Photoacoustic waves for Transdermal drug Delivery

Abstract

A pele funciona como barreira protectora contra a difusão de fármacos e patógenos, o que delimita a administração transdérmica a um conjunto reduzido de moléculas. A aplicação de metodologias passivas e activas, tal como, formulações tópicas, promotores de absorção, patches transdérmicos e métodos físicos não constituem ainda opções clinicamente válidas, para a larga maioria dos medicamentos, à utilização de agulhas hipodérmicas, pelo que estas permanecem a principal alternativa à entrega oral de fármacos, independentemente das questões relacionadas com a dor, contaminações e reciclagem. A maioria destes sistemas transdérmicos não cumpre as necessidades de segurança, eficácia e de dor requerente na administração transdérmica de fármacos. A utilização de ondas fotoacústicas enquanto sistema transdérmico consiste na conversão rápida e eficiente da energia de um pulso de laser, numa onda de pressão intensa e de larga banda de frequências, capaz de transientemente permeabilizar as camadas exteriores da pele ou da membrana celular. As ondas fotoacústicas apresentam as seguintes características físicas: curta duração (cerca de 1000 vezes mais curto do que um microssegundo), banda de frequências até 200 MHz e amplitude máxima de dezenas de atmosferas. A geração destas ondas assenta na utilização de pulsos de laser curtos (< 8 ns), fluências de laser moderadas (< 50 mJ/cm2), de modo a gerar ondas com rápidos tempos de crescimento (> 1 bar/ns) e pressões máximas até 50 bar, o que as coloca nos limites mínimos de perturbação efectiva de barreiras biológicas (de 1 a 50 bar/ns). A eficiência da transdução da luz laser em pressão pode ser conseguida através de um material de espessura reduzida, com um coeficiente de Grüneisen elevado e pela incorporação de um corante, tal como uma molécula com as propriedades das referências fotoacústicas, que respeite as seguintes relações: i) uma absorção linear, ua, superior a 100 cm-1, e ii) um decaimento não-radiativo para o estado fundamental inferior a <1 ns. A interacção das ondas fotoacústicas com tecidos biológicos aumenta a perda de água transepidérmica (TEWL), por um factor de 3, em pele humana, de forma indolor e reversível (2 minutos). A utilização destas ondas na administração transdérmica de fármacos emprega ondas de 12 bar, com frequências de 100 MHz, pelo que o seu mecanismo de interacção com os tecidos baseia-se na força acústica da radiação. Em particular, estas ondas produzem gradientes de pressão superiores a 15 bar, através de 5 corneócitos da pele (cada corneócito apresenta 5 μm de largura). A sonoforese e ultra-sonografia (com frequências entre de 0,2-20 MHz) não interagem com os tecidos por este mecanismo, uma vez que geram gradientes de pressão diminutos, se compararmos com a largura da camada córnea da pele (comprimento de onda típico de um ultra-som de 1 MHz é de é de 150 μm, enquanto que a espessura do estrato córneo é de 15 μm). Os resultados experimentais de entrega transdérmica com ondas fotoacústicas mostram que a pele de minipigs permanece intacta após a entrega intra-epidérmica de fotossensibilizadores (> 1000 Da) e de uma proteína de elevada massa molecular (proteína de fluorescência verde, GFP de 27000 Da). A interacção das ondas fotoacústicas com a membrana celular e a concomitante expressão de GFP demonstra o potencial desta técnica na permeabilização de membranas biológicas.

The remarkable protection against drugs and pathogens provided by the skin limits transdermal delivery to a very small set of the medicines. Topical formulations, absorption enhancers, transdermal patches and physical methods with therapeutic purposes have added more to popular folklore than to the clinical armamentarium, and hypodermic needles remain the most relevant alternative to oral delivery regardless of pain, contaminations and waste/recycling. These alternative transdermal systems have not yet fulfilled the need for safe, painless, efficient and affordable transdermal delivery of drugs. The photoacoustic waves (PA) transdermal system consists in the rapid and efficient conversion of the energy of a laser pulse into a broadband and intense pressure wave capable of transiently permeabilizing the outer layers of the skin or of the cellular membrane. Each photoacoustic wave is of very short duration (almost 1000 times shorter than a microsecond), covers a broad band of frequencies (up to 200 MHz), and its maximum amplitude is of tens of atmospheres. Short laser pulses (< 8 ns) with modest laser fluences (< 50 mJ/cm2) can generate PA waves with very high rise times (> 1 bar/ns) and moderate peak pressures (< 50 bar), within the limits required to perturb biological barriers (1-50 bar/ns). Efficient light-to-pressure transduction can be achieved with a thin material with a large Grüneisen coefficient and by incorporating a dye, such as a molecule with the properties of photoacoustic references, that respect the following relations: i) μa > 100 cm–1 at the incident laser light, ii) ultrafast radiationless decays to the ground state (< 1 ns). Such PA waves increase the transepidermal water loss (TEWL) by a factor of 3 in human skin in a painless and reversible manner (2 minutes). The enhancement of drug delivery employed 12 bar of photoacoustic waves and center frequencies of 100 MHz and follows the acoustic radiation force mechanism. Indeed, we produced a 12 bar pressure gradients across 5 skin corneocytes (approx. 5 μm wide). Sonophoresis and ultrasonography (with center frequencies of 0.2-20 MHz) cannot operate through this mechanism because they generate small pressure gradients across the stratum corneum (the typical wavelength of ultrasound at 1 MHz is 150 μm whereas the thickness of the stratum corneum is 15 μm). We also show that the skin of minipigs remains intact after intraepidermal delivery of photosensitizers (> 1000 Da) and a large protein (Green Fluorescence Protein, GFP of 27000 Da) with this method. The photoacoustic waves interaction with the cellular membrane and the concomitant GFP expression demonstrates this technique potential to effectively permeabilize biological barriers.