Трансдермальный перенос прокаина в присутствии диметилсульфоксида

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ОНИ наноструктур и биосистем. Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского. ул. Астраханская, 18/3. г. Саратов, 410012. Россия. Тел.: (8452) 21-07-58.

Трансдермальный перенос прокаина в присутствии диметилсульфоксида

Ланчук Александра Ильинична, Селифонова Екатерина Игоревна,

Чернова* Римма Кузьминична и Доронин+ Сергей Юрьевич

E-mail: Doroninsu@mail.ru

Аннотация

Статья публикуется по материалам доклада на “Международном научном форуме

Бутлеровское наследие - 2015”. http://foundation.butlerov.com/bh-2015/

Поступила в редакцию 14 декабря 2014 г. УДК 544.34 : [615.262 + 615.211].

В статье рассмотрен перенос прокаина через мембрану кожи человека в отсутствие и в присутствии диметилсульфоксида (ДМСО). Рассчитаны параметры массопереноса: J (мкг•см-2•ч-1), D (см-2•ч), Р (см/ч). Показано, что ДМСО увеличивает коэффициент активности проникновения прокаина в 15 раз.

Ключевые слова: трансдермальный массоперенос, прокаин, диметилсульфоксид.

Введение

В последние годы способ трансдермальной доставки лекарственных средств является привлекательной альтернативой их традиционного введения (с помощью инъекций или перорально). Управляемый процесс диффузии действующего вещества лекарственного препарата позволяет обеспечить его быстрое и пролонгированное действие, а при непосредственном попадании в системный кровоток вещества не происходит негативного воздействия на слизистую желудочно-кишечного тракта, как в случае перорального применения. К достоинствам трансдермальных терапевтических систем (ТТС) относят удобство их применения без потерь лекарственного вещества, безопасность и безболезненность в использовании, а также возможность варьирования доз и прекращения лечения в любой момент.

Трансдермальный транспорт обеспечивает прохождение молекул лекарственных веществ через кожу различными путями: интрацеллюлярно (через межклеточное пространство), трансцеллюлярно (проникая через клеточные мембраны) и через придатки кожи (волосяные фолликулы, железы) [1]. Однако имеются некоторые ограничения, связанные, прежде всего, с необходимостью прохождения молекулами лекарства кожного покрова. Наиболее труднопреодолимым барьером является роговой слой эпидермиса кожи (stratum corneum - SC), состоящий из погибших кератиноцитов, заполненных кератином, и липидов кожного сала [2]. Для эффективной трансдермальной доставки молекула лекарства должна быть нейтрально заряженной, так как положительный или отрицательный заряд молекулы может затормозить ее продвижение через гидрофобную среду, представленную кожным салом и клеточными мембранами. Кроме того, для успешного прохождения через кожу масса молекулы не должна превышать 500 Да [3]. Также существуют иные методики увеличения проникновения лекарственного вещества через кожу: к ним относятся, как пример, микроиглы, ионофорез, ультрафонофорез и электропорация. Однако эти способы не универсальны и требуют дальнейших разработок.

Ещё одним средством усиления проникновения лекарственных средств через роговой слой кожи является использование определенных веществ, называемых усилителями проницаемости кожи (УП). На сегодняшний день изучено более 360 химических веществ-энхансеров (от англ. enhancer - усилитель, увеличитель) [4], в том числе терпены, сульфоксиды, лаурокапрамы, пирролидоны, жирные кислоты и спирты, предельные спирты и гликоли, сложные эфиры, фосфолипиды, поверхностно-активные вещества, мочевина, и так далее. Тем не менее, в результате их несовместимости в разработках или ввиду их раздражающего действия на кожу при местном применении на сегодняшний день существует не так много препаратов, вышедших на мировой рынок, что, в свою очередь, определяет необходимость подбирать и изучать всё новые и новые системы для трансдермальной доставки лекарств. Примеры некоторых энхансеров приведены в табл. 1 [4-6].

Табл. 1 Усилители проницаемости (УП)

Прокаин - синтетический препарат, принадлежит к группе местноанестезирующих средств, оказывает местное обезболивающее действие, после всасывания в кровь - противовоспалительное, анальгезирующее, антигистаминное, десенсибилизирующее и антитоксическое действие, уменьшает спазмы гладкой мускулатуры, снижает возбудимость сердечной мышцы:

Рис. 1

Прокаин применяется для местного обезболивания, для инфильтрационной анестезии, новокаиновой вагосимпатической и паранефральной блокады, анестезии зон Захарьина-Геда, для обезболивания при родах, для анестезии в стоматологической практике, для проводниковой и сакральной анестезии, для анестезии по методу инфильтрации тканей, для эпидуральной и спинномозговой анестезии, для потенцирования действия основных наркотических средств при общей анестезии. Прокаин растворим в воде (1:1) и этаноле (1:8), плохо растворим в хлороформе. В щелочной среде легко гидролизуется; в качестве стабилизатора используют 0.1 н. раствор НСl. Молекулярная масса прокаина <500 Да (272.81 Да) [6].

Диметилсульфоксид, (СН3)2SO, (димексид) - биполярный апротонный растворитель, является одним из самых эффективных переносчиков веществ через биологические мембраны, в том числе кожу человека. Обладая чрезвычайно низкой токсичностью, ДМСО широко используется в медицине и фармацевтике, существенно увеличивая проникновение через кожу веществ, растворенных в нем. ДМСО способен переносить гидрофильные и гидрофобные молекулы, а также обладает сразу несколькими механизмами, характерными для молекул-энхансеров. ДМСО нарушает целостность упорядоченной структуры цепей поверхностных липидов кожи, денатурирует кератин и изменяет свойства рогового слоя, а также взаимодействует с фосфолипидами и церамидами клеточных мембран, увеличивая их проницаемость и упругость, а также способствует открытию мембранных пор. Кроме того, ДМСО обладает собственным выраженным противовоспалительным эффектом за счет инактивации гидроксильных радикалов и улучшения метаболических процессов в очаге воспаления. Димексид применяется при воспалительных заболеваниях опорно-двигательного аппарата, оказывает анальгетическое и противовоспалительное действие, а также обладает умеренным антисептическим и фибринолитическим эффектом. Сочетание димексида и новокаина применяется для усиления противовоспалительного действия в виде компрессов и при электрофорезе [7-8].

Экспериментальная часть

Объекты исследования. Исходным раствором являлся раствор прокаина гидрохлорида для инъекций в ампулах с исходной концентрацией 5 мг/мл (0.5%). Рабочий раствор прокаина (0.05%) готовили путем разбавления исходного раствора (Vал = 20 мл) в колбе, вместимостью 200 мл. Градуировочные растворы с концентрацией прокаина от 0.0003% до 0.0012% готовили также разбавлением рабочего раствора. Объём раствора прокаина с концентрацией 0.018%, добавляемого в донорный отсек диффузионной ячейки, составлял 250 мл.

В качестве усилителя проницаемости кожи был выбран диметилсульфоксид (концентрат для приготовления растворов для наружного применения 99% чистоты). Смесь прокаина с энхансером готовили путем добавления 40 мл ДМСО и 72 мл прокаина в колбу, вместимостью 200 мл, для создания концентрации прокаина 0.018% и, соответственно, димексида 20%. Все разбавления проводили физ. раствором.

Образцы кожи человека были предоставлены Саратовским государственным медицинским университетом. Размер образцов кожи составлял 3.5Ч3.5 см, толщина h = 0.03 см, площадь мембраны кожи S = 12.25 см2. прокаин трансдермальный диметилсульфоксид лекарственный

Методы исследования. Массоперенос лекарственного вещества прокаина и его смеси с ДМСО изучали в опытах in vitro с помощью диффузионной ячейки [9], состоящей из 2-х частей (донорной и акцепторной), разделенной мембраной, в качестве которой применяли кожу человека. В акцепторную часть ячейки помещали приемную среду - физ. раствор, в котором хорошо растворяется прокаин. Его содержание в растворе приемной камеры контролировали методом спектрофотометрии. Для этого строили градуировочные графики зависимости оптической плотности от концентрации прокаина и его смеси с ДМСО в физ. растворе. Спектры поглощения исследуемых растворов регистрировали в диапазоне длин волн 200-360 нм (лmax = 290 нм).

Поток прокаина, прошедшего через единицу площади поверхности кожи (Q) за единицу времени определяют по формуле [10]:

J = dQ/dt = (dm/dt)/S= -D(dс/dx) (мкг•см-2•ч-1), (1)

где Q = m/As,

m - масса вещества в мкг, S - площадь, через которую идет массоперенос,

t - время, D - коэффициент диффузии (см2/с); dс/dx - градиент концентрации по расстоянию; знак минус отражает массоперенос вещества в направлении, соответствующем уменьшению концентрации (т.е. уменьшению химического потенциала).

Рис. 2 Зависимость количества вещества, прошедшего через единицу площади поверхности кожи, Q от времени t

При графическом способе определения потока лекарства J строят график (рис. 1). Линейная зависимость, исходящая из начала координат, позволяет применять первый закон Фика [2-4]: поток лекарства постоянен, что говорит о стационарной диффузии. Таким образом, значение потока J можно определить по тангенсу угла наклона прямой Q(t).

При наиболее простом модельном приближении в опытах in vitro, кожа рассматривается как инертная гомогенная мембрана. На стороне кожной мембраны, контактирующей с лекарственным веществом в донорной ячейке, концентрация лекарства очень велика, в то время как с другой стороны мембраны в акцепторной ячейке - концентрация лекарства пренебрежимо мала. Это позволяет записать уравнение (1) следующим образом [10-13]:

J = -D(dс/dx) ? Dсо/h ? DKср/h, (2)

где со и ср - соответственно концентрации прокаина на поверхности мембраны и в растворе;

K = со/ср

- коэффициент распределения диффундирующего вещества между мембраной (кожей) и раствором; h - толщина мембраны.

Для расчета коэффициента проницаемости нередко объединяют перечисленные выше параметры:

Р = KD/h, (3),

где Р - коэффициент проницаемости, имеющий размерность скорости (см/ч).

Совместное решение уравнений (2) и (3) приводит к соотношению:

J = Рсо, (4)

В связи с тем, что концентрация прокаина в акцепторной ячейке пренебрежимо мала по срав-нению с его концентрацией в донорном отсеке, для расчетов используют исходную концентрацию прокаина [10-13].

Коэффициент проникновения (ER - enhancement ratio), который измеряет активность проникновения вещества, рассчитывали по формуле:

ER = Р/Ро, (5)

где Р - коэффициент проницаемости прокаина в присутствии ДМСО, Ро - без него.

Результаты и их обсуждение

На рис. 2 приведены градуировочные графики для расчета концентрации прокаина в акцепторном отсеке диффузионной ячейки.

Рис. 3 Прокаин (0.018%) в физ. растворе (а). Смесь прокаина (0.018%) и ДМСО (20%) в физ. растворе (б)

Рис. 4 Кинетика массопереноса прокаина через мембрану кожи человека Прокаин (0.018%) в физ. растворе (а). Смесь прокаина (0.018%) и ДМСО (20%) в физ. растворе (б)

Анализ характера кинетических кривых (рис. 3) отображает массоперенос прокаина и его смеси с ДМСО в физ. растворе. Проведенный эксперимент смоделировал механизм проникновения прокаина через кожный барьер. Рассчитанные параметры массопереноса, представленные в табл. 2, доказывают, что димексид, который вводили в лекарственную композицию, усиливал скорость массопереноса проникновения прокаина.

Табл. 2 Параметры массопереноса прокаина и его смеси с димексидом

Выводы

1. Рассмотрены примеры некоторых механизмов действия для различных усилителей проницаемости лекарств, применяемых в трансдермальных терапевтических системах.

2. Определены параметры массопереноса прокаина через мембрану кожи человека в отсутствие и присутствии диметилсульфоксида: поток J (мкг•см-2•ч-1), коэффициент диффузии D (см-2•ч), коэффициент проницаемости Р (см/ч), коэффициент активности проникновения - ER. Показано усиление процесса массопереноса прокаина в присутствии ДМСО при соответствующем увеличении параметров J - в 22 раза, D, Р и ER - в 15 раз.

Литература

1. C.L. Pellanda. Topical bioavailability of glucocorticosteroids. Inauguraldissertation. Basel: University of Basel. 2006. 186с.

2. Bouwstra J.A., Honeywell-Nguyen P.L., Gooris G.S., Ponec M. Structure of the skin barrier and its modulation by vesicular formulations. Prog Lipid Res. 2003. №42. P.1-36.

3. S. Wiedersberg, R.H. Guy. Transdermal drug delivery: 30 + years of war and still fighting. Journal of Controlled Release. 2014. №190. Р.150-156.

4. Yang Chen, Peng Qua, Xiaochang Liu, Manli Wang, Liang Fang. Novel chemical permeation enhancers for transdermal drug delivery. Asian journal of pharmaceutical sciences. 2014. №9. P.51- 64.

5. C.J. Mbah, P.F. Uzor, E.O. Omeje. Perspectives on Transdermal Drug Delivery. J. Chem. Pharm. Res. 2011. Vol.3. №3. P.680-700.

6. Gьngцr S., Цzsoy Y. Systematic delivery of antihypertensive drugs via skin. Therapeutic delivery. 2012. Vol.3. №9. P.1109-1116.

7. R. Notman et al. The permeability enhancing mechanism of DMSO in ceramide bilayers simulated by molecular dynamics. Biophys J. 2007. Vol.93. №6. Р.2056-2068.

8. K. Marren. Dimethyl sulfoxide: an effective penetration enhancer for topical administration of NSAIDs. Phys Sportsmed. 2011. Vol.39. №3. Р.75-82.

9. Чернова Р.К., Селифонова Е.И., Евсеева О.С., Доронин С.Ю., Алешкина О.Ю., Загоровская Т.М. Диффузия цефазолина через мембраны кожи человека. Известия саратовского университета. Новая серия. Серия Химия. Биология. Экология. 2014. Т.14. Вып.1. С.33-37.

10. Barry B.W. Skin transport. Dermatological formulations. New York: Marcel & Dekker. 1983. P.95-126.

11. A.C. Watkinson, K.R. Brain. Basic mathematical principles in skin permeation. Dermatological and Transdermal Formulations. Ed. Walters K. New York: Marcel Dekker. 2002. P.61-68.

12. K.L. Smith. Penetrant characteristics influencing skin absorption. Methods for skin absorption. Eds. B.W. Kemppainen, W.G. Boca Raton. Reifenrath. Fla.: CRC Press. 1990. P.24-33.

13. M. Forster, M.-A. Bolzinger, Y. Fessi, S. Briancon. Topical delivery of cosmetics and drugs. Molecular aspects of percutaneous absorption and delivery. Eur. J. Dermatol. 2009. Vol.19. №4. P.309-323.

Размещено на Allbest.ru