好文分享 | 人工膜与离体皮肤的渗透博弈：布洛芬的渗透特性分析

 

 

 

引言

 

活性成分的皮肤渗透性评估在多个领域具有关键意义。药物活性成分（API）需有效渗透才能发挥治疗作用；农药在皮肤中的分布认知关乎人体健康；化妆品活性成分的皮肤递送量化数据则为产品功效宣称提供科学依据。为量化和预测经皮渗透性能，科研人员已研发出多种皮肤模型。早期皮肤传质模型主要采用旋转扩散池等装置，其中以浸渍肉豆蔻酸异丙酯（IPM）的滤纸模拟皮肤脂质相。其他用于模拟皮肤渗透的脂质还包括十四烷、亚油酸及IPM中的磷脂分散体系。值得注意的是，Washitake等曾研究采用IPM浸渍的蛋壳膜作为实验材料——该膜经盐酸去除蛋壳后，主要成分为富含角蛋白的生物膜。随着对皮肤脂质组成认知的深化，后续研究开始采用更接近真实皮肤脂质构成的混合体系，包括磷脂酰胆碱、二棕榈酰磷脂酰胆碱、神经酰胺、胆固醇、棕榈酸胆固醇酯、亚油酸及三硬脂酸甘油酯等成分。

体外渗透研究亦采用聚二甲基硅氧烷等简单聚合物膜开展。此类研究虽有助于探究特定制剂中活性物质的热力学活性，但无法揭示辅料与皮肤间的特异性相互作用。组织培养模型的出现推动了人造皮肤等效物（HSE）的研发热潮，随后涌现出包括Epiderm™、Episkin™及Labskin™在内的多种商业化模型。这类HSE通常以正常人角质形成细胞和/或成纤维细胞培养体系为基础，具有活跃的代谢及有丝分裂能力。尽管有报道称HSE会高估药物在人体皮肤中的实际渗透量，但它们在毒性及刺激性测试中仍被常规使用。

近年，平行人工膜渗透模型（PAMPA）作为可能适用于皮肤渗透研究的高通量筛选系统被研发出来。该模型最初用于预测胃肠道吸收，并曾作为血脑屏障的潜在研究模型。该模型由合成神经酰胺、胆固醇及游离脂肪酸的混合物构成，并固定于96孔板中使用。在皮肤渗透研究领域，目前通过PAMPA模型评估的分子及制剂数量仍较为有限。

本研究采用PAMPA模型考察了两种市售制剂与两种简易溶液中模型药物布洛芬的渗透特性，并将数据与人工硅酮膜、猪皮肤及人皮肤的渗透实验结果进行比对。本次评估选用的商用制剂包括IBUGEL™（布洛芬含量5% w/w）与IBULEVE™速效缓解喷雾（布洛芬含量5%）。此外，另制备了两种布洛芬制剂：分别以异丙醇为溶剂，配制成含聚乙二醇300（PEG300）或丙二醇（PG）的5% w/w溶液。本研究的另一项目标，在于确定PAMPA模型中的最佳给药剂量，该剂量应能最大程度模拟患者及消费者实际使用时的皮肤给药量。

 

人工膜累积渗透量远高于离体猪/人皮肤

 

在四种模型中，不同制剂的布洛芬累积渗透量及相应渗透百分比分别示于图1与图2。6小时后，硅酮膜与皮肤PAMPA模型的布洛芬渗透量相近（约140 μg/cm²），而猪皮肤与人皮肤的最大渗透量分别约为80 μg/cm²与40 μg/cm²。在所有研究的膜模型中，均观察到各制剂典型的曲线型渗透曲线（图1）。在人皮肤实验中，丙二醇制剂显示出显著更高的渗透性（p < 0.05）。在皮肤PAMPA模型中，丙二醇制剂与IBUGEL™、IBULEVE™在6小时后的渗透量亦存在显著差异。然而，无论是在猪皮肤模型的任一时间点，还是在硅酮膜6小时的实验中，均未观察到上述差异。猪皮肤中布洛芬渗透量高于人皮肤的结果与其他研究报道一致。

图1 布洛芬累积渗透量，制剂：IBUGEL^®（◆）、IBULEVE^®（■）、丙二醇（▲）及聚乙二醇300（●）。实验体系：（A）人皮肤、（B）猪皮肤、（C）硅酮膜，及（D）给药量为1 μL/cm²的皮肤PAMPA模型。

在24小时时间点，布洛芬在猪皮肤中的最大平均渗透率约为40%，而人皮肤中仅为4%左右——但人皮肤中的丙二醇制剂例外，其渗透率达到20%（图2）。虽然IBUGEL™中也含有丙二醇，但挥发性丙二醇溶液中的用量经过优化调整，以确保布洛芬达到最佳热力学活性。这可能是该载药系统具有更高布洛芬渗透性的原因。在PAMPA与硅酮膜模型中，6小时活性成分渗透率相对更高，数值范围达60%-100%。在4小时与6小时时间点，商用凝胶制剂IBUGEL®透过硅酮膜的布洛芬渗透量显著低于所有其他制剂（p< 0.05）。

图2 布洛芬渗透百分比，制剂：IBUGEL^®（◆）、IBULEVE^®（■）、丙二醇（▲）及聚乙二醇300（●）。实验体系：（A）人皮肤、（B）猪皮肤、（C）硅酮膜及（D）给药量为1 μL/cm²的皮肤PAMPA模型。

图3展示了所有制剂在PAMPA模型中三种不同给药剂量（1μL、3μL及30 μL）下的药物累积渗透量及渗透百分比。在30 μL给药量下（图3A、3B），渗透曲线总体呈线性特征，符合无限给药的动力学特征。6小时时，两种商用制剂的布洛芬渗透量存在显著差异，凝胶制剂与所有其他制剂之间亦存在显著差异（p < 0.05），但丙二醇与聚乙二醇300制剂间无统计学差异。这一结果与离体人皮肤有限剂量研究形成鲜明对比——在离体人皮肤研究中未发现两种商用制剂的渗透量差异。总体而言，PAMPA模型中丙二醇与聚乙二醇300溶液的布洛芬渗透量显著高于商用制剂（p < 0.05）；而在离体人皮肤研究中，仅丙二醇制剂相较于其他所有制剂表现出显著更高的渗透性。

商用制剂间的渗透差异可能源于不同辅料对布洛芬渗透性的影响。两种制剂均含工业甲基化酒精（IMS）或变性乙醇。凝胶剂含丙二醇，而喷雾剂不含丙二醇。此外，喷雾剂的挥发特性可能导致其在PAMPA膜上的滞留时间短于凝胶。商用喷雾剂与简易溶液剂的差异还可能反映挥发性组分绝对含量的不同。要合理解读这些数据，仍需对特定辅料与PAMPA脂质混合物开展进一步研究。

图3 PAMPA模型中IBUGEL^®（◆）、IBULEVE^®（■）、丙二醇（▲）及聚乙二醇300（●）制剂的布洛芬累积渗透量及渗透百分比。给药剂量分别为：30 μL/孔（A与B）、3 μL/孔（C与D）、1 μL/孔（E与F）。

正如预期，与30 μL给药量相比，1 μL和3 μL剂量下的布洛芬累积渗透量出现下降，且两种商用制剂在6小时的渗透量无显著差异。这一现象与高剂量（30 μL）条件下制剂辅料对膜传输的放大效应相符。正如我们既往指出，无限剂量研究数据不可外推至有限剂量条件。在3 μL剂量下，含丙二醇与聚乙二醇300制剂的布洛芬渗透量显著高于两种商用制剂（p < 0.05）；而在1 μL剂量时，仅丙二醇制剂的渗透量仍显著高于商用制剂（p < 0.05）。总体而言，在较低给药剂量下，各制剂在PAMPA模型中的渗透百分比均高于30 μL剂量。具体而言：商用制剂3 μL剂量给药6小时后，布洛芬渗透量约达280 μg/cm²，相当于给药量的60%-70%；1 μL剂量给药后，累积渗透量为90-100 μg/cm²，渗透百分比达64%-69%。值得注意的是，1 μL剂量的渗透量数值已接近猪皮肤与硅酮膜水平（图1），但其渗透百分比最接近硅酮膜数据。

综上所述，本研究采用人体皮肤、猪皮肤、皮肤PAMPA模型及硅酮膜对布洛芬的渗透性进行了对比分析。6小时渗透实验表明，布洛芬在PAMPA模型中的渗透性普遍高于人体皮肤，且其渗透数据与硅酮膜结果相当。就特定制剂而言，PAMPA模型中的渗透量也高于猪皮肤模型。与硅酮膜类似，皮肤PAMPA膜的组成结构具有均质性和惰性特征，这种膜特性可能是其实验结果变异度较低的主要原因；而猪皮肤与人体皮肤因生物膜结构的复杂性，其结果自然具有更高变异性。

尽管未调整PAMPA模型的实验时长，但考虑到布洛芬在该模型中较高的渗透百分比，缩短实验时间可能更为适宜。研究确认1 μL（3.3 μL/cm²）的给药条件最接近真实有限剂量场景，但需注意该结论可能具有药物特异性。值得注意的是，在人体皮肤中递送效率最高的制剂，在PAMPA模型1 μL给药条件下同样表现最佳。此外，PAMPA模型对制剂组成差异（如凝胶剂与溶液剂）展现出更高灵敏度。目前正在开展拓展研究，以确定适用于PAMPA筛选的分子与制剂范围，这将为优选适合该模型的评估制剂提供理论依据。

文献数据清晰地表明，人工膜在药物累积渗透量和渗透率上，与猪皮肤、尤其是人皮肤存在巨大差距——人皮肤极低的渗透参数，揭示了其与人工膜在屏障功能上的本质不同。因此，在面向人体的药物或产品研发中，离体人类皮肤模型是评估活性成分渗透行为的首选生物膜材料。

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参考文献：

Luo L, Patel A, Sinko B, Bell M, Wibawa J, Hadgraft J, Lane M E. A comparative study of the in vitro permeation of ibuprofen in mammalian skin, the PAMPA model and silicone membrane[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2016, 505(1-2): 14-19. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2016.03.043.