文献分享 |超分子水凝胶让4万Da药物成功渗透皮肤

亲水中高分子量药物（如多肽、核酸类生物药）的透皮递送一直是行业难题——角质层的强屏障作用，加上药物分子量大、亲水性强，导致其透皮效率极低，临床多依赖注射给药，不仅痛苦还存在感染风险。癸酸/精氨酸超分子水凝胶（C10/Arg）能显著客服这一障碍，让分子量高达40000Da的药物实现有效透皮，为透皮给药系统研发提供了新方向。Mochizuki R研究团队将相关研究成果发表在2025年5月的《Biological and Pharmaceutical Bulletin》期刊上。

实验方案

C10/Arg超分子水凝胶的设计

研究团队以癸酸（C10）和精氨酸（Arg）为原料，通过调节pH至7，制备出具有层状液晶结构的超分子水凝胶。C10是已知的皮肤渗透促进剂，能破坏角质层脂质排列；精氨酸作为安全的皮肤添加剂，可通过静电作用与C10形成稳定盐结构，让水凝胶保持良好的理化特性。

为验证效果，研究选用两种荧光素异硫氰酸酯-葡聚糖（FD4，4000Da；FD40，40000Da）作为亲水中高分子量模型药物，以尤卡坦微型猪皮肤为体外实验模型（与人体皮肤渗透性高度相似），对比水凝胶制剂与水溶液的透皮效果。

IVPT实验

将冷冻的尤卡坦微型猪（Yucatan micropig，YMP）皮肤（5月龄雌性）在室温下解冻，并去除皮下脂肪。用胶带（Scotch?超透明胶带S型，18mm，3M）对皮肤表面进行2次剥离，随后清洁表面，制备得到完整皮肤样本。取部分完整皮肤样本，用胶带对其表面进行20次剥离，该样本记为20TS皮肤；用胶带对皮肤表面进行50次剥离，所得样本记为50TS皮肤。 将这些皮肤样本置于改良型Franz型扩散池中（有效面积：1.1cm2，接收液：约17mL pH 7 PBS），并将扩散池浸入水浴中，使皮肤表面温度达到32°C。向供给池中加入生理盐水，对角质层进行约1小时水合处理。随后使用ASCH AS-TZ1经皮电阻测试仪测量阻抗，测量完成后移除生理盐水。由于荧光素异硫氰酸酯-葡聚糖（FD4、FD40）均为亲水性化合物，角质层的水合状态可能会影响皮肤渗透性。因此，在实验中，需使用阻抗值不低于10kΩ·cm2的皮肤样本。

ASCH AS-TZ1经皮电阻测试仪

将制剂以 0.15 g/cm2 的用量涂抹于皮肤表面，随后封闭供给池顶部。采用磁力搅拌器以 600 转 / 分钟（rpm）的转速搅拌接收相。在设定时间点收集 0.6 mL 接收液，并向接收池中补充等体积的新鲜接收液。取样持续 24 小时后，清除皮肤表面残留的制剂，再次测量皮肤阻抗。同时，还对 1% 荧光素异硫氰酸酯 - 葡聚糖（FD4）水溶液、1% 荧光素异硫氰酸酯 - 葡聚糖（FD40）水溶液这两种对照制剂进行了相同的实验测试。

研究结论

1. 水凝胶稳定性优异，适配药物负载

添加1%中分子量葡聚糖（6000Da）后，C10/Arg水凝胶仍保持层状液晶结构，仅出现轻微浑浊。流变学测试显示，药物的加入增强了水凝胶内部结构的弹性和抗破坏能力，涂抹后能稳定附着于皮肤表面，不会随意流动，符合皮肤给药制剂的使用需求。

2. 透皮效率大幅提升，覆盖宽分子量范围

体外实验显示，C10/Arg水凝胶使FD4的24小时累积渗透量较水溶液提升40倍，稳态渗透速率显著高于对照组；更令人惊喜的是，水溶液中完全无法透皮的FD40（40000Da），在水凝胶介导下实现了有效渗透，24小时累积渗透量达0.233μg/cm2。

下图显示了水溶液（aq）和 C10 / 精氨酸（Arg）作用于不同状态皮肤样本后，荧光素异硫氰酸酯 - 葡聚糖 4（FD4）的渗透通量。两种制剂作用于 50TS 皮肤后的渗透通量，均显著高于作用于完整皮肤和 20TS 皮肤的通量。50TS 皮肤的角质层（SC）已被完全去除，且大量剥离操作也破坏了颗粒层（SG）中的紧密连接（TJs），因此屏障功能可能仅局限于活性表皮和真皮。两种制剂作用于 50TS 皮肤的渗透通量相近，这表明 C10 / 精氨酸对颗粒层下方的表皮或真皮无渗透增强作用。

共聚焦显微镜观察证实，水凝胶能促进药物穿透角质层，在表皮和真皮层均检测到药物荧光，而水溶液组药物仅停留在角质层表面。

3. 作用机制

进一步研究表明，透皮增强效果主要来自C10的作用：一方面破坏角质层脂质有序结构，降低渗透阻力；另一方面打开表皮紧密连接（类似肠道上皮的屏障结构），为大分子药物开辟通道。精氨酸则主要发挥稳定水凝胶结构的作用，本身无渗透增强效果。实验制备了三种皮肤样本：完整皮肤、经胶带剥离 20 次的皮肤（20TS 皮肤）以及经胶带剥离 50 次的皮肤（50TS 皮肤）。

下图a显示了完整皮肤、20TS 皮肤和 50TS 皮肤的苏木精 - 伊红（H&E）染色切片。20TS 皮肤的角质层比完整皮肤薄，且 1/2 至 2/3 的角质层已脱落（图 b）；50TS 皮肤样本中的角质层几乎被完全去除，但可见仍附着颗粒层（SG）的表面区域（图 c）。已知角质层由约 15 层细胞构成 ，且角质层与颗粒层在靠近颗粒层的区域通过桥粒相连。由于角质层脱落过程中桥粒会发生降解，因此通过胶带剥离法（tape stripping）可轻松分离角质层。

 Labodorf 850C皮肤角质量测试仪

下图显示了经皮阻抗随皮肤状态的变化，以及应用水溶液（aq）或 C10 / 精氨酸（Arg）24 小时后的阻抗情况。实验开始前，完整皮肤的阻抗为 10 kΩ?cm2 及以上。20TS 皮肤和 50TS 皮肤样本的阻抗分别为 4.7 kΩ?cm2 和 1.9 kΩ?cm2，显著低于完整皮肤（图 a）。这些结果证实，胶带剥离法会降低皮肤阻抗。

完整皮肤应用水溶液24 小时后，阻抗显著降至 3.3 kΩ?cm2，该数值与应用无药生理盐水时的结果一致。随着胶带剥离次数增加，应用水溶液 24 小时后的皮肤阻抗呈下降趋势（完整皮肤＞20TS 皮肤≥50TS 皮肤）。相反，无论使用哪种皮肤样本，应用 C10 / 精氨酸 24 小时后的阻抗均低于 2 kΩ?cm2，与 50TS 皮肤在应用局部样本前的阻抗值相近。完整皮肤和 20TS 皮肤的阻抗值在水溶液组与 C10 / 精氨酸组之间存在显著差异（图 b）。

生物药透皮递送的新可能

该研究首次证实超分子水凝胶可实现40000Da亲水性药物的透皮递送，突破了传统“500Da透皮极限”的认知。其优势显著：制剂安全性高（C10和精氨酸均为皮肤友好型成分）、理化性质稳定、适配中高分子量药物负载。

注：“—”表示无特定量化数据。

对于透皮给药研发而言，C10/Arg水凝胶为生物药、大分子药物的非注射递送提供了新载体，未来可应用于多肽、核酸类药物的透皮制剂开发，有望减少注射给药的痛苦和风险，提升患者依从性。

后续研究将进一步明确水凝胶对不同分子量药物的适配范围，以及在体内模型中的透皮效果，推动该技术向临床转化。

参考文献

1.Mochizuki R, Shibasaki K, Hashizaki K, Fujii M, Taguchi H. Skin Permeation of Hydrophilic Middle-to-High Molecular Weight Model Drugs from Decanoic Acid/Arginine Supramolecular Hydrogels. Biol Pharm Bull. 2025;48(5):733-743. https://doi.org/10.1248/bpb.b24-00770

2.Gwak HS, Chun IK. Effect of vehicles and penetration enhancers on the in vitro percutaneous absorption of tenoxicam through hairless mouse skin. Int J Pharm. 2002 Apr 2;236(1-2):57-64.  https://doi.org/10.1016/s0378-5173(02)00009-1