離子液體輔助藥物經(jīng)皮遞送的研究進(jìn)展

江紫荊，淦甜甜，孫勇兵，張琦，金一，奉建芳，3，涂亮星

（1.江西中醫(yī)藥大學(xué)中藥固體制造技術(shù)國(guó)家工程研究中心，江西 南昌 330006；2.江西中醫(yī)藥大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330006，3.廣西中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，廣西 南寧 530200）

經(jīng)皮給藥系統(tǒng)具有避免肝臟首過(guò)效應(yīng)、胃腸道酶解、持續(xù)的治療作用和較好的患者依從性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是安全、無(wú)創(chuàng)給藥的有效途徑[1]。然而，由于皮膚具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，特別是最外層角質(zhì)層，阻礙了藥物向皮膚更深層次滲透[2?3]。原料藥、小分子和生物制品因其巨大的尺寸和物理化學(xué)性質(zhì)而不具備獨(dú)立穿透皮膚角質(zhì)層的能力，需要與皮膚微環(huán)境兼容的遞送載體來(lái)促進(jìn)藥物透皮吸收。

基于皮膚的獨(dú)特結(jié)構(gòu)以及藥物的理化性質(zhì)，研究人員提出了各種方法來(lái)改善藥物的滲透，包括物理方法（電穿孔、超聲滲透）、化學(xué)方法（化學(xué)滲透促進(jìn)劑）和制劑（微乳、固體脂質(zhì)納米粒）[4]。在某些情況下，離子液體（ionic liquids，ILs）具有比其他傳統(tǒng)增強(qiáng)策略更有效的增強(qiáng)效果，這歸因于其改變皮膚屏障功能和改變藥物物理化學(xué)性質(zhì)的多重功能：可逆改變皮膚最大屏障角質(zhì)層，促進(jìn)藥物透皮吸收；由相對(duì)較大體積的不對(duì)稱(chēng)陽(yáng)離子和陰離子組成，熔點(diǎn)一般小于100 ℃[5]；通過(guò)改變陰陽(yáng)離子比、陰離子烷基鏈、陰陽(yáng)離子種類(lèi)調(diào)整其性質(zhì)，從而改善藥物的溶解性[6?7]；在經(jīng)皮給藥系統(tǒng)中既是促進(jìn)劑又是溶劑，可使局部高濃度持續(xù)可控給藥，能夠深入皮膚且顯示抗菌活性[2]；可以制成膠束、乳劑等，或與其他技術(shù)結(jié)合促進(jìn)藥物透皮吸收[8]。

本文綜述了皮膚結(jié)構(gòu)，適用于經(jīng)皮遞送的ILs陰陽(yáng)離子種類(lèi)及其優(yōu)缺點(diǎn)，藥物經(jīng)皮吸收的途徑，及ILs 促進(jìn)藥物透皮吸收的機(jī)制，分類(lèi)介紹了影響ILs 促進(jìn)藥物皮膚吸收的因素，以期為透皮制劑研究提供新的思路。

1 皮膚結(jié)構(gòu)及ILs的陰陽(yáng)離子種類(lèi)

1.1 皮膚的結(jié)構(gòu)

皮膚覆蓋全身表面，保護(hù)人體免受外部病原體侵入和避免體內(nèi)水分蒸發(fā)[9?10]。皮膚主要分為3 層：表皮、真皮和皮下組織。表皮主要由角質(zhì)形成細(xì)胞、朗格漢斯細(xì)胞和黑色素細(xì)胞組成[11]，從外向里分為角質(zhì)層（最外層）、透明層、顆粒層、棘層和基底層（最內(nèi)層），見(jiàn)圖1[12]。皮膚最大的屏障是角質(zhì)層（stratum corneum,SC），在沒(méi)有SC 的情況下，藥物的透皮將增強(qiáng)約1 000倍[13]。SC的厚度約為10～20μm，由14～18 層扁平狀的角質(zhì)細(xì)胞組成。角質(zhì)細(xì)胞是富含角蛋白的細(xì)胞，由角質(zhì)體相互連接。角質(zhì)細(xì)胞間的間隙范圍為0.5～40 nm，充滿(mǎn)著脂類(lèi)、角蛋白細(xì)絲、微絲及其降解產(chǎn)物[14?16]。3～10 個(gè)角質(zhì)細(xì)胞組成群形成了“簇”，而簇間的路徑對(duì)分子通過(guò)的阻力較小[17]。細(xì)胞間脂類(lèi)是有序的雙層脂質(zhì)陣列，主要包括膽固醇、游離脂肪酸和神經(jīng)酰胺[18-19]。神經(jīng)酰胺結(jié)構(gòu)的多樣性可能提供了這些脂質(zhì)屏障的“緩沖”能力，使它們能夠適應(yīng)環(huán)境變化以及在一定程度上可逆改變屏障完整性的情況下滲入外來(lái)物質(zhì)。SC被認(rèn)為是一個(gè)脂類(lèi)隔室，SC下面的組織即真皮和皮下組織本質(zhì)上是親水性的。因此，親脂分子能夠快速、更容易地滲透到SC 中，真皮組織和皮下組織有利于極性分子的進(jìn)入[20]。

圖1 皮膚的表皮結(jié)構(gòu)[20]Figure 1 Epidermal architecture[20]

1.2 經(jīng)皮遞藥系統(tǒng)中ILs的陰陽(yáng)離子種類(lèi)

傳統(tǒng)來(lái)說(shuō)，適用于經(jīng)皮給藥的陰離子一般有香葉酸、蘋(píng)果酸、氨基酸、脂肪酸等，陽(yáng)離子一般為膽堿、咪唑、吡啶等?；谶@些陽(yáng)離子和陰離子組成的ILs 具有顯著的皮膚滲透促進(jìn)作用。Lim 等[21]研究表明：咪唑類(lèi)ILs 中的陽(yáng)離子（OMIM+）與模型膜內(nèi)陽(yáng)離子相互作用促進(jìn)了氨等小分子藥物通過(guò)膜的滲透；OMIM+具有很高的膜插入傾向，膜內(nèi)的平衡陽(yáng)離子濃度是ILs 溶劑中的47 倍；膜內(nèi)磷脂帶負(fù)電荷的磷酸鹽被夾在2 個(gè)OMIM+之間，形成能量上有利的OMIM+?磷酸?OMIM+類(lèi)型的配位；由于與脂類(lèi)脂肪酸相比，陽(yáng)離子烷基鏈的長(zhǎng)度較短，在膜的疏水核心中會(huì)產(chǎn)生空洞，導(dǎo)致膜變薄0.6 nm，因此促進(jìn)了藥物分子透皮。雖然咪唑類(lèi)離子液體對(duì)氨等小分子藥物有明顯的促進(jìn)透皮吸收作用，但同時(shí)具有毒性和較低的生物相容性[22]。膽堿是生物體中的常見(jiàn)成分，是維生素B 的基本成分[23]。膽堿還是生物膜的組成成分，可以通過(guò)和生物膜的相互作用增強(qiáng)藥物分子透皮滲透的作用。與含有咪唑陽(yáng)離子或吡啶陽(yáng)離子的ILs 相比，基于膽堿陽(yáng)離子的ILs具有低毒性、生物相容性和可生物降解性，但是還未證實(shí)在皮膚真皮以下部位是否會(huì)對(duì)藥物造成分解[24]。

2 藥物的經(jīng)皮吸收途徑

對(duì)于大多數(shù)藥物分子來(lái)說(shuō)，角質(zhì)層是經(jīng)皮吸收的最大屏障。藥物通過(guò)角質(zhì)層主要有3 條途徑，如圖2A、C、D 所示：A 是皮膚附屬器途徑，經(jīng)毛囊汗腺途徑被認(rèn)為是進(jìn)入皮膚的較短途徑[25]；C 是細(xì)胞旁途徑，藥物分子穿透該途徑需要經(jīng)過(guò)角質(zhì)細(xì)胞以及SC 中角質(zhì)細(xì)胞間隙；D 是跨細(xì)胞途徑，是一條富含角蛋白的細(xì)胞之間周?chē)鄣闹|(zhì)途徑。圖2B 是SC 脂質(zhì)雙層中水孔和窩陷途徑[26?28]，由于只占皮膚吸收的0.1%～1%[29]，被認(rèn)為起次要作用。圖2 中藥物通過(guò)4 種途徑都能到達(dá)皮膚真皮部位，直至毛細(xì)血管到達(dá)全身循環(huán)。

圖2 ILs促進(jìn)藥物經(jīng)皮吸收及藥物經(jīng)皮吸收途徑Figure 2 ILs promote drug percutaneous absorption and the pathways of percutaneous absorption

2.1 皮膚附屬物

皮膚附屬物主要是毛囊和汗腺，它們可以作為藥物進(jìn)入點(diǎn)，如圖2A 所示，2 個(gè)箭頭所指分別是毛囊和汗腺。毛囊由毛發(fā)、相關(guān)的皮脂腺和毛囊皮肌組成，可直接通向毛細(xì)血管[11]。此外，毛囊的外根鞘與表皮是連續(xù)的，可能會(huì)增加皮膚表面以下可供吸收的表面積。毛囊的毛孔直徑為10～70 μm 不等，汗腺為60～80 μm 不等，它們的密度因皮膚部位的不同而不同，大多分別占皮膚表面的0.1% 和0.01%[30?33]。毛囊包括潛在的藥物靶向區(qū)域：皮脂腺、隆突區(qū)、漏斗和毛發(fā)基質(zhì)細(xì)胞。漏斗下部被高密度的免疫細(xì)胞包圍，這是疫苗靶向的潛在部位[34]。毛囊生長(zhǎng)于真皮區(qū)域，可以直接接觸到毛細(xì)血管，因此可以使藥物更快和更有效吸收。

2.2 水孔和窩餡

SC脂質(zhì)雙層中存在水孔和窩陷，水孔和窩陷是一種尚未完全了解的復(fù)雜途徑[26，35]，如圖2B 所示。水孔位于SC 脂質(zhì)基質(zhì)的頭部區(qū)域，據(jù)報(bào)道范圍從0.3 nm 到（2.8±1.3）nm[36]。要穿過(guò)這些孔，藥物粒徑必須小于孔的直徑。據(jù)報(bào)道，窩陷的寬度約為（48.1±12.09）nm，長(zhǎng)度約為（183.9±95.03）nm[35]。

2.3 細(xì)胞旁途徑

細(xì)胞旁途徑是通過(guò)角質(zhì)細(xì)胞的縫隙，細(xì)胞間隙的寬度為納米級(jí)[36]。因此，這種途徑阻礙了大分子的滲透。另一方面，由于這種途徑是通過(guò)細(xì)胞間的脂質(zhì)雙層進(jìn)行的，所以要穿透該途徑的藥物分子必須具有平衡的脂/水溶解性。如圖2C 所示，細(xì)胞旁途徑的角質(zhì)細(xì)胞間的擴(kuò)散途徑是高度曲折的，增加了藥物穿透皮膚的距離，其路徑長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于角質(zhì)層厚度。因此，遵循細(xì)胞旁途徑的藥物還必須克服孔隙中的尺寸排斥效應(yīng)、角質(zhì)細(xì)胞表面的吸附和脂/水相變步驟[37?38]。

2.4 跨細(xì)胞途徑

跨細(xì)胞途徑是穿過(guò)細(xì)胞的途徑，如圖2D 所示。雖然跨細(xì)胞途徑比細(xì)胞間途徑短，但涉及多種不同的環(huán)境，包括水合角蛋白填充的細(xì)胞內(nèi)部、高度交聯(lián)的蛋白質(zhì)細(xì)胞包膜、角質(zhì)細(xì)胞表面的共價(jià)脂質(zhì)單層（脂質(zhì)包膜）以及細(xì)胞間游離脂質(zhì)，藥物分子在親水（水合角蛋白）和親脂（脂質(zhì)基質(zhì)）部分之間的連續(xù)分配有利于通過(guò)這種途徑滲透。該途徑涉及親水和親脂結(jié)構(gòu)域的多個(gè)分配?擴(kuò)散步驟，藥物分子的物理化學(xué)性質(zhì)將會(huì)影響該途徑，親水性藥物在擬穩(wěn)定狀態(tài)下可能有利于這一途徑。脂質(zhì)雙層被認(rèn)為是這一途徑經(jīng)皮滲透速率的決定步驟[39]。Korting等[40]已經(jīng)在人類(lèi)角質(zhì)形成細(xì)胞中證實(shí)了這種攝取途徑，即通過(guò)吞噬作用跨細(xì)胞攝取完整脂質(zhì)體。Nagai等[41]報(bào)道了在去除SC 的皮膚中細(xì)胞吸收酮洛芬納米粒小窩介導(dǎo)的內(nèi)吞作用、籠狀蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用和微吞飲作用。

3 ILs促進(jìn)藥物透皮的吸收機(jī)制

透皮吸收途徑雖然有多種，但每種途徑都阻礙了藥物分子往皮膚深層滲透。ILs 的出現(xiàn)極有可能促進(jìn)藥物穿透這些途徑。ILs 可逆地改變皮膚最大的屏障角質(zhì)層的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)藥物往皮膚深層擴(kuò)散。ILs 被認(rèn)為是一種有效的功能成分，具有較高的載藥量，同時(shí)維持制劑的穩(wěn)定性[42]。

3.1 提高藥物溶解度

大量的藥物由于水溶性差，分子量高，很難溶解在傳統(tǒng)有機(jī)溶劑中，導(dǎo)致經(jīng)皮吸收不理想[43?44]。在透皮給藥系統(tǒng)中，ILs 能夠提高藥物的溶解度，主要是因?yàn)镮Ls 中的陰陽(yáng)離子一部分與藥物相互作用形成多重氫鍵，另一部分破壞了藥物間原有的相互作用力。

Yuan等[45]制備了2種膽堿ILs，分別是膽堿甘氨酸（[cholinium][glycinate]，[Ch][Gly]）ILs 和膽堿丙氨酸（[cholinium][analinate]，[Ch][Ala]）ILs，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明2種ILs都提高了藥物布洛芬的溶解度，對(duì)布洛芬透過(guò)聚醚砜（PES）膜都有明顯的促進(jìn)作用，但[Ch][Gly]ILs 對(duì)布洛芬溶解度提高更明顯，這是因?yàn)閇Ch][Gly]ILs的摩爾質(zhì)量比[Ch][Ala]ILs的小且親水性強(qiáng)。Huang 等[46]研究超聲輔助ILs 對(duì)大豆分離蛋白（soy proteinisolate,SPI）的溶解度、粒徑及巰基（SH）含量的影響，結(jié)果顯示超聲輔助ILs 后SPI 比單一ILs處理的SPI粒徑小，SPI的溶解度以及SH含量顯著增加，特別是在超聲與低濃度的ILs 聯(lián)合處理后。超聲波可以產(chǎn)生高剪切能和湍流，從而將大的蛋白質(zhì)分子轉(zhuǎn)化為小的蛋白質(zhì)分子，SH含量的變化與SPI 溶解度的變化一致，主要原因是二硫鍵轉(zhuǎn)化為SH，導(dǎo)致蛋白質(zhì)展開(kāi)和解離[47]。

3.2 改變皮膚角質(zhì)層

ILs在與水接觸時(shí)解離為離子[48]。疏水性ILs輔助藥物透皮給藥時(shí)，擴(kuò)散到角質(zhì)層，削弱脂間相互作用，并將脂質(zhì)成分提取到皮膚表面的ILs 庫(kù)[49]。ILs 提取角質(zhì)層中的脂質(zhì)且陰陽(yáng)離子與皮膚組織液中的水相形成氫鍵，角質(zhì)層被暫時(shí)改變，從而促進(jìn)了藥物滲透到角質(zhì)層[50]。親水性ILs 打開(kāi)角質(zhì)層內(nèi)的緊密連接并增強(qiáng)皮膚流態(tài)化[51]，促進(jìn)藥物細(xì)胞旁及跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)，使藥物向皮膚深層擴(kuò)散。如圖2E所示，ILs 通過(guò)改變角質(zhì)層細(xì)胞排列的規(guī)律性和致密性，使皮膚結(jié)構(gòu)更具有滲透性，從而使藥物能更好地滲透到皮膚深層。大多數(shù)藥物會(huì)受到酸性或堿性環(huán)境的影響，這些環(huán)境會(huì)改變其固有特性[52]?；谌跛嵝曰驂A性成分的ILs有可能用于改變皮膚pH微環(huán)境以提高藥物穩(wěn)定性。這些ILs 可以用作緩沖劑，并在藥物周?chē)S持理想的pH 環(huán)境，以保護(hù)其免于降解[53]。Mehkam 等[54]研究了基于IL 的pH 敏感型納米載體遞送萘普生，將模型藥物萘普生包裹在這些對(duì)pH 敏感的正電荷納米載體中，分別考察了該藥物在無(wú)酶模擬胃液（SGF，pH=1）和模擬腸液（SIF，pH=7.4）中的體外釋藥特性。結(jié)果顯示在SIF中觀察到了較高的藥物釋放百分比，表明ILs 可能改變皮膚酸堿值，從而影響藥物的透皮吸收。

4 影響ILs促進(jìn)藥物透皮吸收的因素

ILs 是由陽(yáng)離子和陰離子在不同比例下組成的，這使得ILs 與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑相比具有很大的可調(diào)節(jié)性[55]。ILs的滲透增強(qiáng)能力因陰陽(yáng)離子比、陰離子的烷基鏈、陰陽(yáng)離子種類(lèi)不同而不同[56]。通過(guò)篩選合適的陰陽(yáng)離子制備ILs，可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)所需的溶劑性質(zhì)，以期在透皮領(lǐng)域發(fā)揮最大功效[57]。

4.1 ILs的陰陽(yáng)離子種類(lèi)

Almeida 等[58]研究制備了5 種不同的ILs，咖啡因和水楊酸被用作模型藥物，3 種為基于咪唑的[C2mim][Br]ILs、[C4mim][Br]ILs 和[C6mim][Br]ILs，2 種為基于膽堿的[Cho][Phe]ILs 和[Cho][Glu]ILs?；谀憠A的ILs 被證明更適合作為功能性成分，因?yàn)樗鼈儗?duì)藥物溶解度的影響更大，細(xì)胞毒性更低。在咪唑類(lèi)ILs，觀察到烷基鏈的大小影響它們?cè)鰪?qiáng)親水性藥物咖啡因的溶解和滲透的能力，同時(shí)也增強(qiáng)了ILs 的細(xì)胞毒性?；谀憠A的ILs 作為功能成分優(yōu)于基于咪唑的ILs，具有更高的藥物溶解性、滲透性和較低的細(xì)胞毒性?；谥舅岬腎Ls已被證明可以改善酸性藥物的經(jīng)皮吸收[59]。Wu等[56]研究基于膽堿的8 種不同ILs 對(duì)藥物透明質(zhì)酸的皮膚輸送，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)8種ILs均能增強(qiáng)透明質(zhì)酸的穿透能力，其中膽堿檸檬酸在體外和體內(nèi)結(jié)果中均發(fā)揮了最明顯的增強(qiáng)作用。

4.2 ILs的陰陽(yáng)離子比

Tanner 等[60]通過(guò)改變膽堿和香葉酸的比例，將胰島素裝載到不同比例的膽堿香葉酸ILs變體中，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)不同比例的膽堿香葉酸ILs 對(duì)胰島素透皮吸收的效果。結(jié)果表明陰陽(yáng)離子比中含有過(guò)量但不是單獨(dú)香葉酸的ILs（1∶2，1∶4）具有更好的促進(jìn)藥物透皮的能力，且每種變體ILs 都有不同的性質(zhì)。ILs 中的過(guò)量香葉酸在促進(jìn)胰島素透皮時(shí)分成兩部分，一部分與胰島素水分形成氫鍵，促進(jìn)了胰島素溶解；另一部分與皮膚中的水分形成氫鍵，避免了皮膚內(nèi)的水分對(duì)胰島素結(jié)構(gòu)的破壞。

4.3 ILs的烷基鏈

Wu等[61]采用Franz擴(kuò)散池研究不同烷基鏈膽堿類(lèi)ILs對(duì)酮康唑（Ketoconazole，KCZ）體外透皮吸收情況，結(jié)果顯示：膽堿香葉酸ILs能促進(jìn)KCZ在不同皮膚層（SC、表皮和真皮）的滲透，是對(duì)照組的2 倍，且在所有ILs 中表現(xiàn)出最強(qiáng)的滲透促進(jìn)能力；另外，膽堿香葉酸ILs對(duì)KCZ的增溶能力最強(qiáng)。烷基鏈對(duì)ILs 的溶解度起著至關(guān)重要的作用，基于羧酸的ILs中，烷基的長(zhǎng)度和支化程度以及羥基和羧基數(shù)目的不同都會(huì)導(dǎo)致KCZ 的溶解度不同。膽堿檸檬酸ILs的透皮效果較差與其對(duì)KCZ的低溶解度有關(guān)。

Wu等[56]通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究8種不同的ILs促進(jìn)透明質(zhì)酸（hyaluronic acid，HA）的透皮效果，結(jié)果表明8種ILs均能促進(jìn)HA 經(jīng)皮給藥，但不同有機(jī)酸的促進(jìn)作用有顯著差異，對(duì)滲透起主要促進(jìn)作用的基團(tuán)是烷基鏈中的羧基和雙鍵基團(tuán)。

探究ILs 的陰陽(yáng)離子配比，可以更好地將ILs 技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)皮給藥系統(tǒng)。已有一些相關(guān)文獻(xiàn)證實(shí)了ILs 的陰陽(yáng)離子不同對(duì)藥物溶解及透皮效果不同，見(jiàn)表1。

表1 ILs的陰陽(yáng)離子對(duì)藥物溶解及透皮的影響Table 1 The effects of anions and cations of ionic liquids on drug dissolution and transdermal penetration

5 展望

ILs作為新興化合物，能夠通過(guò)改變其自身組成離子來(lái)調(diào)整其性質(zhì)，與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑相比具有優(yōu)異的溶劑化性能。ILs應(yīng)用于透皮給藥系統(tǒng)時(shí)，可通過(guò)防止藥物降解、延長(zhǎng)藥物釋放時(shí)間來(lái)增強(qiáng)藥物吸收。ILs 充當(dāng)載體或包封體，保護(hù)藥物不被微環(huán)境降解，并促進(jìn)其控釋放機(jī)制。盡管ILs 具有獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但它們應(yīng)用于經(jīng)皮給藥系統(tǒng)仍然存在許多挑戰(zhàn)。目前，ILs 與皮膚屏障的特定相互作用知之甚少，而這些相互作用對(duì)于藥物給藥設(shè)計(jì)非常重要。ILs 的可電離離子在皮膚表皮以下不明確的作用機(jī)制，可能會(huì)對(duì)人體造成傷害，仍需進(jìn)行長(zhǎng)期的研究。ILs 的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高，現(xiàn)有的研究表明ILs的儲(chǔ)存需要過(guò)多的惰性氣體或低溫環(huán)境。提高ILs在皮膚中以及儲(chǔ)存中的穩(wěn)定性，減少藥物沉淀風(fēng)險(xiǎn)，是ILs 應(yīng)用于藥物透皮給藥亟待解決的問(wèn)題。盡管仍存在以上局限性，到目前為止研究證明ILs在非侵入性藥物輸送中的作用具有積極的前景，有可能在提高安全性和有效性的同時(shí)改進(jìn)傳統(tǒng)治療方法。