Towards the enhancement of transdermal drug delivery through thermocavitation

Abstract Background and objective: Although for some highly lipophillic drugs the principal barrier to permeate the human skin may reside in the essentially viable epidermal membrane, for most molecules, the stratum corneum (SC) is the rate-limiting barrier to drug delivery. Today, several techniques have been developed to enhance transdermal drug delivery (TDD) by increasing the effective permeability of the SC (e.g., iontophoresis, electroporation, micro-needle, ultrasound, radio frequency and laser radiation). The goal of this study is to investigate the extent to which thermocavitation may be used as a novel alternative method to selectively pierce the SC and thus enhance TDD. Thermocavitation for this purpose is generated by a continuous wave (CW), low power laser beam focused on a highly-absorbing solution topically applied on the skin surface. The absorbed light creates a superheated volume in a tightly localized region followed by explosive phase transition and the formation of vapor-gas bubbles, which expand and later collapse very rapidly emitting intense acoustic shockwaves that disrupt the surface underneath. Materials and methods: Thermocavitation bubbles were induced close to the surface of skin models (agar gels) and ex-vivo porcine skin samples using a 975 nm CW laser, focused on a thin (100–300 μm) topical layer of copper nitrate (CuNO4). The damage induced by thermocavitation on the surface of agar tissue phantoms was analyzed by optical microscopy and the penetration depth of a fluorescent drug surrogate (FITC dextran, molecular weight=4 kDa), applied topically to the surface of ex-vivo porcine skin samples following thermocavitation. The corresponding histological structure was analyzed by fluorescent microscopy and hematoxylin and eosin (H&E) staining, respectively. Results: The damage observed on agar gel and porcine skin appears to be congruent with the relationship between laser power, focal point, cavitation frequency and extent of damage observed in previous studies. In particular, the greatest damage induced to the agar phantoms was produced with the lowest laser power (∼153 mW) and thinnest solution layer (∼100 μm) used. Similar laser and solution layer settings led to porcine skin damage of ∼80–100 μm in diameter, which was sufficiently large to break the SC and allow the penetration of 4 kDa, FITC-dextran to depths of ∼40–60 μm. Conclusion: This novel approach to achieve cavitation is attractive and seems promising because it can be generated with inexpensive, low power CW lasers, capable of selectively disrupting the SC and allowing the penetration of large, hydrophilic drugs topically applied to the skin. Zusammenfassung Hintergrund und Zielsetzung: Das Eindringen einiger lipophiler Wirkstoffe in die menschliche Haut wird durch die epidermale Membran begrenzt. Für die meisten Moleküle stellt aber das Stratum corneum (SC) die Barriere für die Wirkstoffverabreichung dar. Es sind verschiedene Techniken zur Wirkstoffverabreichung entwickelt worden, um die effektive Permeabilität des SC zu erhöhen (z.B. durch Iontophorese, Elektroporation, Mikronadeln, Ultraschall, Hochfrequenz, Laserstrahlung). Ziel der vorliegenden Studie war es zu untersuchen, ob das SC mittels Thermokavitation gezielt perforiert werden kann, um so die Durchlässigkeit für die Wirkstoffverabreichung zu verbessern. Thermokavitation kann erreicht werden, indem der Strahl eines kontinuierlich abstrahlenden (continuous wave, cw) Low-Power-Lasers auf die Hautoberfläche fokussiert wird, auf die zuvor eine stark absorbierende Lösung topisch aufgetragen wurde. Das absorbierte Licht erzeugt in einem begrenzten Volumenbereich eine überhitzung gefolgt von einem explosiven Phasenübergang und der Formierung von Dampfgasblasen, die expandieren und schließlich extrem schnell kollabieren. Die dabei erzeugten akustischen Schockwellen zerreißen die Gewebeoberfläche. Material und Methoden: Thermokavitationsblasen wurden dicht an der Oberfläche von Hautphantomen (Agargel) und Ex-Vivo-Hautproben (Schwein) mittels eines 975 nm, cw Lasers erzeugt, indem der Laserstrahl auf dünne Schichten (100–300 μm) von Kupfernitrat (CuNO4) fokussiert wurde. Die dadurch erzeugten oberflächlichen Schädigungen wurden bei den Agarphantomen mittels optischer Mikroskopie evaluiert. Von den Ex-Vivo-Hautproben wurden zusätzlich HE-Schnitte angefertigt und bewertet sowie die Eindringtiefe eines fluoreszierenden Wirkstoffsurrogates (FITC-Dextran, Molekulargewicht=4 kDa) mittels Fluoreszenzmikroskopie bestimmt. Ergebnisse: Die beobachteten Schädigungen an Agargel und Schweinehaut stimmen mit früheren Studien überein und spiegeln den Zusammenhang zwischen Laserleistung, Fokus, Kavitationsfrequenz und Schädigungsausmaß. Die größte Schädigung in Agargel wurde mit der geringsten Laserleistung (∼153 mW) und der dünnsten Schichtdicke (∼100 μm) erzeugt. Mit den gleichen Parametern konnten bei der Schweinehaut Schäden mit einem Durchmesser von ca. 80–100 μm erzeugt werden, was ausreichend war um das SC aufzubrechen, so dass das FITC-Dextran ca. 40–60 μm tief eindringen konnte. Schlussfolgerung: Das vorgestellte Verfahren zur Erzeugung von Thermokavitation erscheint vielversprechend, zumal preiswerte cw Low-Power-Laser eingesetzt werden können. Es ist geeignet, um das SC selektiv zu perforieren, so dass große, hydrophile Wirkstoffe, die zuvor topisch auf die Haut aufgetragen wurden, eindringen können.