述,以期為微針的研究提供借鑒。1微針入皮膚損傷的機(jī)制經(jīng)皮給藥由于受限于皮膚屏障而較難達(dá)到有效給藥的目的,一方面是大分子無(wú)法透過(guò)皮膚角質(zhì)層,另一方面是皮膚的角質(zhì)層限制了給藥的速度。根據(jù)皮膚的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)和加工合適的微針陣列有助于這些問(wèn)題的解決。分子穿透皮膚有兩條基本通路:一是皮膚附屬器通路,即通過(guò)毛囊、皮脂腺和汗腺;另一是經(jīng)表皮透過(guò)。然而皮膚附屬器的可用面積有限(大約占總表面積的0.1%),大多數(shù)藥物經(jīng)表皮穿透到達(dá)體內(nèi),經(jīng)毛細(xì)血管吸收進(jìn)入體循環(huán),即表皮途徑,這也是藥物經(jīng)皮吸收的主要途徑。這種途徑又有兩種方式,一是藥物穿過(guò)角質(zhì)層細(xì)胞到達(dá)活性表皮,二是藥物通過(guò)角質(zhì)層細(xì)胞之間間隙到達(dá)活性表皮。由于角質(zhì)層細(xì)胞擴(kuò)散阻力大,所以藥物分子主要由細(xì)胞間擴(kuò)散通過(guò)角質(zhì)層。祁榮等認(rèn)為微針的促滲機(jī)制與其他物理促滲方法有本質(zhì)區(qū)別。離子導(dǎo)入、電穿孔、超聲導(dǎo)入、壓力波導(dǎo)入等方法實(shí)施的結(jié)果都需打亂皮膚角質(zhì)層脂質(zhì)的有序排列,使藥物對(duì)皮膚角質(zhì)層的滲透性增加。微針與之不同,它在角質(zhì)層上造成了事實(shí)上的通道,這種通道是可見(jiàn)的,垂直于皮膚的。說(shuō)明微針是利用在皮膚角質(zhì)層產(chǎn)生的微小孔道來(lái)增加藥物的經(jīng)皮吸收?？紫榍宓葘?duì)微針刺入皮膚數(shù)值進(jìn)行模擬,利用數(shù)值模擬方法形象地揭示了微針刺入皮膚過(guò)程中微針與皮膚的相互作用機(jī)制。圖1(a)~(d)所示為微針的整個(gè)刺入過(guò)程。微針頂端半徑為30μm,長(zhǎng)度為720μm,針壁角60°,微針以1.1mm/s的速度刺入皮膚,隨著微針向下移動(dòng),微針與皮膚接觸,當(dāng)皮膚中與微針針尖接觸的單元受力達(dá)到所定義的失效準(zhǔn)則時(shí),單元失效并被刪除,相鄰接點(diǎn)被分開(kāi),微針即刺破皮膚表面,刺入皮膚。圖1(e)~(h)是與圖1(a)~(d)所對(duì)應(yīng)的微針刺入皮膚過(guò)程中皮膚的變形和破壞。發(fā)現(xiàn)當(dāng)微針向下移動(dòng)位移(d)為198μm時(shí),微針刺破皮膚表面。圖1(e)(d=0μm)表示皮膚變形前狀態(tài),此時(shí)微針針尖剛要開(kāi)始接觸皮膚表面。圖1(f)(d=8.8μm)顯示微針與皮膚表面接觸后,皮膚開(kāi)始彎曲變形,此時(shí)針尖尚未刺破皮膚表面。圖1(g)(d=220μm)和圖1(h)(d=352μm)則顯示的是微針刺破皮膚表面以后,隨著微針繼續(xù)刺入皮膚,皮膚的變形和破壞。他們進(jìn)行的數(shù)值模擬比較準(zhǔn)確地反映微針刺入皮膚過(guò)程中皮膚的變形和破壞。2促進(jìn)微針透皮滲透的因素微針的長(zhǎng)度、形狀、模型藥物的劑量以及給藥方式的不同,對(duì)其藥物經(jīng)皮滲透的效果有著非常重要的影響。2.1微針陣列的刺入皮膚皮膚的角質(zhì)層厚約10~20μm,是一層死組織,沒(méi)有血管和神經(jīng),卻是藥物經(jīng)皮吸收的主要障礙;表皮層位于外皮下約50~100μm處,含有少量活細(xì)胞及神經(jīng),不含血管;更深處的真皮中含有大量的活細(xì)胞、神經(jīng)及血管。設(shè)計(jì)的微針長(zhǎng)度應(yīng)能刺入皮膚達(dá)到治療作用又不觸及神經(jīng)組織以避免產(chǎn)生疼痛,所以微針的長(zhǎng)度影響藥物的經(jīng)皮吸收。微針的長(zhǎng)度還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),文獻(xiàn)所報(bào)道長(zhǎng)度一般在100~2000μm。Verbaan等對(duì)微針陣列刺入皮膚的深度進(jìn)行了初步研究,他們用微針陣列處理皮膚,用錐蟲(chóng)藍(lán)染色皮膚角質(zhì)層,觀察皮膚失水情況。被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)中,先用微針陣列處理皮膚,再用瀑布藍(lán)(相對(duì)分子質(zhì)量538),右旋糖酐-瀑布藍(lán)(相對(duì)分子質(zhì)量10000)和異氰酸熒光素-右旋糖酐(相對(duì)分子質(zhì)量72000)染色,微針陣列中微針的長(zhǎng)度是900、700、550和300μm,實(shí)驗(yàn)證實(shí)前3個(gè)長(zhǎng)度均能插入人體皮膚。與不經(jīng)處理的人體皮膚相比,錐蟲(chóng)藍(lán)染色后皮膚表面出現(xiàn)明顯的藍(lán)色斑點(diǎn),經(jīng)皮失水后皮膚鼓起明顯。300μm長(zhǎng)的微針不能插入離體的皮膚,觀察不到任何現(xiàn)象。因此在設(shè)計(jì)制造微針過(guò)程中長(zhǎng)度是一個(gè)重要的因素,微針過(guò)長(zhǎng)刺入皮膚太深,疼痛感加強(qiáng),甚至損害皮膚的神經(jīng);微針過(guò)短,不能插進(jìn)皮膚,達(dá)不到提高透皮給藥速率的作用。2.2不同水分配系數(shù)化學(xué)藥物的透皮透皮傳遞特性鄭靜南等設(shè)計(jì)了3種針形微針(圖2):三角形微針、梯形微針和矛形微針,并研究了各種針形微針對(duì)模型藥物鬼臼毒素的促滲能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示不同針形微針?biāo)鸬墓砭识舅卦谄つw中的滯留量有顯著差異,對(duì)鬼臼毒素的促滲能力按三角形、梯形、矛形依次增強(qiáng)。藥物透皮吸收跟微針橫截面積的大小有關(guān):橫截面積越大,所受阻力越大,因此刺入皮膚的有效深度越短,對(duì)皮膚造成的微孔孔徑較小,藥物透過(guò)率越小。唐人杰等研究了星形硅微針陣列(圖3)對(duì)于不同油水分配系數(shù)化學(xué)藥物的體外透皮傳遞的影響。他們對(duì)吲哚美辛、酮洛芬、美索巴莫(methocarbamol)、更昔洛韋4種化學(xué)藥物經(jīng)微針穿刺小鼠腹部皮膚后的體外透皮特性進(jìn)行了比較研究。結(jié)果顯示,星形硅微針陣列對(duì)水溶性藥物的促滲效果較脂溶性藥物顯著。可能由于角質(zhì)層對(duì)水溶性藥物的阻礙作用更強(qiáng),皮膚經(jīng)微針穿透后形成微米級(jí)孔洞,藥物更易穿透皮膚,大大提高了水溶性藥物的經(jīng)皮傳遞。有研究對(duì)不同針形微針(針尖為平型和尖型,圖4)給藥以及傳統(tǒng)局部用藥的效果進(jìn)行對(duì)比。選用煙酸甲酯(血管擴(kuò)張藥)作為模型藥物,分別對(duì)11名健康受試者的手和前臂進(jìn)行微針及傳統(tǒng)的局部給藥,然后利用激光多普勒灌注監(jiān)測(cè)器記錄給藥部位所出現(xiàn)的血流量的最大值以及最大血流值出現(xiàn)的時(shí)間,對(duì)不同針形微針的給藥特點(diǎn)及其與傳統(tǒng)的局部用藥之間的差異進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),微針給藥達(dá)到最大血流值所需要的時(shí)間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)局部給藥所需要的時(shí)間,而兩種不同形狀的微針之間的達(dá)峰時(shí)間卻沒(méi)有顯著性差異。此外還發(fā)現(xiàn)尖型微針達(dá)到的最大血流值在三者中最高,研究認(rèn)為這可能是該形微針不易發(fā)生堵塞的緣故。這些試驗(yàn)證明微針針形的設(shè)計(jì)(平型或尖型)也是影響其藥物釋藥能力的因素之一。2.3模型化合物的選擇Verbaan等對(duì)微針陣列刺入皮膚可轉(zhuǎn)運(yùn)藥物的相對(duì)分子質(zhì)量范圍進(jìn)行了初步研究。他們采用針長(zhǎng)為550、700和900μm的微針?lè)謩e處理新鮮離體人皮膚,用瀑布藍(lán)、右旋糖酐-瀑布藍(lán)、異硫氰酸熒光素-右旋糖酐為模型化合物進(jìn)行透皮給藥。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),3種微針可大幅度提高這三種物質(zhì)的透皮速率,微針對(duì)這三種物質(zhì)的促滲效果分別是瀑布藍(lán)>右旋糖酐-瀑布藍(lán)>異硫氰酸熒光素-右旋糖酐,對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量小的物質(zhì)促滲效果更好。2.4微針陣列對(duì)皮膚的保鮮效果微針的給藥方式主要有兩種,一種是先將微針刺入皮膚,在皮膚上形成微通道后,再貼上含藥貼劑或者直接涂抹藥液。微針刺入皮膚的次數(shù)越少,貼劑中的藥物的濃度越高,藥物透皮速率越高。但存在插入時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能導(dǎo)致微通道堵塞影響藥物的吸收等問(wèn)題。Martanto等用微針對(duì)胰島素經(jīng)皮給藥進(jìn)行了體內(nèi)研究,選用無(wú)毛糖尿病大鼠作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,用105根微針組成的微針陣列處理大鼠皮膚,在微針刺入的同時(shí)涂抹胰島素溶液于微針處理過(guò)的皮膚處,微針?lè)謩e在刺入皮膚10s、10min或4h后移去。微針移除后,繼續(xù)給予胰島素溶液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,微針增加了胰島素的經(jīng)皮滲透率,且快速穩(wěn)定地降低了大鼠的血糖水平。他們還通過(guò)組織切片比較了空心微針在插入皮膚后,移除微針和不移除微針兩種方式對(duì)藥液滲透率的影響。微針插入皮膚1080μm,不移除,藥液的滲透速率較慢,平均15μl/h;微針插入相同的深度,再移除皮膚720μm,藥液的滲透速率顯著增加,平均194μl/h。微針移除后,藥物滲透速率顯著高于微針停留在皮膚時(shí)的滲透速率,原因可能是隨著微針拔出皮膚,皮膚形成的空洞栓塞被除去,滲透性阻力變小。微針的另一種給藥方式是在微針表面包覆藥物,然后刺入皮膚給藥,這種方式釋藥量取決于藥物的包覆量。有研究利用涂抹了抗原的實(shí)心微針研究卵清蛋白的免疫接種,對(duì)給藥的深度、劑量、微針陣列的密度以及作用面積等參數(shù)進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)免疫反應(yīng)與給予疫苗的劑量存在正相關(guān)性,與疫苗給予的深度及微針陣列的密度基本無(wú)關(guān),增大作用的表面積或許有一定效果,但不是誘發(fā)免疫反應(yīng)的決定性因素。3復(fù)合技術(shù)目前,微針經(jīng)皮給藥技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一是將微針技術(shù)與促滲劑或其他物理促滲技術(shù)合用來(lái)增加藥物的經(jīng)皮吸收。3.1離子選擇性皮膚能提高小鼠輸注后胰島素的速率離子導(dǎo)入技術(shù)是利用直流電將離子型藥物或荷電中性藥物粒子經(jīng)電極導(dǎo)入皮膚,從而進(jìn)入組織或體循環(huán)的一種方法。微針與離子導(dǎo)入復(fù)合,可以增強(qiáng)藥物的促滲效應(yīng)。Chen等用離子導(dǎo)入法協(xié)同微針技術(shù),顯著提高了胰島素的經(jīng)皮給藥滲透速率,胰島素的皮膚透過(guò)率比單獨(dú)使用離子導(dǎo)入高713.3倍。Katikaneni等采用離子導(dǎo)入聯(lián)合微針技術(shù)處理無(wú)毛小鼠的皮膚,評(píng)價(jià)聯(lián)用技術(shù)經(jīng)皮傳輸?shù)鞍追肿拥哪芰Α＝柚鷮?duì)乙酰氨基酚來(lái)測(cè)量電滲流的強(qiáng)度,觀察微針預(yù)處理皮膚后對(duì)電滲流的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,微針處理皮膚,對(duì)乙酰氨基酚的穩(wěn)態(tài)電流量是(2.86±0.79)μg/(cm2·h),離子導(dǎo)入聯(lián)合微針技術(shù),對(duì)乙酰氨基酚的穩(wěn)態(tài)電流量是(20.58±5.86)μg/(cm2·h),約為微針預(yù)處理的7倍。采用微針與離子導(dǎo)入法聯(lián)用技術(shù),可以增加大分子藥物的透皮吸收速率。3.2皮內(nèi)電穿孔聯(lián)合微針的皮膚促滲效果電穿孔技術(shù),是指在高電壓脈沖電流作用下皮膚角質(zhì)層形成短暫、可逆的水性孔道而增加藥物滲透的方法。微針可刺穿皮膚角質(zhì)層,打開(kāi)給藥通路,產(chǎn)生微通道,允許藥物通過(guò)。將微針技術(shù)與電穿孔技術(shù)聯(lián)合使用可以進(jìn)一步增加藥物的經(jīng)皮吸收效果。韓曉等采用環(huán)形排布的微針,以持續(xù)時(shí)間5ms,電壓120V的電脈沖作用于皮膚,造成水性孔道以增強(qiáng)皮膚對(duì)胰島素的透過(guò)性。實(shí)驗(yàn)證明,未經(jīng)任何處理的皮膚,胰島素完全無(wú)法透過(guò),而以微針為電極的電穿孔裝置比單純使用微針能更有效地提高胰島素的透皮效果。Yan等用皮內(nèi)電穿孔即傳統(tǒng)的電穿孔聯(lián)合微針技術(shù),大分子藥物異硫氰酸熒光素(相對(duì)分子質(zhì)量43000)作為模型藥物,研究經(jīng)皮給藥的促滲效果。先用微針刺入皮膚角質(zhì)層,再用電極制做的微針電穿孔處理皮膚,提高電場(chǎng)促進(jìn)皮膚藥物吸收率。采用皮內(nèi)電致孔每10s給一個(gè)3.53N/cm2的垂直壓力,把微針電極陣列刺入離體的皮膚;皮上電穿孔則是給0.10N/cm2的壓力確保微針不能進(jìn)入皮膚,這樣操作的目的是平衡準(zhǔn)確的測(cè)量和控制壓力。異硫氰酸熒光素皮膚滲透量為0.03μg/cm2,用微針處理后的皮膚累積滲透量為0.20μg/cm2,是未處理皮膚的7倍;傳統(tǒng)的電穿孔為0.61μg/cm2,是未處理皮膚的20倍;皮內(nèi)電穿孔為4.17μg/cm2,是未處理皮膚的140倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,皮內(nèi)電穿孔預(yù)處理后皮膚比單獨(dú)使用微針以及傳統(tǒng)的電穿孔有更好的促滲效果。電穿孔結(jié)合微針技術(shù)可以有效地傳送大分子和親水性藥物,而且電穿孔與微針復(fù)合技術(shù)處理皮膚,皮膚沒(méi)有明顯的刺激感和疼痛感。Choi等設(shè)計(jì)和制造帶有導(dǎo)電功能的微針陣列,借助電穿孔促滲技術(shù)加快DNA疫苗進(jìn)入皮膚表皮細(xì)胞的速度。電穿孔復(fù)合微針陣列裝置如圖5所示。微針有兩個(gè)作用,一是傳送疫苗到達(dá)局部表皮和真皮表面,二是充當(dāng)微電極。這種微針陣列電極的陰陽(yáng)兩極都位于皮膚的同一側(cè),且僅和皮膚表面接觸,并不刺入皮膚。包覆有疫苗的微針陣列插入皮膚后在電穿孔的作用下產(chǎn)生電脈沖,使疫苗在皮膚表皮和真皮上表面沉積,從而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)DNA的吸收和表達(dá)。微針陣列由聚甲基甲丙烯酸鹽構(gòu)成,通過(guò)聚二甲基硅氧烷塑模經(jīng)金屬沉積成形后,激光熔融、電極沉積的微型塑模技術(shù)制得。這種微針陣列有足夠的機(jī)械強(qiáng)度插入人體皮膚。3.3微針聯(lián)合低頻超聲技術(shù)Chen等研究如何改善大分子藥物皮膚透過(guò)率和透過(guò)速率,采用低頻中孔微針對(duì)鈣黃綠素和牛血清白蛋白進(jìn)行經(jīng)皮給藥。實(shí)驗(yàn)表明,微針穿刺與低頻超聲聯(lián)合使用使藥物累積透過(guò)量最大化,高于單獨(dú)使用低頻超聲給藥或微針穿刺給藥。微針聯(lián)合低頻超聲技術(shù)如圖6所示,由3部分組成:空心微針陣列、超聲發(fā)射器和兩者組合后形成的儲(chǔ)藥室。通過(guò)空心微針陣列刺破角質(zhì)層,形成親水微流體通道,使儲(chǔ)存室的藥物直接穿過(guò)表皮,在真皮層中進(jìn)一步擴(kuò)散。超聲發(fā)射器為流體媒介提供聲空化能量使大分子藥物進(jìn)入皮膚的速率增加?？招奈⑨樀臋C(jī)械性能和低頻超聲的電傳感性協(xié)同作用提高了大分子藥物的經(jīng)皮傳輸速度和經(jīng)皮透過(guò)率。4金屬微針陣列包滅活流感病毒疫苗的經(jīng)皮給藥胰島素非注射給藥途徑的研究一直是科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。Gupta等利用空心微針作為胰島素的載體,對(duì)其治療1型糖尿病成人患者的可行性進(jìn)行研究。他們將胰島素裝載于針長(zhǎng)分別為1、3.5和5mm的空心微針中,并測(cè)定志愿者給藥后體內(nèi)胰島素傳遞的最小劑量。試驗(yàn)結(jié)果表明,微針刺入皮膚最短長(zhǎng)度為1mm。微針插入皮膚1mm,胰島素快速吸收且可有效地降低餐后血糖濃度。在飲食正常的條件下,微針可有效降低餐后血糖水平,受試者無(wú)疼痛感和不良反應(yīng)報(bào)告。Koutsonanos等對(duì)一種新型微針陣列包覆滅活流感病毒疫苗的經(jīng)皮給藥技術(shù)進(jìn)行了研究,測(cè)定這種接種途徑是否比傳統(tǒng)的注射疫苗簡(jiǎn)單安全。他們采用金屬微針陣列包覆滅活H3N2流感病毒疫苗,貼在小鼠尾部背側(cè)面皮膚區(qū)域,使用一個(gè)劑量的疫苗2~4周后,在血清中檢測(cè)到大量的帶有血凝素的抗體。使用劑量為10μg的疫苗,2周后,凝血抑制效價(jià)肌肉注射疫苗為136,微針包覆疫苗注射為80,但是4周后,肌肉注射保持不變,而微針組