低频超声促渗研究进展

任瑞雪 韦永梅 郑驰超 彭虎

1 合肥工业大学 （合肥 230002）

2 阜阳师范学院 （阜阳 236032）

0.引言

经皮给药是指药物透过皮肤经毛细血管吸收进入体循环产生药效，以达到局部或全身治疗的一种给药途径。早在1954 年，Fellinger 和Schmidt 便用超声成功将氢化可的松导入手指关节治疗多发性关节炎[1]。早期的研究发现使用诊断用的超声波(1～3MHz) 仅能促进小分子药物的经皮吸收，且促渗效率很低。1995 年美国《科学》上首次报道了麻省理工三位科学家在利用低频超声波介导成功地将胰岛素透入体内的试验。此后近十年低频超声经皮给药已成为研究热点。现已有研究证明低频超声（20～60KHz）辐射并不会破坏药物的活性，且对水溶性药物，包括生物大分子有很明显的促渗效果[2]。Long 等人的研究表明在低频超声作用下，角质层脂质结构间形成的深且连续的亲水性通道可使一些大分子药物有效地跨越皮肤屏障进入体循环。Mitragotri 等人[3]发现胰岛素、γ-干扰素和促红细胞生成素这三种高分子量蛋白药物在低频超声作用下均能经皮渗透达到治疗所需血药浓度。

超声经皮给药在产生全身治疗作用的经皮给药中显示了很好的前景，相较于传统的皮下注射以及口服给药有许多优势：（1）免除了患者注射所带来的疼痛，低频超声作用于表皮并不会给患者带来疼痛刺激。（2）避免局部或血路感染的潜在危险，避免了不安全注射所带来的死亡可能。（3）药物吸收较快，同时避免了口服给药时的消化酶分解以及肝脏首过作用，降低毒副作用，可以使药物在体内维持在一定浓度，从而避免了波峰波谷效应，可以降低患者个体间的差异，大大减少了治疗用药量。（4）安全易操作，停止给与超声即后，靶组织的药物浓度也会迅速降低，且不会造成皮肤屏障功能的永久损伤。（5）对于类似于胰岛素的药物，需要长期皮下注射，可能会导致注射局部红肿、瘙痒等过敏反应及局部脂质萎缩或脂质增生。使用超声经皮给药可以在一定程度上避免这些状况的发生。

1.低频超声促渗的研究进展

1.1 超声促渗的机制

在正常情况下，药物经皮吸收有两种途径：一是透过角质层和活性表皮进入真皮被毛细血管吸收；另一途径是通过皮肤附属器吸收，如汗腺、皮质腺。在超声促渗过程中，超声对组织生物效应的机制包括：空化效应(cavitation)、热效应(thermal effects)、声微流(acoustic streaming)、辐射力效应(radiation effect)、衰减(attenuation)。目前被广泛研究认可的是主要机制为超声空化效应[4]。

空化效应：在超声波作用下，角化细胞-脂质分子层界面处空化气泡的振动引起角质层脂质双分子层的振动，同时界面处空化气泡破裂产生的冲击波，这些都会导致角质层脂质排列的无序化；空化气泡的振动能将大量的水穿透进入无序化的脂质区域形成水性通道，通过这些通道药物扩散更快[4]。

热效应：超声波在皮肤介质内传播时会衰减产热，引起皮肤的局部升温，可以增加药物的动能及扩散率，使皮肤的毛囊和汗腺扩张，促进治疗部位的血液循环[5]。然而能够引起皮肤温度明显升高的热效应仅发生在高频、高强度超声长时间辐射的条件下。另外，皮肤温度大幅升高或长期暴露在高温中，可能会导致表皮脱离、烫伤、表皮及皮下组织坏死等副作用[6]。因此，在低频超声促渗中热效应的作用虽然被许多学者支持，但仍存在质疑[7]。

声微流效应：有学者提出在皮肤表面附近由超声引发的微射流也会导致角质层脂质结构的扰乱，从而降低皮肤的保护屏障功能。Polat 等人[8,9]使用低频超声和月桂基硫酸钠（SLS）联合促进药物的经皮运输，对皮肤不同区域孔半径的计算分析，发现超声作用下在角质层的增强效应是不均匀的。

辐射力效应：有研究者层认为声波作用于皮肤或皮肤与耦合剂的界面时的直接作用力也是机制之一[10]。超声带动皮肤组织震动，促进血液循环和药物分子运输，也是目前许多超声理疗的依据，但Simonin[11]证明了声波产生的力是极其微小的，且对于增强皮肤渗透性的作用可以忽略不计。

也有研究报道过低频超声经皮给药的其他机制，如衰减、脂类的萃取等，但随着研究的深入，已证明这些机制的重要性相对较小或可归因于超声空化效应。

1.2 超声促渗的影响因素

低频超声促渗的影响因素主要有超声波频率、强度、温度、药物理化性质、皮肤的屏障作用强度、持续时间等。

超声频率：经大量实验验证，低频超声（20～60KHz）的促渗效果远远高于高频超声。随着超声频率增高，声波膨胀相时间变短，空化核来不及增长到可产生效应的空化泡，即使空化泡形成、声波的压缩相时间亦短，空化泡可能来不及发生崩溃，空化效应变弱。

超声强度：在一定范围内，超声波经皮渗透量与超声强度有密切关系。提高超声波强度会使空化效应增强，从而增强促渗效果。然而使用高强度超声有可能会对皮肤造成损害。

作用模式：超声作用有两种模式：在早期的研究中，常用的模式是超声和药物同时应用于皮肤上。这种模式有很好的可控性，促渗效果随着超声的关闭而减弱；另一种为超声预处理模式，即在使用药物之前照射超声，处理几个小时之后皮肤仍然保持较高的渗透性[12]。然而有实验发现，对皮肤上给糖皮质激素之前应用治疗超声会显著增加人体皮肤渗透性，而同时将治疗超声和糖皮质激素施加在皮肤上不提高药物穿透皮肤进入体内的效率[13]。

温度：在一定范围内，温度的升高可以促进血液的加速流动以使药物的扩散，同时有利于空化泡的产生，但是当温度高于某一值时，温度升高会使溶液的蒸汽压上升，减少了液体中的空化核，且气泡崩溃时其空化强度下降。

药物的理化性质：药物分子量和极性大小也是直接影响其渗透率的。与亲水性或者小分子量的物质相比，低频超声波诱导脂溶性或分子量较大的的药物经皮运输的促渗作用相对较小。

皮肤的屏障作用：由于不同人的肤质不同角质层厚度不一，甚至是同一个人促渗的作用位点的角质层厚度的区别，都会导致超声促渗的效果的不同。

1.3 超声促渗的应用

Tezel 等人[14]使用低频超声将少量破伤风类毒素导入小鼠体内，成功引发免疫反应，证明了低频超声不会破坏大分子量疫苗，且使用比皮下注射疫苗少很多的剂量即可以引起同等效果的免疫保护。Lee 等人[15]使用钹超声阵列进行小鼠实验，低频超声增强皮肤的渗透性后成功提取了组织液，并测定其血糖浓度，结果显示该方法测量值与直接测量血液中的血糖浓度有良好的相关性。

在超声经皮给药系统的研究方面，超声导药相关的各种产品也都根据不同的原理方法、不同的导入药物和应用等被研究和开发出来，在国外有Vyteris 离子导入贴片，SonoPrep 超声导入仪，以及各种经皮药物贴剂等。国内也有类似功能的装置开发出来。但超声波的剂量与强度、渗透量的增加及皮肤的损伤程度都有关，因此在更广范围的人类的临床应用前，必须对皮肤的经皮传输和承受能力做深入的研究。

2.双频超声经皮给药

在众多研究中，一种新的超声经皮给药方法被提出，该方法使用两个超声换能器同时发射不同频率的超声，以增加皮肤组织的渗透性[16]。

早在1997 年，在对超声的声化学效应进行研究时，冯诺等人[17]等首次将28kHz 与0. 87MHz 超声组合成双频正交辐照系统，并用电化学法与碘释放法研究发现了双频辐照系统给出的声化学产额远远超出两个单独辐照产额之和。表明相较于两个单频超声，正交双频超声的空化作用明显增强。此后，朱昌平、陈兆华[18]等使用碘释放法和ta 荧光法等方法分别对不同的频率正交组合的双频超声辐照系统进行空化效应的实验研究，也验证了这一结论。

近期，Schoellhammer 等人[16]设计的双频辐照系统同时发射正交的20KHz 和0.7MHz 的超声波。应用于铝箔腐蚀实验，结果显示同时应用两个不同频率超声作用时空化活动显著增加。在猪离体皮肤促渗实验中，也观察到同时使用高、低两种频率的超声协同作用会导致作用区域的渗透率大大提高。Polat 等人[9]用占空比为50%的20kHz（8 W·cm-2）和1MHz（1.5 W·cm-2）的超声，协同增透剂1% SLS，使得菊糖和葡萄糖在猪皮肤的渗透率相对于单频超声作用时分别增加了3.81 倍和13.6 倍。此外，Saletes 等人[19]表明，当使用双超声频率时，超声总强度在减少40%后仍可以引发空化效应。他们还发现，两个频率差越大，空化效应越强烈。

贲永光[20]等从超声电功率、超声作用时间和溶液温度来研究了单频和双频超声的空化效应。随着超声总功率的增加，超声的空化作用也在增加。在相同-的时间内，相较于单频超声分别作用的化学产额之和，总功率相同的双频超声作用的化学产额要高许多。

3.超声促渗与其他方法的协同应用

为了在较低的强度下得到更好的经皮渗透效果，许多研究者将超声导入法与其他经皮给药方法联合应用，并实验发现其促渗效果确实有更显著的提高。

Mitragotri 等人[21]研究发现将低频超声与1%SLS 的合用，可诱导皮肤对甘露醇的渗透性增加近200 倍，其增透效果远远高于两种方法单独应用。他们认为在与化学促渗剂联合使用时，降低了诱导皮肤渗透性的可检测的变化所需要的超声能量阈值，同时超声作用也促进促渗剂在角质层的渗透和分散，进一步提高了药物的渗透效果。

Polat 等人[8]进一步研究了低频超声和SLS的协同机制。他们分别使用20、40、60KHz 超声和SLS 协同作用于猪离体皮肤，测得钙黄绿素的经皮运输明显增强。他们发现协同效应作用下皮肤出现新的孔洞，孔半径远高于未经处理的皮肤样本，且不同作用区域的孔半径大小也有明显差别。在另一篇文章，Polat 等人[9]提出由于两亲分子倾向于吸附在空化气泡的气/水界面，SLS 和超声同时应用将导致两亲性与非两亲分子进入皮肤渗透量的增加。

Le 等人[22]研究了超声和离子导入联合应用的协同增强效应。他们认为一方面，超声波预处理降低了皮肤电阻，使得离子电渗疗法只需要较低的电压阈值即可诱导渗透增强；另一方面，合用也降低了超声功率阈值要求，在一定程度上减小了对皮肤的刺激性。

Hikima 等人[23]通过给无毛小鼠VB12促渗实验对超声与离子导入对皮肤的渗透性的协同作用也进行了探讨。发现协同作用下VB12在皮肤的溶解度和扩散系数均有增加。表明超声与离子导入的应用可以有效促进大分子进入血液循环系统。在另一篇论文[24]中他们研究了协同作用的机制，发现了与超声或离子导入单独作用时相比，协同作用时离子化物质的渗透曲线是不变的，而非离子化物质的渗透曲线是增加的。且分子量小于500Da 主要受离子导入的影响，而超过1000Da的则依赖于协同效应。

另外，也有许多学者对超声与电致孔、超声与激光细胞消融技术以及超声与微针技术的结合进行了研究，它们的协同增强效应也被实验验证，其作用机制也得到了广泛的研究探讨。

协同效应相较于原先单一的促渗方式可以降低超声或促渗剂的量及强度，提高了安全性和有效性，且保持较好的药物增透效果。尽管协同应用取得了较好的效果，但是由于制作的复杂性与成本，实际临床应用的经皮给药仍然是以单一的促渗方法为主。

4.超声促渗的安全性

早先Mitragotri[2]等人实验研究了低频超声对于皮肤屏障功能的损伤及其恢复能力。实验发现经低频超声辐射1h 后，皮肤的电阻值降到正常值的60%，且对水的渗透性明显增加，在停止超声辐射2h 后，表皮电阻值又恢复到72%，对水渗透性恢复正常；而在超声作用5h 后，测量停止辐射12h 后表皮对水的渗透性以及电阻值，发现相较于辐射刚停止时均得到了一定程度的恢复。由此表明较低功率的低频超声波并不会导致皮肤屏障功能的永久性损伤。

也有许多人对不同强度的低频超声作用下的皮肤组织损伤强度进行了研究，Singer[25]在高强度的超声作用下，观察到皮肤上出现红斑和水泡，若持续进行高强度超声辐照，可出现明显的皮下组织坏死，通过显微镜可观察到乳头状突起、真皮水肿、中性粒细胞聚集和毛细血管扩张等损伤。Boucaud[6]使用强度为2.5 W·cm-2的低频超声作用时，鼠皮肤出现轻微、短暂的红斑，持续照射可观察到更深层的损伤。通过分析损伤与表皮温度的变化，推断出鼠皮延迟性深层损伤并非仅由肤温度升高引起，还有可能是由强烈的空化效应造成的。

为了避免高强度的超声带来的皮肤损伤，使得在较低的强度低频超声作用下得到更好的增透效果。基于空化效应为超声促渗的主要机制，众多学者探究在不增高强度的条件下，提高空化效应的途径，纷纷提出双频超声促渗，超声与化学促渗剂、电致孔等协同作用的方法，并通过各种实验得到了不错的促渗效果。

5.总结

低频超声促渗应用于经皮给药拥有对皮肤损伤小，用药量少，高效无痛等特点。超声产生的空化效应以及热效应等可以增加皮肤的渗透性，使药物更易进入人体。但超声促渗技术还有很多局限性，目前对超声促渗技术的机制及其变化发生部位还存在一些争议，对于不同性质的药物采用的最佳的工作模式（超声的波形、频率、强度和作用时间等）的选择，以及皮肤对超声波的耐受性等还缺少深入系统的研究。因此,在超声经皮给药领域进行长期深入的研究和探索,会具有非常高的理论和实用价值。相信低频超声经皮给药必将成为一种安全有效、方便可控、经济环保的新型微创给药方式。

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