微针透皮给药技术在经皮渗透性中的应用

微针透皮给药技术在经皮渗透性中的应用

1透皮给药制剂透皮药物系统（tdd）是指药物以一定的速度从皮肤中吸收，并通过体环体系（tts）产生疗效的制剂。1981年Alza和Ciba公司首创的东莨菪碱透皮给药系统(TransdermalScop)上市,标志着透皮给药研究进入了一个新阶段。至2003年,在国际医药市场上,生产透皮给药剂型的主要制药公司已有数十家,总共推出了9种药物的数十个品种和剂量规格的透皮给药系统,同一药物有数种不同的制备方法和处方,甚至一些重要的质量指标如释药速率也不同。这些产品主要有东莨菪碱(TransdermScop,美国)、可乐定(Catapress-TDDS,美国)、硝酸甘油(Nitro-DurⅠ,美国)、二硝酸异山梨酯(FrandorTape,日本)、雌二醇(Estradiol,美国)、醋酸炔诺酮(Eastragest,英国)、芬太尼(Duragesic,美国)、烟碱(Habitol,美国)、睾酮(Testoderm,美国)等。透皮给药与传统的给药方式相比有许多优点:避免肝脏的“首过效应”;减少人体血药浓度出现峰谷的变化;通过维持恒定的血药浓度增加疗效;容易使用;适于半衰期短的药物;避免了胃肠道的副作用。这些独特的优势吸引着众多的国内外制剂学专家,目前TDDS已成为第三代药物制剂的研究重点。然而,由于皮肤(特别是角质层,厚10μm～25μm)对药物透皮吸收起屏障作用,大多数药物,即便是剂量低、疗效高的一些药物,透皮渗透速度也难以满足治疗的需要,成为开发透皮给药制剂的重大障碍。利用目前的透皮给药技术选择候补透皮制剂药物的基本条件是:每日剂量小于20mg,半衰期小于10h,分子量小于500道尔顿,药物熔点小于200℃,药物的脂溶性为辛醇-水中的分配系数(logK)在-1～4的范围,对皮肤无刺激,这些条件极大地限制了药物透皮剂型的开发。因此,克服皮肤屏障作用,使药物在一定时间内的经皮渗透量达到治疗量是许多透皮给药制剂开发的关键。2不同类型的经皮给药促进药物经皮渗透性除了化学促渗剂以外,一个新的研究领域是与器件组合的透皮给药方式,它是利用外界能量改变皮肤屏障(主要是角质层)或增加药物分子的能量来增加透过皮肤的药物释放量。借助外来能量促进药物渗透性的主动经皮给药技术包括离子导入(使用低电压电流使药物通过皮肤)、超声波法(使用低频超声波能量破坏角质层)、磁场和电泳以及致孔技术,如电穿孔(使用高压短电脉冲产生暂时的皮肤水性通道)、热穿孔技术(使用热能使皮肤更具透过性)、微针致孔(在角质层上产生微孔,药物扩散时受到的阻碍小)、激光系统(用于表皮上融化角质层,提供更小的药物扩散阻碍)等用来增加透过皮肤的药物释放量。表1总结了目前的被动透皮给药贴片(passivedrug-in-adhesive(DIA)transdermalpatches)、凝胶贴剂、离子渗透(Iontophoresis)、超声(Sonophoresis)和在皮肤表面致孔(Microporation)(包括电致孔、激光致孔,热致孔和微针致孔)的促渗方法对药物选择的要求。可以看出致孔促渗方法的给药剂量最大,对药物的适用范围最广,从小分子到大分子都有可能研制成透皮贴剂。透皮给药系统的发展包括权衡提高透皮渗透和病人安全/舒适度。表2是对几种促进药物经皮渗透方法的比较,可以看出,皮下注射和无针注射(Jetinjection)的药物转运效果最佳,持续释放性较差,而且具有明显的疼痛感。其他物理方法与化学促渗剂相比,药物经皮转运效率明显提高,能够持续释放药物,除了电致孔法有疼痛感外,其他的方法属无痛给药方式,患者易于接受。但是目前借助物理能量促渗的给药方式价格相对高一些。综上所述,借助物理能量促渗的方法可能使更大范围的药物研制成透皮制剂,而致孔的方法理论上适合于任何药物而不受分子量大小、药物极性、熔点等的限制。其中微针透皮给药方式越来越受到关注,因为随着微加工技术的成熟,微针制造成本将会下降,而且由于可能研制出高分子材料的微针,其应用前景非常可观。在下面的内容里将介绍国内外微针透皮给药系统的研究进展和应用展望。3微针阵列的制作皮肤能够通过各种物理方法打开给药通路。微针透皮的给药机理如图1(请参阅封三)所示,是在一个很小的面积上(传统的透皮贴片的尺寸),同时覆盖数百根微针刺穿皮肤角质层(表皮上面的十几微米厚),允许药物通过这个重要的屏障实现对药物的导入。1998年Herry等首次报道了将微针阵列芯片应用于药物释放领域,图2(请参阅封三)显示微针刺穿无毛猪皮表皮的照片。移走微针,用甲基蓝着色后,能够清晰地看到微针处理皮肤后留下的微孔。使用的微针阵列如图3(请参阅封三)所示,是利用微机电系统技术在单晶硅上加工的微针,高度为150μm,在3mm×3mm面积内有400根针。微针穿透皮肤角质层后,针尖基本无损,可以重复使用。该研究组还研究了长度为150μm的微针阵列扎入人皮肤的疼痛实验,100表示能够忍受的最大疼痛感,皮下注射的痛感因人而异,大约在10～38的范围,而微针产生的痛感低于2。由于微针细而尖,一般的穿刺深度仅在角质层,未接触到神经末梢,其尖度亦大幅度减低了针尖接触到神经末梢的几率,减少了对机体相应附属组织的损伤程度,不产生痛觉,因此是无痛给药方式。用于透皮给药的微针阵列可以分为两大类型:实心针和中空针。实心针的表面可以通过负载药物达到透皮给药的目的,而中空针更适合于液体制剂的透皮注射。目前报道的用于透皮给药的实心微针阵列高度通常低于500μm,因为神经在皮肤的深层不受刺激,患者不感觉疼痛或不舒适。4针透皮给药系统的外科研究4.1微针促渗效果在各种类型的微针中,实心微针阵列因为制作工艺相对简单,在目前的科研及商业化运作中较为常见。实心针的作用模式又有多种,作为微针贴剂,多数研究者先将微针贴片作用于皮肤,在角质层上产生微米级的孔洞后再施用透皮贴剂,将药物分子导入皮肤。Henry等取人尸体表皮(腹部或背部皮肤)建立透皮释药模型,以测定微针刺穿表皮后的透皮释药速率。微针的高度约为150μm,在0.0915cm2面积内有400根微针。实验采用Franz扩散池装置,接受室为37℃磷酸盐缓冲生理盐水(PBS),给药室分别放置钙黄绿素、胰岛素、标记的牛血清白蛋白(BSA)、粒径分别为25nm、50nm的聚苯乙烯胶乳纳米球。研究表明,皮肤对钙黄绿素、胰岛素、BSA和胶乳纳米粒的渗透性随着浓度增大而增加。此结果具有重大意义,因为其显示使用微针后皮肤可渗透大分子药物。离体实验还显示,将微针扎入皮肤并将微针留在皮肤上,药物模型钙黄绿素(分子量为623)的经皮透过性与没有经过微针处理的完整皮肤相比提高了1000倍,将微针作用于皮肤10s后移开,透过性提高了10000倍,而微针作用1h后再移开,经皮渗透性提高了25000倍。在微针上包裹药物后再作用于皮肤使药物分子释放也是微针贴片的作用模式之一。这种形式的给药系统没有药物储库,所用的药物均涂在微针表面。Jung-HwanPark等报道了具有生物降解性的PLGA微针阵列的体外透皮研究,微针高度约为440μm,在微针的表面涂有模型药物钙黄绿素和荧光标记的牛血清蛋白。将含有药物的微针扎入皮肤,钙黄绿素在4h透过率达到95%,荧光标记的牛血清蛋白在120h透过率达到80%(图4)。笔者实验室利用微机电系统技术开发了基于单晶硅材料的微针阵列(请参阅封三图5),并对不同分子量的药物渗透性开展了初步研究。具有相同摩尔数(0.1mM,1mL)的葛根素(416Da)、钙黄绿素(623Da)、α-2a干扰素(17000Da)、重组人肿瘤坏死因子(18000Da)、重组人红细胞生成素(48000Da)、牛血清蛋白(66000Da)、A型肉毒毒素(150000Da)和重组酵母乙肝疫苗(>1000000Da)被用作模型药物来研究皮肤的渗透性。图6显示在SD大鼠皮上的透皮渗透研究结果,显示了渗透系数与分子量两者的关系,从中可以看出渗透系数随分子量的增加而减小,但是影响并不大,说明微针促渗能够适用的药物范围广。在有和无微针作用下钙黄绿素的渗透系数分别为1.6cm/h和2×10-5cm/h,在微针作用下钙黄绿素的渗透性提高了100000倍。α-2a干扰素(17000Da)、重组人肿瘤坏死因子(18000Da)、重组人红细胞生成素(48000Da)、牛血清蛋白(66000Da)、A型肉毒毒素(150000Da)和重组酵母乙肝疫苗(>1000000Da)在没有微针作用下几乎不能透过皮肤,而在微针作用下渗透系数达到10-2cm/h,增加了数个数量级以上。离子导入法用来增加离子型药物的透皮渗透的报道比较多,当分子量超过7000Da时离子导入效果很差。超声波能增加大分子蛋白药物的皮肤渗透性,例如,超声波传输红细胞生成素(48000Da)和胰岛素(6000Da)的皮肤渗透性分别为9.8×10-6cm/h和3.3×10-3cm/h。通过比较可以看出微针辅助的透皮药物传输对分子量依赖性小,这为大分子给药提供了一个有效的平台。从左到右依次为葛根素(416Da)、钙黄绿素(623Da)、α-2a干扰素(17000Da)、重组人肿瘤坏死因子(18000Da)、重组人红细胞生成素(48000Da)、牛血清蛋白(66000Da)、A型肉毒毒素(150000Da)和重组酵母乙肝疫苗(>1000000Da)。4.2动物体内的透皮研究4.2.1macroflx微针阵列的国内应用美国ALZA公司是开发新型药物释放系统的著名公司(该公司于2001年6月22日被强生公司收购),1981年ALZA首创的东莨菪碱透皮给药系统(TransdermalScop)上市,在上个世纪90年代末期他们开发了类似于微针的给药系统,注册名为Macroflux,如图7(请参阅封三)显示代表性的微针阵列(microprojectionarray),和用于将微针阵列扎入皮肤的器具(patchapplicator)。ALZA公司开发的微针材质是钛合金薄片,高度在500μm以下,面积最大可达到8cm2,最常见到的应用报道是2cm2的尺寸。下面首先介绍该公司在利用微针透皮给药系统的体内研究结果。4.2.1.皮肤密度和组织解剖实验林等报道了单独使用Macroflux或者与离子渗透装置组合传递20-mer寡核苷酸透过无毛猪皮肤的研究。微针高度为430μm,在2cm2的面积内有480根微针,针的底部连接处如同网状结构。研究者将微针扎入皮肤,将含有寡核苷酸的凝胶盖在微针芯片上面,药物通过微针之间的网状孔能与皮肤接触。与离子渗透贴片一起使用和单独使用离子渗透贴片相比,药物的渗透速率提高了100倍;不使用离子渗透贴片,与完整的皮肤状态相比微针也能够提高药物的体内渗透速率。皮肤的组织解剖实验显示,使用微针处理皮肤后寡核苷酸的最高浓度是在皮下700μm～800μm深处。相反没有经过微针处理的药物传递只在皮肤表面显示很低的浓度。此外研究还显示供药浓度、电流密度和时间的增加能够提高药物的渗透量。该研究的意义在于它展示了基于微针体内传输药物的可能性并研究了一些剂型变量的影响。寡核苷酸最大的传输速率达到了16mg/d,这个给药量足以应用于寡核苷酸未来的治疗。4.2.1.增强抗体反应Matriano等把作为一种模型蛋白抗原的卵白蛋白涂在微针表面来研究其透皮传输。针高330μm,阵列大小为1cm2或2cm2,针密度为190根针/cm2。首先在微针阵列上制备一层含有卵白蛋白抗原干膜薄层,然后采用高速推进器插进无毛几内亚猪的皮肤。插入的深度平均为100μm,最大深度达到300μm。通过改变覆盖在微针上抗原溶液浓度和微针的数量来制备一系列制剂。结果发现从微针表面抗原很快被释放,在5s内释放量高达20μg。并且发现对于微针传输和皮内注射具有相似的抗体反应,但比皮下或肌肉注射相同抗原剂量抗体反应高50倍。产生较大的免疫反应是由于在表皮基部存在郎格罕氏细胞所引起的。使用涂有抗原和氨基葡萄糖胞壁酰二肽佐剂的微针能进一步增加抗体反应。从涂有多肽desmopressin的微针上传输药物的相关研究也证明了这一点。MichelCormier等人使用Macroflux®微针经皮给药系统,在2cm2阵列面积上的微针尖部包裹了不同剂量的desmopressin药物后,将该系统作用于无毛猪5min～15min。实验显示,desmopressin的生物利用度高达85%,波动范围约30%,血清中免疫活性的desmopressin在60min达到顶峰,而代谢动力学与静脉注射(IV)相同。该研究显示了使用微针传输蛋白抗原能产生抗体反应,同时建立了采用干膜方法从微针上传输化合物的可行性。4.2.2质粒dna的分布美国BD(Becton,DickinsonandCompany)公司开发的微针和上述使用的微针不同,微针的顶端是钝的,针高50μm～200μm,分布在1cm2面积上。Mikszta等研究了使用微针传输裸露质粒DNA进入皮肤。把这些微针阵列浸在DNA溶液中,然后在实验老鼠的皮肤上反复刮多次来产生轻微损伤。结果发现使用微针后荧光素酶报告基因的表达提高了2800倍。采用质粒DNA编码的乙肝表面抗原,与皮下注射相比较微针传输诱导的免疫反应更强烈、更稳定,并且对于完全的血清转化需要更少的免疫次数。这项研究证明了使用微针传输DNA疫苗能产生免疫反应。它也显示了使用尖端钝的微针刮皮肤来增加药物传输的可行性。4.2.3虚实微针促渗促渗美国GeorgiaTech的MRPrausnitz研究组开发了一系列的微针,包括中空针和实心针,使用的材质包括单晶硅、玻璃、金属和高分子聚合物。在胰岛素的透皮研究中也分别探讨了实心针和中空针的作用。在使用实心微针促渗的研究中,微针阵列是采用激光切割不锈钢薄片形成针的形状,然后弯曲每根针与不锈钢薄片平面成90°制作而成。阵列由105根针组成,高度为1000μm,基部横切面为75μm×200μm,顶端非常锋利(请参阅封三图9)。使用不同设计的实心微针传输胰岛素到糖尿病无毛老鼠体内,把胰岛素溶液放置在用微针处理过的皮肤上4h。以无微针作用下作为阴性对照,结果血液中葡萄糖浓度没有明显的下降。实验结果显示实心微针能够提高胰岛素的透皮渗透性并且使血中葡萄糖水平稳定下降达到80%。该研究证明了在使用微针后生物活性药物的药理学功效(在糖尿病动物体内胰岛素导致血糖水平降低)。4.2.4微针贴剂的血药浓度随时间的变化笔者利用本实验室开发的微针阵列(请参阅封三图5)开展了一系列体内透皮研究,将模型药物配制成壳聚糖(Chitosan)凝胶贴片,实验动物为新西兰兔,皮肤用微针处理后移走微针,然后将凝胶贴片贴上。图10是以荧光标记牛血清蛋白(分子量大于66000Da)为模型药物的实验结果,a是微针透皮曲线,在24h取下贴片,b是皮下注射曲线。从图中可以看出皮下注射使药物很快在体内达到峰值并且很快被代谢掉,而微针贴剂透皮给药出现一个恒定的血药浓度,而且明显体现了透皮给药的优势,即在一定时间内血药浓度没有峰谷现象。当含有异硫氰酸荧光素标记牛血清蛋白壳聚糖基质贴剂在24h从兔背移走,血浆中异硫氰酸荧光素标记牛血清蛋白很快下降,牛血清蛋白在24h的透过率大约为30%。然而在对照组中,进入体内的药量检测不到,几乎为零,说明荧光素标记牛血清蛋白在完整的皮肤上几乎不能透过皮肤。同样笔者以钙黄绿素、α-1b干扰素和基因疫苗(300bp+5400bp的载体)为模型药物开展的动物体内研究结果显示,凝胶贴剂与微针结合能够控制大分子进行