Фармакокинетика местных лекарств: трехкомпонентная модель

Хотя анализ фармакокинетики местных препаратов может потребовать описания сравнительно многочисленных структурных компонентов кожного покрова, в данном случае рассматриваются три из них, которые представлены на рисунке ниже: (1) поверхность кожи, (2) роговой слой и (3) жизнеспособная ткань. Сам препарат образует резервуар, из которого должно выделиться лекарственное вещество; для перкутанной абсорбции оно должно проникнуть в роговой слой, распространиться в жизнеспособный эпидермис, а через него в дерму и, наконец, достигнуть системного компонента через сосудистую сеть. Кроме того, вещество может диффундировать через дерму и гиподерму и проникать в подлежащие ткани. В таблице ниже показано, как, в пределах каждого структурного компонента, лекарство может распространяться по градиенту концентрации, связываться с определенными веществами или метаболизироваться. Величина или характеристики каждого структурного компонента могут со временем изменяться, и на факторы, определяющие диффузию в пределах каждого компонента, влияет патологическое состояние самого компонента, а также природа или фармакологическая/биологическая активность лекарственного вещества или его носителей.

Фармакокинетика местных лекарств: трехкомпонентная модель

а) Поверхность кожи:

1. Аппликации лекарственных форм на поверхность кожи. Лекарственные формы отличаются по своим физико-химическим свойствам, и это, как указывается в разделе «Формы местных препаратов», влияет на кинетику их высвобождения и/или абсорбции. Однако принципиальным моментом является то, что применяемые местно лекарственные продукты представляют собой небольшой структурный компонент, что ограничивает количество вещества, которое можно нанести на кожную поверхность. Когда пациент наносит на кожу дерматологический препарат, слой лекарства, покрывающий кожу, очень тонкий (примерно 0,5-2,0 мг/см2). Более толстые слои ощущаются как «неприятные» и сознательно или бессознательно стираются или размазываются на более обширные поверхности. Это ограничивает количество активного вещества, которое может эффективно контактировать с кожной поверхностью примерно до 5-20 мкг/см2 для 1% местного препарата.

Однако даже после втирания лекарственные препараты не остаются гомогенными в процессе пенетрации. Например, лекарственные формы, содержащие воду, спирт или подобные растворители, подвергаются быстрому испарению. Этот феномен пациенты легко распознают как ощущение охлаждения. Испарение вызывает быстрое возрастание концентраций нелетучих веществ на поверхности кожи, что может привести к образованию супернасыщенных «растворов» или, напротив, к осаждению активных ингредиентов. Лекарственные препараты могут также смешиваться с липидами кожной поверхности или со временем изменяться в составе, по мере того как абсорбируются их носители или действующие вещества. Все эти факторы в совокупности указывают на то, что после нанесения на поверхности кожи лекарственных препаратов могут произойти существенные изменения в их составе и структуре, которые могут повлиять на последующую биодоступность активных ингредиентов.

2. Резервуар. Функция резервуара была впервые описана Vickers, который установил, что простая окклюзия приводит к повторному возникновению вызванной глюкокортикоидом вазоконстрикции через несколько часов после ее первоначального затухания. Он интерпретировал этот эффект как повторное высвобождение глюкокортикоида из «резервуара», накопившегося в верхних слоях кожи.

Под резервуаром мы понимаем количество активного ингредиента, который все еще контактирует с нелетучими составляющими лекарственного препарата после его втирания в кожную поверхность. Вещество еще не проникло в кожу, но его уже нельзя удалить простым стиранием с поверхности или контактом с одеждой или другими тканями. Таким образом, резервуар закрепляется на поверхности кожи, оставаясь в кожных морщинках и верхних участках рогового слоя. Резервуары на экзематозной коже могут быть выражены еще сильнее вследствие чешуйчатого характера кожной поверхности. Недавно мы обнаружили, что верхний объем фолликулярных каналов также служит резервуаром, что может приводить к определенному возрастанию абсорбции через кожные придатки. Измерения при сканировании лазерным микроскопом in vivo показали, что волосяные фолликулы представляют собой эффективный резервуар для местных лекарственных препаратов, который можно сравнить с резервуаром рогового слоя на некоторых участках тела. Это явление усиливается в случае лекарственных форм, которые содержат частицы или преципитаты, поскольку частицы соответствующих размеров могут быстро проникать вдоль стержней волосяных фолликулов на глубину до 100-500 мкм.

Оптимальный размер частиц для проникновения в волосяные фолликулы составляет 300-600 нм, что соответствует кутикуле волосяных стержней. Предполагается, что жесткий волосяной стержень действует как приводной насос, поскольку этот эффект наблюдается только при движении волос. Фолликулярный резервуар может приводить к относительному увеличению абсорбции. Не обнаружено свидетельств эффективного проникновения местно применяемых веществ в потовые железы. Это объясняется, вероятно, выходом пота или другими неизвестными причинами.

3. Формы местных препаратов. Формы местных препаратов можно дифференцировать, исходя из их предназначения, как средства для оставления на поверхности кожи (солнцезащитные экраны и косметика), препараты, предназначенные для доставки в структурные компоненты кожи (местные лекарства) или для миграции через кожу в центральную структуру (трансдермальные лекарственные средства).

Форма местных препаратов может влиять на кинетику и степень перкутанной абсорбции и, следовательно, на начало, длительность и степень биологического ответа. Оценивая чрескожную абсорбцию, при выборе лекарственной формы следует учитывать несколько различных параметров: термодинамическая активность действующего вещества; количество активного ингредиента, которое можно включить в лекарственный состав; стабильность препарата на поверхности кожи (например, эмульсии легко разлагаются); коэффициент распределения активного ингредиента в носителе и роговом слое и активность усиливающего агента.

В целом перкутанная абсорбция пропорциональна термодинамической активности вещества. Таким образом, более высокая абсорбция наблюдается при максимальной растворимости активного ингредиента в носителе. Следует избегать носителей, которые очень легко растворяются, поскольку при этом активный ингредиент может остаться на поверхности кожи.

4. Липосомы как системы трансдермальной доставки. Липосомы представляют собой микроскопические сферы, образующие двойной слой, который окружает внутреннее водное содержимое. Многие косметические препараты содержат липосомы. Лекарственные формы на основе липосом безопасны, косметически привлекательны и охотно применяются пациентами. Имеются многочисленные данные о том, что, как минимум для некоторых препаратов, применение липосом оказывает слегка окклюзивное действие и улучшает уровень гидратации рогового слоя. Интерес к использованию липосом для доставки лекарств через кожу вызвали наблюдения, сделанные в моделях на животных. Предполагалось, что лекарственные формы на основе липосом увеличивают пенетрацию веществ через кожу или оптимизируют задержку биологически активных ингредиентов в целевых тканях. Однако за этими исследованиями, которые проводились только на моделях с животными, последовали другие, изучавшие данный вопрос in vivo с участием людей и проводившиеся в стандартных условиях.

Механизм действия липосом основан на частичном повреждении жидкой прослойки рогового слоя, благодаря чему липосомы могут эффективно проникать через кожный барьер. В глубине рогового слоя липосомы разрушаются и выделяют действующее вещество, которому предстоит самостоятельно пройти через последние клеточные слои рогового слоя, чтобы достичь жизнеспособных клеток.

Отсутствуют достоверные данные о том, что липосомальные структуры могут проникать через кожный барьер неповрежденными, однако вдоль волосяного стержня липосомы проникают в целости, и этот путь подходит для доставки биологически активных веществ в сальные железы волосяных фолликулов. Жесткие липосомы лучше, чем гибкие, проникают в волосяные фолликулы, что свидетельствует в пользу утверждения о том, что движущиеся волосяные стержни действуют в качестве приводного насоса.

Фармакокинетика местных лекарств: трехкомпонентная модель
Схематическое изображение трех структурных компонентов кожи: поверхности, рогового слоя и жизнеспособных тканей.
После аппликаций на поверхность кожи значительное влияние на биодоступность лекарств оказывают процессы испарения и структурных/композиционных изменений в применяемой лекарственной форме.
Роговой слой, самый поверхностный их слоев кожи, играет важнейшую роль в определении характера диффузии веществ в теле.
После абсорбции вещества могут связываться или диффундировать в переделах жизнеспособных тканей или поглощаться кровеносными сосудами кожи.

б) Кожный барьер. Основным структурным компонентом кожи, который ограничивает чрескожную абсорбцию веществ, является роговой слой. Этот тонкий (10-20 мкм) слой эффективно окружает тело и представляет собой высокодифференцированную структуру, посредством которой определяется диффузия веществ через кожу. Физические свойства рогового слоя подробно описаны, его можно представить как «кирпичики», состоящие из собранных в пучки, не растворимых в воде белков, которые «сцементированы» межклеточным липидом.

Роговой слой является высокоорганизованной дифференцированной структурой. Для полноценного участия в образовании эффективного барьера против диффузии биогенез корнеоцитов, а также синтез и переработка межклеточного липида должны происходить в строгом порядке. Нарушение в кинетике образования кожного барьера при ускорении деления кератиноцитов в подлежащих слоях приведет к нарушению барьерных свойств кожи. Таким образом, концепция мертвой или отмирающей кожи, образующей пассивный барьер против диффузии, в настоящее время заменена на модель рогового слоя, как высокодифференцированной структуры с уникальными свойствами, которые особенно подходят для его роли в формировании кожного барьера.

1. Придатки кожи. Различные придаточные структуры пронизывают роговой слой и эпидермис, способствуя терморегуляции и обеспечивая защитное покрытие. Кожные придатки потенциально являются местами нарушения целостности кожного барьера. Плотность волосяных фолликулов варьирует в различных участках тела. Волосяные фолликулы представляют собой резервуар, который может накапливать применяемые местно вещества. Подробный анализ резервуара волосяных фолликулов показал, что самым большим резервуаром являются фолликулы волосистой части кожи головы, затем лба и голеней. В области лба имеется большое количество мелких фолликулов, в то время как на голенях фолликулов меньше, но они более крупные. Эти резервуары сравнимы с резервуаром рогового слоя на данных участках тела. Волосяные фолликулы на общей площади поверхности кожи занимают 0,2-1,3% в зависимости от анатомического участка тела. Наблюдаются различия в фолликулярной пенетрации у разных этнических групп. Волосяные фолликулы представляют собой важный путь перкутанной абсорбции в здоровой коже. Это объясняется тем фактом, что только верхняя стенка фолликулярного аппарата (акроинфундибулум) защищена полноценным роговым слоем, в то время как в нижней части (инфраинфундибулуме) корнеоциты недифференцированные, и защита на этом участке неполная, а то и совсем отсутствует. Даже твердые частички могут проникать глубоко в фолликулярное отверстие; уже само это явление наводит на мысль о концепции фолликулов в роли мишеней для лекарственных препаратов.

Отсюда следует, что в функции общей защиты от проникновения ксенобиотиков в целом и лекарств в частности барьер межфолликулярного рогового слоя еще более мощный, чем предполагалось ранее; в то же время необходимы дальнейшие исследования для изучения фолликулярного пути пенетрации. Недавние исследования указывают на наличие активных (открытых для пенетрации) и пассивных фолликулов.

2. Пути пенетрации. В принципе возможны три пути пенетрации: (1) межклеточная пенетрация в липидных слоях вокруг корнеоцитов, (2) фолликулярная пенетрация и (3) внутриклеточная пенетрация.

Хотя в прошлом предполагалось, что проникновение через роговой слой (транскорнеальная пенетрация) является единственным путем пенетрации, последние исследования, как указывается в статье «Придатки кожи», показали, что следует принимать во внимание пенетрацию через волосяные фолликулы.

До настоящего времени отсутствуют свидетельства в пользу того, что применяемые местно вещества проникают через кожный барьер внутриклеточным путем.

- Пути пенетрации через роговой слой. В нескольких исследованиях посредством электронной микроскопии были визуально продемонстрированы пути пенетрации через роговой слой. Например, для осаждения n-бутанола, который проник в роговой слой, применяются пары осмия. После короткого (5-60 секунд) контакта с роговым слоем кожи мыши или человека количество спирта в межклеточных пространствах возрастало (в три раза), причем значительные его уровни отмечались также в корнеоцитах. Другой метод исследования с применением быстрой заморозки также показал, что вода, этанол и холестерол концентрировались преимущественно в межклеточных липидных пространствах. Подобным же образом можно обнаружить пенетрацию хлорида ртути через межклеточный липид после преципитации парами сульфида аммония.

Однако в большинстве этих исследований наблюдалась также значительное накопление веществ в корнеоцитах, более выраженное в верхних участках рогового слоя (stratum disjunction). Таким образом, корнеоциты, подвергающиеся десквамации, оказываются проницаемыми даже для таких массивных ионов, как ионы ртути. Имеются также данные о том, что другие вещества могут проникать и проникают в корнеоциты. Установлено, например, что окклюзия или иммерсия кожи в ванну приводит к набуханию корнеоцитов, что указывает на проникновение в них воды. В корнеоцитах обнаруживаются и другие вещества, такие как анионные сурфактанты, которые связаны с кератинами. Увлажнители с низким молекулярным весом, такие как глицерол, вероятно также проникают в корнеоциты и изменяют их способность связывать воду. Таким образом, пенетрацию веществ в корнеоциты нельзя не учитывать при рассмотрении путей перкутанной пенетрации. Значение этого явления зависит от того, влияет ли оно на скорость пенетрации, то есть, ограничивают ли корнеоциты диффузию вещества внутри межклеточного липида.

- Пути пенетрации через волосяные фолликулы. Методом дифференцированного стриппинга (комбинированного применения клейкой ленты и поверхностных биопсий с использованием цианоакрилового клея) можно определить количество препарата, скопившегося в волосяных фолликулах. Было обнаружено, что для депонирования наночастиц в волосяных фолликулах требуется в десять раз больше времени, чем для их накопления в роговом слое. Следует отметить, что при пенетрации местных веществ в волосяные фолликулы их проникновение в жизнеспособные ткани не обязательно происходит только через кожный барьер, поскольку сами волосяные фолликулы также обладают барьерными свойствами.

С другой стороны, эти частицы можно использовать как эффективную систему носителей для доставки лекарства в волосяные фолликулы. Волосяные фолликулы являются важной целевой структурой, поскольку они окружены густой сетью кровеносных капилляров. Кроме того, они содержат стволовые и дендритные клетки, важные для регенеративной медицины и мономодуляции. Для оптимального действия лекарство должно выделяться из частиц после проникновения вглубь волосяных фолликулов. Фармакокинетика в этом случае зависит главным образом от процесса высвобождения лекарства из частиц.

В прошлом было сделано несколько попыток обнаружить фолликулярную пенетрацию. Эксперименты проводились на коже животных и людей, на участках с различной плотностью волосяных фолликулов. К сожалению, во всех случаях изменялись также характеристики рогового слоя.

Возможность оценить фолликулярную пенетрацию представилась после разработки метода, при котором волосяные фолликулы искусственно закрывались in vivo. При применении этого метода было показано, что небольшие молекулы, в частности кофеина, могут проникать сквозь кожный барьер не только через роговой слой, но и через волосяные фолликулы.

3. Вариации в барьерной функции у различных людей и у одного человека. Помимо всего прочего, необходимо учитывать также различия в уровне активности кожного барьера, в том числе барьера волосяных фолликулов, у различных людей и у одного и того же человека. Самым точным и воспроизводимым способом измерения активности кожного барьера является определение трансэпидермальной потери воды. Вариабельность этого параметра у одного и того же человека составляет 8% в зависимости от анатомического участка и 21% в зависимости от дня измерения. Вариации этого показателя у разных людей более выражены и составляют 35-48%. Значительных отличий в активности кожного барьера в зависимости от пола или этнической принадлежности не отмечается. Кожный барьер у недоношенных детей (родившихся примерно на три недели раньше срока) имеет выраженные нарушения активности, в то время как у здоровых, доношенных детей он находится в норме. С увеличением возраста функция кожного барьера существенно не изменяется. Наблюдались отличия в активности барьерной функции на различных анатомических участках; активность барьерной функции в порядке убывания имеет такой вид: рука ≈ живот > заушная область > лоб.

в) Жизнеспособность. Хотя первичный барьер чрескожной абсорбции расположен в пределах рогового слоя, на биодоступность веществ в отдельных структурных компонентах кожи влияют диффузия в жизнеспособной ткани, а также метаболизм и резорбция. Эти процессы взаимосвязаны, а факторы, которые ускоряют один из этих процессов, неизбежно влияют и на остальные. Поскольку разработка дерматологических препаратов часто направлена на «целевую» доставку лекарства в жизнеспособные ткани, манипуляция данными процессами, несомненно, имеет смысл для усиления терапевтической эффективности дерматологических лекарств.

Попадание веществ из рогового слоя в жизнеспособный эпидермис приводит к значительному уменьшению их концентрации. Это связано не только с достаточно большим объемом эпидермиса по сравнению с объемом рогового слоя, но и с меньшим сопротивлением диффузии в жизнеспособных тканях, которая соответствует примерно диффузии водного белкового геля. Для легко проникающих веществ концентрации лекарства в эпидермисе и дерме могут достигнуть от 10-4 до 10-6 М. Хотя на фактический градиент концентрации вещества влияют как его физико-химические свойства, так и длительность его аппликации, градиент концентрации присутствует все время. Другими словами, стратегии, направленные на усиление перкутанной абсорбции, как правило, приводят к сравнительно однородному и параллельному увеличению концентрации вещества во всех структурных компонентах кожи.

- Рекомендуем далее ознакомиться со статьей "Фармакокинетика местных лекарств: метаболизм кожи"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 13.8.2019

Ваши замечания и вопросы: