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나노 구조의 서방성 국소 마취제의 발전

초록

서방형 국소 마취제(LA)는 진통을 개선하고 LA의 부작용을 줄이는 데 유망한 역할을 하여 점점 더 주목을 받고 있습니다. 리포좀 및 폴리머좀과 같은 나노구조 담체는 서방성의 요구를 최적으로 충족시키고 수십 년 동안 약물 전달에 활용되어 왔으며 서방성으로 만족스러운 결과를 보여주었습니다. 리포솜의 성숙한 기술을 기반으로, 부피바카인이 로딩된 최초의 승인된 리포솜 LA인 EXPAREL은 연장 방출 형태로 성공을 거두었습니다. 동시에, 폴리머좀은 상보적인 프로필을 가진 리포좀보다 발전했으며, 이는 하이브리드 운반체의 출현에 영감을 줍니다. 이 기사는 리포솜 및 폴리머가 주류 시스템인 나노 구조의 연장 방출 LA에 대한 최근 연구 성공을 요약했습니다. 또한 지속적인 최적화를 통해 약물 전달 시스템은 특이성 및 반응성과 같은 단순한 운송 이상의 특성을 가지고 있습니다. 가까운 장래에 다양한 진통제 요구 사항을 충족하기 위해 표적 전달 및 제어 방출 특성을 달성할 수 있습니다.

소개

통증은 신체적, 정신적 건강에 미치는 중요성 때문에 1996년부터 "제5의 활력징후"로 간주되어 왔습니다[1]. 전통적인 통증 관리 중에 발생하는 오피오이드 위기를 처리하기 위해 다중 모드 진통의 개념이 도입되었습니다. 국소 마취제(LA)는 복합 요법에서 가장 자주 사용되는 가장 안전한 진통제 중 하나입니다[2, 3]. 그러나 제한된 기간(24시간 미만)과 잠재적 독성(심장 및 중추 신경계 기능 부전)으로 인해 적용이 제한되고 부작용과 장기간의 진통을 상쇄해야 하는 긴급성이 높아집니다[4,5,6]. 펌프가 있는 일회용 카테터는 LA의 기간을 연장하는 데 사용되지만 절차 중 카테터 이탈, 감염 및 외상의 위험이 존재합니다. 또한 카테터 배치는 노동력과 시간이 많이 소요됩니다[5]. 확장 릴리스 LA는 앞서 언급한 단점을 보완합니다. 그들은 최소한의 전신 독성을 보장하기 위해 단일 투여(일반적으로 전신 마취 없이 주사, 최소 침습 기술 및 특수 도구 필요)로 안전한 용량을 지속적으로 방출할 수 있습니다. 한편, 통각 차단 기간을 연장할 수 있습니다.

거시적 규모의 약물 전달 시스템(DDS)에 비해 나노 규모의 DDS는 세포 침투, 더 나은 생체 이용률 및 더 긴 체류 시간을 촉진하는 나노 구조의 생물학적 환경에 더 적합합니다[4]. 제조 기술의 발전으로 나노 크기의 DDS는 향상된 로딩 효율성, 향상된 생체 적합성(근독성 및 신경 독성과 같은 허용 가능한 국소 염증) 및 생분해성(로드된 화합물 및 완전히 벗는 것을 보장) [7,8,9]. 또한 조정 가능하고 차별화된 방출 프로파일(유연한 지속 시간, 조정된 진통 강도 및 특정 수정에 의한 제어된 표적 방출)은 다양한 요구를 충족하도록 설계되었습니다[7, 8]. 또한, 현재 다양한 재료를 선택할 수 있어 비용을 크게 절감하고 나노 스케일 DDS의 적용을 확대하고 있습니다[7].

그러나 나노 크기의 DDS는 여전히 높은 표면 부피비로 인한 파열 방출, 선반에 있는 리포솜의 열악한 안정성, 합성 고분자의 부적합한 이물질 반응과 같은 단점에 직면해 있습니다[4]. 나노 규모의 DDS를 더욱 최적화합니다. 여기에서 우리는 나노 구조의 연장 방출 LA의 몇 가지 최첨단 공식을 요약합니다. 가장 일반적으로 사용되는 형태는 나노 입자이며, 나노 구조의 겔, 니오솜, 필름 및 막대도 접근 가능합니다[8, 10, 11]. 여기에서는 합성 기술, 방출 프로필, 진통 효과 및 안전성 품질이 제공되고 향후 설계 및 개발에 도움이 되도록 비교됩니다.

국소 마취제는 어떻게 작용하나요?

진통 메커니즘 및 물리화학적 특성

말초신경은 통증이 전달되는 동안 통증 자극을 인지하는 첫 번째 정류장입니다[12]. 처음부터 통증을 억제하고, 조절하기 더 어려운 신경가소성의 하류 반응과 부적응적 변화를 멈추는 것을 고려하는 것이 합리적입니다[13]. 따라서 LA는 완벽한 선택이 됩니다. LA는 전압 개폐 Na 채널의 세포내 도메인에 결합하여 말초 신경에 작용하여 Na + 유입을 억제합니다. , 탈분극의 봉쇄를 초래한다[14](그림 1a, b).

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LA의 기능 및 구조적 특성. , b LA가 뉴런의 전압 개폐 나트륨 채널과 상호 작용하는 방법에 대한 시연. 에스테르 및 아미드 LA의 일반적인 구조

LA는 친수성 아미노 그룹(대부분 3차 아민), 친유성 벤젠 고리 및 LA의 분류를 결정하는 아미드 또는 에스테르일 수 있는 링커의 세 가지 화학 그룹으로 구성됩니다(그림 1c). 아미드형 LA는 부피바카인, 로피바카인, 리도카인 및 메피바카인을 포함하여 가장 일반적으로 사용됩니다. 에스테르형 LA에는 클로로프로카인, 프로카인 및 테트라카인이 포함됩니다[14, 15]. 발병 속도, 효능 및 지속 시간과 같은 약동학은 주로 물리화학적 특성에 의해 결정됩니다. 신경막을 통한 투과성은 발병에 대한 결정적인 인자이며, 이는 충전된 LA와 충전되지 않은 LA 사이의 평형에 의해 영향을 받습니다. pKa가 세포외 pH에 가까울수록 더 많은 양의 충전되지 않은 LA가 형성되고 뉴런으로 확산되어 효과가 나타납니다. 진통 효능이라고도 하는 LA의 효능은 분배 계수로 정량화할 수 있는 친유성의 결과입니다. 지속 시간은 단백질 결합 친화도를 나타내며, 이는 유리 LA가 대사될 때 저장소도 생성합니다. 전반적으로 에스테르형 LA는 생리학적으로 유사한 pKa로 인해 비교적 빠른 발병을 보입니다. , 그러나 생체 내에서 가수분해가 더 쉽고 단백질 친화도가 낮기 때문에 지속 시간이 짧은 반면, 부피바카인은 긴 알킬 사슬로 인해 효과 지속 기간이 가장 긴 LA입니다[14, 16](표 1).

전신 독성

속성 결정 효과는 전신 독성과도 관련이 있습니다. BBB(혈액뇌장벽)에도 불구하고 LA는 적절한 분자량, pKa 및 우수한 친유성으로 중추신경계(CNS)에 쉽게 진입합니다. 리도카인 및 프로카인과 같은 저분자량, 높은 지용성 및 적절한 pKa를 갖는 LA는 혈장 약물 농도에 대한 척수-뇌액 농도의 빠른 평행 변화를 나타낸다[19]. 왜냐하면 LA-Nav 채널 결합은 비배타적이며, 실수로 LA가 심혈관계로 누출될 때 혈액 관류가 풍부하고 전압 개폐 채널(Na, K, Ca)의 활성이 높은 심장 및 뇌와 같은 기관은 선호하는 LA에 의해 공격을 받을 것입니다. 장기 기능 부전에 [20, 21]. 취약한 기관의 여기 전도 억제 외에도 미토콘드리아 기능 장애 및 세포 사멸로 인한 에너지 고갈도 기여합니다[15, 22].

따라서 전반적인 독성은 세포외 약물 농도, 세포막 투과성 및 유도된 독성 반응에 기인하며, 이는 QX-314가 BBB 및 세포막 침투 속도가 느리지만 리도카인에 비해 4차 유도체 QX-314의 CNS 독성이 더 심한 것으로 설명할 수 있습니다. 23]. 보다 흔하지만 상대적으로 제어하기 쉬운 중추신경계 발현(경련 및 발작)과 달리 전도 장애, 부정맥 및 수축 기능 장애와 같은 심장 기능 부전은 치명적인 결과를 유발할 수 있습니다[6, 15]. LA의 진통 효과를 연장하면서 부작용을 예방하기 위해 서방형 LA 개발에 많은 노력을 기울였습니다.

서방형 LA의 리포솜 제형

리포솜에 대한 일반적인 생각

리포솜은 인지질을 기반으로 하는 나노미터 규모의 지질 소포입니다[10]. 리포솜 기술은 암, 감염 및 안과 질환과 같은 질병을 치료하기 위한 약물 전달에 오랫동안 활용되어 왔습니다. 지질은 에스테르 또는 에테르 결합으로 연결된 친수성 머리와 소수성 꼬리를 가지고 있습니다[24]. 리포솜은 이중층 형태의 지질 단위 응집에 의해 생성되어 친수성 머리가 있는 수성 외피와 코어를 생성하여 층 내부의 소수성 꼬리를 보호합니다. 간단한 초음파 처리에서 보다 정교한 건식 스파이 기법에 이르기까지 초음파 처리, 유제, 건식 분무 및 흐름 초점의 다양한 조합을 기반으로 하여 향상된 특성을 가진 리포솜을 생산하는 혁신적인 접근 방식이 개발되었습니다(그림 2) [24,25, 26,27,28]. 박막 수화는 가장 일반적으로 사용되는 생산 기술 중 하나이며 미세 유체 기술은 규모 확대가 유망합니다[29]. 약물은 수동적 부하, 능동적 부하, 환자 사용 전 부하 및 이중 유제를 포함하는 다양한 방법을 통해 포획될 수 있습니다(그림 3). 마지막으로 약물은 약물의 친수성에 따라 수성 코어 또는 지질층 사이에서 운반됩니다(그림 4a). 이러한 관대한 호환성으로 인해 리포솜은 다양한 약물을 전달할 수 있습니다[24].

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리포솜을 생산하는 고전적인 기술. 리포솜의 기본 생산 기술. 생산 워크플로 시연

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다양한 약물 로딩 경로

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다양한 리포솜의 구조적 특성. 리포솜의 약물 분포. 단일층 리포솜. 다층 리포솜. d 다낭성 리포솜. DepoFoam 기술 시연

안정적이고 효과적인 제어 방출 시스템을 구축할 때 몇 가지 요소를 고려해야 합니다. 지질 구성은 리포솜을 설계하는 기본적이고 중추적인 요소입니다. 우선, 응집과 융합이 일어나지 않는 안정적인 서스펜션 시스템이 확보되어야 합니다. 구성은 첫 번째 속성입니다. 표면 전하와 정전기력은 리포솜이 서로 반발하여 응집을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다[30]. 그러나 현탁액 환경은 표면 전하를 중화하여 응집을 유도할 수 있습니다. 1,2-디팔미토일-sn-글리세로-3-포스페이트(DPPA) 및 1,2-디스테아로일-sn-글리세로-3-포스포-(1'-rac-글리세롤)(DSPG)는 포스파티딜세린에 속하는 두 개의 음으로 하전된 지질입니다. , 칼슘 및 마그네슘 양이온을 만날 때 응집되는 경향이 있습니다 [31]. 따라서 더 높은 비율의 음전하를 띤 지질을 함유하는 리포솜은 2가 양이온을 첨가할 때 응집하는 경향이 더 높으며, 이는 리포솜 현탁액에서 지질의 비율과 양이온 농도를 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 결정된 구성 요소의 경우 입자 크기는 응집의 또 다른 속성입니다. 더 큰 입자는 순 전하에도 불구하고 응집될 가능성이 더 높습니다[30]. 이온 성분 외에 또 다른 환경 요인은 온도입니다. 낮은 온도는 리포솜을 더 가깝게 위치시켜 응집을 유도합니다. 전이 온도보다 약간 높은 온도가 보관을 위해 권장됩니다[30, 32]. 응집을 피하는 또 다른 전략은 폴리에틸렌글리콜(PEG)로 코팅하여 리포솜이 서로 상호작용하지 않도록 보호하는 것입니다. 이 친수성 분자는 외피로 작용하여 응집을 방지할 뿐만 아니라 표면 변형의 선택을 넓힐 수 있습니다[33]. 이 아이디어를 바탕으로 인슐린과 덱스트란, PEG화 볼라암친화체의 추가와 같은 보호를 최적화하기 위한 개선이 이루어졌습니다[34, 35]. 융합은 정전기력이 없을 때 수화 반발력이 존재하기 때문에 응집에 비해 덜 일반적으로 발생하는 더 많은 인력을 필요로 한다[31]. 그리고 이러한 형태의 반발력은 포스파티딜콜린의 비율을 증가시키면 강화될 수 있습니다[30, 31].

제어 방출의 경우 불포화 지질 꼬리의 비율 감소, 더 긴 사슬 지질 및 에테르 링커는 리포솜의 안정성을 촉진하고 방출을 늦출 수 있습니다. 콜레스테롤을 삽입하고 PEG와 같은 분자로 장식하는 것도 나중에 리뷰에서 설명하는 것처럼 하이브리드로 분류될 수 있는 리포솜을 안정화할 수 있습니다. 이러한 변형은 리포솜의 유동성과 생분해를 감소시킵니다. 표면 전하와 입자 크기는 또 다른 두 가지 고려 사항입니다. 중성 전하를 띠고 크기가 작은 리포솜은 더 천천히 제거됩니다[24, 36]. 옥탄올/완충제 분배 계수는 리포솜이 생리적 환경에 들어갈 때 약물의 분포를 나타내는 활성제의 특성이며, 이는 또한 방출 패턴을 결정합니다. 높은 옥탄올/완충제 분배 계수를 갖는 부피바카인과 같은 약물은 쉽게 방출될 수 있습니다[16, 36].

성분은 리포솜의 물리화학적 특성뿐만 아니라 조직 특이성과 같은 생리학적 특성에도 영향을 미칩니다. 리포솜이 혈액 순환에 들어가면 대식세포에 의한 식균 작용이 주요 제거 경로입니다. 그러나 세망내피계(RES)에서 대식세포에 의한 서로 다른 인식은 지질 조성, 입자 크기 및 표면 전하가 중요한 결정 요인인 서로 다른 옵소닌화 과정으로 인해 발생합니다[37, 38]. 예를 들어, 주로 콜레스테롤에 의해 결정되는 보체 시스템의 활성화는 간 문맥 주변의 쿠퍼 세포에 의해 인식되는 반면, 포화 인지질은 비장 및 골수의 대식세포에 의한 인식을 향상시킵니다[39]. 더 큰 직경(~ 100 nm)의 입자는 Kupffer 세포에 의해 우선적으로 제거됩니다[37, 38]. 또한 음전하를 띤 리포솜은 Kupffer 세포의 스캐빈저 수용체에 의해 선택적으로 인식되는 반면 중성 리포솜은 더 나태합니다[38]. 식균 작용은 빠르게 일어나는 반면 세포 내 과정은 몇 시간에서 몇 달까지 느려서 RES에 장기간 머무릅니다[37, 38]. 이 보유는 전신 분포를 방해하면서 RES를 표적화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 여러 전략이 개발되었습니다. 필라미셀의 형태는 리포솜과 수용체 사이의 결합 부위의 접근성을 제한할 수 있습니다. 부드러운 리포솜은 대식세포가 덜 선호합니다. PEG화 및 CD47 변형에 의한 은폐 전략은 또한 리포좀을 부동태화할 수 있습니다[40]. 추가 리포솜에 의한 대식세포의 포화(RES 차단)는 약물 로딩 리포솜의 순환을 확장하는 대안입니다[41]. 보다 적극적인 방법으로 일시적인 대식세포 고갈은 clodronate에 의해 수행될 수 있습니다.

대식세포에 의한 제거로부터 탈출한 후, 리포솜은 우수한 생체 적합성과 생체 분포를 보입니다. 높은 혈관 구조, 깊은 혈액 관류 및 큰 혈관 공극을 가진 조직의 경우 리포솜이 들어가는 경향이 큽니다. 종양 조직은 위에서 언급한 모든 특성을 나타냅니다. 비정상적인 혈관 형성 및 림프 배수로 인해 리포솜은 종양 조직에 쉽게 들어가 더 오래 머무를 수 있으며, 이를 EPR(Enhanced Permeability and Retention)이라고 합니다[42, 43]. 또한, 크기가 더 크고 양전하를 띤 리포솜은 종양 중앙의 높은 간질액 압력을 극복하고 완전히 침투할 수 있습니다[42]. 혈액 수송에 의한 수동 표적화 및 구조적 이점 외에도 표면 변형에 의한 능동 표적화는 종양 표적화를 위한 표피 성장 인자 수용체(EGFR)-리간드 및 혈관 내피 성장 인자(VEGF)-리간드와 같은 선택성을 최적화하기 위해 널리 사용됩니다. BBB 침투를 위한 트랜스페린 리간드 및 스핑고미엘린 [42, 44, 45].

다포성 리포솜

지질 소포의 다른 패킹은 또한 약물 방출을 연장하는 데 도움이 될 수 있습니다. 일반적으로 리포솜은 지질막이 다중 라멜라 또는 단일 라멜라 방식으로 패킹되어 있는 동심원입니다(그림 4b, c)[16]. 따라서 내부 지질막의 붕괴는 약물의 약물 축적과 외부 층의 파괴에 따른 빠른 방출로 이어질 것이다[46]. 이러한 상황에서는 서방성을 달성할 수 없습니다. Multivesicular liposomes는 소포가 외부에서 서로 밀접하게 포장되어있는 비 동심원입니다 (그림 4d). DepoFoam 기술이라고도 하는 이중 에멀젼은 다포성 리포솜의 생산에 사용됩니다(그림 4e). 다소포 구조와 관련하여 적어도 하나의 중성 지질(트리글리세라이드)과 하나의 양친매성 지질(인지질)을 선택해야 합니다. 트리글리세리드의 백분율은 특정 범위 내에서 약물 로딩 효율과 관련이 있습니다[46, 47]. 그것은 최외곽 소포의 점진적인 분해를 통해 더 긴 방출을 달성합니다. 파열 방출을 피하기 위해 외부 환경으로부터 외부 소포에 의해 격리된 내부 소포의 재배열 중에 다중 소포 구조가 남아 있습니다[46, 48]. 다중소포성 리포좀은 혈관내 경로를 통한 단일층 및 다중층 리포좀의 경우 몇 시간에서 며칠에 비해 비혈관 투여를 통해 수일에서 수주에 걸쳐 약물을 방출할 수 있는 방출 지속 시간에서 큰 우세를 나타냅니다[46, 49].

추가 이점

다른 캡슐화 담체와 비교하여 리포솜은 LA를 전달할 때 추가적인 이점을 가질 수 있습니다. 모두가 알고 있는 바와 같이 지질유제 요법은 LA의 전신 독성에 대한 치료 효과를 보여 LA의 독성 소생 지침에 추가되었습니다[50]. 잠재적인 메커니즘에는 Nav에서 LA를 해제하는 것이 포함됩니다. 심근 세포의 채널, 저장(지방산), 해독(간) 및 배설 기관(신장)으로 LA를 분할 및 재분배하고, 추가 에너지를 제공하고, 심박출량을 강화하기 위해 Ca 채널을 증가시킵니다[51, 52]. 리포좀은 침식 및 분해를 통해 부피바카인을 방출하는 것으로 가정되지만 지질막을 통한 동시 확산이 발생하여 리포좀의 완전성을 유지할 수 있습니다[16, 53, 54]. 약물이 시험관 내에서 거의 완전히 방출된 후에도 리포솜의 많은 부분이 다중소포 구조를 유지할 수 있다는 연구 결과가 있습니다. 이는 확산이 지배적일 수 있음을 나타냅니다[46, 55]. 또한 초음파 유도 기공 형성은 리포솜의 크기와 구조를 변경하지 않고 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다[56]. 따라서, 부피바카인은 지질을 보호하면서 리포좀 형태로 독성이 감소할 가능성이 있다고 가정할 수 있습니다. 이러한 이점을 확인하고 극대화하려면 추가 연구와 설계 제조가 필요합니다.

리포솜은 우수한 생체 적합성과 친유성으로 인해 뇌 유도 약물 전달에 사용되었습니다[57, 58]. BBB를 통한 침투를 중재하는 몇 가지 메커니즘이 있습니다. 수용체 또는 흡수에 의해 매개되는 트랜스사이토시스는 BBB를 통과하는 주요 경로입니다[45]. 흡수는 주로 리포솜과 음전하를 띤 세포막 사이의 정전기적 인력에 의해 결정됩니다[45]. 친유성 약물을 포함하는 단층 리포솜과 같이 리포솜이 충분히 작으면 수동 확산이 발생할 수 있습니다. 변형은 또한 뇌 유도 약물 전달을 촉진하기 위해 리간드-수용체 결합을 강화하도록 설계되었습니다[57]. 따라서 음전하 및 BBB 특이적 리간드의 결여와 같은 역설계는 뇌 침투를 방지하고 안전성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

EXPAREL-최초 리포솜 LA 승인

EXPAREL(Pacira Pharmaceuticals, Parsippany, New Jersey, USA)은 미국 식품의약국(FDA)에서 승인한 유일한 연장 방출 리포솜 LA입니다. 리포솜 현탁액은 중성 지질에 속하는 트리카프릴린과 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phospho-rac-(1-glycerol), 1,2-dierucoylphosphatidylcholine, 및 콜레스테롤 [47, 49]. 2011년에 승인된 상처 침윤, 2018년에 종간 상완 신경총 차단을 포함하여 제한된 임상 상황에서 법적으로 허용됩니다. 최대 72시간 동안 지속 방출 및 진통 효능을 달성할 수 있습니다[5].

무료 LA 주사, 통증 펌프, 경막외 진통, 환자 조절 진통(PCA)과 같은 기존의 진통 요법과 비교하여 EAPAREL은 상처 침윤을 통해 사용할 때 비열등한 진통 효능을 입증했습니다. 라벨 표시 외에도 EXPAREL은 늑간 신경 차단, 복횡면(TAP) 차단 및 위성 신경절 차단과 같은 다른 진통 경로에서도 유망한 역할을 보여주었습니다(표 2). 그러나 상처 침윤과 관련하여 EXPAREL의 진통 효능에 대해 부정적인 결과를 보여주는 연구가 있습니다. 이러한 연구는 뚜렷한 통증 강도의 수술에서, 또한 통증 평가 시점이 12시간과 같이 상대적으로 더 이른 시점에서 다릅니다. 정형외과 수술은 일반적으로 환자에게 심한 통증을 유발하므로 EXPAREL을 사용한 단일 상처 침윤은 통증 조절에 충분하지 않을 수 있습니다. 일반 부피바카인과 비교하여 EXPAREL은 초기에 적절한 부피바카인을 방출하지 않을 수 있으며 더 나은 진통을 달성하기 위해 유리 LA와 추가로 병용 투여할 수 없습니다(표 3). 따라서 EXPAREL의 진통효과는 수술의 종류, 통증의 강도, 예상되는 진통발현에 따라 달라질 수 있다.

진통에 대한 논란에도 불구하고 EXPAREL의 투여 경로는 카테터 삽입, 신경 차단, 경막외 진통에 비해 간단하고 안전하다[62, 75, 76]. 동물 모델에서 EXPAREL은 peri/intraneural 또는 subarachnoid 주입 후 신경 독성(신경 농도 감소 또는 탈수초화)을 유도하지 않습니다[77,78,79]. 그러나 EXPAREL로 유발된 주사 부위 주변의 국소 염증은 기존의 bupivacaine HCl에 비해 높지만 식염수와 유사합니다[78]. 전반적으로 EXPAREL은 유리 부피바카인과 유사한 독성을 나타냅니다[80,81,82,83]. EXPAREL을 사용한 의료비는 경막외진통[63, 84] 및 연속펌프[60]에 비해 더 저렴하지만, 일반 LA주사[85,86,87,88]보다 비용이 많이 든다. 따라서 EXPAREL을 활용하기 위해서는 다양한 수술에서 기대되는 다양한 진통 요구사항과 비용 효율성 등 종합적인 고려가 필요합니다.

주의

EXPAREL은 유동성과 지질층의 재배열로 인해 적용에 명백한 제한이 있습니다. 유리 LA를 추가로 사용하여 특히 20분 이내에 부피바카인의 빠른 방출은 리포솜에서 부피바카인의 교체로 인해 발생할 것입니다[89]. 이러한 상황에서 국소 마취 전신 독성(LAST)의 발생률은 급격히 증가할 것입니다. 리도카인은 특히 DepoFoam에 더 강한 친화력을 보여 20분 이내에 EXPAREL과 함께 투여할 때 리도카인과 부피바카인 모두의 전신 노출을 더 많이 유도합니다. 그러나 파열 방출의 위험은 교체뿐만 아니라 사용된 LA 및 혈관 수축제의 혈관 효과 및 희석/혼합 효과로 인한 것입니다. 따라서 20분이 넘는 시간은 EXPAREL과 free LA 모두 안전한 수준을 보장합니다[90]. bupivacaine HCl의 경우 EXPAREL과의 혼합물은 안전하고 지속적인 방출을 보장하기 위해 1:2 미만의 비율로 허용됩니다[5, 49]. 진통은 다학제간 협력이므로 EXPAREL을 투여할 때는 세심한 주의를 기울여야 합니다. 더욱이 모든 리포솜 제품은 "상점에서" 불안정하다고 설명되는 보관 문제가 있습니다. 지질은 장기간 보관하면 유해한 대사 산물로 분해됩니다. 과도한 리소지질 및 기타 지질 파편은 적혈구에 결합하여 치명적인 용혈을 유발합니다. 키토산이나 알지네이트로 코팅하면 리포솜을 안정화하고 보존 기간을 최대 2년까지 연장하여 이 문제를 극복할 수 있습니다[24, 36].

더 많은 영감

리포솜 부피바카인의 진통 효능을 향상시키기 위해 다른 점에서도 노력하고 있습니다. Christopher Weldon et al. 특정 크기를 10배 작게 줄임으로써 세포-리포솜 부피바카인 상호작용을 증가시키고, Bier 블록의 일반 리포솜 부피바카인과 비교하여 더 긴 마취 및 유사한 안전성 품질을 달성하는 국소 체류를 연장합니다. Changyou Zhan과 그의 동료들은 금 나노막대와 리포솜을 결합하여 광촉진 마취를 달성했습니다. 이 광반응 시스템은 근적외선의 단일 선량을 최소화하고 만족스러운 안전성을 나타냅니다. 더 중요한 것은 주문형 및 반복 부위 마취를 달성하여 통증 관리를보다 개인화하고 정밀하게 만들 것입니다 [92]. 대안적으로, LA가 다른 지질과 다른 친화력을 갖는다는 증거와 함께 LA와 지질의 상호작용을 강화하고[93], 중간엽 기질 세포의 항염증 반응을 향상시키기 위해 알지네이트로 리포솜을 캡슐화하는 것은[94] 제어 방출을 더욱 개선하고 다양한 조건을 충족할 수 있습니다. 임상 요구.

연장 방출 LA의 중합체 공식화

고분자 DDS에 대한 기본 지식

폴리머는 수천 개의 반복 단위(단량체)로 구성된 거대 분자입니다. Van der Waals의 힘과 수소 결합이 중요한 역할을 하는 리포솜과 달리 폴리머는 공유 결합에 의해 형성되어 선반 위에서뿐만 아니라 유리 LA와 함께 투여할 때도 더 나은 안정성을 제공합니다. 많은 종류의 생체 적합성 및 생분해성 고분자가 천연 물질뿐만 아니라 합성 물질도 포함하여 서방성 물질의 제조에 사용되었습니다. 아미드 및 에스테르 LA의 서로 다른 화학적 특성을 고려하여, 상응하는 로딩 방법을 사용하여 로딩 효율(정전기 상호작용, 공유 결합 및 캡슐화)을 최적화할 수 있습니다[8]. 또한, 나노입자, 나노캡슐, 나노겔, 나노필름 및 나노섬유와 같은 유연한 형태는 주입, 드레싱 또는 필름이 필요할 때 실제로 고분자 DDS의 적용을 확장합니다[7, 8]. 또한, 구조적 변형은 수술 전후 통증에 대한 수일, 만성 통증에 대한 수주, LA의 효능을 향상시키기 위한 두 번째 약물과의 공동 전달과 같은 고분자 DDS 조절 가능한 방출 프로필을 강화합니다[7].

가장 많이 사용되는 합성 고분자 중에는 폴리에스터가 있습니다. 이 범주에는 폴리(l-락티드), 폴리(글리콜산), 폴리(락트산-코-글리콜산) 및 폴리(e-카프로락톤)이 포함됩니다[95]. 대사 산물은 일반적으로 이산화탄소와 물과 같은 작은 분자이며 안전하게 재활용되거나 배설될 수 있습니다[96]. 반면에 생산 기술은 이중/단일 유제, 침전 및 분무 건조와 같은 전통적인 기술에서 미세 유체 플랫폼, 압출 및 비습윤 템플릿(PRINT)의 입자 복제로 크게 발전했습니다(그림 5a-g). 전기방사(electrospinning)와 같은 새로운 기술도 개발되어 제형 및 전달의 유연성을 가능하게 합니다(그림 5h) [95, 96].

<그림>

폴리머좀의 고전적인 기술. 단일 에멀젼. 더블 에멀젼. 나노 침전. d 분무 건조. 미세유체학. 압출 유화. 비습윤 템플릿의 입자 복제(PRINT). 전기방사

약물 전달에 널리 활용되지는 않았지만 DDS의 미래 경로를 밝힐 수 있는 또 다른 생산 방법인 자가 조립이 있습니다. 자가 조립은 수성 환경에서 양친매성 고분자-제제 공중합체의 미셀로 자발적으로 조립된다는 점에서 다른 생산 절차와 다릅니다. 따라서 단순성, 고효율 및 우수한 수분산성을 나타냅니다[97, 98]. 공중합체는 원-포트 다성분 반응(2차 아미드와 포름알데히드에 의해 연결된 활성 수소 화합물 사이의 만니시 반응)[97, 99], 초분자 반응(사이클로덱스트린과 같은 호스트-게스트 상호작용)과 같은 다양한 반응을 통해 형성될 수 있습니다. 및 아다만틴)[100, 101], 에스테르화 및 개환 반응[102,103,104], 티올인 클릭 반응[105], 공중합체의 후개질[106]. 이 기술은 최근 형광 소광으로부터 보호하고 응집 유발 방출을 달성하기 위해 형광 고분자 입자에 주로 사용되지만 다양한 반응과 상호 작용으로 인해 다양한 소수성 약물이 반응성 고분자(특히 유기 고분자)를 찾아 자가 조립할 수 있습니다. 미셀 [107, 108]. 예를 들어, 아미드 LA의 2차 아미드는 만니시 반응에 의해 중합체와 반응하는 활성 부분으로 사용할 수 있습니다. 또는 약물을 공중 합체에 흡수하여 동시 영상화 및 치료를 달성할 수 있습니다[101]. 소수성 약물은 미셀의 코어에 캡슐화되어 있기 때문에 LA의 알칼리성 환경과 같은 약물 효능에 적합한 내부 환경을 제공할 수 있습니다. 한편, 훌륭한 세포 흡수 행동은 LA와 같은 세포 내 도메인을 표적으로 하는 약물을 향상시킬 수 있습니다[97, 100, 105]. 또한, 반응은 일반적으로 촉매가 없고 단순하며(예:마이크로파 및 초음파)[109, 110], 용매 경제적이고, 실험 조건이 가볍고, 시간이 절약되어 미래에 대량 생산이 가능합니다[97, 105 ].

고분자 DDS는 여러 경로를 통해 활성제를 방출합니다. 물이 처음에 고분자로 흘러들어갈 때 대류는 약물을 펌핑하는 삼투압을 생성합니다. 그러나 수성 환경에서 형성된 기공을 통한 확산이 주요 방법입니다. 이온화된 LA와 같은 친수성 약물의 누출을 돕습니다. 반대로 소수성 약물은 직접 확산될 수 있습니다. At the final stage of a typical tri-phase release profile, erosion of polymer dominates [111, 112].

Like liposomes, polymersomes also face the challenge of RES clearance. Morphology modification, stealth strategy, RES blockade, and macrophage depletion can be applied as well [40, 113,114,115]. Furthermore, the EPR effect facilitate tumor-target while auxiliary surface modification can help tissue specificity [43, 116]. Polymersomes do not induce significant systemic inflammation while some of natural polymers such as hyaluronan and laminin, and synthetic polymers such as negatively charged poly(lactic-co-glycolic acid) and polyurethane can reduce systemic inflammatory reaction [117,118,119]. Moreover, N -(2-hydroxypropyl) methacrylamide and polystyrene are reported to reduce neurotoxicity [120, 121].

Diverse Morphology and Applications

Particle is a common form of polymeric DDS. Polymeric particles are generally divided into two categories:nanosphere and nanocapsule. Nanosphere is an evenly disperse system, while nanocapsule is an embedding drug in polymeric cavity [95]. The earliest researches built nanoparticles with poor entrapment efficiency (< 60%) and release duration (< 30 h) [122, 123]. With finesses of technology, the drug entrapment efficiency reaches nearly 90% [124,125,126], the highest result is 93.3% [127]. In-vitro release can reach a maximal duration of 35 days [128]. There is another available form termed nanofiber, which is produced by electrospinning. Electrospinning technique has been widely applied in drug delivery, but limited usage in LAs. There is one research only using electrospinning technique to fabricate bupivacaine-loaded suture. It gained satisfactory results on extended release (over 12 days), while significant analgesia appeared from day 1 to day 9 in rat skin wound model [129]. Mostly in polymersomes, drugs are entrapped physically; in polymer-drug conjugate, drug is bonded to polymer covalently to enhance drug loading capacity and prolong release furthermore [130]. Apart from solid forms, amorphous forms such as gel show more versatility and malleability. A 60-day release was seen in the work of Daryl Sivakumaran and his colleagues (Table 4) [134]. Rapid burst release over 60% of LAs was observed in the work of Haibo Qu and his colleagues (Table 4) [135].

In order to make the release intelligent, responsive materials are used in situations where structural changes, volume-phase transitions, or sol-gel transitions are needed [137]. Inflammatory reaction is a major and initial process when trauma happens. Along with it is the changes of pH and temperature. Thus, pH and temperature are stimuli used commonly in LAs delivery. In the work of Todd Hoare and his colleagues, thermal aggregation can help control regional accumulation of thermal-responsive nanogel. However, larger precipitates after aggregation induced more severe local inflammation (Table 5) [139]. Teresa Alejo and his colleagues used sequential heat pulse to trigger the collapse of nanoparticle, fastening profound release in a spatiotemporal way (Table 5) [138]. A pH-responsive polymer (methacrylicacid–ethyl acrylate) was used by Jeremy P.K. Tan to achieve decreased release of procaine chloride with decrease of pH (Table 5) [140].

Despite the advantages of being responsive to stimuli, pH and temperature-responsive polymers do not act precisely enough to localize therapeutic agents. Moreover, acidic environment and high temperature may bring harm. Therefore, stimuli which are able to modulate therapeutic agents precisely without harm are wanted. Although there is no application so far in LAs delivery, ultrasound-responsive nanoparticles exhibiting harmless property have shown precise localization in tumor targeting and imaging [141, 142]. However, ultrasound signal can be influenced by air attenuation and bone structure. Magnetic responsive nanoparticles exhibit broader application such as in respiratory system which is filled with air and central nervous system covered with cranial bone [143]. Furthermore, magnetic responsive nanoparticles can help spatially and temporally localize actives without restriction by tissues depth [143]. Generally, there are three mechanisms underlying magnetic response, which are magnetic deformation, magnetic guidance, and magnetic-induced hyperthermia [144, 145]. Aginate-based ferrogel undergoes pore formation with magnetic stimulation [146]. In contrast, chitosan-based nanoparticle undergoes pore formation with the help of heat produced by magnetic field [147, 148]. In order to decrease thermal damage to surrounding tissues, Wei Chen and his colleagues produced a core-shell structure to embed heat-producing core and prevent thermal damage [143]. The guidance function can help the nanoparticle migrate long distance and penetrate biological barrier [149]. Combination of aforementioned mechanisms can create synergistic outcomes [150].

Polymeric carriers endow LAs extended-release, but unexpected burst release does exist. Long-term degradation may induce foreign body response. Versatility of materials and mature techniques are advantages of polymeric carriers. Acidic metabolites, however, may hamper the effect of LAs. Although responsive polymers make delivery more intelligent, they do not solve the aforementioned problems above completely. Therefore, further improvements are needed.

Lipid-Polymer Hybrid Carriers of Local Anesthetic

Liposomal and polymeric nanocarriers both have drawbacks such as low solubility, poor stability, undesired drug leakage. and diffusion [151,152,153]. Conventional liposomes are easily cleared out by enzymatic degradation and macrophage engulfing. Therefore, surface modification with inert and hydrophilic coats, such as PEG, ganglioside GM1, and phosphatidylinositol, have been used for protection against degradation by enzymes and macrophages. Furthermore, pegylation can enhance the negative charge of liposome and reinforce its attraction to cationic actives. In the work of Brett A. Howell and his colleagues, higher concentration and slower release of bupivacaine in human serum was observed in pegylated liposomes compared to conventional liposomes [154]. Alternatively, apolar cavity of biologically active compounds formed by cyclodextrins (a polymeric peptide), also known as an inclusion, in multi-vesicular liposomes can help achieve longer release. Inspired by various pioneer attempts to overcome drawbacks of liposome and polymeric nanoparticles, lipid-polymer hybrid nanoparticles come to the stage of controlled release [151, 155].

There are three systems of hybrid nanoparticles:lipid-core polymer-shell, polymer-core lipid-shell, and the polymer-lipid matrix. Lipid-core polymer-shell system using a polymeric coat improves the stability of liposome and delays clearance, while maintaining optimal biocompatibility of lipid core. The amphiphilic properties of some polymers can reduce surface tension of nanoparticles and decrease particle size to achieve better biocompatibility. Additionally, responsive polymers can enable liposomes more flexible behavior in various physical environment [152, 156]. Poly (acrylic acid) (Chol-PAA) is a pH-sensitive polymer, which tends to form globular structure from random coil in low pH. In poly (acrylic acid) (Chol-PAA)-caged liposome, the polymeric coat shrinks when environmental pH decreases, compressing core liposome to release significantly when liposome collapses [152]. Marina Sokolsky-Papkov and her colleagues used hybrid polymer (DL-lactic acid and castor oil) to formulate bupivacaine-loaded nanoparticles. This poly (fatty-ester) achieved relatively longer in-vitro release (beyond 1 week) and sensory blockade (> 72 h) compared to previous research [157]. Further research confirmed its release profile and extended its analgesic efficacy among thermal pain, mechanical pain, and rearing assessment [158]. Another research study explored the difference between oil nucleus on stability, release profile, and analgesia property, and found that a higher entrapment efficacy was observed compared to polymeric DDS [159].

Polymer-core lipid-shell system is commonly used in intravenous administration of drugs, especially anticancer drugs [151, 155]. The two components together help inhibit water infiltration and slow hydrolysis down, and as a result prevent drug diffusion and burst leakage. Lipid shell also enhances biocompatibility of nanoparticle with similarity to cell membrane [160]; this is promising in achieving simultaneous co-delivery of multiple drugs [151, 152, 160]. On the other hand, polymeric core can facilitate mechanical stability, shape control, and size distribution. Additionally, it can increase drug entrapment efficacy. In the work of Jianguo Wang and his colleagues, nanoparticle showed a slower release speed, smaller particle diameter, and higher drug loading compared to traditional liposomes [161]. The work by Pengju Ma at el. showed that hybrid bupivacaine nanoparticle had better stability, analgesic efficacy, and cytotoxicity [162].

The third system is a polymer-lipid matrix which can be subdivided into polymerized liposomes and nano-in-micro type. As their names suggest, polymerized liposome is a covalently bound liposome which demonstrates better stability and modulated release as mentioned above with basic knowledge on polymeric DDS [154], while the nano-in-micro system gathers nanoparticles into a matrix to achieve controlled release as shown in the work of Khanal Manakamana and his colleagues [163]. Moreover, hybrid nanoparticle was used in transdermal route showing better skin permeation than free bupivacaine in three studies by Yaocun Yue and Aimei Li at el., which expands its clinical application of analgesia [161, 164, 165].

Future Perspectives

Nano-structured systems have been utilized in extended-release for drug delivery over decades. Tremendous breakthroughs have been seen in controlled release of LAs to achieve longer duration of analgesic and better safety profile, bringing in the successful approval of EXPAREL. At the same time, various modifications and combinations of nano-structured systems have broaden the horizon of LAs. With the guidance of physical or chemical stimuli, targeting LAs to treat the specific sources of pain may not be a difficult process anymore. Additionally, with the help of external and internal stimulus, we may modulate the release profile of LAs even after administration. Physiochemical properties of actives, rather than carriers alone, are also taken into account to formulate new and flexible systems. In the future, we may see precisely designed extended-release LAs to meet different demands of analgesic intensity, duration, and target sites in distinct surgeries, to make analgesia more individualized.

결론

LAs are key components in multimodal analgesia. Short duration and adverse side effects limit its application, which induces the emergence of extended-release LAs. Nano-structured DDSs show better biocompatibility and biodegradation compared to micro-structured DDSs due to similar size with physiological environment. Among various nanocarriers, liposomes achieve the first success in super-long-lasting LAs, which can release bupivacaine for 72 h in vivo. Liposomes also potentiate the safety of LAs with the protection of emulsion. The instability of liposome, however, hinders its storage and co-administration profile with additional free LAs. Compared to liposome, polymersome has a more advantageous profile with better stability and prolonged release. Moreover, the electrospinning technique and the stimuli-responsive property endow polymersomes with more flexibility in morphology and release behavior. Besides the optimization of materials and manufacturing processes, combination of nanocarriers is an alternative way to improve drawbacks and boost strengths. This is where hybrid nanocarriers come to the stage:hybrids not only improve the release profile but also broaden administration routes, such as the transdermal route. With the ever-emerging versatility of nanocarriers, extended-release may become more specific and controllable in the future to satisfy various analgesic demands.

데이터 및 자료의 가용성

해당 없음.

약어

BBB:

Blood-brain barrier

CNS:

Central nervous system

DDSs:

Drug delivery systems

DPPA:

1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphate

DSPG:

1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phospho-(1'-rac-glycerol)

EGFR:

Epidermal growth factor receptor

EPR:

향상된 투과성 및 유지력

FDA:

American Food and Drug Administration

LAs:

Local anesthetics

LAST:

Local anesthesia systemic toxicity

PCA:

Patient controlled analgesia

PEG:

폴리에틸렌 글리콜

PRINT:

Particle replication in nonwetting template

RES:

Reticuloendothelial system

TAP:

Transversus abdominis plane

VEGF:

혈관 내피 성장 인자


나노물질

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