低频超声经皮给药治疗进展_孔杰

38 000 的右旋糖酐）均促渗效果明显，提示低频超声促渗 可用于促渗大分子化合物。
4. 其他因素协同作用：低频超声促渗可与化学促渗剂、 离子透入法、电穿孔法等多种方法联用，以增强其促渗的 效果。Polat 等［20］报道了化学促渗剂月桂基硫酸钠可以加 强低频超声的促渗效果，并认为这与以下机制有关：低频
DOI：10.3877/cma.j.issn.1672-6448.2016.01.004 作者单位：100730 北京协和医学院研究生院 1；100029 北京， 中日友好医院心血管外科 2 通讯作者：孔杰，Email：kilogram@
过阈强度之后，空化强度就随着超声强度的增强而增强。 阈强度与以下因素正相关：超声频率、环境压力，介质的 黏度，表面张力和离子浓度；而其负相关的因素包括：介 质温度和介质气体含量［9］。
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中华医学超声杂志 ( 电子版 )2016 年 1 月 第 13 卷 第 1 期 Chin J Med Ultrasound(Electronic Edition), January 2016, Vol.13, No.1
• 综述 •
低频声经皮给药治疗进展
孔杰 1 温见燕 2 张建彬 2 叶志东 2
2. 热效应：超声穿过介质时，介质会吸收部分能量转 变为热能，即超声的热效应。在人体中，超声热效应导致 的温度上升与以下因素相关：超声频率、强度，超声范围， 持续时间，以及血液流动等降低热量的能力。超声热效应 导致皮肤温度上升，使其扩散系数增加，从而增加了通透 性［10］。如果皮肤温度大幅升高或长期处于高温状态，会 导致表皮脱离烫伤、皮肤坏死等副作用，Boucaud 等［11］报 道了将无毛大鼠分别用低频超声和单纯热源加热，其中只 有低频超声组 24 h 后皮肤可观察到皮肤损伤，这提示低频 超声导致皮肤损伤并非单纯的热效应，同期对人应用低频 超声后未观察到皮肤损伤，提示人皮肤对低频超声耐受更 好。有报道用低频超声使皮肤温度升高 20°，甘露醇的通透 性提高了 35 倍；然而单独通过加热使皮肤温度升高 20°， 甘露醇的通透性仅提升了 25%。这提示热效应在低频超声 促渗中并不是主要机制。
空化作用需要介质中有气核存在，同时满足合适的超 声频率、强度。有文献报道空化作用可以发生在多种组织， 包括心、脑、肝、肌肉、血管组织等［8］，在皮肤的细胞及 细胞内结构有很多气核，因此可以产生空化作用。特别在 皮肤角质细胞及细胞间质含水量与气核均较多，故角质细 胞内易产生空泡从而形成水性通道。药物及大分子化合物 易于通过这些水性通道。Polat 也报道了不同的超声频率有 不同的空化机制，低频超声（20~100 kHz）的空化作用多 发生在表皮附近，而高频超声（＞ 0.7 MHz）多发生在皮 肤深部，这与空泡的直径有关；空泡直径和超声频率的关 系可通过 Plesset 和 Prosperetti 公式计算。综上所述，低频 超声促渗可更有效地提高皮肤特别是角质层的通透性，使 药物被动扩散更为迅速，也使大分子药物经皮促渗成为可能。
Mitragotri 等对人尸离体皮肤应用低频超声促渗（20 kHz、 125 mW/cm2）实验，证实在促渗 1 h、停止促渗 2 h 后，尸 皮对水的渗透率恢复到正常。并对无毛大鼠行在体促渗，发
现无毛大鼠促渗区皮肤完整，无不良反应。该研究未发现低
频超声促渗会对皮肤屏障功能造成长期损害，证实了低频促 渗超声的安全性［26］。Boucaud 等［11］用光镜和电子显微镜观 察了人皮肤和无毛大鼠在低频超声（强度为 0.25~7 W/cm2） 促渗后的皮肤变化。结果未发现人皮肤有损伤表现，证实 了低频促渗对人皮肤的安全性。Maruani 等［27］对志愿者 进行了一项随机、对照、双盲的在体实验，探讨低频超声
对 流， 同 时 应 用 离 子 透 入 和 超 声 促 渗 可 协 同 增 强 维 生 素 B12 的促渗效果。Kost 等［24］报道超声降低了电穿孔需要的 阈电压，并在同等电压条件下增强了电穿孔的效果，联合
应用超声与电穿孔有协同作用。
三、低频超声经皮促渗的安全性
美国 FDA 于 1997 年发布了超声安全指南，其中 2 个 主 要 参 数 是 机 械 指 数（mechanical index，MI） 和 热 指 数 （thermal index，TI）。要求 MI 不超过 1.9，TI 不超过 1.0［7］。 其中 TI 可以直接应用于低频超声条件下［25］。确定低频超声 的安全阈值是许多研究的重点。Boucaud 等使用频率 20 kHz、 声强 2.5 W/cm2 的连续模式超声对大鼠暴露 10 min，并使 用 4 mm 的塑料薄膜隔在大鼠和超声之间，结果未见表皮 损伤，但是在暴露后 24 h 观察到深部肌肉坏死，该研究提 示低频超声的安全研究必须考虑迟发性效应。Tezel 等观 察了猪皮在连续超声模式条件下无损伤的阈强度，结果为 从频率 19.6 kHz、声强 0.11 W/cm2 到频率 93.4 kHz、声强 2 W/cm2，该结果为低频超声促渗的可能安全范围提供了重 要参考。Boucaud 等认为人皮肤的安全温度不要超过 42°，在 人皮的离体实验和大鼠的在体实验中，频率 20 kHz 皮温不 超过该限制的阈强度为：连续模式 10 min、声强 2.3 W/cm2 和脉冲模式 1 h（10% 工作循环）、声强 2.4 W/cm2。
一、超声促渗的机制 皮肤包括角质层、表皮、真皮、皮下脂肪等多层结构， 是人体主要防御系统，其功能包括保持体温、抵挡紫外线 以及防御细菌和毒素等外源性有害物质。其中角质层在抵 抗病原体中最为重要［4］，所以角质层对外源性分子通透性 很低，是经皮超声促渗的主要障碍［5］。低频超声可以提高 皮肤尤其是角质层的通透性，可以有效促渗各种物理特性 的药物，也可促渗大分子蛋白类药物，其机制包括空化作用、 热效应、声微流作用和机械效应［6］。 1. 空化作用：空化作用即指超声在介质中传播时产生 压力变化导致空泡生成，空泡在声波的作用下振动、生长、 崩溃的现象［7］。产生的空泡可分为两种：亚稳定空泡和稳 定空泡。亚稳定空泡在超声场中迅速增大，当到达一定直 径后崩溃；而稳定空泡在超声场中稳定地摆动。其中亚稳 定空泡在低频超声促渗中更为重要［7］。空泡的崩溃产生能 量会导致周围组织移位，引起细胞膜脂质双分子层结构紊 乱、无序，这样周围的水就可以进入脂质区形成水性通道， 从而提高超声传播介质的通透性。 空化作用与超声强度有关。在某特定频率下能产生空 化作用的最小强度称为该频率的阈强度［8］。当超声强度超
超声促渗最早报道于 1954 年［1］，是以超声作为物理 促渗手段增加皮肤的通透性，使药物可以通过皮肤而吸收 入体。但由于皮肤通透性很低，早期超声渗透仅能适用于 一些低相对分子质量药物。Mitragotri 在 1995 年于 Science 上报道了低频超声（20~100 kHz）可明显提高皮肤对药物 的通透性，使得诸如胰岛素的一些大分子蛋白可以经皮给 药，效果良好。低频超声经皮给药相比静脉给药是一种无创、 无痛、感染风险低的给药途径，与口服给药相比具有无胃 肠道降解、无首关消除，并能提供长达 7 d 的药物持续释 放等优势［2］，因此也被称为第三代给药方法［3］，目前已 逐渐应用到多个临床科室。近年来低频超声经皮给药的研 究广泛开展，在实验及临床应用中日趋成熟。本文主要对 低频超声经皮给药的促渗机制、影响因素、安全性及临床 应用作一综述。
二、低频超声经皮促渗的影响因素 1. 超声频率与强度：Mitragotri 等［3］于 1995 年报道了 低频超声（20~100 kHz）突破了高频超声（＞ 0.7 MHz）仅 能促渗小分子化合物（相对分子质量＜ 500）的限制，成功 提高了皮肤对胰岛素、干扰素 -γ 和促红细胞生成素等大分 子物质的通透性。证实了低频超声的促渗效果大于高频超 声。Ueda 等［14］报道了对无毛小鼠离体皮肤分别使用不同 频率（41、158、445 kHz）和不同强度（60~300 mW/cm2） 的低频超声，观察到随着超声频率降低，空化作用的强度 上升，提示频率与促渗效果成反比。Tezel 等［15］在 2001 年 报道了在固定频率下存在一个最低超声强度，只有超过这 个强度才能发生低频超声促渗现象，该强度被称为阈强度。 阈强度随着频率的增加而增强。当超过阈强度后，促渗效 果与超声强度成正比。 2. 皮肤的不均一性：低频超声对皮肤的促渗作用在 皮 肤 上 并 非 均 匀 分 布， 某 些 区 域 渗 透 性 明 显 比 周 围 高， 被 称 为 局 部 运 输 区（localizedtransport regions ，LTRs）。 Kushner 等［16］报道了对猪皮肤低频超声促渗后，出现了散 在分布的、每个大小为 10~40 mm2 的 LTRs，其渗透性比 周围区域皮肤高了 80 倍。尽管非 LTRs 的渗透性也有所增 强，非 LTRs 的电阻较未超声处理的皮肤低了 170 倍，但 是 LTRs 皮肤的电阻较未超声处理区皮肤低了 5 000 倍。 Kushner 等［17］报道了随着低频超声频率的增加，LTRs 的分 布更趋向均一、弥散。典型的产生 LTRs 的频率在 60 kHz 左右，这提示了 LTRs 和非 LTRs 的渗透性不同，可能与 LTRs 产生了更多的水性通道有关。Polat 等［18］进一步报道 了超声在 LTRs 产生的孔半径＞ 300 Å，比非 LTRs 的孔半 径（18.2~18.5 Å）要明显增大，支持了之前的假说。 3. 药物的理化性质：药物本身的理化性质也与低频超 声促渗效果有关。有理论模型预测低频超声对药物的经皮 促渗效果主要依靠增加了药物的被动扩散系数，而非增加 了皮肤的渗透系数。Mitragotri 等［8］于 1995 年报道了对比 雌二醇、睾酮、黄体酮、肾上腺酮、苯、丁醇、咖啡因等 药物的超声经皮促渗效果，结果显示超声更倾向于提升那 些被动弥散速度较慢的药物。 Morimoto 等［19］报道了经低频超声促渗后，右旋糖苷 的渗透深度明显增加，但若丹明 B 的渗透深度与其无超声 处理被动渗透深度相似。考虑这与右旋糖酐为水溶性，而若 丹明 B 为脂溶性有关。因为低频超声促渗使对流增加开放 了水性通道，故对水溶性分子影响较大。同时该研究还观察 到低频超声促渗对不同相对分子质量的水溶性分子（相对 分子质量为 623 的钙黄绿素，相对分子质量分别为 4 400 和