Сравнительные методы доставки веществ в кожу

2015-07-06

Мы разобрали механизмы неинвазивной мезотерапии, узнали историю ее возникновения, а также разобрались в преимуществах, недостатках и разновидностях этого метода.

Инна Беленькая, доктор медицинских наук (Израиль)
Ариэль Маргулис, доктор медицины, магистр (Израиль)

Из истории мезотерапии

Мезотерапия, или интрадермотерапия, была изобретена во Франции доктором Мишелем Пистором. В 1958 году он опубликовал статью «Обзор новых свойств прокаина, актуальных в вопросах патологии человека» в журнале La Presse Medicale, изложив свой опыт использования локальной инъекции новокаина (прокаина) при лечении глухоты, шума в ушах, головокружения, головных болей и пресбиопии (возрастной дальнозоркости).

Хотя именно Пистору принадлежит наиболее яркая роль в «открытии» мезотерапии, подобные эксперименты проводились и до него. Так, в 1884 году офтальмолог доктор Карл Коллер для обезболивания использовал местно кокаин. В 1904 году немецкий химик Альфред Айнхорн открыл новый анестетик – прокаин, который он запатентовал под названием «новокаин». В 1925 году профессор Рене Лериш начал применять подкожные инъекции в межреберные пространства, а в 1937 году доктор Арон опубликовал исследование о подкожных инъекциях гистамина. Но на самом деле история мезотерапии восходит к Гиппократу (400 лет до нашей эры), который утверждал, что лечил пациента, применяя опунцию (растение семейства кактусовых).

Термин «мезотерапия» был впервые введен в том же 58-м году – благодаря работе Пистора и французской прессе, однако только 30 лет спустя, в 1987 году, Французская медицинская академия признала мезотерапию как специальность традиционной медицины.

Что касается современных публикаций, то большинство исследований, выполненных с использованием мезотерапии и описанных в индексированных журналах, посвящено осложнениям этого метода. В частности, наиболее тяжелыми и часто встречающимися осложнениями являются микобактериальные инфекции, которые обычно приводят к неэстетичным шрамам. Далее идут лихеноидная сыпь, манифестация псориаза, крапивница, кожные некрозы, системная красная волчанка, панникулит, aхромия, атрофия и др. Впрочем, эти осложнения, как правило, являются следствием несоблюдения технологии во время самой процедуры, а также неправильного постпроцедурного ухода.

К своеобразным недостаткам метода, с одной стороны, можно отнести и психологический фактор: многие люди испытывают страх перед иглами или же не могут позволить себе «выпасть» из привычного образа жизни. Однако, с другой стороны, это вынуждает производителей медицинского оборудования разрабатывать альтернативные инструменты для мезотерапии, что является несомненным плюсом. Безусловно, новые устройства выглядят весьма привлекательно для эстетической практики, особенно для специалистов, уже практикующих традиционные инъекционные техники мезотерапии.

Неинвазивная мезотерапия

Выраженный липофильный характер рогового слоя препятствует пассивному транспорту макромолекул через кожу. Обширная научно-исследовательская деятельность была направлена на лучшее понимание структуры рогового слоя. В ряде публикаций исследован вопрос преодоления кожного барьера при помощи использования различных физических и химических методов.

В конечном счете молекулы лекарственных препаратов могут проникать через кожу тремя различными путями (рис. 1):

через потовые каналы (протоки);
через волосяные фолликулы и сальные железы (шунт, или appendageal-путь);
непосредственно через роговой слой.

Рис. 1. Пути проникновения молекул препаратов через кожу

В технологиях безыгольной мезотерапии используют один из этих путей, в зависимости от индивидуальных ощущений пациента, способности к абсорбции и природы используемых активных молекул. Благодаря научным исследованиям производители медицинских приборов реализовали возможность доставлять активные субстанции через эпидермис, достигая значительного проникновения в более глубокие слои ткани с не меньшей эффективностью, чем в случае инъекций с помощью шприца. Безыгольные технологии включают в себя аквафорез, магнитофорез, сонофорез (фонофорез), безыгольные инъекции, ионофорез и электропорацию.

Магнитофорез

Этот метод предполагает использование низкочастотного магнитного поля, которое выступает в качестве внешней движущей силы для повышения диффузии диамагнитных молекул через кожу. Воздействие магнитного поля индуцирует структурные изменения рогового слоя, которые приводят к увеличению проницаемости кожи. Был выполнен ряд лабораторных исследований in vitro для изучения влияния магнитофореза на доставку лекарственных средств. Мерфи (1999) показал магнитоиндуцированное повышение скорости потока бензойной кислоты, а Murthy and Hiremath (2001) выяснили, что использование магнита обусловило повышение трансдермального проникающего потока тербуталина сульфата из прикрепленных пластырей. Однако то ограничивающее обстоятельство, что эта методика может быть использована только для диамагнитных молекул, обусловило относительное отсутствие интереса к методу.

Сонофорез (фонофорез)

Данный метод предполагает использование энергии низкочастотного ультразвука в целях повышения трансдермальной доставки местно применяемых препаратов. Предлагаемый механизм изучается уже более 50 лет. Результат применяемого ультразвука может выражаться в тепловом или нетепловом эффектах. Воздействие ультразвука на кожу может привести к значительному локальному нагреву, который ускоряет диффузию и поглощение препарата, увеличивает его растворимость, а также способствует усилению местного кровотока. Однако наиболее важным следствием ультразвука является кавитация − рост и колебания газообразных полостей (пузырьков воздуха). Коллапс пузырька воздуха приводит к генерации высоких ударных давлений, которые способны разрушать роговой слой (рис. 2).

Рис. 2. Схематическое изображение кавитации, происходящей в кератиноцитах. Кавитация возникает преимущественно на границе кератиноцитов и липидного бислоя (Эскобар, Чавес и соавт., 2009)

Такие параметры ультразвука, как интенсивность и частота, влияют на чрезкожное поглощение и, как следствие, на продолжительность лечения. Причем параметр частоты, как известно, является крайне важным. Частоты в низком диапазоне (< 100 кГц) имеют более существенное влияние на трансдермальную доставку макромолекул лекарств с молекулярной массой до 48 кДа. Но сонофорез должен преодолеть подобные препятствия. Таким образом, для того чтобы добиться хороших результатов, необходимо объединить кавитацию и ультразвук с другими физическими и химическими методами, например с энхансерами, ионофорезом и электропорацией.

Безыгольная инъекция

В этом методе трансдермальная доставка со сверхзвуковыми скоростями сквозь внешние слои кожи достигается путем обжига жидких или твердых частиц с помощью подходящего источника энергии за счет высокой скорости и высокого давления. Безыгольные инъекции были доступны людям с 1930 года. За эти годы набралось немало примеров жидких и порошковых систем (рис. 3).

Рис. 3. Схематическое представление процесса инъекции струи. Жидкость из резервуара попадает в поршень под давлением и выстреливает струей с высокой скоростью (скорость − > 100 мс-1). Струя инициирует образование отверстия в коже. При этом струя, попадая в кожу, образует практически сферическую форму (Mitragotri, 2006)

Порошковые системы использовались для доставки тестостерона, лидокаина гидрохлорида и таких макромолекул, как кальцитонин и инсулин. Проблемами, стоящими перед безыгольной инъекцией, являются высокая стоимость лекарственной формы и невозможность, в отличие от некоторых других методов, программировать или контролировать доставку лекарств с учетом внутренних особенностей проницаемости кожи. Кроме того, отдаленные эффекты высокоскоростной бомбардировки кожи лекарственными частицами неизвестны. Более того, поскольку препараты подвергаются воздействию высоких напряжений во время инъекции, это может негативно повлиять на структурную целостность больших молекул, таких как белки, вакцины и ДНК.

Ионофорез

Ионофорез имеет вековую историю и является одной из наиболее популярных и востребованных технологий на эстетическом рынке. Этот метод предполагает усиление трансэпидермальной доставки лекарственного средства за счет применения электрического тока малой силы и низкого напряжения (гальванического тока примерно 0,5 мА см2). Устройство для ионофореза состоит из источника питания с положительным электродом (анодом) и отрицательным электродом (катодом) (рис. 4).

Рис. 4. Схематическое изображение ионофореза. Устройство состоит из источника питания, соединенного с положительно заряженным электродом (анодом) и отрицательно заряженным электродом (катодом) (Morrow и соавт., 2007)

Доставка из положительно заряженного средства (D+) может быть достигнута путем его растворения вблизи электрода подобной полярности (анода). Применение постоянного тока вынуждает препарат отталкиваться от анода и перемещаться к противоположно заряженному электроду (катоду). Аналогичным образом доставка отрицательно заряженных лекарственных средств – анионов (D−)– происходит тогда, когда они отталкиваются от катода к аноду. Для создания прибора ионофорезной доставки в кожу препаратов учитывают тип электрода, силу тока, рН системы, конкурентоспособность иона и способ проникновения. Ограничения ионофорезной системы включают в себя нормативные ограничения на количество тока, который можно использовать в организме человека (в настоящее время установлена сила на уровне 0,5 мА/см2) и необратимые повреждения барьерных свойств кожи от применения таких токов. Кроме того, применением ионофореза не удалось существенно улучшить трансдермальную доставку макромолекул больше 7 000 Da. Таким образом, ионофорез может быть использован для улучшения трансдермальной доставки широкого спектра сравнительно небольших молекул, в том числе апоморфина, ротиготина и т. д.

Электропорация

Наряду с ионофорезом электропорация является наиболее популярной технологией на эстетическом рынке. Электропорация, или электропермеабилизация, – технология воздействия на кожу, предполагающая применение высоковольтных импульсов. Наиболее часто используются высокие напряжения (≥ 100 В) и короткая продолжительность воздействия (миллисекунды) (рис. 5). Эта технология успешно используется в целях повышения проницаемости кожи для молекул с различной липофильностью и размерами (например, небольшие молекулы, белки, пептиды и олигонуклеотиды), в том числе и для биофармацевтических препаратов с молекулярным весом более 7 кДа (в настоящее время это предел для ионофореза).

Рис. 5. Схема электропорации (Рольф, 2004)

Процесс электропорации. При применении интенсивного трансмембранного электрического поля, которое превышает электрическую прочность клеточных мембран, возрастает специфичная проводимость мембран. Увеличение проницаемости кожи вызвано генерированием электропорацией обратимого сквозного канала, возникновение которого обусловлено относительно слабой природой гидрофобно/гидрофильных взаимодействий фосфолипидного бислоя и его способностью самостоятельно восстанавливаться после нарушений (рис. 6). Канал формируется в три этапа: во-первых, под воздействием электрического поля в клеточной мембране появляются водные дефекты. Если эти дефекты достаточно стабильны, они приводят к созданию депо воды, или гидрофобным каналам, сквозь мембрану. В конечном счете фосфолипиды в районе этой поры перестраиваются с образованием более стабильного и гидрофильного канала.

Рис. 6. Схематическое изображение структуры переходных конформаций мембраны вследствие электропорации: «а» − организация клеточной мембраны, «б» − после воздействия сильного электрического поля происходит перестройка клеточной мембраны с каналообразованием (Giardino и др., 2006)

Научная основа электропорации. Опыт использования электропермеабилизации как метода повышения диффузии через биологические барьеры отстоит от наших дней на 100 лет. Развитие этого метода частично основано на открытии, принадлежащем химику Вильгельму Оствальду – первому лауреату Нобелевской премии по химии (1909 год). В 1890 году профессор Вильгельм Оствальд предположил, что электрические сигналы, измеряемые в живой ткани, могут быть следствием движения ионов через клеточные мембраны и обратно. Эти электрохимические идеи достаточно быстро получили признание.

Первоначально технология электропорации была разработана для введения в клетки молекул ДНК на основе теоретических и экспериментальных исследований двухслойной мембраны в конце 1960-х и 1970-е годы. С 1980-х годов в научной литературе появилось много сведений об использовании электропорации для генной терапии, вакцинации, увеличения поглощения в опухолях химиотерапевтического агента и преобразования ДНК.

Электропорация в сравнении с ионофорезом

Электропорация обусловливает обратимую проницаемость липидного бислоя и включает в себя создание водного канала при применении электрического импульса. В отличие от этого метода, ионофорез в первую очередь обусловливает транспорт препаратов через уже существующие пути – например, потовые железы и волосяные фолликулы. В то время как в электропорации путь доставки препарата внутриклеточный, в ионофорезе такой перенос является межклеточным между существующим путем и клетками эпидермиса (рис. 7). Поэтому для одинакового количества приложенного усилия транспорт препарата (скорость проникновения и скорость поглощения) методом электропорации значительно выше, чем при ионофорезе.

Рис. 7. Механизмы транспорта препаратов

Поскольку механизм транспорта для этих двух электрических манипуляций различен, понятны и различия по молекулярному весу в ограничениях методов доставляемых препаратов. В то время как метод электропорации способен доставлять молекулы с большим молекулярным весом, возможности ионофореза ограничены молекулярным весом транспортируемого вещества до 7 кДа. Кроме того, механизм доставки методом ионофореза реализуется только для веществ, способных в силу внутренних физических характеристик образовывать заряженные молекулы. С другой стороны, механизм доставки препарата методом электропорации предусматривает его способность растворяться в воде и возможен для всех полярных, не имеющих заряда лекарственных средств.

Заблуждения и преимущества

Существует некоторая путаница в информационных маркетинговых материалах производителей, а также в ряде научных конференций и конгрессах − в терминологии и концепциях. Например, когда речь идет об использование термина «электропорация» применительно к воздействию гальваническим током (электрофорез). Это очень типичная и распространенная ошибка – применение термина «электропорация» и термина «электротранспорт», или «электропермиабилизация», используется в случае применения электрического тока любого типа.

Употребление термина «аквапорины» (или Aquaphoresis) для названия обратимых водных каналов, созданных при электропорации, также недопустимо. После воздействия методом электропорации мембраны приобретают высокий уровень заряда, и вода нагнетается в липидную среду. Как только водный канал сформировался, вода становится поляризованной, тем самым стабилизируя его. Но эти водные каналы являются временными структурами в мембране и не имеют ничего общего с клеточными водными каналами – аквапоринами.

Аквапорины – это большое семейство трансмембранных белков, участвующих в трансэпителиальном и трансцеллюлярном движении воды. Эти белки делятся на две группы: те, которые отвечают только за транспорт воды, и те, которые также участвуют в транспорте глицерина и других малых молекул, таких как молочная кислота. Кроме того, аквапорины активируются витаминами, стероидами и другими химическими сигналами, а не создаются под влиянием электрических сигналов, как ионные каналы. Даже взятые все вместе, эти белки не могут быть вовлечены в поставку молекул лекарственных средств.

Другая распространенная ошибка на рынке услуг заключается в том, что все устройства на основе технологии электропорации якобы имеют одинаковую эффективность. Хотя все эти приборы применяют высокие напряжения, они различаются по форме волны, скорости и силе. За последние три десятилетия оборудование для электропорации было существенно усовершенствовано: появилась возможность независимого контроля амплитуды и длительности. Постоянно совершенствуются и оптимизируются способы доставки молекул.

Поиск идеального энхансера для проницаемости кожи в течение нескольких десятилетий находится в центре серьезного научного внимания. Хотя мощные энхансеры и были выявлены, в большинстве случаев их воздействие сопряжено с токсичностью и тем самым ограничивает их клиническое применение. В последние годы использование ряда биофизических методов позволило продвинуться в понимании природы барьера рогового слоя, дало возможность судить о способности химических веществ воздействовать на структуру рогового слоя. Именно выяснение механизмов взаимодействия энхансеров с роговым слоем поможет в разработке энхансеров с оптимальными характеристиками и минимальной токсичностью.
Для пациентов, у которых присутствует страх использования игл, или пациентов, не готовых рисковать, помня о возможных осложнениях, а также тех, кто не имеет возможности или желания тратить время на реабилитацию после инвазивной мезотерапии, техника неинвазивной трансдермальной доставки препарата имеет выраженные преимущества перед инъекцией или внутривенным введением препарата. Важен неинвазивный характер процедуры, ее удобство, отсутствие травм и деградации или поглощения вещества в желудочно-кишечном тракте. Несмотря на необходимость более высоких доз препарата и большее количество процедур, изрядное количество пациентов предпочитают неинвазивную процедуру инъекционной при условии достижения тех же результатов. Кроме того, большинство врачей сочетает традиционные приемы инъекционной мезотерапии с безыгольной технологией. Например, многие дерматологи вводят гиалуроновую кислоту в носогубные складки, а затем используют неинвазивные устройства для введения гиалуроновой кислоты, витамина С и т. д. по всему лицу − для общей терапии кожи.

Выводы

Эффективная доставка активных веществ в ткани на значительную глубину требует того, чтобы концентрация и количество поставляемого вещества не претерпевали существенных разведений. При этом методы доставки и проникновения препарата должны быть быстрыми и не иметь ограничений в распределении веществ в соседние ткани. Поэтому методы неинвазивной мезотерапии и описанные технологии доставки активного вещества являются важнейшим аналогом инъекций с помощью шприца. Понимание технологических различий и особенностей методов могут оказать существенное влияние на выбор специалистом соответствующего оборудования для успешного решения проблемы пациента.

Литература

Bangaa A. K., Boseb S., Ghoshc T. K. Iontophoresis and electroporation: comparisons and contrasts // Int J of Pharm. – 1999. – № 179. – P. 1–19.
Barry B. W. Novel mechanisms and devices to enable successful transdermal drug delivery // Eur J Pharm Sci. – 2001. – № 14. – P. 101–114.
Bronaugh R. L., Maibach H. I. (Eds.). Percutaneous Absorption, Mechanisms–Methodology–Drug Delivery // Marcel Dekker, New York. – 1989.
Brown M. B., Traynor M. J., Martin G. P., Akomeah FK. Transdermal drug delivery systems: skin perturbation devices. In Methods in Molecular Biology, Vol. 437 // Springer (Humana Press). – 2008. – P. 119–139.
Cullander C. What are the pathways of iontophoretic current flow through mammalian skin? // Adv. Drug Deliv. – 1992. – № 9. – P. 119–135.
Denet A. R., Vanbever R., Preat V. Skin electroporation for topical and transdermal delivery // Adv Drug Deliv Rev. – 2004. – № 56. – P. 659–674.
Escobar-Chávez J. J., Bonilla-Martínez D., Villegas-González M. A., Rodríguez-Cruz I. M., Domínguez-Delgado C. L. The use of sonophoresis in the administration of drugs throughout the skin // J Pharm Pharm Sci. – 2009. – № 12. – P. 88–115.
Flynn G. L. (1989). Mechanism of percutaneous absorption from physicochemical evidence. In: Bronaugh R. L., Maibach, H. I. (Eds.), Percutaneous Absorption, Mechanisms–Methodology–Drug Delivery. Marcel Dekker, New York, pp. 27–51.
Gehl J. (2003). Electroporation: theory and methods, perspectives for drug delivery, gene therapy and research. Acta Physiol Scand, 177, 437–447.
Giardino R., Fini M., Bonazzi V., Cadossi R., Nicolini A., Carpi A. (2006). Electrochemotherapy a novel approach to the treatment of metastatic nodules on the skin and subcutaneous tissues. Biomed Pharmacother, 60, 458-462.
Helmstδdter A. (2001). The history of electrically assisted transdermal drug delivery (iontophoresis). Pharmazie, 56, 583-587.
Herreros F.O., Moraes A.M., Velho P.E. (2011). Mesotherapy: a bibliographical review. An Bras Dermatol, 86, 96-101.
Kanikkannan N. (2002). Iontophoresis based transdermal delivery systems. Biodrugs, 16, 339-347.
King L.S., Agree P. (1996). Pathophysiology of the aquaporin water channels. Ann Rev Physiol., 58, 619–648.
Kronemyer B. (2007). Study Confirms Electroporation Advantage 500 Times More Effective vs. Iontophoresis. Aesthetic Buyers Guide September/October (www.miinews.com)
Le Gac S, van den Berg A. (2012). Single cell electroporation using microfluidic devices. Methods Mol Biol, 853, 65-82.
Mathur V., Satrawala Y., Rajput M.S. (2010). Physical and chemical penetration enhancers in transdermal drug delivery system. Asian J Pharm, 4, 173-183.
Mitragotri S., Kost J. (2004). Low-frequency sonophoresis: a review. Adv Drug Deliv Rev, 56, 589-601.
Mitragotri S. (2005). Healing sound: the use of ultrasound in drug delivery and other therapeutic applications. Nat Rev Drug Discov, 4, 255-260.
Mitragotri, S. (2006). Current status and future prospects of needle-free liquid jet injectors. Nat Rev Drug Discov, 5, 543-548.
Monteiro-Riviere N.A., Inman A.O., Riviere J.E. (1994). Identification of the pathway of iontophoretic drug delivery: light and ultrastructural studies using mercuric chloride in pigs. Pharm Res, 11, 251–256.
Morrow D.I.J., McCarron P.A., Woolfson A.D., Donnelly R.F. (2007). Innovative strategies for enhancing topical and transdermal drug delivery. Open Drug Deliv J, 1, 36–59.
Murthy S.N., Hiremath R.R. (2001). Physical and chemical permeation enhancers in transdermal delivery of terbutaline sulphate. AAPS PharmSciTech, 2, 1–5.
Murthy S.N. (1999). Magnetophoresis: an approach to enhance transdermal drug diffusion. Pharmazie, 54, 377–379.
Naik A., Kalia Y.N., Guy R.H. (2000). Transdermal drug delivery: overcoming the skin’s barrier function. Research focuses, 3, 318‐326.
Neumann E., Schaefer-Ridder M., Wang Y., Hofschneider, P.H. (1982) Gene transfer into mouse lyoma cells by electroporation in high electric fields. EMBO J, 7, 841–845.
Neumann E., Sowers A., Jordan C. (1989). Electroporation and Electrofusion in Cell Biology. Plenum Press; New York.
Pistor M. (1976). What is mesotherapy? Chir Dent Fr, 46, 59-60.
Purves W.K., Sadava D., Orians G.H., Heller H.C. (2001). Life: The Science of Biology- 6th ed. Sinauer Associates, pp.316-317.
Raghvendra K., Satyanand T., Pramod Y., Sunanda S., Rajesh A.D., Tanvi D.P. (2010). Mesotherapy a non-surgical cosmetic medicine treatment: a review. Int J of Pharm Sci Rev and Res, 4, 45-47.
Rao R., Nanda S. (2009). Sonophoresis: recent advancements and future trends. J Pharm Pharmacol, 61, 689–705.
Rolf D. (2004). Strategies for Skin Penetration Enhancement. Skin care forum. 37.
Rotunda A.M., Kolodney M.S. (2006). Mesotherapy and phosphatidylcholine injections: historical clarification and review. Dermatol Surg, 32, 465-480.
Singh S., Singh J. (1993). Transdermal drug delivery by passive diffusion and iontophoresis: a review. Med Res Rev, 13, 569–621.
Tsong T.Y. (1991).Electroporation of cell membranes. Biophys J, 60, 297–306.
Weaver J.C., Vaughan T.E., Chizmadzhev Y.A. (1999). Theory of electrical creation of aqueous pathways across skin transport barriers. Adv Drug Deliv Rev, 35, 21-39.

Впервые опубликовано: KOSMETIK international journal, №2/2012, стр. 72-76