Способ трансдермального введения инсулина и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2534521:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) (RU)
Изобретение относится к медицине, в частности к лечению диабета. Для этого предложен способ трансдермального введения инсулина. Способ включает наложение на кожу предварительно замоченного в растворе инсулина плоскостного аппликатора в виде пластины из пористого никелида титана толщиной от 0,2 до 1 мм. При этом нагревание пластины и кожи осуществляют источником инфракрасного излучения, а продолжительность процедуры выбирают в пределах от 30 до 120 минут. Устройство, которое используют для осуществления способа, содержит корпус с источником питания, нагревательный элемент и плоскостной аппликатор, предварительно насыщенный инсулином. Аппликатор выполнен в виде съемной пластины из пористого никелида титана толщиной от 0,2 до 1 мм, образующей одну из стенок корпуса. Нагревательный элемент представлен источником инфракрасного излучения в виде набора светоизлучающих диодов, помещенных внутри корпуса над указанной пластиной. Изобретение обеспечивает повышение комфортности процедуры за счет исключения травмирующих факторов, упрощение источника питания, а также упрощение приготовления аппликатора, включая возможность приготовления в бытовых условиях. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 3 ил.
Изобретение относится к способам и устройствам для введения лекарственных и других средств в организм человека и может быть использовано при лечении диабета.
Многочисленные исследования свидетельствуют о неуклонном росте и распространенности сахарного диабета независимо от возраста, пола и национальности, предполагая нарастание уровня больных с 3% в 2000 г. до 4,4% в 2030 г. [Программа всемирной организации здравоохранения по Диабету. Информационный бюллетень №312, август 2011 г.].
При лечении диабета основной целью является снижение содержания сахара в крови, желательно, чтобы соответствовал уровню сахара у здоровых людей. С этой целью используются режимы введения инсулина, имитирующие естественную динамику его концентрации. У здорового человека секреция инсулина на протяжении суток имеет дискретный характер. Причем такая дискретная секреция в ответ на повышение гликемии крови осуществляется на фоне постоянно присутствующего базального высвобождения инсулина из поджелудочной железы. Введенный препарат инсулина длительного действия создает "имитацию" базальной секреции инсулина, а введение инсулина короткого действия за 30 минут до еды создает дополнительный пик повышения содержания инсулина в крови, совпадающий по времени с гипергликемией. В некоторых случаях отмечают, что хорошие результаты могут быть получены при введении препарата инсулина в фиксированное время, например утром и вечером, хотя надежных научных данных по дискретному введению инсулина в литературе нет.
Сегодня исследователи заинтересованы в разработках способов введения инсулина, обеспечивающих длительное (пролонгированное) действие. Это вызвано необходимостью избавить больного от частых инъекций инсулина короткого действия (3-4 раза в день), так как каждая инъекция связана с отрицательной эмоциональной реакцией на боль, а также с определенными трудностями соблюдения условий асептики и антисептики при многократных инъекциях во внеамбулаторных условиях. То есть проблема состоит в разработке нового способа доставки инсулина в организм человека, доставки не инъекционным методом.
Активно разрабатываемые способы введения инсулина перорально, ингаляторно, а также способы пересадки поджелудочной железы [New horizons - alternative routes for insulin therapy // NATURE REVIEWS, VOLUME 1 JULY 2002 p529-450] не нашли пока широкого применения ввиду присущих им сложностей. Таким образом, в настоящее время наиболее широко распространен способ чрескожного введения инсулина посредством инъекций. Недостаток данного способа связан с наличием механической травматизации, асептических проблем, болевого синдрома и связанного с этими факторами психологического дискомфорта. Кроме того, отмечаются аллергические реакции как в области локализации высокой концентрации препарата, так и на уровне организма в целом.
Устранение иглы является существенным фактором, повышающим комфортность процедуры. Известен, например, способ и ряд устройств безыгольного механического введения инсулина. Они основаны на том, что струя раствора инсулина впрыскивается подкожно с большой скоростью, придающей потоку жидкости способность пробивать кожу. Однако данный способ, характеризуемый более дорогим оборудованием [см., например, Евразийский патент ЕА 005106 В1. Безыгольный инъектор в миниатюрном исполнении, 28.10.2004], обладает в принципе теми же недостатками, что и обычный метод инъекций с помощью шприца и иглы..
К перспективным способам безыгольного введения инсулина относится использование трансдермальных терапевтических систем (ТТС), включающих диффузию вещества сквозь кожу [Разработка и исследование трансдермальных систем доставки инсулина/Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Кузнецова Евгения Геннадьевна, Москва. 2005]. Диффузия происходит через распределенную контактную поверхность, исчисляемую единицами и десятками квадратных сантиметров, без механического повреждения кожи, что выгодно отличает ТТС от традиционных инъекционных систем. При этом основным препятствием является роговой слой, трудно проницаемый для больших молекул, в том числе молекул инсулина, содержащих до 6000 атомов. Для создания каналов в роговом слое в нем создают микропоры, используя различные физические агенты: ультразвук, лазерное излучение, электрический и радиочастотный нагрев, а для облегчения диффузии прибегают к упаковке молекул инсулина в липосомные капсулы, обладающие повышенной проникающей способностью.
Известен, в частности, способ трансдермального введения инсулина, включающий накожную аппликацию пластины с внедренным в нее препаратом инсулина, а также устройство для его осуществления, содержащее корпус с источником питания, нагревательный элемент и плоскостной аппликатор, насыщенный инсулином [Transdermal porator and patch system and method for using same. US patent №8116860, 14.02.2012]. Данное техническое решение может быть принято за прототип. В известном способе пластина локально нагревается в множестве точек, в результате чего диффузия препарата происходит через микропоры, прожигаемые в роговом слое кожи. Соответствующее устройство содержит источник питания и нагревательный элемент в виде картриджа с решеткой тонких проводящих нитей и комплектуется набором аппликаторов в виде полимерных матриц с внедренным в них препаратом инсулина. Недостатком известного способа является недостаточное устранение травмирующих факторов, в данном случае прожогов рогового слоя. Это обстоятельство вынуждает потребителя периодически менять место аппликации в связи с испытываемым дискомфортом. Недостатком известного устройства является техническая сложность нагревательного элемента. Картридж с подогревными нитями выполняют высокотехнологичным способом вытравливания по трафарету из сплошной стальной пластины, покрытой медью, а расчет теплового режима составляет предмет целого исследования [Altea's PassPort™ System: Electrical and Thermal Model. http://www.math.udel.edu/~rossi/Math512/2003/altea5.pdf]. В результате источник питания нагревателя оказывается сложным программируемым электронным устройством. Аппликаторы, в свою очередь, представляют собой не возобновляемые в бытовых условиях сложные системы, содержащие защитные мембраны (одна из них съемная) и расположенный между ними слой матричного полимерного вещества. Приготовление аппликатора является высокотехнологичным процессом, осуществимым только в промышленных условиях.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение комфортности за счет исключения травмирующих факторов, упрощение источника питания, а также упрощение приготовления аппликатора, включая возможность приготовления в бытовых условиях.
Технический результат достигается тем, что при осуществлении способа трансдермального введения инсулина, включающего накожную аппликацию нагретой пластины с внедренным в нее препаратом инсулина, отличие состоит в том, что на кожу накладывают предварительно замоченный в растворе инсулина плоскостной аппликатор в виде пластины из пористого никелида титана толщиной от 0,2 до 1 мм, при этом нагревание пластины и кожи осуществляют источником инфракрасного излучения, а продолжительность процедуры выбирают в пределах от 30 до 120 минут. Заявляемый способ реализуется посредством устройства для трансдермального введения инсулина, содержащего корпус с источником питания, нагревательный элемент и плоскостной аппликатор, предварительно насыщенный инсулином, отличающегося тем, что плоскостной аппликатор выполнен в виде съемной пластины из пористого никелида титана толщиной от 0,2 до 1 мм, образующей одну из стенок корпуса, а нагревательный элемент представлен источником инфракрасного излучения в виде набора светоизлучающих диодов, помещенных внутри корпуса над указанной пластиной.
Достижение заявляемого технического результата обусловлено следующим.
Аппликация нагретой пористой пластины, насыщенной раствором инсулина, обеспечивает смачивание кожи по всей поверхности контакта и вследствие этого максимальную скорость диффузии. Это преимущество отсутствует в прототипе, где полимерная матрица не в состоянии воспроизводить микрорельеф поверхности кожи.
Подвижность жидкости в капиллярах пористой структуры обеспечивает постоянный свободный приток инсулина к наиболее проницаемым участкам кожи, играющим роль каналов, в то время как в прототипе подвижность молекул инсулина в полимерной матрице ограничена.
Нагрев пластины вызывает местное расширение сосудов, набухание увлажненной кожи, улучшение всасывания препарата и его отвода по сосудистой сети. В отличие от способа-прототипа исключена локализация нагрева в отдельных точках до такого уровня, при котором происходит прожог каналов для проникновения препарата.
Исключение термомеханического нарушения целостности кожи в области введения инсулина очевидным образом уменьшает травматичность и повышает комфортность процедуры.
Осуществление заявляемого способа трансдермального введения инсулина неразрывно связано с разработанным для этой цели устройством. Ключевыми составными частями устройства являются пластина из пористого никелида титана и набор полупроводниковых светоизлучающих диодов инфракрасного (ИК) диапазона. Пористая пластина служит накопительной емкостью, в которой раствор инсулина удерживается за счет сил поверхностного натяжения. При этом в отличие от аналогов, где насыщенные инсулином пластины являются одноразовыми и подлежащими замене, пористая пластина из никелида титана не нуждается в замене. Для проведения очередной процедуры достаточно вновь пропитать ее раствором инсулина. Эта манипуляция осуществима в амбулаторных и бытовых условиях, что значительно упрощает приготовление аппликатора по сравнению с высокотехнологичным процессом производства многослойных матричных аппликаторов. Будучи приложенной к коже, пористая пластина обеспечивает ее контакт с жидкостью по всей поверхности соприкосновения.
Использование в качестве нагревательного элемента набора инфракрасных излучающих диодов обусловлено легкостью и оперативностью управления потоком излучения (посредством выбора тока питания диодов). Уровень потока излучения далек от порога термомеханического повреждения рогового слоя, что минимизирует требования к регулировке режима нагрева и обеспечивает существенное упрощение источника питания. Сочетание толщины пластины и типичных размеров пор обеспечивает частичную прозрачность для инфракрасного излучения, оказывающего непосредственное воздействие на кожу. ИК-излучение вызывает нагрев кожи, причем с точки зрения эффективности такой нагрев имеет преимущество перед контактным нагревом, поскольку излучение проникает на некоторое расстояние вглубь тканей, вызывая расширение подкожных сосудов и набухание увлажненной поверхности кожи, что облегчает диффузию инсулинового раствора. Для типичных образцов пористого никелида титана частичная прозрачность обеспечивается в заявляемом диапазоне толщин от 0,2 до 1 мм.
Функционирование устройства как целого обеспечивается наличием корпуса, одной из поверхностей которого служит съемная пластина из пористого никелида титана. Возможность отсоединения пластины от остальной части корпуса обеспечивает пропитку раствором инсулина без риска попадания раствора на электрические узлы. В корпусе над пластиной установлены излучающие диоды и источник питания для них.
На основе экспериментальных исследований заявляемого способа и устройства, разработанного для его осуществления, выработана оптимальная методика его применения. Она включает: 1) замачивание предварительно отсоединенной от корпуса пористой пластины в растворе инсулина; 2) установку пропитанной препаратом пластины на корпус; 3) прикладывание ее в определенной области, характеризуемой наиболее тонкой кожей и легкостью доступа при индивидуальном применении, преимущественно в области от локтевого до лучезапястного сустава; 4) выбор времени процедуры от 30 до 120 минут. Данное время выбрано по результатам наблюдения за динамикой уровня гликемии крови. Установлено, что гликемия монотонно снижается в течение первых 30 минут с постепенным замедлением в течение следующих 30 минут и достигает стационарного уровня спустя 120 минут с начала процедуры. На основании этих наблюдений сделан вывод, что значимый эффект наступает не ранее чем за 30 минут, а максимальный - не позднее 120 минут, что и послужило обоснованием для выбора интервала времени воздействия.
Изобретение поясняется фиг.1-3. На фиг.1 схематически изображено устройство для трансдермального введения инсулина. На фиг.2 приведены фотографии пластин из пористого никелида титана, используемых в устройстве. На фиг.3 приведен внешний вид образца устройства в сборе (а) и со снятой пористой пластиной (b).
Способ трансдермального введения инсулина включает накожную аппликацию пластины из пористого никелида титана толщиной от 0.2 до 1 мм, предварительно замоченной в растворе инсулина, и нагревание пластины и кожи источником инфракрасного излучения. Указанную процедуру производят в течение 30-120 минут.
Устройство для трансдермального ведения инсулина изображено на фиг.1. Устройство содержит корпус 1, одна из поверхностей которого образована съемной пластиной 2 из пористого никелида титана толщиной от 0,2 до 1 мм. Внутри корпуса 1 над указанной пластиной 2 помещен нагревательный элемент, представленный источником инфракрасного излучения в виде набора светоизлучающих диодов 3, а также источник питания 4, как правило, в виде аккумуляторной батареи с подзарядкой между процедурами.
В ходе осуществления заявляемого способа предварительно замоченную в растворе инсулина и установленную на корпус пористую пластину 2 прикладывают к коже преимущественно в области от лучезапястного до локтевого сустава, после чего включают питание светоизлучающих диодов 3, при этом продолжительность процедуры выбирают в пределах от 30 до 120 минут. Частичная прозрачность тонких пластин из пористого никелида титана иллюстрируется фотографией, приведенной на фиг.2.
Практическая реализация данного способа стала возможной благодаря развитию технологии порошковой металлургии, в частности самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), позволяющего производить сложные по своей структуре пористые сплавы на основе никелида титана
Исследования взаимодействия пористо-проницаемых сплавов на основе никелида титана [Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы. В 14 Т, Медицинские материалы с памятью формы. Том 1 / под ред. д.т.н., проф., засл. деят. науки Гюнтера В.Э. Томск, 2011 г., 534 с.] с различными тканевыми жидкостями организма уже показали перспективность использования данного класса сплавов в качестве имплантационных материалов, а также инкубаторов - носителей клеточных культур органов. Данные сплавы обеспечивают широкий диапазон структурных и физико-механических свойств, высокую интенсивность теплообмена, а также комплекс уникальных свойств: наличие проницаемой пористости, сверхэластичности и памяти формы, высоких антикоррозионных характеристик, долговечность в условиях знакопеременной деформации, биохимическую и биомеханическую совместимость с тканями организма. В том числе они могут быть эффективно использованы и в качестве емкостных материалов, способных удерживать в порах достаточное количество раствора инсулина.
В сравнении с мировым опытом трансдермального введения инсулина предлагаемый способ отличается крайней простотой и неочевидностью технического решения, найденного опытным путем.
В экспериментально исследованном устройстве, изображенном на фиг.3, использованы инфракрасные диоды марки L-53SF6C с мощностью излучения не менее 100-120 мВт, имеющие максимум спектральной плотности излучения на длине волны 860-940 нм. Полупроводниковые излучающие диоды имеют ряд существенных преимуществ перед другими источниками излучения: высокая светоотдача при малом энергопотреблении; длительный срок службы, обусловленный отсутствием нити накала, высокая механическая прочность, обусловленная отсутствием стеклянной колбы. Малое тепловыделение и низкое питающее напряжение гарантируют высокий уровень безопасности; миниатюрность, а также отсутствие электромагнитных помех.
Размеры устройства определяются емкостными и габаритными параметрами аккумуляторной батареи и величиной контактной поверхности пористой пластины из никелида титана, служащей емкостью для инсулина. Габариты действующего образца устройства (фиг.3) соответствуют параметрам 62×38×25 мм. Модификации устройства могут отличаться геометрическими размерами, а также и формой пористой пластины и корпуса, например круглой.
Устройство при осуществлении заявляемого способа применяют, как правило, следующим образом. Пластину из пористого никелида титана напитывают инсулином и закрепляют на корпусе. Далее устройство фиксируют на коже (наподобие часов на руке), после чего включают питание ИК-излучающих диодов. Зафиксированное на теле устройство практически не ограничивает свободу движений пациента. Время процедуры определяется лечащим врачом и составляет от 30 до 120 минут.
В проведенных групповых исследованиях у группы больных общим числом 37 человек с различным исходным повышенным уровнем гликемии отмечено его снижение до стационарного значения в среднем в пределах 8,1-8,3 мМ/л.
Клинический пример. Больная М., 70 лет, история болезни №1016, поступила в клинику госпитальной хирургии Сибирского государственного медицинского университета 05.03.2012.
DS: СД II типа с потребностью в инсулине, тяжелой степени, декомпенсация. Синдром диабетической стопы: трофическая язва IV пальца левой стопы. Основная терапия: сиафор 850-2 р/д, новомикс 20ЕД-16ЕД. Испытания устройства по предлагаемому способу: 07.03.2012 в 17-00.
Исходно - 17.3 мМ/л.
30 минут - 12,8 мМ/л.
60 минут - 9,9 мМ/л.
После нормализации гликемии, соответствующего общего и местного лечения язва зажила, больная выписана на амбулаторное лечение 27.03.2012. Гликемия при выписке 5,3 мМ/л.
Приведенный пример демонстрирует эффективность предлагаемого способа безыгольного чрескожного введения инсулина и устройства для его осуществления.
Предлагаемый способ может быть при соответствующей адаптации распространен на другие препараты.
1. Способ трансдермального введения инсулина, включающий накожную аппликацию нагретой пластины с внедренным в нее препаратом инсулина, отличающийся тем, что при его осуществлении на кожу накладывают предварительно замоченный в растворе инсулина плоскостной аппликатор в виде пластины из пористого никелида титана толщиной от 0,2 до 1 мм, при этом нагревание пластины и кожи осуществляют источником инфракрасного излучения, а продолжительность процедуры выбирают в пределах от 30 до 120 минут.
2. Устройство для осуществления способа трансдермального введения инсулина по п.1, содержащее корпус с источником питания, нагревательный элемент и плоскостной аппликатор, предварительно насыщенный инсулином, отличающееся тем, что плоскостной аппликатор выполнен в виде съемной пластины из пористого никелида титана толщиной от 0,2 до 1 мм, образующей одну из стенок корпуса, а нагревательный элемент представлен источником инфракрасного излучения в виде набора светоизлучающих диодов, помещенных внутри корпуса над указанной пластиной.
