Биорастворимые микроиглы — это биотехнологическая платформа, которая предназначена для малоинвазивного введения фармацевтических и косметических субстанций в кожу (витамины, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты и т. п.). Основными задачами биорастворимых микроигл являются безболезненное проникновение в кожу на заданную глубину и растворение с высвобождением активного компонента. Биорастворимые микроиглы изготавливаются из полимеров, разрешенных к использованию в косметологии и медицине. Продукты, изготовленные на основе данной биотехнологической платформы, обычно представляют собой полимерную пластинку, на поверхности которой находится массив (от 10 до >1000) микроигл.
Микроиглы способны проникать на заданную глубину (нижние слои эпидермиса, дерма), не повреждая капилляры и нервные окончания, безболезненно и безопасно доставляя макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты), которые невозможно ввести в организм средствами для накожного применения (крема, трансдермальные пластыри), а введение обычными иглами болезненно и травматично.
Микроигольные массивы наносятся на кожу пациентов на необходимое время для растворения микроигл и высвобождения активных компонентов.
Преимущества и механизмы биорастворимых микроигл
Несмотря на единый способ введения микроигл в кожу, механизмы действия косметических аппликаторов отличаются от механизмов аппликаторов для доставки вакцин и лекарственных веществ.
Механизм действия косметических микроигольных аппликаторов При нанесении на кожу косметических биорастворимых микроигольных аппликаторов инициируется параллельное действие двух механизмов:
контролируемое механическое микроповреждение эпидермиса, также называемое коллаген-индукционной терапией, постепенное растворение микроигл в коже, сопровождающееся высвобождением активных веществ, выполняющих различные функции от разглаживания морщин до питания и гидратирования кожи.
Контролируемое механическое повреждение кожи, как правило, разделяют на 3 стадии: Инициация / Воспаление, Распространение, Ремоделирование.
На первой стадии тромбоциты и нейтрофилы, привлеченные к месту повреждения, стимулируют высвобождение факторов роста, включая трансформирующий фактор роста-альфа (TGF-α), TGF-бета (β) и фактор роста, полученный из тромбоцитов (PDGF), которые способствуют синтезу белков межклеточного матрикса (коллагена, протеогликанов, сетчатых адгезивных белков). На второй стадии высвобождение факторов роста приводит к стимуляции моноцитов, кератиноцитов и фибробластов, в результате чего образуется фибронектиновый матрикс и фибробласты в конечном итоге депонируют коллаген. На третьей стадии происходит преобразование волокон коллагена в фибриллярный коллаген I, что приводит к ремоделированию ткани и подтяжке кожи. Первично на основе данного механизма было создано два коммерчески доступных микроигольных устройства с металлическими микроиглами — Dermaroller® и Dermapen®. Позже стали появляться и биорастворимые аналоги (о них ниже).
Контролируемое механическое повреждение кожи как растворимыми, так и металлическими микроиглами показало многообещающие результаты в процедурах коррекции несовершенств кожи: шрамы от прыщей, хирургические шрамы, эпидермальные морщины, улучшение текстуры и упругости кожи.
Вторым механизмом действия косметических биорастворимых микроигл является транспорт активных молекул непосредственно в нижние слои эпидермиса и дерму, что существенно повышает эффективность космецевтических продуктов. Малоинвазивность данной процедуры и отсутствие риска повторного введения микроигл после использования аппликатора значительно уменьшает риск возникновения побочных эффектов, инфицирования и, в целом, увеличивает безопасность процедуры. Один из первых примеров успешной доставки космецевтиков с помощью растворимых микроигл был опубликован в 2014 году, когда два активных компонента — аскорбиновая кислота и ретинил ретиноат, обладающие различной гидрофильностью, были включены в растворяющиеся гиалуроновые микроиглы для борьбы с морщинами. Клиническое исследование данного продукта показало эффективность доставки активов, отсутствие признаков аллергии и/или раздражающего действия микроигл на кожу.
На сегодняшний день различными научными коллективами создаются микроиглы с такими активными компонентами как гиалуроновая кислота, коллаген, аминолевулиновая кислота (лечение актинического кератоза), аденозин, флаваноиды (эпигаллокатехин-3-галлат). Отдельное внимание уделяется доставке косметических белков и белковых соединений с помощью микроигл (меланостатин, ригин, pal-KTTKS, пептиды, факторы роста, экстракты протеинов из стволовых клеток), как правило, обладающих большой молекулярной массой и неспособных проникнуть в кожу без помощи микро- или обычных инъекционных игл.
В качестве основных преимуществ использования биорастворимых микроигольных аппликаторов для введения косметических средств выделяют:
Повышение эффективности доставки активных компонентов за счет равномерного распределения (уменьшение расстояния между проколами), повышения точности доставки (унифицирование дозы за счет равномерного распределения препарата в микроигольном аппликаторе); Снижение вероятности развития негативных последствий, связанных с инъекционным введением, в том числе и эстетических (гематомы); Снижение влияния человеческого фактора на качество проведения косметологической процедуры; Минимизация затрат на утилизацию инструментов и на приобретение дополнительных расходных материалов; Возможность осуществления косметологических процедур вне специализированных учреждений без привлечения обученного персонала.
Механизм действия микроигольных аппликаторов для доставки вакцин и иммунотерапии Поскольку кожа обладает большим количеством иммунокомпетентных клеток, дермальная вакцинация и\или иммунотерапия антигенами является привлекательной альтернативой внутримышечным и подкожным инъекциям, при которых вакцина и\или иммунологические препараты (препараты антител или сывороток, моноклональные антитела, препараты микробного происхождения и т. п.) вводятся единовременно в высоких дозах. Эти традиционные способы инъекции оказывают большую нагрузку на иммунную систему (противопоказано для людей с иммунодефицитами), могут провоцировать развитие аллергических реакций и осложнений.
Широкое распространение получила разработка микроигольных аппликаторов, которые способны прокалывать роговой слой кожи и, растворяясь в эпидермисе и дерме, высвобождать антигены различной структуры и молекулярного веса (белки, полисахариды, капсиды, целые клетки). Данные системы позволяют безболезненно и атравматично вводить препарат адресно к иммуннокомпетентным клеткам, локализованным в эпидермисе и дерме (клетки Лангерганса), и обеспечивать формирование иммунного ответа на вводимый антиген. Доклинические исследования показали, что при трансдермальном введении антигенов в более низких дозах, чем при подкожных и внутримышечных инъекциях, наблюдается развитие аналогичного клеточного и гуморального иммунного ответа.
Во время исследования механизмов развития иммунного ответа при трансдермальном введении антигена научным коллективом Chiu установлена активация клеток Лангерганса, кросс-представляющих дендритных клеток. После поглощения антигена дермальные дендритные клетки и клетки Лангерганса мигрируют к дренирующим лимфатическим узлам, представляя антиген с помощью основных комплексов гистосовместимости (MHC-I, MHC-II). Дальнейшее взаимодействие с Т-клеточным рецепторами CD4+ и CD8+ Т-клеток приводит к дифференцировке CD4+Т-клеток в фолликулярные Т-хелперы и вспомогательные Т-хелперы 1 (Th1), которые выделяют большое количество интерлейкина-2, интерферонов и фактора некроза опухоли. Оба подмножества Т-клеток стимулируют пролиферацию и дифференциацию плазматических клеток секретирующих антитела, которые, в свою очередь, вызывают IgG2a, IgA и IgM-иммунный ответ. С другой стороны, клетки Лангерганса индуцируют дифференцировку CD4+ Т-клеток в Т-хелперы 2 (Th2), на что указывает секреция IL-4, IL-5, IL-10 и IL-13, а также рост уровня IgG1 и IgE. Таким образом, клетки кожи способны инициировать системный иммунный ответ на поступающие антигены, что делает перспективным трансдермальное введение вакцин микроигольными аппликаторами.
Основными преимуществами использования микроигольных аппликаторов для введения иммунологических препаратов и вакцин являются: Снижение дозы препарата при сохранении иммунного ответа, так как при трансдермальном введении препарат непосредственно в дерме взаимодействует с неспецифическими иммунными клетками (клетки Лангерганса, дендритные клетки и макрофаги), активирующими антителообразвание. Снижение иммуногенной нагрузки на организм, снижение реактогенности вакцин и аллергических реакций на них. Это происходит за счет уменьшения дозы, а также благодаря исключению стабилизаторов (монитол и др.), которые могут выступать в качестве аллергенов; Минимизация риска занесения инфекции, развития кровотечения, повреждения нервных окончаний; Снижение побочных эффектов действия (что особенно важно для сильнореактогенных вакцин) за счет постепенного высвобождения вакцины из микроигольной матрицы; Потенциальное увеличение срока годности вакцины благодаря использованию полимерной матрицы, которая выступает в качестве консервирующего компонента. Снимается необходимость соблюдения холодовой цепи (соблюдения температурного диапазона 2-8 °C при перевозе и хранении вакцин) за счет стабилизации молекул в полимерной матрице микроигл без доступа кислорода, влаги.
Виды биорастворимых микроигл Существуют различные виды биорастворимых микроигл, как правило они различаются:
по размеру: высота иглы от 100 до 1000 мкм; по форме: конические, пирамидальные, каплевидные, сложной формы. по количеству слоев\активных компонентов: Моноиглы. Полимер с активным веществом (или веществами) распределен равномерно по всему объёму иглы; Двухслойные микроиглы. Обычно активное вещество (или вещества) сконцентрированы в кончике иглы, а формировать саму микроиглу может один полимер или несколько (например, один в кончике иглы и второй в основании); Многослойные микроиглы. Три слоя и более, где каждый слой несёт свой полимер и активное вещество (или вещества).
Основные способы производства микроигл
Наиболее часто используемым методом изготовления микроигл является микролитье или микромолдинг (micromolding), для реализации которого методами фотолитографии, рентгеновской литографии, ультрафиолетовой литографии или лазерной абляции формируется массив микроигл (обычно из металла или кремния) с желаемыми геометрическими параметрами. Данный массив обычно называют мастер-формой (master), он может быть использован для многократного изготовления обратных форм — молдов (mold) с микролунками для многократной отливки микроигл из любых материалов, включая растворимые полимеры. После изготовления молдов для формирования массива микроигл из биорастворимых полимеров обычно используют solvent-casting метод, когда на молд наносится раствор полимера. Далее проводят центрифугирование или вакуумирование раствора, чтобы полимер заполнил микролунки. После чего обеспечивают испарение растворителя (рисунок «а»). В ходе данных процессов получаются твердые биорастворимые микроструктуры, которые повторяют форму микролунок.
В связи с дороговизной микромолдинга в начале 2010-х различные научные группы начали разработку mold-free методов изготовления микроигл. Одним из таких методов стала полимерная литография, когда нагретый до температуры стеклования полимер наносится на пластину и медленно вытягивается во время застывания, формируя характерные конические микроиглы (рисунок «b»). Однако данный метод характеризуется рядом ограничений. Так как процесс требует использования высоких температур, то становится невозможным введение в полимерную матрицу таких микроигл белковых препаратов и активных веществ, которые деградируют при нагревании выше 42 градусов по Цельсию.