Процесс поглощения лекарственных средств клетками кожи

Поглощение (кожа) — Absorption (skin)

Поглощение через кожу — это путь, по которому вещества могут проникать в организм через кожу . Наряду с ингаляционным , приемом и инъекцией , кожная поглощенией является путем воздействия для токсичных веществ и пути введения для лекарственного средства . Абсорбция веществ через кожу зависит от ряда факторов, наиболее важными из которых являются концентрация , продолжительность контакта, растворимость лекарства и физическое состояние кожи и части тела, подверженной воздействию.

Кожное (чрескожное, кожное) всасывание — это перенос химических веществ с внешней поверхности кожи как в кожу, так и в кровоток. Поглощение через кожу связано со степенью воздействия и возможным действием вещества, которое может попасть в организм через кожу. Кожа человека намеренно и непреднамеренно контактирует со многими агентами. Всасывание через кожу может происходить в результате воздействия на кожу химикатов, косметики или фармацевтических препаратов на рабочем месте, в окружающей среде или на кожу потребителей. Некоторые химические вещества могут абсорбироваться в достаточном количестве, чтобы вызвать пагубные системные эффекты. Кожное заболевание ( дерматит ) считается одним из самых распространенных профессиональных заболеваний. Чтобы оценить, может ли химическое вещество вызывать дерматит или другие более системные эффекты и как можно снизить этот риск, необходимо знать, в какой степени оно абсорбируется, поэтому воздействие на кожу является ключевым аспектом оценки риска для здоровья человека. .

СОДЕРЖАНИЕ

Факторы, влияющие на абсорбцию

Наряду с вдыханием , проглатыванием и инъекцией всасывание через кожу — это путь воздействия биоактивных веществ, включая лекарства. Всасывание веществ через кожу зависит от ряда факторов:

• Концентрация
• Молекулярный вес молекулы
• Продолжительность контакта
• Растворимость лекарства
• Физическое состояние кожи
• Открытая часть тела, включая количество волос на коже

В общем, скорость всасывания химических веществ через кожу соответствует следующей схеме от самой быстрой к самой медленной: Мошонка> Лоб> Подмышка ≥ Скальп> Спина = Живот> Ладонь = под поверхностью стопы.

Структуры, влияющие на абсорбцию

Чтобы химическое вещество впиталось через кожу, оно должно пройти через эпидермис , железы или волосяные фолликулы. Потовые железы и волосяные фолликулы составляют от 0,1 до 1,0 процента всей поверхности кожи. Хотя небольшие количества химических веществ могут быстро проникать в организм через железы или волосяные фолликулы, они в основном абсорбируются через эпидермис . Химические вещества должны пройти через семь клеточных слоев эпидермиса, прежде чем попасть в дерму, где они могут попасть в кровоток или лимфу и циркулировать в других областях тела. Токсины и токсиканты могут перемещаться через слои путем пассивной диффузии . Роговой слой представляет собой наружный слой эпидермиса и ограничивающая скорость барьер в поглощении агента. Таким образом, то, как быстро что-то проходит через этот более толстый внешний слой, определяет общее поглощение. Роговой слой в основном состоит из липофильного холестерина, сложных эфиров холестерина и церамидов . Таким образом, жирорастворимые химические вещества быстрее проходят через слой и попадают в кровоток, однако почти все молекулы проникают в него до некоторой минимальной степени. Поглощение химических веществ в муниципальной воде и стоматологических продуктах, таких как VOC (летучие органические соединения), TTHM (общее количество тригалометанов), фториды и дезинфицирующие средства, представляет собой серьезную опасность для здоровья, связанную с окружающей средой.

Условия, влияющие на впитывание кожи

Агенты, которые повреждают роговой слой, такие как сильные кислоты, абсорбируются быстрее, чем химические вещества, которые этого не делают. Повреждение кожи из-за ожогов, ссадин, ран и кожных заболеваний также увеличивает абсорбцию. Таким образом, население с поврежденной кожей может быть более восприимчивым к неблагоприятным воздействиям агентов, которые всасываются через кожу. Некоторые растворители, такие как диметилсульфоксид (ДМСО), действуют как носители и часто используются для транспортировки лекарств через кожу. ДМСО увеличивает проницаемость рогового слоя. Поверхностно-активные вещества, такие как лаурилсульфат натрия, увеличивают проникновение водорастворимых веществ в кожу, возможно, за счет увеличения проницаемости воды для кожи.

Медицинское использование впитывания кожи

Кожное нанесение лекарства или химического вещества позволяет локализовать лечение, в отличие от приема внутрь или инъекции. Некоторые лекарства кажутся более эффективными (или более эффективными) при использовании кожного пути введения . Некоторые принятые внутрь лекарства сильно метаболизируются печенью и могут быть инактивированы, но при нанесении на кожу этот этап метаболизма обходится, позволяя большему количеству исходных соединений проникать в периферическое кровообращение. Если лекарство хорошо всасывается через кожу, его можно использовать как средство системного действия. Кожные лекарственные формы включают: мази , подтяжки, лосьоны , мази , кремы, присыпки, аэрозоли и трансдермальные пластыри . Специально разработанные пластыри в настоящее время используются для доставки фентанила , никотина и других соединений. Более медленное всасывание через кожу по сравнению с пероральным или инъекционным путем может позволить пластырям обеспечивать лекарство в течение 1-7 дней. Например , нитроглицерин данного трансдермально может обеспечить часы защиты от стенокардии , тогда как длительность эффекта сублингвально может быть только минуты.

Измерение впитывания кожи

Количество химического вещества, которое абсорбируется через кожу, можно измерить прямо или косвенно. Исследования показали, что существуют виды с разной способностью поглощать разные химические вещества. Измерения на крысах, кроликах или свиньях могут отражать или не отражать поглощение человеком. Определение скорости, с которой агенты проникают через кожу, важно для оценки риска от воздействия.

Прямое измерение

В естественных условиях

Проникновение химических веществ в кожу можно напрямую измерить с помощью неинвазивных оптических методов с молекулярной специфичностью, таких как конфокальная рамановская спектроскопия . Этот метод позволяет идентифицировать уникальные спектры молекул и сравнивать их с фоновыми спектрами кожи, ограничивая области измерения с помощью конфокального стробирования, обеспечивая измерение концентрации с разрешением по глубине. Таким образом, с помощью одной последовательности измерений можно получить мгновенный профиль концентрации химических веществ в зависимости от глубины внутри кожи. Путем повторения измерения в нескольких точках времени определяется динамический профиль концентрации на глубине. Поскольку современные рамановские спектрометры демонстрируют чрезвычайно высокое SNR , тестирование поглощения in vivo на коже человека возможно в масштабе нескольких минут или часов.

Химическое вещество также можно наносить непосредственно на кожу с последующим измерением крови и мочи в определенные моменты времени после нанесения, чтобы оценить количество химического вещества, попавшего в организм. Концентрация в крови или моче в определенные моменты времени может быть отображена в виде графика, чтобы показать площадь под кривой, а также степень и продолжительность абсорбции и распределения для измерения системного всасывания. Это можно сделать у животных или людей с помощью сухого химического порошка или химического вещества в растворе. Для этих экспериментов обычно используются крысы. Перед нанесением химического препарата участок кожи бреется. Часто область применения химикатов накрывают, чтобы предотвратить проглатывание или стирание исследуемого материала. Образцы крови и мочи берутся через определенные интервалы времени после нанесения (0,5, 1, 2, 4, 10 и 24 часа), и в некоторых протоколах в выбранное конечное время животное может быть вскрыто. Образцы тканей также могут быть оценены на наличие исследуемого химического вещества. В некоторых протоколах испытаний могут быть протестированы многие животные, а вскрытия могут проводиться через определенные промежутки времени после воздействия. Биомониторинг, такой как периодический отбор проб мочи у рабочих, подвергшихся воздействию химических веществ, может дать некоторую информацию, но с помощью этого метода трудно отличить воздействие на кожу от воздействия ингаляции.

Ex vivo

Свойства проницаемости рогового слоя по большей части не изменяются после его удаления из организма. Кожа, которая была тщательно снята с животных, также может использоваться для определения степени местного проникновения, помещая ее в камеру и нанося химическое вещество с одной стороны, а затем измеряя количество химического вещества, попадающего в жидкость с другой стороны. Одним из примеров этой техники ex vivo является изолированный перфузируемый свиной лоскут. Этот метод был впервые описан в 1986 году как гуманная альтернатива тестированию на животных in vivo.

В пробирке

Также использовались такие методы, как статические диффузионные ячейки ( ячейки Франца) и проточные диффузионные ячейки (ячейки Броно). Аппарат Franz Cell состоит из двух камер, разделенных мембраной из кожи животного или человека. Кожа человека предпочтительна, но по этическим и другим соображениям не всегда доступна. Кожа человека часто бывает после вскрытия трупа или пластической операции. Тестируемый продукт наносится на мембрану через верхнюю камеру. Нижняя камера содержит жидкость, из которой через регулярные промежутки времени берутся образцы для анализа, чтобы определить количество активных клеток, которые проникли через мембрану в заданные моменты времени.

Ячейки Броно похожи на ячейки Франца, но используют проточную систему под слоем мембраны, а пробы жидкости ниже берутся непрерывно, а не в заданные моменты времени. Некоторые производители заменили ячейки Bronaugh встроенными ячейками .

Косвенное измерение

Иногда по гуманным причинам невозможно нанести лекарство на кожу и измерить его абсорбцию. Зарин , нервно-паралитический газ, может всасываться через неповрежденную кожу и быть смертельным при низких концентрациях. Таким образом, если нужно оценить риск воздействия зарина, необходимо принять во внимание абсорбцию через кожу и другие пути, но нельзя этически тестировать зарин на людях; таким образом, были найдены способы моделирования риска воздействия агента на кожу.

В некоторых случаях модели используются для прогнозирования степени воздействия или поглощения и для оценки опасности для здоровья населения. Чтобы оценить риск, связанный с химическим веществом, вызывающим проблемы со здоровьем, необходимо оценить химическое вещество и воздействие. Моделирование воздействия зависит от нескольких факторов и предположений.

1. Открытая поверхность кожи. Площадь поверхности взрослого человека составляет около 20 900 квадратных сантиметров (3 240 квадратных дюймов), а площадь поверхности ребенка 6 лет — около 9 000 квадратных сантиметров (1400 квадратных дюймов). Эти цифры и цифры для других частей или частей тела можно найти в Справочнике по воздействию на окружающую среду (EPA) 1996 г. или рассчитать с использованием других баз данных.
2. Продолжительность воздействия (в часах, минутах и ​​т. Д.).
3. Концентрация химического вещества.
4. Коэффициент проницаемости химического вещества (насколько легко химическое вещество проникает через кожу). Это можно оценить с помощью коэффициента распределения октанол-вода (измерение поглощения из водного раствора порошкообразным роговым слоем).
5. Вес человека. Обычно используется стандартный вес взрослого 71,8 кг, 6-летнего ребенка 22 кг и девочки детородного возраста 60 кг.
6. Характер воздействия, например, нанесение крема на все тело, только на небольшую область или ванна с разбавленным раствором.

Контакт с кожей с сухим химическим веществом

Попадание на кожу химического вещества в растворе (вода и т. Д.)

Контакт с кожей с газом или аэрозолем

Контроль впитывания кожи

Если считается, что воздействие на кожу и абсорбция указывают на риск, могут быть предприняты различные методы уменьшения абсорбции.

• Этикетки с химическими веществами могут быть адаптированы для использования перчаток или защитной одежды .
• Предупреждения о немедленном мытье при попадании химического вещества на кожу могут быть сделаны.
• Закройте бассейны или озера для пловцов.
• Ограничьте время воздействия химических веществ, т.е. рабочие могут работать только с определенными химическими веществами в течение определенного времени в день.

Источник

Содержание

Дерматология в России

• Сайт зарегистрирован как СМИ, электронное периодическое издание на русском и английском языке, ISSN 2077-3544

• Основатель и главный редактор проекта — проф. А.Ю. Сергеев
• Посещаемость сайта свыше 1500 человек в сутки (статистика). Среди более 15000 наших врачей-подписчиков 223 доктора и 1229 кандидатов медицинских наук, заведующие кафедрами, директора институтов и научных центров, руководители здравоохранения. Издание распространяется бесплатно, для использования профессиональных и интерактивных материалов необходима регистрация
• Дерматология в России выходит и обновляется практически ежедневно. Сайт предоставляет возможности коммуникации для практикующих врачей, ученых, преподавателей, представителей общественных организаций и фармацевтической индустрии

Зарегистрируйтесь!

Если Вы врач, то после регистрации на сайте Вы получите доступ к специальной информации.

Если Вы уже зарегистрированы, введите имя и пароль (форма в верхнем правом углу или здесь).

Метаболизм кожи: значение ферментов кожи для рациональной разработки лекарственных препаратов

Метаболизм кожи: значение ферментов кожи для рациональной разработки лекарственных препаратов

Введение

1.1 Трансдермальная терапевтическая система

Лекарственное средство (ЛС) может вводиться различными путями. Наиболее распространенной лекарственной формой (ЛФ) в фармацевтике во всем мире является пероральная таблетка с определенной фиксированной дозой. В последнее время наблюдается тенденция к разработке альтернативных лекарственных форм и путей введения. Особенно значительно возросла доля рынка трансдермальных терапевтических систем (TTS). В 2005 году мировой рынок TTS оценивался в 3 миллиарда долларов США, и прогнозировался совокупный годовой темп роста (CAGR) в 12% [1]. Десять лет спустя (в 2016 году) был подтвержден прогноз CAGR: рыночная стоимость TTS увеличилась в 10 раз до 30 млрд долларов США [2]. Более 50% общего объема было произведено в Северной и Латинской Америке, затем в Европе — 30% и в Азиатско-Тихоокеанском регионе — 25%. Рыночная стоимость TTS продолжает расти. Прогнозируется, что CAGR достигнет 7,5% к 2024 году [3].

Одним из объяснений этой тенденции может быть то, что TTS подразумевают удобный путь введения лекарств. TTS маленькие и легкие, имеют высокую прочность и могут храниться при комнатной температуре. Кроме того, для их использования не требуется вода или другие средства. Таким образом, пациенты демонстрируют высокую степень соблюдения режима лечения TTS [4]. С фармакологической точки зрения TTS лучше пероральных ЛФ, потому что последние имеют множество недостатков, поэтому TTS может служить хорошим дополнением к таблеткам с фиксированной дозой.

Например, высвобождение лекарственных средств не зависит от времени приема пищи (натощак или после еды), поэтому можно использовать более низкие дозы, так как желудочно-кишечный и печеночный метаболизм при первом прохождении ЛС исключается. Постоянные концентрации лекарственного средства в плазме достигаются без типичных пиков концентрации в плазме после каждого приема таблетки. Кроме того, меж- и внутрибольничная вариабельность сведена к минимуму, поскольку высвобождение лекарственного средства в основном контролируется системой, а не самим пациентом. По этим причинам TTS являются хорошим и перспективным дополнением к стандартной лекарственной форме.

1.2 Проницаемость через кожу

Используемые лекарственные препараты
Чтобы лучше понять механизмы проникновения препаратов через кожу, важно сначала понять физиологические функции кожи. Ее основными функциями являются (а) защита от проникновения патогенных микроорганизмов и других посторонних веществ из внешней среды и (б) удержание воды и основных питательных веществ. Обе функции зависят от силы барьерной функции кожи. По сути, кожа обладает двумя различными барьерами: физическим и биохимическим барьером. Препарат должен преодолевать оба барьера, в то время как кожа не может различить полезные и вредные чужеродные вещества.

1.3 Кожа как высокоэффективный барьер

1.3.1 Роговой слой как первый барьерный слой
(Физический) барьер

Роговой слой (РС) является самой «внешней» частью кожи. Находясь в непосредственном контакте с окружающей средой, РС можно считать первым барьером организма. Как правило, он состоит из 10–15 слоев высокоупорядоченных корнеоцитов. В сухом состоянии слои РС имеют толщину около 10–15 мкм, тогда как в гидратированном состоянии корнеоциты поглощают воду, а толщина РС значительно увеличивается до 40 мкм. Липиды, вырабатываемые кератиноцитами, покрывают корнеоциты. Это позволяет среде РС чередоваться между гидрофильной и лифильной [5]. Следовательно, помимо других свойств, «посторонние» вещества особенно нуждаются в хорошо сбалансированном липофильном и гидрофильном профиле для преодоления этого барьера.

1.3.2 Кожные ферменты как второй барьерный слой
(Биохимический) барьер

Посторонние вещества, проникшие через первый барьерный слой, могут быть биотрансформированны ферментами эпидермиса и дермы. Метаболический процесс может увеличить растворимость в воде чужеродных веществ для достижения повышенной скорости проникновения. Таким образом, биотрансформация может служить причиной того, почему эффективные лекарственные средства теряют частично или полностью свои свойства после проникновения [6]. Что касается количества клеток, то кожа обладает биотрансформационной активностью в одну треть от активности печени. Таким образом, кожа является органом с высокой ферментативной активностью, что важно учитывать при разработке препаратов для трансдермального введения. В настоящее время, однако, мало известно о метаболизме кожи.

1.4 Цель

В этой статье представлен обзор ферментов, которые, как сообщается, присутствуют в коже человека. Изучены и описаны подробно ферменты, считающиеся очень важными для биотрансформации препаратов, применяемых в коже. Кроме того, обсуждается использование пролекарств кожи и «мягких» ЛС, а также описываются стереохимические аспекты. Делаются предположение о том, как использовать современные знания о кожном метаболизме для рациональной разработки трансдермальных препаратов.

2. Результаты

2.1 Почему происходит биотрансформация в человеческой коже?
Биотрансформация подразумевает снижение активности и увеличение растворимости веществ с целью лучшего выведения их из организма. Данных процесс проходит через две последовательные фазы: «функционализации» и конъюгации. На этапе функционализации к молекуле либо присоединяются полярные функциональные группы, либо осуществляется экспрессия таких групп, находящихся в субстрате в скрытой форме. На втором этапе происходит конъюгация продуктов первой фазы метаболизма (промежуточные соединения) с эндогенными молекулами, например глюкуроновой кислотой, сульфатом или глицерином. Продукт реакции всегда будет иметь повышенную молекулярную массу. Тем не менее, экскреция улучшается за счет резко повышенной гидрофильности.

Хорошо известно, что ферментативная биотрансформация чужеродных веществ в наибольшей степени происходит в печени человека. Однако исследования показали, что типы энзимов и их ферментативная активность не передаются непосредственно коже. Таким образом, знание метаболизма кожи должно быть изучено отдельно. Пока что имеется очень мало информации. Далее мы перечислим семейства ферментов. Они, как сообщалось, присутствуют в коже человека, и было показано, что в значительной степени они участвуют в разрушении препаратов при местном применении.

2.1.1 Алкогольдегидрогеназа

У людей известно 5 классов ферментов семейства алкогольдегидрогеназ (ADH): ADH1 с субъединицами α, β и γ, ADH2, ADH3, ADH4 и ADH5 [7]. Наиболее ярким представителем семейства ADH является ADH1, катализирующий окисление первичных и вторичных алифатических спиртов в альдегиды (рис. 1).

Основной целью этой биотрансформации является нейтрализаций проникающих экзагенных веществ. Например, этанол детоксифицируется ADH1 в печени до этанала (ацетальдегида). Однако может произойти и обратное; метанол метаболизируется идентичным ферментом до токсичного формальдегида. Следовательно, эти два явления могут возникать и при приеме лекарств. Биотрансформация может сделать лекарства неактивными или же более сильными, даже токсичными. Этот факт делает актуальным изучение активности ферментов кожи.

ADH была обнаружена как в кератиноцитах человека, так и в клетках корневых волосков [8]. Активность ADH в отношении различных спиртов в коже человека сравнивали in vitro на иссеченной коже человека с помощью ферментных анализов и in vivo в 12 клинических исследованиях с помощью patch-теста [9]. In vitro активность фермента выражалась количеством генерируемого NADH (рис. 1), а in vivo — возникновением эритемы.

Активность ADH варьировала для разных спиртов. Скорость биотрансформации заметно увеличивалась с увеличением длины углеродной цепи. Например, пентанол (C5) был в 3 раза больше катализирован ADH1, чем этанол (C2). Кроме того, с увеличением степени ветвления скорость биотрансформации снижается. Следовательно, скорость биотрансформации спиртов зависит от длины и степени разветвления: увеличение длины углеродной цепи и уменьшение степени разветвления приводят к более высокой метаболической биотрансформации.

2.1.2 Флавин-зависимая монооксигеназа

Флавин-зависимая монооксигеназа (FMO) является основным классом ферментов окисления [10]. В коже человека он имеет высокий уровень транскрипции, даже выше, чем у семейства CYP (цитохром) [11]. Основное различие между ними заключается в том, как происходит окисление; CYP использует кислородсодержащую гемотерапевтическую группу, тогда как FMO использует флавин-аденин-динуклеотид для окисления субстрата. FMO в основном биотрансформирует амин-, сульфид-, фосфор- и другие нуклеофильные гетероатомсодержащие соединения (рис. 2, 3).

В организме человека существует 5 изоформ. Какие из 5 изоформ имеются в коже точно не выяснено. Hu и соавт. [12] обнаружили все 5 транскриптов изоформ в коже человека, тогда как Jäckh et al. [13] наблюдали только транскрипцию FMO1 и FMO3. Присутствие FMO3 было также подтверждено Wilkin and Stewart [9] с помощью иммуноблотинга. FMO1 не был обнаружен. Сопоставимые результаты были сообщены Vyas et al. [14]. Таким образом, до сих пор в коже человека только транскрипция FMO3, по-видимому, была окончательно доказана. Используя бензидамин в качестве модельного субстрата, активность ферментов FMO оценивали в микросомах при биопсии кожи с живота. FMO биотрансформировал бензидамин в N-оксид бензидамина с высоким уровнем оксигенационной активности 5 нмоль / мин / мг белка [15]. Это значение подтверждает предположение о том, что FMO участвует в качестве основного класса ферментов окисления трансдермальных ЛС.

2.1.3 Альдегиддегидрогеназа

Альдегиддегидрогеназа (ALDH) превращает альдегиды в карбоновые кислоты (рис. 4). Двенадцать классов ALDH были обнаружены во всем теле человека [16]. В образце кожи человека были обнаружены только ALDH1 и ALDH3 с помощью вестерн-блот-анализа и иммуногистохимии. ALDH1 обладает высоким сродством к альдофосфамиду и играет важную роль в детоксикации пероксидных альдегидов. Напротив, ALDH3 преимущественно окисляет ароматические альдегиды и алифатические альдегиды со средней длиной цепи (жирные альдегиды). По сравнению с активностью ALDH в печени, активность в коже, как сообщается, в 22 раза ниже [8]. Кроме того, сообщалось об изменении активности ALDH в зависимости от пола и / или анатомической зоны кожного образца. Помимо этих фактов, мало что известно о ALDH в коже.

2.1.4 Карбоксилэстераза

Карбоксилэстераза (СЕ) гидролизует сложные эфиры углерода путем внутримолекулярного присоединения воды к спирту и кислотному остатку: эфир карбоновой кислоты + H2O ⇌ спирт + карбоксилат. Спирты затем окисляются до альдегидов и карбоксилатов, конъюгированных в фазе 2 биотрансформации.
Семейство СЕ включает 5 классов [17]. В печени человека были обнаружены изоферменты CE1 и CE2 [18, 19]. В коже человека до сих пор было подтверждено только присутствие изофермента CE2 в кератиноцитах человека [20]. Помимо ферментов цитохрома P450 (CYP), семейство ферментов СЕ является одним из наиболее тщательно изученных ферментов кожи. Это отражает важность этого семейства для биотрансформации трансдермальных ЛС и для детоксикации экзогенных веществ.

Активность СЕ оценивали в гомогенатах кератиноцитов человека с использованием диацетата флуоресцеина в качестве модельного субстрата [21]. Гидролитическая активность белка составляла 3,7 нмоль / мин / мг. Используя вместо этого п-нитрофенилацетат в качестве модельного субстрата, была измерена гораздо более высокая гидролитическая активность: 45 нмоль / мин / мг белка было гидролизовано в цитозольных фракциях кожи человека [22], что соответствует 12-кратному увеличению гидролитической активности.

Межиндивидуальные колебания гидролитической активности определяли в первичных кератиноцитах кожи в области молочной железы. Биотрансформация модельного препарата 4-метилбеллиферона гептаноат отчетливо варьировала от 10 до 32 нмоль / мин / мг белка [23]. Следовательно, была высокополиморфная экспрессия CE. Используя 4-метилумбеллиферен-ацетат вместо гептаноата, была измерена гораздо более слабая скорость гидролиза белка 0,5 нмоль / мин / мг [24]. Единственная разница между двумя молекулами заключается в длине их цепей (C2 и C7). По аналогии с ADH молекула с большей длиной углеродной цепи была биотрансформирована с большей скоростью (рис. 5).

2.1.5 Цитохром P450

CYPs — самая большая группа метаболизирующих ферментов в коже. Они катализируют перенос одного атома молекулярного кислорода на проникающие экзогенные субстраты, генерируя спирт и воду (рис. 6).
Экспрессия CYP полиморфна [10]. Активность CYP отличается значительной индивидуальной изменчивостью в зависимости от возраста, пола и анатомического места. Какой из ферментов CYP присутствует в коже человека, до сих пор не выяснено. Hu и соавт. [12] и Hayden et al. [25] обнаружили транскрипцию CYP2D6, CYP2E1 и CYP3A4 в нативной коже человека. Напротив, CYP1A1 / 2 и CYP2C9 были продемонстрированы только у Hu и соавт.[12], а CYP1B1 и CYP2A6 только у Hayden и соавт.[25].

2.2 Где в коже происходит биотрансформация?

Для изучения местоположения биотрансформации был измерен гидролиз преднизолона (PS) 21-ацетата до PS [26]. Иссеченную кожу человека либо разделяли на эпидермис и дерму путем погружения кожи в воду при 60 ° С, либо нарезали на кусочки толщиной 10 мкм после замораживания.
Были обнаружены следующие гидролитические активности:
— Вся кожа: 0,69 нмоль / мин / мг белка / мм толщины
— Дерма: 0,41 нмоль / мин / мг белка / мм толщины
— Эпидермис: 5,2 нмоль / мин / мг белка / мм толщины.
Таким образом, было доказано, что гидролиз происходит главным образом в эпидермисе. Анализ срезов кожи позволил получить более точную информацию: из всей кожи базальный слой показал наибольшую гидролитическую активность [26].

В этом исследовании, однако, кожа была нагрета или заморожена. Ферменты термолабильны. Особенно при нагревании выше 40 ° С ферменты значительно теряют активность. Лучшим методом исследования гидролитической активности соответствующих слоев кожи является конфокальное лазерное сканирование. С помощью этого метода изучение активности возможна без необходимости разделять кожу на слои при нагревании или замораживании.

Флуоресцеин-5-изотиоцианат диацетат наносят на вырезанную кожу человека. Если присутствуют ферменты эстеразы, происходит гидролиз и высвобождается зеленый флуоресцентный флуоресцеин-5-изотиоцианат. Этот продукт реакции затем можно визуализировать с помощью конфокального лазерного сканирования. Только жизнеспособный эпидермис излучал зеленое свечение, что указывает на то, что жизнеспособный эпидермис является наиболее ферментативно активной частью кожи [27].

Недостатком обоих вышеперечисленных способов является необходимость модельного вещества. Как упоминалось в предыдущем разделе, активность фермента зависит от конкретного вещества. Кроме того, в обоих случаях были исследованы только ферменты, обладающие гидролитической активностью. Одним из методов, который избегает использования модельного вещества и отражает активность всех ферментов, является измерение потребления кислорода. Предполагалось, что потребление кислорода пропорционально ферментативной активности клеток. Жизнеспособный эпидермис показал самое высокое потребление кислорода при 4,53 ± 1,39 мкл O2 / мг / ч. Дерма потребляла 0,49 ± 0,12 мкл O2 / мг / ч, что составляет лишь примерно одну десятую от потребления кислорода жизнеспособным эпидермисом при идентичных условиях [28].

Как бы ни отличались эти три метода, все они приводят к одному и тому же выводу: жизнеспособный эпидермис является основным местом биотрансформации. Дерма также проявляет ферментативную активность, но она намного слабее, чем у эпидермиса. Кроме того, в дерме время пребывания лекарств обычно короткое из-за всасывания через капилляры в системный кровоток. Таким образом, биотрансформация соответствующего лекарственного средства происходит почти исключительно в жизнеспособном эпидермисе.

2.3 Факторы, влияющие на ферментативную активность кожи

2.3.1 Возраст

Эстеразные ферменты, преимущественно расположенные в кератиноцитах кожи, играют важную роль в обмене веществ. Процессы развития и роста кератиноцитов напрямую связаны с эстеразной активностью. Ngawhirunpat и др. [29] обнаружили, что при пролиферации кератиноцитов ферменты эстеразы также увеличиваются. Биотрансформационная способность кожи зависит от возраста. Это следует учитывать при трансдермальном применении препаратов с высокой степенью метаболизма, поскольку у детей обычно мало клинических данных и рекомендаций по дозировке. Утвержденные и общеизвестные дозы для взрослых часто просто снижаются в зависимости от веса ребенка. Для препаратов с высокой степенью метаболизма в коже этот метод коррекции дозы не может быть рекомендован.

2.3.2 Анатомическая зона и пол
Даже если кожа считается одним органом, свойства разных ее частей отличаются. В результате некоторые ферменты обнаруживаются только в определенных областях тела. Наиболее ярким примером является 5-редуктаза; Активность этого фермента была обнаружена только в крайней плоти и коже мошонки [30]. Таким образом, этот пример также показывает специфическую для пола экспрессию ферментов кожи. Не было найдено никакой дополнительной информации, касающейся гендерных специфических ферментов кожи. Однако половые различия, обнаруженные в метаболизме печени, позволяют предположить, что различия могут также существовать в метаболизме кожи.

2.3.3 Факторы окружающей среды

Хорошо известно, что активность ферментов печени зависит от внешних факторов. Кожные ферменты также показывают это свойство. Факторы окружающей среды, широко описанные в литературе, включают ультрафиолетовое излучение и загрязнение воздуха. Ультрафиолетовое излучение само по себе не активирует и не инактивирует ферменты, но генерирует активные формы кислорода.

Например, повышенный уровень активных форм кислорода приводит к подавлению ингибиторов матричной металлопептидазы и, следовательно, к повышению активности ММП в коже [31]. Другими примерами ферментов, индуцируемых УФ-излучением в коже, являются два фермента CYP1A1 и CYP1B1 (см. Раздел 2.1.5) [32], гемоксигеназу [33, 34], циклооксигеназу [33, 35] и синтетазу оксида азота [36].

Кроме того, в литературе обсуждается изменение уровня ферментов кожи в результате загрязнения воздуха. На поверхности твердых частиц находятся полициклические углеводороды. Когда твердые частицы прилипают к коже, проникновение этих полициклических углеводородов возможно в более высокой степени. Кожа метаболизирует эти вредные молекулы с помощью бензо [а] пиренгидроксилазы. Увеличение количества и продолжительности воздействия полициклических углеводородов на кожу приводило к изменению уровня бензо [а] пиренгидроксилазы [37].

Очевидно, что уровни ферментов изменяются не только молекулами окружающей среды, такими как полициклические углеводороды, но также и целенаправленно применяемыми соединениями, такими как лекарственные средства. Поэтому желательно также проверять лекарственные взаимодействия на ферментативном уровне до назначения.

2.4 Использование кожи животных для прогнозирования метаболизма кожи человека

Образцы иссеченной кожи человека редки, что плохо влияет на репрезентативность исследований. Вместо этого обычно используется шкура животного. Полученные таким образом результаты экстраполируются для прогнозирования проникновения лекарств в кожу человека. Rittirod и соавт. [38] сравнили проникновение и метаболизм этилникотината (EN) в никотиновую кислоту (NA) в коже людей, крыс, безволосых крыс, мышей и безволосых мышей (рис. 7).

Четкие различия были обнаружены между тестируемыми видами из-за различной активности эстеразы. На коже человека обнаружен поток EN 6,9 мкмоль / см2 / час и поток NA 1,6 мкмоль / см2 / час. Это наиболее точно соответствовало значениям для мышиной кожи с потоком EN 5,3 мкмоль / см2 / ч и потоком NA 1,6 мкмоль / см2 / ч.

Напротив, наибольшая разница в метаболизме была обнаружена в коже крысы с потоком EN 0,4 мкмоль / см2 / ч и потоком NA 6,0 мкмоль / см2 / ч. Отношение EN к NA заметно снижается с 4,3 для кожи человека до 0,07 для кожи крысы. Следовательно, Rittirod и др. [38] предложили учитывать зависящую от вида активность фермента кожи при прогнозировании проницаемости кожи человека на животной модели.

3. Обсуждение

3.1 Как можно использовать метаболизм кожи при разработке трансдермальных препаратов?

3.1.1 Понятие пролекарства
Пролекарства являются фармакологически неактивными производными используемого ЛС. После попадания в жизнеспособный эпидермис ферменты биотрансформируют пролекарства в соответствующие фармакологически активные препараты.

Пролекарства образуются, когда исходные препараты имеют неблагоприятными физико-химическими свойствами для проникновения в кожу. Конечной целью применения пролекарства всегда является улучшение биодоступности исходного препарата. До настоящего времени образовывались только продукты, которые высвобождают исходное лекарственное средство после гидролитического расщепления эстеразами I фазы. Далее приведено несколько примеров пролекарств.

3.1.1.1 Этил никотинат → никотиновая кислота.
Метаболизм EN в NA уже был представлен в Разделе 2.4, чтобы лучше понять проникновение и метаболизм лекарств. NA слишком гидрофильны, чтобы эффективно проникать в РС. Этилируя алкогольную группу НА, липофильность заметно возрастает. Значение logP увеличивается с 0,36 до 1,17, а растворимость в воде уменьшается с 18 до 0,05 г / л для NA и EN соответственно [39, 40]. Этот пример хорошо иллюстрирует, насколько сильно маскирование гидрофильной спиртовой группы влияет на физико-химические свойства лекарственного средства.

3.1.1.2 N-ацилпериват → 5-фторурацил.
5-Фторурацил (5-FU) – это лекарство для лечения рака. Местно на кожу 5-FU применяется для лечения актинического кератоза и базальноклеточного рака. Из-за высокой гидрофильности 5-FU был применен принцип создания более лифильного пролекарства. Это вещество отличается тем, что азотная группа была замаскирована вместо спиртовой группы. Beall and Sloan [41] работали над двумя сериями пролекарств: алкилоксикарбонил и алкилкарбонил.

В каждой группе пролекарства различались по длине углеродной цепи, добавленной к исходному лекарству. Была измерена скорость общего количества доставленного 5-FU через безволосую мышиную кожу. Все пролекарства доставляли исходное лекарство более эффективно через кожу, но тип пролекарства сильно влиял на доставляемое количество 5-FU: использование алкил-карбонильного ряда приводило к гораздо более высоким количествам 5-FU. Кроме того, длина углеродной цепи сыграла важную роль: было обнаружено больше 5-FU с более короткими углеродными цепями. Например, измеренная концентрация 5-FU была в 40 раз выше с C1, в 20 раз выше с C2 и в 4 раза выше с C6.

3.1.1.3 N, N’-бис-ацилдериват → 5-фторурацил.
На втором этапе Beall and Sloan [42] замаскировали обе азотные группы 5-FU. На основании результатов предварительных исследований были исследованы только 1,3-бис-алкилкарбонильные пролекарства и использовались длины углеродных цепей от С1 до С4. Также для 1,3-бис-алкилкарбонильных пролекарств самая высокая доставка 5-FU была обнаружена с C1: концентрация 5-FU увеличилась в 5 раз. Таким образом, маскировка обоих азотов не была полезной по сравнению с 40-кратным увеличением доставки 5-FU с помощью пролекарства C1 N-алкилкарбонила. То, что оставалось тем же самым, было уменьшение доставленного количества 5-FU с увеличением длины углеродной цепи. В целом, Beall и Sloan [42] не рекомендовали маскировать обе гидрофильные группы при разработке пролекарства 5-FU.

3.1.1.4 Предникарбат → 17- и 21-Этилкарбонат → Преднизолон.
Предникарбат (ПК) может быть использован в качестве контрпримера к 1,3-бис-алкилкарбонильным пролекарствам 5-FU. Это вдвойне замаскированное пролекарство может быть в достаточной мере биотрансформировано кожными ферментами. Через два возможных интермедиата (17- и 21-этилкарбонат) исходный препарат PS высвобождается в коже (рис. 8). В вырезанной коже человека эстератическое расщепление оказалось доминирующим в кератиноцитах жизнеспособной кожи [21].

После 6 ч воздействия на кожу проникало 12% PS. После 24 ч воздействия почти 83% применяемого ПК было биотрансформировано. В ткани в наибольшей степени присутствовало исходное лекарственное средство ПК, за которым следовал 17-этилкарбонат. И ПК, и 21-этилкарбонат были обнаружены в незначительной степени. В среде преобладающим был только исходный препарат PS. Количества 17- и 21-этилкарбоната были сопоставимы. Пролекарство имело самое низкое количество. Эти значения доказывают, что энзимы кожи могут в достаточной степени биотрансформировать обе маскированные алкогольные группы пролекарства ПК.

Почему PS полностью гидролизуется, возможно, можно объяснить особой пространственной структурой PS. Скелет андростана можно считать плоскостью, и боковые цепи поднимаются почти вертикально из этой плоскости. Боковые цепи расположены в противоположном направлении. Боковая цепь в положении 17 направлена ​​вниз, а в положении 21 — вверх; таким образом, оба стерически свободно доступны для ферментов с каждой стороны.

3.1.2. Концепция «мягкого» лекарственного средства

Использование «мягких» ЛС является новым подходом в разработке более безопасных лекарств для местной терапии. В отличие от пролекарств, «мягкие» ЛС сами по себе активны. В жизнеспособном эпидермисе и дерме ферменты кожи биотрансформируют их в неактивные метаболиты. Следовательно, активное лекарственное средство не попадает в системный кровоток, и фармакологический эффект ограничен областью применения. При разработке «мягких» ЛС учитываются аспекты их биотрансформации. Этот рациональный подход быстро инактивируемых «мягких» ЛС может использоваться для создания лекарств, устойчивых к биотрансформации через ферменты кожи.

3.1.2.1 Бензоилпероксид → Бензойная кислота (рис. 9).
Бензоилпероксид (БПО) местно применяли у 5 пациентов для лечения язв на ногах [43]. Вместо БПО в сыворотке пациентов была обнаружена только бензойная кислота. Эти данные показывают, что БПО полностью метаболизируется в коже. Поэтому Morsches and Holzmann [43] исключили системно-токсическое действие БПО при местной терапии. Оказалось, что БПО имеет сильное сродство к ферментативному расщеплению. Одним из объяснений этого может быть то, что пероксиды имеют электронно-обогащенное сечение молекулы. Это может сделать их более уязвимыми для ферментов. Следовательно, при разработке лекарств, устойчивых к метаболизму, следует избегать богатых электронами или -бедных доменов.

3.1.3 Есть ли стереоселективная биотрансформация?

3.1.3.1 Рацемический этиловый эфир кетопрофена → (R) — и (S) -кетопрофен.

Исследования, проведенные на клетках HaCaT, дали результаты, сопоставимые с образцами кожи человека, в отношении их биотрансформационной активности [21]. Кетопрофен – это НПВП, используемый против боли и воспаления. (R)-Кетопрофен обладает в основном обезболивающими свойствами, тогда как (S)-кетопрофен обладает в 100-1000 раз более сильными противовоспалительными свойствами. При пероральном введении часто сообщалось о желудочно-кишечных побочных эффектах, поэтому трансдермальное применение кетопрофена стало более «интересным». Однако кетопрофен обладает физико-химическими свойствами, которые не подходят для трансдермального пути.

Было создано более липофильное пролекарство, этиловый эфир кетопрофена (KEE). Как проникновение, так и метаболизм были исследованы в клетках HaCaT. Результаты показали, что CE2 в основном отвечает за биотрансформацию KEE в кетопрофен. Подавление CE2 селективно ингибирует гидролиз KEE почти полностью [44] (рис. 11). Хотя рацемический KEE был применен к клеткам HaCaT, почти исключительно R-KEE был преобразован в (R)-кетопрофен. Для дермального продукта с R / S-KEE в качестве пролекарства можно ожидать обезболивающего, но не противовоспалительного эффекта.

3.1.3.2 Диастереомерный эфир пропранолола → пропранолол (рис. 12).

Пропранолол является эффективным β-блокатором. (S)-пропранолол в 100 раз более эффективен, чем (R)-пропранолол. Тем не менее, из-за выраженного печеночного метаболизма первого прохода пропранолола, его пероральная биодоступность является плохой. Для доставки через кожу пропранолол является слишком гидрофильным. Так, Udata и др. [45] синтезировали более липофильное пролекарство сложного эфира. Из-за 2 центров хиральности в молекуле пролекарства существует 4 энантиомера (1S2S, 1S2R, 1R2R и 1R2S). Был оценен их метаболизм и проницаемость в зависимости от стереохимии. Для рацемического пропранолола не наблюдалось стереоспецифического проникновения в кожу человека; оба (S) — и (R) -пропранолола проникают в кожу в равной степени. В гомогенатах тканей кожи человека скорости гидролиза 4 энантиомеров были различными: 1S2R> 1R2R> 1R2S> 1S2S.

Эти результаты хорошо согласуются с другими исследованиями; и здесь гидролиз был более выраженным с 2R энантиомерами. Важным новым открытием было то, что скорости потока были разными у 4 энантиомеров; это показывает зависимость проникновения через кожу от стереохимии препарата. В этом исследовании самый высокий поток был получен с энантиомером 1S2S, который в 30 раз выше, чем у исходного препарата. С другой стороны, этот энантиомер метаболизируется наиболее слабо до исходного препарата. Остается вопрос, какой из 4 энантиомеров обеспечивает самую высокую концентрацию (S)-пропранолола в крови с точки зрения как потока, так и метаболизма.

4. Выводы

В последнее время опубликовано несколько публикаций, в которых исследуются процессы метаболизма ферментов кожи, влияющие на проникновение ЛС. Поскольку типы и активность этих ферментов несопоставимы с таковыми в других органах (например, в печени), необходимы более специфические для кожи исследования, чтобы сделать какие-либо четкие выводы. Кроме того, тот факт, что некоторые метаболические процессы описаны спорным образом, делает еще более трудным изучение данной проблемы. Тем не менее, мы нашли достаточно сходств в этих публикациях, чтобы позволить нам сделать следующие общие рекомендации. Эти рекомендации будут полезны при разработке трансдермальных ЛС.

1. Типы ферментов кожи варьируются в зависимости от анатомической зоны и пола. Следовательно, могут возникать внутри- и межиндивидуальные колебания, особенно если препарат интенсивно метаболизируется.
2. Активность ферментов кожи зависит от возраста (повышаясь с возрастом). Таким образом, при использовании лекарств с высокой степенью метаболизма у детей дозы следует не только уменьшать в зависимости от веса ребенка.
3. Безусловно, самая высокая активность фермента была показана для жизнеспособного эпидермиса. Следовательно, можно эффективно использовать как трансдермальные пролекарства, так и трансдермальные «мягкие» лекарственные средства, поскольку они активируются или инактивируются до попадания в дерму и, следовательно, до их системного всасывания.
4. Геометрические свойства хиральных препаратов сохраняются после их биотрансформации. Это позволяет использовать более активный энантиомер при составлении пролекарств. Если оба энантиомера (R и S) одинаково активны, энантиомер R можно использовать, если требуется высокая биотрансформация (например, пролекарства и «мягкие» ЛС), и энантиомер S, если применяемое лекарственное средство должно быть в меньшей степени ферментировано.
5. При использовании пролекарств и «мягких» ЛС следует подумать об активности фермента. Этерификация более чем одной гидроксильной группы (для получения более липофильного пролекарства) часто приводит к более низкому высвобождению исходного лекарственного средства, потому что стерически более доступные сложные эфиры или простые эфиры расщепляются первыми.
6. Вместо маскировки нескольких гидроксильных групп может варьироваться длина углеродной цепи для увеличения липофильности. В большинстве случаев ферментативная биотрансформация усиливалась с увеличением длины углеродной цепи. Кроме того, алифатические группы не должны быть разветвленными, если необходима высокая биотрансформация. Здесь, опять же, стерическое расположение играет важную роль в метаболизме кожи.

Источник