低频超声透皮给药的研究进展与应用

低频超声透皮给药的研究进展与应用
屠熙1尹芹芹2张文胜2综述黄华1审校
1(四川人学电气信息学院医学信息工程系，成都610065)
2(四川人学华西医院麻醉与危重急救研究室，成都610041)
《生物医学工程学杂志》2008年06期
摘要低频超声可以增强包括大分子药物在内的许多药物的透皮传输，其主要机制是超声的空化作用，大多数人认为是通过改变角质层角化细胞排列结构来提高皮肤渗透能力的。

低频超声透皮给药已被人们用于离体实验和动物活体实验，到日前为止，无论是小分子透皮传输还是大分子透皮传输都有很多成功的例子。

但是真正通过低频超声透皮导入药物进行治疗的临床应用报道很少，需要更进一步大量的临床试验以确定其安全性与实用价值。

一旦其安全性得以证实，合适的低频超声透皮仪研制成功，低频超声快速透皮必将成为一种安全、有效、可控、经济的新型给药方式。

关键词低频超声超声导入空化作用增透效应
中图分类号R318.6;R312文献标识码A文章编号1001-5515(2008)06-1474-05
1引言
所谓超声透皮给药，是指超声可以增强包括大分子药物在内的许多药物的透皮传输。

最早文献报道超声透皮要追溯到1954年，Fellinger和Schmidt用超声成功导入氢化可的松药膏治疗手指关节的多发性关节炎[1]。

后来一系列实验证明超声对很多药物的渗透都是有效的[2]。

虽然，20kHz-16MHz频率范围内的超声都曾被用于提高皮肤的渗透系数，但是人们发现低频超声(f<100kHz)的增透效应更好[3，4]。

自美国麻省理工学院三位科学家在1995年8月美国《科学》第11期上首次报道了利用低频超声波介导，成功地将胰岛素透入皮内的试验后，利用低频超声介导透皮给药的研究已成为热点并引起广泛重视，并且大量基础研究已证实该种方法在给药途径上的优点。

低频超声导入法不仅能用于像利多卡因[5]、肾上腺酮这样的低分子量药物的透皮注入，还能用于胰岛素[6]、γ-干扰素和红血球生成素这样的高分子量蛋白的透皮注入。

本文就低频超声给药系统的促渗机制、实际应用及其安全性的论证做一综述。

2低频超声透皮给药机制
低频超声对组织生物效应的机制包括:热效应(thermal effects)、空化(cavitation)作用、声流作用(acoustic streaming)、衰减(attenuation。

通过一系列的实验证明，当低频超声用于透皮给药时，空化作用是最主要的机制。

2.1空化作用的原理
空化作用分为稳态空化和瞬时空化[7]。

稳态空化是指空泡的周期性膨胀和振动，而瞬时空化是指空泡的膨胀和破裂。

角化细胞(keratinocytes)脂质分子层界面处空化气泡(Cavication
bubble)的振动引起皮肤角质层脂质双分子层的振动，造成角质层脂质结构排列的无序化;在界面处空化气泡破裂产生的冲击波也有助于角质层脂质排列的无序化;空化气泡的振动能使大量的水穿透进入无序化的脂质区域形成水性通道，药物通过这些通道的扩散要比正常脂质通道快得多，因此，超声波导入法比被动扩散渗透效率高[8]。

2.2空化作用发生的位置
大多数人都认为空化作用主要发生在角化细胞脂质双分子层。

但也有人认为在低频超声处理过程中，空化作用主要发生在祸合剂(超声换能器和皮肤之间的液体)中[9]。

空泡的最大半径由超声频率和声压幅度决定，在低频超声处理条件下(超声频率为20-100kHz，声压幅度1 x105-2.4x105Pa)，估计最大空泡为10-100μm。

因为皮肤角质层的厚度大约为15μm，比空泡尺寸小，所以在低频超声处理过程中空化作用不太可能发生在角质层中(见图1)。

还有人认为空化作用不太可能改变角质层的结构，原因是角质层细胞没有足够的空间形成瞬间空腔，细胞问通道宽度仅0.O1-0.03μm，相反汗腺的直径有5μm，故有人认为当汗腺管口被软膏或胶封住时，汗腺管中充满着液体，药物在超声波的作用下可通过汗腺从汗腺壁上直接进入毛细血管网，而不再向下扩散进入真皮层。

因此空化作用的机制还有待于进一步研究。

3低频超声对药物透皮增强作用的研究
低频超声透皮给药已被人们用于离体实验和动物活体实验。

到目前为止，无论是小分子透皮传输还是大分子透皮传输都有很多成功的例子。

3.1对小分子药物的透皮渗透作用
Mitragotri等[2]实验证明用低频超声波(20kHz,125mW/cm2,100m是，脉冲1h)使7种化合物对人离体表皮的渗透系数提高3-5000倍。

表1中所列数值可知低频超声波使这些物质的皮肤渗透性获得较大的提高，亲水性物质提高更显著，这是因为超声渗透的空化作用在皮肤角质层脂质区产生水溶性通道，亲水性物质更易通过。

目前普通透皮给药制剂中这几种药物的被动扩散系数<0.02cm/h，而超声导入渗透系数可达0.O1-0.07cm/h，说明通过超声促渗可达更好的临床效果。

Fang等[11]应用连续、间断及不同强度低频超声(20kHz)模式对离体裸鼠皮肤进行了肾上腺皮质激素类药物丙酸氯倍他索透皮给药实验。

结果显示:低频超声波显著提高了该药在裸鼠皮肤
上的通透性。

在同样的能量下以不同的方式给予低频超声均可显著地影响药物在透皮时的渗透性和皮肤上的残留药物量。

实验还发现间断性给予低频超声比连续性给予更能提高皮肤的渗透性。

但是针对不同的药物，两种超声给予方式对其促渗效果是不同的。

Bouncand等分别用连续和脉冲式低频超声波(20kHz,2.5W/cm2)促进芬太尼和咖啡碱透过人离体表皮和无毛小鼠皮肤，效果显著。

但脉冲式低频超声波对芬太尼的促渗效果更好，而对于咖啡碱连续或脉冲式的效果相当[12]
3.2对大分子药物的透皮增强作用
早在1992年Tachihana就已报道在动物实验中采用超声波促渗成功地导入胰岛素。

后来，Mecelligott等的研究结果表明，即使经过24h的低频超声，胰岛素也不会被破坏[13].Mitragotri等[2]利用双相药池法研究低频超声波促进蛋白质大分子透过离体皮肤。

结果显示，低频超声波(20kHz)可以提高皮肤的渗透性使大分子蛋白质透过皮肤，是一种很有潜力的替代传统给药途径的方法，它使控制给药治疗如胰岛素、干扰素(分子量17000Da)、红细胞生成素(分子量48000Da)等成为可能。

此外还有关于猪血清白蛋白、促性腺激素类似物(GnRGa)、肝素[14]等大分子药物透皮传输的成功报道。

最近Kost等报道了利用低频超声(55kHz)透皮给药法进行局部麻醉剂-EM LA透皮传输的临床研究[15]。

他们随机选取了42个人作对比实验，三组为超声预处理后涂上1g的EM LA，观察时间分别为5,10,15min;一组为不采用超声处理，直接涂上药膏60min后观察。

分别对每组使用20g的针做疼痛测试，同时监测用55kHz低频超声预处理皮肤lOs后局部麻醉剂EM LA 的渗透速度。

通过对疼痛指数和病人参数分析，发现前三组和后一组的数据统计上没有太大差异，也没有出现任何不良反映。

从而得出结论利用低频超声透皮给药法进行局部麻醉剂EM LA透皮传输是一种安全、有效、快速的方式。

他们还利用低频超声波导入法进行了胰岛素透皮传输的临床研究。

3.3超声增透效应的扩展应用----超声透皮抽取组织液
利用低频超声透皮抽取组织液，分析测量组织液中的成分代替抽血测量血中的相应成分，这样不仅可以免除患者抽血的痛苦和感染的危险，而且可以实现相应成分的连续监测。

这方面的研究热点是葡萄糖检测，实验证明在超声预处理之后采用真空负压能抽取到足够的组织液进行连续的葡萄糖监测[16]。

M itragotri等[17]以老鼠为实验对象评估了超声透皮抽取葡萄糖与血糖之间的相关性。

无论是在低血糖区还是在高血糖区，葡萄糖透皮流量都与不断变化的血糖水平保持着很好的相关性。

预测血糖值与测量血糖值之间呈线性关系(r=0.97)。

最近，Lost等对糖尿病患者进行
了临床试验，在超声预处理之后采用被动扩散法收集葡萄糖，超声处理位置处的葡萄糖流量平均为11nmol/cm2*h-1[18]
3.4低频超声透皮给药系统的研制
超声透皮给药系统分为两类[2]:一类是超声和药物同时应用于皮肤上，这是低频超声给药系统第一种有效模式。

但这种类型的促渗效果随着超声的关闭而减弱，需要病人携带一个便携式的超声装置。

第二类是预处理超声透皮模式，即在使用药物之前照射超声。

使用这种方式，皮肤处理儿个小时之后仍然保持较高的渗透能力，病人无需穿戴便携式的超声装置。

目前研制的超声透皮给药仪大多数采用第二种模式。

吴弥群和朱贞国采用低频超声治疗仪，频率29.5kH z，功率0-20W可调，超声辐射面积为0.196cm2.随机分组对65例应用低频超声1%碘化钾溶液治疗复发性手足癣与65例用2%酮康吟霜治疗的对照组进行研究。

4超声透皮给药的安全论证
低频超声透皮给药被人们用于离体和动物活体的实验较多，但是真正通过低频超声透皮导入药物进行治疗的临床应用报道很少，一是缺少合适的超声透皮导入仪，更重要的是需更进一步的大量的临床试验以确定其安全性与实用价值。

Singer等应用不同强度能量和不同直径的传感器在狗身上进行低频超声的言法试验，研究发现小传感器头应用高强度的超声波可引起皮肤类似二度烫伤的反应，皮肤出现红斑和水泡;在显微镜下发现皮肤有乳头状突起、真皮水肿、中性粒细胞聚集和毛细血管扩张，可导致表皮坏死;持续高强度可出现明显的皮下坏死，而使用大面积探头(10cm2)未产生明显的损伤。

低频超声在小强度下能安全地促进药物透皮，产生微小的似风疹样的皮肤反应。

[3]
Sami:等使人离体皮肤分别接受低频超声波辐射(20kH z,1.25mW/cm2,100ms/s)1h和5h,测量辐射停止后12h透过皮肤至接受池中的水流量.同时测定表皮电阻的变化情况。

实验结果显示接受1h辐射后表皮在2h后即恢复正常值;电阻为正常的72%。

而在辐射5小时的实验中，表皮的渗透性在辐射后2h约为正常的6倍，12h后降低到正常的2倍;电阻降低较大，辐射停止时约为正常的5%,2h后升至10%[21]。

由此表明低频超声波不会导致皮肤屏障功能的长时间改变，但还须进一步研究。

Boucaud等通过体内和体外实验观察人体皮肤和无毛大鼠皮在低频超声波(20kH z,0.25一7W/cm2，连续或脉冲)的结构变化。

结果显示鼠皮肤在超声强度2.5W/cm2时出现轻微、短暂的红斑，24h后观察到更深层的损伤(皮肤和肌肉的坏死)。

强度为2.5W/cm2时人皮肤样品未见变化，说明在同样超声条件下大鼠皮肤比人皮敏感[22]。

低强度(≤2.5W/cm2)的低频超声用于促进局部透皮药物吸收是安全的。

而在高强度下，由于局部温度升高可导致皮肤灼伤。

5结语
超声透皮适用药物较广，不限于电离物质和水溶物质，药物也不会被电解破坏，不存在极化问题，无电刺激现象;与注射给药相比不存在感染的危险;与口服给药相比，不会被胃肠道降解。

应用此法可以用于局麻药快速透皮，将大分子蛋白质胰岛素透过皮肤而治疗糖尿病，红细胞生成素透入治疗严重性贫血，雌二醇作为雌激素的替代疗法治疗绝经期妇女，烟碱用于戒烟治疗，硝酸甘油用于减轻心绞痛，治疗皮肤病等。

目前，虽然低频超声快速透皮已经实现，但仍然存在不少的问题。

比如费用仍然比较昂贵，装置的设计上不够完美，操作不太方便，对皮肤的刺激、损伤等等。

在临床大量应用之前，科学家强调应进一步研究超声波对人体的效应及免疫系统的影响(如频率、波长、强度)。

只要实验结果证明其对人类是安全的，相信低频超声快速透皮必将成为一种安全、有效、可控、经济的新型给药方式。

参考文献
[1]Yang YS,Peng HY,Zhang GL.Advanczs in the investigation of transdermal therapeutic system.Chinese Polymer Bulletin,2002;1:49[杨石松.彭红石.章国林.透皮控释给药研究.高分子通报.2002;1:49]
[2]Mitragotri S,Kost,J.Low-frequency sonophoresis a review.Advanced Drug Delivery Heviews,2004;56:589
[3]Boucaud A,Garrigue M.Mache A,et al.Effect of sonication pzrrarneters on transdermal delivery of insulin to hairless rats.,J Corttrol Release,2002;4:113
[4]Yu HX.Transdermal enhancement of low-frequency ultrasound.Chinese Medical Equipment,Journal,2006;27(9):24[于海霞.低频超声增透效应.医疗卫生装各.2006;27(9):24]
[5]Tezel A,Sens A,'f uscherer,J,et al.l}requency dependence of sonophoresis.Pharm Res.2001:18:1694
[6]Smith NB.L ltrasoun mediated transdermal in vivo transport ofinsulin with low-profile cymbal arrays.Cltrasound Med Biol,2003:29:1205。