Ультразвуковые волны двух разных частот создают крошечные пузырьки воды на поверхности кожи. Когда эти пузырьки лопаются, поверхность кожи слегка стирается, позволяя лекарствам легче проходить через кожу. Графика: Карл Шоллхаммер
Используя ультразвуковые волны, инженеры Массачусетского технологического института нашли способ повысить проницаемость кожи для лекарств, сделав трансдермальную доставку лекарств более эффективной. По мнению исследователей, эта технология может проложить путь к неинвазивной доставке лекарств или безыгольной вакцинации.
"Это может быть использовано для местных лекарств, таких как стероиды, например кортизол, системных лекарств и белков, таких как инсулин, а также антигенов для вакцинации, среди прочего," говорит Карл Шоллхаммер, аспирант Массачусетского технологического института в области химического машиностроения и один из ведущих авторов недавней статьи о новой системе.
Ультразвук – звуковые волны с частотами, превышающими верхний предел человеческого слуха, – может увеличить проницаемость кожи, слегка стирая верхний слой кожи, что является временным и безболезненным эффектом.
В статье, опубликованной в Журнале контролируемого высвобождения, исследовательская группа обнаружила, что применение двух отдельных пучков ультразвуковых волн – одного низкочастотного и одного высокочастотного – может равномерно повысить проницаемость на участке кожи быстрее, чем при использовании одного пучка. ультразвуковых волн.
Старшие авторы статьи – Даниэль Бланкштейн, Герман П. Meissner ’29, профессор химической инженерии в Массачусетском технологическом институте, и Роберт Лангер, Дэвид Х. Профессор института Коха в Массачусетском технологическом институте. Среди других авторов – Барис Полат, один из ведущих авторов и бывший докторант групп Бланкштейна и Лангера, и Дуглас Харт, профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте.
Две частоты лучше, чем одна
Когда ультразвуковые волны проходят через жидкость, они создают крошечные пузырьки, которые хаотично движутся. Как только пузырьки достигают определенного размера, они становятся нестабильными и лопаются. Окружающая жидкость устремляется в пустое пространство, создавая высокоскоростную "микроструи" жидкости, которая создает микроскопические ссадины на коже. В этом случае жидкостью может быть вода или жидкость, содержащая лекарство, которое необходимо доставить.
В последние годы исследователи, работающие над улучшением трансдермальной доставки лекарств, сосредоточили свое внимание на низкочастотном ультразвуке, потому что высокочастотным волнам не хватает энергии, чтобы заставить пузыри лопаться. Однако эти системы обычно вызывают ссадины в виде разбросанных случайных пятен по обрабатываемой области.
В новом исследовании команда MIT обнаружила, что сочетание высоких и низких частот дает лучшие результаты. Высокочастотные ультразвуковые волны создают дополнительные пузыри, которые лопаются низкочастотными волнами. По словам Шоллхаммера, высокочастотные ультразвуковые волны также ограничивают боковое движение пузырьков, удерживая их в желаемой области обработки и создавая более равномерное истирание.
"Это очень инновационный способ улучшить технологию, увеличивая количество лекарств, которые могут доставляться через кожу, и расширяя типы лекарств, которые могут доставляться таким образом," говорит Самир Митраготри, профессор химической инженерии в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, который не был частью исследовательской группы.
Исследователи протестировали свой новый подход с использованием свиной кожи и обнаружили, что она повышает проницаемость намного больше, чем одночастотная система. Сначала они доставили ультразвуковые волны, а затем нанесли глюкозу или инулин (углевод) на обработанную кожу. Глюкоза всасывалась в 10 раз лучше, а инулин в 4 раза лучше. "Мы думаем, что можем еще больше повысить качество доставки, настроив еще несколько вещей," Schoellhammer говорит.Неинвазивная доставка лекарств
Такую систему можно использовать для доставки любого типа лекарственного средства, которое в настоящее время вводится в капсулах, потенциально увеличивая дозу, которую можно вводить. Его также можно использовать для доставки лекарств от кожных заболеваний, таких как акне или псориаз, или для повышения активности уже используемых трансдермальных пластырей, таких как никотиновые пластыри.
По словам исследователей, трансдермальная ультразвуковая доставка лекарств также может предложить неинвазивным способом для диабетиков контролировать уровень сахара в крови путем краткосрочной или долгосрочной доставки инсулина. После ультразвуковой обработки улучшенная проницаемость может сохраняться до 24 часов, что позволяет доставлять инсулин или другие лекарства в течение длительного периода времени.
По словам исследователей, такие устройства также обладают потенциалом для введения вакцин. Уже было показано, что инъекции в кожу могут вызвать тип иммунного ответа, необходимый для иммунизации, поэтому вакцинация кожным пластырем может быть безыгольным и безболезненным способом доставки вакцины. Это будет особенно полезно в развивающихся странах, поскольку обучение, необходимое для введения таких пластырей, будет менее интенсивным, чем обучение, необходимое для введения инъекций. Группы Бланкштейна и Лангера сейчас занимаются этим направлением исследований.
Они также работают над прототипом портативного ультразвукового устройства и над способами еще большего повышения проницаемости кожи. До начала испытаний на людях потребуются испытания на безопасность на животных. U.S. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов ранее одобрило одночастотные ультразвуковые трансдермальные системы на основе работы Лангера и Бланкштайна, поэтому исследователи надеются, что улучшенная система также пройдет тесты на безопасность.
Исследование финансировалось Национальным институтом здоровья.