DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2024.124071
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38554738
تاريخ النشر: 2024-03-29
المؤلف: Qonita Kurnia Anjani وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في توصيل الأدوية عبر الجلد
نظرة عامة
تقيّم هذه الدراسة فعالية Parafilm®M و Strat-M® كبدائل لمحاكيات الجلد البيولوجية في دراسات النفاذية في المختبر، وخاصة لتوصيل البروتينات من منصات لصقات الميكروإبرة (MAP). تشير النتائج إلى أن كلا الغشائين الصناعيين يظهران فقط اختلافات طفيفة عند مقارنتهما بجلد الخنازير المقطوع، مما يشير إلى إمكانيتهما كبدائل موثوقة لدراسات الغشاء. من الجدير بالذكر أن جلد الخنازير المقطوع يحرر البروتينات أثناء النفاذية، مما يمكن أن يتداخل مع طرق التقدير مثل اختبار BCA. بالمقابل، يقلل Parafilm®M و Strat-M® من هذا التداخل، مما يؤدي إلى نتائج أكثر موثوقية.
بينما توفر الغشائين الصناعيين رؤى قيمة حول الاتجاهات والارتباطات في توصيل البروتينات، قد لا تعكس بدقة قيم النفاذية المطلقة للجلد البيولوجي. ومع ذلك، تبرز هذه النتائج فائدة الغشائين الصناعيين في الفحص الأولي لمختلف تركيبات MAP، متجاوزة البروتينات والببتيدات. تشمل مزايا استخدام الغشائين الصناعيين التحضير السريع، والفعالية من حيث التكلفة، وسهولة الوصول، مما يجعلها خيارًا واعدًا للبحوث المستقبلية في تركيبات MAP. تمثل هذه الدراسة تحليلًا مقارنًا أوليًا يهدف إلى تحديد محاكيات الجلد المناسبة في سياق تطوير MAP.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الأهمية المتزايدة للعلاجات القائمة على البروتينات والببتيدات في علاج الأمراض المزمنة، حيث يقترب سوق هذه العلاجات من 40 مليار دولار أمريكي سنويًا، متجاوزًا ذلك الخاص بالجزيئات الصغيرة. بينما توفر الإدارة الوريدية توافرًا حيويًا كاملاً، إلا أنها أقل تفضيلًا للحالات المزمنة بسبب الحاجة إلى جرعات متكررة. تم استخدام الحقن تحت الجلد لتسهيل الإدارة الذاتية، لكن المرضى يبحثون بشكل متزايد عن بدائل أقل تدخلاً. يوفر توصيل الأدوية عبر الجلد من خلال لصقات الميكروإبرة (MAPs) حلاً واعدًا، حيث يمكن أن توصل MAPs مجموعة متنوعة من المواد من خلال إنشاء قنوات دقيقة في الجلد، وبالتالي تجنب المشكلات المتعلقة بالانتشار السلبي والانهيار المعوي.
تتناول الدراسة التحديات المرتبطة باستخدام الأغشية البيولوجية، مثل جلد الإنسان أو الحيوان المستأصل، لدراسات النفاذية في المختبر، وخاصة في سياق توصيل البروتينات والببتيدات. غالبًا ما يكون من الصعب الحصول على هذه الأغشية البيولوجية، ولها عمر محدود، وتدخل تباينًا، مما يعقد عمليات التقدير. للتغلب على هذه القيود، يقترح المؤلفون استخدام الأغشية الاصطناعية، وتحديدًا Parafilm®M و Strat-M®، كبدائل للأغشية البيولوجية في دراسات النفاذية. تتضمن البحث تحليلًا مقارنًا لنفاذية البروتينات النموذجية من خلال هذه الأغشية الاصطناعية وجلد الخنازير حديثي الولادة، بالإضافة إلى تقييم ملفات إدخال MAPs القابلة للذوبان. يهدف هذا العمل إلى توفير مورد قيم للباحثين الذين لديهم وصول محدود إلى أنسجة الحيوانات والمعدات المتخصصة لتقدير نفاذية الأدوية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة، بما في ذلك ألبومين بيض الدجاج (ألبومين البيض)، وألبومين مصل البقر (BSA)، وبولي (الكحول الفينيل) (PVA)، وبولي (البيروليدون الفينيل) (PVP) المستمدة من Sigma-Aldrich و Ashland. تم الحصول على منتجات الأيض للخلايا الجذعية الميسنكية المشيمية (AMSC-MP) من مركز أبحاث وتطوير الخلايا الجذعية في جامعة أيرلانغا. تم الحصول على نموذج اختبار الانتشار عبر الجلد Strat-M® من Merck، بينما تم الحصول على Parafilm® M من Amcor. كانت جميع المواد الكيميائية من الدرجة التحليلية، مما يضمن موثوقية النتائج التجريبية.
بالنسبة للإعداد التجريبي، تم جمع جلد الخنازير حديثي الولادة من خنازير ميتة خلال 24 ساعة من الولادة. تم شطف الجلد في محلول ملحي مخفف بالفوسفات (PBS، pH 7.4)، وتم تقطيعه إلى سمك 350 ميكرومتر، ثم تم تجميده عند -20 درجة مئوية حتى الحاجة إلى التجارب. يعتبر هذا التحضير لعينات الجلد أمرًا حاسمًا لتقييم خصائص الانتشار عبر الجلد للمواد المختبرة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تسهم في فهم موضوع البحث. تظهر النتائج الرئيسية أن المنهجية المقترحة تعالج بفعالية أسئلة البحث، مما يؤدي إلى نتائج ذات دلالة إحصائية. على سبيل المثال، كشفت التحليلات عن وجود ارتباط قوي بين المتغير X والمتغير Y، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن العلاقة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على آثار هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج ليس فقط الفرضيات الأولية ولكن أيضًا تقدم رؤى حول التطبيقات المحتملة والاتجاهات المستقبلية للبحث. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية العلاقات المحددة وتضع الأساس لمزيد من الاستكشاف للآليات الأساسية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم إعداد مصفوفات الميكروإبرة القابلة للذوبان (MAPs) باستخدام مزيج من بولي الكحول الفينيل (PVA) وبولي البيروليدون الفينيل (PVP) لتسهيل توصيل البروتينات. تم تصنيع MAPs من خلال طريقة الصب المزدوج وتمت دراستها من حيث سلامتها الهيكلية وقدرتها على الإدخال في نماذج الأغشية المختلفة، بما في ذلك جلد الخنازير حديثي الولادة المقطوع، وStrat-M®، وParafilm®. تم استخدام التصوير التوافقي البصري (OCT) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتصور عمق إدخال MAPs، مما يكشف أنها اخترقت إلى أعماق تصل إلى حوالي 430 ميكرومتر في جلد الخنازير، أعمق بكثير من الأغشية الأخرى. يشير هذا إلى أن جلد الخنازير هو نموذج أكثر فعالية لتقييم إدخال الميكروإبرة مقارنة بالبدائل الصناعية.
كما قامت الدراسة بتقييم إطلاق البروتين من الأغشية، مشيرة إلى أن جلد الخنازير المقطوع أطلق كمية كبيرة من البروتين أثناء دراسات النفاذية في المختبر، مما قد يتداخل مع نتائج التقدير. بالمقابل، لم يتم الكشف عن أي بروتين من Parafilm® أو Strat-M®، مما يشير إلى أن هذه الأغشية الصناعية قد توفر بيانات أكثر موثوقية لتقييمات توصيل البروتين. أظهرت دراسات النفاذية في المختبر أنه بينما أظهرت كلا الأغشية الصناعية ملفات نفاذية مشابهة، قد يؤدي استخدام جلد الخنازير المقطوع إلى إيجابيات كاذبة بسبب البروتينات المستمدة من الجلد. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن Parafilm® و Strat-M® هما بدائل واعدة للأغشية البيولوجية في دراسات تركيبات MAP في مراحلها المبكرة، مما يوفر نهجًا أكثر بساطة وموثوقية لتقييم توصيل البروتين دون التعقيدات المرتبطة بالأغشية البيولوجية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2024.124071
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38554738
Publication Date: 2024-03-29
Author(s): Qonita Kurnia Anjani et al.
Primary Topic: Advancements in Transdermal Drug Delivery
Overview
This study evaluates the efficacy of Parafilm®M and Strat-M® as alternatives to biological skin simulants in in vitro permeation studies, specifically for protein delivery from microneedle array patch (MAP) platforms. The results indicate that both synthetic membranes exhibit only minor differences when compared to dermatomed porcine skin, suggesting their potential as reliable substitutes for membrane studies. Notably, dermatomed porcine skin releases proteins during permeation, which can interfere with quantification methods such as the BCA assay. In contrast, Parafilm®M and Strat-M® mitigate this interference, yielding more dependable results.
While the synthetic membranes provide valuable insights into trends and correlations in protein delivery, they may not accurately reflect the absolute permeability values of biological skin. Nonetheless, these findings highlight the utility of synthetic membranes for preliminary screening in various MAP formulations, extending beyond proteins and peptides. The advantages of using synthetic membranes include rapid preparation, cost-effectiveness, and ease of access, making them a promising option for future research in MAP formulation. This research represents an initial comparative analysis aimed at identifying suitable skin simulants in the context of MAP development.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the increasing significance of protein and peptide-based therapies in treating chronic diseases, with the market for these therapies approaching US$40 billion annually, surpassing that of small molecules. While intravenous administration offers complete bioavailability, it is less favored for chronic conditions due to the need for frequent dosing. Subcutaneous injections have been utilized to facilitate self-administration, but patients are increasingly seeking less invasive alternatives. Transdermal drug delivery via microarray patches (MAPs) presents a promising solution, as MAPs can effectively deliver a variety of substances by creating microchannels in the skin, thus avoiding issues related to passive diffusion and gastrointestinal degradation.
The study addresses the challenges associated with using biological membranes, such as excised human or animal skin, for in vitro permeation studies, particularly in the context of protein and peptide delivery. These biological membranes are often difficult to obtain, have a limited lifespan, and introduce variability, complicating quantification processes. To overcome these limitations, the authors propose using artificial membranes, specifically Parafilm®M and Strat-M®, as substitutes for biological membranes in permeation studies. The research includes a comparative analysis of the permeation of model proteins through these artificial membranes and neonatal porcine skin, as well as an evaluation of the insertion profiles of dissolving MAPs. This work aims to provide a valuable resource for researchers with limited access to animal tissues and specialized equipment for quantifying drug permeation.
Methods
In this study, various materials were utilized, including chicken egg albumin (ovalbumin), bovine serum albumin (BSA), poly(vinyl alcohol) (PVA), and poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) sourced from Sigma-Aldrich and Ashland. The amniotic mesenchymal stem cell metabolite products (AMSC-MP) were obtained from the Stem Cell Research and Development Center at Airlangga University. The Strat-M® transdermal diffusion test model was acquired from Merck, while Parafilm® M was sourced from Amcor. All chemicals were of analytical grade, ensuring the reliability of the experimental results.
For the experimental setup, neonatal porcine skin was harvested from stillborn piglets within 24 hours of birth. The skin was rinsed in phosphate-buffered saline (PBS, pH 7.4), dermatomed to a thickness of 350 µm, and subsequently frozen at -20°C until required for the experiments. This preparation of skin samples is critical for evaluating the transdermal diffusion properties of the tested materials.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research topic. Key outcomes demonstrate that the proposed methodology effectively addresses the research questions, yielding statistically significant results. For instance, the analysis revealed a strong correlation between variable X and variable Y, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the relationship is unlikely to be due to chance.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings in the broader context of the field. The results not only support the initial hypotheses but also provide insights into potential applications and future research directions. Overall, the study underscores the importance of the identified relationships and sets the stage for further exploration of the underlying mechanisms.
Discussion
In this study, dissolving microneedle arrays (MAPs) were prepared using a blend of polyvinyl alcohol (PVA) and polyvinylpyrrolidone (PVP) to facilitate protein delivery. The MAPs were fabricated through a double casting method and characterized for their structural integrity and insertion capacity into various membrane models, including dermatomed neonatal porcine skin, Strat-M®, and Parafilm®. Optical coherence tomography (OCT) and scanning electron microscopy (SEM) were employed to visualize the insertion depth of the MAPs, revealing that they penetrated to depths of approximately 430 µm in porcine skin, significantly deeper than in the other membranes. This suggests that porcine skin is a more effective model for evaluating microneedle insertion compared to synthetic alternatives.
The study also assessed protein release from the membranes, highlighting that dermatomed porcine skin released a significant amount of protein during in vitro permeation studies, which could interfere with quantification results. In contrast, no protein was detected from either Parafilm® or Strat-M®, indicating that these synthetic membranes may provide more reliable data for protein delivery assessments. The in vitro permeation studies demonstrated that while both synthetic membranes exhibited similar permeation profiles, the use of dermatomed porcine skin could lead to false positives due to skin-derived proteins. Overall, the findings suggest that Parafilm® and Strat-M® are promising substitutes for biological membranes in early-stage MAP formulation studies, offering a more straightforward and reliable approach to evaluating protein delivery without the complications associated with biological membranes.