離子液體輔助藥物經皮遞送的研究進展

江紫荊，淦甜甜，孫勇兵，張琦，金一，奉建芳，3，涂亮星

（1.江西中醫藥大學中藥固體制造技術國家工程研究中心，江西 南昌 330006；2.江西中醫藥大學生命科學學院，江西 南昌 330006，3.廣西中醫藥大學藥學院，廣西 南寧 530200）

經皮給藥系統具有避免肝臟首過效應、胃腸道酶解、持續的治療作用和較好的患者依從性等優點，被認為是安全、無創給藥的有效途徑[1]。然而，由于皮膚具有復雜的結構，特別是最外層角質層，阻礙了藥物向皮膚更深層次滲透[2?3]。原料藥、小分子和生物制品因其巨大的尺寸和物理化學性質而不具備獨立穿透皮膚角質層的能力，需要與皮膚微環境兼容的遞送載體來促進藥物透皮吸收。

基于皮膚的獨特結構以及藥物的理化性質，研究人員提出了各種方法來改善藥物的滲透，包括物理方法（電穿孔、超聲滲透）、化學方法（化學滲透促進劑）和制劑（微乳、固體脂質納米粒）[4]。在某些情況下，離子液體（ionic liquids，ILs）具有比其他傳統增強策略更有效的增強效果，這歸因于其改變皮膚屏障功能和改變藥物物理化學性質的多重功能：可逆改變皮膚最大屏障角質層，促進藥物透皮吸收；由相對較大體積的不對稱陽離子和陰離子組成，熔點一般小于100 ℃[5]；通過改變陰陽離子比、陰離子烷基鏈、陰陽離子種類調整其性質，從而改善藥物的溶解性[6?7]；在經皮給藥系統中既是促進劑又是溶劑，可使局部高濃度持續可控給藥，能夠深入皮膚且顯示抗菌活性[2]；可以制成膠束、乳劑等，或與其他技術結合促進藥物透皮吸收[8]。

本文綜述了皮膚結構，適用于經皮遞送的ILs陰陽離子種類及其優缺點，藥物經皮吸收的途徑，及ILs 促進藥物透皮吸收的機制，分類介紹了影響ILs 促進藥物皮膚吸收的因素，以期為透皮制劑研究提供新的思路。

1 皮膚結構及ILs的陰陽離子種類

1.1 皮膚的結構

皮膚覆蓋全身表面，保護人體免受外部病原體侵入和避免體內水分蒸發[9?10]。皮膚主要分為3 層：表皮、真皮和皮下組織。表皮主要由角質形成細胞、朗格漢斯細胞和黑色素細胞組成[11]，從外向里分為角質層（最外層）、透明層、顆粒層、棘層和基底層（最內層），見圖1[12]。皮膚最大的屏障是角質層（stratum corneum,SC），在沒有SC 的情況下，藥物的透皮將增強約1 000倍[13]。SC的厚度約為10～20μm，由14～18 層扁平狀的角質細胞組成。角質細胞是富含角蛋白的細胞，由角質體相互連接。角質細胞間的間隙范圍為0.5～40 nm，充滿著脂類、角蛋白細絲、微絲及其降解產物[14?16]。3～10 個角質細胞組成群形成了“簇”，而簇間的路徑對分子通過的阻力較小[17]。細胞間脂類是有序的雙層脂質陣列，主要包括膽固醇、游離脂肪酸和神經酰胺[18-19]。神經酰胺結構的多樣性可能提供了這些脂質屏障的“緩沖”能力，使它們能夠適應環境變化以及在一定程度上可逆改變屏障完整性的情況下滲入外來物質。SC被認為是一個脂類隔室，SC下面的組織即真皮和皮下組織本質上是親水性的。因此，親脂分子能夠快速、更容易地滲透到SC 中，真皮組織和皮下組織有利于極性分子的進入[20]。

圖1 皮膚的表皮結構[20]Figure 1 Epidermal architecture[20]

1.2 經皮遞藥系統中ILs的陰陽離子種類

傳統來說，適用于經皮給藥的陰離子一般有香葉酸、蘋果酸、氨基酸、脂肪酸等，陽離子一般為膽堿、咪唑、吡啶等?；谶@些陽離子和陰離子組成的ILs 具有顯著的皮膚滲透促進作用。Lim 等[21]研究表明：咪唑類ILs 中的陽離子（OMIM+）與模型膜內陽離子相互作用促進了氨等小分子藥物通過膜的滲透；OMIM+具有很高的膜插入傾向，膜內的平衡陽離子濃度是ILs 溶劑中的47 倍；膜內磷脂帶負電荷的磷酸鹽被夾在2 個OMIM+之間，形成能量上有利的OMIM+?磷酸?OMIM+類型的配位；由于與脂類脂肪酸相比，陽離子烷基鏈的長度較短，在膜的疏水核心中會產生空洞，導致膜變薄0.6 nm，因此促進了藥物分子透皮。雖然咪唑類離子液體對氨等小分子藥物有明顯的促進透皮吸收作用，但同時具有毒性和較低的生物相容性[22]。膽堿是生物體中的常見成分，是維生素B 的基本成分[23]。膽堿還是生物膜的組成成分，可以通過和生物膜的相互作用增強藥物分子透皮滲透的作用。與含有咪唑陽離子或吡啶陽離子的ILs 相比，基于膽堿陽離子的ILs具有低毒性、生物相容性和可生物降解性，但是還未證實在皮膚真皮以下部位是否會對藥物造成分解[24]。

2 藥物的經皮吸收途徑

對于大多數藥物分子來說，角質層是經皮吸收的最大屏障。藥物通過角質層主要有3 條途徑，如圖2A、C、D 所示：A 是皮膚附屬器途徑，經毛囊汗腺途徑被認為是進入皮膚的較短途徑[25]；C 是細胞旁途徑，藥物分子穿透該途徑需要經過角質細胞以及SC 中角質細胞間隙；D 是跨細胞途徑，是一條富含角蛋白的細胞之間周圍曲折的脂質途徑。圖2B 是SC 脂質雙層中水孔和窩陷途徑[26?28]，由于只占皮膚吸收的0.1%～1%[29]，被認為起次要作用。圖2 中藥物通過4 種途徑都能到達皮膚真皮部位，直至毛細血管到達全身循環。

圖2 ILs促進藥物經皮吸收及藥物經皮吸收途徑Figure 2 ILs promote drug percutaneous absorption and the pathways of percutaneous absorption

2.1 皮膚附屬物

皮膚附屬物主要是毛囊和汗腺，它們可以作為藥物進入點，如圖2A 所示，2 個箭頭所指分別是毛囊和汗腺。毛囊由毛發、相關的皮脂腺和毛囊皮肌組成，可直接通向毛細血管[11]。此外，毛囊的外根鞘與表皮是連續的，可能會增加皮膚表面以下可供吸收的表面積。毛囊的毛孔直徑為10～70 μm 不等，汗腺為60～80 μm 不等，它們的密度因皮膚部位的不同而不同，大多分別占皮膚表面的0.1% 和0.01%[30?33]。毛囊包括潛在的藥物靶向區域：皮脂腺、隆突區、漏斗和毛發基質細胞。漏斗下部被高密度的免疫細胞包圍，這是疫苗靶向的潛在部位[34]。毛囊生長于真皮區域，可以直接接觸到毛細血管，因此可以使藥物更快和更有效吸收。

2.2 水孔和窩餡

SC脂質雙層中存在水孔和窩陷，水孔和窩陷是一種尚未完全了解的復雜途徑[26，35]，如圖2B 所示。水孔位于SC 脂質基質的頭部區域，據報道范圍從0.3 nm 到（2.8±1.3）nm[36]。要穿過這些孔，藥物粒徑必須小于孔的直徑。據報道，窩陷的寬度約為（48.1±12.09）nm，長度約為（183.9±95.03）nm[35]。

2.3 細胞旁途徑

細胞旁途徑是通過角質細胞的縫隙，細胞間隙的寬度為納米級[36]。因此，這種途徑阻礙了大分子的滲透。另一方面，由于這種途徑是通過細胞間的脂質雙層進行的，所以要穿透該途徑的藥物分子必須具有平衡的脂/水溶解性。如圖2C 所示，細胞旁途徑的角質細胞間的擴散途徑是高度曲折的，增加了藥物穿透皮膚的距離，其路徑長度遠遠大于角質層厚度。因此，遵循細胞旁途徑的藥物還必須克服孔隙中的尺寸排斥效應、角質細胞表面的吸附和脂/水相變步驟[37?38]。

2.4 跨細胞途徑

跨細胞途徑是穿過細胞的途徑，如圖2D 所示。雖然跨細胞途徑比細胞間途徑短，但涉及多種不同的環境，包括水合角蛋白填充的細胞內部、高度交聯的蛋白質細胞包膜、角質細胞表面的共價脂質單層（脂質包膜）以及細胞間游離脂質，藥物分子在親水（水合角蛋白）和親脂（脂質基質）部分之間的連續分配有利于通過這種途徑滲透。該途徑涉及親水和親脂結構域的多個分配?擴散步驟，藥物分子的物理化學性質將會影響該途徑，親水性藥物在擬穩定狀態下可能有利于這一途徑。脂質雙層被認為是這一途徑經皮滲透速率的決定步驟[39]。Korting等[40]已經在人類角質形成細胞中證實了這種攝取途徑，即通過吞噬作用跨細胞攝取完整脂質體。Nagai等[41]報道了在去除SC 的皮膚中細胞吸收酮洛芬納米粒小窩介導的內吞作用、籠狀蛋白介導的內吞作用和微吞飲作用。

3 ILs促進藥物透皮的吸收機制

透皮吸收途徑雖然有多種，但每種途徑都阻礙了藥物分子往皮膚深層滲透。ILs 的出現極有可能促進藥物穿透這些途徑。ILs 可逆地改變皮膚最大的屏障角質層的結構，促進藥物往皮膚深層擴散。ILs 被認為是一種有效的功能成分，具有較高的載藥量，同時維持制劑的穩定性[42]。

3.1 提高藥物溶解度

大量的藥物由于水溶性差，分子量高，很難溶解在傳統有機溶劑中，導致經皮吸收不理想[43?44]。在透皮給藥系統中，ILs 能夠提高藥物的溶解度，主要是因為ILs 中的陰陽離子一部分與藥物相互作用形成多重氫鍵，另一部分破壞了藥物間原有的相互作用力。

Yuan等[45]制備了2種膽堿ILs，分別是膽堿甘氨酸（[cholinium][glycinate]，[Ch][Gly]）ILs 和膽堿丙氨酸（[cholinium][analinate]，[Ch][Ala]）ILs，實驗結果表明2種ILs都提高了藥物布洛芬的溶解度，對布洛芬透過聚醚砜（PES）膜都有明顯的促進作用，但[Ch][Gly]ILs 對布洛芬溶解度提高更明顯，這是因為[Ch][Gly]ILs的摩爾質量比[Ch][Ala]ILs的小且親水性強。Huang 等[46]研究超聲輔助ILs 對大豆分離蛋白（soy proteinisolate,SPI）的溶解度、粒徑及巰基（SH）含量的影響，結果顯示超聲輔助ILs 后SPI 比單一ILs處理的SPI粒徑小，SPI的溶解度以及SH含量顯著增加，特別是在超聲與低濃度的ILs 聯合處理后。超聲波可以產生高剪切能和湍流，從而將大的蛋白質分子轉化為小的蛋白質分子，SH含量的變化與SPI 溶解度的變化一致，主要原因是二硫鍵轉化為SH，導致蛋白質展開和解離[47]。

3.2 改變皮膚角質層

ILs在與水接觸時解離為離子[48]。疏水性ILs輔助藥物透皮給藥時，擴散到角質層，削弱脂間相互作用，并將脂質成分提取到皮膚表面的ILs 庫[49]。ILs 提取角質層中的脂質且陰陽離子與皮膚組織液中的水相形成氫鍵，角質層被暫時改變，從而促進了藥物滲透到角質層[50]。親水性ILs 打開角質層內的緊密連接并增強皮膚流態化[51]，促進藥物細胞旁及跨細胞轉運，使藥物向皮膚深層擴散。如圖2E所示，ILs 通過改變角質層細胞排列的規律性和致密性，使皮膚結構更具有滲透性，從而使藥物能更好地滲透到皮膚深層。大多數藥物會受到酸性或堿性環境的影響，這些環境會改變其固有特性[52]?；谌跛嵝曰驂A性成分的ILs有可能用于改變皮膚pH微環境以提高藥物穩定性。這些ILs 可以用作緩沖劑，并在藥物周圍維持理想的pH 環境，以保護其免于降解[53]。Mehkam 等[54]研究了基于IL 的pH 敏感型納米載體遞送萘普生，將模型藥物萘普生包裹在這些對pH 敏感的正電荷納米載體中，分別考察了該藥物在無酶模擬胃液（SGF，pH=1）和模擬腸液（SIF，pH=7.4）中的體外釋藥特性。結果顯示在SIF中觀察到了較高的藥物釋放百分比，表明ILs 可能改變皮膚酸堿值，從而影響藥物的透皮吸收。

4 影響ILs促進藥物透皮吸收的因素

ILs 是由陽離子和陰離子在不同比例下組成的，這使得ILs 與傳統有機溶劑相比具有很大的可調節性[55]。ILs的滲透增強能力因陰陽離子比、陰離子的烷基鏈、陰陽離子種類不同而不同[56]。通過篩選合適的陰陽離子制備ILs，可以準確地調節所需的溶劑性質，以期在透皮領域發揮最大功效[57]。

4.1 ILs的陰陽離子種類

Almeida 等[58]研究制備了5 種不同的ILs，咖啡因和水楊酸被用作模型藥物，3 種為基于咪唑的[C2mim][Br]ILs、[C4mim][Br]ILs 和[C6mim][Br]ILs，2 種為基于膽堿的[Cho][Phe]ILs 和[Cho][Glu]ILs?；谀憠A的ILs 被證明更適合作為功能性成分，因為它們對藥物溶解度的影響更大，細胞毒性更低。在咪唑類ILs，觀察到烷基鏈的大小影響它們增強親水性藥物咖啡因的溶解和滲透的能力，同時也增強了ILs 的細胞毒性?；谀憠A的ILs 作為功能成分優于基于咪唑的ILs，具有更高的藥物溶解性、滲透性和較低的細胞毒性?；谥舅岬腎Ls已被證明可以改善酸性藥物的經皮吸收[59]。Wu等[56]研究基于膽堿的8 種不同ILs 對藥物透明質酸的皮膚輸送，實驗發現8種ILs均能增強透明質酸的穿透能力，其中膽堿檸檬酸在體外和體內結果中均發揮了最明顯的增強作用。

4.2 ILs的陰陽離子比

Tanner 等[60]通過改變膽堿和香葉酸的比例，將胰島素裝載到不同比例的膽堿香葉酸ILs變體中，通過一系列實驗檢驗不同比例的膽堿香葉酸ILs 對胰島素透皮吸收的效果。結果表明陰陽離子比中含有過量但不是單獨香葉酸的ILs（1∶2，1∶4）具有更好的促進藥物透皮的能力，且每種變體ILs 都有不同的性質。ILs 中的過量香葉酸在促進胰島素透皮時分成兩部分，一部分與胰島素水分形成氫鍵，促進了胰島素溶解；另一部分與皮膚中的水分形成氫鍵，避免了皮膚內的水分對胰島素結構的破壞。

4.3 ILs的烷基鏈

Wu等[61]采用Franz擴散池研究不同烷基鏈膽堿類ILs對酮康唑（Ketoconazole，KCZ）體外透皮吸收情況，結果顯示：膽堿香葉酸ILs能促進KCZ在不同皮膚層（SC、表皮和真皮）的滲透，是對照組的2 倍，且在所有ILs 中表現出最強的滲透促進能力；另外，膽堿香葉酸ILs對KCZ的增溶能力最強。烷基鏈對ILs 的溶解度起著至關重要的作用，基于羧酸的ILs中，烷基的長度和支化程度以及羥基和羧基數目的不同都會導致KCZ 的溶解度不同。膽堿檸檬酸ILs的透皮效果較差與其對KCZ的低溶解度有關。

Wu等[56]通過實驗探究8種不同的ILs促進透明質酸（hyaluronic acid，HA）的透皮效果，結果表明8種ILs均能促進HA 經皮給藥，但不同有機酸的促進作用有顯著差異，對滲透起主要促進作用的基團是烷基鏈中的羧基和雙鍵基團。

探究ILs 的陰陽離子配比，可以更好地將ILs 技術應用于經皮給藥系統。已有一些相關文獻證實了ILs 的陰陽離子不同對藥物溶解及透皮效果不同，見表1。

表1 ILs的陰陽離子對藥物溶解及透皮的影響Table 1 The effects of anions and cations of ionic liquids on drug dissolution and transdermal penetration

5 展望

ILs作為新興化合物，能夠通過改變其自身組成離子來調整其性質，與傳統有機溶劑相比具有優異的溶劑化性能。ILs應用于透皮給藥系統時，可通過防止藥物降解、延長藥物釋放時間來增強藥物吸收。ILs 充當載體或包封體，保護藥物不被微環境降解，并促進其控釋放機制。盡管ILs 具有獨特的特點和優勢，但它們應用于經皮給藥系統仍然存在許多挑戰。目前，ILs 與皮膚屏障的特定相互作用知之甚少，而這些相互作用對于藥物給藥設計非常重要。ILs 的可電離離子在皮膚表皮以下不明確的作用機制，可能會對人體造成傷害，仍需進行長期的研究。ILs 的穩定性有待進一步提高，現有的研究表明ILs的儲存需要過多的惰性氣體或低溫環境。提高ILs在皮膚中以及儲存中的穩定性，減少藥物沉淀風險，是ILs 應用于藥物透皮給藥亟待解決的問題。盡管仍存在以上局限性，到目前為止研究證明ILs在非侵入性藥物輸送中的作用具有積極的前景，有可能在提高安全性和有效性的同時改進傳統治療方法。