$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Zrozumienie szybkości, zakresu i czynników wpływających na dystrybucję aktywnych składników farmaceutycznych w miękkich tkankach biologicznych po ich miejscowym lub systemowym zastosowaniu jest kluczowe dla wyjaśnienia mechanizmów leżących u podstaw tkankowo specyficznego dla danej metody wchłaniania, metabolizmu i klirensu (tj. głębszego zrozumienia farmakokinetyki leków). W tym miejscu prezentujemy nowatorską metodę obrazowania korelacyjnego integrującą nieliniową spektroskopię optyczną i obrazowanie spektroskopią mas w celu bezznacznikowej wizualizacji struktury tkanki i dystrybucji leków miejscowych w tej samej próbce tkanki1.
Spektroskopia Ramana (RS) stała się cennym narzędziem do mapowania dystrybucji leków w komórkach i tkankach o wysokiej rozdzielczości przestrzennej i specyficzności molekularnej2. RS opiera się na nieelastycznym rozpraszaniu światła3 przez badaną próbkę, co pozwala na szczegółową charakterystykę chemiczną za pomocą charakterystycznych trybów drgań zawartych w niej cząsteczek, bez potrzeby stosowania zewnętrznych znaczników. Jednak długi czas akwizycji w celu uzyskania obrazów o wysokiej rozdzielczości może potencjalnie zagrozić integralności wrażliwych próbek biologicznych. Dodatkowo, podczas sondowania głębszych warstw tkanki, rozpraszanie i absorpcja światła przez tkankę może tłumić sygnał Ramana, dodatkowo ograniczając jego czułość. Mikroskopia wymuszonego rozpraszania Ramana (SRS) stanowi znaczący postęp w stosunku do konwencjonalnego RS, wykorzystując impulsowe wzbudzenie laserowe i wykrywanie wymuszonego sygnału Ramana4. Mikroskopia SRS umożliwia szybką akwizycję obrazów 2D i 3D o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, a w połączeniu z generacją drugiej harmonicznej (SHG) i dwiema mikroskopiami fluorescencji wzbudzonej fotonami (TPEF) może dostarczyć kompleksowy obraz tkanek łącznych, kolagenu i elastyny1,5,6,7,8,9. Mikroskopia SHG to nieliniowa technika optyczna, która opiera się na interakcji światła z niecentrycznymi strukturami w próbce, generując sygnał o połowie długości fali padającego światła. Jest to szczególnie przydatne do obrazowania uporządkowanych struktur, takich jak kolagen w tkankach biologicznych. TPEF to kolejna technika mikroskopii nieliniowej, w której dwa fotony o niższej energii jednocześnie wzbudzają fluorofor, powodując jego emisję fluorescencji. TPEF umożliwia głębokie obrazowanie tkanek ze zmniejszonymi fotouszkodzeniami, ponieważ światło wzbudzające znajduje się w zakresie bliskiej podczerwieni, która wnika głębiej w próbki biologiczne.
Obrazowanie metodą spektrometrii mas (MSI) to potężna technika analityczna, która łączy możliwości spektrometrii mas z informacją przestrzenną, umożliwiając bezznacznikową identyfikację szerokiego zakresu molekuł10,11,12. Spektrometria mas jonów wtórnych czasu przelotu (ToF-SIMS) działa poprzez bombardowanie powierzchni próbki wysokoenergetycznymi jonami pierwotnymi, powodując wyrzucanie jonów wtórnych z powierzchni. Te jony wtórne są następnie przyspieszane w kierunku analizatora czasu przelotu, gdzie określa się ich stosunek masy do ładunku. Analiza ta pozwala na identyfikację fragmentów molekularnych i zmian izotopowych z wysoką czułością i rozdzielczością. Cenne zastosowania ToF-SIMS zostały wykazane w badaniach biologicznych i farmaceutycznych do badania substancji chemicznych i biomolekuł w komórkach13, tissues14,15, oraz organs15.
Zarówno SRS, jak i ToF-SIMS były używane niezależnie do badania dystrybucji leków w różnych modelach skóry. Jednak najbardziej wartościowe jest stosowanie tych technik w połączeniu, aby czerpać korzyści z ich komplementarności. W tym badaniu opisujemy przebieg pracy polegający na połączeniu mikroskopii optycznej (SRS, TPEF i SHG) z ToF-SIMS w celu uzyskania obrazów morfologii skóry z submikronową rozdzielczością przestrzenną (zapewnianą przez metody optyczne) z nałożonym sygnałem leku wykrytym z większą czułością (zapewnianym przez ToF-SIMS). Podejście to wykorzystano do rozwiązania trudnego przykładu, jakim jest wizualizacja dystrybucji diklofenaku w wyciętych tkankach skóry poddanych działaniu komercyjnego preparatu do stosowania miejscowego (żel Voltaren). Kryteriami sukcesu były: wysoka czułość chemiczna w wykrywaniu diklofenaku w jego stężeniu terapeutycznym oraz rozdzielczość przestrzenna wystarczająca do rozróżnienia struktury skóry. Chociaż zawartość diklofenaku w różnych warstwach skóry można określić ilościowo po leczeniu miejscowym za pomocą pracochłonnych i wymagających technicznie metod, takich jak usuwanie taśmy, a następnie oznaczanie ilościowe16, lub za pomocą mikroperfuzji o otwartym przepływie17, podejścia te nie są w stanie wyjaśnić zależnego od substancji pomocniczej podziału, penetracji, zatrzymywania i dystrybucji głębokości diklofenaku w poszczególnych warstwach skóry, które są podstawowymi czynnikami wspomagającymi rozwój produktu faza.
Przed metodologią pomiaru opisaną poniżej, żel Voltaren Forte (zawierający 2,32 % diklofenaku dietyloamonowego) lub odpowiadający mu żel placebo (dostarczony przez Haleon CH SARL) był nakładany na powierzchnię skóry na różne okresy (4, 12, 16 lub 24 godziny). Po usunięciu wszelkich pozostałości preparatu przeprowadzono pomiary SRS i ToF-SIMS na tych samych próbkach skóry; Szczegółowe informacje na temat metodologii znajdują się w oryginalnym manuskrypcie1.