低頻超聲促滲研究進展

任瑞雪 韋永梅 鄭馳超 彭虎

1 合肥工業(yè)大學 （合肥 230002）

2 阜陽師范學院 （阜陽 236032）

0.引言

經(jīng)皮給藥是指藥物透過皮膚經(jīng)毛細血管吸收進入體循環(huán)產(chǎn)生藥效，以達到局部或全身治療的一種給藥途徑。早在1954 年，F(xiàn)ellinger 和Schmidt 便用超聲成功將氫化可的松導入手指關(guān)節(jié)治療多發(fā)性關(guān)節(jié)炎[1]。早期的研究發(fā)現(xiàn)使用診斷用的超聲波(1～3MHz) 僅能促進小分子藥物的經(jīng)皮吸收，且促滲效率很低。1995 年美國《科學》上首次報道了麻省理工三位科學家在利用低頻超聲波介導成功地將胰島素透入體內(nèi)的試驗。此后近十年低頻超聲經(jīng)皮給藥已成為研究熱點。現(xiàn)已有研究證明低頻超聲（20～60KHz）輻射并不會破壞藥物的活性，且對水溶性藥物，包括生物大分子有很明顯的促滲效果[2]。Long 等人的研究表明在低頻超聲作用下，角質(zhì)層脂質(zhì)結(jié)構(gòu)間形成的深且連續(xù)的親水性通道可使一些大分子藥物有效地跨越皮膚屏障進入體循環(huán)。Mitragotri 等人[3]發(fā)現(xiàn)胰島素、γ-干擾素和促紅細胞生成素這三種高分子量蛋白藥物在低頻超聲作用下均能經(jīng)皮滲透達到治療所需血藥濃度。

超聲經(jīng)皮給藥在產(chǎn)生全身治療作用的經(jīng)皮給藥中顯示了很好的前景，相較于傳統(tǒng)的皮下注射以及口服給藥有許多優(yōu)勢：（1）免除了患者注射所帶來的疼痛，低頻超聲作用于表皮并不會給患者帶來疼痛刺激。（2）避免局部或血路感染的潛在危險，避免了不安全注射所帶來的死亡可能。（3）藥物吸收較快，同時避免了口服給藥時的消化酶分解以及肝臟首過作用，降低毒副作用，可以使藥物在體內(nèi)維持在一定濃度，從而避免了波峰波谷效應，可以降低患者個體間的差異，大大減少了治療用藥量。（4）安全易操作，停止給與超聲即后，靶組織的藥物濃度也會迅速降低，且不會造成皮膚屏障功能的永久損傷。（5）對于類似于胰島素的藥物，需要長期皮下注射，可能會導致注射局部紅腫、瘙癢等過敏反應及局部脂質(zhì)萎縮或脂質(zhì)增生。使用超聲經(jīng)皮給藥可以在一定程度上避免這些狀況的發(fā)生。

1.低頻超聲促滲的研究進展

1.1 超聲促滲的機制

在正常情況下，藥物經(jīng)皮吸收有兩種途徑：一是透過角質(zhì)層和活性表皮進入真皮被毛細血管吸收；另一途徑是通過皮膚附屬器吸收，如汗腺、皮質(zhì)腺。在超聲促滲過程中，超聲對組織生物效應的機制包括：空化效應(cavitation)、熱效應(thermal effects)、聲微流(acoustic streaming)、輻射力效應(radiation effect)、衰減(attenuation)。目前被廣泛研究認可的是主要機制為超聲空化效應[4]。

空化效應：在超聲波作用下，角化細胞-脂質(zhì)分子層界面處空化氣泡的振動引起角質(zhì)層脂質(zhì)雙分子層的振動，同時界面處空化氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊波，這些都會導致角質(zhì)層脂質(zhì)排列的無序化；空化氣泡的振動能將大量的水穿透進入無序化的脂質(zhì)區(qū)域形成水性通道，通過這些通道藥物擴散更快[4]。

熱效應：超聲波在皮膚介質(zhì)內(nèi)傳播時會衰減產(chǎn)熱，引起皮膚的局部升溫，可以增加藥物的動能及擴散率，使皮膚的毛囊和汗腺擴張，促進治療部位的血液循環(huán)[5]。然而能夠引起皮膚溫度明顯升高的熱效應僅發(fā)生在高頻、高強度超聲長時間輻射的條件下。另外，皮膚溫度大幅升高或長期暴露在高溫中，可能會導致表皮脫離、燙傷、表皮及皮下組織壞死等副作用[6]。因此，在低頻超聲促滲中熱效應的作用雖然被許多學者支持，但仍存在質(zhì)疑[7]。

聲微流效應：有學者提出在皮膚表面附近由超聲引發(fā)的微射流也會導致角質(zhì)層脂質(zhì)結(jié)構(gòu)的擾亂，從而降低皮膚的保護屏障功能。Polat 等人[8,9]使用低頻超聲和月桂基硫酸鈉（SLS）聯(lián)合促進藥物的經(jīng)皮運輸，對皮膚不同區(qū)域孔半徑的計算分析，發(fā)現(xiàn)超聲作用下在角質(zhì)層的增強效應是不均勻的。

輻射力效應：有研究者層認為聲波作用于皮膚或皮膚與耦合劑的界面時的直接作用力也是機制之一[10]。超聲帶動皮膚組織震動，促進血液循環(huán)和藥物分子運輸，也是目前許多超聲理療的依據(jù)，但Simonin[11]證明了聲波產(chǎn)生的力是極其微小的，且對于增強皮膚滲透性的作用可以忽略不計。

也有研究報道過低頻超聲經(jīng)皮給藥的其他機制，如衰減、脂類的萃取等，但隨著研究的深入，已證明這些機制的重要性相對較小或可歸因于超聲空化效應。

1.2 超聲促滲的影響因素

低頻超聲促滲的影響因素主要有超聲波頻率、強度、溫度、藥物理化性質(zhì)、皮膚的屏障作用強度、持續(xù)時間等。

超聲頻率：經(jīng)大量實驗驗證，低頻超聲（20～60KHz）的促滲效果遠遠高于高頻超聲。隨著超聲頻率增高，聲波膨脹相時間變短，空化核來不及增長到可產(chǎn)生效應的空化泡，即使空化泡形成、聲波的壓縮相時間亦短，空化泡可能來不及發(fā)生崩潰，空化效應變?nèi)酢?/p>

超聲強度：在一定范圍內(nèi)，超聲波經(jīng)皮滲透量與超聲強度有密切關(guān)系。提高超聲波強度會使空化效應增強，從而增強促滲效果。然而使用高強度超聲有可能會對皮膚造成損害。

作用模式：超聲作用有兩種模式：在早期的研究中，常用的模式是超聲和藥物同時應用于皮膚上。這種模式有很好的可控性，促滲效果隨著超聲的關(guān)閉而減弱；另一種為超聲預處理模式，即在使用藥物之前照射超聲，處理幾個小時之后皮膚仍然保持較高的滲透性[12]。然而有實驗發(fā)現(xiàn)，對皮膚上給糖皮質(zhì)激素之前應用治療超聲會顯著增加人體皮膚滲透性，而同時將治療超聲和糖皮質(zhì)激素施加在皮膚上不提高藥物穿透皮膚進入體內(nèi)的效率[13]。

溫度：在一定范圍內(nèi)，溫度的升高可以促進血液的加速流動以使藥物的擴散，同時有利于空化泡的產(chǎn)生，但是當溫度高于某一值時，溫度升高會使溶液的蒸汽壓上升，減少了液體中的空化核，且氣泡崩潰時其空化強度下降。

藥物的理化性質(zhì)：藥物分子量和極性大小也是直接影響其滲透率的。與親水性或者小分子量的物質(zhì)相比，低頻超聲波誘導脂溶性或分子量較大的的藥物經(jīng)皮運輸?shù)拇贊B作用相對較小。

皮膚的屏障作用：由于不同人的膚質(zhì)不同角質(zhì)層厚度不一，甚至是同一個人促滲的作用位點的角質(zhì)層厚度的區(qū)別，都會導致超聲促滲的效果的不同。

1.3 超聲促滲的應用

Tezel 等人[14]使用低頻超聲將少量破傷風類毒素導入小鼠體內(nèi)，成功引發(fā)免疫反應，證明了低頻超聲不會破壞大分子量疫苗，且使用比皮下注射疫苗少很多的劑量即可以引起同等效果的免疫保護。Lee 等人[15]使用鈸超聲陣列進行小鼠實驗，低頻超聲增強皮膚的滲透性后成功提取了組織液，并測定其血糖濃度，結(jié)果顯示該方法測量值與直接測量血液中的血糖濃度有良好的相關(guān)性。

在超聲經(jīng)皮給藥系統(tǒng)的研究方面，超聲導藥相關(guān)的各種產(chǎn)品也都根據(jù)不同的原理方法、不同的導入藥物和應用等被研究和開發(fā)出來，在國外有Vyteris 離子導入貼片，SonoPrep 超聲導入儀，以及各種經(jīng)皮藥物貼劑等。國內(nèi)也有類似功能的裝置開發(fā)出來。但超聲波的劑量與強度、滲透量的增加及皮膚的損傷程度都有關(guān)，因此在更廣范圍的人類的臨床應用前，必須對皮膚的經(jīng)皮傳輸和承受能力做深入的研究。

2.雙頻超聲經(jīng)皮給藥

在眾多研究中，一種新的超聲經(jīng)皮給藥方法被提出，該方法使用兩個超聲換能器同時發(fā)射不同頻率的超聲，以增加皮膚組織的滲透性[16]。

早在1997 年，在對超聲的聲化學效應進行研究時，馮諾等人[17]等首次將28kHz 與0. 87MHz 超聲組合成雙頻正交輻照系統(tǒng)，并用電化學法與碘釋放法研究發(fā)現(xiàn)了雙頻輻照系統(tǒng)給出的聲化學產(chǎn)額遠遠超出兩個單獨輻照產(chǎn)額之和。表明相較于兩個單頻超聲，正交雙頻超聲的空化作用明顯增強。此后，朱昌平、陳兆華[18]等使用碘釋放法和ta 熒光法等方法分別對不同的頻率正交組合的雙頻超聲輻照系統(tǒng)進行空化效應的實驗研究，也驗證了這一結(jié)論。

近期，Schoellhammer 等人[16]設(shè)計的雙頻輻照系統(tǒng)同時發(fā)射正交的20KHz 和0.7MHz 的超聲波。應用于鋁箔腐蝕實驗，結(jié)果顯示同時應用兩個不同頻率超聲作用時空化活動顯著增加。在豬離體皮膚促滲實驗中，也觀察到同時使用高、低兩種頻率的超聲協(xié)同作用會導致作用區(qū)域的滲透率大大提高。Polat 等人[9]用占空比為50%的20kHz（8 W·cm-2）和1MHz（1.5 W·cm-2）的超聲，協(xié)同增透劑1% SLS，使得菊糖和葡萄糖在豬皮膚的滲透率相對于單頻超聲作用時分別增加了3.81 倍和13.6 倍。此外，Saletes 等人[19]表明，當使用雙超聲頻率時，超聲總強度在減少40%后仍可以引發(fā)空化效應。他們還發(fā)現(xiàn)，兩個頻率差越大，空化效應越強烈。

賁永光[20]等從超聲電功率、超聲作用時間和溶液溫度來研究了單頻和雙頻超聲的空化效應。隨著超聲總功率的增加，超聲的空化作用也在增加。在相同-的時間內(nèi)，相較于單頻超聲分別作用的化學產(chǎn)額之和，總功率相同的雙頻超聲作用的化學產(chǎn)額要高許多。

3.超聲促滲與其他方法的協(xié)同應用

為了在較低的強度下得到更好的經(jīng)皮滲透效果，許多研究者將超聲導入法與其他經(jīng)皮給藥方法聯(lián)合應用，并實驗發(fā)現(xiàn)其促滲效果確實有更顯著的提高。

Mitragotri 等人[21]研究發(fā)現(xiàn)將低頻超聲與1%SLS 的合用，可誘導皮膚對甘露醇的滲透性增加近200 倍，其增透效果遠遠高于兩種方法單獨應用。他們認為在與化學促滲劑聯(lián)合使用時，降低了誘導皮膚滲透性的可檢測的變化所需要的超聲能量閾值，同時超聲作用也促進促滲劑在角質(zhì)層的滲透和分散，進一步提高了藥物的滲透效果。

Polat 等人[8]進一步研究了低頻超聲和SLS的協(xié)同機制。他們分別使用20、40、60KHz 超聲和SLS 協(xié)同作用于豬離體皮膚，測得鈣黃綠素的經(jīng)皮運輸明顯增強。他們發(fā)現(xiàn)協(xié)同效應作用下皮膚出現(xiàn)新的孔洞，孔半徑遠高于未經(jīng)處理的皮膚樣本，且不同作用區(qū)域的孔半徑大小也有明顯差別。在另一篇文章，Polat 等人[9]提出由于兩親分子傾向于吸附在空化氣泡的氣/水界面，SLS 和超聲同時應用將導致兩親性與非兩親分子進入皮膚滲透量的增加。

Le 等人[22]研究了超聲和離子導入聯(lián)合應用的協(xié)同增強效應。他們認為一方面，超聲波預處理降低了皮膚電阻，使得離子電滲療法只需要較低的電壓閾值即可誘導滲透增強；另一方面，合用也降低了超聲功率閾值要求，在一定程度上減小了對皮膚的刺激性。

Hikima 等人[23]通過給無毛小鼠VB12促滲實驗對超聲與離子導入對皮膚的滲透性的協(xié)同作用也進行了探討。發(fā)現(xiàn)協(xié)同作用下VB12在皮膚的溶解度和擴散系數(shù)均有增加。表明超聲與離子導入的應用可以有效促進大分子進入血液循環(huán)系統(tǒng)。在另一篇論文[24]中他們研究了協(xié)同作用的機制，發(fā)現(xiàn)了與超聲或離子導入單獨作用時相比，協(xié)同作用時離子化物質(zhì)的滲透曲線是不變的，而非離子化物質(zhì)的滲透曲線是增加的。且分子量小于500Da 主要受離子導入的影響，而超過1000Da的則依賴于協(xié)同效應。

另外，也有許多學者對超聲與電致孔、超聲與激光細胞消融技術(shù)以及超聲與微針技術(shù)的結(jié)合進行了研究，它們的協(xié)同增強效應也被實驗驗證，其作用機制也得到了廣泛的研究探討。

協(xié)同效應相較于原先單一的促滲方式可以降低超聲或促滲劑的量及強度，提高了安全性和有效性，且保持較好的藥物增透效果。盡管協(xié)同應用取得了較好的效果，但是由于制作的復雜性與成本，實際臨床應用的經(jīng)皮給藥仍然是以單一的促滲方法為主。

4.超聲促滲的安全性

早先Mitragotri[2]等人實驗研究了低頻超聲對于皮膚屏障功能的損傷及其恢復能力。實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)低頻超聲輻射1h 后，皮膚的電阻值降到正常值的60%，且對水的滲透性明顯增加，在停止超聲輻射2h 后，表皮電阻值又恢復到72%，對水滲透性恢復正常；而在超聲作用5h 后，測量停止輻射12h 后表皮對水的滲透性以及電阻值，發(fā)現(xiàn)相較于輻射剛停止時均得到了一定程度的恢復。由此表明較低功率的低頻超聲波并不會導致皮膚屏障功能的永久性損傷。

也有許多人對不同強度的低頻超聲作用下的皮膚組織損傷強度進行了研究，Singer[25]在高強度的超聲作用下，觀察到皮膚上出現(xiàn)紅斑和水泡，若持續(xù)進行高強度超聲輻照，可出現(xiàn)明顯的皮下組織壞死，通過顯微鏡可觀察到乳頭狀突起、真皮水腫、中性粒細胞聚集和毛細血管擴張等損傷。Boucaud[6]使用強度為2.5 W·cm-2的低頻超聲作用時，鼠皮膚出現(xiàn)輕微、短暫的紅斑，持續(xù)照射可觀察到更深層的損傷。通過分析損傷與表皮溫度的變化，推斷出鼠皮延遲性深層損傷并非僅由膚溫度升高引起，還有可能是由強烈的空化效應造成的。

為了避免高強度的超聲帶來的皮膚損傷，使得在較低的強度低頻超聲作用下得到更好的增透效果?；诳栈獮槌暣贊B的主要機制，眾多學者探究在不增高強度的條件下，提高空化效應的途徑，紛紛提出雙頻超聲促滲，超聲與化學促滲劑、電致孔等協(xié)同作用的方法，并通過各種實驗得到了不錯的促滲效果。

5.總結(jié)

低頻超聲促滲應用于經(jīng)皮給藥擁有對皮膚損傷小，用藥量少，高效無痛等特點。超聲產(chǎn)生的空化效應以及熱效應等可以增加皮膚的滲透性，使藥物更易進入人體。但超聲促滲技術(shù)還有很多局限性，目前對超聲促滲技術(shù)的機制及其變化發(fā)生部位還存在一些爭議，對于不同性質(zhì)的藥物采用的最佳的工作模式（超聲的波形、頻率、強度和作用時間等）的選擇，以及皮膚對超聲波的耐受性等還缺少深入系統(tǒng)的研究。因此,在超聲經(jīng)皮給藥領(lǐng)域進行長期深入的研究和探索,會具有非常高的理論和實用價值。相信低頻超聲經(jīng)皮給藥必將成為一種安全有效、方便可控、經(jīng)濟環(huán)保的新型微創(chuàng)給藥方式。

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