專利名稱：用于輸藥及檢測(cè)的人體皮膚微穿孔方法
與有關(guān)申請(qǐng)的相互參照本申請(qǐng)是1995年8月29日提交的申請(qǐng)No.08/520,547的部分繼續(xù)申請(qǐng)，后者又是1993年11月15日提交的No.08/152,442申請(qǐng)(現(xiàn)美國(guó)專利5,458,140)和1993年12月8日提交的No.08/152,174(現(xiàn)美國(guó)專利No.5,445,611)的部分繼續(xù)申請(qǐng)；本申請(qǐng)還要求保護(hù)1995年10月30日提交的臨時(shí)申請(qǐng)No.60/008,043的利益。
背景技術(shù)：
本發(fā)明總的涉及監(jiān)測(cè)體內(nèi)被分析物和經(jīng)皮輸送藥物至體內(nèi)的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及通過角質(zhì)層微穿孔以增加皮膚滲透性的損傷性極小至非損傷性的方法，該方法可與聲能、化學(xué)滲透促進(jìn)劑、加壓等結(jié)合使用，以選擇性地促進(jìn)被分析物從機(jī)體向外流出而檢測(cè)之，或促進(jìn)藥物輸送到體內(nèi)。
角質(zhì)層主要擔(dān)負(fù)公知的皮膚屏障作用。因此，它對(duì)藥物和其它分子經(jīng)皮流入體內(nèi)和被分析物經(jīng)皮流出體外提供了最大的屏障。角質(zhì)層(皮膚外面的角狀層)是由脂質(zhì)功能區(qū)分開的緊密的角化細(xì)胞殘余物的復(fù)合結(jié)構(gòu)。與口腔和胃粘膜相比，角質(zhì)層更難使外源性或內(nèi)源性分子滲透入體內(nèi)。角質(zhì)層由角化細(xì)胞形成，角化細(xì)胞構(gòu)成表皮細(xì)胞的大部分，它們失去其核，成為角質(zhì)細(xì)胞。這些死的細(xì)胞構(gòu)成了角質(zhì)層，其厚度僅為約10-30μm，如上所述，是阻力很大的防水膜，它防止機(jī)體受外來物質(zhì)的侵襲及液體和溶解的分子的向外遷移。通過脫皮時(shí)角質(zhì)細(xì)胞的脫落和通過角化過程形成新的角質(zhì)細(xì)胞而使角質(zhì)層不斷地更新。
通過改變阻力(擴(kuò)散系數(shù))或驅(qū)動(dòng)力(擴(kuò)散梯度)，可增加藥物或被分析物的經(jīng)皮流動(dòng)。用所謂滲透或化學(xué)促進(jìn)劑可促進(jìn)流動(dòng)?；瘜W(xué)促進(jìn)劑在本領(lǐng)域是公知的，下面將作更詳細(xì)的描述。
增加皮膚對(duì)藥物的滲透性的另一種方法是電泳。電泳涉及施加外部電場(chǎng)和離子型藥物的局部輸送或以伴有離子轉(zhuǎn)移的水流載運(yùn)的非離子型藥物的局部輸送(電滲透)。雖然用電泳促進(jìn)滲透是有效的，藥物控釋和不可逆皮膚損傷是伴隨該技術(shù)而出現(xiàn)的問題。
聲能也已被用于促進(jìn)皮膚和合成膜對(duì)藥物和其它分子的滲透。超聲定義為頻率超過20kHz的機(jī)械壓力波，H.Lutz et al.，Manual of Ultrasound 3-12(1984)。聲能是將交流電通過壓電晶體或其它電氣機(jī)械元件使其振動(dòng)而產(chǎn)生的，R.Brucks et al.，6 Pharm.Res.697(1089)。使用聲能增加皮膚對(duì)藥物分子的滲透已被稱為聲泳(sonoporesis或phonophoresis)。
盡管人們知道促進(jìn)皮膚的滲透理論上應(yīng)能使分子從體內(nèi)通過皮膚轉(zhuǎn)移到體外進(jìn)行收集或檢測(cè)，但尚無可行的方法揭示。授予Stanley等的美國(guó)專利No.5,139,023揭示了一種用于非損傷性血糖檢測(cè)的儀器和方法。該發(fā)明中使用化學(xué)滲透促進(jìn)劑以增加粘膜組織或皮膚對(duì)葡萄糖的滲透。然后，葡萄糖被動(dòng)地經(jīng)粘膜組織或皮膚擴(kuò)散，被接收介質(zhì)捕獲。接收介質(zhì)中的葡萄糖量被測(cè)定并相應(yīng)地確定血糖水平。然而，如Stanley等所述，該方法用于粘膜組織(如頰組織)時(shí)更有效，使在約10-20分鐘延遲期后可在接收介質(zhì)中收集到可檢測(cè)數(shù)量的葡萄糖。但是，Stanley等所教導(dǎo)的方法導(dǎo)致極長(zhǎng)的延遲期，根據(jù)所用的促進(jìn)劑化合物，為2-24小時(shí)，然后才能在體外檢測(cè)到可檢測(cè)數(shù)量的經(jīng)人的皮膚(熱分離表皮)擴(kuò)散的葡萄糖。這樣長(zhǎng)的延遲期可能歸因于化學(xué)滲透促進(jìn)劑經(jīng)皮被動(dòng)擴(kuò)散和提高角質(zhì)層屏障滲透能力所需的時(shí)間長(zhǎng)度，以及葡萄糖經(jīng)皮被動(dòng)擴(kuò)散出來的時(shí)間長(zhǎng)度。因此，Stanley等顯然沒有揭示非損傷性地經(jīng)皮轉(zhuǎn)運(yùn)血糖和其它分析物的方法，這方法可快速檢測(cè)這些血液電解質(zhì)，如對(duì)于糖尿病患者的血糖監(jiān)測(cè)和對(duì)于很多其它機(jī)體被分析物所需的那樣。
使用聲能輸藥是已知的，但結(jié)果大多是令人失望的，因?yàn)闈B透性提高很少。對(duì)于聲能增加藥物經(jīng)皮流動(dòng)的效用尚未有一致意見。有些研究報(bào)告了聲泳的成功，J.Davick et al.，68 Phys.Ther.1672(1988)；J.Griffin et al.，47 Phys.Ther.594(1967)；J.Griffin&J.Touchstone，42 Am.J.Phys.Med.77(1963)；J.Griffin et al.，44 Am.J.Phys.Med.20(1 965)；D.Levy et al.，83 J.Clin.Invest.2074；D.Bommannan et al.，9 Pharm.Res.559(1992)，其它研究得到了否定的結(jié)果，H.Benson et al.，69 Phys.Ther.113(1988)；J.McElnay et al.，20 Br.J.Clin.Pharmacol.4221(1985)；H.Pratzel et al.，13 J.Rheumatol.1122(1986)。采用嚙齒動(dòng)物皮膚的系統(tǒng)顯示最有前途的結(jié)果，而采用人皮膚的系統(tǒng)一般顯示令人失望的結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知，嚙齒動(dòng)物皮膚比人皮膚滲透性大得多，因此上述結(jié)果并未教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何有效地利用聲泳，如施用于經(jīng)人的皮膚輸送和/或檢測(cè)。
1993年11月15日提交的待批申請(qǐng)No.08/152,442(現(xiàn)美國(guó)專利No.5,458,140)和1993年12月8日提交的待批申請(qǐng)No.08/152,174(現(xiàn)美國(guó)專利No.5,445,611)揭示和要求保護(hù)在檢測(cè)被分析物和對(duì)機(jī)體輸藥上利用聲能的顯著改善，它們均在此引為參考。在這些發(fā)明中，被分析物的經(jīng)皮取樣或藥物的經(jīng)皮輸送通過使用聲能與化學(xué)滲透促進(jìn)劑結(jié)合而完成，所用聲能的強(qiáng)度、相位或頻率或這些參數(shù)的組合是被調(diào)制的。還揭示了經(jīng)針刺、水流噴射、激光、電穿孔或其它方法引起的穿孔，利用可有頻率、強(qiáng)度和/或相位調(diào)制的聲能可控制地將分子推入和/或泵入角質(zhì)層。
促進(jìn)藥物輸送的角質(zhì)層上微孔(即微穿孔)的形成是各種研究的目的，導(dǎo)致這些技術(shù)的專利的頒發(fā)。
Jacques et al.，88 J.Invest.Dermatol.88-93(1987)教導(dǎo)一種給藥方法，系采用波長(zhǎng)、脈沖長(zhǎng)度、脈沖能量、脈沖數(shù)和脈沖重復(fù)率足以燒蝕角質(zhì)層而不明顯損傷其下面的表皮的脈沖激光，燒蝕皮膚區(qū)域的角質(zhì)層，然后施用藥物于燒蝕區(qū)。這一工作導(dǎo)致美國(guó)專利No.4,775,361授予Jacques等。通過采用紫外激光輻照燒蝕皮膚更早些由Lane等報(bào)告，Arch.Dermatol.609-617(1985)。Jacques等局限于使用很少幾種波長(zhǎng)的光和昂貴的激光器。
Tankovich的美國(guó)專利No.5,165,418(下文稱作＂Tankovich′418″)揭示一種獲得血樣的方法，系用一個(gè)或幾個(gè)激光脈沖輻照人或動(dòng)物皮膚，所述激光脈沖的能量足以引起皮膚組織汽化以在皮膚上產(chǎn)生一個(gè)延伸通過表皮的洞及切割至少一條血管，使一定量的血經(jīng)洞排出，以便可將其收集。因此，Tankovich′418不適合于非損傷性或損傷性極小地使角質(zhì)層具有滲透性從而使藥物可輸送到體內(nèi)或使體內(nèi)的被分析物可被分析。
Tankovich等的美國(guó)專利No.5,423,803(下文稱作＂Tankovich′803″)揭示用于化妝品施用的人皮膚的淺層表皮細(xì)胞的激光去除法。該方法包括施用吸光性“污染物”于表皮外層，迫使此污染物中的一些進(jìn)入角質(zhì)層的細(xì)胞間隙，用足夠強(qiáng)度的激光脈沖照射浸潤(rùn)的皮膚，則污染物吸收的能量使污染物以足夠的能量爆炸，以撕開一些表皮細(xì)胞。Tankovich′803進(jìn)一步教導(dǎo)，污染物在激光束的波長(zhǎng)下應(yīng)有高的能量吸收，這樣，激光束必須是持續(xù)時(shí)間少于1μs的脈沖光束，污染物必須被壓入表皮上層，污染物必須在吸收激光能量后以足夠的能量爆炸，以撕開表皮細(xì)胞。該發(fā)明也未能揭示或提示輸送藥物或收集被分析物的方法。
Raven等(WO92/00106)描述了從機(jī)體選擇性除去有病組織的方法，即對(duì)所選擇的組織給予一種化合物，該化合物高度吸收波長(zhǎng)750-860nm的紅外輻射，用相應(yīng)的紅外輻射照射該區(qū)域，其功率足以引起施用化合物的組織的熱汽化但不足以引起未施用化合物的組織的熱汽化。吸光性化合物應(yīng)溶于水或血清，如靛藍(lán)花青素、葉綠素、卟啉類、含血紅素的化合物，或含多烯結(jié)構(gòu)的化合物，功率水平在50-1000W/cm2的范圍內(nèi)或更高。
Konig等(DD259351)教導(dǎo)一種腫瘤組織的熱處理方法，包括將吸收紅光和/或近紅外光譜區(qū)的輻射的介質(zhì)沉積在腫瘤組織上，用適當(dāng)波長(zhǎng)的激光輻照受浸潤(rùn)的組織。吸收介質(zhì)可包括亞甲藍(lán)、還原卟啉或其凝聚物及酞菁藍(lán)。該專利列舉了在600-700nm處有強(qiáng)吸收的亞甲藍(lán)及在647和676nm處發(fā)射的氪激光器。功率水平應(yīng)為至少200mW/cm2。
現(xiàn)已證明，用對(duì)皮膚的同一地方反復(fù)貼上和除去透明膠帶的方法從皮膚的小面積上撕去角質(zhì)層，即可容易地收集任意量的組織間液，這些組織間液可用來檢測(cè)很多感興趣的被分析物。同樣，“用膠帶撕剝過的”皮膚也被證明是易滲透的，可將化合物經(jīng)皮輸入體內(nèi)。不幸的是，“膠帶撕剝”留下一個(gè)開放的傷口，它需數(shù)周才能愈合，因此原因及其它原因，而不作為在廣泛的應(yīng)用中促進(jìn)經(jīng)皮轉(zhuǎn)運(yùn)的可接受的實(shí)踐方法。
如上面所討論的，現(xiàn)已證明，脈沖激光器(如運(yùn)行于193nm的準(zhǔn)分子激光器、運(yùn)行于近2.9μm的鉺激光器或運(yùn)行于10.2μm的CO2激光器)可用于在人角質(zhì)層上燒蝕出小孔。這些激光燒蝕技術(shù)為選擇性和潛在非損傷性地通過角質(zhì)層打開輸送和/或取樣孔的方法提供了可能性。然而，由于伴隨這些光源的令人望而卻步的費(fèi)用，目前尚無基于此概念的商業(yè)產(chǎn)品。本發(fā)明通過用非常嚴(yán)格限定的空間和時(shí)間分辨率直接將熱能導(dǎo)入角質(zhì)層的方法，可采用低價(jià)能源產(chǎn)生所需要的角質(zhì)層微燒蝕。
鑒于上述問題和/或缺陷，發(fā)明一種安全地提高皮膚滲透性的方法，以便在更快的時(shí)間框架內(nèi)，損傷極小地或非損傷地檢測(cè)機(jī)體被分析物，將是本領(lǐng)域中顯著的進(jìn)步。本領(lǐng)域中的另一個(gè)顯著的進(jìn)步將是提供損傷極小或非損傷地提高藥物進(jìn)入個(gè)體選擇區(qū)域的經(jīng)皮流速的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的是用穿孔方法使角質(zhì)層的屏障性質(zhì)盡量減小，以便經(jīng)角質(zhì)層上的孔有控制地收集來自體內(nèi)的被分析物，使這些被分析物能被檢測(cè)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供與聲能、滲透促進(jìn)劑、壓力梯度等相結(jié)合的經(jīng)角質(zhì)層上的微孔檢測(cè)所選擇的體內(nèi)被分析物的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供經(jīng)角質(zhì)層上的微孔控制藥物或其它分子經(jīng)皮流入體內(nèi)(如果需要，流入血流)的流速。
本發(fā)明的還有一個(gè)目的是提供與聲能、滲透促進(jìn)劑、壓力梯度等相結(jié)合的經(jīng)角質(zhì)層上的微孔將藥物輸送到體內(nèi)的方法。
這些和其它目的可通過提供檢測(cè)個(gè)體中被分析物濃度的方法來完成，該方法包括借助以下步驟的提高個(gè)體表面所選區(qū)域的角質(zhì)層對(duì)被分析物的滲透性的步驟(a)將所選區(qū)域的角質(zhì)層穿孔，通過在角質(zhì)層上形成微孔而不引起對(duì)其下面組織的嚴(yán)重?fù)p傷，從而降低角質(zhì)層對(duì)被分析物撤出的屏障性質(zhì)；(b)收集選定量的被分析物；和(c)將收集的被分析物定量。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，本方法進(jìn)一步包括以約5KHz至100MHz范圍內(nèi)的頻率的聲能施加于穿孔過的所選區(qū)域，其中聲能是以選自調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相及其組合的一種方式被調(diào)制的。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，本方法進(jìn)一步包括將個(gè)體所選區(qū)域與化學(xué)促進(jìn)劑接觸，應(yīng)用聲能進(jìn)一步促進(jìn)被分析物的撤出。
角質(zhì)層的穿孔借助選自下列的一種方法加以完成(a)將跨度不大于1000μm面積的所選區(qū)域與一熱源接觸來燒蝕角質(zhì)層，使所選區(qū)域組織結(jié)合水和其它可汽化物質(zhì)的溫度升高到水和其它可汽化物質(zhì)的汽化點(diǎn)之上，從而除去所選區(qū)域的角質(zhì)層；(b)用一經(jīng)校準(zhǔn)的微型刀穿刺角質(zhì)層，以形成直徑≤約1000的微孔；(c)將緊密聚焦的聲能束聚焦到角質(zhì)層上對(duì)角質(zhì)層進(jìn)行燒蝕；(d)用高壓液流將角質(zhì)層進(jìn)行液壓穿刺以形成直徑≤約1000的微孔，和(e)用短促電脈沖穿刺角質(zhì)層以形成直徑≤約1000的微孔。
一個(gè)熱燒蝕角質(zhì)層的優(yōu)選實(shí)施方案包括至少用對(duì)脈沖光源發(fā)射范圍顯示強(qiáng)吸收的有效量的染料處理所選區(qū)域，及將從脈沖光源輸出的一系列脈沖聚焦于染料上，使染料加熱到足以傳導(dǎo)熱量到角質(zhì)層，將所選區(qū)域組織結(jié)合水和其它可汽化物質(zhì)的溫度升高到水和其它可汽化物質(zhì)的汽化點(diǎn)之上。較佳的是，脈沖光源以不被皮膚明顯吸收的波長(zhǎng)進(jìn)行發(fā)射。例如，脈沖光源可以是在約630-1550nm范圍內(nèi)發(fā)射的激光二極管、在約700-3000nm范圍內(nèi)發(fā)射的用激光二極管泵激的光學(xué)參量振蕩器或選自弧光燈、白熾燈和發(fā)光二極管的一種光源。也可設(shè)置傳感系統(tǒng)，用以確定角質(zhì)層的屏障性質(zhì)何時(shí)被排除。一個(gè)較佳的傳感系統(tǒng)包括接收從所選區(qū)域反射來的光和將反射光聚焦于光電二極管的集光裝置，接收聚焦的光和輸送信號(hào)到控制器的光電二極管，其中信號(hào)表示反射光的性質(zhì)，以及偶聯(lián)于光電二極管和脈沖光源以接收信號(hào)和當(dāng)預(yù)選的信號(hào)接收到后切斷光源的控制器。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，本方法進(jìn)一步包括用冷卻裝置將角質(zhì)層所選區(qū)域和鄰近皮膚組織冷卻，使所述所選區(qū)域和鄰近皮膚組織在穿刺前處于預(yù)冷的穩(wěn)定狀態(tài)條件下。
在再一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，本方法包括燒蝕角質(zhì)層，使組織間液從微孔流出，收集組織間液并分析所收集的組織間液中的被分析物。收集組織間液后，可施加來自激光二極管或其它光源的有效量的能量以封閉微孔，使保留在微孔中的組織間液凝聚。較佳的是施加真空于穿孔的所選區(qū)域以促進(jìn)組織間液的收集。
在還有一個(gè)實(shí)施方案中，本方法包括在角質(zhì)層穿孔前至少用來自脈沖光源的未聚焦的光照射所選區(qū)域，使用光照射的所選區(qū)域滅菌。
角質(zhì)層穿孔的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案包括將所選區(qū)域與金屬絲接觸，使所選區(qū)域的溫度在約10-50ms內(nèi)從周圍皮膚溫度升高到大于100℃，然后在約30-50ms內(nèi)使所選區(qū)域的溫度回到約為周圍皮膚的溫度，其中這一升高溫度和回到約周圍皮膚溫度的循環(huán)重復(fù)多次，使足以降低角質(zhì)層的屏障性質(zhì)。較佳的是，通過將金屬絲撤回不與角質(zhì)層接觸而進(jìn)行回到約為周圍皮膚溫度的步驟。最好還提供監(jiān)測(cè)金屬絲和個(gè)體之間通過角質(zhì)層所選區(qū)域和鄰近皮膚組織的電阻抗的裝置和推進(jìn)金屬絲位置的裝置，使得當(dāng)發(fā)生燒蝕，電阻隨之而降低時(shí)，推進(jìn)裝置含推進(jìn)金屬絲，使金屬絲加熱時(shí)與角質(zhì)層接觸。另外，較佳的是提供使金屬絲從與角質(zhì)層接觸的位置撤回的裝置，其中監(jiān)測(cè)裝置能測(cè)出與角質(zhì)層下表皮層接觸所伴隨的阻抗變化并傳送信號(hào)到撤出裝置以將金屬絲從與角質(zhì)層接觸的位置撤回。金屬絲可用歐姆加熱元件進(jìn)行加熱，可有具有高阻抗點(diǎn)的電流回路，其中用通過所述電流回路進(jìn)行加熱的受調(diào)制的電流來調(diào)制高阻抗點(diǎn)的溫度，或可將金屬絲置于可調(diào)制的勵(lì)磁線圈(excitation coil)的交流磁場(chǎng)中，在厴磁線圈通以交流電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生足以通過內(nèi)部歐姆損耗加熱金屬線的渦流。
提高活性滲透物經(jīng)皮流入個(gè)體所選區(qū)域的速率的方法包括借助以下步驟提高個(gè)體表面所選區(qū)域的角質(zhì)層對(duì)活性滲透物的滲透性的步驟(a)將所選區(qū)域的角質(zhì)層穿孔，通過在角質(zhì)層上形成微孔而不引起對(duì)其下面組織的嚴(yán)重?fù)p傷，從而降低角質(zhì)層對(duì)活性滲透物流動(dòng)的屏障性質(zhì)；和(b)將經(jīng)穿孔的所選區(qū)域與包含有效量滲透物的組合物接觸，而促進(jìn)滲透物流入機(jī)體。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，本方法進(jìn)一步包括以一定的強(qiáng)度和頻率在一定時(shí)間內(nèi)施加聲能于已穿孔的所選區(qū)域，該強(qiáng)度和頻率能有效地建立液體流效應(yīng)從而提高滲透物經(jīng)皮流入機(jī)體的速率。
還提供一個(gè)方法用于施加刺花(tatoo)到個(gè)體表面皮膚的所選區(qū)域上，包括以下步驟(a)將所選區(qū)域的角質(zhì)層穿孔，通過在角質(zhì)層上形成微孔而不引起對(duì)其下面組織的嚴(yán)重?fù)p傷，從而降低角質(zhì)層對(duì)活性滲透物流動(dòng)的屏障性質(zhì)；和(b)將經(jīng)穿孔的所選區(qū)域與作為滲透物的包含有效量刺花墨水的組合物接觸，而促進(jìn)所述墨水流入機(jī)體。
還進(jìn)一步提供一個(gè)方法用于減少在皮膚選定區(qū)域內(nèi)被分析物從個(gè)體的血液擴(kuò)散到所述個(gè)體的組織間液的時(shí)間延遲，該方法包括應(yīng)用冷卻裝置于皮膚的所述選定區(qū)域。
還進(jìn)一步提供一個(gè)方法用于減少組織間液的汽化及其蒸氣壓，其中所述組織間液是從個(gè)體皮膚的角質(zhì)層的所選區(qū)域內(nèi)的微孔收集而來，該方法包括應(yīng)用冷卻裝置于皮膚的所述選定區(qū)域。
附圖的幾種視圖的簡(jiǎn)單描述

圖1是輸送激光二極管的光和監(jiān)測(cè)穿孔進(jìn)程的示意圖。
圖2是監(jiān)測(cè)穿孔的閉環(huán)反饋系統(tǒng)的示意圖。
圖3A是包括冷卻裝置的光學(xué)穿孔系統(tǒng)。
圖3B是闡明圖3A的冷卻裝置的頂視圖。
圖4是具有機(jī)械致動(dòng)器的歐姆加熱裝置的示意圖。
圖5是高電阻電流回路加熱裝置的示意圖。
圖6是用感應(yīng)加熱調(diào)節(jié)加熱的裝置的示意圖。
圖7是用阻抗的變化測(cè)定穿孔程度的閉環(huán)阻抗檢測(cè)器的示意圖。
圖8A-D表示用酞菁銅處理、然后分別以能量密度4000J/cm2的的0、1、5和50個(gè)810nm光脈沖照射過的人皮膚的截面。
圖9-11是在用光學(xué)穿孔模擬熱穿孔過程中的溫度分布示意圖。
圖12和13是在用光學(xué)穿孔模擬熱穿孔過程中，分別在角質(zhì)層和有生命的表皮中作為時(shí)間函數(shù)的溫度的示意圖。
圖14-16分別圖示在用光學(xué)穿孔模擬熱穿孔過程中(其中組織在穿孔前被冷卻)的溫度分布、在角質(zhì)層中的溫度作為時(shí)間的函數(shù)、和在有生命的表皮中的溫度作為時(shí)間的函數(shù)。
圖17-19分別圖示在模擬熱穿孔過程中(其中組織以熱金屬線加熱)的溫度分布、在角質(zhì)層中的溫度作為時(shí)間的函數(shù)和在有生命的表皮中的溫度作為時(shí)間的函數(shù)。
圖20-22分別圖示在模擬熱穿孔過程中(其中組織以熱金屬線加熱且組織在穿孔前被冷卻)的溫度分布、在角質(zhì)層中的溫度作為時(shí)間的函數(shù)、和在有生命的表皮中的溫度作為時(shí)間的函數(shù)。
圖23和24分別圖示在模擬熱穿孔過程中(其中按Tankovich′803的操作參數(shù)將組織進(jìn)行光學(xué)加熱)的溫度分布和在角質(zhì)層中的溫度作為時(shí)間的函數(shù)。
圖25是組織間液(ISF；o)和血液(*)葡萄糖水平作為時(shí)間的函數(shù)的圖示。
圖26是圖25的ISF葡萄糖和血液葡萄糖數(shù)據(jù)之間的差項(xiàng)的分布點(diǎn)圖示。
圖27表示圖25中所得ISF對(duì)血液葡萄糖水平的相對(duì)偏差的直方圖。
圖28表示輸送藥物到個(gè)體皮膚上所選區(qū)域的示意輸送裝置的截面。
圖29A-C是輸送利多卡因到角質(zhì)層穿孔(圖29A-B)或未穿孔(圖29C)的所選區(qū)域的受影響的皮膚區(qū)域的圖示。
圖30表示從單用抽吸(o)與抽吸和超聲結(jié)合使用(*)時(shí)從微孔收集到的組織間液量的比較曲線。
圖31、32和33分別表示收獲組織間液用的超聲振子/真空裝置、該裝置的截面圖和該裝置的截面示意圖。
圖34A-B分別表示手持的超聲振子的頂視圖及其刮刀端的側(cè)視圖。
詳細(xì)描述在揭示和描述用于使角質(zhì)層易于滲透以促進(jìn)經(jīng)皮藥物輸送和被分析物取樣的本方法前，要理解的是本發(fā)明并不限于本說明書所揭示的特定的結(jié)構(gòu)、處理步驟和材料，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)、處理步驟和材料可以有些改變。要理解的還有，本說明書所用的術(shù)語僅僅是用于描述特定實(shí)施方案的目的，而不是為了進(jìn)行限制，因?yàn)楸景l(fā)明的范圍將僅受所附權(quán)利要求及其等同物的限制。
在本說明書和所附權(quán)利要求中，必須注意，單數(shù)形式＂a＂、＂an＂和＂the＂包括復(fù)數(shù)對(duì)象，除非上下文明確地另有所指。因此，例如提到輸送“藥物”的方法，包括輸送兩種或兩種以上藥物的混合物，提到“被分析物”包括一種或幾種這樣的被分析物，提到“滲透促進(jìn)劑”包括兩種或兩種以上滲透促進(jìn)劑的混合物。
在本發(fā)明的描述和權(quán)利要求中，將用符合下述定義的如下術(shù)語。
本文所用的“穿孔”、“微穿孔”或任何這種類似的術(shù)語表示在個(gè)體皮膚所選區(qū)域角質(zhì)層上形成小洞或小孔以削弱在使分析物從皮膚表面下通過以供分析或使活性滲透物或藥物進(jìn)入機(jī)體以供治療時(shí)該層對(duì)它們的屏障性質(zhì)。較佳的為，洞或孔直徑不大于約1mm，更佳為直徑不大于約100μm，且延伸進(jìn)角質(zhì)層，足以破壞該層的屏障性質(zhì)而對(duì)其下面的組織無不良影響。
本文所用的“燒蝕”表示當(dāng)細(xì)胞可汽化組分被加熱到發(fā)生汽化的溫度時(shí)由釋放的動(dòng)能引起的受控制的細(xì)胞的去除，由于這種相變所產(chǎn)生的快速體積膨脹引起細(xì)胞及可能引起某些鄰近細(xì)胞從燒蝕部位被“吹走”。
本文所用的“穿刺”或“微穿刺”表示使用機(jī)械、水壓或電氣裝置對(duì)角質(zhì)層穿孔。
在“燒蝕”或“穿刺”完成同樣的穿孔目的(即在角質(zhì)層上形成洞或孔而不明顯損傷下面的組織)的范圍內(nèi)，這些術(shù)語可互換使用。
本文所用的“穿透(penetration)促進(jìn)”或“滲透(permeation)促進(jìn)”表示皮膚對(duì)藥物、被分析物、染料、著色劑或其它化學(xué)分子(也稱作滲透物)的滲透性增加，從而增加藥物、被分析物或化學(xué)分子滲透角質(zhì)層的速率，以促進(jìn)角質(zhì)層的穿孔、被分析物通過角質(zhì)層撤出或藥物經(jīng)角質(zhì)層輸送和進(jìn)入下面的組織。通過使用這樣的促進(jìn)劑產(chǎn)生的促進(jìn)滲透作用可以觀察到，如用擴(kuò)散儀器觀察作為滲透物的染料通過動(dòng)物或人皮膚的擴(kuò)散。
本文所用的“化學(xué)促進(jìn)劑”、“穿透促進(jìn)劑”、“滲透促進(jìn)劑”等包括可增加滲透物、被分析物或其它分子經(jīng)皮膚流動(dòng)的所有促進(jìn)劑，僅僅用功能加以限定。換言之，包括所有使細(xì)胞膜紊亂的化合物和溶劑及其它化學(xué)促進(jìn)劑。
本文所用的“染料”、“著色劑”等可互換地使用，指在用來燒蝕角質(zhì)層組織以形成微孔的脈沖光源的發(fā)射范圍內(nèi)顯示強(qiáng)吸收的生物學(xué)上合適的色原。
本文所用的“經(jīng)皮”或“經(jīng)皮的”表示滲透物透入皮膚和通過皮膚，達(dá)到藥物有效治療血濃度或深部組織水平，或機(jī)體中存在的分子(“被分析物”)通過皮膚出來，以便可在體外收集被分析物分子。
本文所用的術(shù)語“滲透物”、“藥物”或“藥理活性劑”或任何其它相似的術(shù)語表示適合于用本領(lǐng)域以前所知道的方法和/或本發(fā)明所教導(dǎo)的方法經(jīng)皮給予的任何化學(xué)或生物材料或化合物，它引起所需要的生理或藥理效應(yīng)，它可包括但不限于(1)具有對(duì)機(jī)體的預(yù)防效應(yīng)，預(yù)防不想要的生理效應(yīng)如預(yù)防感染，(2)減輕疾病引起的癥狀，如緩解作為疾病的結(jié)果而產(chǎn)生的疼痛或炎癥，和/或(3)緩解、減輕或完全消除機(jī)體的疾病。該效應(yīng)可以是局部的，如提供局部麻醉效應(yīng)，或可以是全身的。本發(fā)明不涉及新的滲透物或新類型的活性劑，而限于本領(lǐng)域現(xiàn)存的活性劑或滲透物或以后可被確定為活性劑及適合于用本發(fā)明方法輸送的物質(zhì)的輸送方式。這樣的物質(zhì)包括通常輸入體內(nèi)(包括通過機(jī)體表面和膜(包括皮膚))的各種類型的化合物。一般來說，包括但不限于抗感染劑，如抗生素和抗病毒劑；鎮(zhèn)痛藥和鎮(zhèn)痛合劑；減食欲藥；驅(qū)蟲藥；抗關(guān)節(jié)炎藥；抗哮喘藥；抗驚厥藥；抗抑郁藥；抗糖尿病藥；止瀉藥；抗組織胺藥；抗炎劑；抗偏頭痛制劑；止惡心藥；抗腫瘤藥；抗巴金森氏病藥；止癢藥；抗精神病藥；解熱藥；解痙藥；抗膽堿藥；擬交感藥；黃嘌啉衍生物；心血管制劑，包括鉀和鈣通道阻滯劑，β-阻斷劑，α-阻斷劑及抗心律失常藥；抗高血壓藥；利尿劑和抗利尿劑；血管擴(kuò)張劑，包括全身血管、冠狀血管、外周血管和腦血管擴(kuò)張劑；中樞神經(jīng)系統(tǒng)刺激劑；血管收縮劑；咳嗽和感冒制劑，包括解除沖血?jiǎng)?；激素，如雌二醇和其它甾類化合物，包括皮質(zhì)甾類；催眠藥；免疫抑制劑；肌肉松弛劑；解副交感神經(jīng)劑；精神興奮藥；鎮(zhèn)靜劑和安定劑。用本發(fā)明的方法，無論離子化和非離子化藥物，無論高分子量或低分子量藥物，均可輸送。
本文所用的“有效”量的藥理活性劑指足夠量的化合物以合理的利益/危險(xiǎn)比(這是任何醫(yī)藥治療都有的)提供所需要的局部或全身作用。本文所用的“有效”量的滲透或化學(xué)促進(jìn)劑指所選擇的一個(gè)量，以提供所需要的皮膚滲透性的增加和所需要的滲透深度、給藥的速率和所輸送藥物的量。
本文所用的“載體”或“賦形劑”指適合與其它藥物活性物質(zhì)一起使用的，在所使用的數(shù)量下無明顯藥理活性的載體物質(zhì)，包括本領(lǐng)域已知的任何這種物質(zhì)，如任何液體、凝膠、溶劑、液體稀釋劑、增溶劑等，它在所應(yīng)用的量是無毒的，不會(huì)以有害的方式與準(zhǔn)備給的藥發(fā)生相互作用。本文所用的合適的載體的例子包括水、礦油、硅氧烷、無機(jī)凝膠、水性乳狀液、液體糖、蠟、礦脂和各種各樣油和聚合物材料。
本文所用的“生物膜”是指在活的機(jī)體內(nèi)存在的膜材料，它將機(jī)體的一個(gè)區(qū)域與另一個(gè)區(qū)域相分離，在很多情況下將機(jī)體與其環(huán)境相分離。因此，包括皮膚和粘膜。
本文所用的“個(gè)體”指對(duì)其實(shí)施本發(fā)明的人和動(dòng)物。
本文所用的“被分析物”指適合于用本發(fā)明所教導(dǎo)的技術(shù)或本領(lǐng)域已知的技術(shù)通過生物膜的任何化學(xué)或生物材料或化合物，一個(gè)個(gè)體可能想知道其體內(nèi)濃度或活性。葡萄糖是被分析物的具體例子，因?yàn)樗沁m合于通過皮膚的被分析物，個(gè)體(例如那些患糖尿病的人)可能想知道他們的葡萄糖血濃度。被分析物的其它例子包括(但不限于)諸如鈉、鉀、膽紅素、尿素、氨、鈣、鉛、鐵、鋰、水楊酸鹽等化合物。
本文所用的“經(jīng)皮流速”是任何被分析物通過個(gè)體(人或動(dòng)物)的皮膚流出的速率，或任何藥物、藥理活性劑、染料或顏料進(jìn)入和通過個(gè)體(人或動(dòng)物)的皮膚的速率。
本文所用的術(shù)語“強(qiáng)度幅度”、“強(qiáng)度”和“幅度”是同義地使用的，指用聲能系統(tǒng)產(chǎn)生的能量的量。
本文所用的“調(diào)頻”或“掃頻”指在一定的時(shí)間周期內(nèi)幅度或頻率連續(xù)、逐級(jí)或逐步的變化。調(diào)頻是在一定的時(shí)間周期內(nèi)頻率逐級(jí)或階躍的變化，如在1秒內(nèi)，從5.4至5.76 MHz，或在0.1秒內(nèi)5-10MHz，或在0.1秒內(nèi)10-5MHz，或適合于具體應(yīng)用的任何其它頻率范圍或時(shí)間周期。復(fù)合調(diào)制可包括頻率和強(qiáng)度同時(shí)變化。例如，美國(guó)專利No.5,458,140的圖4A和4B可分別代表同時(shí)對(duì)單個(gè)聲能振子施加幅度和頻率調(diào)制的情況。
本文所用的“調(diào)相”表示如美國(guó)專利No.5,458,140的圖4所示，信號(hào)的計(jì)時(shí)關(guān)系相應(yīng)于其初始階段被改變。信號(hào)的頻率和幅度可保持不變。用可變的延遲，如使信號(hào)對(duì)應(yīng)其以前的狀態(tài)或?qū)?yīng)于另一信號(hào)選擇性地暫時(shí)推遲或提前，可完成調(diào)相。
如本文所述，聲能在其各種應(yīng)用中，如調(diào)頻、調(diào)幅或調(diào)相或其結(jié)合，以及化學(xué)促進(jìn)劑與調(diào)制的聲能結(jié)合使用，可在約5kHz至100MHz之間的頻率范圍變化，以約20kHz和30MHz之間的范圍為佳。
本文所用的“非損傷性”表示無需用針、插管或其它損傷性醫(yī)用儀器插入機(jī)體。
本文所用的“損傷極小”指使用機(jī)械、水壓或電裝置損傷角質(zhì)層以產(chǎn)生小洞或微孔而不引起對(duì)其下面的組織實(shí)質(zhì)上的損傷。
用于角質(zhì)層穿孔的方法角質(zhì)層中微孔的形成可用本領(lǐng)域現(xiàn)有的各種方法以及此處揭示的它們的一些改良方法來完成。
Jacques等(在美國(guó)專利No.4,775,361中)和Lane等(同上)描述的激光燒蝕的使用無疑提供了一種用準(zhǔn)分子激光器燒蝕角質(zhì)層的方法。已發(fā)現(xiàn)在波長(zhǎng)193nm和脈沖寬度14ns，可用每個(gè)激光脈沖以約70-480mJ/cm2的輻照量將約0.24-2.8μm的角質(zhì)層除去。隨著脈沖能量的增加，更多的組織從角質(zhì)層除去，而在該層上完全穿孔所需的脈沖則更少。在熱弛豫時(shí)間極限內(nèi)的、必須被角質(zhì)層吸收以產(chǎn)生合適的微爆破并導(dǎo)致組織燒蝕的輻照量的下端閾值在50毫秒(ms)內(nèi)約為70mJ/cm2。換言之，必須在50毫秒窗口內(nèi)傳輸總計(jì)70mJ/cm2。這可在50毫秒的時(shí)間里用70mJ/cm2的單個(gè)脈沖或10個(gè)7mJ/cm2的脈沖或1.4W/cm2的連續(xù)照射來完成。輻照量的上限是這樣的量，它將燒蝕角質(zhì)層而不損傷下面的組織，可由光源、光波長(zhǎng)和其他在本領(lǐng)域技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)范圍內(nèi)的變量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。
“傳輸”一詞是指所述數(shù)量的能量被需燒蝕的組織吸收。在準(zhǔn)分子激光器波長(zhǎng)193nm的情況，角質(zhì)層組織最上面的1或2微米部分吸收了基本上100％的能量。假定角質(zhì)層約20微米厚，在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，例如在670nm，僅約5％的入射光在20微米層內(nèi)被吸收。這意味著約95％的高功率光束進(jìn)入了角質(zhì)層下面的組織，在那里，它有可能產(chǎn)生明顯損傷。
理想的方法是使用僅為必需量的功率來對(duì)角質(zhì)層進(jìn)行穿孔而不會(huì)引起下面的組織出血、發(fā)熱或其他損傷，從下面的組織中將提取分析物或傳輸藥物或其他滲透物。
使用比使用來自準(zhǔn)分子激光器的能量更經(jīng)濟(jì)的能源將更有利，因而也更有益。運(yùn)轉(zhuǎn)和維修發(fā)射遠(yuǎn)紫外區(qū)域波長(zhǎng)的光的準(zhǔn)分子激光器所需的費(fèi)用遠(yuǎn)比例如發(fā)射可見光和紅外區(qū)域波長(zhǎng)(600-1800nm)的光的二極管激光器的大。然而，在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，角質(zhì)層逐漸地變得更透明且吸收主要發(fā)生在下面的組織中。
本發(fā)明提供快速而無痛苦地除去角質(zhì)層的屏障功能的方法，以在局部施藥時(shí)促進(jìn)治療物質(zhì)經(jīng)皮輸送至體內(nèi)或在體內(nèi)選取供分析的分析物。該方法使用以小面積熱源與角質(zhì)層的靶范圍接觸開始的程序。
熱源必須具有下面將討論的幾個(gè)重要性能。首先，熱源的大小必須合適，通常直徑約為1-1000微米，以使與皮膚的接觸限制在小范圍內(nèi)。第二，熱源必須能在周期時(shí)間內(nèi)將接觸點(diǎn)的角質(zhì)層的溫度從周圍皮膚表面溫度水平(33℃)調(diào)節(jié)至123℃以上，然后回落至接近周圍皮膚表面溫度以將對(duì)有活性的組織的損傷和使受驗(yàn)者產(chǎn)生的感覺減至最小。該調(diào)節(jié)可用電子、機(jī)械或化學(xué)方法進(jìn)行。
此外，若熱源具有足夠小的熱質(zhì)量以及有限的能量源以提升其溫度，從而當(dāng)其與含水量在30％以上的組織接觸時(shí)，在這些組織中的熱散布足以將熱源的最高溫度限制在100℃以下的話，則有利于發(fā)揮微穿孔法固有的深度限制特征。一旦熱探頭穿過角質(zhì)層進(jìn)入表皮的下層，該特征可有效地終止熱汽化。
就與皮膚接觸的熱源而言，它通過一系列的一個(gè)或多個(gè)溫度調(diào)節(jié)循環(huán)，從初始的周圍皮膚溫度至123℃以上的峰值溫度再至接近周圍皮膚溫度。為使微穿孔法受驗(yàn)者的感覺減至最小或使其消除，這些脈沖的持續(xù)時(shí)間受到限制，脈沖間的間隔長(zhǎng)至足以使皮膚中有活性的組織層尤其是衰弱的真皮組織冷卻，以使平均溫度在約45℃以下。這些參數(shù)依位于熱探頭與下面真皮中衰弱組織之間的有活性表皮組織的熱時(shí)間常數(shù)(約30-80毫秒)而定。上述施用脈沖熱能的結(jié)果是，有足夠的能量輸入很小的靶點(diǎn)內(nèi)的角質(zhì)層，這樣，該部分組織的局部溫度被提升至足夠高于角質(zhì)層中被組織束縛的水分的汽化溫度。當(dāng)溫度升至100℃以上時(shí)，該定域點(diǎn)內(nèi)角質(zhì)層的水分(通常為5-15％)將發(fā)生汽化并非常迅速地膨脹開來，引起該汽化區(qū)域附近的角質(zhì)層中的角質(zhì)細(xì)胞被蒸汽除去。美國(guó)專利No.4,775,361指出，123℃的角質(zhì)層溫度表示該類型閃蒸發(fā)生的閾值。當(dāng)相繼地施用熱能脈沖時(shí)，在從角質(zhì)層至表皮下面的層即透明層形成有微孔之前，角質(zhì)層進(jìn)一步被除去。通過將熱脈沖的持續(xù)時(shí)間限制在表皮的熱時(shí)間常數(shù)以下和使進(jìn)入表皮的熱能有足夠長(zhǎng)的時(shí)間消散，表皮中有活性的層的升溫是極微的。這令整個(gè)微穿孔過程可在受驗(yàn)者無任何感覺和對(duì)下面的和周圍的組織無任何損傷的情況下進(jìn)行。
本發(fā)明包括一種在人皮的角質(zhì)層無痛苦地制造寬約1-1000微米的微孔的方法。成功地實(shí)施該方法的關(guān)鍵是制造與角質(zhì)層接觸的合適熱能源即熱探頭。在合適的熱探頭的制造中要求的首要技術(shù)是設(shè)計(jì)這樣的裝置，它能保持與皮膚的所需接觸并可以足夠高的頻率進(jìn)行熱調(diào)節(jié)。
可通過對(duì)角質(zhì)層局部施用合適的吸光化合物如染料或著色劑等來制造合適的熱探頭，所選的化合物應(yīng)能吸收所選光源發(fā)射的波長(zhǎng)的光。在此情況下，所選光源可以是其發(fā)射的波長(zhǎng)一般不會(huì)被皮膚組織吸收的激光二極管。通過將光源聚焦在染料局部表面的小點(diǎn)上并改變聚焦在此上的光通量的強(qiáng)度，可對(duì)靶區(qū)域進(jìn)行溫度調(diào)制。通過先往角質(zhì)層局部施用合適的吸光化合物如染料或著色劑等(所選的化合物應(yīng)能吸收激光源發(fā)射的波長(zhǎng)的光)，可使用其發(fā)射波長(zhǎng)比準(zhǔn)分子激光器的更長(zhǎng)的激光源的能量。同樣的概念適用于任何波長(zhǎng)，技術(shù)人員所要作的僅是選擇合適的染料或著色劑以及光波長(zhǎng)。技術(shù)人員只需查一下任何參考手冊(cè)即可找到合適的染料以及該染料的最大吸收波長(zhǎng)。這樣的參考文獻(xiàn)有Green的The Sigma-AldrichHandbook of Stains，Dyes and Indicators，Aldrich Chemical Company，Inc.Milwaukee，Wisconsin(1991)。例如，酞菁銅(染料藍(lán)15；CPC)的吸收峰在800nm附近；酞菁銅四磺酸(酸藍(lán)249)的吸收峰在610nm附近；靛菁綠的吸收峰在775nm附近；隱花青的吸收峰在703nm附近。CPC對(duì)本實(shí)施方式尤其適合，其理由如下它是非常穩(wěn)定和惰性的化合物，已被美國(guó)食品醫(yī)藥管理局允許在可移植的縫合術(shù)中用作染料；它在波長(zhǎng)750-950nm的吸收非常強(qiáng)，適合諸多低成本的固體發(fā)射器，如激光二極管和LED，此外，其光帶寬區(qū)域也不會(huì)直接被皮膚組織顯著地吸收；CPC的汽化溫度非常高(在真空中大于550℃)，直接從固相轉(zhuǎn)移至氣相而不經(jīng)過液相；CPC的熱擴(kuò)散常數(shù)較小，令聚焦在其上的光能僅選擇性地加熱正好在焦點(diǎn)的區(qū)域而很少由“熱點(diǎn)”向周圍的CPC擴(kuò)散，從而有助于接觸式熱探頭的空間定位。
本揭示的目的并非要列出合適的染料或著色劑的詳細(xì)清單，因?yàn)楸绢I(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地根據(jù)可輕易得到的數(shù)據(jù)來加以確定。
這對(duì)任何所需的具體的脈沖光源而言，也是同樣正確的。例如，該方法可以機(jī)械啟閉的、聚焦的白熾燈作為脈沖光源。各種商品目錄和銷售資料顯示了諸多可在近紫外、可見光和近紅外區(qū)域工作的激光器。代表性的激光器是PLP-02型Hammamatsu光子系統(tǒng)，它在波長(zhǎng)415nm的輸出功率為2×10-8J；PLP-05型Hammamatsu光子系統(tǒng)，它在波長(zhǎng)685nm的輸出功率為15J；SDL公司的SDL-3250系列脈沖激光器，它在波長(zhǎng)800-810nm附近的輸出功率為2×106J；SDL公司的SDL-8630型，它在波長(zhǎng)670nm附近的輸出功率為500mW；AR-081-15000型單相激光器，它在波長(zhǎng)790-830nm的輸出功率為15,000mW；Toshiba AmericaElectronic TOLD9150型，它在波長(zhǎng)690nm的輸出功率為30mW；LiCONIX公司的Diolite 800-50型，它在波長(zhǎng)780nm的輸出功率為50mW。
在本發(fā)明中，脈沖激光器光源可在約100nm至12,000nm的寬波長(zhǎng)范圍發(fā)射射線。準(zhǔn)分子激光器的發(fā)射范圍在約100至400nm之間。目前銷售的商用準(zhǔn)分子激光器的波長(zhǎng)范圍在約193至350nm之間。激光二極管的發(fā)射范圍最好在約380至1550nm之間。經(jīng)倍頻的激光二極管的發(fā)射范圍在約190至775nm之間。使用激光二極管泵激的光學(xué)參數(shù)振蕩器，則可利用約1300至3000nm之間的更長(zhǎng)的波長(zhǎng)區(qū)域。預(yù)期隨著激光技術(shù)研究的深入開展，這些區(qū)域今后將進(jìn)一步拓展。
傳輸?shù)幕蛭盏哪芰坎⒉灰欢ㄐ枰獜募す馄鞯玫?，因?yàn)槿魏喂庠炊伎墒褂茫徽撌菑募す馄?、氙閃光燈等短弧燈、白熾燈、發(fā)光二極管(LED)、太陽，還是任何其他光源。因此，用來傳輸電磁射線的具體儀器不如與其相關(guān)的波長(zhǎng)和能量重要。任何可在合適波長(zhǎng)(即在約100-12,000nm之間)傳輸所需能量的合適儀器，都可認(rèn)為屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。其必要特征是能量必須被吸光化合物吸收以使其定域地加熱，然后在允許的時(shí)間框架內(nèi)將充分的熱量傳導(dǎo)至燒蝕的組織。
在一個(gè)說明性的實(shí)施方式中，熱探頭自身是由下述薄層形成的它最好約5-1000微米厚，由固體的非生物活性化合物組成，施用在受驗(yàn)者皮膚的選定區(qū)域，該選定區(qū)域足夠地大，可覆蓋待制造微孔的部位。化合物具體配方的選擇要求為它在選來為吸光化合物提供能量的光源的光譜范圍有很強(qiáng)的吸收。探頭可以是例如固體化合物的小片、用高熔點(diǎn)吸收化合物處理過的膜，或者將吸光化合物作為沉淀物或作為在載體中的懸浮物而直接施用在皮膚上。無論光吸收熱探頭的結(jié)構(gòu)如何，它的橫向熱擴(kuò)散系數(shù)必須足夠地低，務(wù)使任何局部升溫保持在限定的范圍內(nèi)，熱損耗的主要方式將是通過皮膚與探頭之間的接觸點(diǎn)直接傳導(dǎo)進(jìn)入角質(zhì)層。
探頭所需的溫度調(diào)節(jié)可通過將光源聚焦在吸光化合物和調(diào)節(jié)該光源的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。若照射區(qū)域內(nèi)吸收的能量足夠地高，它將引起吸光化合物迅速地發(fā)熱。傳輸?shù)哪芰恳约拔饣衔镌诮裹c(diǎn)的加熱速率和峰值溫度均可容易地通過改變光源的脈沖寬度和峰值功率而進(jìn)行調(diào)節(jié)。在本實(shí)施方式中，只有那小部分被聚焦的、入射光能加熱的吸光化合物構(gòu)成熱探頭，另外的已施用在比實(shí)際穿孔部位更大區(qū)域的吸光化合物是附帶的。通過使用熔點(diǎn)較高的固相吸光化合物如酞菁銅(它在高達(dá)550℃以上的溫度仍處于固相)等，熱探頭的溫度可迅速地升至幾百攝氏度，并仍保持與皮膚接觸，令該熱能可傳導(dǎo)進(jìn)入角質(zhì)層。此外，本實(shí)施方式包括選擇這樣的光源在其發(fā)射光譜中，能量一般很少在皮膚組織中被吸收。
一旦靶區(qū)域中有局部施用在其之上的吸光化合物，則當(dāng)光源被啟動(dòng)，而光束的聚焦光腰與處理過的區(qū)域表面重合時(shí)，熱探頭就可形成。在聚焦光腰的能量密度和吸光化合物內(nèi)發(fā)生的吸收的量設(shè)定為足以在幾毫秒內(nèi)使被光源焦點(diǎn)確定的小點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的吸光化合物的溫度升至123℃以上。當(dāng)熱探頭溫度上升時(shí)，傳導(dǎo)進(jìn)入角質(zhì)層的能量傳輸至這些組織，使角質(zhì)層的局部溫度上升。當(dāng)足夠的能量傳輸至該小范圍的角質(zhì)層而導(dǎo)致局部溫度提升至這些組織中所含的水的沸點(diǎn)以上時(shí)，上述水發(fā)生閃蒸，燒蝕在該點(diǎn)的角質(zhì)層。
通過打開或關(guān)閉光源，可迅速地調(diào)節(jié)熱探頭的溫度并達(dá)到這些組織的選擇性燒蝕，從而可制造大小非常精確的孔，這些孔選擇性地僅穿透皮膚的最上面的10-30微米。
本實(shí)施方式的另一特征是，通過選擇其能量一般很少被皮膚或下面的組織吸收的光源以及通過將聚焦光學(xué)系統(tǒng)和傳輸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成具有足夠高的數(shù)值的孔徑，則未被熱探頭自身吸收的少量傳輸光隨著其深入體內(nèi)深處而發(fā)散。由于在傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)很少有吸收，因此，基本上無能量直接從光源傳輸至皮膚。偶合能在組織中的這種三維稀釋是由于光束發(fā)散和未處理組織中吸收的低水平所致，導(dǎo)致光束與組織之間完全良性的相互作用而不會(huì)產(chǎn)生任何損傷。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，激光二極管被用作發(fā)射波長(zhǎng)為800±30nm的光源?？赏ㄟ^局部施用已處理過的透明膠帶來形成熱探頭，該透明膠帶的粘合劑一側(cè)具有由酞菁銅(CPC)細(xì)粉沉積而形成的0.5cm大小的斑點(diǎn)。CPC在800nm光譜范圍內(nèi)的吸收系數(shù)極大，通常吸收激光二極管發(fā)射的輻射能的95％以上。
圖1顯示了用于將此類激光二極管發(fā)射的光傳輸至受驗(yàn)者皮膚的選定區(qū)域以及用于監(jiān)測(cè)穿孔過程進(jìn)展的系統(tǒng)10。該系統(tǒng)包括控制光脈沖的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和間隔的控制器18以及與其相藕合的激光二極管14。激光二極管發(fā)射指向會(huì)聚透鏡26的光束22，會(huì)聚透鏡26將光束聚焦在鏡30上。然后光束被鏡30反射至物鏡34上，物鏡34將光束聚焦在預(yù)選點(diǎn)38上。該預(yù)選點(diǎn)與xyz載物臺(tái)及其接物孔46的平面重合，這樣，可照射受驗(yàn)者皮膚的選定區(qū)域。xyz載物臺(tái)與控制器連接，這樣，可控制xyz載物臺(tái)的位置。該系統(tǒng)還包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括與監(jiān)測(cè)器54相藕合的CCD攝影機(jī)。CCD攝影機(jī)與物鏡共焦校準(zhǔn)，這樣，穿孔過程的進(jìn)展可在監(jiān)測(cè)器上用肉眼監(jiān)測(cè)。
在本發(fā)明的另一說明性實(shí)施方式中，設(shè)有已與燒蝕光源共焦校準(zhǔn)的光電二極管和聚光器的系統(tǒng)。圖2顯示用于該實(shí)施方式的傳感器系統(tǒng)60。該系統(tǒng)包括發(fā)射光束68的光源64，光束68通過光傳輸系統(tǒng)72而聚焦在預(yù)選點(diǎn)76(例如受驗(yàn)者皮膚表面80)上。與皮膚接觸的一部分光被反射，其他光從照射區(qū)域散射。該反射和散射的光的一部分通過濾光鏡84，接著通過聚光系統(tǒng)88而聚焦在光電二極管92上。控制器96藕合于激光二極管和光電二極管，分別控制激光二極管的輸出和探測(cè)到達(dá)光電二極管的光。從皮膚散射的光譜僅有選定部分通過濾光器。通過分析從靶區(qū)域反射和散射的光的偏移，系統(tǒng)可探測(cè)出角質(zhì)層是否已破裂，然后用該反饋來控制光源，當(dāng)角質(zhì)層的微穿孔完成時(shí)撤銷光脈沖。通過使用該類型的有源閉環(huán)反饋系統(tǒng)，可得到自我調(diào)節(jié)的、可通用的裝置，它在角質(zhì)層中產(chǎn)生大小均一的微孔，而不論受驗(yàn)者是否存在差異，還有，其功率需要量極小。
在另一個(gè)說明性的實(shí)施方式中，在系統(tǒng)至皮膚的界面加入了冷卻裝置。圖3A是其示意圖。在該系統(tǒng)100中，光源104(藕合于控制器106)發(fā)射光束108，光束通過光傳輸系統(tǒng)112并進(jìn)行聚焦。光束被光傳輸系統(tǒng)聚焦在預(yù)選點(diǎn)116(例如受驗(yàn)者皮膚的選定區(qū)域120)上。冷卻裝置124(例如Peltier致冷器或其他冷卻器)接觸皮膚，使皮膚表面冷卻。在冷卻裝置124的一個(gè)較佳例(圖3B)中，有一個(gè)中心孔128，聚焦的光束穿過此孔接觸皮膚。再參見圖3A，最好使散熱裝置132也與冷卻裝置接觸。通過提供其與光的焦點(diǎn)重合的中心處有小孔的冷卻裝置，需穿孔的整個(gè)范圍內(nèi)的皮膚裝置可預(yù)冷卻至5-10℃。該預(yù)冷卻令系統(tǒng)操作有更大的安全裕度，因?yàn)榕c非冷卻的實(shí)施方式相比，其對(duì)用戶的潛在感覺和對(duì)穿孔部位正下方的表皮的任何間接損傷的可能性顯著減少。而且，就監(jiān)測(cè)而言，預(yù)冷卻將組織間液的汽化減至最小，且還可提供有益的物理性能，例如這些組織間液的表面張力減小。還有，已知冷卻裝置可導(dǎo)致這些被冷卻組織的血流局部增加，從而促進(jìn)分析物從血液向組織間液擴(kuò)散。
該方法還可適用于其他微外科技術(shù)，其中，將吸光化合物/熱探頭施用于需燒蝕的區(qū)域，然后用光源選擇性地調(diào)節(jié)選定靶部位的探頭溫度，通過產(chǎn)生的汽化-燒蝕過程作用于組織。
本發(fā)明的又一特征是在微孔失去作用后用光源幫助封閉之。具體地說，在監(jiān)測(cè)內(nèi)部分析物的情況下，制造微孔并通過該孔提取若干組織間液。在收集到足夠量的組織間液后，在降低功率的條件下重新啟動(dòng)光源，以有助于組織間液在微孔中快速凝結(jié)。通過強(qiáng)制地使液體在孔中凝結(jié)，在體內(nèi)的該孔被封閉，從而減少了受感染的危險(xiǎn)。此外，在形成微孔和將其封閉時(shí)均使用光源是一種自動(dòng)殺菌的方法，不用任何裝置實(shí)際穿透進(jìn)入體內(nèi)。還有，由光能誘發(fā)的熱應(yīng)激會(huì)將任何可能存在于燒蝕部位的微生物殺死。
該光學(xué)殺菌的概念可擴(kuò)展成在此過程中另外加入一個(gè)步驟，即先以未聚焦的方式施用光源，覆蓋靶區(qū)域，其照射區(qū)域比要產(chǎn)生的微孔實(shí)際孔徑大100微米或更多。通過選擇將在其上面施用未聚焦的光束的區(qū)域，光通量密度可相應(yīng)地減少至低于燒蝕閾值但足以有效地對(duì)皮膚表面進(jìn)行殺菌的適當(dāng)水平。在以一種連續(xù)的步驟或以一系列脈沖使較大區(qū)域在具有殺菌作用的光束下曝光足夠長(zhǎng)時(shí)間后，接著將系統(tǒng)配置成清晰聚焦的燒蝕模式，光學(xué)微穿孔過程就此開始。
本發(fā)明另一說明性實(shí)施方式是由金屬固體(例如小直徑的金屬絲)形成所需的熱探頭。如前述實(shí)施方式那樣，熱探頭的接觸表面必須能在所需的時(shí)間內(nèi)從周圍皮膚溫度(33℃)調(diào)節(jié)至123℃以上的溫度，在高溫下允許的時(shí)間(接通時(shí)間)較佳的在約1至50毫秒之間，在低溫下允許的時(shí)間(斷開時(shí)間)至少為約10至50毫秒。尤其是，若能在5毫秒左右的“接通”時(shí)間和50毫秒的斷開時(shí)間里將溫度調(diào)節(jié)至150℃以上，則可產(chǎn)生非常有效的熱燒蝕而受驗(yàn)者只有很少或無感覺。
可以成功地實(shí)施幾種調(diào)節(jié)金屬絲探頭接觸區(qū)域溫度的方法。例如，可用外熱元件(例如焊鐵尖頭中使用的歐姆加熱元件)將長(zhǎng)度較短的金屬絲加熱至所需高溫。圖4是帶機(jī)械致動(dòng)器的歐姆加熱裝置140。歐姆加熱裝置包括與金屬絲熱探頭148相藕合的歐姆熱源144。歐姆熱源還穿過絕緣固定件152與機(jī)械調(diào)節(jié)裝置156(例如螺線管)相藕合。在該結(jié)構(gòu)中，可達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件，其中金屬絲探頭的尖頭將穩(wěn)定在由結(jié)構(gòu)物理參數(shù)即歐姆熱源的溫度、金屬絲長(zhǎng)度和直徑、金屬絲周圍的空氣溫度和金屬絲的組成材料確定的某一平衡溫度。一旦達(dá)到所需的溫度，受驗(yàn)者皮膚160的選定區(qū)域的溫度調(diào)節(jié)即直接通過機(jī)械調(diào)節(jié)裝置以下述方法進(jìn)行交替地將金屬絲熱尖頭與皮膚接觸(最好)5毫秒接通時(shí)間，然后將其移開，在空氣中放置(最好)50毫秒斷開時(shí)間。
另一說明性實(shí)施例(圖5)是包括與控制器178相藕合的電源174的裝置170。電源與包括金屬絲186的電流環(huán)路182相聯(lián)，金屬絲186形成為具有高電阻點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。較好的是，金屬絲固定在固定件190上，絕緣體194將電流環(huán)路的不同部分分開。然后只要調(diào)節(jié)通過金屬絲的電流即可進(jìn)行所需的溫度調(diào)節(jié)。若將金屬絲元件熱質(zhì)量的大小取得適當(dāng)且由電極提供的散熱作用(通過電極與電源連接)足夠，則金屬絲元件的變暖時(shí)間和變冷時(shí)間可控制在幾毫秒內(nèi)。金屬絲與皮膚198的選定區(qū)域的接觸會(huì)將角質(zhì)層加熱，從而達(dá)到所選擇的燒蝕。
在圖6中，顯示了用熱金屬絲將角質(zhì)層穿孔的又一說明性實(shí)施例。在該系統(tǒng)200中，可將金屬絲204置于由勵(lì)磁線圈208形成的可調(diào)節(jié)的交變磁場(chǎng)內(nèi)。通過與勵(lì)磁線圈相聯(lián)的控制器212給勵(lì)磁線圈通上交變電流，可在金屬絲熱探頭中感應(yīng)出足夠強(qiáng)度的渦電流，而熱探頭將直接通過內(nèi)部歐姆損耗而發(fā)熱。這基本上是常用于對(duì)工具頭進(jìn)行熱處理或在真空管或閃光管中對(duì)電極進(jìn)行除氣處理的感應(yīng)加熱系統(tǒng)的縮小型。感應(yīng)加熱法的優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)傳輸至金屬絲熱探頭中的能量進(jìn)行嚴(yán)密控制且可容易地通過對(duì)勵(lì)磁線圈的電子控制來進(jìn)行調(diào)節(jié)。若金屬絲探頭自身的熱質(zhì)量及與探頭尖端接觸的角質(zhì)層的熱質(zhì)量是已知的，則通過對(duì)傳輸?shù)母袘?yīng)能的控制可非常精確地控制與皮膚220接觸的點(diǎn)216的溫度。由于皮膚組織在可進(jìn)行感應(yīng)加熱的較低頻率基本上是非磁性的，若在勵(lì)磁線圈中使用經(jīng)適當(dāng)選擇的頻率，則該交變電磁場(chǎng)將對(duì)皮膚組織無任何影響。
若采用機(jī)械控制的接觸調(diào)節(jié)，通過加入一個(gè)探頭尖端與受驗(yàn)者皮膚之間的阻抗受到監(jiān)測(cè)的簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一特征。在該方式中，可使探頭與受驗(yàn)者皮膚接觸，通過電阻的階越式減小來顯示已發(fā)生接觸，接著將探頭保持在皮膚上至所需的“接通時(shí)間”，然后可將探頭移開。幾種類型的線性操作機(jī)構(gòu)適合于該形式的閉環(huán)控制，例如音圈機(jī)構(gòu)、簡(jiǎn)單的螺線管、具有凸輪或雙臂曲柄的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等。其優(yōu)點(diǎn)是隨著熱燒蝕的進(jìn)行，熱探頭也可相應(yīng)地鉆入皮膚，始終確保與皮膚的良好接觸，從而實(shí)現(xiàn)所需熱能的有效傳遞。此外，角質(zhì)層和表皮導(dǎo)電率的變化提供了通過閉環(huán)確認(rèn)穿孔過程是否完成的極好方法，即，當(dāng)電阻顯示已到達(dá)表皮時(shí)，即可終止穿孔。
圖7是這樣的閉環(huán)阻抗監(jiān)測(cè)器的說明性實(shí)施例。在該系統(tǒng)230中，有一個(gè)與金屬絲熱探頭238相聯(lián)的歐姆熱源234。該熱源通過絕緣的固定件242固定在機(jī)械調(diào)節(jié)器246上?？刂破?50與金屬絲和皮膚254相聯(lián)，其中控制器檢測(cè)皮膚選定區(qū)域258的阻抗變化，當(dāng)達(dá)到預(yù)定水平時(shí)，控制器終止穿孔過程。
微型刺血針與液壓穿孔裝置屬于同一構(gòu)思，這種刺血針調(diào)節(jié)到僅穿透角質(zhì)層以通過形成的孔施與滲透物(例如如藥物)或通過孔抽取分析物用于分析。與非損傷型裝置和/或技術(shù)相比，這樣的裝置被認(rèn)為是“損傷極小型”的。使用微型刺血針刺入角質(zhì)層下面抽取血液是眾所周知的。這些裝置可從廠商(例如Becton-Dickinson公司和Lifescan公司)那兒購(gòu)得，并可在本發(fā)明中通過控制穿刺深度加以使用。作為用于收集體液的微型刺血針的例子，可參見Erickson等的PCT申請(qǐng)WO95/10223(公布日1995年4月20日)。該申請(qǐng)顯示了一種用于穿刺至皮膚真皮層以收集體液供血糖濃度等檢查的裝置，該裝置不會(huì)刺入皮下組織。
角質(zhì)層穿孔還可通過使用超聲波裝置來實(shí)現(xiàn)。超聲波穿孔是上述光學(xué)裝置的改變，所不同的是將超聲能的非常密集的聚焦射束傳輸至角質(zhì)層的需燒蝕區(qū)域，以代替使用光源。所需的能量是同一水平的，即仍必須有閾值為70mJ/cm2/50ms的能量被吸收。可與在傳輸超聲能(該超聲能的強(qiáng)度、相位、或頻率或這些參數(shù)的組合被調(diào)節(jié)，以經(jīng)皮抽取分析物試樣或經(jīng)皮給藥)中使用的一樣，使用與作為母申請(qǐng)的美國(guó)專利No.08/152,442和08/152,174中描述的相同的脈沖聚焦超聲換能器來傳輸燒蝕所需的能量密度。這具有以下優(yōu)點(diǎn)，即可將與用來推動(dòng)藥物，使其透過角質(zhì)層，或?qū)Ⅲw液吸引至皮膚表面供分析的相同的換能器，用來首先制造微孔。
此外，可進(jìn)行電穿孔或可將具有足夠能量的電流短脈沖群傳輸至角質(zhì)層，形成微孔。電穿孔可被用來在生物膜中制造孔，因而在本領(lǐng)域是已知的，電穿孔儀器在市場(chǎng)上有售。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)此處給出的方針選擇所用的儀器和條件而無需進(jìn)行過多的實(shí)驗(yàn)。
用本發(fā)明的方法在角質(zhì)層中制造的微孔令大分子量治療化合物可以高流速經(jīng)皮傳輸。此外，這些通向體內(nèi)的非創(chuàng)傷性微孔口可接觸到體內(nèi)的各種分析物，從而可用來分析確定它們?cè)隗w內(nèi)的濃度。
實(shí)施例1在本實(shí)施例中，按下述方法制備皮膚試樣。用Klingman和Christopher的熱分離法(88 Arch.Dermatol.702(1963))從人尸全皮上分離出表皮膜。所述熱分離法包括將整個(gè)皮膚在60℃的溫度下曝置60秒鐘，然后將角質(zhì)層和部分表皮(表皮膜)從真皮上輕輕地剝離。
實(shí)施例2將按實(shí)施例1的方法制得的熱分離角質(zhì)層試樣切成1cm2切片。然后將這些小試樣放在玻璃蓋片上令其粘住，再在皮膚試樣上施用背面涂有壓敏粘合劑的圓片，圓片中心有一個(gè)6mm的孔，對(duì)著皮膚試驗(yàn)。試樣即可用于實(shí)驗(yàn)性試驗(yàn)。在某些情況下，令皮膚試樣在中性的緩沖磷酸鹽溶液或純水中浸泡數(shù)小時(shí)使其水合。
作為對(duì)這些未處理過的皮膚試樣的試驗(yàn)，將發(fā)射波長(zhǎng)在約810、905、1480和1550nm的數(shù)個(gè)不同紅外激光二極管的輸出施加在這些試樣上。光學(xué)傳輸裝置設(shè)計(jì)成用數(shù)值孔徑為0.4的最終物鏡，產(chǎn)生25微米寬的光腰，測(cè)得可以連續(xù)波(CW)方式操作的905nm和1550nm激光二極管傳輸至焦點(diǎn)的總功率在50至200毫瓦之間。905nm和1550nm激光二極管設(shè)計(jì)成可以高達(dá)5000Hz的重復(fù)頻率產(chǎn)生約10-200毫微秒長(zhǎng)的高峰值功率脈沖。測(cè)得脈沖激光器的峰值功率水平在905nm為45瓦，在1550nm為3.5瓦。
在這些操作條件下，任何激光對(duì)皮膚試樣均無明顯效果。連續(xù)照射靶區(qū)域60秒鐘，然后在顯微鏡下進(jìn)行檢查，也未發(fā)現(xiàn)看得見的效果。此外，將試樣放在改進(jìn)的弗朗茲盒(Franz cell)(它通常用來試驗(yàn)以化學(xué)滲透促進(jìn)劑為基的經(jīng)皮傳輸系統(tǒng))中，在用激光進(jìn)行照射之前和之后對(duì)從膜的一側(cè)至另一側(cè)的傳導(dǎo)進(jìn)行測(cè)定，未發(fā)現(xiàn)有任何變化。根據(jù)對(duì)從4個(gè)不同供體得到的皮膚試樣進(jìn)行的這些試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論在這些波長(zhǎng)，藕合進(jìn)入皮膚組織的光能是如此地小以致未檢測(cè)到任何效果。
實(shí)施例3為評(píng)估活受驗(yàn)者在實(shí)施例2的條件下被光能照射時(shí)的潛在感覺，將各激光源的輸出施加在6名自愿者的指尖、前臂和手背上。當(dāng)為810、905和1550nm激光時(shí)，受驗(yàn)者感覺不到激光何時(shí)通或斷。當(dāng)為1480nm激光時(shí)，在用1480nm激光以70毫瓦連續(xù)波進(jìn)行照射的過程中，受驗(yàn)者有某些感覺，短時(shí)間后，由于1480nm射線被水吸收帶中的一個(gè)吸收而在皮膚下面形成很小的水泡。顯然，被吸收的能量足以誘發(fā)水泡形成，但不足以將角質(zhì)層燒蝕除去。此外，1480nm光的吸收主要出現(xiàn)在表皮和真皮的較深的、完全水合的(85-90％含水量)組織中，而非角質(zhì)層的較干的(10-15％含水量)組織中。
實(shí)施例4證實(shí)了對(duì)天然狀態(tài)的皮膚缺乏效果(實(shí)施例3)之后，對(duì)一系列化合物吸收光能然后將該吸收的能量通過傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移至角質(zhì)層的靶組織中的效力進(jìn)行評(píng)估。試驗(yàn)的化合物包括墨汁；“SHARPIE”牌擦不掉的黑色、藍(lán)色和紅色記號(hào)筆；亞甲藍(lán)；品紅；epolite#67(一種用于模塑在聚碳酸酯鏡片中用作激光防護(hù)鏡的吸光化合物)；碘酊；碘-聚吡咯烷酮復(fù)合物(“BETADINE”)；酞菁銅；和印墨。
使用實(shí)施例2中所述的2種CW激光二極管，在根據(jù)實(shí)施例1制得的所有熱分離角質(zhì)層體外試樣中均觀察到肯定的燒蝕結(jié)果，但其中的一些優(yōu)于另一些。尤其是酞菁銅(CPC)和epolite#67列于最有效的之中。CPC具有出眾性能的一個(gè)可能的解釋是其具有500℃以上的高沸點(diǎn)和其在達(dá)到該溫度之前仍處于固相。
實(shí)施例5由于酞菁銅已被美國(guó)食品醫(yī)藥管理局允許在可移植的縫合術(shù)中使用且作為在人生物相容性方面相當(dāng)良性和穩(wěn)定的分子列在《Merck index》中，所采取的下一步驟是將CPC與聚焦光源在健康的自愿者皮膚上的局部施用結(jié)合起來。制備CPC細(xì)粉在異丙醇中的懸浮液。采用的施用方法是搖蕩溶液，然后在靶部位施加一小滴。隨著醇的汽化，在皮膚表面留下固相CPC的細(xì)而均勻的涂層。
然后將圖1所示的裝置施用在皮膚上已局部涂布了CPC的上述部位上，將受驗(yàn)者皮膚的選定區(qū)域?qū)χ鶞?zhǔn)板?；鶞?zhǔn)板由中心處有4mm大小的孔的、約3cm×3cm的薄玻璃窗組成。接著將CPC覆蓋的區(qū)域放置在中心孔之內(nèi)。然后將共焦視頻顯微鏡(圖1)清晰地聚焦在皮膚表面。將皮膚放置在能在視頻系統(tǒng)中得到最清晰焦點(diǎn)的位置上，即使激光系統(tǒng)的焦點(diǎn)與皮膚表面重合。然后操作者啟動(dòng)激光脈沖，同時(shí)用視頻顯微鏡觀察靶部位上的效果。隨著微孔深度的增加，操作者通過測(cè)量激光點(diǎn)在微孔中的散焦量，對(duì)穿透量進(jìn)行肉眼評(píng)估，隨著被燒蝕的表面深入皮膚組織，操作者可通過將攝影機(jī)/激光源的位置沿“z”軸移動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正。在角質(zhì)層已被除去至表皮時(shí)，孔底部的外表顯著變化，變得更濕潤(rùn)、更有光澤。在觀察到該變化后，操作者即可斷開激光。在許多情況下，根據(jù)試驗(yàn)物的水合狀態(tài)以及其他生理?xiàng)l件，作為該小區(qū)域上的角質(zhì)層的屏障功能被除去的結(jié)果，組織間液顯著外流。用視頻系統(tǒng)記錄穿孔部位的組織間液可達(dá)性的該可視記錄。
實(shí)施例6重復(fù)實(shí)施例5的方法，所不同的是將CPC施用在透明的膠帶上，然后將該膠帶粘附在受驗(yàn)者皮膚的選定部位上。其結(jié)果與實(shí)施例5中的基本相同。
實(shí)施例7按本領(lǐng)域公知的方法對(duì)尸體皮膚進(jìn)行組織學(xué)實(shí)驗(yàn)以確定對(duì)給出的染料混合物的燒蝕閾值參數(shù)以及有關(guān)的損傷信息。用酞菁銅(CPC)在醇中的溶液處理皮膚試樣的頂面。待醇汽化后，將固相CPC的局部層就分布在皮膚表面上，其平均厚度為10-20微米。圖8A是激光施用之前全部厚度的皮膚的橫截面，其中270是CPC層，274是角質(zhì)層，278是下面的表皮層。圖8B是用810nm的單個(gè)光脈沖以4000J/cm2的能量密度和20毫秒的脈沖周期施用在直徑80微米的圓中之后的試樣。值得注意的是，即使是在燒蝕陷口282的中央，仍有顯著量的CPC存在于角質(zhì)層的表面。還應(yīng)注意的是，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的結(jié)果顯示，入射在CPC上的光能中僅有10％被實(shí)際吸收，其他90％被反射或反向散射。因此，傳輸至染料層從而可引起所需加熱的有效能量通量?jī)H約400J/cm2。圖8C是施用810nm的5次光脈沖之后的試樣，其中角質(zhì)阻擋層被除去而對(duì)下面的組織無任何損傷。這些結(jié)果很好地表示了“理想的”光學(xué)調(diào)節(jié)的熱燒蝕性能。圖8D是施用50次脈沖之后的試樣。由于未燒蝕組織的碳化和下面的組織的熱變性，在表皮層出現(xiàn)受損組織286。圖8A-8C顯示了角質(zhì)層與下面的表皮層之間的分離，這是由于脫水、冷凍和準(zhǔn)備成象而出現(xiàn)的膺象(artifact)。
實(shí)施例8為搞清熱燒蝕機(jī)理的細(xì)節(jié)，建立了皮膚組織的數(shù)學(xué)模型，可在該模型嘗試熱燒蝕法的各種不同的實(shí)施方式。該模型計(jì)算多層半無限介質(zhì)中的溫度分布，在表面局部地輸入給定的熱通量，從相隔一段距離的表面除去熱，即在兩者之間進(jìn)行對(duì)流。用隱式交替方向(ADI)法在柱面坐標(biāo)中解出軸對(duì)稱的隨時(shí)間變化的擴(kuò)散方程。(注在下邊界使用恒溫邊界條件作為z→無窮大；在最大徑向邊界令徑向熱通量為零作為r→無窮大)。各層與皮膚表面平行，它們分別為(1)染料；(2)角質(zhì)層；(3)下面的表皮；(4)真皮。對(duì)各層而言，在半無限介質(zhì)中的深度和熱性能、密度(rho)、比熱(c)和導(dǎo)電率(k)都必須確定。
首先，根據(jù)由周圍空氣溫度、皮膚表面溫度和真皮溫度確定的“穩(wěn)定的”、“一維(1-D)”溫度分布計(jì)算皮膚的傳熱系數(shù)h。假定在皮膚表面無染料存在且給出“h”。程序可讓技術(shù)人員在染料層表面使用該“h”或?qū)τ谌玖媳砻孑斎肓硪凰璧摹癶”。然后，用染料表面確定的“h”對(duì)所有層(包括染料層)計(jì)算“穩(wěn)定的”溫度分布。該溫度分布是與時(shí)間相關(guān)的加熱問題的初始條件。這構(gòu)成了“m-文件”初始m。然后程序通過時(shí)間的推移、計(jì)算和顯示各步驟的溫度場(chǎng)而解出與時(shí)間相關(guān)的溫度分布。
此處描述的方法的各實(shí)施方式(它們的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)已收集)已就至少一組操作參數(shù)進(jìn)行了模型化，它顯示角質(zhì)層燒蝕可以精確和可控的方式實(shí)現(xiàn)。模擬輸出以二種不同的格式圖示(1)顯示了不同組織層的皮膚的橫截面視圖，在該視圖上面有3條等溫線，它們給出了3個(gè)臨界溫度閾值；(2)2條不同的溫度與時(shí)間關(guān)系的曲線，一條表示在靶部位正下方的角質(zhì)層中央的點(diǎn)，另一條表示在表皮的有活性的細(xì)胞層與角質(zhì)層的底面之間的邊界上的點(diǎn)。這些曲線顯示當(dāng)施加熱脈沖時(shí)各點(diǎn)的溫度如何隨著時(shí)間變化，好象技術(shù)人員在組織中植入了微型熱電偶一樣。此外，使用該模型可研究參量的極限，在該極限范圍內(nèi)這方法可用以確定該方法性能的兩個(gè)重要方面的外部極限。首先說明可確定邊界線的情況，在邊界線內(nèi)可使用該方法而不引起疼痛或不希望的組織損傷。
如在本發(fā)明的幾種不同的實(shí)施方式中所描述的，對(duì)任何給定的熱源而言，存在一個(gè)對(duì)受驗(yàn)者皮膚組織的作用變得不是最佳的點(diǎn)，因?yàn)槭茯?yàn)者感覺到疼痛，或者因?yàn)橄旅娴谋砥ず?或真皮中有活性的細(xì)胞受到溫度作用，而這若維持足夠長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，將引起對(duì)這些組織的損傷。因此，用光學(xué)加熱的局部酞菁銅(CPC)染料實(shí)施方式作為基線法進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，以確立不同的皮膚組織層的熱溫度常數(shù)是如何基本上確定一個(gè)窗口，在該窗口內(nèi)可使用此方法而無疼痛或?qū)ο噜彽慕M織層產(chǎn)生損傷。
圖9和10是皮膚層和局部染料層的橫截面示意圖。在各圖中，顯示了3條清晰的等溫線(1)123℃，它是組織中的水汽化導(dǎo)致組織燒蝕的溫度；(2)70℃，若該溫度持續(xù)數(shù)秒鐘，有活性的細(xì)胞將受到損傷；(3)45℃，受驗(yàn)者將感覺到疼痛的平均溫度。該疼痛閾值在幾種基礎(chǔ)性生理學(xué)教科書中有敘述，但經(jīng)驗(yàn)表明，該閾值多少有些主觀因素。實(shí)際上，在對(duì)同一受驗(yàn)者進(jìn)行的重復(fù)試驗(yàn)中，在僅為幾毫米的范圍內(nèi)形成不同的孔，可產(chǎn)生程度顯著不同的感覺，這可能是由于穿孔部位鄰近神經(jīng)末梢所致。
曲線圖上的線度顯示以微米量度的染料和皮膚的不同層，它們之間以平坦的邊界分開。然而實(shí)際的皮膚組織的邊界遠(yuǎn)為復(fù)雜，從平均的意義上來說，對(duì)所涉及的線度而言，此模型給出了實(shí)際組織中存在的熱梯度的良好的近似。在這個(gè)模擬以及后面的所有模擬中，CPC染料層及各皮膚層的線度如下染料，10微米；角質(zhì)層，30微米；下面的表皮，70微米；真皮，100微米。
對(duì)用于該具體模擬的模型的附加條件見下面的表
表 1
表2
當(dāng)運(yùn)用這些模擬時(shí)，附加下述謹(jǐn)慎的假定1.在一部分角質(zhì)層可能具有已超過水分熱汽化的燒蝕閾值的溫度時(shí)，此事件并未歸入模型中，由于該汽化而隨后在組織中出現(xiàn)的熱能損失也未化為上述模擬中的一個(gè)因素。這將導(dǎo)致模擬中從該時(shí)刻開始下面的組織所示的溫度略有升高。
2.同樣地，當(dāng)一部分酞菁銅(CPC)染料層已達(dá)到其550℃的汽化點(diǎn)時(shí)，此事件也未歸入模型中，但僅將溫度硬性地限制在該水平。隨著模擬的進(jìn)行，這也將導(dǎo)致下面的組織隨后的溫度略有升高。
盡管模型中使用了這些簡(jiǎn)化條件，預(yù)期的性能與根據(jù)臨床研究和對(duì)供體組織試樣的組織學(xué)研究而憑經(jīng)驗(yàn)觀察到的性能之間的關(guān)聯(lián)性是顯著的。在圖9和10中需注意的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是施加熱脈沖的時(shí)間長(zhǎng)度以及等溫線所顯示的3個(gè)不同閾值溫度的位置。
在圖9中，脈沖長(zhǎng)度為21毫秒，70℃等溫線正好越過角質(zhì)層與表皮中有活性的細(xì)胞之間的邊界。在這條件下，對(duì)供體皮膚試樣進(jìn)行的體外試驗(yàn)表明，彼此相隔50毫秒的50個(gè)熱能脈沖對(duì)活細(xì)胞的這一頂層產(chǎn)生可檢測(cè)到的損傷(見圖8D)。然而，體外試驗(yàn)也表明，在同樣的這些操作參量下，5個(gè)熱能脈沖對(duì)這些組織并不產(chǎn)生顯著的損傷。故可以認(rèn)為，即使已超過了名義上的損傷閾(至少在一瞬態(tài)的意義上)，這個(gè)溫度必須累計(jì)保持一定的事件，才會(huì)真正對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生損傷。但是，通過模擬得到的基本信息是，如果熱脈沖的“接通時(shí)間”保持在20毫秒以下，而通量密度為400J/cm2，即使燒蝕閾等溫線已深入角質(zhì)層，在其下面的表皮中的活細(xì)胞也不會(huì)受到損傷。換言之，通過使用低通量密度的熱源，將其“接通時(shí)間”調(diào)節(jié)得適當(dāng)?shù)囟?，就可?shí)現(xiàn)角質(zhì)層的燒蝕而不會(huì)損傷其下面的表皮中鄰近的細(xì)胞(見圖8C)。這可能主要是因?yàn)檫@兩種層組織層具有顯著不同的熱擴(kuò)散性。即，角質(zhì)層(只含有約10-20％水分)的熱傳導(dǎo)常數(shù)0.00123J/(S·cm·K)比表皮的熱傳導(dǎo)常數(shù)0.00421 J/(S·cm·K)低得多。這就可使角質(zhì)層中的溫度逐漸提高，而(升溫)保持在嚴(yán)格的空間范圍內(nèi)，直至發(fā)生燒蝕。
在圖10中，將同一模擬從圖9所示的損傷閾臨界點(diǎn)運(yùn)算開始進(jìn)一步進(jìn)行。通過在被加熱的染料的直徑60微米的圓內(nèi)以同一通量密度400J/cm2施加熱脈沖58毫秒，在45℃的疼痛感覺等溫線正好進(jìn)入被真皮包含的皮膚的衰弱層。此外，損傷閾等溫線比它在圖9中所示的位置顯著地更深入至表皮層中。將此模擬與用此方法進(jìn)行的眾多臨床研究聯(lián)系起來，模型的精確性得到極好的證實(shí)，因?yàn)槟Ｐ惋@示的幾乎就是在受驗(yàn)者感覺到之前熱探頭可施用在皮膚上的持續(xù)“接通時(shí)間”。在臨床試驗(yàn)中，用可控脈沖發(fā)生器來設(shè)定施用在皮膚上的酞菁銅(CPC)局部層上的一系列光脈沖的“接通時(shí)間”和“斷開時(shí)間”。在保持80毫秒的恒定的“斷開時(shí)間”的同時(shí)，“接通時(shí)間”逐步增加直到受驗(yàn)者訴說有輕微的“疼痛”感覺。無一例外的是，這些研究中的所有受驗(yàn)者在“接通時(shí)間”為45-60毫秒之間時(shí)訴說第一次“疼痛”，與模型所預(yù)期的非常接近。此外，在這些臨床研究中注意到了前面所述的“疼痛”感覺隨部位而變的情況。因此，訴說為“疼痛”的是第一次可以察覺明確的感覺的點(diǎn)。在一個(gè)部位，可能訴說為疼痛，而在相鄰部位，同一受驗(yàn)者可能訴說為僅僅“可以察覺”。
此臨床研究的一個(gè)要素是領(lǐng)悟，即使是在同一部位，熱脈沖的非均一的脈沖群可以與受驗(yàn)者的心理生理的神經(jīng)知覺一起作用，引起感覺的實(shí)際減退。例如，可用一系列長(zhǎng)度較短的脈沖使區(qū)域中的神經(jīng)細(xì)胞飽和，暫時(shí)地使該突觸中的神經(jīng)介質(zhì)衰竭，從而限制其傳遞“疼痛”信息的能力。其結(jié)果是，這令在這些短脈沖之后的較長(zhǎng)的脈沖比其在此序列的開頭施用較不易察覺。因此，用一些任意制造的脈沖群進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果與該假設(shè)一致。該飽和的相似情況可在下述情形時(shí)的感覺中發(fā)現(xiàn)當(dāng)一個(gè)人剛開始步入非常熱的浴池時(shí)，開始是有疼痛感覺的，但隨著他適應(yīng)熱的感覺，就迅速地變得可以忍受了。
實(shí)施例9本發(fā)明的一個(gè)目的是實(shí)現(xiàn)角質(zhì)層的無痛微穿孔而不會(huì)對(duì)周圍的有活性的組織產(chǎn)生顯著損傷。如在實(shí)施例8和圖9-10中說明的模擬中所述的，對(duì)在燒蝕靶點(diǎn)內(nèi)一給定的通量密度的熱能而言，似乎存在嚴(yán)格邊界，在此邊界內(nèi)正好可以這樣的無痛無創(chuàng)傷的方式實(shí)行微穿孔。體內(nèi)和體外研究均顯示了這樣的情形，這使得可通過實(shí)驗(yàn)方法來求出一些操作參數(shù)，而這些參數(shù)可得到很好的結(jié)果。下述模擬的組合顯示當(dāng)使用這些具體參數(shù)時(shí)此方法的效果。
在第一種情形中，將由10個(gè)脈沖的一個(gè)脈沖群施用在CPC覆蓋的皮膚上，“接通時(shí)間”與“斷開時(shí)間”各為10毫秒。圖11顯示了該脈沖群剛結(jié)束后的皮膚組織中的最終溫度分布?？梢钥吹剑硎救齻€(gè)臨界溫度閾值的等溫線顯示已實(shí)現(xiàn)了角質(zhì)層燒蝕而真皮層神經(jīng)無任何感覺，且損傷閾進(jìn)入下面的表皮中有活性的細(xì)胞很少。如前面所述，為對(duì)細(xì)胞實(shí)際產(chǎn)生持久的損傷，不僅必須將表皮細(xì)胞加熱至某一溫度，而且還必須將它們?cè)谠摐囟缺３忠欢螘r(shí)間，一般認(rèn)為約5秒鐘。圖12和13分別顯示了角質(zhì)層和有活性的表皮的溫度(作為時(shí)間函數(shù))在“接通時(shí)間”加熱和在“斷開時(shí)間”冷卻的全部10個(gè)循環(huán)。將此模擬與進(jìn)行的體內(nèi)研究相聯(lián)系，注意到在90％以上的用設(shè)定成與上述模擬相一致的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行的穿孔嘗試中，實(shí)現(xiàn)了角質(zhì)層的有效穿孔而受驗(yàn)者無疼感，在數(shù)日后進(jìn)行的穿孔部位的顯微鏡檢查中，未檢查到對(duì)組織的明顯損傷。對(duì)整個(gè)厚度的供體皮膚試樣進(jìn)行的體外研究的結(jié)果也與模型預(yù)期的一致。
實(shí)施例10在進(jìn)行的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究以及這些模擬中，看起來皮膚的預(yù)冷卻有助于減少疼痛或?qū)χ車M織產(chǎn)生損傷的可能性，使微穿孔過程最佳化。在實(shí)踐中，這可通過下述方法容易地加以實(shí)現(xiàn)在穿孔之前，緊貼著皮膚放置一塊簡(jiǎn)單的冷卻板。例如，在穿孔靶部位周圍的直徑1厘米的圓中施用珀?duì)柼?Peltier)冷卻板(板在約5℃保持幾秒鐘)，可顯著降低組織的溫度。圖3A-B是實(shí)驗(yàn)室中用于該目的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。通過將與實(shí)施例9中說明的運(yùn)算中使用的完全相同的10循環(huán)脈沖，將圖11與圖4、圖12與圖15、圖13與圖16進(jìn)行比較后即可發(fā)現(xiàn)，在對(duì)深入皮膚組織的溫度滲透深度進(jìn)行控制方面可取得多大改進(jìn)。再有，與表皮和真皮相比，角質(zhì)層的較低的熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱是有利的。一旦冷卻，表皮和真皮的高度水合的組織需要更大的熱能輸入以提升其溫度，而角質(zhì)層的組織較干，可迅速加熱至燒蝕閾值。
實(shí)施例11一旦理解了將能量傳輸至皮膚組織以進(jìn)行有效的角質(zhì)層無痛燒蝕和微穿孔的基本導(dǎo)熱機(jī)理，即可構(gòu)思出實(shí)現(xiàn)所需的接觸點(diǎn)快速溫度調(diào)節(jié)的幾種不同的具體方法，例如在圖4-7中說明的熱金屬絲實(shí)施方式。
如此處所述的，一種基本的實(shí)施方式是使用歐姆加熱元件(圖4)，例如小的無繩式焊鐵的尖頭，在歐姆加熱元件的周圍卷繞有大小合適的、相對(duì)非活性的金屬絲，剩下的較短的金屬絲從加熱器器身突出。當(dāng)用恒流電源施加電流時(shí)，加熱器將升高至某一溫度，并在幾秒鐘內(nèi)通過對(duì)流向周圍空氣釋放熱量而達(dá)到穩(wěn)態(tài)。同樣地，作為該熱系統(tǒng)一部分的金屬絲也將達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這樣，使用這種類型的部件時(shí)，金屬絲的最尖頭可升至幾乎任何任意的溫度，高達(dá)約1000℃?？蓪⒃摷忸^的大小制成可給出正好是所需的微孔大小。
在實(shí)驗(yàn)室中，使用了直徑80微米的鎢絲，連接在“WAHL”無繩式焊鐵的可替換尖頭上，金屬絲從尖頭凸出約2mm。用熱電偶測(cè)量尖頭在穩(wěn)態(tài)的溫度，注意到通過改變恒定電流的設(shè)置值，可容易地達(dá)到700℃以上的穩(wěn)態(tài)溫度。為實(shí)現(xiàn)所需的調(diào)節(jié)，將低質(zhì)量快響應(yīng)的電機(jī)械致動(dòng)器與尖頭相聯(lián)，這樣，金屬絲的位置可以高達(dá)200Hz的速率線性地平移2mm以上。接著，通過將整個(gè)裝置固定在精密平臺(tái)上，可以下述方式使該振動(dòng)的尖頭非?？煽氐嘏c皮膚表面接觸尖頭僅在每次“接通時(shí)間”與皮膚接觸10毫秒以下，而通過相應(yīng)地設(shè)定脈沖發(fā)生器則可達(dá)到任意長(zhǎng)度的“斷開時(shí)間”。這些體內(nèi)研究顯示，確實(shí)可在被穿孔的受驗(yàn)者知道金屬絲尖頭與皮膚接觸之前實(shí)現(xiàn)穿孔。
為將本實(shí)施方式的性能與光學(xué)加熱的局部CPC染料實(shí)施方式進(jìn)行比較，按實(shí)施例8的方法進(jìn)行下述模擬?；旧蟽H通過變化初始條件，可用同一模擬代碼進(jìn)行熱金屬絲實(shí)施方式。由于與金屬絲的接觸基本上是瞬時(shí)的，在CPC層中熱不會(huì)隨著時(shí)間的變化累積，當(dāng)金屬絲被物理地解除與皮膚的接觸時(shí)，在表面上無任何殘留的熱，而在加熱過的CPC染料層上有殘留的熱，還有，由于金屬絲自身確定了燒蝕/微穿孔的靶區(qū)域，在其施用在角質(zhì)層之前應(yīng)無任何熱能的橫向擴(kuò)散。“熱金屬絲”實(shí)施方式的比較性能見圖17-19。
實(shí)施例12在本實(shí)施例中，使用實(shí)施例11的方法，所不同的是，按實(shí)施例10的方法對(duì)皮膚進(jìn)行預(yù)冷卻。同樣地，在“熱金屬絲”實(shí)施方式中，對(duì)靶部位的預(yù)冷卻產(chǎn)生類似的有益結(jié)果?！盁峤饘俳z”方法的預(yù)冷卻模擬的結(jié)果見圖20-22。
實(shí)施例13如在本文的背景介紹中所討論的，Tankovich氏’803專利初看似乎與此處要求保護(hù)的發(fā)明相似。在本施例中，用Tankovich氏’803專利中所規(guī)定的操作參數(shù)構(gòu)建模擬模型，即脈沖寬度為1微秒，功率水平為40,000,000W/cm2。圖23和24顯示，在這些條件下無任何部分的角質(zhì)層達(dá)到水閃蒸的閾值即123℃，因此，未發(fā)生角質(zhì)層燒蝕/微穿孔。在實(shí)踐中，將此類型的高峰值功率、短持續(xù)時(shí)間的脈沖施用在局部染料層上，僅使皮膚表面的染料汽化而對(duì)皮膚無任何效果。因此，本實(shí)施例證明，Tankovich氏’803專利所規(guī)定的條件在此處要求保護(hù)的發(fā)明中是沒有效力的。
實(shí)施例14在本實(shí)施例中，收集按實(shí)施例6的方法在皮膚上穿孔之后得到的組織間液，并進(jìn)行分析以測(cè)定其葡萄糖濃度。數(shù)據(jù)從4名不患糖尿病的受驗(yàn)者和6名正進(jìn)行葡萄糖負(fù)荷試驗(yàn)的患糖尿病的受驗(yàn)者得到。受驗(yàn)者的年齡在27-43歲之間。此研究的目標(biāo)是研究此方法在下述方面的用途無痛地從受驗(yàn)者身上收集足夠的組織間液(ISF)以令I(lǐng)SF試樣可進(jìn)行葡萄糖含量分析，然后將這些濃度與受驗(yàn)者全血中的葡萄糖濃度進(jìn)行比較。
對(duì)所有受驗(yàn)者的血和ISF均用Miles-Bayer公司的“ELITE”系統(tǒng)進(jìn)行了葡萄糖分析。所有10名受驗(yàn)者采用同一測(cè)定方法，但對(duì)患有胰島素依賴性糖尿病的那些患者在葡萄糖負(fù)荷和胰島素投放方面進(jìn)行了調(diào)整。
此研究的基本設(shè)計(jì)是征募適當(dāng)數(shù)量的自愿者(其中一些患糖尿病而另一些不患糖尿病)，在3-4小時(shí)的整個(gè)研究期間里每3-5分鐘從這些自愿者身上抽取一系列的ISF和全血的試樣對(duì)。對(duì)血和ISF試樣均進(jìn)行葡萄糖分析，確定血糖水平與組織間液的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。為研究與全血葡萄糖水平相比ISF葡萄糖水平的假設(shè)的暫時(shí)性遲滯，誘導(dǎo)受驗(yàn)者在其葡萄糖水平上顯示顯著的動(dòng)態(tài)變化。這通過下述方法來實(shí)現(xiàn)在開始試驗(yàn)之前，讓每個(gè)受驗(yàn)者禁食12小時(shí)，然后在通過一套3個(gè)空腹時(shí)的血和ISF葡萄糖水平使其基線葡萄糖水平確立之后讓其進(jìn)行葡萄糖負(fù)荷。在基線水平確立之后，根據(jù)以下方針以甜果汁的形式讓受驗(yàn)者進(jìn)行葡萄糖負(fù)荷i.對(duì)于對(duì)照組的受驗(yàn)者，根據(jù)0.75克葡萄糖/磅體重的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算葡萄糖負(fù)荷。
ii.對(duì)于患胰島素依賴性糖尿病的受驗(yàn)者，葡萄糖負(fù)荷為50克葡萄糖。此外，在進(jìn)行葡萄糖負(fù)荷之后，患糖尿病的受驗(yàn)者將立即自我注射其正常的早晨劑量的快速作用的胰島素。在患糖尿病的受驗(yàn)者的空腹時(shí)的葡萄糖水平在300mg/dl的情況下，他們被要求先自我注射胰島素，在其血糖水平回落至120mg/dl之后進(jìn)行葡萄糖負(fù)荷。
先在“明達(dá)的同意”文件中給征募的每個(gè)受驗(yàn)者一份研究的完全說明，要求他們?cè)谡絽⑴c計(jì)劃之前理解并簽字。接受后，他們即填寫病史調(diào)查表。實(shí)施的具體臨床方法如下(a)受驗(yàn)者從晚上9點(diǎn)至研究開始禁食，只能喝水。在該期間不允許喝咖啡、果汁或抽煙。
(b)受驗(yàn)者在第二天上午9點(diǎn)之前到達(dá)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)。
(c)受驗(yàn)者落坐于斜椅中，該斜椅是提供給受驗(yàn)者以使其在整個(gè)研究過程中放松的。
(d)在受驗(yàn)者到達(dá)后即開始每隔3-5分鐘抽取全血和ISF試樣，并在接下來的3-4小時(shí)中繼續(xù)進(jìn)行。收集數(shù)據(jù)的持續(xù)期間根據(jù)在葡萄糖負(fù)荷之后何時(shí)受驗(yàn)者的血糖水平恢復(fù)至正常范圍并穩(wěn)定而定。用下面將詳細(xì)描述的光學(xué)穿孔法(ISF泵吸法)收集ISF試樣。各ISF試樣的體積約為5微升以確保能很好地裝滿ELITE試驗(yàn)帶。用常用的手指刺血針采取各血試樣。立即用Miles-Bayer公司的ELITE家用葡萄糖儀系統(tǒng)對(duì)ISF和血試樣進(jìn)行葡萄糖分析。為改善對(duì)“真”血糖水平的估計(jì)，對(duì)各刺指試樣進(jìn)行二個(gè)獨(dú)立的ELITE分析。
(e)為了便于在整個(gè)數(shù)據(jù)收集階段從給定的受驗(yàn)者的同一部位連續(xù)收集ISF變得容易，在受驗(yàn)者的上前臂上穿刺了構(gòu)成5×5矩陣的25個(gè)微孔，各微孔的寬度在50-80微米之間，彼此相距300微米。將直徑30mm、中心處有一個(gè)6mm大小的孔的特氟隆圓片用壓敏粘合劑粘在受驗(yàn)者的前臂，使6mm大小的中心孔的位置在5×5矩陣形微孔的上方。由于該粘接，從而可采用這樣一種簡(jiǎn)便方法連上小吸管，在穿孔區(qū)域施用中等真空(10-12英寸汞柱)，使ISF通過微孔從體內(nèi)流出。特氟隆圓片的頂部裝有透明的玻璃窗，令操作者可直接觀察下面已微穿孔的皮膚。當(dāng)ISF的5微升液滴在皮膚表面上形成時(shí)，可容易地用肉眼通過該窗監(jiān)測(cè)微穿孔部位來確定。該程度的真空產(chǎn)生5磅/英寸2(PSI)的標(biāo)稱壓力梯度。沒有微孔，僅用中等真空是無論如何也無法從受驗(yàn)者身上抽出ISF來。
(f)抽出頭三個(gè)試樣對(duì)之后，給受驗(yàn)者飲用高糖橘子汁，讓其進(jìn)行葡萄糖負(fù)荷。對(duì)于不患糖尿病的受驗(yàn)者，給予的葡萄糖量為0.75克/磅體重，而患糖尿病的受驗(yàn)者則為50克?；继悄虿〉氖茯?yàn)者還(定時(shí)地)自我注射一劑(日常的)快速作用的胰島素，其劑量根據(jù)該50克葡萄糖水平兼顧葡萄糖負(fù)荷的攝取而適當(dāng)?shù)厮愠?。?duì)于投放胰島素至藥劑的最大效果之間的正常的1.5-2.5小時(shí)遲滯，預(yù)期患糖尿病的受驗(yàn)者血糖水平的上升幅度可達(dá)300mg/dl，然后在胰島素起作用后回落至正常范圍。預(yù)期不患糖尿病的受驗(yàn)者呈現(xiàn)標(biāo)化的葡萄糖耐量試驗(yàn)結(jié)果，通常在進(jìn)行葡萄糖負(fù)荷之后的45-90分鐘里出現(xiàn)血糖水平的高峰(在150-220mg/dl之間)，然后在接下來的一小時(shí)左右迅速回落至其正常的基線水平。
(g)在進(jìn)行葡萄糖負(fù)荷或葡萄糖負(fù)荷加胰島素注射之后，在接下來的3-4小時(shí)里以5分鐘的間隔同時(shí)抽取受驗(yàn)者ISF試樣和刺指全血試樣。當(dāng)3個(gè)連續(xù)試樣中的血糖水平顯示受驗(yàn)者的葡萄糖已穩(wěn)定時(shí)終止取樣。
檢查數(shù)據(jù)后，可明顯看到幾個(gè)特點(diǎn)。尤其是，對(duì)任何特定批次的ELITE試驗(yàn)帶而言，與血液中顯示的水平相比，葡萄糖儀中以mg/dl葡萄糖顯示的輸出存在明顯的偏移。由于在ISF中沒有紅細(xì)胞(hematocrit)并由于ISF與全血之間的電解質(zhì)差異，預(yù)期會(huì)得到增大的讀數(shù)。不論輸出偏移的基本原因是什么，通過與參照分析的比較，確定真正的ISF葡萄糖水平與由ELITE系統(tǒng)得到的數(shù)值之間呈線性關(guān)系，對(duì)任何特定批次的ELITE帶其比例系數(shù)為常數(shù)。結(jié)果，為了將ISF葡萄糖水平與全血測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)ISF數(shù)據(jù)進(jìn)行以下的一級(jí)線性校正ISF葡萄糖＝0.606*ISFELITE+19.5。
當(dāng)用來測(cè)量ISF葡萄糖水平時(shí)，該ELITE輸出的換算令技術(shù)人員可對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)組檢查與使用ISF有關(guān)的誤差項(xiàng)以評(píng)估血糖水平。當(dāng)然，即使不作任何線性換算，ISF葡萄糖值與血糖水平之間的相關(guān)性與換算型的相同。
根據(jù)關(guān)于ISF葡萄糖方面的多數(shù)發(fā)表的文獻(xiàn)內(nèi)容以及初步的數(shù)據(jù)，本來預(yù)期在ISF葡萄糖水平與從刺指得到的全血中的葡萄糖水平之間會(huì)觀察到15-20分鐘遲滯。這并不是分析數(shù)據(jù)時(shí)顯示的結(jié)果。具體地說，當(dāng)分析各受驗(yàn)者的數(shù)據(jù)組以確定得到ISF葡萄糖水平與血糖水平之間的最大相關(guān)性所需的時(shí)間偏移時(shí)，發(fā)現(xiàn)該組受驗(yàn)者中最差的情形下，時(shí)間遲滯僅為13分鐘，平均時(shí)間遲滯僅為6.2分鐘，數(shù)名受驗(yàn)者出現(xiàn)幾乎是立即的(約1分鐘)時(shí)間響應(yīng)。
根據(jù)在該數(shù)據(jù)組觀察到的最小量遲滯，圖25所示的曲線圖給出了所有10個(gè)葡萄糖負(fù)荷試驗(yàn)，他們?cè)跀U(kuò)展的時(shí)標(biāo)上一個(gè)連著一個(gè)。給出的數(shù)據(jù)無任何時(shí)間偏移，顯示ISF與血糖水平之間的高水平跟蹤，整個(gè)臨床數(shù)據(jù)組用完全相同的方式進(jìn)行處理。若使整個(gè)數(shù)據(jù)組作為整體偏移以發(fā)現(xiàn)最佳的時(shí)間響應(yīng)估計(jì)量，ISF與血糖水平之間的相關(guān)性在r＝0.97時(shí)達(dá)到峰值，延遲時(shí)間為2分鐘。這僅是由r＝0.964的未偏移的相關(guān)性進(jìn)行的無關(guān)重要的改進(jìn)。因此，對(duì)于余下的分析，不附加任何時(shí)間偏移地處理他們的ISF值。即，與同時(shí)收集的數(shù)據(jù)對(duì)一樣處理各組血和ISF葡萄糖水平。
在將未偏移的Elite ISF讀數(shù)進(jìn)行換算以反映ISF中葡萄糖的比例之后，可檢查與這些數(shù)據(jù)有關(guān)的誤差。最簡(jiǎn)單的方法是假定二個(gè)ELITE刺指血糖讀數(shù)事實(shí)上是絕對(duì)正確的值，然后僅將換算后的ISF值與這些平均血糖值進(jìn)行比較。這些數(shù)據(jù)具體如下血-ISF的標(biāo)準(zhǔn)偏差，13.4mg/dL；ISF的變異系數(shù)，9.7％；二個(gè)Elite的標(biāo)準(zhǔn)偏差，8.3mg/dL；血(Miles公司提供)的變異系數(shù)，6％。
如這些數(shù)據(jù)所示，以血為基的測(cè)量值已含誤差項(xiàng)。事實(shí)上，廠商發(fā)表的性能數(shù)據(jù)表明，ELITE系統(tǒng)的標(biāo)稱變異系數(shù)(CV)在5-7％之間，取決于葡萄糖水平和血中紅細(xì)胞的量。
ISF葡萄糖與血糖之間差異的另一式樣以分散圖的形式顯示在圖26中。在該圖中，還顯示了90％置信度區(qū)間的上界和下界以供參考。值得注意的是，血糖水平在100mg/dL以下的范圍內(nèi)的所有數(shù)據(jù)都落入這些90％置信度區(qū)間誤差條之內(nèi)，僅有二個(gè)例外。這很重要，因?yàn)闆]有測(cè)出血糖過少的傾向，將對(duì)患糖尿病的用戶帶來非常嚴(yán)重的后果。即，過低地預(yù)報(bào)在40-120mg/dL之間的葡萄糖水平比過高地預(yù)報(bào)要更好。
基本上，若假定對(duì)ISF使用ELITE系統(tǒng)時(shí)的基本分析誤差與對(duì)全血使用ELITE系統(tǒng)時(shí)的分析誤差可以相比，則ISF葡萄糖對(duì)血糖的偏差可表示如下ISF偏差＝〔(ISF實(shí)際)2+(血實(shí)際)2〕1/2。
將該方程運(yùn)用于上面給出的數(shù)值，可對(duì)ISF誤差項(xiàng)的估計(jì)的“真實(shí)”值求解ISF實(shí)際＝〔(ISF偏差)2-(血實(shí)際)2〕1/2。
或者，用以下方程求解ISF實(shí)際＝〔(13.4)2-(8.3)2〕1/2＝10.5mg/dL。
ISF對(duì)血糖水平的相對(duì)偏差的直方圖顯示于圖27。
通過在角質(zhì)層中的孔給藥本發(fā)明還包括一種通過角質(zhì)層中的微孔輸送藥物(包括目前經(jīng)皮輸送的藥物)的方法。在一個(gè)說明性的實(shí)施方式中，通過將溶液置于穿孔部位的上面的儲(chǔ)器中來實(shí)現(xiàn)給藥。在另一個(gè)說明性實(shí)施方式中，用壓力梯度來進(jìn)一步促進(jìn)給藥。在又一個(gè)實(shí)施方式中，用超聲能來進(jìn)一步促進(jìn)給藥，此時(shí)可使用或不使用壓力梯度。超聲能的操作可按照傳統(tǒng)的經(jīng)皮參數(shù)或利用聲沖流作用(馬上將對(duì)此進(jìn)行說明)以使輸送的溶液通過穿孔的角質(zhì)層。
實(shí)施例15本實(shí)施例顯示通過在角質(zhì)層穿孔來輸送利多卡因(一種局部麻醉藥)。利多卡因溶液還含有化學(xué)滲透促進(jìn)劑制劑，它是設(shè)計(jì)來促進(jìn)利多卡因透過角質(zhì)層的被動(dòng)擴(kuò)散。說明性的輸送裝置300的圖見圖28，其中該裝置包括圍繞儲(chǔ)器308的外殼304，儲(chǔ)器用來盛納含藥溶液312。外殼的頂部包括超聲換能器316，它能提供超聲能以幫助將含藥溶液通過角質(zhì)層324中的微孔320給藥?？蓮某晸Q能器中的口子328施加壓力以進(jìn)一步幫助含藥溶液通過角質(zhì)層中的微孔給藥。將輸送裝置施用在受驗(yàn)者皮膚的一個(gè)選定區(qū)域，將裝置放置在至少一個(gè)，最好多個(gè)微孔之上。附在外殼下部的粘合劑層332可令裝置粘附在皮膚上，這樣，儲(chǔ)器中的含藥溶液可從微孔流入。通過微孔給藥的結(jié)果是，藥輸入至下面的表皮336和真皮340中。
用5名受驗(yàn)者對(duì)利用穿孔和超聲波給藥的效力進(jìn)行了試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在受驗(yàn)者左前臂上的二個(gè)部位進(jìn)行，二個(gè)部位相隔約3英寸，對(duì)稱地位于拇指與上臂之間?？拷粗傅牟课环Q作部位1，離拇指最遠(yuǎn)的部位稱作部位2。部位1用作對(duì)照部位，用同一輸送裝置300在該部位施用利多卡因和促進(jìn)劑溶液，但不在角質(zhì)層中穿孔或使用超聲能。在部位2的直徑1厘米的圓內(nèi)穿刺24個(gè)孔，這些孔彼此相距0.8毫米，呈格柵型。在部位2的穿孔采用實(shí)施例6的方法。施用利多卡因和低水平的超聲波。超聲波的施用系使用定做的Zevex型超聲換能器裝置，設(shè)置為脈沖式，峰-峰輸入為0.4伏，可產(chǎn)生以10Hz出現(xiàn)的1000個(gè)短脈沖，基頻為65.4KHz，即，得到脈沖調(diào)制的信號(hào)，換能器在15毫秒短脈沖內(nèi)被能量激發(fā)，接著關(guān)掉85毫秒。測(cè)得的放大器對(duì)換能器的輸出為0.090瓦RMS。
施用利多卡因之后，用30號(hào)金屬絲在試驗(yàn)部位來回摩擦，測(cè)定感覺。實(shí)驗(yàn)在二個(gè)部位進(jìn)行，在部位1進(jìn)行10-20分鐘；在部位2先后進(jìn)行二個(gè)5分鐘。用10至0的等級(jí)評(píng)估二個(gè)部位的麻木程度，10表示受驗(yàn)者無麻木感，0則表示受驗(yàn)者感到完全麻木。下面是所有5名受驗(yàn)者的綜合結(jié)果。
對(duì)照部位即部位1在10-12分鐘麻木感很小乃至無(等級(jí)7-10)。在約20分鐘，隨著溶液完全滲透角質(zhì)層，在部位1觀察到有些麻木(等級(jí)3)。在利多卡因施用完畢后清洗部位1。部位2在具有微孔的直徑1厘米的圓中幾乎完全麻木(等級(jí)0至1)。在直徑1厘米的圓之外，麻木感幾乎直線下降，在2.5厘米的圓為1，而在2.5厘米的圓之外則無麻木感。在第二次施用之后的部位2的評(píng)估的結(jié)果是，完全麻木圓的直徑略大，約為1.2厘米，麻木感以不規(guī)則的橢圓形模式直線下降至1，橢圓形的2-2.5厘米的直徑垂直于前臂，而其2-6厘米的直徑與前臂平行。在該區(qū)域之外未觀察到麻木。在代表性的受驗(yàn)者身上得到的說明性結(jié)果的圖形表示見圖29A-C。圖29A和29B顯示了分別在5和10分鐘之后在部位2(穿孔的)得到的結(jié)果。圖29C顯示了在部位1(對(duì)照部位，未穿孔)得到的結(jié)果。
用于促進(jìn)經(jīng)皮流動(dòng)的超聲能和促進(jìn)劑可在一種方法中利用由超聲換能器產(chǎn)生的超聲能場(chǎng)的物理作用，通過這種方法，可對(duì)聲頻進(jìn)行調(diào)制以提高用其他方法達(dá)到的流速。如此處引作參考的美國(guó)專利No.5,445,611的圖1所示，可將超聲換能器的能量分布分成近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。近場(chǎng)(用長(zhǎng)度N表征)是從第一個(gè)能量極小值至最后一個(gè)能量極大值的區(qū)域。遠(yuǎn)于最后一個(gè)極大值的區(qū)域是遠(yuǎn)場(chǎng)。近(N)場(chǎng)模式包括大量的間隔很近的局部壓力峰和零值。近場(chǎng)的長(zhǎng)度N是頻率、換能器面的形狀和大小、以及超聲波在介質(zhì)中行進(jìn)的速度的函數(shù)。對(duì)于單個(gè)換能器，在其正常操作范圍內(nèi)的強(qiáng)度變化并不會(huì)影響超聲能分布的性質(zhì)，除了以線性方式。然而，對(duì)于具有多個(gè)換能器(都對(duì)頻率和增幅進(jìn)行了調(diào)制)的系統(tǒng)，單獨(dú)的換能器的相對(duì)強(qiáng)度會(huì)影響聲介質(zhì)中的能量分布，不管介質(zhì)是皮膚或是另一種介質(zhì)。
通過適度(例如在約1-20％之間)改變超聲能的頻率，峰和零值的模式保持相對(duì)不變，但近場(chǎng)區(qū)域的長(zhǎng)度N與頻率成正比地變化。頻率的重大變化(例如2倍或2倍以上)將很可能在換能器中產(chǎn)生不同組的諧振或振動(dòng)模式，導(dǎo)致不可預(yù)知的顯著不同的近場(chǎng)能量模式。因此，對(duì)于聲頻的適度變化，峰和零值的復(fù)雜模式將以手風(fēng)琴狀方式壓縮或擴(kuò)展。通過選擇頻率調(diào)制的方向，可控制這些局部壓力峰的偏移方向。通過在皮膚表面施用超聲能，聲頻的選擇性調(diào)制可控制這些局部壓力峰通過皮膚朝身體的內(nèi)部或朝身體的表面移動(dòng)。從高向低調(diào)制頻率會(huì)驅(qū)使壓力峰進(jìn)入體內(nèi)，而從低向高調(diào)制頻率則將壓力峰從體內(nèi)推向體表并通過皮膚推向體外。
采用該施用方式的典型參數(shù)，例如，超聲換能器直徑為1.27厘米，標(biāo)稱操作頻率為10MHz，聲阻抗與水的相似，則1MHz的頻率調(diào)制在角質(zhì)層附近使近場(chǎng)能量模式的峰和零值產(chǎn)生約2.5mm的移動(dòng)。從分析物的經(jīng)皮和/或經(jīng)粘膜抽取的角度出發(fā)，這種程度的作用為進(jìn)入角質(zhì)層下面的區(qū)域，甚至是表皮、真皮或真皮下面的其他組織提供了很好的手段。對(duì)任何給定的換能器而言，可能存在最佳頻率范圍，在該范圍內(nèi)頻率調(diào)制是最有效的。
也可通過改變阻力(擴(kuò)散系數(shù))或驅(qū)動(dòng)力(擴(kuò)散梯度)來提高藥物或分析物通過皮膚的速率。使用所謂滲透促進(jìn)劑即化學(xué)促進(jìn)劑可提高速率。
化學(xué)促進(jìn)劑由二種主要類型的成分組成，即由細(xì)胞膜擾亂化合物和溶劑或者含細(xì)胞膜擾亂化合物和溶劑兩者的二元系統(tǒng)。細(xì)胞膜擾亂化合物在本領(lǐng)域是已知的，已知其可用于局部用藥劑的制備，還在通過皮膚抽取分析物中起作用。這些化合物被認(rèn)為通過使角質(zhì)層細(xì)胞膜的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)無序化而有助于皮膚滲透。這些化合物的廣泛的目錄在此處引作參考的歐洲專利申請(qǐng)No.43,738(公布日1982年6月13日)中有敘述。據(jù)信，任何細(xì)胞膜擾亂化合物都可用于本發(fā)明。
合適的溶劑包括水、二醇(例如丙二醇)和丙三醇；一元醇(例如乙醇、丙醇)和高級(jí)醇；DMSO；二甲基甲酰胺；N，N-二甲基乙酰胺；2-吡咯烷酮；N-(2-羥乙基)吡咯烷酮；N-甲基吡咯烷酮；1-十二烷基氮雜環(huán)庚烷-2-酮和其他N-取代的烷基氮雜環(huán)烷基-2-酮(氮酮)等。
1985年8月27日公布的美國(guó)專利No.4,537,776包括了現(xiàn)有技術(shù)和背景信息的出色總結(jié)，詳細(xì)描述了用于促進(jìn)滲透的某些二元系統(tǒng)的使用。由于該揭示的全面性，該文使用的信息和術(shù)語在此處引作參考。
同樣地，上面提及的歐洲專利申請(qǐng)No.43,738指出了如何使用選定的作為溶劑的二醇與許多種類的細(xì)胞膜擾亂化合物來輸送親脂性藥理活性化合物。由于它詳細(xì)地揭示了細(xì)胞膜擾亂化合物和二醇，該歐洲專利申請(qǐng)中揭示的內(nèi)容也在此處引作參考。
1985年8月21日公布的英國(guó)專利申請(qǐng)GB2,153,223A揭示了一種用于促進(jìn)甲氧氯普胺滲透的二元系統(tǒng)，它由C8-32脂族一元羧酸(不飽和的和/或分枝的(若碳原子數(shù)為18-32))的一價(jià)醇酯或C6-24脂族一元醇(不飽和的和/或分枝的(若碳原子數(shù)為14-246))和N-環(huán)狀化合物(例如2-吡咯烷酮、N-甲基吡咯烷酮等)構(gòu)成。
美國(guó)專利No.4,973,468揭示，由二甘醇一乙醚或一甲醚與丙二醇單月桂酸酯和月桂酸甲酯組成的促進(jìn)劑組合可促進(jìn)類固醇如孕激素和雌激素等經(jīng)皮給藥。由丙三醇單月桂酸酯和乙醇組成的用于藥物經(jīng)皮給藥的雙重促進(jìn)劑公開在美國(guó)專利No.4,820,720中。美國(guó)專利No.5,006,342列出了許多用于經(jīng)皮給藥的促進(jìn)劑，它們由脂肪酸酯或C2至C4鏈烷二醇的脂肪族醇醚組成，其中酯/醚的各脂肪酸/醇部分含有8-22個(gè)碳原子。美國(guó)專利No.4,863,970公開了可用于局部施用的促進(jìn)滲透的組合物，這些組合物包含促進(jìn)滲透的載體，所述載體則含有活性滲透物和指定量的一種或多種細(xì)胞膜擾亂化合物(例如油酸、油醇和油酸的丙三醇酯；C2或C3鏈烷醇和惰性稀釋劑如水等)。
其他化學(xué)促進(jìn)劑(并不一定與二元系統(tǒng)有關(guān))包括Herschler在美國(guó)專利No.3,551,554、3,711,602和3,711,606中指出的DMSO和DMSO的水溶液以及氮酮(N-取代的烷基氮雜環(huán)烷基-2-酮和例如Cooper在美國(guó)專利No.4,557,943中指出的化合物)。
某些化學(xué)促進(jìn)劑可能具有不良的副作用，如毒性和皮膚刺激性等。美國(guó)專利4,855,298揭示了這樣一種組合物，它含有其量足以產(chǎn)生抗刺激作用的甘油，可降低由含皮膚刺激性組合物的化學(xué)促進(jìn)劑引起的皮膚刺激性。
由于角質(zhì)層微穿孔與施用超聲能的組合加上使用化學(xué)促進(jìn)劑可提高分析物的抽取速率或滲透物通過角質(zhì)層的輸送速率，因此，可從現(xiàn)有技術(shù)中已有的一長(zhǎng)串載體目錄中選擇具體的載體和具體使用的化學(xué)促進(jìn)劑，其中的一些載體和化學(xué)促進(jìn)劑已在上面敘述過并在此處引作參考。詳細(xì)說明或具體例舉本領(lǐng)域中已有的這些化合物想來是不必要的。本發(fā)明并不限于化學(xué)促進(jìn)劑本身的使用，據(jù)信，可用于經(jīng)皮輸送藥物的所有的化學(xué)促進(jìn)劑將可在光學(xué)微穿孔中與染料一起發(fā)揮作用，還可在從皮膚下面和通過皮膚表面抽取可測(cè)量的分析物或通過皮膚表面輸送滲透物或藥物方面與超聲能一起發(fā)揮作用。
實(shí)施例16在人尸皮膚試樣上測(cè)試調(diào)制的聲能和化學(xué)促進(jìn)劑控制經(jīng)皮流動(dòng)的能力。在這些試驗(yàn)中，用實(shí)施例1的熱分離方法從人尸完整皮膚上分離得到表皮膜。將表皮膜切割并置于滲透盒的兩部分之間，角質(zhì)層面向上(供體)層或下(受體)層。如美國(guó)專利No.5,445,611圖2所示，用改裝的Franz盒支持表皮。每個(gè)Franz盒由以一個(gè)或幾個(gè)夾子夾住的上層和下層組成。下層有一個(gè)取樣孔，材料即從此孔加上或取掉。當(dāng)上、下層夾在一起時(shí)，角質(zhì)層就夾在它們之間。每個(gè)Franz盒的上層改成能使超聲振子放在離角質(zhì)層膜1cm以內(nèi)的位置。用亞甲藍(lán)作為指示劑分子以評(píng)價(jià)角質(zhì)層的滲透。用視頻攝影機(jī)和磁帶錄象機(jī)(未示出)以帶有時(shí)間標(biāo)記的磁帶格式得到每次試驗(yàn)的過程和結(jié)果的可視記錄。另外，取下試樣，用吸收光譜儀定量測(cè)定試驗(yàn)中透過角質(zhì)層的染料。適用的化學(xué)促進(jìn)劑可以是如上所述的各種溶劑和/或干擾細(xì)胞被覆層的化合物。具體所用的促進(jìn)劑是體積比為50/30/15/2.5/2.5的乙醇/甘油/水/單油酸甘油酯/月桂酸甲酯。產(chǎn)生和控制聲能的系統(tǒng)包括可編程序的0-30MHz任意波形發(fā)生器(Stanford Reserach Systems Model DS345)、20瓦特0-30MHz放大器及共振峰分別在15和25MHz的兩個(gè)未聚焦超聲浸沒式振子。同時(shí)準(zhǔn)備6個(gè)盒，用于測(cè)試從同一供體而來的角質(zhì)層試樣。安置好角質(zhì)層試樣后，用蒸餾水將其水合至少6小時(shí)再進(jìn)行試驗(yàn)。
實(shí)施例17無化學(xué)促進(jìn)劑時(shí)聲能的作用如實(shí)施例16所述，將經(jīng)熱分離的表皮置于Franz盒中，表皮側(cè)向上，角質(zhì)層側(cè)向下，除非另有所指。下層充以蒸餾水，而上層充以亞甲藍(lán)在蒸餾水中的濃溶液。
熱分離的表皮將上層充以亞甲藍(lán)后立即用完全浸沒的振子施加聲能于其中一個(gè)盒。這樣的安排方式對(duì)應(yīng)于振子放在皮膚褶的對(duì)側(cè)，或使聲能從放置在相同位置的反射板上反射出去，用來“推動(dòng)”被分析物從褶的另一側(cè)流出，進(jìn)入收集裝置。聲能最初設(shè)置于標(biāo)稱運(yùn)行頻率為25MHz，相當(dāng)于20伏特峰-峰(P-P)輸入波形的強(qiáng)度。這大致相當(dāng)于對(duì)振子1瓦特的平均輸入能，同樣，按制造商的數(shù)據(jù)假定此振子的標(biāo)稱變換效率為1％，則輸出聲能為在0.78cm2活性區(qū)域表面約0.01瓦特，或聲能強(qiáng)度為0.13瓦特/cm2。其它3個(gè)對(duì)照盒無聲能施加于其上。5分鐘后關(guān)閉聲能。任何盒在此間期均未觀察到染料流經(jīng)角質(zhì)層的肉眼可見的指標(biāo)，表明在2ml接收介質(zhì)中染料溶液濃度低于約0.0015％(v/v)。
同樣的3個(gè)對(duì)照盒和1個(gè)試驗(yàn)盒的試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行如下將聲能的強(qiáng)度增加到從一個(gè)p-p輸入為70伏特、平均功率輸入為12瓦的驅(qū)動(dòng)器所能得到最大可能的輸出，或約0.13瓦特/cm2的超聲輸出強(qiáng)度。還將頻率設(shè)置成從30MHz掃描至10MHz。這20MHz的掃描每秒進(jìn)行10次，即掃頻率為10Hz。在這些輸入功率水平，必須監(jiān)測(cè)聲能振子以避免過熱。將一接觸熱電偶施加于振子的體部，周期地開啟和關(guān)閉電源，使振子的最大溫度保持在42℃以下。在以50％占空比1分鐘開和1分鐘關(guān)施加最大功率約30分鐘后，用肉眼仍檢測(cè)不出角質(zhì)層被亞甲藍(lán)滲透。
然后將冷水套連接到聲能振子上，延長(zhǎng)在最大能量水平上激發(fā)的時(shí)間。采用同樣的3個(gè)對(duì)照和1個(gè)實(shí)驗(yàn)盒，將聲能以最大功率施加于實(shí)驗(yàn)盒上12小時(shí)。這時(shí)，上層的液溫僅僅升高到35℃，僅略高于約31℃的在體角質(zhì)層正常溫度。如上所述施加聲能12小時(shí)后，4個(gè)盒中無一出現(xiàn)染料流經(jīng)角質(zhì)層的可見證據(jù)。
實(shí)施例18無化學(xué)促進(jìn)劑時(shí)聲能的作用穿孔的角質(zhì)層如實(shí)施例16所述，準(zhǔn)備6個(gè)盒。將夾住Franz盒上下層的夾子夾緊到超出通常密封上下層所需的程度，并緊到人工引起穿孔的程度，在熱分離表皮試樣引入“針孔”。當(dāng)染料溶液加到每個(gè)盒的上層時(shí)，立刻有肉眼可見的染料經(jīng)角質(zhì)層上形成的孔漏入下層的跡象。施加聲能于其中角質(zhì)層刺有這樣的“針孔”的盒上，觀察到液體經(jīng)角質(zhì)層上針孔的轉(zhuǎn)移迅速增加。指示劑染料分子的轉(zhuǎn)移速率與聲能施加與否直接相關(guān)。即，聲能的施加引起指示劑分子經(jīng)角質(zhì)層針孔的即時(shí)脈沖(滯后時(shí)間約＜0.1秒)。在切斷聲能時(shí)，指示劑分子的脈沖立即停止(切斷滯后約＜0.1秒)。脈沖可按所描述的被重復(fù)。
實(shí)施例19聲能和化學(xué)促進(jìn)劑的作用使用兩種不同的化學(xué)促進(jìn)劑制劑?；瘜W(xué)促進(jìn)劑1(CE1)是乙醇/甘油/水/單油酸甘油酯/月桂酸甲酯(50/30/15/2.5/2.5體積比)的混合物。這些成分用作藥物賦形劑被FDA一般認(rèn)為是安全的，即GRAS?；瘜W(xué)促進(jìn)劑2(CE2)是一種實(shí)驗(yàn)制劑，它在促進(jìn)藥物經(jīng)皮輸送上被證明極有效，但對(duì)于長(zhǎng)期經(jīng)皮給藥的應(yīng)用一般認(rèn)為刺激性太大。CE2含有乙醇/甘油/水/月桂酮(lauradone)/月桂酸甲酯(體積比50/30/15/2.5/2.5)。月桂酮是2-吡咯烷酮-5-羧酸(“PCA”)的月桂基(十二烷基)酯，也稱作月桂酸基PCA。
除了經(jīng)熱分離的表皮的放置是表皮層向下，即角質(zhì)層側(cè)向上之外，如前(實(shí)施例16)所述，安置好6個(gè)Franz盒。將每個(gè)試樣暴露于蒸餾水中過夜以完成水合作用。開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，在所有6個(gè)盒中用亞甲藍(lán)替換下層的蒸餾水。將上層充以蒸餾水，對(duì)盒觀察約30分鐘，確認(rèn)無染料通過以保證任何盒中均不存在針孔穿孔。當(dāng)無一被發(fā)現(xiàn)時(shí)，從4個(gè)盒中除去上層的蒸餾水。其它2個(gè)盒作為蒸餾水對(duì)照。然后將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)盒的上層充以CE1，其它兩個(gè)實(shí)驗(yàn)盒充以CE2。
立即施加聲能于兩個(gè)CE2盒中的一個(gè)。使用25MHz的振子，在最大強(qiáng)度≌0.13瓦特/cm2每0.1秒從10MHz到30MHz掃頻一次。以50％占空比施加聲能10-15分鐘后，肉眼檢測(cè)到染料的流動(dòng)。在其它5個(gè)盒中未檢出染料流動(dòng)。
然后施加聲能于同樣設(shè)置的含有CE1的兩個(gè)盒中的一個(gè)。5分鐘內(nèi)，染料開始在上層出現(xiàn)。因此，聲能和化學(xué)促進(jìn)劑一起，明顯地提高標(biāo)記物染料通過角質(zhì)層的經(jīng)皮流動(dòng)速率及減少滯后時(shí)間。
實(shí)施例20聲能和化學(xué)促進(jìn)劑的作用將兩種化學(xué)促進(jìn)劑，CE1和CE2的配方減去甘油，進(jìn)行制備，這些新的制劑稱作CE1MG和CE2MG，進(jìn)行如上實(shí)驗(yàn)。用水替代甘油，使其它成分的比例保持不變。用改良的Franz盒制備3個(gè)盒，使經(jīng)熱分離的表皮的表皮側(cè)面對(duì)兩層中的上層。然后將這些試樣在蒸餾水中水合8小時(shí)。水合步驟后，用CE1MG或CE2MG替換下層中的蒸餾水，上層充以染料溶液。相繼施加聲能于3個(gè)盒中的每一個(gè)。
施加脈沖、調(diào)頻聲能總時(shí)間少于10分鐘，觀察到角質(zhì)層試樣的滲透性明顯增加。暴露于化學(xué)促進(jìn)劑和聲能的整個(gè)區(qū)域，角質(zhì)層滲透性的改變相當(dāng)均勻。未觀察到染料通過其跨越角質(zhì)層的“針孔”穿刺。通過開啟或關(guān)閉聲能可即時(shí)控制經(jīng)皮流速。關(guān)閉聲能似乎即時(shí)降低經(jīng)皮流速，以至未見染料通過皮膚試樣主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)；可能流速降低到被動(dòng)擴(kuò)散的程度。再開啟聲能，立即恢復(fù)高水平的流速。調(diào)制的方式看來是以調(diào)制的速率提供規(guī)則的脈沖式經(jīng)皮流速的增加。當(dāng)聲能置于恒定頻率時(shí)，對(duì)于這種設(shè)置的經(jīng)皮流速的最大增加似乎出現(xiàn)于27MHz左右。
所有3個(gè)試樣獲得同樣結(jié)果后，排出所有液體，用蒸餾水沖洗角質(zhì)層的兩側(cè)。下層立即充以蒸餾水，上層再充以染料溶液。對(duì)盒觀察30分鐘。在角質(zhì)層試樣上未觀察到孔，在下層中未檢出大量染料。下層中可見少量染料，可能是因皮膚試樣從其以前的暴露中捕獲的染料和促進(jìn)劑。再過12小時(shí)后，檢出的染料量仍然很少。
實(shí)施例21聲能和化學(xué)促進(jìn)劑的作用穿孔的角質(zhì)層制備3個(gè)帶有經(jīng)熱分離的表皮試樣的盒，表皮側(cè)面對(duì)如實(shí)施例16所述來自同一個(gè)供應(yīng)商的盒的上側(cè)。將試樣水合8小時(shí)，然后將下層的蒸餾水用CE1MG或CE2MG替換。將上層充以染料溶液。角質(zhì)層上的針孔使染料經(jīng)角質(zhì)層試樣漏入其下面的含促進(jìn)劑的盒。施加聲能。施加聲能后染料分子立即快速經(jīng)孔推進(jìn)。如上所述，染料快速流經(jīng)孔與聲能的施加直接并立即相關(guān)。
實(shí)施例22聲能和化學(xué)促進(jìn)劑的作用測(cè)試低成本的聲能振子TDK#NB-58S-01(TDK Corp.)提高經(jīng)皮流速的能力。測(cè)得該振子的峰值響應(yīng)約為5.4MHz，在約7MHz、9MHz、12.4MHz和16Mhz出現(xiàn)其它局部峰。
然后于5.4MHz測(cè)試該TDK振子與CE1MG一起提高經(jīng)皮流速的能力。設(shè)置3個(gè)盒，表皮側(cè)面對(duì)下層，將皮膚試樣水合8小時(shí)。在下層中放入染料溶液。將振子放在上層浸于CE1MG中。用5.3-5.6Mhz的掃描頻率作為聲能激發(fā)，5分鐘內(nèi)大量染料經(jīng)角質(zhì)層移動(dòng)，在盒的收集井中被檢出。出現(xiàn)局部發(fā)熱，振子達(dá)到溫度48℃。在使用CE1MG而無聲能的對(duì)照例中，24小時(shí)的暴露在收集井中得到的染料少于使用聲能的5分鐘暴露。
本實(shí)施例證明，低成本、低頻率聲能振子與適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)促進(jìn)劑合用，可顯著地影響經(jīng)皮流速。盡管高頻聲能理論上能將更多的能量集中于角質(zhì)層，但與化學(xué)促進(jìn)劑合用時(shí)，較低的調(diào)頻聲能即能提高經(jīng)皮流速，使此技術(shù)變得有用和有實(shí)際意義。
實(shí)施例23經(jīng)人皮膚的分子遷移的證實(shí)如上所述用TDK振子和CE1MG的試驗(yàn)在約12.4MHz(振子的最高局部諧振峰)進(jìn)行重復(fù)，頻率掃描以2Hz速率從12.5掃至12.8MHz，聲能密度低于0.1W/cm2。經(jīng)熱分離的表皮的表皮側(cè)向下，染料溶液在下層，促進(jìn)劑溶液和聲能置于上層。5分子內(nèi)大量染料經(jīng)角質(zhì)層進(jìn)入收集井。振子的歐姆發(fā)熱明顯低于在5.4MHz運(yùn)行的同樣的振子，引起化學(xué)促進(jìn)劑溫度增加至僅約33℃。
即使在如此低的效率水平，用CE1MG和來自TDK振子的聲能在檢測(cè)方向所得的結(jié)果是明顯的。美國(guó)專利No.5,445,611的圖3A和3B顯示從在檢測(cè)方向測(cè)定經(jīng)皮流速的3個(gè)盒所得的數(shù)據(jù)的曲線圖。即使在5分鐘這一點(diǎn)上，在角質(zhì)層外側(cè)的化學(xué)促進(jìn)劑中也存在容易測(cè)量到的染料量，表明染料從表皮側(cè)經(jīng)角質(zhì)層流至皮膚試樣的“外側(cè)”。
為了優(yōu)化聲能或聲能/化學(xué)促進(jìn)劑處理應(yīng)用于從機(jī)體收集和檢測(cè)被分析物的方法，需要測(cè)試感興趣的被分析物量的儀器。一種在用聲能或聲能/化學(xué)促進(jìn)劑抽取被分析物過程中取得多個(gè)讀數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)無須在包羅大樣本的基礎(chǔ)上統(tǒng)一和使不同的皮膚特性和流速標(biāo)準(zhǔn)化。在收集系統(tǒng)中被分析物濃度增加的時(shí)間內(nèi)取兩個(gè)或兩個(gè)以上相對(duì)于時(shí)間的數(shù)據(jù)點(diǎn)，就可應(yīng)用曲線擬合法確定描述被分析物取出速度或流速與達(dá)到平衡的點(diǎn)的關(guān)系曲線的參數(shù)，從而建立區(qū)間濃度的量度。此曲線的一般形式在一個(gè)體和另一個(gè)體之間是不變的，僅僅參數(shù)改變。一旦這些參數(shù)確立，求出此函數(shù)的穩(wěn)態(tài)解(即相當(dāng)于時(shí)間為無窮大)，即當(dāng)平衡建立時(shí)的解，就可得到體內(nèi)被分析物的濃度。因此，這一方法可在對(duì)于一個(gè)群體所有成員(不考慮皮膚滲透的個(gè)體差異)用同樣長(zhǎng)度的時(shí)間進(jìn)行所需精密度的測(cè)定。
目前有幾種現(xiàn)存的檢測(cè)技術(shù)適用于本申請(qǐng)。見D.A.Christensen，in 1648Proceedings of Fiber Optic，Medical and Fluorescent Sensors and Applications 223-26(1992)。一種方法涉及使用以幾乎平行的方式很近地放在一起的一對(duì)光纖維。纖維之一為光源纖維，光能經(jīng)此纖維傳導(dǎo)。另一根纖維是連接于光敏二極管的檢測(cè)纖維。當(dāng)光通過光源纖維傳導(dǎo)時(shí)，光能的一部分(迅衰波)存在于纖維表面，此光能的一部分被檢測(cè)纖維收集。檢測(cè)纖維將捕獲的迅衰波的能量傳導(dǎo)給光敏二極管，后者測(cè)定該能量。將纖維用粘合劑處理以吸引和粘合待測(cè)被分析物。當(dāng)被分析物分子結(jié)合于表面時(shí)(例如結(jié)合于固定的凝集素如伴刀豆球蛋白A或固定的抗葡萄糖抗體的被分析物葡萄糖)，兩根纖維之間耦合的迅衰波的量改變，被檢測(cè)纖維捕獲和被二極管測(cè)得的能量的量也改變。在短時(shí)間內(nèi)測(cè)得迅衰波的幾次測(cè)量，就可快速測(cè)定描述平衡曲線的參數(shù)，從而可計(jì)算體內(nèi)被分析物的濃度。用該系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)顯示可測(cè)出的流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(美國(guó)專利No.5,445,661圖3A和3B)在5分鐘內(nèi)收集到足夠數(shù)據(jù)以定出精確的最后讀數(shù)。
在其最基本的實(shí)施例中，可用來施加聲能和收集被分析物的裝置包括一塊天然或合成材料的吸收板，它用作化學(xué)促進(jìn)劑(如果使用的話)的儲(chǔ)庫(kù)和用以從皮膚表面接收被分析的儲(chǔ)庫(kù)。該板或儲(chǔ)庫(kù)被動(dòng)地或借助于合適的緊固工具(如帶子或粘合帶)被固定在皮膚表面所選區(qū)域的適當(dāng)位置。
聲能振子的放置是使板或儲(chǔ)庫(kù)介于皮膚表面和振子之間，用合適的工具固定。將電源連接于振子上，用開關(guān)裝置或任何其它合適的機(jī)械啟動(dòng)。振子啟動(dòng)后，根據(jù)需要輸送調(diào)頻、調(diào)相或調(diào)幅的聲能，以從儲(chǔ)庫(kù)輸送化學(xué)促進(jìn)劑通過皮膚表面，然后從皮膚表面收集被分析物到儲(chǔ)庫(kù)中。在所需的固定或可變的時(shí)間后，將振子關(guān)掉?，F(xiàn)在含有感興趣的被分析物的板或儲(chǔ)庫(kù)可取下，用實(shí)驗(yàn)室用的任何一種常規(guī)化學(xué)分析方法或用便攜式的儀器將被分析物定量?；蛘撸糠治霰环治鑫锏臋C(jī)械可裝在用于收集被分析物的裝置內(nèi)，作為裝置的整體部分或作為一個(gè)附件。美國(guó)專利No.5,458,140描述了檢測(cè)被分析物的裝置，該專利在此引為參考。
實(shí)施例24在如上所述經(jīng)穿孔的皮膚表面收集試樣后檢測(cè)被分析物(如葡萄糖)的另一種方法可通過使用酶學(xué)方法來達(dá)到。有多種測(cè)量生物學(xué)樣品中葡萄糖的酶學(xué)方法。一個(gè)方法涉及用葡萄糖氧化酶氧化樣品中的葡萄糖以產(chǎn)生葡糖酸內(nèi)酯和過氧化氫。然后在無色的色原存在下用過氧化物酶將過氧化氫轉(zhuǎn)化為水和有色產(chǎn)物。
有色產(chǎn)物的強(qiáng)度將與液體中葡萄糖的量成比例。顏色可用常規(guī)的吸收或反射的方法加以測(cè)定。用已知的葡萄糖濃度作校準(zhǔn)，即可用顏色的量確定收集的被分析物中的葡萄糖濃度。通過試驗(yàn)確定其關(guān)系，即可計(jì)算受試者血液中的葡萄糖濃度。這一知識(shí)可與使用從手指穿刺血液葡萄糖試驗(yàn)所得的知識(shí)以同樣的方式加以使用。結(jié)果可在5-10分鐘內(nèi)獲得。
實(shí)施例25采用視覺顯示或讀出葡萄糖濃度的任何系統(tǒng)可給診斷醫(yī)師或患者指明需要投與胰島素或其它合適的藥物。在重癥監(jiān)護(hù)或需要持續(xù)監(jiān)測(cè)及幾乎需要同時(shí)采取矯正措施的其它情況下，顯示器可與適當(dāng)?shù)挠|發(fā)胰島素或其它藥物給藥的適當(dāng)信號(hào)裝置相連接。例如，有植入腹腔或其它體腔的胰島素泵，它可被外源性或內(nèi)源性刺激所激活。或者，利用本發(fā)明的可提高經(jīng)皮流速的角質(zhì)層微穿孔和其它技術(shù)，可以裝設(shè)經(jīng)皮輸送胰島素的系統(tǒng)，其流速控制受來自葡萄糖感受系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制。以這樣的方式，可得到完全生物醫(yī)學(xué)控制的系統(tǒng)，它不但監(jiān)測(cè)和/或診斷醫(yī)學(xué)需求，而且同時(shí)提供矯正措施。
同樣性質(zhì)的生物醫(yī)學(xué)控制系統(tǒng)也可用于其它情況下，如維持電解質(zhì)平衡或根據(jù)測(cè)得的被分析物參數(shù)(如前列腺素)給予鎮(zhèn)痛劑。
實(shí)施例26與可聽見的聲音相同，超聲波遇到另一個(gè)具有不同性質(zhì)的介質(zhì)時(shí)，可發(fā)生反射、折射和吸收〔D.Bommannan et al.，9 Pharm.Res.559(1992)〕?？捎梅瓷溏R或透鏡將聲能聚焦或控制其在受研究的組織上的分布。對(duì)于人體上的很多部位，可發(fā)現(xiàn)一團(tuán)活體來支持這一系統(tǒng)。例如，耳垂是方便的部位，可用反射鏡或透鏡來幫助方位控制(如“推動(dòng)”被分析物或滲透物通過角質(zhì)層)，其作用與改變聲頻和聲波強(qiáng)度相似。
實(shí)施例27可用多個(gè)聲能振子選擇性地控制通過角質(zhì)層的經(jīng)皮流入體內(nèi)或從機(jī)體流出的流動(dòng)方向。一塊皮膚，如耳垂，可允許振子置于其任一側(cè)。振子可選擇性地激發(fā)或以相控方式激發(fā)，以促進(jìn)所需方向的經(jīng)皮流動(dòng)?？山⒄褡拥年嚵谢蚵晫W(xué)回路，利用相控陣列的概念進(jìn)行(類似于對(duì)雷達(dá)和微波通訊系統(tǒng)所發(fā)明的)，使聲能對(duì)準(zhǔn)和聚焦到所研究的區(qū)域。
實(shí)施例28在本實(shí)施例中，除了按美國(guó)專利No.4,775,361所述方法先用準(zhǔn)分子激光器(如Lambda Physik的EMG/200型；193nm波長(zhǎng)，14ns脈沖寬度)處理經(jīng)熱分離的表皮試樣以燒蝕角質(zhì)層之外，按照實(shí)施例19的方法進(jìn)行，該美國(guó)專利在此引為參考。
實(shí)施例29在本實(shí)施例中，除了先用碘化1，1′-二乙基-4，4′-羰花青(Aldrich，λ＝703nm)處理經(jīng)熱分離的表皮試樣，然后用TOLD9150型激光二極管(Toshiba AmericaElectronic，30mW，于690nm)輸送總量70mJ/cm2/50ms的激光到經(jīng)染料處理的試樣以燒蝕角質(zhì)層之外，按照實(shí)施例19的方法進(jìn)行。
實(shí)施例30在本實(shí)施例中，除了染料是靛藍(lán)花青綠(Sigma cat.No.I-2633；λ＝775nm)、激光器是Diolite 800-50(LiCONiX，50nW，于780nm)之外，按照實(shí)施例29的方法進(jìn)行。
實(shí)施例31在本實(shí)施例中，除了染料是亞甲藍(lán)、激光器是SDL-8630(SDL Inc.，500mW，于670nm)之外，按照實(shí)施例29的方法進(jìn)行。
實(shí)施例32在本實(shí)施例中，除了染料包含在含有滲透促進(jìn)劑(如CE1)的溶液中之外，按照實(shí)施例29的方法進(jìn)行。
實(shí)施例33在本實(shí)施例中，除了暴露于超聲以幫助將染料和含促進(jìn)劑的溶液輸送到角質(zhì)層之外，按實(shí)施例29的方法進(jìn)行。
實(shí)施例34在本實(shí)施例中，除了脈沖光源是在400-1100nm寬的范圍發(fā)射但在系統(tǒng)中置有帶通濾光片以將輸出限制到約650-700nm波長(zhǎng)區(qū)的短弧光燈之外，按實(shí)施例31的方法進(jìn)行。
實(shí)施例35在本實(shí)施例中，除了經(jīng)熱分離的表皮試樣先用校正過的微型剌血針(BectonDickinson)穿剌，在角質(zhì)層上產(chǎn)生微孔而不達(dá)到其下面的組織之外，按實(shí)施例19的方法進(jìn)行。
實(shí)施例36在本實(shí)施例中，除了經(jīng)熱分離的表皮試樣先用70-480mJ/cm2/50ms范圍的聚焦的聲能處理以燒蝕角質(zhì)層之外，按實(shí)施例19的方法進(jìn)行。
實(shí)施例37在本實(shí)施例中，除了先用高壓液體噴射進(jìn)行液壓穿刺以形成直徑不大于約100μm的微孔之外，按實(shí)施例19進(jìn)行。
實(shí)施例38在本實(shí)施例中，除了用短的電脈沖先將角質(zhì)層穿刺以形成直徑不大于約100μm的微孔之外，按實(shí)施例19進(jìn)行。
實(shí)施例39聲學(xué)致流作用(Aconotic Streaming)
下面將描述聲能在經(jīng)角質(zhì)層上形成的微孔將治療物質(zhì)輸送到體內(nèi)和/或從體內(nèi)將體液收獲到外部貯庫(kù)中的新機(jī)制和應(yīng)用。本發(fā)明的另一個(gè)方面是利用聲能對(duì)人皮膚的表皮和真皮中的完整細(xì)胞周圍和細(xì)胞之間的流體產(chǎn)生聲學(xué)致流效應(yīng)。有許多文獻(xiàn)說明，聲學(xué)致流作用是聲能與液體介質(zhì)相互作用的一種模式(Nyborg，physical Acoustics Principles and Methods，p.265-331.Vol.II-Part B，AcademicPress.1965)。聲學(xué)致流現(xiàn)象的首次理論分析是由Rayleigh(1884，1945)作出的。在對(duì)該課題的廣泛討論中，Longuet Higgins(1953-1960)得出了可適用于在任何振動(dòng)柱面附近產(chǎn)生的二維流動(dòng)的結(jié)果。Nyborg(1958)發(fā)展了對(duì)任意表面的三維近似。如Fairbanks et al.，1975 Uitrasonics Symposium Proceedings，IEEE Cat.#75，CHO994-45U所述，聲能和聲學(xué)致流現(xiàn)象對(duì)促進(jìn)液體經(jīng)多孔介質(zhì)流動(dòng)有很大用處，顯示可測(cè)量的流速增加高達(dá)50倍，這可能是被動(dòng)的或僅施加壓力梯度。
以前所有利用超聲波的經(jīng)皮輸送或抽取的努力都集中于旨在使角質(zhì)層易于滲透的聲能和皮膚組織相互作用的方法。所涉及的相互作用的確切方式無一例外地被假設(shè)為由于角質(zhì)層溫度的局部升高，及所導(dǎo)致的在角質(zhì)細(xì)胞之間的細(xì)胞間隙的脂質(zhì)區(qū)的熔融(Srinivasan et al.)。其他研究者提出角質(zhì)層形成微穴和/或結(jié)構(gòu)撕開打開了通道，液體可經(jīng)此通道更容易地流動(dòng)。一般來說，提高經(jīng)皮流速的聲學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于這樣的早期認(rèn)識(shí)，即應(yīng)用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)用來對(duì)受試者產(chǎn)生“深加熱”效應(yīng)的超聲治療器，結(jié)合含有擬輸入體內(nèi)的藥物的凝膠狀或液狀制劑的局部應(yīng)用，會(huì)對(duì)藥物進(jìn)入體內(nèi)的流速產(chǎn)生可定量的增加。在本說明書中所揭示的在此屏障層上產(chǎn)生微孔方法的來龍去脈上，使用聲能的方式與經(jīng)典定義的聲泳概念相比，可認(rèn)為是完全新的和不同的觀念。
基于美國(guó)專利5,458,140和5,445,611所述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即在體外研究所用的Franz盒中的角質(zhì)層(SC)上存在或形成小洞時(shí)，施加適當(dāng)驅(qū)動(dòng)的超聲振子于經(jīng)穿孔的SC試樣任何一側(cè)的液體貯庫(kù)，可產(chǎn)生“聲學(xué)致流”現(xiàn)象，其中液體可以大流速泵壓通過該經(jīng)穿孔的膜。
用本說明書所所示的在活體皮膚角質(zhì)層上產(chǎn)生控制的微成孔作用的方法，現(xiàn)在可實(shí)際地探討聲/液相互作用的液流方式在液體吸入或吸出機(jī)體上的應(yīng)用。例如，臨床研究表明，在400μm2上形成一系列4個(gè)直徑80μm的微孔，然后對(duì)此區(qū)域施加輕度抽吸(10-12英寸Hg)，即可吸出平均約1μl的組織間液(ISF)，離開機(jī)體收集在體外的器皿中。在這系統(tǒng)中加一低功率小型聲振子，配置成它能速效地在穿孔部位周圍2-6mm的組織上產(chǎn)生向內(nèi)會(huì)聚的同心圓壓力波，經(jīng)證實(shí)，此ISF流速可被提高約50％。
如果不想在皮膚組織上產(chǎn)生某種形式的聲能直接吸收(如要求產(chǎn)生熱)，可測(cè)定皮膚組織對(duì)其基本透明的聲能的頻率，即在1kHz至500kHz的極低頻率區(qū)。使用顯微鏡觀察體內(nèi)試驗(yàn)，其中受試者皮膚被微穿孔，ISF被引出機(jī)體匯集至皮膚表面，即使在所試驗(yàn)的某些最低頻率也可觀察到明顯的聲學(xué)致流效應(yīng)。使聲振子受激勵(lì)，顯示引入注目的聲學(xué)致流數(shù)量的肉眼可見的標(biāo)志，因?yàn)楫?dāng)ISF渦動(dòng)時(shí)，小的顆粒物質(zhì)隨之一起運(yùn)動(dòng)。典型的運(yùn)動(dòng)幅度可描述如下對(duì)于皮膚表面直徑3mm的圓形ISF匯合物而言，可見一個(gè)肉眼可見的顆粒每秒鐘約轉(zhuǎn)完3個(gè)完整的圓周。這相當(dāng)于大于2.5mm/秒的流體線速度。用小于100mW/cm2的進(jìn)入組織的聲能水平可證實(shí)這全部作用。
人們可以容易地觀察皮膚的上表面及其上面的液體的活動(dòng)，但評(píng)價(jià)皮膚組織層內(nèi)部在聲能耦合至這些組織內(nèi)部時(shí)響應(yīng)于這耦合而發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化卻是相當(dāng)困難的。人們可以假定，如果可在表面上這樣容易地產(chǎn)生這樣大的流體線速度(如＞2.5mm/S)，則存在于活真皮組織細(xì)胞間通道的液流也應(yīng)可見到響應(yīng)于此聲能輸入的增加。最近，對(duì)施加低頻聲能于穿孔部位周圍圓周內(nèi)的區(qū)域而經(jīng)微孔收集的ISF進(jìn)行了定量測(cè)量。在該實(shí)驗(yàn)中，用完全相同的儀器但裝上聲振子，來代替僅僅基于輕吸(10-12時(shí)Hg)的收集ISF的技術(shù)。在一系列10個(gè)兩分鐘的收集時(shí)間中，5個(gè)只用抽吸，5個(gè)用抽吸加聲能，觀察到在同樣的時(shí)間中啟動(dòng)聲源而收集到的ISF約高50％。這些數(shù)據(jù)見圖30。這樣的ISF流速增加，是在受試者沒有報(bào)導(dǎo)任何因聲能而引起的感覺增強(qiáng)的情況下實(shí)現(xiàn)的。本試驗(yàn)所用的儀器圖示于圖31-33。圖31-33的換能器組件包括一個(gè)壓電材料的厚壁圓筒，內(nèi)徑約8mm，壁厚4mm。將此圓筒極化，使得當(dāng)在外徑和內(nèi)徑的金屬化表面之間施加電場(chǎng)時(shí)，圓筒壁的厚度隨電場(chǎng)的極性而擴(kuò)展或收縮。實(shí)際上，這樣的結(jié)構(gòu)可得到一種裝置，該裝置迅速擠壓被吸入中心洞中的組織，對(duì)存在于這些組織中的液體產(chǎn)生向內(nèi)的徑向聲學(xué)致流作用。這種向內(nèi)的聲學(xué)致流作用會(huì)將更多的ISF帶到洞中央的微穿孔部位，在此離開機(jī)體被外部收集。
建立和試驗(yàn)了圖34A-B所示類似的裝置，產(chǎn)生類似的初步結(jié)果。在圖34A-B示意圖中，將猶他州鹽湖城Zevex，Inc.制造的超聲振子進(jìn)行改良，在超聲集音器上加有刮刀形延伸物。在此延伸物的0.5厚的刮刀端有4mm的洞。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)，主要運(yùn)動(dòng)是沿刮刀的長(zhǎng)度的縱向運(yùn)動(dòng)，基本上引起快速往返運(yùn)動(dòng)。設(shè)置4mm的洞引起金屬刮刀的物理波動(dòng)，在這一點(diǎn)上導(dǎo)致很活潑，但無序的大的位移。在使用時(shí)，受試者的皮膚被吸起，進(jìn)入此洞，然后以圖33所示相似的方式將聲能導(dǎo)入皮膚。
超聲波的這一新應(yīng)用的新的方面在于如下基本范圍1.不再需要象Langer，Kost，Bommannan等所提出的那樣將超聲的作用集中在增加SC阻擋膜的滲透性上。
2.可以利用頻率更低的系統(tǒng)，它在皮膚組織中極少被吸收，但仍可在含有組織間液的表皮細(xì)胞之間的細(xì)胞間通道內(nèi)產(chǎn)生所需的液體致流現(xiàn)象。
3.超聲與組織和其中液體的相互作用方式是所謂的“致流”模式，在聲學(xué)文獻(xiàn)中被認(rèn)為是與能撕開細(xì)胞膜、促進(jìn)被動(dòng)擴(kuò)散過程的經(jīng)典振動(dòng)型相互作用不同的獨(dú)特的方式。
已證實(shí)將超聲換能器的幾何結(jié)構(gòu)、頻率、功率和施加于它的調(diào)制最優(yōu)化，可使經(jīng)穿孔皮膚部位液流有明顯增加。這些參數(shù)的最優(yōu)化被設(shè)計(jì)成用來考察在這顯微鏡尺度的環(huán)境內(nèi)支配液體流動(dòng)的非線性關(guān)系。用低于200kHz的頻率，可觀察到大的流動(dòng)化效應(yīng)，而沒有任何可檢出的發(fā)熱或其它不良的組織相互作用。產(chǎn)生這些可測(cè)出的效應(yīng)所需的聲能水平很低，平均功率水平典型地在100mW/cm2之下。
因此，上述實(shí)施例只是一些代表性的系統(tǒng)，它們可被應(yīng)用來將超聲或超聲+化學(xué)促進(jìn)劑用于收集和定量測(cè)定被分析物以供診斷以及經(jīng)皮輸送滲透物。本發(fā)明針對(duì)如下發(fā)現(xiàn)，即在角質(zhì)穿孔后，通過超聲的恰當(dāng)使用，特別是與化學(xué)促進(jìn)劑一起使用時(shí)，可無損傷或損傷極小地經(jīng)皮測(cè)定被分析物或輸送滲透物。但是，本發(fā)明并不僅僅限于這些具體的說明。通過角質(zhì)層檢測(cè)或抽取某些被分析物或輸送滲透物，有很多穿孔技術(shù)和促進(jìn)劑系統(tǒng)，其中可能有些比另一些的效用好。然而，按本文所提出的基本原理，本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地進(jìn)行一定量的實(shí)驗(yàn)以得到最佳的穿孔、促進(jìn)劑或施加超聲波的最適時(shí)間、強(qiáng)度和頻率，以及所施加的超聲波的頻率、幅度和相位的調(diào)制。因此，本發(fā)明的范圍僅僅受如下權(quán)利要求及其功能等同物范圍的限制。
權(quán)利要求
1.檢測(cè)個(gè)體中被分析物濃度的方法，該方法的特征在于包括促進(jìn)個(gè)體表面選定區(qū)域的角質(zhì)層對(duì)被分析物的滲透性的步驟，其步驟包括(a)將所選區(qū)域的角質(zhì)層穿孔，在角質(zhì)層上形成微孔而不引起對(duì)其下面組織的嚴(yán)重?fù)p傷，從而降低角質(zhì)層對(duì)被分析物撤出的屏障性質(zhì)；(b)收集選定量的被分析物；和(c)定量測(cè)定收集的被分析物。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于進(jìn)一步包括施加頻率在約5kHz至100kHz范圍內(nèi)的聲能于所述經(jīng)穿孔的選定區(qū)域，其中所述聲能是借助選自調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相及其組合的一種方式進(jìn)行調(diào)制。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征還在于進(jìn)一步包括使個(gè)體的所選區(qū)域與化學(xué)促進(jìn)劑接觸，并施加聲能以進(jìn)一步促進(jìn)被分析物的抽取。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中所述角質(zhì)層的穿孔是借助選自以下的一種方法加以完成(a)將≤約1000μm2面積的選定區(qū)域的角質(zhì)層7與一熱源接觸來燒蝕角質(zhì)層，使選定區(qū)域中的組織結(jié)合水和其它可汽化物質(zhì)的溫度升高到所述水和其它可汽化物質(zhì)的汽化點(diǎn)之上，從而除去所選區(qū)域的角質(zhì)層；(b)用一經(jīng)校準(zhǔn)的微型刺血針穿刺所述角質(zhì)層，以形成直徑≤約1000μm的微孔；(c)將緊密聚焦的聲能束聚焦到所述角質(zhì)層上對(duì)角質(zhì)層進(jìn)行燒蝕；(d)用高壓液流將角質(zhì)層進(jìn)行液壓穿刺以形成直徑≤約1000μm的微孔，和(e)用短的電脈沖穿刺角質(zhì)層以形成直徑≤約1000μm的微孔。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述穿孔的完成系將所述角質(zhì)層的寬度不大于約1000μm的區(qū)域與熱源接觸，使組織結(jié)合水和其它可汽化物質(zhì)的溫度升高到所述水和其它可汽化物質(zhì)的汽化點(diǎn)之上，從而除去所選區(qū)域的角質(zhì)層。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，包括至少用有效量的對(duì)脈沖光源發(fā)射范圍顯示強(qiáng)吸收的染料處理所述選定區(qū)域，并將從脈沖光源輸出的一系列脈沖聚焦于所述染料上，使所述染料加熱到足以傳導(dǎo)熱量到所述角質(zhì)層、將所選區(qū)域的組織結(jié)合水和其它可汽化物質(zhì)的溫度升高到水和其它可汽化物質(zhì)的汽化點(diǎn)之上，其中所述染料起熱源作用。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述脈沖光源以不被皮膚顯著吸收的波長(zhǎng)發(fā)射。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述脈沖光源是在約630-1550nm發(fā)射的激光二極管。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述脈沖光源是以激光二極管泵激的、在約700-3000nm發(fā)射的光學(xué)參量振蕩器。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述脈沖光源選自弧光燈、白熾燈和發(fā)光二極管。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征還在于進(jìn)一步設(shè)有確定角質(zhì)層的屏障性質(zhì)何時(shí)已被克服的傳感系統(tǒng)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述傳感系統(tǒng)包括接收從所述選定區(qū)域反射的光和將所述反射光聚焦到光電二極管上的集光裝置，接收所述聚焦的光和輸送信號(hào)到控制器上的光電二極管，其中所述信號(hào)指所述反射光的性質(zhì)，以及連接于所述光電二極管和所述脈沖光源以接收所述信號(hào)并且在收到預(yù)選的信號(hào)后關(guān)閉所述脈沖光源的控制器。
13.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征還在于進(jìn)一步包括用冷卻裝置冷卻所述角質(zhì)層的選定區(qū)域和鄰近皮膚組織，使所選區(qū)域和鄰近皮膚組織在穿孔前處于所選的預(yù)冷、穩(wěn)態(tài)條件下。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述冷卻裝置包括一個(gè)Peltier裝置。
15.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述燒蝕導(dǎo)致組織間液流出，所述被分析物是在選定數(shù)量的所述組織間液中收集的。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征還在于進(jìn)一步包括在收集所述選定數(shù)量的組織間液后，施加來自所述脈沖光源的有效量的能量封閉所述微孔，以引起保留在所述微孔中的組織間液凝聚。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征還在于進(jìn)一步包括施加真空于角質(zhì)層的所述經(jīng)穿孔的角質(zhì)層的選定區(qū)域，用以促進(jìn)組織間液的流出。
18.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征還在于在將所述角質(zhì)層穿孔前，用來自所述脈沖光源的未聚焦光至少照射所述選定區(qū)域，使被所述光照射的所選區(qū)域滅菌。
19.如權(quán)利要求5所述的方法，包括將所選區(qū)域與金屬絲接觸，其中所述金屬絲起熱源作用，使所選區(qū)域的溫度在約10-50ms內(nèi)從周圍皮膚溫度升高到大于100℃，然后在約30-50ms內(nèi)使所選區(qū)域的溫度回到約為周圍皮膚的溫度，其中這一升高溫度和回到約周圍皮膚溫度的循環(huán)重復(fù)多次，使得足以降低角質(zhì)層的屏障性質(zhì)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中通過將金屬絲撤回不與角質(zhì)層接觸而進(jìn)行所述回到約為周圍皮膚溫度的步驟。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括提供監(jiān)測(cè)所述金屬絲和個(gè)體之間通過所述角質(zhì)層所選區(qū)域和鄰近皮膚組織的電阻抗的裝置和推進(jìn)金屬絲的裝置，使燒蝕發(fā)生電阻隨之而降低時(shí)所述推進(jìn)裝置推進(jìn)金屬絲，使金屬絲加熱過程中與角質(zhì)層接觸。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括從與角質(zhì)層接觸的位置撤回所述金屬絲的裝置，其中所述監(jiān)測(cè)裝置能檢出與角質(zhì)層下表皮層接觸所伴隨的阻抗的變化并傳送信號(hào)到所述撤回裝置以撤回金屬絲，使其不與角質(zhì)層接觸。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述金屬絲用歐姆加熱元件進(jìn)行加熱。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述金屬絲形成為包含高阻抗點(diǎn)的電路，所述高阻抗點(diǎn)的溫度通過將經(jīng)調(diào)制的電流通過所述電路而加以調(diào)制。
25.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述金屬絲位于勵(lì)磁線圈的可調(diào)制交流磁場(chǎng)中，使得給勵(lì)磁線圈通以交流電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生足以通過內(nèi)部歐姆損耗加熱金屬絲的渦流。
26.如權(quán)利要求4所述的方法，其中通過用校準(zhǔn)過的微型刺血針穿刺所述角質(zhì)層形成直徑不大于約1000μm的微孔而完成所述的穿孔。
27.如權(quán)利要求4所述的方法，其中通過將緊密聚焦的聲能束聚焦在所述角質(zhì)層上燒蝕角質(zhì)層而完成所述的穿孔。
28.如權(quán)利要求4所述的方法，其中通過用高壓液流液壓穿刺所述角質(zhì)層形成直徑不大于約1000μm的微孔而完成所述的穿孔。
29.如權(quán)利要求4所述的方法，其中通過用短的電脈沖穿刺所述角質(zhì)層形成直徑不大于約1000μm的微孔而完成所述的穿孔。
30.如權(quán)利要求4、6或19所述的方法，其中被分析物是葡萄糖。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中葡萄糖的定量是借助葡萄糖氧化酶進(jìn)行比色測(cè)定或借助生物傳感器。
32.促進(jìn)活性物質(zhì)經(jīng)皮流入個(gè)體的選定區(qū)域的方法，該方法的特征在于包括促進(jìn)個(gè)體表面所選區(qū)域的角質(zhì)層對(duì)所述活性滲透物的滲透性的步驟，其步驟包括(a)將所選區(qū)域的角質(zhì)層穿孔，在角質(zhì)層上形成微孔而不引起對(duì)其下面組織的嚴(yán)重?fù)p傷，從而降低角質(zhì)層對(duì)所述活性滲透物流動(dòng)的屏障性質(zhì)；(b)將經(jīng)穿孔的所選區(qū)域與包含有效量所述滲透物的組合物接觸，從而促進(jìn)所述滲透物流入機(jī)體。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征還在于進(jìn)一步包括如下步驟施加聲能于所述經(jīng)穿孔的區(qū)域一定的時(shí)間，所述聲能具有能有效地產(chǎn)生使液體流動(dòng)的效應(yīng)的強(qiáng)度和頻率，從而促進(jìn)所述滲透物經(jīng)皮流入機(jī)體。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中以約5kHz至100MHz頻率范圍的所述聲能施加于所述經(jīng)穿孔的選定區(qū)域，其中所述聲能是借助選自調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相及其組合的一種方式加以調(diào)制。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征還在于進(jìn)一步包括將個(gè)體的所選區(qū)域與化學(xué)促進(jìn)劑接觸，并施加聲能以進(jìn)一步促進(jìn)所述滲透物流入所述個(gè)體的機(jī)體。
36.如權(quán)利要求32、33、34或35所述的方法，其中所述選定區(qū)域的所述角質(zhì)層的穿孔是借助選自以下的一種方法加以完成(a)將寬度不大于約1000μm的所選區(qū)域與一熱源接觸來燒蝕角質(zhì)層，使所選區(qū)域組織結(jié)合水和其它可汽化物質(zhì)的溫度升高到所述水和其它可汽化物質(zhì)的汽化點(diǎn)之上，從而除去所選區(qū)域的角質(zhì)層；(b)用一經(jīng)校準(zhǔn)的微型刺血針穿刺所述角質(zhì)層，以形成直徑不大于約1000μm的微孔；(c)將緊密聚焦的聲能束聚焦到所述角質(zhì)層上對(duì)角質(zhì)層進(jìn)行燒蝕；(d)用高壓液流將所述角質(zhì)層進(jìn)行液壓穿刺以形成直徑不大于約1000μm的微孔，和(e)用短的電脈沖穿刺所述角質(zhì)層以形成直徑不大于約1000μm的微孔。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述穿孔是這樣完成的將寬度不大于約1000μm的所述角質(zhì)層的所述選定區(qū)域與一熱源接觸，使所選區(qū)域組織結(jié)合水和其它可汽化物質(zhì)的溫度升高到所述水和其它可汽化物質(zhì)的汽化點(diǎn)之上，從而除去所選區(qū)域的角質(zhì)層。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其中包括至少用有效量的對(duì)脈沖光源發(fā)射范圍顯示強(qiáng)吸收的染料處理所選區(qū)域，并將從所述脈沖光源輸出的一系列脈沖聚焦于所述染料上，使所述染料加熱到足以傳導(dǎo)熱量到所述角質(zhì)層、將所選區(qū)域組織結(jié)合水和其它可汽化物質(zhì)的溫度升高到所述水和其它可汽化物質(zhì)的汽化點(diǎn)之上，其中所述染料起熱源作用。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述脈沖光源發(fā)射不顯著被皮膚吸收的波長(zhǎng)。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述脈沖光源是在約630-1550nm的范圍發(fā)射的激光二極管。
41.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述脈沖光源是以激光二極管泵激的在約700-3000nm范圍內(nèi)發(fā)射的光學(xué)參量振蕩器。
42.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述脈沖光源是選自弧光燈、白熾燈和發(fā)光二極管的一種光源。
43.如權(quán)利要求38所述的方法，還進(jìn)一步設(shè)置傳感系統(tǒng)，用以確定角質(zhì)層的屏障性質(zhì)何時(shí)被排除。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中傳感系統(tǒng)包括接收從所述選定區(qū)域反射來的光和將所述反射光聚焦于光電二極管的集光裝置，接收所述聚焦的光和輸送信號(hào)到控制器的光電二極管，其中所述信號(hào)表示所述反射光的性質(zhì)，以及偶聯(lián)于所述光電二極管和所述脈沖光源以接收所述信號(hào)和當(dāng)接收到預(yù)選的信號(hào)后切斷所述脈沖光源的控制器。
45.如權(quán)利要求38所述的方法，進(jìn)一步包括用冷卻裝置將所述角質(zhì)層的所選區(qū)域和鄰近皮膚組織冷卻，使所述區(qū)域和鄰近皮膚組織在穿刺前處于選定的預(yù)冷的穩(wěn)定狀態(tài)條件下。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其中所述冷卻裝置包括Peltier裝置。
47.如權(quán)利要求38所述的方法，進(jìn)一步包括在所述角質(zhì)層穿孔前至少用來自所述脈沖光源的未聚焦的光照射所述所選區(qū)域，使用所述光照射的所選區(qū)域滅菌。
48.如權(quán)利要求37所述的方法，進(jìn)一步包括將所述選定區(qū)域與金屬絲接觸，其中所述金屬絲起熱源作用，使所選區(qū)域的溫度在約10-50ms內(nèi)從周圍皮膚溫度升高到大于100℃，然后在約30-50ms內(nèi)使所選區(qū)域的溫度回到約為周圍皮膚的溫度，其中這一升高溫度和回到約周圍皮膚溫度的循環(huán)重復(fù)多次，使得足以降低角質(zhì)層的屏障性質(zhì)。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其中通過將所述金屬絲撤回不與角質(zhì)層接觸而進(jìn)行所述回到約為周圍皮膚溫度的步驟。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，進(jìn)一步包括提供監(jiān)測(cè)所述金屬絲和所述個(gè)體之間通過所述角質(zhì)層所選區(qū)域和鄰近皮膚組織的電阻抗的裝置和推進(jìn)所述金屬絲位置的裝置，使得當(dāng)發(fā)生燒蝕并伴隨電阻的降低時(shí)，所述推進(jìn)裝置會(huì)推進(jìn)金屬絲，使金屬絲加熱時(shí)與角質(zhì)層接觸。
51.如權(quán)利要求50所述的方法，進(jìn)一步包括將所述金屬絲從與角質(zhì)層接觸的位置撤回的裝置，其中監(jiān)測(cè)裝置能測(cè)出與角質(zhì)層下表皮層接觸所伴隨的阻抗變化并傳送信號(hào)到所述撤回裝置，以將所述金屬絲從與角質(zhì)層接觸的位置撤回。
52.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述金屬絲是用歐姆加熱元件進(jìn)行加熱。
53.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述的金屬絲形成包含高阻抗點(diǎn)的電流回路，所述高阻抗點(diǎn)的溫度由受調(diào)制的電流通過所述電流回路來進(jìn)行調(diào)制。
54.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述金屬絲置于可調(diào)制的勵(lì)磁線圈的交流磁場(chǎng)中，使勵(lì)磁線圈通以交流電時(shí)會(huì)產(chǎn)生足以通過內(nèi)部歐姆損耗加熱金屬線的渦流。
55.如權(quán)利要求36所述的方法，其中通過用校準(zhǔn)過的微型刺血針穿刺所述角質(zhì)層形成直徑不大于約1000μm的微孔而完成所述的穿孔。
56.如權(quán)利要求36所述的方法，其中通過將緊密聚焦的聲能束聚焦在所述角質(zhì)層上燒蝕角質(zhì)層而完成所述的穿孔。
57.如權(quán)利要求36所述的方法，其中通過用高壓液流液壓穿刺所述角質(zhì)層形成直徑不大于約1000μm的微孔而完成所述的穿孔。
58.如權(quán)利要求36所述的方法，其中通過用短的電脈沖穿刺所述角質(zhì)層形成直徑不大于約1000μm的微孔而完成所述的穿孔。
59.在個(gè)體表面皮膚的選定區(qū)域上施加刺花的方法，其特征在于包括以下步驟(a)將所選區(qū)域的角質(zhì)層穿孔，在角質(zhì)層上形成微孔而不引起對(duì)其下面組織的嚴(yán)重?fù)p傷，從而降低角質(zhì)層對(duì)活性滲透物流動(dòng)的屏障性質(zhì)；和(b)將經(jīng)穿孔的所選區(qū)域與包含有效量刺花墨水的組合物接觸，而促進(jìn)所述墨水流入機(jī)體。
60.用于減少在皮膚選定區(qū)域內(nèi)被分析物從個(gè)體的血液擴(kuò)散到所述個(gè)體的組織間液的時(shí)間延遲的方法，其特征在于該方法包括施加冷卻裝置于皮膚的所述選定區(qū)域。
61.用于減少組織間液的汽化及其蒸氣壓的方法，其中所述組織間液是從個(gè)體皮膚角質(zhì)層的所選區(qū)域內(nèi)的微孔收集而來，該方法包括施加冷卻裝置于皮膚的所述選定區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明描述利用微穿孔和任選地利用聲能和化學(xué)促進(jìn)劑來促進(jìn)皮膚(120、274)對(duì)被分析物的滲透以供診斷的方法或促進(jìn)皮膚對(duì)藥物的滲透以供治療的方法。如果選擇的話,可用調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相和/或其組合等方式來調(diào)制聲能。微穿孔是這樣完成的:(a)通過水的局部快速加熱使水汽化從而侵蝕細(xì)胞以燒蝕角質(zhì)層(274);(b)用一經(jīng)校準(zhǔn)的微型刺血針穿刺角質(zhì)層(274),以形成直徑不大于約1000μm的微孔;(c)將緊密聚焦的聲能束聚焦到角質(zhì)層(274)上對(duì)角質(zhì)層(274)進(jìn)行燒蝕;(d)用高壓液流將角質(zhì)層(274)進(jìn)行液壓穿刺以形成直徑不大于約1000μm的微孔;或(e)用短的電脈沖穿刺角質(zhì)層(274)以形成直徑不大于約1000μm的微孔。
文檔編號(hào)A61B5/00GK1195276SQ96196671
公開日1998年10月7日 申請(qǐng)日期1996年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月29日
發(fā)明者J·A·愛潑斯坦, M·R·哈奇, D·揚(yáng) 申請(qǐng)人:光譜股份有限公司, 厄爾蒂技術(shù)股份有限公司