Inzicht in de snelheid, omvang en drijfveren van de distributie van actieve farmaceutische ingrediënten in zachte biologische weefsels na hun lokale of systemische toepassing is cruciaal om de mechanismen op te helderen die ten grondslag liggen aan weefselspecifieke opname, metabolisme en klaring van geneesmiddelen (d.w.z. een beter begrip van de farmacokinetiek van geneesmiddelen). Hier presenteren we een nieuwe correlatieve beeldvormingsmethode die niet-lineaire optische spectroscopieën en massaspectroscopiebeeldvorming integreert voor labelvrije visualisatie van de weefselstructuur en de distributie van topische geneesmiddelen binnen hetzelfde weefselmonster1.
Ramanspectroscopie (RS) is naar voren gekomen als een waardevol hulpmiddel voor het in kaart brengen van de distributie van geneesmiddelen in cellen en weefsels met een hoge ruimtelijke resolutie en moleculaire specificiteit2. RS vertrouwt op de inelastische verstrooiing van licht3 door een interessant monster dat een gedetailleerde chemische karakterisering mogelijk maakt via de karakteristieke trillingsmodi van moleculen daarin, zonder dat er externe labels nodig zijn. De lange acquisitietijden om beelden met een hoge resolutie te produceren, kunnen echter de integriteit van gevoelige biologische monsters in gevaar brengen. Bovendien kan bij het onderzoeken van diepere weefsellagen verstrooiing en absorptie van licht door het weefsel het Raman-signaal verzwakken, waardoor de gevoeligheid ervan verder wordt beperkt. Gestimuleerde Raman Scattering (SRS)-microscopie is een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van conventionele RS, waarbij gebruik wordt gemaakt van gepulseerde laserexcitatie en detectie van het gestimuleerde Raman-signaal4. SRS-microscopie maakt 2D- en 3D-beeldacquisitie mogelijk met een hoge ruimtelijke resolutie en kan - wanneer uitgevoerd in combinatie met tweede harmonische generatie (SHG) en twee foton-geëxciteerde fluorescentiemicroscopieën (TPEF) - een uitgebreid beeld geven van bindweefsels, collageen en elastine 1,5,6,7,8,9 . SHG-microscopie is een niet-lineaire optische techniek die berust op de interactie van licht met niet-centrosymmetrische structuren in een monster, waarbij een signaal wordt gegenereerd op de helft van de golflengte van het invallende licht. Het is vooral handig voor het afbeelden van geordende structuren zoals collageen in biologische weefsels. TPEF is een andere niet-lineaire microscopietechniek waarbij twee fotonen met een lagere energie tegelijkertijd een fluorofoor exciteren, waardoor deze fluorescentie uitzendt. TPEF maakt diepe weefselbeeldvorming mogelijk met verminderde fotoschade, omdat het excitatielicht zich in het nabij-infraroodbereik bevindt, dat dieper doordringt in biologische monsters.
Massaspectrometriebeeldvorming (MSI) is een krachtige analytische techniek die de mogelijkheden van massaspectrometrie combineert met ruimtelijke informatie, waardoor labelvrije identificatie van een breed scala aan moleculen mogelijk is 10,11,12. Time-of-flight secundaire ionenmassaspectrometrie (ToF-SIMS) werkt door het monsteroppervlak te bombarderen met hoogenergetische primaire ionen, waardoor secundaire ionen van het oppervlak worden uitgestoten. Deze secundaire ionen worden vervolgens versneld naar een time-of-flight-analysator, waar hun massa-tot-ladingsverhoudingen worden bepaald. Deze analyse maakt de identificatie mogelijk van moleculaire fragmenten en isotopenvariaties met een hoge gevoeligheid en resolutie. Waardevolle toepassingen van ToF-SIMS zijn aangetoond in biologisch en farmaceutisch onderzoek voor de studie van chemicaliën en biomoleculen in cellen13, weefsels14,15 en organen15.
Zowel SRS als ToF-SIMS zijn onafhankelijk van elkaar gebruikt om de verdeling van geneesmiddelen in verschillende huidmodellen te bestuderen. Het is echter het meest waardevol om deze technieken in combinatie te gebruiken om te profiteren van hun complementariteit. In deze studie beschrijven we een workflow om de optische microscopieën (SRS, TPEF en SHG) te combineren met ToF-SIMS om beelden te verkrijgen van de huidmorfologie met een submicron ruimtelijke resolutie (geleverd door de optische methoden) over het geneesmiddelsignaal dat wordt gedetecteerd met superieure gevoeligheid (geleverd door de ToF-SIMS). De aanpak is gebruikt om het uitdagende voorbeeld aan te pakken van het visualiseren van de distributie van diclofenac in uitgesneden huidweefsels die zijn behandeld met een commerciële topische formulering (Voltaren-gel). De criteria voor succes waren onder meer een hoge chemische gevoeligheid om diclofenac te detecteren in zijn therapeutische concentratie, en voldoende ruimtelijke resolutie om de huidstructuur op te lossen. Hoewel het diclofenacgehalte in verschillende huidlagen na topische behandeling kan worden gekwantificeerd door middel van moeizame en technisch veeleisende methoden zoals tapestrippen gevolgd door kwantificering16, of via open flow microperfusie17, kunnen deze benaderingen de hulpstofafhankelijke diclofenacverdeling, penetratie, retentie en diepteverdeling in de afzonderlijke huidlagen niet ophelderen, die essentiële factoren zijn die helpen bij de productontwikkelingsfase.
Voorafgaand aan de hieronder beschreven meetmethode werd Voltaren Forte-gel (met 2,32 % diclofenac-diethylammonium) of een overeenkomstige placebo-gel (geleverd door Haleon CH SARL) gedurende verschillende perioden (4, 12, 16 of 24 uur) op het huidoppervlak aangebracht. Na verwijdering van eventuele resterende formulering werden SRS- en ToF-SIMS-metingen op dezelfde huidmonsters uitgevoerd; Volledige details van de methodologie worden beschreven in het originele manuscript1.