DE69921489T2

DE69921489T2 - Elektrotransportvorrichtung mit klingen

Info

Publication number: DE69921489T2
Application number: DE69921489T
Authority: DE
Inventors: Ying Sun; W. Ralph OAKESON; J. Stephen WISNIEWSKI; C. Jonas WANG; M. Susan NIEMIEC
Original assignee: Johnson and Johnson Consumer Companies LLC
Current assignee: Johnson and Johnson Consumer Inc
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: CA2341446C; CA2341446A1; ATE280615T1; EP1109594A1; US6532386B2; WO2000012173A1; DE69921489D1; JP2002523195A; US20020115957A1; EP1109594B1; CN1315877A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Transportieren von Molekülen (z. B. Wirkmitteln oder interstitiellem Fluid) durch eine Barrieremembran (z. B. Haut oder Schleimhaut) hindurch.
Hintergrund der Erfindung
Transdermale und topische Dosierformen sind weitverbreitet seit Jahrzehnten zur Behandlung systemischer Erkrankungen und lokaler Zustände verschrieben worden, wie jenen, die mit der Haut und darunter liegenden Geweben verbunden sind. Diese Arzneimittel sind in der Regel "leicht abgebbar", da sie leicht mit einer hohen Potenz die Haut- oder Schleimhautmembran durchdringen. Die Permeation des Arzneimittels durch die Haut- oder Schleimhautmembran hindurch ist das Ergebnis des Gradienten des chemischen Potentials über der Haut- oder Schleimhautmembran. Zu den Beispielen für "leicht abgebbare" Arzneimittel gehören Nitroglycerin, Scopolamin, Nicotin, Hydrocortison, Betamethason, Benzocain und Lidocain.
Die meisten Arzneimittel und biologisch aktiven Bestandteile erfüllen die obigen Kriterien jedoch nicht und werden daher als "schwer abgebbare" Arzneimittel klassifiziert. Zu Beispielen für "schwer abgebbare" Arzneimittel gehören Insulin, Vasopressin, Erythropoietin, Interferone und Wachstumshormon in seinen Freisetzungsfaktoren. In der Regel haben "schwer abgebbare" Arzneimittel hohe Hydrophilie und/oder hohes Molekulargewicht, wie Polypeptide, Proteine und DNAs.
Um die Hautpermeation dieser Arzneimittel zu erhöhen, wurden verschiedene chemische und physikalische Permeationsverstärkungsverfahren verwendet. Chemische Permeationsverstärkungsmittel können in der Regel zur Erhöhung der transdermalen Abgabe von Arzneimitteln aufgebracht werden.
Eine umfassende Rezension der chemischen Penetrationsverstärkungsmittel findet sich in Buyuktimkin et al., "Chemical Means of Transdermal Drug Permeation Enhancement", Transdermal and Topical Drug Delivery Systems, Interpharm Press, Inc., 1997, Seiten 357 bis 475. Dieses Verfahren ist jedoch üblicherweise nur für Arzneimittel mit relativ niedrigen Molekulargewichten (weniger als ungefähr 1000 Dalton) wirksam.
Auch Elektrizität kann zur Erleichterung des Arzneimitteltransports durch die Hautbarriere hindurch verwendet werden, indem ein elektrischer Potentialgradient über der Haut angelegt wird, um den Arzneimitteltransport zu erleichtern. Es gibt drei Typen von elektrisch erleichtertem Arzneimitteltransport durch die Hautbarriere, nämlich Iontophorese, Elektroosmose und Elektroporation. Bei transdermaler Iontophorese migriert ein ionisisiertes Arzneimittel, angetrieben von einem angelegten elektrischen Potentialgradienten, in die Haut. Bei der Elektroosmose wird ein nicht-ionisches oder gering-ionisches Arzneimittel durch ein Fluid getragen, das durch einen angelegten elektrischen Potentialgradienten durch die Haut hindurch getrieben wird. Elektroporation ist die mikroskopische Perforation der Hautbarriere durch extrem kurze Pulse von elektrischer Hochspannung und niedrigem Strom. Diese Verfahren sind in Ying Sun, "Skin Absorption Enhancement by Physical Means: Heat, Ultrasound, and Electricity", Transdermal and Topical Drug Delivery Systems, Interpharm Press, Inc., 1997, Seiten 327 bis 355, beschrieben.
Es gibt einen fortlaufenden Bedarf an nichtinvasiven oder minimalinvasiven transdermalen Vorrichtungen zur Abgabe von Wirkmitteln, insbesondere Arzneimitteln mit hohem Molekulargewicht, wie Polypeptiden und Proteinen. Wegen der hohen Kosten von Arzneimitteln mit hohem Molekulargewicht besteht ein Bedarf an hocheffizienten minimalinvasiven transdermalen Arzneimittelabgabesystemen, die nicht zur Zersetzung oder Deaktivierung des Arzneimittels führen. Außerdem werden transdermale Abgabevorrichtungen gebraucht, die kontinuierlich oder periodisch ein Wirkmittel durch Haut- und Schleimhautmembran hindurch über einen langen Zeitraum abgeben und die Haut- und Schleimhautmembran nicht reizen.
In WO 97/48440 ist eine Vorrichtung zum Transport einer Verbindung über eine Barrieremembran offenbart, wie in dem Oberbegriffsabschnitt von Anspruch 1 beschrieben ist.
Kurzfassung der Erfindung
In einem Aspekt umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zum Transportieren einer Verbindung über eine Barrieremembran eines Säugers, wie die Haut- oder Schleimhautmembran eines Menschen. Die Verbindung kann ein Wirkmittel wie ein Arzneimittel zu therapeutischen Zwecken oder eine biologische Probe (z. B. eine Verbindung in der interstitiellen Flüssigkeit eines Säugers) zu diagnostischen Zwecken sein. Die Vorrichtung umfasst ein Gefäß mit einer Membrankontaktierungsoberfläche, einem Reservoir zur Aufbewahrung der Verbindung und einer Elektrode. Die Membrankontaktierungsoberfläche weist eine Vielzahl freiliegender Klingen und einen an die Klingen angrenzenden Kanal auf. Die Breite und die Dicke jeder Klinge verjüngen sich mit zunehmendem Abstand von der Membrankontaktierungsoberfläche (z. B. nehmen die Breite und die Dicke ab, wenn sie sich von der Membrankontaktierungsoberfläche in Richtung des oberen Bereichs oder der Spitze der Klinge wegbewegen). Das Reservoir steht in Verbindung mit den Kanälen und der Elektrode.
In einer Ausführungsform durchbrechen die Klingen, wenn die Membrankontaktierungsoberfläche eine Barrieremembran wie das Stratum corneum kontaktiert, die Barrieremembran, um Wege durch die Barrieremembran hindurch zu erzeugen. Die Wirkmittel in dem Reservoir werden dann durch "Elektrotransport", z. B. Iontophorese, durch die Wege hindurchgebracht. In einer Ausführungsform können durch diese Vorrichtung liposomale Formulierungen abgegeben werden, um effektiv Transfektion von Nukleinsäuren in die Hautzellen der Basalschicht der Epidermis zu vermitteln.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist ein transdermales iontophoretisches System, das eine erste Elektrode, eine Gegenelektrode und eine elektronische Steuereinheit umfasst. Die erste Elektrode umfasst ein Gefäß, ein Reservoir und eine Elektrode. Das Gefäß hat eine Membrankontaktierungsoberfläche mit einer Vielzahl freiliegender Klingen und an die Klingen angrenzenden Kanälen. Die Breite und die Dicke der Klingen verjüngen sich mit zunehmendem Abstand von der Membrankontaktierungsoberfläche entlang im Wesentlichen der gesamten Höhe der Klingen. Das Reservoir befindet sich in Verbindung mit den Kanälen und der Elektrode. Die elektronische Steuereinheit ist elektrisch mit der Elektrode und der Gegenelektrode verbunden und steuert den elektrischen Strom durch die Elektrode.
Um das Wirkmittel durch Elektrotransport (z. B. Iontophorese, Elektroosmose, Umkehrelektroosmose oder Elektroporation) abzugeben, werden die Membrankontaktierungsoberfläche der Vorrichtung und die Gegenelektrode mit der Barrieremembran eines Säugers kontaktiert, und es wird ein elektrischer Strom angelegt (z. B. von der Elektrode durch die Barrieremembran und zu der Gegenelektrode). Während der Iontophorese führt der elektrische Strom beispielsweise dazu, dass die ionisierten Wirkmittel und in einem geringeren Ausmaß nicht-ionisierte Wirkmittel einschließlich liposomverkapselter Wirkmittel in dem Reservoir der Vorrichtung durch die Kanäle der Vorrichtung in den Säuger hineinfließen.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der kurzen Beschreibung der Zeichnungen, aus der detaillierten Beschreibung der Erfindung und aus den Ansprüchen hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schemadiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrotransportvorrichtung.
2A, 2B, 2C, 2D, 2E und 2F sind Schemaansichten von Formen, die für die Klingen einer erfindungsgemäßen transdermalen iontophoretischen Vorrichtung verwendet werden können.
3 sind Mikroskopaufnahmen, die 4-fach, 10-fach und 50-fach vergrößert das histologische Ergebnis einer menschlichen Leichenhaut zeigt, die mit Klingen mit einer Höhe von 800 μm behandelt wurde.
4 sind Mikroskopaufnahmen, die 4-fach, 10-fach und 50-fach vergrößert das histologische Ergebnis einer menschlichen Leichenhaut zeigt, die mit Nadeln mit einer Höhe von 800 μm behandelt wurde.
5A ist ein Schemadiagramm einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen transdermalen iontophoretischen Vorrichtung.
5B ist ein Schemadiagramm einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen transdermalen iontophoretischen Vorrichtung.
5C ist ein Schemadiagramm einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen transdermalen iontophoretischen Vorrichtung.
6 ist ein Schemadiagramm einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen transdermalen iontophoretischen Vorrichtung.
7 ist eine 100-fach vergrößerte Mikroskopaufnahme, die einen erfindungsgemäßen, von drei Klingen umgebenen Kanal zeigt.
8A, 8B, 8C und 8D sind Mikroskopaufnahmen, die erfindungsgemäße, von vier Klingen umgebene Kanäle zeigen.
9 ist eine Schemaansicht einer Form, die für die Klingen einer erfindungsgemäßen transdermalen iontophoretischen Vorrichtung verwendet werden kann.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es wird angenommen, dass ein Fachmann basierend auf der hier gegebenen Beschreibung die vorliegende Erfindung in ihrem vollkommensten Umfang nutzen kann. Die folgenden spezifischen Ausführungsformen werden lediglich als veranschaulichend angesehen und sollen den Rest der Offenbarung in keinerlei Weise einschränken.
Alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die hier verwendet werden, haben, wenn nicht anders definiert, die Bedeutung, die der Durchschnittsfachmann, an den sich diese Erfindung richtet, im Allgemeinen darunter versteht.
In einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Transportieren eines Wirkmittels über eine Barrieremembran (z. B. die Haut- und Schleimhautmembranen wie das Stratum corneum der Haut). Die Barrieremembran umfasst mindestens eine Schicht von Zellen (d. h. lebende oder tote Zellen). Diese Vorrichtung transportiert in effizienter Weise ionisierte (z. B. unter Verwendung von Iontophorese, Elektroosmose, Elektroporation, Phonophorese oder der Kraft der Konzentrationsgradienten oder des Druckes) und nicht-ionisierte Wirkmittel wie liposomverkapselte Wirkmittel oder Verbindungen in interstitiellen Fluiden (z. B. unter Verwendung von Iontophorese, Elektroosmose, Elektroporation, Phonophorese oder der Kraft der Konzentrationsgradienten oder des Druckes) mit minimaler oder ohne Reizung über die Barrieremembran. Diese Vorrichtung gibt Wirkmittel auch rascher ab als bestehende iontophoretische Vorrichtungen, ohne die Wirkmittel zu deaktivieren oder zu denaturieren.
Wirkmittel, die mit dieser Vorrichtung abgegeben werden können, schließen, ohne darauf begrenzt zu sein, jegliches Material ein, das eine biologische Wirkung auf einen menschlichen Körper ausüben kann, wie therapeutische Arzneimittel einschließlich, aber nicht begrenzt auf organische Verbindungen; Arzneisubstanzen; Nährstoffe; und makromolekulare Verbindungen wie Polypeptide, Proteine und Nukleinsäurematerialien, die DNAs und Antisenses umfassen. Beispiele für Polypeptid- und Proteinwirkmittel schließen Thyrotropin freisetzendes Hormon (TRH), Vasopressin, Gonadotropin freisetzendes Hormon (GnRH oder LHRH), Melanotropin stimulierendes Hormon (MSH), Calcitonin, Wachstumshormon freisetzenden Faktor (GRF), Insulin, Erythropoietin (EPO), Interferon-α, Interferon-β, Oxytocin, Captopril, Bradykinin, Atriopeptin, Cholecystokinin, Endorphine, Nervenwachstumsfaktor, Melanocyteninhibitor-I, Gastrin-Antagonisten, Somastotatin, Encephaline, Cyclosporin und dessen Derivate ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Geeignete Nährstoffe schließen Vitamine, Aminosäuren und Derivate davon und Mineralien ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Zu Beispielen für solche Nährstoffe gehören Vitamin B-Komplex, Thiamin, Nicotinsäure, Biotin, Pantothensäure, Cholin-Riboflavin, Vitamin B6, Vitamin B12, Pyridoxin, Insositol, Carnitin, Ascorbinsäure, Ascorbylpalmitat, Vitamin A und dessen Derivate (Vitamin A-Alkohol, Vitamin A-Ester, Vitamin A-Aldehyd), Vitamin K, Vitamin E, Vitamin D, Cystein und N-Acetylcystein, Pflanzenextrakte und Derivate davon. Andere kationische und anionische Wirkmittel, wie jene, die in M. Roberts et al., "Solute Structure as a Determinant of Iontophoretic Transport", Mechanisms of Transdermal Drug Delivery, R. O. Potts und R. H. Guy, Herausgeber, Marcel Dekker, Seiten 291 bis 349, 1997 beschrieben sind, können auch mit dieser Vorrichtung abgegeben werden.
In 1 umfasst die Vorrichtung 100 ein Gefäß 102 mit einer Membrankontaktierungsoberfläche 104. Das Gefäß 102 kann aus Silikonkautschuk; synthetischem Kautschuk; Naturkautschuk wie Poly(isopren), Poly(butadien-co-styrol), Poly(isobuten-co-isopren) und Poly(chloropren) und anderen polymeren Materialien zusammengesetzt sein, die üblicherweise für medizinische Vorrichtungen verwendet werden. Das Gefäß 102 kann eine beliebige Form haben, wie beispielsweise rund, oval oder rechteckig. Die Membrankontaktierungsoberfläche 104 weist eine Vielzahl freiliegender Klingen 106 auf, die in festgelegten Intervallen voneinander beabstandet sind, um Kanäle 108 zu definieren. Die Kanäle 108 sind in der Regel etwa 100 μm bis etwa 10 mm voneinander beabstandet. Die Membrankontaktierungsoberfläche 104 kann eine beliebige Form haben, wie beispielsweise rund, oval oder rechteckig. In einer Ausführungsform hat die Membrankontaktierungsoberfläche 104 eine Fläche von etwa 2 bis etwa 50 cm² (z. B. etwa 10 bis etwa 20 cm², wie etwa 12 cm²).
Die Membrankontaktierungsoberfläche 104 und die Klingen 106 können aus Hartmetallmaterialien, wie rostfreiem Stahl einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf rostfreien chirurgischen Stahl und Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, anderen Legierungen und Reinmetallen zusammengesetzt sein. Die Hartmetallmaterialien können eine elektrisch nicht-leitende äußere Schicht aufweisen. In einer Ausführungsform umgibt die nicht-leitende äußere Schicht das gesamte Metall auf der Membrankontaktierungsoberfläche 104 derart, dass das Metall nicht freiliegt. Die nicht-leitende Schicht kann aus Teflon^®, Polyvinylidenfluorid, Nylon, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyestern, Polyethylen und Polypropylen zusammengesetzt sein.
Alternativ können die Membrankontaktierungsoberfläche 104 und die Klingen 106 aus harten Nicht-Metallmaterialien zusammengesetzt sein, wie Polymeren einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf Copolymere und Polymergemische, Keramikmaterialien, kristallinen Materialien und glasartigen Materialien. Die Klingen 106 können aus elektrisch nicht-leitenden Materialien mit hoher Festigkeit zusammengesetzt sein, wie Polystyrol; Polycarbonat; Acrylpolymeren wie Polymethylmethacrylat; Teflon®; Polyestern; Polyurethanen; Polyvinylchloriden; Fiberglasmaterialien; biologisch abbaubaren Polymeren wie Copolymeren von Polymilchsäure und Polyglykolsäure; Keramikmaterialien und anorganischen Glasmaterialien.
Die Geometrie der Klingen 106 ähnelt im Allgemeinen einer Messerspitze, da sie dünn ist und eine irgendwie dreieckige oder bogenförmige Form hat. In einer Ausführungsform sind die Ränder der Klingen scharf. Jede Klinge verjüngt sich in Richtung des oberen Bereichs der Klinge (z. B. die Dicke und Breite der Klinge). Die Form der Klingen kann gerade, gekrümmt, gezackt und/oder mit Haken sein, wie beispielsweise in 2A bis 2F gezeigt ist.
In den 2A bis 2F sind nur, die Hälften der Klingen gezeigt (d. h. nur die Hälfte der Arbeitsseite oder Breite ("w") der Klinge ("w/2") ist gezeigt). Die Höhe der Klinge wird als "h" bezeichnet und die Dicke der Klinge wird als "t" bezeichnet. In einer Ausführungsform sind die Ränder jeder Klinge gekrümmt (z. B. 2A und 2E) und/oder die Arbeitsseiten der Klingen sind gekrümmt oder geneigt, z. B. in Richtung der Innenseite des angrenzenden Kanals weisend, oder von dieser weg weisend) (z. B. 2E und 2F) . Die Klingen 106 können in Gruppen von 2 bis 10 (z. B. 3 bis 6) um einen Kanal herum liegen.
In einer Ausführungsform sind der Kanal und seine angrenzenden Klingen aus einer einzigen Materiallage (z. B. einer dünnen Lage (einem Blech) aus Metall wie rostfreiem Stahl) gebildet. Siehe 7, 8a, 8b, 8c und 8d. Die Kanäle werden unter Verwendung eines Penetrators gebildet (z. B. runde oder flache Ahle), um die Lage zu durchbohren. Wenn der Penetrator die Lage durchdringt, reckt er das Material, bis er das Material durchdringt, wodurch ein Kanal durch die Lage hindurch und sich verjüngende, mit Spitzen versehene Klingen zurückbleiben (z. B. wie in 9 gezeigt, wobei die Breite "w" der Arbeitsseite der Klinge am Boden der Klinge größer als im oberen Bereich der Klinge ist und die Dicke "t" der Klinge am Boden größer als im oberen Bereich der Klinge ist). Die Anzahl der Klingen, die den Kanal umgeben, hängt von der Form des Penetrators ab (z. B. erzeugt ein Penetrator mit vier Seiten vier Klingen). Die Klingen können in Abhängigkeit von der Form des Penetrators (z. B. ob ein kegelförmiger oder pyramidenförmiger Penetrator verwendet wird) und dem Ausmaß, mit dem der Penetrator die Lage durchbohrt, auch in Richtung des Kanals gekrümmt sein. Ein vierseitiger Penetrator kann beispielsweise einen X-förmigen Kanal erzeugen, wenn er nicht wesentlich durch den Kanal geschoben wird (siehe 8c), oder einen quadratischen Kanal (siehe 8d). Die Fertigung solcher Kanäle und Klingen wird in der PCT-Veröffentlichung Nr. WO 98/11937 erörtert.
Obwohl das Stratum corneum des Menschen nur ungefähr 15 Mikrometer dick ist, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, dass die zum Durchbrechen der Barrieremembran erforderliche Höhe der Klingen erheblich größer als 15 μm ist. Die Erfinder nehmen an, dass die größere Höhe der Klingen wegen der Geschmeidigkeit und Elastizität des Stratum corneum erforderlich ist. Daher haben die Klingen in der Regel eine Höhe, die größer als die Dicke der Barrieremembran ist (z. B. größer als die Dicke des Stratum corneum, jedoch geringer als diejenige, die die Dermis durchdringt, wenn sie gegen die Haut gedrückt wird). In einer Ausführungsform haben die Klingen 106 eine Höhe im Bereich von etwa 100 bis etwa 1500 μm (z. B. etwa 300 bis etwa 1000 μm oder etwa 400 bis etwa 800 μm), gemessen von der Grundfläche der Klinge. In einer Ausführungsform ist eine der Klingen, die an einen Kanal angrenzt, mindestens 25 % größer als die anderen Klingen, die an diesen Kanal angrenzen. In einer Ausführungsform haben die Klingen, wie sie in 9 abgebildet sind, ein Breite-zu-Dicke-Verhältnis, gemessen in ihrer halben Höhe ("1/2 h") von ihrer Grundfläche (nämlich "W_1/2h"/"t_1/2h") , von mindestens 2 (z. B. mindestens 5 oder mindestens 10).
In einer Ausführungsform durchbrechen die Klingen, wenn sie gegen eine Barrieremembran wie Stratum corneum oder Schleimhaut gedrückt werden, die Barrieremembran nur an der äußersten Oberfläche, ohne an dem Gewebe unter der Barrieremembran irgendwelche wesentlichen nachteiligen Wirkungen herbeizuführen. Wenn die Klingen beispielsweise auf die Haut eines Menschen aufgebracht werden, werden nur die Stratum corneum-Schicht und mitunter die Epidermis von den Klingen durchbrochen, wodurch die Dermis im Wesentlichen unversehrt bleibt.
Die erfindungsgemäßen Klingen erzeugen erheblich größere Öffnungen durch die Barrieremembran als Nadeln derselben Höhe, wie jene, die in Lee et al., US-A-5,250,023 beschrieben sind, ohne die Gewebe unterhalb der Barrieremembran zu beschädigen, wie die lebende Epidermis und/oder Dermis. 3 zeigt vier Mikrophotographien der Hautoberfläche einer menschlichen Leiche, die mit einer Klinge mit einer Höhe von 800 μm von ihrer Grundfläche behandelt worden ist. Obwohl das Stratum corneum 10 unterbrochen wurde, waren die Epidermis 20 und Dermis 30 unversehrt.
Im Unterschied dazu hat der mit einer Nadel erzeugte Weg üblicherweise einen sehr kleinen Durchmesser, der durch die elastische und quellbare Beschaffenheit des Oberflächenhautgewebes weiter verringert wird. 4 zeigt drei Mikroskopaufnahmen der Hautoberfläche einer menschlichen Leiche, die mit einer Nadel mit einer Höhe von 800 μm behandelt wurde. Wie in 4 gezeigt ist, wurde die menschliche Dermis 30 durch die Nadel verletzt, was üblicherweise zu Schmerz, Bluten und anderen unerwünschten Gewebereaktionen auf Verwundung führt. Da die Gewebereaktionen auf Verwundung das natürliche Verteidigungssystem des Körpers sind, werden Wirkmittel, die typischerweise mit Hilfe von Nadeln abgegeben werden, insbesondere Polypeptid- und Proteinarzneimittel, beschleunigten biologischen Abbauprozessen aus aktivierten Enzymen und sich sammelnden Mikrophagen ausgesetzt. Die erfindungsgemäßen Klingen haben auch bessere mechanische Festigkeit als Nadeln der gleichen Höhe und daher ein geringeres Bruchrisiko, während sie sich in den Hautgeweben befinden. Klingen sind auch preisgünstiger und einfacher herzustellen als Nadeln von vergleichbarer Größe.
Die Geschmeidigkeit und Elastizität des Stratum corneum kann verringert werden, indem die Haut vor der Verwendung der Vorrichtung 100 mit Penetrationsverstärkungsmitteln vorbehandelt wird. Diese Penetrationsverstärkungsmittel verringern die Geschmeidigkeit und Elastizität des Stratum corneum durch Extrahieren der Hautlipide und des Feuchtigkeitsgehalts aus dem Stratum corneum. Zu Beispielen für solche Penetrationsverstärkungsmitteln gehören niedere (C₂- bis C₅)-Alkohole wie Ethanol und Isopropylalkohol; Ketone wie Aceton; Ester wie Ethylacetat und Butylacetat; Alkane wie Hexan; Ether; perfluorinierte Kohlenwasserstoffe; Tenside und Mischungen davon, sind jedoch nicht auf diese begrenzt.
Das Stratum corneum kann auch vor der Verwendung der Vorrichtung 100 mit Penetrationsverstärkungsmitteln behandelt werden, die die Keratinstruktur des Stratum corneum schwächen. Diese Keratin schwächenden Penetrationsverstärkungsmittel können topisch oder durch Iontophorese aufgebracht werden. Beispiele für diese Penetrationsverstärkungsmittel schließen Sulfhydrylverbindungen einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf Thioglykolsäure, Thiomilchsäure, Thiosalicylsäure und ihre Salze von Calcium, Ammonium, Magnesium, Natrium, Lithium, Kalium, Strontium, Thioglycerin, Thioethylenglykol, Cystein, Acetylcystein, Homocystein, Cysteinmethylester, Cysteinethylester, Carbamoylcysteinglutathion und Cysteamin; Natriumsulfid; Kaliumsulfid, Strontiumsulfid; Lithiumsulfid; Harnstoff; Salicylsäure; Enzyme einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf Trypsin, Chymotrypsin, Thermolysin, Papain und Desquamin; und Mischungen davon ein, sind jedoch nicht auf diese begrenzt.
Die Klingen 106 können parallel zu der Hautoberfläche bewegt werden, um die Größe der Öffnungen auf dem Stratum corneum zu erhöhen. Die Parallelbewegung kann in einer vibrierenden oder oszillierenden Weise erfolgen. In einer Ausführungsform ist die Amplitude der Bewegung geringer als oder gleich dem Abstand zwischen zwei benachbarten Klingen. Der Bewegungswinkel kann in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung variieren (z. B. von parallel zu der Haut bis senkrecht zu der Haut). Die Bewegung der Klingen kann auch in kreisförmiger oder statistischer Bewegung erfolgen. Die Bewegung der Klingen kann manuell oder durch einen Elektromotor angetrieben sein, der durch einen Drucksensor aktiviert werden kann, der erkennt, wenn die Klingen mit einem festgelegten Druck gegen Haut gedrückt werden. Die Klingen können auch mittels einer piezoelektrischen Vorrichtung mit Frequenzen im Bereich von mehreren Zyklen pro Sekunde bis zu mehreren Tausend Zyklen pro Sekunde parallel zu der Hautoberfläche oszilliert oder vibriert werden.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung 100 können die Klingen 106 und gegebenenfalls die Membrankontaktierungsoberfläche 104 eine Beschichtung 107 aufweisen. Die Beschichtung 107 kann das abzugebende Wirkmittel und/oder das Penetrationsverstärkungsmittel enthalten. In der Haut vorhandene Feuchtigkeit oder ein Träger wie Wasser aus dem Reservoir 110 kann das Wirkmittel in der Beschichtung 107 an den Körper abgeben. Wenn das Wirkmittel somit in der Beschichtung 107 vorhanden ist, können die Membrankontaktierungsoberfläche 104 und die Beschichtung 107 unabhängig verwendet werden, um das Wirkmittel an den Säuger abzugeben (d. h. das Reservoir und die Elektrode müssen nicht in die Vorrichtung eingeschlossen sein).
Die Beschichtung 107 kann des Weiteren Hilfsstoffe zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit der Beschichtung, der Auflösungsgeschwindigkeit des Wirkmittels und der Stabilität des Wirkmittels und zur Verringerung irreversibler Aggregation oder Polymerisation des Wirkmittels, insbesondere von Proteinen und Peptiden, enthalten. Beispiele für geeignete Hilfsstoffe schließen die oben beschriebenen Penetrationsverstärkungsmittel, wasserlösliche Polymere, Mono-, Di- und Polysaccharide, Cyclodextrine und Antioxidantien wie Ascorbinsäure, Ascorbinsäureester, Butylhydroxyanisol, Butylhydroxytoluol, Cystein, N-Acetylcystein, Natriumbisulfit, Natriummetabisulfit, Natriumformaldehydsulfoxylat, Acetonnatriumbisulfit, Tocopherole und Nordihydroguajaretsäure ein, sind jedoch nicht darauf begrenzt.
Andere biologische Wirkmittel können in die Beschichtung 107 eingebracht werden, um biologische Vorteile zu zeigen, wie Reizung und/oder Entzündung lokaler Gewebe zu verringern, unangenehme Hautempfindungen zu verringern, die mit transdermaler Iontophorese verbunden sind, die Durchgängigkeit der Arzneimittelabgabewege aufrechtzuerhalten und für Sterilität zu sorgen und diese aufrechtzuerhalten. Zu Beispielen für Wirkmittel, die zur Verringerung von Reizung und/oder Entzündung lokaler Gewebe geeignet sind, gehören Zinkoxidpuder, Histamindihydrochlorid, Kampher, Menthol, Methylnicotinat, Methylsalicylat, Terpentinöl und Corticosteroide, sind jedoch nicht darauf begrenzt. Beispiele für Wirkmittel, die zur Verringerung unangenehmer Hautempfindungen geeignet sind, die mit transdermaler Iontophorese verbunden sind, schließen Lokalanalgetika wie Lidocain und Benzocain ein, sind jedoch nicht darauf begrenzt. Beispiele für Wirkmittel, die zum Aufrechterhalten der Durchgängigkeit der Arzneimittelabgabewege geeignet sind, schließen Heparin, niedermolekulargewichtiges Heparin, nicht-ionische Tenside, kationische Tenside und anionische Tenside ein, sind jedoch nicht darauf begrenzt. Beispiele für Wirkmittel, die zur Bereitstellung und Aufrechterhaltung von Sterilität geeignet sind, schließen antimikrobielle Mittel wie Iod, Benzalkoniumchlorid, Benzethoniumchlorid, Triclocarban, Triclosan, Bacitracin-Zink, Neomycin, Polymyxin B-Sulfat und Tetracycline ein, sind jedoch nicht darauf begrenzt.
Der Beschichtung 107 können Enzyminhibitoren wie proteolytische Enzyminhibitoren und Proteaseinhibitoren zugefügt werden. Diese Inhibitoren werden mit dem Wirkmittel in das lebende Hautgewebe hinein abgegeben, um Abbau des Wirkmittels zu verhindern, der durch proteolytische Enzyme hervorgerufen wird. Proteolytische Enzyminhibitoren schließen Aprotinin, Camostat-mesilat, aus Sojabohnen oder anderen Quellen stammende Trypsininhibitoren, o-Phenanthrolin, Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), Dilucin, Natrium-deoxycholat und aus den Eiklaren von Enten oder Puten und anderen Quellen stammendes Ovomucoid ein, sind jedoch nicht darauf begrenzt.
Anstelle von oder zusätzlich zu dem Wirkmittel kann die Beschichtung 107 eine nicht-leitende polymere Beschichtung umfassen, wie Teflon^®, Polyvinylidenfluorid, Nylon, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyester, Polyethylen und Polypropylen.
Die Beschichtung 107 kann einen Klebstoff umfassen, um die Vorrichtung an die Barrieremembran zu kleben. Der Klebstoff kann ein polymerer, selbstklebender und nicht-leitender Klebstoff sein und bleibt selbst nach längerer Einwirkung von Wasser klebfähig. Geeignete Klebstoffmaterialien schließen Silikone, Polyisobutylene und Derivate davon, Acrylharze, Naturkautschuke und Kombinationen davon ein, sind jedoch nicht darauf begrenzt. Zu Beispielen für Klebstoffe gehören Silikonklebstoffe und Acrylklebstoffe. Geeignete Silikonklebstoffe schließen Dow Corning^® 355, erhältlich von Dow Corning, Midland, MI, USA; Dow Corning^® X7-2920; Dow Corning^® X7-2960; GE 6574, erhältlich von General Electric Company, Waterford, NY, USA; und Silikonhaftklebstoffe wie jene ein, die in US-A-2,857,356; US-A-4,039,707; US-A-4,655,767; US-A-4,898,920; US-A-4,925,671; US-A-5,147,916, US-A-5,162,410 und US-A-5,232,702 offenbart sind, sind jedoch nicht darauf begrenzt. Zu geeigneten Acrylklebstoffen gehören Vinylacetat-Acrylat-Multipolymere wie Gelva^® 7371, erhältlich von Monsanto Company, St. Louis, MO, USA; Gelva^® 7881; Gelva^® 2943; I-780 Klebstoff medizinischer Qualität, erhältlich von Avery Dennison, Gainesville, OH, USA, und Acrylhaftklebstoffe, wie jene, die in US-A-4,994,267; US-A-5,186;938; US-A-5,573,788; US-A-5,252,334 und US-A-5,780,050 offenbart sind, sind jedoch nicht darauf begrenzt.
Der Klebstoff befestigt die Vorrichtung an der Barrieremembran (z. B. der Haut), so dass sie nicht leicht davon getrennt wird oder sich entlang der Haut bewegt. Der Klebstoff minimiert auch Lecken des elektrischen Stroms, der durch die Kanäle 108 in die Barrieremembran wie das Stratum corneum fließt. Lecken von elektrischem Strom kann durch das Fließen kleiner Ionen, wie Wasserstoffionen, Hydroxylionen, Natriumionen und dergleichen in das intakte Stratum corneum, d. h. den Bereich des Stratum corneum, der nicht durch die Klingen 106 unterbrochen ist, durch die interzellulären Räume zwischen den Keratinzellen hervorgerufen werden. Ein vollständig hydratisiertes Stratum corneum hat größere interzelluläre Räume und ermöglicht daher größere Elektrolytmigration als das normale Stratum corneum, was zu einem größeren elektrischen Stromverlust führt. Da die Abgabeeffizienz des Wirkmittels sinkt, wenn der elektrische Strom sinkt, vermindert das Lecken von elektrischem Strom die Abgabeeffizienz des Wirkmittels. Eine elektrisch nicht-leitende oder wenig-leitende Klebstoffschicht hindert Ionen, die durch die Kanäle 108 fließen, am Lecken in das Stratum corneum. Stattdessen fließen die Ionen einfach durch die Wege, die in dem Stratum corneum durch die Klingen 106 gebildet wurden, ohne in andere Bereiche des Stratum corneum zu migrieren. Die nicht leitende Klebstoffschicht erhöht somit die Abgabeeffizienz des Wirkmittels.
Zusätzlich zu oder anstelle von dem Klebstoff in der Beschichtung 107 kann die Vorrichtung 100 mit einem elastischen Band, einem Band mit einer Schnalle (z. B. ähnlich einem ledernen Armbanduhrband), einem Velcro^®-Band oder dergleichen an der Barrieremembran befestigt werden.
Die Kanäle 108 können jede beliebige Größe haben, die ausreichend groß ist, damit die Wirkmittel sie passieren können. Die Kanäle 108 haben im Allgemeinen einen Durchmesser von etwa 100 μm bis etwa 4 mm.
Ein Reservoir 110 befindet sich in Verbindung mit Kanälen 108, damit entweder Verbindungen (z. B. Wirkmittel) austreten können oder Verbindungen (z. B. Verbindungen innerhalb der interstitiellen Flüssigkeit) in das Reservoir 110 eintreten können. Das Reservoir 110 kann aus beliebigem Material zusammengesetzt sein, das mit dem Wirkmittel unreaktiv ist, einschließlich der Materialien, aus denen das Gefäß 102 zusammengesetzt sein kann.
Wenn das Reservoir zur Verabreichung einer Verbindung wie eines Arzneimittels verwendet wird, kann das Reservoir 110 einen fließfähigen Träger umfassen, der pharmazeutisch annehmbar und mit der Verbindung verträglich ist (z. B. wie Wasser). Das Reservoir 100 kann zusätzlich zu oder anstelle davon ein Suspendiermaterial zur Immobilisierung des Wirkmittels enthalten. Beispiele für Suspendiermaterialien schließen hydrophile, hochabsorbierende, poröse Materialien ein. Beispiele für geeignete poröse Materialien schließen Gaze auf Baumwollbasis; Vlies-Pads, die aus Rayon oder einer Mischung aus Rayon, Polyester und/oder anderen Polymerfasern gefertigt sind; Polymerschaum und schwammartige Materialien, die aus Polyurethan, Polyester und/oder anderen Polymeren zusammengesetzt sind; und vernetzte und unvernetzte Geliermaterialien ein, wie Polyacrylamid, Polyvinylalkohol, Gelatine, Hydroxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Methylcellulose und Carboxymethylcellulose. Ein Penetrationsverstärkungsmittel wie oben beschrieben kann in das Suspendiermaterial eingebracht werden.
Das Reservoir kann eine oder mehrere kleine Öffnungen 114 aufweisen, um Luft oder anderes Gas aus dem Reservoir entweichen zu lassen, um das Füllen des Reservoirs zu erleichtern. In der Regel haben die Öffnungen einen Durchmesser kleiner als 100 μm. Die Öffnungen können einen Ventilmechanismus oder ein auf Druck ansprechendes Ventil haben, um das Freisetzen von Flüssigkeit in dem Reservoir während des Betriebs zu verhindern.
Während des Betriebs oder unmittelbar vor dem Betrieb der Vorrichtung 100 kann ein Wirkmittel in einem geeigneten Lösungsmittel in das Reservoir 110 geladen werden. Alternativ kann das Reservoir 110 mit einem Wirkmittel im festen Zustand vorbeladen werden. Das Wirkmittel im festen Zustand kann ein Pulver sein, das in einem porösen Material immobilisiert wurde, wie in einem Vlies-Pad oder Polyurethanschaum, oder kann in lyophilisierter Form, wie sie durch Gefriertrocknen erhalten wird, mit oder ohne ein poröses Material vorliegen. Im Betrieb lösen Lösungsmittel, die in das Reservoir 110 eingebracht werden, das Wirkmittel im festen Zustand auf, wodurch es in Kontakt mit dem Körper kommen kann, an dem die Vorrichtung 100 befestigt ist. Pharmazeutische Hilfsmittel zur Stabilisierung des Wirkmittels während des Lyophilisierungsprozesses und der Aufbewahrung sowie zum raschen Auflösen des Wirkmittels können in dem Reservoir 110 vorhanden sein. Zu Beispielen für Hilfsmittel gehören Natrium- und Kaliumphosphate; Citronensäure; Weinsäure; Albumin; Gelatine und Kohlenhydrate wie Dextrose, Mannitol, Dextran und Cyclodextrine, jedoch nicht hierauf begrenzt. Das Reservoir 110 kann außerdem Penetrationsverstärkungsmittel und andere biologisch wirksame Mittel wie oben beschrieben enthalten.
Die Elektrode 112 kann ein Edelmetall wie Platin oder Gold oder leitfähiger Kohlenstoff sein. Die Elektrode 112 kann auf ein Substrat plattiert sein, wie Metall oder leitendes Polymer. Geeignete leitende Polymere schließen leitende Polymere mit eingebettetem Füllstoff, wie Silikonkautschuke mit eingebettetem Kohlenstoff; Naturkautschuke mit eingebettetem Kohlepulver; Polymere mit eingebettetem Silberhalogenidpulver; silberhalogenid-beschichtetes Silber wie silberchlorid-beschichtetes Silber, silberbromid-beschichtetes Silber und silberiodid-beschichtetes Silber und korrosionsbeständige Legierungen wie rostfreie Stähle und titanhaltige Legierungen ein, sind jedoch nicht darauf begrenzt. Die Elektrode 112 kann auch eine Kombination von beliebigen der vorhergehenden Materialien sein.
Im Betrieb werden die Membrankontaktierungsoberfläche 104 der Vorrichtung 100 und eine Gegenelektrode auf die Haut eines Säugers und insbesondere eines Menschen aufgebracht. Über die Elektrode 112 der Vorrichtung 100 und eine Gegenelektrode wird ein elektrisches Potential angelegt. In einer Ausführungsform ist die Gegenelektrode mit der Vorrichtung 100 identisch. Der Strom führt dazu, dass sich entweder eine in dem Reservoir 110 befindliche Verbindung (z. B. ein Wirkmittel) durch die Kanäle 108 und in den Säuger hinein bewegt, oder sich eine Verbindung in dem Säuger durch die Kanäle 108 in das Reservoir 110 bewegt. Die durch die Klingen 106 durch das Stratum corneum hindurch erzeugten Wege vermindern den elektrischen Widerstand durch das Stratum corneum hindurch, was zu erhöhtem elektrischen Strom durch den Körper des Säugers hindurch führt. Dies führt zu einer erhöhten Abgabe des Wirkmittels.
Der verwendete Strom kann konventioneller Gleichstrom (DC); aufgedrückte Signale wie Kombinieren von DC mit konventionellem Wechselstrom (AC) und die aufgedrückten Signale, die in US-A-5,135,478 offenbart sind; gepulster DC wie jener, der in US-A-5,042,975 offenbart ist, und DC und gepulster DC mit periodisch umgekehrter Polarität sein, wie in Y. Sun und H. Xue, Proceed. Intern. Symp. Control. Rel. Bioact. Mater., 17:202 bis 203 (1990) und US-A-5,224,927 und US-A-5,013,293 beschrieben ist. In einer Ausführungsform ist der verwendete Strom Gleichstrom oder gepulster Gleichstrom mit periodisch umgekehrter Polarität. Die Stromdichte (Stromintensität pro Hautflächeneinheit) liegt im Allgemeinen unter etwa 0,5 mA/cm², das in der Regel die Schmerzschwelle der menschlichen Haut gegenüber elektrischem Strom ist (z. B. weniger als 0,4 mA/cm²).
Der elektrische Strom oder die Potentialwellenformen können an jeglichen Änderungspunkten auslaufen gelassen werden, um abrupte und drastische Strom/Potentialänderungen zu vermeiden, was für den Säuger zu Unbehaglichkeitsempfindungen führen kann. Wenn die Iontophorese initiiert wird, kann der Strom beispielsweise allmählich auf die gewünschte Intensität erhöht werden, um das Unbehagen für den Säuger zu minimieren.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 5A gezeigt. Die Vorrichtung 500 umfasst ein Gefäß 502 mit einer Membrankontaktierungsoberfläche 504. Die Membrankontaktierungsoberfläche 504 weist eine Vielzahl freiliegender Klingen 506 auf, die in festgelegten Intervallen voneinander beabstandet sind, um Kanäle 508 zu definieren. Die Membrankontaktierungsoberfläche 504 ist mit einer Klebstoffschicht 509 beschichtet. Ein Verbindungsreservoir 510 innerhalb des Gefäßes 502 befindet sich in Verbindung mit den Kanälen 508 und einem Elektrodenreservoir 514.
Ein Elektrodenreservoir 514 befindet sich zwischen und in Verbindung mit einer Elektrode 512 und dem Verbindungsreservoir 510. Eine semipermeable Membran 516 trennt das Elektrodenreservoir 514 von dem Verbindungsreservoir 510. Das Elektrodenreservoir 514 kann ein Elektrodenmedium enthalten. Damit Ionen in dem Elektrodenmedium so wenig wie möglich mit Verbindungs-/Flüssigkeitsionen hinsichtlich des Tragens von elektrischer Ladung durch die Hautbarriere hindurch konkurrieren, können die Elektrodenmedien niedrige oder keine ionische Ladung aufweisen. Das Elektrodenmedium umfasst im Allgemeinen eine wässrige Lösung, die weniger als etwa 1 Gew.-%, z. B. weniger als etwa 0,1 Gew.-%, wie weniger als etwa 0,01 Gew.-% Elektrolyt enthält. In das Elektrodenmedium oder Elektrodenreservoir 514 kann ein Penetrationsverstärkungsmittel wie oben beschrieben eingeschlossen sein, um die Geschmeidigkeit und Elastizität des Stratum corneum zu verringern. Das Elektrodenmedium kann auch etwa 0,1 bis etwa 90 Gew.-% anderer nicht-ionischer Lösungsmittel enthalten, zu denen Glycerin, Propylenglykol, Hexylenglykol, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol und niedere Alkohole wie Ethanol und Isopropylalkohol gehören, jedoch nicht auf diese begrenzt.
Puffermittel, um den pH-Wert der Lösung in dem Elektrodenreservoir 514 während der Iontophorese innerhalb eines gegebenen pH-Wertbereichs zu halten, können dem Elektrodenmedium in dem Elektrodenreservoir 514 zugegeben werden. Puffermittel schließen polymere Puffer, feste Materialien, die eine Pufferwirkung auf die umgebende Flüssigkeit haben, und dergleichen ein, sind jedoch nicht darauf begrenzt. In einer Ausführungsform ist das Puffermittel ein polymerer Puffer, der nicht durch die semipermeable Membran 516 in das Verbindungsreservoir 510 passieren kann. Wegen der großen Molekülgröße des polymeren Puffers hat der ionisierte polymere Puffer eine niedrige Ionenmobilität und konkurriert nicht erheblich mit den Ionen der Verbindung/Flüssigkeit beim Tragen von elektrischer Ladung. Daher senkt der polymere Puffer die Abgabeeffizienz der Verbindung nicht.
Der polymere Puffer kann jegliches Polymer sein, das bei einem gegebenen pH-Wert durch Verbrauch von Wasserstoffionen oder Hydroxylionen ionisiert und den pH-Wert der Lösung in dem Elektrodenreservoir 514 innerhalb eines gewünschten Bereichs hält. In einer Ausführungsform hat der polymere Puffer ein Molekulargewicht größer als dasjenige, das die semipermeable Membran 516 passieren kann (z. B. mindestens das Doppelte des Molekulargewichtsabtrennungsbereichs der semipermeablen Membran 516).
Der polymere Puffer kann wasserlöslich oder wasserunlöslich sein. In einer Ausführungsform ist der polymere Puffer ein wasserunlöslicher polymerer Puffer in Form feiner Partikel, um seine Oberfläche zu maximieren. Kleine Partikel des polymeren Puffers können in einer Gelmatrix suspendiert werden, in der der abzugebende Wirkstoff gelöst oder suspendiert ist. Alternativ wird der wasserunlösliche polymere Puffer zu einer porösen Polymermembran geformt, die die Elektrode 512 und/oder die Innenwand des Elektrodenreservoirs 514 bedeckt. Die poröse Polymermembran kann auch als semipermeable Membran 516 verwendet werden.
Polymere mit sauren funktionalen Gruppen, d. h. anionische Polymere mit funktionalen Carboxylgruppen wie die Polymere, die für magensaftbeständige Beschichtungen verwendet werden, können verwendet werden, um Anstiege des pH-Werts der Lösung in dem Elektrodenmedium in dem Elektrodenreservoir 514 während kathodischer Iontophorese zu verhindern, z. B. ein negativ geladenes Wirkmittel, das durch eine negative Elektrode abgegeben wird. Geeignete anionische Polymere schließen Copolymere von Methacrylsäure und Methacrylat, wie Eudragit L, erhältlich von Rohm Tech, Inc., Malden, MA, USA; Eudragit S; Eudragit RS; Eudragit RL; Celluloseacetatphthalat; Celluloseacetattrimellitat und Hydroxypropylmethylcellulosephthalat (HPMCP), Celluloseacetatphthalat (C-A-P) und Celluloseacetattrimellitat (C-A-T), erhältlich von Eastman Fine Chemicals, Kingsport, TN, USA, ein, sind jedoch nicht darauf begrenzt. Das anionische Polymer kann von pharmazeutischer Qualität sein.
Ein Beispiel eines anionischen Polymers ist Eudragit S100. Unterhalb eines pH-Werts von etwa 7 ist Eudragit S100 ein Feststoff. Bei einem pH-Wert oberhalb von etwa 7 löst sich Eudragit S100 infolge der Ionisierung seiner Carboxylgruppen. Die Ionisierung der funktionalen Carbonsäuregruppen führt zur Neutralisierung der überschüssigen Hydroxylionen, die durch die elektrochemische Reaktion während kathodischer Iontophorese erzeugt wurden. Eine Arzneimittelformulierung, die durch Iontophorese bei einem pH-Wert im Bereich von 6,5 bis 7 verabreicht werden soll, kann beispielsweise Eudragit S100 als Puffermittel verwenden. Bei einem pH-Wert von 6,5 bis 7 ist Eudragit S100 ein Feststoff und stört daher den Abgabeprozess des Wirkmittels nicht. Wenn der Iontophoreseprozess voranschreitet, beginnen sich Hydroxylionen in der Lösung des Elektrodenmediums in dem Elektrodenreservoir 514 anzureichern, wodurch der pH-Wert steigt. Infolgedessen löst sich das Eudragit S100-Polymer auf und verbraucht die Hydroxylionen, wodurch der pH-Wert in dem Elektrodenmedium innerhalb eines gegebenen Bereichs gehalten wird.
Polymere mit basischen funktionalen Gruppen (d. h. kationische Polymere wie Polymere mit Amingruppen) können verwendet werden, um Absinken des pH-Werts während anodischer Iontophorese zu verhindern (d. h. ein positiv geladenes Wirkmittel, das von einer positiven Elektrode abgegeben wird). Geeignete kationische Polymere schließen Copolymere von Dimethylaminoethylmethacrylat und Methacrylsäureestern ein, wie Eudragit E, erhältlich von Rohm Tech, Inc., das ein mittleres Molekulargewicht von 150.000 Dalton hat. In einer Ausführungsform ist das kationische Polymer von pharmazeutischer Qualität. Eudragit E ist bei einem pH-Wert oberhalb von etwa 5 ein Feststoff und löst sich bei einem pH-Wert unter etwa 5. Wenn die Konzentration von Wasserstoffionen infolge der anodischen chemischen Reaktion steigt, wird Eudragit E durch Absorbieren der Wasserstoffionen ionisiert, wodurch der pH-Wert in dem Elektrodenmedium innerhalb eines gegebenen Bereichs gehalten wird.
Die festen Puffermaterialien können wasserunlöslich sein oder nur begrenzte Wasserlöslichkeit haben. Geeignete feste Puffermaterialien schließen Calciumcarbonat, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid und Zinkoxid ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Das Elektrodenmedium in dem Elektrodenreservoir 514 kann andere Hilfsstoffe einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf Saccharide, Polysaccharide, Cyclodextrine, nicht-ionische Tenside und antimikrobielle Mittel enthalten.
In einer anderen Ausführungsform wird das Elektrodenreservoir 514 in zwei oder mehr Reservoire geteilt, die gegebenenfalls durch semipermeable Membranen getrennt sein können.
Die semipermeable Membran 516 ist im Allgemeinen für Lösungsmittel und Hilfsstoffe mit niedrigem Molekulargewicht durchlässig, wie Pufferspezies mit niedrigem Molekulargewicht, Antioxidantien, Chelatbildner, Konservierungsmittel und Tonizitätseinstellungsionen, ist jedoch für das abzugebende Wirkmittel oder die innerhalb des Säugers zu analysierende Verbindung nicht durchlässig. In einer Ausführungsform sind nur Partikel mit weniger als der Hälfte (z. B. einem Viertel) des Molekulargewichts der Verbindung in der Lage, die semipermeable Membran 516 zu durchdringen. Beispielsweise können Partikel mit einem Molekulargewicht unter 1000 Dalton die semipermeable Membran 516 passieren.
Von vielen ionischen Verbindungen ist bekannt, dass sie an den elektrochemischen Reaktionen an der Oberfläche 513 der Elektrode 512 teilnehmen. Die elektrochemische Reaktion der Verbindung führt oft zum Abbau der Verbindung oder zum Abscheiden der Verbindung auf der Oberfläche 513 der Elektrode 512 (z. B. Verringerung der Abgabeeffizienz des Wirkmittels). Die semipermeable Membran 516 hindert die Verbindung am Kontaktieren der Oberfläche 513, wodurch Abbau der Verbindung und Abscheiden der Verbindung an der Oberfläche 513 verhindert werden.
Die semipermeable Membran 516 kann aus Cellulose; Cellulosederivaten wie den Spectra/Por^®-Dialysemembranen, erhältlich von Spectrum, Houston, TX, USA, regenerierter Cellulose, Celluloseacetat und Cellulosenitrat; Mischungen von Cellulose mit anderen polymeren Materialien, wie Cellulose/Polyestern und Cellulose/Propylen; Polyethylen; Polypropylen; Teflon^®; Polytetrafluorethylen; Polyvinylidenfluorid; Nylon; Polysulfon; Polyethersulfon; Cuprophan; Polymethylmethacrylat; Ethylen/Vinylalkohol; Polyacrylnitril und Polymergemischen von beliebigen der vorhergehenden zusammengesetzt sein.
Die meisten Protein- und Peptidarzneimittel werden durch Injektion verabreicht. Diese injizierbaren Arzneimittelzubereitungen können durch Injektion (z. B. durch ein (nicht gezeigtes) Septum), Vorbeladung oder durch einen Weg 520 in das Verbindungsreservoir 510 eingebracht werden. Die injizierbaren Arzneimittelzubereitungen enthalten üblicherweise ionische Hilfsstoffe einschließlich Konservierungsmitteln wie Cresol, Chlorcresol, Benzylalkohol, Methyl-p-hydroxylbenzoat, Propyl-p-hydroxylbenzoat, Phenol, Thimerosal, Benzalkoniumchlorid, Benzethoniumchlorid und Phenylquecksilber(II)nitrat; Stabilisierungsmitteln; Antioxidantien wie Ascorbinsäure, Ascorbinsäureester, Butylhydroxyanisol, Butylhydroxytoluol, Cystein, N-Acetylcystein, Natriumbisulfit, Natriummetabisulfit, Natriumformaldehydsulfoxylat, Natriumbisulfit, Tocopherolen, Nordihydroguajaretsäure; Puffern; Chelatbildnern wie Ethylendiamintetraessigsäure und deren Salzen; Puffern wie Essigsäure, Citronensäure, Phosphorsäure, Glutaminsäure und Salzen davon; und Tonizitätseinstellungsmitteln wie Natriumchlorid, Natriumsulfat, Dextrose und Glycerin. Diese ionischen Hilfsstoffe konkurrieren mit den Ionen der Verbindung in Bezug auf das Tragen des elektrischen Stroms. Weil die konkurrierenden Ionen, d. h. die ionischen Hilfsstoffe, üblicherweise kleiner sind und sich rascher bewegen als die Ionen der Verbindung, können sie eine erhebliche Menge des elektrischen Stroms tragen.
Daher wird viel von dem elektrischen Strom zur Bewegung der ionischen Hilfsstoffe anstelle der Ionen der Verbindung abgezweigt, was z. B. zu einer niedrigeren Abgabeeffizienz des Wirkmittels führt.
Da die konkurrierenden Ionen jedoch durch die semipermeable Membran 516 in das Elektrodenreservoir 514 gelangen, während die Verbindung dies nicht tut, wird die Konzentration der konkurrierenden Ionen in dem Verbindungsreservoir 510 herabgesetzt. So wird ein größerer Teil des elektrischen Stroms durch die Ionen der Verbindung in den Körper des Säugers getragen, statt durch konkurrierende Ionen, was z. B. zu größerer Abgabe des Wirkmittels führt.
Wenn das Volumenverhältnis des Verbindungsreservoirs 510 zu dem Elektrodenreservoir 514 abnimmt, werden mehr von den konkurrierenden Ionen in dem Verbindungsreservoir 510 in das Elektrodenreservoir 514 gebracht. Die Abgabeeffizienz des Wirkmittels nimmt daher zu, wenn das Volumenverhältnis abnimmt. Bei einem Volumenverhältnis von 1:19 ist beispielsweise das Verhältnis der konkurrierenden Ionen zu Wirkmittelkonzentrationen in dem Verbindungsreservoir 510, nachdem die konkurrierenden Ionen die semipermeable Membran 516 durchdrungen und das Gleichgewicht erreicht haben, 1/20 dieses Verhältnisses in derselben Vorrichtung ohne die semipermeable Membran 516. Es ist daher bevorzugt, das Volumenverhältnis des Verbindungsreservoirs 510 zu dem Elektrodenreservoir 514 zu minimieren. In einer Ausführungsform ist das Volumenverhältnis kleiner als etwa 1:1 (z. B. weniger als etwa 1:10).
Die Vorrichtung kann ein oder mehrere weitere Reservoire in Verbindung mit dem Verbindungsreservoir 510 umfassen. Eine semipermeable Membran kann jedes weitere Reservoir von dem Verbindungsreservoir 510 trennen.
Ein Einlass 518 ermöglicht die Einbringung von Wirkmittel enthaltenden Lösungen in das Verbindungsreservoir 510 durch den Weg 520. In einer Ausführungsform ist der Einlass 518 so adaptiert, dass er eine verbindungshaltige Kapsel 522 aufnimmt, wie solche, die Protein- oder Peptidarzneimittel enthalten, die üblicherweise zur Nadelinjektion verwendet werden. Die Kapsel 522 kann eine beliebige Form haben, ist in der Regel jedoch zylindrisch. Die Kapsel 522 kann aus beliebigem pharmazeutisch annehmbarem Material wie Glas, Kunststoff oder Metall sein. Bei einer Glaskapsel oder einer anderen zerbrechlichen Kapsel kann ein Kolben 524 am Einlass 518 gegen die Kapsel 522 gepresst werden, um die Kapsel zu zerbrechen. Die Lösung in der Kapsel 522 fließt dann durch den Weg 520 in das Verbindungsreservoir 510.
In einer anderen Ausführungsform kann die Flüssigkeit in dem Reservoir 510 und dem Elektrodenreservoir 514 durch Einlass 518 aufgefüllt werden. Die Flüssigkeitsmenge in diesen Reservoiren kann im Zeitverlauf durch Elektrolyse von Wasser, Abgabe der Flüssigkeit in den Körper des Säugers, Lecken und Verdampfen geringer werden.
Der Weg 520 kann gegebenenfalls einen Filter enthalten, damit Bruchteile der Kapsel 522 wie Glastrümmer nicht in das Verbindungsreservoir 510 eintreten und die Haut des Säugers kontaktieren. In einer Ausführungsform hat der Filter eine Porengröße von etwa 0,2 μm bis etwa 500 μm.
In einer anderen Ausführungsform, die in 5B gezeigt ist, werden zwei Kapseln 522 und 526 in den Einlass 518 eingesetzt. Die erste Kapsel 522 enthält eine Lösung, die das Wirkmittel enthält. Die zweite Kapsel 526 enthält eine gering-ionische oder nicht-ionische Lösung wie destilliertes Wasser. Die erste Kapsel 522 wird näher an dem Weg 520 als die zweite Kapsel angeordnet, so dass, wenn der Kolben 524 in Einlass 518 gepresst wird, beide Kapseln 522 und 526 zerbrochen werden, wodurch die wirkmittelhaltige Lösung in der ersten Kapsel 522 zum Eintreten in das Verbindungsreservoir 510 gebracht wird, gefolgt von der gering-ionischen Lösung aus der zweiten Kapsel 526. Die gering-ionische Lösung fließt durch das Verbindungsreservoir 510 und die semipermeable Membran 516 in das Elektrodenreservoir 514. Wenn die gering-ionische Lösung in das Elektrodenreservoir 514 fließt, trägt sie Nicht-Wirkmittelspezies einschließlich konkurrierender Ionen aus dem Verbindungsreservoir 510 in das Elektrodenreservoir 514. Dies führt zu erhöhter Abgabeeffizienz des Wirkmittels.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 5C gezeigt ist, werden Kapseln 522 und 526 durch ein Diaphragma 530 getrennt. Das Diaphragma 530 verhindert das Mischen der Lösungen, die freigesetzt werden, wenn Kapseln 522 und 526 zerbrochen werden. Das Diaphragma kann gegebenenfalls in der Lage sein, innerhalb von Einlass 518 zu gleiten. Ein zweiter Weg 532 ermöglicht, dass aus der zweiten Kapsel 526 freigesetzte Flüssigkeit in das Elektrodenreservoir 514 eintritt. Wenn der Kolben 524 in Einlass 518 gepresst wird, werden beide Kapseln 522 und 526 zerbrochen, wodurch die wirkmittelhaltige Lösung aus der ersten Kapsel 522 dazu gebracht wird, durch Weg 520 in das Verbindungsreservoir 510 einzutreten, und die gering-ionische Lösung in der zweiten Kapsel 526 dazu gebracht wird, durch den zweiten Weg 532 in das Elektrodenreservoir einzutreten.
In 5A kann eine gering-ionische oder nicht-ionische Lösung in das Verbindungsreservoir 510 oder das Elektrodenreservoir 514 mit einer Spritze durch einen sich selbst versiegelnden Einlass (nicht gezeigt) injiziert werden, um die Anzahl der konkurrierenden Ionen zu verringern, wie in der in 5B gezeigten Ausführungsform mit zwei Kapseln.
Eine Stromquelle und/oder elektronische Steuereinheit 528 ist in elektrischem Kontakt mit der Elektrode 512. Die elektrische Steuereinheit 528 kann nach irgendeinem der genannten Verfahren einen elektrischen Strom über der Elektrode 512 und einer (nicht gezeigten) Gegenelektrode anlegen.
In einer Ausführungsform werden die Vorrichtung 500 und eine mit Vorrichtung 500 identische Gegenelektrode auf die Haut des Säugers aufgebracht. Ein elektrischer Strom wird über den Elektroden angelegt. Nach einem festgelegten Zeitraum wird die elektrische Polarität der Elektroden durch die elektronische Steuereinheit 528 umgekehrt, wodurch die Abgabe des Wirkmittels in der Gegenelektrode an den Säuger herbeigeführt wird. Die elektrische Polarität wird wieder umgekehrt, nachdem ein weiterer festgelegter Zeitraum verstrichen ist. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis der Iontophoreseprozess abgeschlossen ist.
Die Vorteile dieses Verfahrens mit umgekehrter Polarität sind in Y. Sun und H. Hsue, Proceed. Intern. Symp. Control. Rel, Bioact. Mater., 17:202 bis 203 (1990) beschrieben. Kurz gesagt kehrt die periodische Umkehrung der Polarität die Richtung der elektrochemischen Reaktion um, die an dem elektrisch leitenden Material jeder Elektrode stattfindet, wodurch die infolge der Elektrolyse von Wasser erzeugten Wasserstoffionen und Hydroxylionen neutralisiert werden, wodurch jegliche wesentliche Änderung des pH-Werts verhindert wird. Die Länge jedes Zeitintervalls wird durch den gewünschten pH-Wertbereich bestimmt, der gehalten werden soll. Die Variabilität des pH-Werts der Lösung hängt von vielen Faktoren ab, wie der Anwesenheit von Puffern und anderen Hilfsstoffen, der Intensität des angelegten elektrischen Stroms und dem Volumen von Elektrolyt und Wirkmittel. In einer Ausführungsform beträgt die Variabilität des pH-Werts zwischen Umkehrungen der Polarität etwa 3 pH-Einheiten, etwa 2 pH-Einheiten oder etwa 1 pH-Einheit. Die Zeitdauer zwischen Umkehrungen kann vorab in die elektronische Steuereinheit 528 einprogrammiert werden. Da die Inhalte der Vorrichtung 500 sich infolge der Änderungen des pH-Werts ändern können, kann das Zeitintervall zwischen sich umkehrender Polarität allmählich oder schrittweise erhöht oder abgesenkt werden, um den pH-Wert innerhalb eines gegebenen pH-Wertbereichs zu halten.
6 illustriert eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen transdermalen iontophoretischen Vorrichtung. Die Vorrichtung 600 umfasst ein Gefäß 602 mit einer Membrankontaktierungsoberfläche 604. Die Membrankontaktierungsoberfläche 604 weist eine Vielzahl freiliegender Klingen 606 auf, die in festgelegten Intervallen voneinander beabstandet sind, um Kanäle 608 zu definieren. Die Membrankontaktierungsoberfläche 604 ist mit einer Klebstoffschicht 609 beschichtet. Eine Vielzahl von Verbindungsreservoiren 610 innerhalb des Gefäßes 602 sind in Verbindung mit den Kanälen 608 und einer Elektrode 612. Die Verbindungsreservoire 610 werden mit dem Wirkmittel in einem festen Zustand wie bereits beschrieben vorbeladen, und die Verbindungsreservoire 610 stehen nicht miteinander in Verbindung. Die separaten Verbindungsreservoire 610 verhindern, dass das Wirkmittel in jedem Reservoir weit von den durch die Klingen 606 erzeugten Abgabewegen entfernt fließt, wodurch die Abgabeeffizienz des Wirkmittels erhöht wird. Die Wirkmittel können auch in einem oder mehreren Kissen, Blasen, Kapseln und dergleichen enthalten sein. Die Kissen, Blasen, Kapseln und dergleichen können zerrissen werden, um das Wirkmittel vor der Installation in der Vorrichtung 600 oder durch einen Mechanismus in der Vorrichtung 600 freizusetzen, wie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist. Die Verbindungsreservoire 610 können in eine oder mehrere entfernbaren Cassetten eingebaut sein. In einer Ausführungsform kann das Wirkmittel in einigen der Verbindungsreservoire 610 selektiv freigesetzt werden, während das Wirkmittel in anderen Verbindungsreservoiren 610 nicht freigesetzt wird.
Ein Elektrodenreservoir 614 und ein drittes Reservoir 616 befinden sich zwischen der Elektrode 612 und dem Reservoir 610. Das Elektrodenreservoir 614 ist durch eine erste semipermeable Membran 618 von dem Reservoir 610 getrennt. Die erste semipermeable Membran 618 ist für Lösungsmittel und niedermolekulare Hilfsstoffe durchlässig, ist jedoch für das Wirkmittel nicht durchlässig.
Das dritte Reservoir 616 steht in Verbindung mit der Elektrode 612. Eine zweite semipermeable Membran trennt das dritte Reservoir 616 von dem Elektrodenreservoir 614. In dieser Ausführungsform sind die genannten Puffermittel nicht in dem dritten Reservoir 616 vorhanden. Zudem hindert die zweite semipermeable Membran 620 Puffermittel am Eintreten in das dritte Reservoir 616 aus dem Elektrodenreservoir 614. Dies verhindert, dass die Puffermittel an der Elektrode 612 abgeschieden werden und diese verunreinigen.
Ein oder mehrere Sensoren 622 in Verbindung mit dem dritten Reservoir 616 sind durch einen leitenden Draht 624 mit einer elektronischen Steuereinheit 626 verbunden. Alternativ können sich die Sensoren 622 anstelle von oder zusätzlich zu dem dritten Reservoir 616 in Verbindung mit dem Reservoir 610 und/oder Elektrodenreservoir 614 befinden. Die Sensoren 622 übermitteln ermittelte Informationen an die elektronische Steuereinheit 626. Die elektronische Steuereinheit 626 steuert den elektrischen Strom einschließlich der Richtung des Stroms und/oder des elektrischen Potentials durch die Elektrode 612 hindurch und variiert den elektrischen Strom und/oder das Potential bezogen auf die von den Sensoren 622 erhaltenen Informationen. Die elektronische Steuereinheit 626 kann auch das elektrische Potential und den elektrischen Strom variieren, um eine gewünschte Abgaberate zu erreichen.
Geeignete Sensoren schließen Sensoren zum Ermitteln des pH-Werts; der Leitfähigkeit der Lösung; der Halogenidionenkonzentration; der Verbindungskonzentration; der Konzentration verschiedener Säuren und Salze, wie Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure, Essigsäure und Citronensäure; der Konzentration von Metallionen wie Natrium, Kalium, Lithium, Strontium, Calcium, Zink, Magnesium und Aluminium; der Konzentration von Verbindungen mit funktionalen Amingruppen oder funktionalen Carbonsäuregruppen; der Konzentration von Gasen wie Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid und Ammoniak; der Farbe; der Viskosität; der Dichte; der Temperatur; des Druckes sowie der Konzentration der Reaktanten und Produkte von Oxidations- und Reduktionsprozessen an Elektroden ein. Beispiele für diese Sensoren schließen Leitfähigkeitssensoren; Impedanzsensoren; ionenselektive Elektroden wie für Chlorid-, Fluorid-, Sulfat-, Silber-, Natrium-, Kalium-, Lithium- und Ammoniumionen; Sensoren auf Basis von Amperometrie, wie für Sauerstoff und Amine; Sensoren auf Basis von Kolorimetrie; Sensoren auf Basis von Spektrophotometrie sowie Sensoren auf Basis von Potentiometrie ein, sind jedoch nicht auf diese begrenzt.
In einer Ausführungsform sind die Sensoren 622 pH-Sensoren, die den ermittelten pH-Wert an die elektronische Steuereinheit 626 übermitteln. Die elektronische Steuereinheit 626 kehrt die Polarität des an die Elektrode 612 angelegten elektrischen Stroms wie zuvor beschrieben um. Das Zeitintervall zwischen sich umkehrender Polarität wird in Abhängigkeit von der ermittelten Variation des pH-Werts und dem gewünschten pH-Wertbereich erhöht oder verringert.
Ein Einlass 628 ermöglicht das Einbringen von Lösungen über einen Weg 630 in das dritte Reservoir 616. Der Einlass kann adaptiert sein, um eine Kapsel 632 aufzunehmen, die eine gering-ionische oder nicht-ionische Lösung wie oben beschrieben enthält. In einer Ausführungsform kann ein Kolben 634 gegen die Kapsel 632 in dem Einlass 628 gepresst werden, um die Kapsel 632 zu zerbrechen und die darin enthaltene Lösung freizusetzen. Wenn die Kapsel 632 zerbrochen wird, tritt die Lösung in das dritte Reservoir 616 ein und fließt durch die zweite semipermeable Membran 620, Elektrodenreservoir 614 und die erste permeable Membran 618 in die Verbindungsreservoire 610. Die Lösung trägt danach das in den Verbindungsreservoiren 610 befindliche Wirkmittel durch die Wege 618 in den Körper des Säugers hinein, an dem die Vorrichtung 600 angebracht ist.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Flüssigkeiten in den Verbindungsreservoiren 610, dem zweiten Reservoir 614 und/oder dem dritten Reservoir 616 durch Einlass 628 wieder aufgefüllt werden. Die Flüssigkeitsmenge in diesen Reservoiren kann im Zeitverlauf infolge der Elektrolyse von Wasser, Abgabe der Flüssigkeit in den Körper des Säugers, Lecken und Verdampfen abnehmen.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein transdermales iontophoretisches System, das die erfindungsgemäße Vorrichtung, eine Gegenelektrode und eine elektronische Steuereinheit umfasst, die elektrisch mit der Elektrode der Vorrichtung und der Gegenelektrode verbunden ist. Zur Abgabe eines Wirkmittels oder zum Erhalten einer Verbindung aus einem Säuger werden die Membrankontaktierungsoberfläche der Vorrichtung und die Gegenelektrode mit der Barrieremembran des Säugers, wie eines Menschen, kontaktiert und durch die Elektroden wird ein elektrischer Strom von der elektronischen Steuereinheit angelegt. Der elektrische Strom führt dazu, dass die ionisierten Wirkmittel in dem Reservoir der Vorrichtung oder Verbindungen in dem Säuger durch die Kanäle der Vorrichtung und jeweils entweder in den Körper des Säugers hinein oder aus diesem heraus fließen.
Die elektronische Steuereinheit kann von beliebiger Form und Größe sein und ist in der Regel klein, wenn das System von einem Patienten getragen werden soll. Die Stromversorgungseinheit liefert die elektrische Spannung/das Potential (z. B. kann es die Polarität umkehren) sowie den elektrischen Strom für die Elektroden, wie für den Elektrotransport (z. B. Iontophorese, Elektroosmose und Elektroporationsabgabe) des Wirkmittels aus dem Reservoir durch die Öffnung und in den Körper des Säugers durch die Körperoberfläche des Säugers erforderlich ist. Die Stromversorgungseinheit kann ihre Energie von einer externen Quelle beziehen (z. B. wird die elektronische Steuereinheit in eine Standard-Wandsteckdose gesteckt) oder kann eine Batterie umfassen (z. B. wenn sie von einem Patienten getragen werden soll). In einer Ausführungsform sind die elektronische Steuereinheit und die Elektroden alle in demselben Gehäuse enthalten.
Beispiele für derartige Schaltkreise und Systeme sind in der Technik wohl bekannt, z. B. US-A-4,141,359, US-A-4,744,788, US-A-4,747,819, US-A-5,224,927, US-A-4,752,285, US-A-4,722,726, US-A-4,731,049, US-A-5,042,975, US-A-5,571,149 und US-A-5,853,383, J. Park, Neuroscience Methods, 29:85 bis 89 (1989), Zakzewski et al., Med. & Biol, Eng. & Comput. 34:484 bis 88 (1996) und Jaw et al., Med. Eng. Phys. 17:385 (1995). Beispiele für Schaltkreise mit Umkehrpolarität sind in US-A-4,406,658 und US-A-5,224,927 offenbart.
Die erfindungsgemäß brauchbaren Wellenformen des elektrischen Stroms zum Elektrotransport schließen konventionellen Gleichstrom (DC), aufgedrückte Signale wie Kombinieren von DC mit konventionellem Wechselstrom (AC) und die aufgedrückten Signale, die in US-A-5,135,478 offenbart sind; gepulsten DC wie jenen, der in US-A-5,042,975 offenbart ist, und DC und gepulsten DC mit periodisch umgekehrter Polarität ein, wie in Sun et al. (Proceed. Intern. Symp. Control. Rel. Bioact. Mater., 17:202 bis 203 (1990)) und US-A-5,224,927 und US-A-5,013,293 beschrieben ist. Der elektrische Strom oder die Potentialwellenformen können an beliebigen Änderungspunkten auslaufen (d. h. um die abrupten und drastischen Strom/Potentialänderungen zu vermeiden), um das damit verbundene Unbehagen und unerwünschte Hautempfindungen zu verringern. In einer Ausführungsform ist der verwendete Strom DC oder gepulster DC mit periodisch umgekehrter Polarität. In einer Ausführungsform wird die Stromdichte (z. B. Stromintensität pro Hautflächeneinheit) durch die Sensoren auf weniger als etwa 0,5 mA/cm² gehalten (z. B. weniger als 0,4 mA/cm²).
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind brauchbar bei einem Verfahren zum Transportieren eines Wirkmittels über eine Barrieremembran des Säugers, indem mit einer Vielzahl von Klingen in eine Barrieremembran eingedrungen wird (z. B. ohne oder mit minimalem Eindringen in die Dermis), um einen oder mehrere Wege zu bilden. Die Klingen verjüngen sich in Richtung des oberen Bereichs der Klinge, wie bereits beschrieben. In einer Ausführungsform sind die Klingen mit einer an den Säuger abzugebenden Verbindung und/oder einem Penetrationsverstärkungsmittel und/oder einem Membranklebstoff beschichtet. In einer Ausführungsform wird das Wirkmittel dann in die Wege eingebracht, die in der Barrieremembran erzeugt wurden. In einer Ausführungsform wird ein elektrischer Strom über der Barrieremembran angelegt, damit die Wirkmittel auf der Barrieremembran zum Bewegen durch die Wege hindurch und in den Körper des Säugers hinein gebracht werden.
Zusätzlich zu den Elektrotransportverfahren (z. B. Iontophorese, Elektroosmose und Elektroperforation) zur Steigerung des Materialtransports der Verbindungen in den Säuger hinein oder aus diesem hinaus, wie bereits erörtert wurde, können auch andere Verfahren verwendet werden, die in der Technik wohl bekannt sind (z. B. zusätzlich zu oder anstelle von Elektrotransport), wie Ultraschall, hörbarer Schall, mechanische Bewegung, Druck (d. h. Überdruck oder Unterdruck), osmotischer Druck, eine Schockwelle, Erwärmen (z. B. Erwärmen auf eine Temperatur von mindestens 3°C oberhalb der Temperatur der Barrieremembranoberfläche, jedoch unter 45°C), Konzentrationsgradienten (z. B. eine höhere Konzentration der Verbindung auf einer Seite der Membran), chemische Verstärkungsmittel, Abgabe eines therapeutischen Mittels durch einen chemischen Träger sowie Verwendung von Membranklebstoffen (z. B. Cyanoacrylatpolymer), um die Membran zu entfernen.
Ultraschall bezieht sich auf akustische Energie mit einer Frequenz außerhalb des für den Menschen hörbaren Bereichs, d. h. oberhalb von 20 kHz. Die Verwendung von Ultraschall zur Erhöhung der Hautpermeation von Arzneimitteln wird als Phonophorese oder Sonophorese bezeichnet. Die vorliegende Erfindung verwendet akustische Energie aller Frequenzen (d. h. mit Frequenzen oberhalb und unterhalb 20 kHz) in Kombination mit der Verwendung von Klingen zur Verstärkung des Materialtransports über Barrieremembranen. Die Kombination der Klingen mit akustischer Energie kann zur Verstärkung der transdermalen Arzneimittelabgabe, zur Förderung der Effizienz von Gentherapien und zum Extrahieren von Biomaterialien zur Diagnose verwendet werden. Die Teile der Vorrichtung, die an der Erzeugung und dem weiteren Ausbreiten der akustischen Energie für diesen Zweck beteiligt sind, sind denen ähnlich, die momentan zur Arzneimittelabgabe und Extraktion von Biomaterialien verwendet werden, wie z. B. in US-A-4,767,402; US-A-5,636,632 und US-A-5,582,586 beschrieben ist.
Ein Beispiel des Kombinierens klingenbehandelter Barrieremembranen mit Druck (z. B. plötzlich entspanntem Druck) ist die Anwendung einer nadelfreien Druckinjektorvorrichtung auf die klingenbehandelte Haut zur transdermalen Arzneimittelabgabe, wobei das Arzneimittel in Form von Flüssigkeit oder festem Pulver vorliegen kann. Die Teile der Vorrichtung, die die Erzeugung und plötzliche Entspannung des Drucks zu Arzneimittelabgabezwecken beinhalten, können ähnlich denjenigen sein, die in US-A-4,740,824 und US-A-5,399,163 beschrieben sind. Es kann auch ein Vakuum, wie ein Vaccutainer^®, verwendet werden, um Verbindungen aus dem Säuger durch die klingenbehandelte Haut abzuziehen.
Osmotischer Druck kann verwendet werden, um Biomaterial aus der Haut oder Schleimhaut zu diagnostischen Zwecken zu extrahieren, z. B. indem eine starre Kammer, die eine konzentrierte Lösung (oder ein Gel) von gelösten Stoffen oder polymeren Materialien enthält, über der Haut angeordnet wird. Die Kammer hat eine Öffnung, die gegen die klingenbehandelte Haut gedrückt wird. Osmotischer Druck in dem System wirkt so, dass die biologische Flüssigkeit aus der Haut durch die durchbrochene Barrieremembran (z. B. das Stratum corneum) extrahiert wird. Der durch den osmotischen Druck erzeugte Überdruck kann auch verwendet werden, um die Arzneimittelabgabe in ähnlicher Weise wie im vorhergehenden Abschnitt beschrieben zu erhöhen (d. h. mit Druck als treibender Kraft).
Eine Schockwelle kann als zeitabhängiger Impulsstoß beschrieben werden, der durch eine extrem kurze Anstiegszeit mit einer Zeitkonstante im Bereich von -zig Nanosekunden und einer Größenordnung von mehreren hundert Bar gekennzeichnet ist, wobei es mit der plötzlichen und drastischen Veränderung der Viskosität des Mediums zu einer temporären Permeabilitätserhöhung einer Barrieremembran kommt. Schockwellen können durch einen Laserstrahl (US-A-5,658,892 und US-A-5,614,502), Verbrennung, plötzliche Entspannung komprimierter Gase oder andere Mittel erzeugt werden, um die Permeation von Arzneimittel durch die Barrieremembranen zusammen mit der Verwendung der Klingen zu erhöhen. Das Kombinieren der Verwendung der Klingen mit der Schockwellentechnologie ermöglicht die Verwendung einer schwächeren Schockwelle (d. h. Verminderung der erforderlichen Energieeingabe), um Erhöhung der Permeation des Arzneimittels zu erreichen, wodurch die potentiell nachteiligen Wirkungen der Schockwellen vermindert und die technischen Schwierigkeiten der Fertigung der Vorrichtung verringert werden.
Thermische Energie in Form von Wärme kann auch zur Erhöhung der Permeation von Wirkstoffen durch klingenbehandelte Haut verwendet werden. Der Funktionsmechanismus der Heizeinheit in der vorliegenden Erfindung basiert auf elektrischem Heizen, aus Phasenübergang freigesetzter Wärme (d. h. von Gas zu Flüssigkeit, Flüssigkeit zu Feststoff, usw.) und chemischer Packung. Die momentan erhältliche chemische Packung arbeitet, indem eine innere abteilende Barriere zerbrochen wird, damit sich die Komponenten vermischen können. Das nachfolgende Mischen der Bestandteile führt zu exothermen chemischen oder physikochemischen Reaktionen, wodurch Wärme erzeugt wird. Das Vorrichtungsdesign kann auch ähnlich demjenigen sein, das in US-A-4,685,911 beschrieben ist, das ein sich selbst erwärmendes Transdermalpflaster beschreibt. Wenn die Siegelung auf der Rückseite des Pflasters entfernt wird, um das Ionenpulver in einer Heizkammer Luft und Wasser auszusetzen, liefert die resultierende exotherme Reaktion die thermische Energie, um perkutane Arzneimittelabsorption zu erleichtern.
Es können auch chemische Verstärkungsmittel verwendet werden. Ein chemisches Verstärkungsmittel ist erfindungsgemäß in einem allgemeinen Sinne mit den folgenden Funktionen definiert: (a) die Penetration von Arzneimitteln und anderen Wirkstoffen durch menschliche Haut und Schleimhaut zu erhöhen; (b) das Schließen der durch die Klingen erzeugten Öffnungen in der Barrieremembran zu verzögern oder zu verhindern (z. B. lösliche Polymere und Biopolymere wie Heparin mit hohem und niedrigem Molekulargewicht, Polysaccharide wie Cyclodextrine und oberflächenaktive Mittel wie nicht-ionische Tenside und Phosphatlipide); (c) die lokale Blutzirkulation zu verstärken, wodurch die Arzneimittelabsorption in die Blutzirkulation hinein erleichtert wird (z. B. Vasodilatoren); (d) die Akkumulation eines permeierten Materials in den lokalen Geweben zu ermöglichen (z. B. unter Einschluss von Vasokonstriktoren und den Verbindungen, die Niederschläge mit geringer Löslichkeit oder einen Komplex mit dem Wirkmittel bilden können); (e) die Löslichkeit und/oder chemische Stabilität des Arzneimittels in dem Abgabesystem und um die Abgabewege herum zu erhöhen (z. B. Cyclodextrine, Komplexierungsmittel, Antioxidantien, Inhibitoren für proteolytische Enzyme und andere Abbauenzyme), um die Arzneimittelabgabe zu verstärken; oder (f) die Haut- und Schleimhautgewebetoleranz für die Arzneimittelabgabe oder Bioprobenentnahmeverfahren zu erhöhen, z. B. Verminderung der Gewebereizung, der unangenehmen Empfindungen oder jeglicher anderen unerwünschten Nebenwirkungen, die mit dem Durchgang des Wirkmittels durch lokale Gewebe verbunden sind (z. B. Antireizungsmittel, antientzündliche Arzneimittel, Antihistamine, Corticosteroide, Cromolyn und dessen Salze oder Derivate, Zinksalze und Zinkoxid, Vitamine und Mineralien, Phytochemikalien und Pflanzenextrakte). Chemische Verstärkungsmittel können vor (z. B. als Vorbehandlung), während oder nach der Klingenbehandlung der Barrieremembran verwendet werden.
Ein chemischer Träger tritt durch Verkapselung, Einschließen, Oberflächenadsorption oder andere Mechanismen mit dem Wirkmittel (z. B. Arzneimittel) in Wechselwirkung, um ein mikroskopisches Arzneimittelabgabesystem zu bilden. Beispiele für chemische Träger sind die folgenden: (a) Liposome; (b) Cyclodextrine; (c) Micellen; (d) Mikrokapseln; (e) Mikroemulsionen; (f) Hydrogele und (g) Nanopartikel.
Membranklebstoffe, wie Cyanoacrylatpolymere, können zum Abziehen der Membranen (z. B. des Stratum corneum) verwendet werden, um den Permeationsprozess über Haut- und Schleimhautbarrieren zu erleichtern. Es ist wohl bekannt, dass die Verwendung von Klebstoffmaterialien wie Klebeband zum Abziehen des Stratum corneum die Hautpermeation von Arzneimitteln erhöhen kann. Es ist angegeben worden, dass 100 bis 120 Mal Abziehen mit Band das Stratum corneum vollständig entfernt. Andererseits hat viermaliges Abziehen mit Cyanoacrylatklebstoff eine ähnliche Wirkung. Der Wirkmechanismus von Cyanoacrylatklebstoffen unterscheidet sich völlig von demjenigen der Klebebänder, da Cyanoacrylatflüssigkeit polymerisiert, wenn sie in Kontakt mit der Haut kommt, indem sie mit der Feuchtigkeit und den funktionalen Amingruppen in der Haut reagiert. Unsere Tests zeigen, dass das mehr als einmalige Abziehen der Haut mit Cyanoacrylatkleber schmerzhaft ist und daher als praktisches Verfahren zur Verstärkung der Hautpermeation wahrscheinlich nicht akzeptiert wird.
Wir haben jedoch gefunden, dass, wenn Hautabziehen mittels Cyanoacrylat mit der Klingenbehandlung kombiniert wird (z. B. das Cyanoacrylat auf die Membrankontaktierungsoberfläche aufgebracht wird), nur ein einziges Abziehen erforderlich ist, um erhebliche Verstärkung der iontophoretischen Arzneimittelabgabe zu erzeugen. Die Erklärung für den Erfolg dieses Ansatzes ist, dass Mikroklingen die Bewegung von flüssigem Cyanoacrylatkleber in tiefere Keratinschichten des Stratum corneum hinein erleichtert, bevor er polymerisiert, wodurch eine effektivere Entfernung des Stratum corneum an den klingenbehandelten Stellen ermöglicht wird. Es könnte auch zu erweiterten Öffnungen auf dem Stratum corneum und damit zu einer höheren Verstärkung der transdermalen Iontophorese geführt haben. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, dass von nur einem sehr geringen Anteil der insgesamt beteiligten Hautstellen das Stratum corneum abgezogen wurde, im Unterschied zu dem Gesamtabziehverfahren der Haut, wodurch unser Ansatz als Verstärkungsverfahren zur transdermalen Arzneimittelabgabe und Biomaterialprobennahme viel eher durchführbar ist. Dieses Verfahren ist daher besonders geeignet zur minimalinvasiven Probennahme von interstitiellen Flüssigkeiten.
Obwohl alle Cyanoacrylatklebstoffe, wie Ethylcyanoacrylat, Butylcyanoacrylat, Octylcyanoacrylat usw. erfindungsgemäß brauchbar sind, sind die bevorzugten Cyanoacrylate Octylcyanoacrylat (Dermabond^TM) und n-Butyl-2-cyanoacrylat (Histoacryl^TM), die weitverbreitet in vielen Ländern als Ersatz für chirurgisches Nahtmaterial zum Verschließen der Haut bei der Behandlung von Schnitt- und Risswunden verwendet werden.
Die genannten Permeationsverstärkungsverfahren können für sich oder in beliebiger Kombination verwendet werden. Bevorzugt sind jedoch die Kombinationen, die eine Synergie bei der Permeationsverstärkung und/oder andere Vorteile erzeugen können, wie verringerte nachteilige Wirkungen.
Es folgt eine Beschreibung der Verwendung spezieller erfindungsgemäßer Vorrichtungen. Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung ohne Einschränkung.
Beispiel 1
Eine Vorrichtung mit 800 μm Klingen wurde gegen die Epidermaloberfläche eines Stückes menschlicher Leichenhaut gedrückt, die auf einer flachen elastischen Kautschukoberfläche angeordnet war, wobei die Dermisoberfläche nach unten zeigte. Der auf die Vorrichtung ausgeübte Druck wurde der Konsistenz halber mit einem Druckmessgerät aufgezeichnet. Während die Vorrichtung auf die Haut gedrückt wurde, wurde die Haut zusammen mit den durch die Klingen erzeugten Eindrücken mit dem O.C.T.-Gefrierfixierverfahren fixiert (O.C.T. 4583 Compound, Tissue-Tek^®, erhältlich von Sakura Finetechnical Co., Tokyo, Japan). Die Hautprobe wurde dann entfernt, geschnitten und zur histologischen Bewertung angefärbt. Die Ergebnisse sind in 3 gezeigt. Es geht aus 3 hervor, dass das Stratum corneum an den Anwendungsstellen der Klingen eindeutig unterbrochen war und dass ein großer Anteil des Stratum corneum entfernt war. Es war kein sichtbarer Schaden an der darunter befindlichen Epidermis oder Dermis zu sehen, obwohl scharfe Klingen verwendet worden waren, die ungefähr 30 Mal länger als die Dicke des Stratum corneum und ungefähr 8 Mal länger als die Dicke der Epidermis waren, die etwa 100 μm dick ist.
Vergleichsbeispiel 2
Das Verfahren in Beispiel 1 wurde mit einer Vorrichtung mit 800 μm Nadeln anstelle von 800 μm Klingen wiederholt. Die Vorrichtung wurde aufgebaut, indem ein Bündel von Injektionsnadeln der Stärke 21 an einer Plattform befestigt wurde, die es ermöglichte, dass bei Druck auf eine Leichenhaut nur 800 μm von jeder Nadelspitze freilagen. Die Ergebnisse sind in 4 gezeigt . Die Nadel stach nicht nur durch das Stratum corneum, sondern durchstach auch die darunter befindliche Epidermis und schnitt in die Dermis. Verglichen mit den 800 μm Klingen in Beispiel 1 war außerdem die durchbrochene Fläche auf dem Stratum corneum erheblich kleiner.
Beispiel 3
Das Stratum corneum wurde physikalisch durch wiederholtes Kratzen (20 Mal) der Haut eines Schweins mit 400 μm Klingen unterbrochen, wobei 10 Mal in eine Richtung und 10 Mal in eine. zu der vorhergehenden Richtung senkrechte Richtung gekratzt wurde. Zwei Elektroden wurden mit hohlen 3,5 cm × 3,5 cm × 0,5 cm Polystyrolgefäßen aufgebaut, die jeweils ein Volumen von etwa 5 cm³ hatten. Ein 3 cm × 3 cm × 0,5 mm Stück aus rostfreiem Stahl wurde an die Innenseite jedes Polystyrolgefäßes geklebt. Die Elektroden wurden an der Haut des Schweins mit Dow Corning 355 Medical Adhesive befestigt, erhältlich von Dow Corning, Midland, MI, USA.
Eine als Humulin-R^® (500 Einheiten/ml) von Eli Lilly and Co., Indianapolis, IN, USA, erhältliche Insulinlösung wurde mit einer Hyperdermalnadel in das Gefäß injiziert.
Iontophorese wurde mit Gleichstrom mit einer Stromintensität von 4 mA über etwa 12 cm² Haut durchgeführt. Die elektrische Polarität wurde 2 Stunden lang manuell alle 5 Minuten umgekehrt. Die Blutglukosekonzentration und die Insulinserumkonzentration des Schweins wurden vor, während und nach der Iontophorese periodisch gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass es bei dem Schwein eine deutliche Verringerung der Blutglukosekonzentration (von 140 mg/dl auf 30 mg/dl oder etwa 80 % Verringerung) und einen deutlichen Anstieg des Insulins im Serum (von 25 auf 590 internationale Einheiten (IU)/ml) gab.
Vergleichsbeispiel 4
Das Verfahren von Beispiel 3 wurde wiederholt, außer dass das Stratum corneum des Schweins nicht mit 400 μm Klingen unterbrochen wurde und die Iontophorese mit Umkehrpolarität nur 30 Minuten durchgeführt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass es keine Verringerung der Blutglukose gab. Daher wurde während des Iontophoreseprozesses anscheinend kein Insulin abgegeben.
Beispiel 5
Das Verfahren in Beispiel 4 wurde wiederholt, außer dass 800 μm Klingen gegen das Stratum corneum eines diabetischen Schweins gedrückt wurden, bevor Iontophorese durchgeführt wurde. Die Blutglukose des Schweins wurde 9 Stunden lang überwacht.
Es gab eine ungefähr 37% Verringerung der Blutglukosekonzentration bei den diabetischen Schweinen, wodurch ihr hyperglykämischer Zustand auf einen nahezu normalen Wert korrigiert wurde. Obwohl die Iontophorese nur 30 Minuten lang durchgeführt wurde, wurde die Blutglukosekonzentration mehr als 8 Stunden unter 140 mg/dl gehalten. Es wird angenommen, dass in den Dermalgeweben des Schweins ein Insulindepot erzeugt wurde, das auch nach der Iontophorese zum Aufrechterhalten niedrigerer Blutglukosekonzentrationen zur Verfügung stand. Dieser Depoteffekt kann therapeutisch günstig sein, da sich die Dosierfrequenz eines Arzneimittels mit kurzer biologischer Halbwertzeit verringern lässt, bei dem oft häufige Verabreichung erforderlich ist.
Beispiel 6
Die Haut eines Schweins wurde großzügig mit 200 normalstarkem Ethanol abgewischt und trocknen gelassen, um Hautpermeationsverstärkung herbeizuführen. Das in Beispiel 5 beschriebene Verfahren wurde danach wiederholt. Die Blutglukosekonzentration und Insulinserumkonzentration des Schweins wurden 6 Stunden überwacht. Der transdermale Iontophoreseprozess führte zu einer Seruminsulinkonzentration von ungefähr 60 IU/ml nach einer Stunde und nahezu 50 Verringerung der Blutglukose bei dem Schwein nach 2 Stunden.
Beispiel 7
Das Verfahren in Beispiel 5 wurde wiederholt, außer dass die Haut des Schweins 15 Minuten mit Nair^® Lotion (die Calciumthioglykolat enthielt), erhältlich von Carter Wallace, Inc., New York, NY, USA, vorbehandelt wurde und mit warmem Wasser abgespült wurde, bevor die transdermale Iontophoresevorrichtung auf die Haut aufgebracht wurde. Das Calciumthioglykolat wurde zur Verminderung der Elastizität des Stratum corneum verwendet. Umkehrpolarität-Iontophorese mit Insulin wurde 120 Minuten durchgeführt. Die Blutglukosekonzentration und Insulinserumkonzentration bei dem Schwein wurden 8 Stunden überwacht. Die Ergebnisse sind in 11 gezeigt. Der transdermale Iontophoreseprozess führte zu einer Seruminsulinkonzentration von ungefähr 250 IU/ml nach einer Stunde und einer 30 % Verminderung der Blutglukose bei dem Schwein nach 3 Stunden.
Beispiel 8
Das Verfahren in Beispiel 5 wurde wiederholt, außer dass Ethylcyanoacrylat auf die Oberfläche der 800 μm Klingen aufgebracht wurde, bevor die Klingen gegen die Haut des Schweins gedrückt wurden. Die Klingen wurden 2 Minuten vor der Durchführung der Iontophorese gegen die Haut des Schweins gehalten, damit das Ethylcyanoacrylat vor der Entfernung erstarren konnte. Umkehrpolarität-Iontophorese mit Insulin wurde 120 Minuten durchgeführt. Die Blutglukosekonzentration bei dem Schwein wurde 8 Stunden überwacht. Die abgegebene Insulinmenge war so groß, dass das hyperglykämische Schwein, das eine Anfangsblutglukosekonzentration von 180 mg/dl hatte, deutlich hypoglykämisch mit einer Blutglukosekonzentration von 25 mg/dl wurde.
Beispiel 9
Genabgabe und Transfektion der Haut nach topischer Aufbringung der minimalinvasiven Klingenvorrichtung und liposomale/DNA-Abgabesysteme. Die folgende Methodik wurde als Beispiel verwendet.
(i) Präparation und Reinigung von Plasmid-DNA
Das in diesen Untersuchungen verwendete Expressionsplasmid enthielt das grüne Fluoreszenzprotein- (GFP)-Gen (Quantum Biotechnologies Inc., Montreal, Quebec, Kanada) unter der Kontrolle des Zytomegalovirus- (CMV)-Promotors (Clontech, Palo Alto, CA, USA). Plasmid wurde aus dem DH5-alpha-Stamm von Escherichia coli hergestellt, der mit rekombinanten Plasmiden transformiert und in LB-Brühe gezüchtet worden war, die den mit dem rekombinanten Plasmid transformierten Stamm von E. coli enthielt und in LB-Brühe gezüchtet war, die Carbenicillin (50 μg/ml) enthielt. Die Orientierung des Transgens innerhalb des rekombinanten Plasmids wurde durch eine Kombination aus Restriktionsendonuklease-Mapping und Dideoxynukleotid-Sequenzierung bestätigt. Plasmid-DNA wurde an QUIAGEN-500 Säulen (Quiagen, Inc., Valencia, CA, USA) gereinigt. Aliquote des Plasmids wurden dann erneut in gereinigtem Wasser suspendiert, durch 0,22 μm Filter steril filtriert (Millipore, Bedford, MA, USA) und bis zum Gebrauch bei -20°C gelagert. Die Reinheit aller Plasmidpräparationen wurde durch Elektrophorese in einem 1 Agarose-Gel mit anschließender Anfärbung mit Ethidiumbromid zum DNA-Nachweis bestätigt. Die DNA-Konzentration wurde mit einem Spektrophotometer bei 260 und 280 nm ermittelt (Pharmacia Biotech, Inc., Piscataway, NJ, USA).
(ii) Präparation von Liposom/Plasmid-DNA-Formulierungen
Zu den getesteten Formulierungen gehörte wässrige DNA, kodiert mit GFP-Salzlösung, und eine liposomale/DNA-Formulierung, kodiert mit GFP in der Plasmid-DNA, mit 1 μm/μl. Die Liposom/DNA-Formulierung wurde wie folgt hergestellt. Die gleichen Volumina Plasmid-DNA (Konzentration 6,28 μg/μl) wurden gelinde mit Lipofectamine^TM (Life Technologies, Inc., Gaithersburg, MD, USA) (Konzentration 2 μg/μl) gemischt, um so eine Formulierung zu erzeugen, die 3,14 μg/μl DNA und 1 μg/μl Liposome enthielt. Die Formulierung wurde dann 40 Minuten bei Raumtemperatur inkubiert, so dass vor Verwendung in den Experimenten Komplexe aus Liposomen/DNA gebildet werden konnten. Die wässrige DNA wurde hergestellt, indem gleiche Volumina Plasmid-DNA (Konzentration 6,28 μg/μl) und Salzlösung zusammengegeben wurden, um eine Formulierung zu erzeugen, die 3,14 μg/μl DNA enthielt.
(iii) In Vitro-Experimente
Kurz gesagt wurde normale kaukasische Brusthaut mit vollständiger Dicke zwei Stunden nach dem chirurgischen Eingriff vom Sloan Kettering Memorial Hospital erhalten. Das Unterhautfett wurde entfernt und die Haut mit sterilen 12 mm-Stanzen gestanzt. Die 12 mm-Explantate wurden in Zellkulturmedium bei 37°C 20 Minuten vor Gebrauch inkubiert. Zu dem Behandlungsschema gehörte, dass vor Auftragung der Formulierung die Epidermaloberfläche 30 Mal mit einer Nadel der Stärke 30 gestochen wurde, eine 400 oder 800 μm Mikroklingenvorrichtung aufgebracht wurde oder die Haut unbehandelt blieb. Das unbehandelte Gewebe wurde als Kontrolle verwendet.
Die 12 mm-Biopsien wurden in 12-Mulden-Zellkulturplatten gegeben und mit 750 μm Zellkulturmedium ergänzt. Das Gewebe wurde in den Mulden so orientiert, dass die Epidermalseite der Biopsien der Luft ausgesetzt war. Die Dermis war in Zellkulturmedium untergetaucht. 10 μl der Testformulierung wurden 5 Stunden auf die Fläche der Hautbiopsieoberflächen mit 9 mm Durchmesser aufgebracht. Die Formulierung wurde auf die Oberfläche eines 9 mm-Filters aufgebracht und sehr vorsichtig oben auf der Hautoberfläche angeordnet, so dass sich die Formulierung in Kontakt mit dem Stratum corneum der Haut befand. Das Filterpapier wurde 5 Stunden später entfernt und die Hautoberfläche vier Mal mit Zellkulturmedium gespült, um die Formulierung zu entfernen. Das Experiment wurde 24 Stunden nach der topischen Aufbringung der Formulierung beendet. Am Ende des Experiments wurden die Hautproben vier Mal mit Medium gespült, und das Gewebe wurde zwei Stunden in fixierendes 4 % Formaldehyd eingebettet und danach für den Kryoschnitt in OTC-Medium (Miles, Inc., Elkhart, Indiana, USA) eingebettet.
(iv) Nachweis von GFP mittels Immunohistochemie
Die behandelten Gewebe wurden in OCT-Medium (Miles, Inc., Elkhart, Indiana, USA) eingebettet und mit flüssigem Stickstoff eingefroren. Die gefrorenen Proben wurden vor dem Schnitt bei – 70°C gelagert. Serielle Schnitte (10 μm) wurden mit einem Kryostaten (Micron, Carl Ziess Inc., Thornwood, New York, USA) erhalten und auf mit Poly-L-Lysin doppelbeschichtete Objektträger gegeben. Die Gewebeschnitte wurden dann mit einem Histostain-SP DAB Kit (Zymed Laboratories, Inc., Burlingame, California, USA) gemäß den Empfehlungen des Herstellers verarbeitet. Die Schnitte wurden 60 Minuten mit dem primären monoklonalen Murin-GFP-Antikörper (Clontech, Palo Alto, CA, USA) behandelt. Nach Abschluss des Protokolls wurden die Objektträger mit Hämatoxylin gegengefärbt, gespült und fixiert, bevor sie untersucht und mit einem Nikon Optiphot Mikroskop (Nikon, Tokyo, Japan) photographiert wurden.
(v) Nachweis von GFP bei der in vitro-Vermittelung des Gentransfers
Diese Studie vergleicht die Effizienz von wässrigen Plasmid-DNA-Formulierungen, liposomalen/DNA-Formulierungen und der Klingenvorrichtung sowie Kombinationen davon bei der Vermittelung der Transfektion von DNA in kultivierte menschliche Hautzellen. Die in diesen Transfektionen verwendete DNA war eukariontisches Expressionsplasmid (CMV), das das Gen für GFP enthielt. Erfolgreiche Transfektionen wurden durch immunohistochemische Anfärbung mit einem monoklonalen Antikörper für GFP nachgewiesen.
Tabelle 1 - getestete Gruppen
Alle der Formulierungen wurden unmittelbar vor Gebrauch hergestellt und in Dreiergruppen auf die Fähigkeit zum Vermitteln der Transfektion von Plasmid-DNA in Hautzellen hinein getestet.
Die aus jeder Testgruppe resultierende Transfektantzahl wurde durch visuelle Untersuchung der auf GFP angefärbten Hautschnitte unter Verwendung von immunohistochemischen Techniken ermittelt. Diese Ergebnisse wurden in einen linearen Maßstab umgewandelt und sind in Tabelle II wiedergegeben.
Die in Tabelle II gezeigten Ergebnisse zeigen, dass, wie erwartet, die Gruppen, bei denen keine DNA aufgebracht worden war, keine Transfektion irgendwelcher Zellen zeigten (negative Kontrollen). Unerwarteterweise zeigten die mit Nadelstichen behandelten Gruppen keine transfektizierten Zellen, obwohl DNA auf die Oberfläche aufgebracht worden war. Unbehandelte Gruppen zeigten auch keine transfektizierten Zellen, obwohl wässrige DNA und liposomale/DNA aufgebracht worden waren. Die einzigen Gruppen, die Transfektion zeigten, waren jene Gruppen, bei denen die Klingenvorrichtung in Kombination mit der liposomalen/DNA-Formulierung aufgebracht worden war (wobei bei den 800 μm Klingen mehr Transfektion vorlag). Nicht einmal Gruppen, bei denen die Vorrichtung in Kombination mit wässriger DNA verwendet wurde, zeigten Transfektion. Tabelle II
Diese Ergebnisse zeigen, dass die liposomale Formulierung in Kombination mit der Klingenvorrichtung die Barrierefunktion des Stratum corneum wirksam außer Kraft setzen kann und dass Abgabe von Plasmid-DNA in Zellen hinein und das Genprodukt erzeugt werden können.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit ihrer detaillierten Beschreibung beschrieben worden ist, sei darauf hingewiesen, dass die vorhergehende Beschreibung veranschaulichend sein soll und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken soll, welcher durch den Schutzumfang der angefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Vorrichtung (100; 500; 600) zum Transportieren einer Verbindung durch eine Barrierenmembran eines Säugetiers, umfassend: (a) ein Gefäß (102; 502; 602) mit einer membrankontaktierenden Oberfläche (104; 504; 604), wobei die Oberfläche eine Vielzahl von exponierten Klingen (106; 506; 606) und einen Kanal (108;508; 608), angrenzend an die Klingen, hat; (b) ein Reservoir (110; 510; 610) in Kommunikation mit den Kanälen zur Lagerung der Verbindung; und (c) eine Elektrode (112; 512; 612) in Kommunikation mit dem Reservoir, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breite (w) und die Dicke (t) der Klingen (106; 506; 606) von der Oberfläche (104; 504; 604) weg entlang im wesentlichen der gesamten Höhe (h) der Klingen verjüngen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kanal (108; 508; 608) an wenigstens drei Klingen (106; 506; 606) angrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Oberfläche (104; 504; 604) eine Vielzahl von Kanälen (108; 508; 608) umfaßt, wobei die Kanäle an wenigstens drei Klingen angrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Höhe einer der Klingen (106; 506; 606), die an die Kanäle (108; 508; 608) angrenzen, wenigstens 25% größer als die anderen Klingen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Seite der Fläche der Klingen (106; 506; 606) gekrümmt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, sofern von Anspruch 3 abhängig, wobei die Kanäle (108; 508; 608) voneinander ungefähr 100 μm bis 10 mm beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Klingen (106; 506; 606) ein oder mehrere nicht-elektrisch leitfähige Materialien umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kanten der Klingen (106; 506; 606) gekrümmt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Klingen (106; 506; 606) eine Höhe von ungefähr 100 bis ungefähr 1.500 μm haben.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Klingen (106; 506; 606) ein Verhältnis von Breite (w) zu Dicke (t), gemessen auf der Hälfte der Höhe der Klingen, von wenigstens 2 haben.
Vorrichtung (500; 600) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Reservoir umfaßt: ein Elektroden-Reservoir (514; 616) in Kommunikation mit der Elektrode (512; 612); ein Verbindungs-Reservoir (510; 614) in Kommunikation mit den Kanälen (508; 608); und eine semipermeable Membran (516; 620) in Kommunikation mit dem Elektroden-Reservoir und dem Verbindungs-Reservoir.
Vorrichtung nach Anspruch 11, weiterhin umfassend eine Verbindung in dem Verbindungs-Reservoir (510; 614), wobei die semipermeable Membran (516; 620) nur Moleküle mit einem Molekulargewicht weniger als dem Molekulargewicht der Verbindung durchläßt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei das Volumenverhältnis des Verbindungs-Reservoirs (510; 614) zu dem Elektroden-Reservoir (514; 616) weniger als ungefähr 1 ist.
Vorrichtung (500; 600) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine elektronische Steuereinheit (528; 626), die mit der Elektrode (512; 612) elektrisch verbunden ist, wobei die elektronische Steuereinheit zum Steuern des elektrischen Stroms durch die Elektrode dient.
Vorrichtung nach Anspruch 14, weiterhin umfassend wenigstens einen Sensor (622), wobei der Sensor nachgewiesene Information an die elektronische Steuereinheit (626) übermittelt, wobei die elektronische Steuereinheit den elektrischen Strom durch die Elektrode (612) in Abhängigkeit von der von dem Sensor erhaltenen Information variiert.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Sensor (622) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem pH-Sensor, Leitfähigkeitssensor, Ionen-selektiver Elektrode, einem Sensor, basierend auf Amperometrie, und einem Sensor, basierend auf Potentiometrie.
Transdermales iontophoretisches System, umfassend: (a) eine erste Elektrode (500; 600), umfassend (1) ein Gefäß (502; 602) mit einer membrankontaktierenden Oberfläche (504; 604), wobei die membrankontaktierende Oberfläche eine Vielzahl von exponierten Klingen (506; 606) und Kanälen (508; 608), angrenzend an die Klingen, hat, wobei sich die Breite (w) und die Dicke (t) der Klingen von der Oberfläche weg entlang im wesentlichen der gesamten Höhe (h) der Klingen verjüngen; (2) ein Reservoir (510; 614) in Kommunikation mit den Kanälen; und (3) eine Elektrode (512; 612) in Kommunikation mit dem Reservoir; (b) eine Gegenelektrode (100; 500; 600); und (c) eine elektronische Steuereinheit (528; 626), wobei die elektronische Steuereinheit (528; 626) mit der Elektrode (500; 600) und der Gegenelektrode (100; 500; 600) elektrisch verbunden ist, und wobei die elektronische Steuereinheit den elektrischen Strom durch die Elektrode (512; 612) steuert.