Keywords

drug delivery, fractional laser, histology, Hydroporation, wound healing

Schlüsselworte

fraktionale Laser, Histologie, Hydroporation, transdermal, Wundheilung

Summary

Summary BACKGROUND: Targeted drug deliver through an intact epidermal barrier is of interest in order to treat various skin conditions and diseases. Among many available methods hydroporation has already been shown to be effective for controlled skin rejuvenation by localized epidermal ablation. Therefore the concept might also be suitable to be used to trans-epidermal scarless deposition of substances, drugs or molecules using recently developed handpieces having nozzles smaller than 120 μm. However systematic studies investigating the tissue effects on those hydroporation systems are lacking. OBJECTIVES: The aims of this in vitro study were (1) to prove the ability of the hydroporation system to penetrate the epidermal compartment and (2) to be able to deposit liquids (NaCl, vitamin a and c solutions), viscous substances (hyaluronic acid), crystalloid suspensions (triamcinolone, 40 mg/ml), and molecules of higher molecular weight like antibodies (IgG-FITC), PEG’s (FITC-PEG’s) and sugars (Dextrane-FITC) into the dermis using an skin explant model with and without AFXL pre-treatment using two different types of ablative fractional lasers. MATERIALS AND METHODS: Skin explants were subjected to hydroporation using alcian blue inked 0.9 % NaCl, unstained 0.9 % NaCl applications for 10 s, 30 s, 1 min, ready to use solutions containing vitamin a and c as well as hyaluronic acid crystalloid suspensions, antibodies, heterofunctionalized polyethylene glycol and sugars to investigate morphological tissue changes and to measure distribution within the epidermis and the dermis. To test the potential synergistic effect of fractional ablative laser pre-treatment in conjunction with hydroporation to apply molecules of higher molecular weights two laser systems have been used. RESULTS: The hydroporation system has been tested for effective deposition of low molecular weight particles in a homogenous distribution up to a dermal depth of 1436 μm. Furthermore hyaluronic acid of low viscosity and crystalloid suspensions could be placed into the dermis of normal skin. In cases of dense collagen fibers as seen in scars deposition was limited. The transport of high molecular weight substances (2, 70, and 150 kDa) was possible through the nozzle of a standard handpiece, however epidermal penetration was limited. Pre-treatment with either a fractional ablative CO2- or Er:YAG-laser enabled deep dermal deposition of those molecules. CONCLUSION: This in large vitro study clearly demonstrated that the hydroporation concept can be applied to human skin in a safe and effective manner not only for controlled ablation but also for scarless dermal application of low molecular weight molecules in liquids of low and medium viscosity. The application of high molecular weight compounds was made possible by pre-treating the skin with fractional ablative lasers.

Zusammenfassung

Hintergrund: Die gezielte intra- und transepidermale Bereitstellung von Therapeutika ist von jeher zur topischen Therapie jedweder Erkrankung von hohem Interesse. Bisher wurden zahlreiche Konzepte entwickelt, unter denen die kontaktfreie Hydroporation bereits zur Hauterneuerung und ablativen Therapie eingesetzt wurde. Das theoretische Potential dieser Technik schließt die narbenfreie trans-epidermale Deposition von Substanzen, Arzneimitteln oder Molekülen bei der Verwendung neuer Applikatoren mit Strahldiametern von nur 120 μm ein. Allerdings fehlen systematische Studien zu Gewebepenetrationscharaktersitka und – interaktionen. Ziel: Ziel der Studie war es (1), die Penetrationsfähigkeit von Epidermis und Dermis qualitativ und quantitativ zu erfassen (2) den Depositionseffekt von Fertiglösungen (NaCl, Vitamin A und C), viskösen Substanzen (Hyaluronsäure), kristalloiden Substanzen (Triamcinolon, 40 mg/ml), und Molekülen mit hohem und höherem Molekulargewicht wie Antikörper (IgG-FITC), PEG’s (FITC-PEG’s) und Zucker (Dextran-FITC) in der Dermis anhand eines Explantatmodels mit und ohne Vorbehandlung mittels zweier faktional ablativer Laser zu untersuchen. MATERIAL UND METHODEN: Hautexplantate wurden in-vitro mit gefärbter (Alcianblau) und ungefärbter 0,9 % NaCl für 10 s, 30 s und 1 min, Fertiglösungen von Vitamin A und C, Hyaluronsäure, Triamcinolonsuspension, Antikörpern, hetero-funktionalisiertem Polyethylenglycol und Dextran hydroporiert und mikroskopisch die Gewebeinteraktion erfasst. Der Einfluss fraktional ablativer Laser auf das Penetrationsverhalten hydroporierter Moleküle hohen Molekulargewichtes wurde mittels CO2- und Er:YAG-Laser ermittelt. ERGEBNISSE: Die Hydroporation niedermolekularer Substanzen konnte bis zu einer Tiefe von 1436 μm nachvollzogen werden. Hyaluronsäure niedriger Viskosität sowie kristalloide Suspensionen konnten ebenfalls nach Hydroporation mikroskopisch dermal visualisiert werden. Im Falle von Narbengewebe war die Deposition jedoch limitziert. Die Applikation hochmolekularer Substanzen war ebenso mit den verwendeten Handstücken möglich, jedoch die Penetrationskapazität ohne Vorbehandlung limitiert. Ein fraktional ablative Vorbehandlung führte zur Verbesserung der Penetrationsleistung. ZUSAMMENFASSUNG: Die Hydroporation niedrigmolekularer und auch höhermolekularer Substanzen in die Haut kann reproduzierbar und effektiv mit flüssigen und niedrigviskösen Systemen erfolgen. Die Applikation hochmolekularer Substanzen ist per se limitiert kann jedoch mit einer fraktional ablativen Vorbehandlung verbessert werden.