Confocal Raman microscopy in skin drug delivery research

Abstract

In drug research, growing scientific and regulatory demands increase the need for novel analytical methods. Especially in skin drug delivery research, advanced analytical techniques are urgently needed. The ability of contactless, label-free and chemically selective detection and quantification of substances predestines confocal Raman microscopy to fill this scientific gap. In this work, we implement confocal Raman microscopy in skin drug delivery research regarding reevaluation of existing in vitro approaches and acquisition of quantitative substance depth profiles in skin tissue. At first, we use Raman imaging to verify the suitability of porcine ears as in vitro model for follicular uptake. Furthermore, we investigate Raman signal attenuation as major drawback for quantitative depth profiling via the development of an artificial skin surrogate and evaluate the variability of Raman data acquired from different human skin donors. Moreover, we perform a systematic proof-of-concept study highlighting the possibility of quantitative depth profiling inside skin. Finally, we present freeze-drying as customized sample preparation technique to simplify and standardize quantitative depth profiling. Overall, the key parameters necessary for a standardized implementation of confocal Raman microscopy are understood and we elucidate crucial interdependences. This newly gained knowledge will help to advance current analytics in skin drug delivery research beyond the state of the-art.

In der Arzneimittelforschung steigern wachsende wissenschaftliche und regulatorische Anforderungen den Bedarf nach neuen analytischen Methoden. Besonders in der dermalen Galenik sind die Ansprüche an die Analytik gestiegen. Durch die Fähigkeit zur kontaktfreien und chemisch selektiven Detektion und Quantifizierung von Substanzen hat konfokale Raman Mikroskopie das Potenzial diese Anforderungen zu erfüllen. In dieser Arbeit implementieren wir Raman Mikroskopie für die Neubewertung existierender in vitro Methoden und die Aufnahme quantitativer Tiefenprofile in Haut. Wir nutzen bildgebende Raman Mikroskopie um die Eignung von Schweineohren als in vitro Modell für follikulare Aufnahme zu bestätigen. Zudem bestimmen wir Raman-Signaldämpfung, das Haupthindernis bei der Erfassung von quantitativen Tiefenprofilen und bewerten die Variabilität von Raman-Spektren verschiedener menschlicher Hautproben. Ebenso zeigen wir in einer systematischen Machbarkeitsstudie erste quantitative Raman-Messungen in Haut und stellen Gefriertrocknung als maßgeschneiderte Probenaufbereitung für die vereinfachte und standardisierte Erfassung quantitativer Tiefenprofile vor. Insgesamt werden die entscheidenden Parameter für eine standardisierte Anwendung von Raman Mikroskopie verstanden und wichtige Zusammenhänge aufgeklärt. Auf dieser Grundlage kann sich konfokale Raman Mikroskopie durch weiter vereinfachte Messroutinen und spezialisierte Instrumente zu einer Standardmethode in der dermalen Arzneimittelforschung weiterentwickeln.