피부 내의 제약 화합물을 시각화하고 정량화하기 위한 일관된 라만 산란 영상화 방법론이 기재되어 있다. 이 논문은 피부 조직 제제 (인간 및 마우스) 및 국소 제형 적용, 시공간 농도 프로파일을 정량화하기위한 이미지 획득 및 국소 약물 전달을 평가하기위한 예비 약동학 분석에 대해 설명합니다.
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피부 내의 제약 화합물을 시각화하고 정량화하기 위한 일관된 라만 산란 영상화 방법론이 기재되어 있다. 이 논문은 피부 조직 제제 (인간 및 마우스) 및 국소 제형 적용, 시공간 농도 프로파일을 정량화하기위한 이미지 획득 및 국소 약물 전달을 평가하기위한 예비 약동학 분석에 대해 설명합니다.
국소 제형 적용 후의 피부 약동학 (cPK)은 국소 생체 이용률 (BA)을 기계적으로 이해하기 위해 규제 및 약물 개발 과학자들에게 특히 관심이있는 연구 분야였습니다. 테이프 스트리핑, 진피 미세투석, 또는 진피 개방 유동 미세관류와 같은 반침습적 기술은 모두 매크로스케일 cPK를 정량화한다. 이러한 기술은 방대한 cPK 지식을 제공했지만 커뮤니티는 활성 제약 성분 (API) 침투 및 세포 수준에서의 투과에 대한 기계론적 이해가 부족합니다.
마이크로 스케일 cPK를 다루기 위한 한 가지 비침습적 접근법은 외인성 라벨이나 화학적 변형 없이 내재적 분자 진동을 선택적으로 표적으로 하는 코히어런트 라만 산란 영상(CRI)이다. CRI에는 API 또는 비활성 성분의 민감하고 선택적인 정량화를 가능하게 하는 두 가지 주요 방법인 일관된 안티스토크스 라만 산란(CARS)과 자극된 라만 산란(SRS)이 있습니다. CARS는 일반적으로 구조적 피부 정보를 도출하거나 화학적 대조를 시각화하는 데 사용됩니다. 대조적으로, 분자 농도와 선형인 SRS 신호는 피부 층화 내의 API 또는 비활성 성분을 정량화하는 데 사용된다.
마우스 조직이 CRI를 갖는 cPK에 대해 일반적으로 활용되었지만, 국소 BA 및 생물학적 동등성 (BE)은 궁극적으로 규제 승인 전에 인간 조직에서 평가되어야합니다. 이 논문은 국소 BA 및 BE의 평가에서 정량적 약동학적 CRI 연구에 사용되는 생체외 피부를 제조하고 이미지화하는 방법론을 제시한다. 이 방법론은 시간이 지남에 따라 인간과 마우스 피부 내에서 신뢰할 수 있고 재현 가능한 API 정량화를 가능하게합니다. 지질이 풍부하고 지질이 부족한 구획 내의 농도뿐만 아니라 시간에 따른 총 API 농도가 정량화됩니다. 이들은 마이크로 및 매크로 스케일 BA의 추정에 활용되며, 잠재적으로 BE입니다.
국소 약물 제품 적용 후 cPK를 평가하기위한 방법론은 고전적인 시험관 내 투과 시험 (IVPT) 연구 1,2,3,4,5 및 테이프 스트리핑 6,7,8에서 개방 유동 미세 관류 또는 피부 미세 투석과 같은 추가 방법론으로 확장되었습니다 9,10,11, 12,13,14. 관심있는 질병에 따라 치료 작용의 잠재적으로 다양한 국소 부위가 있습니다. 따라서 API가 의도 된 로컬 작업 사이트에 도달하는 속도와 범위를 평가하기위한 해당 방법론이있을 수 있습니다. 앞서 언급한 각각의 방법론에는 장점이 있지만, 가장 큰 단점은 마이크로스케일 cPK 정보가 부족하다는 것입니다(즉, API가 어디로 가고 어떻게 퍼졌는지 시각화할 수 없음).
국소 BA와 BE를 추정하기 위해 관심있는 비침습적 방법론 중 하나는 CRI이며, 이는 CARS 및 SRS 현미경의 두 가지 이미징 양식으로 나눌 수 있습니다. 이러한 일관된 라만 방법은 비선형 라만 효과를 통해 분자의 화학적으로 특이적인 이미징을 가능하게합니다. CRI에서는 두 개의 레이저 펄스 트레인이 샘플 내에서 집중되고 스캔됩니다. 레이저 주파수 사이의 에너지 차이는 관심있는 화학 구조에 특정한 진동 모드를 목표로 설정됩니다. CRI 과정은 비선형적이기 때문에, 신호는 현미경 초점에서만 생성되어, 조직의 입체 약동학적 단층 촬영 이미징을 허용한다. cPK의 맥락에서, CARS는 지질이 풍부한 피부 구조물(15)의 위치와 같은 조직 구조 정보를 획득하는데 사용되어 왔다. 대조적으로, SRS는 그 신호가 농도에 따라 선형이기 때문에 분자 농도를 정량화하는 데 활용되었습니다. 생체외 피부 표본의 경우, 에피 방향(16 )에서 CARS를 수행하고 전송 모드(17)에서 SRS를 수행하는 것이 유리하다. 따라서, 얇은 조직 샘플은 SRS 신호 검출 및 정량화를 허용할 것이다.
모델 조직으로서, 누드 마우스 귀는 사소한 단점과 함께 몇 가지 장점을 제시합니다. 한 가지 장점은 조직이 이미 두께가 ~ 200-300 μm이고 추가 샘플 준비가 필요하지 않다는 것입니다. 또한, 몇몇 피부 층화는 하나의 시야(예를 들어, 각질층, 피지선(SGs), 지방세포, 및 피하 지방)16,18을 통해 축방향으로 초점을 맞추는 것에 의해 보여진다. 이것은 인간 피부 샘플로 이동하기 전에 피부 투과 경로 및 국소 BA 추정치의 예비 전임상 추정을 허용한다. 그러나, 누드 마우스 모델은 피부 구조(19)의 차이로 인한 생체내 시나리오로의 외삽의 어려움과 같은 한계를 제시한다. 누드 마우스 귀는 예비 결과를 얻는 훌륭한 모델이지만, 인간 피부 모델은 황금 표준입니다. 생체내 투과 동역학 20,21,22를 정확하게 재분석하기 위한 동결된 인간 피부의 적합성 및 적용성에 대한 다양한 논평이 있었지만, 동결된 인간 피부의 사용은 시험관내 API 투과 동역학의 평가를 위한 수용된 방법이다23,24,25 . 이 프로토콜은 마우스와 인간의 피부의 다양한 피부층을 시각화하면서 지질이 풍부하고 지질이 부족한 구조 내의 API 농도를 정량화합니다.
CRI는 조직 내 화합물을 구체적으로 시각화하기 위해 수많은 분야에서 활용되어 왔지만 국소적으로 적용된 의약품의 cPK를 조사하는 데는 한계가 있었습니다. CRI를 사용하여 국소 제품의 국소 BA / BE를 평가하려면 먼저 정확한 비교를 위해 표준화 된 프로토콜을 마련해야합니다. 피부로의 약물 전달을 위해 CRI를 사용한 이전의 노력은 데이터 내에서 가변성을 입증하였다. 이것은 CRI의 비교적 새로운 응용 프로그램이므로 신뢰할 수있는 결과18,26,27을 얻으려면 프로토콜을 수립하는 것이 중요합니다. 이 접근법은 라만 스펙트럼의 생물학적 침묵 영역에서 하나의 특정 파형만을 표적으로 삼는다. 그러나 대부분의 API와 비활성 성분은 지문 영역 내에서 라만 이동을 가지고 있습니다. 이것은 이전에 지문 영역의 조직에서 발생하는 고유 한 신호로 인해 문제를 제기했습니다. 최근의 레이저 및 계산 발전은 이러한 장벽을 제거했으며, 이는 또한 여기에 제시된 접근법(28)과 함께 활용 될 수 있습니다. 여기에 제시된이 접근법은 침묵 영역 (2,000-2,300 cm-1)에서 라만 시프트가있는 API의 정량화를 허용합니다. 이는 약물의 물리화학적 특성에 한정되지 않으며, 이는 앞서 언급한 일부 cPK 모니터링 방법론(29)의 경우일 수 있다.
이 프로토콜은 두꺼운 인간 피부 샘플이 두꺼운 샘플에 의한 광산란으로 인해 약물 제품 적용 후 최소한의 신호를 생성하기 때문에 다양한 제제에 대한 피부 두께의 샘플 대 샘플 변동성을 줄여야합니다. 이 원고의 목표는 재현 가능한 이미징 표준을 보장하는 조직 준비 방법론을 제시하는 것입니다. 또한, CRI 시스템은 잠재적인 오류 소스를 줄이고 신호 대 잡음을 최소화하기 위해 설명된 대로 설정됩니다. 그러나이 논문은 CRI 현미경의 지침 원칙 및 기술적 장점에 대해 논의하지 않을 것입니다 이것은 이전에 다루었 기 때문에30. 마지막으로, 실험의 성공 또는 실패를 결정하기 위해 결과를 해석 할 수 있도록 광범위한 데이터 분석 절차를 탐구합니다.
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누드 마우스 귀 조직의 사용은 매사추세츠 종합 병원 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)의 승인을 받았으며 인간의 피부 조직 사용은 매사추세츠 종합 병원 기관 검토위원회 (IRB)의 승인을 받았습니다. IACUC 프로토콜에 따르면, 갓 안락사된 마우스는 누드 마우스 콜로니를 가진 협력자로부터 수득되었다. 인간 조직은 승인 된 프로토콜을 통해 매사추세츠 종합 병원의 선택 복부 성형술 절차에서 조달되었습니다. 또한, 복부 피부 이외의 특정 조직 유형은 신체 기증 기관을 통해, 또한 IRB 승인 프로토콜을 통해 획득되었다.
1. 조직의 제조

그림 1: 마우스와 인간의 피부를 이미징하는 데 이상적인 두께의 이미지 . (A) 마우스 귀 피부는 빛을 가시적으로 통과시킬 수 있는 빛을 유지했습니다. (B) 이상적인 인간의 피부는 준비 후 빛까지 유지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 레이저 및 현미경 설정
(1)
(2)
상대 파수 단위(cm-1)가 있고 λ 변수는 cm 단위로 단위를 갖습니다.
그림 2: 일관된 라만 레이저 이미징 경로를 위한 개략적인 레이아웃. 빔은 스폿 크기에 대해 독립적으로 조절되고 시간 지연 단계를 통해 정합되어 원하는 튜닝 주파수에 대한 샘플에서 일관된 라만 산란을 생성합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 지질 이미징

도 3: SRS를 사용하여 얻어진 피부 깊이의 예. 이미지의 상단 세트는 다음을 묘사하는 누드 마우스 귀 피부로부터의 것이다: (A) 각질층, (B) 피지선, (C) 지방세포, (D) 피하 지방. 이미지의 하단 세트는 다음을 묘사하는 인간 피부로부터 얻어진다: (E) 각질층, (F) 유두진피, 및 (G) 피지선. 스케일 바 = 100 μm. 마우스 및 인간 피부 이미지 둘 다 1024 픽셀 x 1024 픽셀에서 20x 목표를 사용하여 획득되었다; 인간 SG는 512 x 512 픽셀로 촬영되었다. 약어: SRS = 자극된 라만 산란; SG = 피지선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
4. 국소 제형의 적용
5. 약물 정량화를 위한 실험 설정

그림 4: 누드 마우스 귀 피부에서의 조직 움직임은 피지선을 시각화하여 입증되었습니다. 제한된 조직 이동의 예는 A 및 B에 묘사되어 있는 반면, 실질적인 조직 이동은 C 및 D에 묘사되어 있다. (A)는 제제 적용시의 피지선을 나타내고 (B)는 도포 후 120분에서 동일한 깊이를 나타낸다. (c) 제형 적용시의 마우스 피지선 및 (D) 제형 적용 후 120분; 피지선은 거의 보이지 않으며,이 실험은 전체 실험 기간 동안 피지선으로의 흡수를 측정하지 않았다는 표시입니다. 스케일 바 = 100 μm. 이미지는 1024 픽셀 x 1024 픽셀입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
6. 데이터 분석

그림 5: 강도 대 시간 프로필 (A) 포화에 도달하여 강도의 감소만 보이는 플럭스 프로파일의 예가 보인다. 각 ROI에는 획득 할 수있는 데이터의 이질성을 입증하기 위해 다른 플럭스 프로파일이 있습니다. (B) 영상화가 시작된 후 증가하는 농도의 예. 각 ROI는 동일한 실험의 동일한 조직 내에서 다른 시야 (다른 색상 흔적으로 표시됨)입니다. 글로벌 농도 외에도 지질이 풍부하고 지질이 부족한 지역으로 표시된 API / 제형이 선호하는 지역 환경을 해명하는 능력이 있습니다. A 에 제시된 프로파일은 API가 이미 침투하여 이미징이 시작되면 조직을 떠나기 시작했기 때문에 조직에 약물이 흡수되지 않았 음을 나타냅니다. 그러나, B에서, 조직은 포화에 도달하지 않았고, API의 흡수 후 제거가 여전히 존재한다. 이미지를 지질이 풍부하고 지질이 부족한 것으로 세분화하는 것은 API (또는 비활성)의 국소화 및 피부 (즉, 각질층)로의 투과 경로의 해명에 도움이 될 것입니다. 지질이 풍부한 영역 내에서 더 높은 농도는 API가 조사중인 층의 지질 구조 내에 국소화되어 표적 약물 전달 정보를 돕는다는 것을 나타냅니다. 약어: ROI = 관심 지역; API = 활성 약제학적 성분. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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이미징은 실험 완료 시 조직이 축방향(<10μm) 또는 횡방향으로 유의하게 이동하지 않은 경우 성공적인 것으로 간주됩니다(그림 4). 이는 관심 있는 API에 대한 SRS 측정이 정량화가 계층별 초기 깊이를 나타내지 않는 경우 즉각적인 표시입니다. 이는 관심 있는 각 XY 위치에 대해 z-스택을 이미징하여 완화되며, 트레이드오프는 시간 해상도입니다. 냉동 피부가 이러한 연구에 사용되는 경우, API의 침투 및 투과는 신선한 피부에 비해 빠르며, 제형 적용과 이미징 시작 사이의 최소 시간이 필수적입니다. 또 다른 고려 사항은 실험에 사용 된 목표입니다. 60x 목표를 사용하는 경우 단일 시야각(FOV) 내에서 평평한 표면을 선택하는 것이 비교적 쉽습니다. 그러나, 20x 목표의 경우, 전망 필드가 훨씬 더 크고, 따라서, 조직 준비의 핵심 단계는 유리바닥 이미징 접시와 피부의 균일한 접촉을 보장하는 것이다. FOV 내의 원래 깊이와 비교하여 평평한 FOV와 유사한 깊이는 긍정적...
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국소 BA / BE의 평가는 단일 방법이 생체 내 cPK를 완전히 특성화 할 수 없기 때문에 다각적 인 접근이 필요한 연구 영역입니다. 이 프로토콜은 일관된 라만 이미징을 기반으로 국소 의약품의 BA / BE를 평가하기위한 방법론을 제시합니다. 간과 될 수있는 첫 번째 포인트 중 하나는 특히 정량적 전송 SRS 이미징의 경우 피부 샘플이 얼마나 얇아야하는지입니다. 피부가 너무 두꺼우면(즉, 빛이 쉽게 통과할 수 없는 경우), SRS 검출기에 의해 측정된 신호가 거의 또는 전혀 존재하지 않으며, 따라서 불량한 농도 데이터를 제공할 것이다. 이러한 조직 샘플을 적절하게 준비하려면 실험을 만들거나 중단 할 수 있으므로주의를 기울여야합니다. 누드 마우스 귀의 관점에서, PBS로 헹구고 귀에 남아있는 먼지를 제거하기 위해 건조시키는 것 외에, 거의 준비가 필요하지 않습니다.
마우스 귀는 전형적으로 수백 μm의 두께이며, 이는 SRS 전송에 최적이다. 인간 ...
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CLE는 여러 현미경 제조업체에 허가된 CARS 현미경 특허에 대한 발명가입니다. 다른 모든 저자는 공개 할 이해 상충이 없습니다.
저자들은 에반스 그룹의 Fotis Iliopoulos 박사와 Daniel Greenfield 박사에게이 원고에 대한 토론과 교정에 감사드립니다. 또한 저자는 LEO Pharma의 지원을 인정하고 싶습니다. 그림 2는 BioRender.com 로 작성되었습니다.
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