Stratum corneum – a Korneobiokémiától a Korneoterápiáig

A felhám az állandó cellanövekedés és elkülönülés dinamikus rendszerét ábrázolja. Legfőképpen keratinocitákból, melanocitákból és immunképes sejteketböl áll össze. A stratum corneum , a felhám  legkülső rétege nagyon fontos szerepet  játszik a bőr védekezőképességében/funkciójában. Ez a réteg elszarusodott hámsejtekböl ( korneociták ) áll össze, amelyek egy többszörös lamelláris lipid-rétegekböl álló mátrixba vannak beágyazva.  A felhám szerkezetének és az anyagcseréjének két fő feladata van: megvédeni a bőrt külső hatásoktól és a hidratációt valamint az ozmotikus egyensúlyt a bőr belső szöveteiben fenntartani. A bőr védekezőképessége alapvetően a stratum corneum extracelluláris lipid mátrixjának strukturális szerkezetétöl függ. Ennek rendellenessége különbözö bőrbetegségekhez vezethet, mint például: atópiás dermatitisz , pikkelysömör, száraz és érzékeny bőr vagy a bőr idő előtti öregedése. Bőrápoló készítményeknek, amelyek célja, hogy befolyásolják a bőr anyagcseréjét, ezt meg kell akadályozniuk. Az bőrgyógyászati-​​kozmetikai készítmények fejlesztésében az egyik kiinduló pont, hogy befolyásolja a lipid rétegeket áthatási modulátorokkal, hogy ezáltal a hidrofil anyagok áthatolhassanak a zárórétegbe. Miután az erre alkalmas készítmények hatóanyagai a bőr mélyebb rétegeibe jutottak, a bőrréteg védelmi funkciójának helyre kell állnia.   Stratum corneum A bőr védekezöképességének funkcióját a lipid réteg extracelluláris térben való molekuláris felépítése határozza meg. Kémiailag a réteg ceramidok , hosszú láncú telített zsírsavak és a koleszterin keverékéből áll össze, amelynek hozzávetőleges molekulatömegének aránya 1: 1: 1 [1]. Koleszterilszulfát és-oleát is előfordulhat kisebb koncentrációban/töménységben . Ezek a lipidek a stratum granulosum sejten belüli organellumából származnak, a lamellás testekben. A ceramidek enzimatikus folyamattal a szfingolipidekböl ( glycosylceramides) képzödnek. A bőr egészséges lipid-anyagcseréjéhez döntő fontosságú az elegendö hidratáció és egy savas pH-érték az enzim aktivitásában. A stratum corneum magas koncentrációban előforduló egyedülálló ceramidjainak különleges szerepet tulajdonítananak a bör védekezöképességében. A lipidek molekuláris elrendezése különbözö modellekben lettek ábrázolva, melyek azonban nem tudták a bőr zárórétegének összes funkcióját megmagyarázni. Egy népszerű didaktikus modell ábrázolása, amelyben a záróréteg egy téglafal, a korneociták a téglák és a lipidrétegek a vakolat [2].  Elektronmikroszkóppal kimutatták, hogy a lipidek egy lamelláris kettős rétegben egy ” széles – keskeny – széles ” -sorrendben helyezkednek el, amelynek során egy folyékony fázis ( keskeny) rendezett lipid struktúrákkal volt körülvéve [ 3-9] . Az anyagok  áthatolására a stratum corneumon keresztül ez a modell szerint, elsősorban a folyadék fázisban kerül sor. Ezekből az adatokból jöttek elméleti modellek létre, amelyek az extracelluláris lipidmátrix elrendezését mutatják be. A keskeny kötelék a Bouwstra modell szerint az összekapcsolódó hosszú ceramid –1-es ( ceramid [ EOS ] ) linolsavláncokból, rövid láncú hajtogatott ceramidokból és koleszterinböl, a két széles kötelék hajtogatott hosszú láncú ceramidokból és koleszterinböl képzödik. A Ceramid-1 hosszú zsírsavláncai több lipid réteget is áthatolnak, ezért alapvető strukturáló komponensek. Ebben a Ceramid-1-nek a két duplakötést alkotó acil-oldalláncca különösen fontos szerepet játszik. A linolsav helyettesítése olajsav által drasztikus zavarhoz vezethet a stratum corneum védekezö szerkezetében és funkciójában.

Kép 1: A záróréteg 2.260-szoros felnagyítása

Kép 2: A záróréteg lipid-duplarétegének 9.500-szoros felnagyítása

A Stratum corneum új Norlén-modellje

 Norlén megvizsgálta a stratum corneum-lipidek  molekuláris elrendezését egy új módszerrel,  a krio- elektronmikroszkópiával. Ez a módszer a biológiai anyagok  különböző elektronsűrűségeit és az ebből adódó interferencia hatásait használja a membránszerkezetek bemutatásához. Ki lehetett mutatni, hogy az emberi bőr zárórétegét aszimmetrikus dupla-lipid rétegek jellemzik . Összehasonlítva a modell-membránokkal egy Bilayer-szerkezet (kettősréteg ) lett javasolva,  amely kifeszített ceramidokból és annak felhalmozott szabad zsírsavaiból áll, melyek a ceramid szfingozin részén amid -kötött acil-láncokon és koleszterineken találhatóak. [10].

A bőr ezen lipid szerkezete energetikai okokból egy lamellás dupla réteget képez. A lipidek elrendezése biokémiai folyamatok során vizes közegben alakulnak ki. A lipidek leválasztódnak az extracelluláris térben található lamerrális testekröl, majd ezután a glycosyl-ceramidok deglükozilálása és hidratációja által keletkezik a bör lipid mátrixa. [ 11-13 ] . Hidratáció által a ceramid konformációja (alakja) átváltozik a hajtogatott alakból a kifeszített alakúra. Ezt a konformációs változást a cukorrészek leszakadása eredményezi. Míg a glycosyl-ceramidok, amelyek 1 lipid molekulánként 5-10 vízmolekulát kötnek meg és ezáltal a konformációjuk csak nagyon lassan változik, a ceramidok flip-flop mozgása, amelyek csupán 0-1 molekula vizet kötnek meg, sokkal gyorsabb[14].

A lipidek ennek az elrendezésével keletkezik az optimálisan rétegzett Bilayer-szerkezet/ kettősréteg. Ennek a fiziológiás következménye egy lipid-mátrix, amely a víz számára szinte teljesen áthatolhatatlan. Azonban ez a védőréteg a kiszáradás és a túlzott hidratációval szemben is közönyös, mivel a lipid-rétegek között nincsen eltávolítható víz.

 A lipid-mátrix szerkezete lehetővé teszi a korneociták siklását a zárórétegen belül ami megmagyarázza a stratum corneum rugalmasságát. Az egyes lipid-rétegek között csak szénhidrogén láncok találhatóak, amelyek lehetővé teszik egymásnak a rétegek vízszintes elmozdulását,  hozzájárulva a rugalmassághoz. Ez az egyedülálló szerkezet teszi lehetövé, hogy a vékony rugalmas membrán egyszerre legyen robusztus és áthatolhatatlan. Ez az új modell megmagyarázza a bőr érzéketlenségét hidratációval és a kiszáradással, környezeti hatásokkal, összenyomással és nyíróerőkkel szemben.

Ez az új betekintés a bőr védörétegének ultrastruktúrájába lehetővé tesz új kezelési terveket bőrbetegségeknél és a készítmények célzottabb fejlesztését a bőr védelmére és a védöréteg javítására, valamint a transzdermális rendszerek hatóanyag-bevitelét a bőrön keresztül [ 10 ] . A bőrgyógyászatban ​​és a kozmetológiában a hatóanyag- rendszer három funkcióját kell figyelembe venni:

  • A hatóanyag kizárólag a bőrön hasson, pl.: fertőtlenítők , rovarirtók vagy akár dekoratív kozmetikumok (epidermális készítmények).
  • A helyi készítményt úgy tervezték, hogy csak egy bőr-áthatás történjen, és a készítmények a bőr mélyebb rétegeiben váltják ki hatásukat (endodermális vagy diadermális készítmények).
  • gyógyszerek és hatóanyagok rendszerszintüen hassanak, azaz jussanak a szervezetbe (transzdermális készítmények).

A hatás helye egy készítménynek  a záróréteg állapotától, a hatóanyag jellemzőitöl (hidrofil, lipofil, molekulatömeg, töltöttség, fehérje kötődés) és a gyógyszerészeti technológiától (liposzómák és nanorészecskék eszközfunkciója) függ.

Kép 3: A stratum corneum lipid-dupla-rétegének új Norlén-modellje [10].

Korneoterápia

A korneoterápia egy új koncepció a védöfunkcióik modulációjához, azaz a bőrproblémák és az egészséges bőr egyéni kezeléséhez . A  „korneoterápia” kifejezést professzor Albert Kligman alkotta[ 15 ] . A korneoterápia célja a stratum corneum  rehabilitációja, valamint az egész bőr homeosztázisának és védörétegének javítása. A zárórétegen keletkezö sérülések során szennyező anyagok és mikroorganizmusok kerülhetnek a bőr mélyebb rétegeibe és ezáltal gyulladást és immunológiai reakciókat válthatnak ki. Ezen túlmenően, a transzepidermális vízveszteség növekszik ( TEWL ) ami száraz bőrhöz vezet. Kligman megfogalmazta az Outside-in-terápiát,  mint elsődleges bőrgyógyászati ​​kezelési célt, melynek elve a stratum corneum helyi készítményekkel történö felújítása és javítása. Ezután a bőr mélyebb rétegeiben található gyulladásos folyamatokat kezelik megfelelő szerekkel. Ezzel ellentétben bemutatta a hagyományos Outside-in-terápiát, amelynél a helyi, farmakológiai hatóanyagokat vetik be, amik csak a bőr mély rétegeiben található gyulladást kezelik anélkül, hogy a záróréteget befolyásolná bármilyen formában is. Ezért a zárórétegen való károk további fennállása miatt visszaeséshez, újbóli sérüléshez vezethet.  A korneoterápia klinikai vizsgálataiból kimutatták, hogy nem csak a védöréteg megbetegedéseire, mint  pl. az atópiás dermatitisz, hanem szarusodás és dermatózisok kezelésére is alkalmas a korneoterápia.  A korneoterápia bőrgyógyászati ​-kozmetikai készítményei A korneoterápiában membrán szerkezetü készítményeket használunk, amelyek kémiailag és fizikailag a stratum corneumhoz illeszkedik. Ebben a foszfatidil-kolin jelenléte egy fontos feltétel. Ez az anyag a természetben, mint a sejtmembránok építőköve kiemelkedő szerepetet játszik. Ezen felül natív formájában a ceramid-1 kialakulásához szükséges linolsav ellátója. A bőr védörétegének áthatolhatóságát ( fluiditását ) foszfatidil-kolinnal átmenetileg meg lehet növelni. Ez a tulajdonság a zárt liposzómás hatóanyagok áthatás-növelö mechanizmusának felel meg.  Másrészröl viszont a zárórétegek fluiditását hidrált foszfatidil-kolin által csökkenti. A bőr védőrétege foszfatidilkolinnal beállítható kifejezetten az áthatóságra és áthatolhatatlanságra, egy tulajdonság aminek egyrészt a hatóanyag bevitele, másrészt a bőr természetes védelme miatt van nagy gyakorlati jelentősége. A foszfatidil hidrált formában a membrán krémekben valamint natív formában a liposzómákban és nanorészecskékben található [16].

 

Foszfatidil

Tehát hogyan sorolhatjuk be a foszfatidil tulajdonságait a fent említett új modell szerint? Ha a natív foszfatidil telítetlen zsírsav-láncai hidratálódnak, egy molekula keletkezik, amely a hajtogatott ceramidokhoz hasonlítható.  A hidrált foszfatidil feltehetően a hiányzó ceramidok helyére beépül, így javítva és erősítve a védőréteget. Sztérikus okokból a lipidrétegnek magas tömörítési-sűrűsége hidrált foszfatidil-kolinból, koleszterinből és hosszú láncú telített zsírsavakból érhető el. A hidrálás megemeli a natív foszfaditil átmeneti fázis hőmérsékletét  0 ° C- ról a bőr hőmérsékletére. A rendezett gél fázis (Pß)  kiszélesedik és a tömörítés-sűrűsége ezáltal növekszik. Az védőréteg stabilizálódik, sérülések reparálódnak.

Ezzel szemben a natív foszfatidil-molekulának a telítetlen zsírsav maradékaiban megtörések vannak, amelyek a molekuláris térfogatot növelik. Ezáltal a membránban csak egy kisebb tömörítés-sűrűség lehetséges, növeli a fluiditást és a membrán átjárhatóbb lesz. A natív foszfatidil átmeneti fázis hőmérséklete 0 ° C alatt van.

Azt az állapotot, amely a fő átmeneti hőmérséklet alatt van, rendezett,  kristályos avagy gél fázisnak (Pß), a Tm  feletti állapot  fluid,  folyékony kristályos , rendezetlen fázisnak (Lα)  nevezzük. Ez az úgynevezett endoterm fázis a fő átmeneti fázis (angolul main transition), amely a lipid molekulák strukturális változásához , a láncok “összeolvadásához” vezet.

A Tm értéket a szénhidrogén láncok fej –csoportjából, hosszából és telítettségi fokából határozzuk meg [17]. Míg a rendezett fázis(Pß) szorosan rakott (a szénhidrogén láncok all- transz-konformációja), a folyékony kristályos fázis(Lα)  fellazítottabb ( gauche konformációban ) [18] . A rendezett gél-fázisból a folyékony fázis átalakulása közben a következők lépnek fel [19] :

  1. Felszín felnagyítása
  2. Szénhidrátláncok rövidítése
  3. Lipid-dupla-réteg kitágulása
  4. Gyors laterális diffúzió
  5. Van-der-Waals-kölcsönhatások csökkenése

A lánc hosszának vagy a telítettségi fok emelésével az átmeneti fázis hőmérséklet (Tm) növekszik.

Testhőmérsékletnél a natív foszfatidil az amorf , folyékony kristályos fázisban található. A záróréteg fellazul, és ezáltal a liposzómás kapszulázott hatóanyagok könnyeben bejutnak a bőr mélyebb rétegeibe.

A natív foszfatidil fizikai tulajdonságai elősegítik a gömb alakú struktúrák kialakulását, mint például a liposzómák vagy a nano – diszperziók, míg a foszfatidil- kolin hidrogénezett formái termodinamikai okokból inkább lamelláris struktúrákat képez. Egyszerűbben fogalmazva membrán krémek (hidrogénezett PC) stabilizálják és javítják a záróréteget, míg a liposzómák és nano diszperziók (natív PC) fellazítják és átjárhatóbbá teszik.

Kép 4a: Hidrogénezett foszfatidil lamelláris szerkezeteket képez, amelyek nagyon hasonlóak a bőr védőrétegéhez.

Kép 4b: Natív foszfatidilkolin (telítetlen) gömb alakú struktúrákat képez, mint például liposzómákat és nano diszperziókat. A bőr védőrétege foszfatidilkolinnal beállítható kifejezetten az áthatóságra és áthatolhatatlanságra.

Koleszterin

Az amfifil karakterének és a merev kondenzált alapvázának köszönheti a koleszterin az eltérő sajátosságait,  mint például a lipid kettős rétegek stabilizációját és a fluidizálását[ 20-23 ]. A koleszterin -tartalmú foszfolipid rétegekben csökken a viszkozitás. A fluiditás növelése nagyobb felületi feszességhez vezet. Ezért képeznek a koleszterintartalmú foszfolipid rétegek inkább lamelláris formájú membrán szerkezeteket gömb alakú liposzómák helyett, mivel ez a szerkezet a megnövekedett felületi feszesség miatt energetikailag kedvezőtlen.

 

Szabad zsírsavak

A lipid kettős rétegek integritásához és a védőréteg normális funkciójához nagyon fontosak a szabad zsírsavak. Norlén vizsgálatai szerint a szabad zsírsavak a ceramidok amid -kötött acil láncaira rakódnak így képezve funkcionális egységet a koleszterinnel.

Ezek az egyedi tulajdonságai a bőr védőrétegének vezetettek a bőrvedőkészítmények fejlesztéséheza kezelés és a bőr károsodásának megelőzéséhez. Tekintettel a Kligman Professzor által létrehozott korneoterápiára phosphatidylcholinhaltige foszfatidilkolin tartalmú membrán krémeket és liposzómás és nanorészecskés zárt hatóanyagokat fejlesztettek ki, amellyel a bőr védőrétegét célzatosan lehet befolyásolni és az áthatóságra vagy áthatolhatatlanságra a kezeléssel összefüggésben beállítani.

Irodalom

  1. Wertz P et al. “Confidence Intervals” for the “true” lipid compositions of the human skin barrier? In: Forslind B, Lindberg M (eds) Skin, Hair, and Nails Structure and Function (2003). Marcel Dekker, New York, 85-106.
  2. Michaels AS et al. Drug permeation through human skin. Theory and in vitro experimental measurements. AICH J.(1975) 21 (5), 985-996.
  3. Breathnach AS. Aspects of epidermal structure. Invest. Dermatol. (1975) 65, 2-12.
  4. Breathnach AS et al. Freeze fracture replication of cells of stratum corneum of human cells. Anat. (1973) 114, 65-81.
  5. Madison KC et al. Presence of intact intercellular lamellae in the upper layers of the stratum corneum. Invest. Dermatol. (1987) 88, 714-718.
  6. White SH et al. Structure of lamellar lipid domains and corneocyte envelopes of murine stratum corneum. An x-ray diffraction study. Biochemistry (1988) 27, 3725-32.
  7. Bouwstra JA et al. Structural investigations of human stratum corneum by small-angle X-ray scattering. Invest. Dermatol. (1991) 97, 1005-1012.
  8. Bouwstra JA et al. Structure of human stratum corneum as a function of temperature and hydration: a wide-angle x-ray diffraction study. Inter J Pharmaceut (1992) 84, 205-207.
  9. Bouwstra JA. Phase behavior of stratum corneum lipid mixtures based on human ceramides: The role of natural and synthetic ceramide 1. J Invest Dermatol (2002) 118(4), 606-617.
  10. Iwai I et al. The human skin barrier is organized as stacked bilayers of fully extended ceramides with cholesterol molecules associated with the ceramide sphingoid moiety. J Invest Dermatol (2012), doi: 10.1038/jid. 2012.43, 1-11.
  11. Caspers PJ et al. In vivo confocal raman microspectroscopy of the skin: noninvasive determination of molecular concentration profiles. J Invest Dermatol (2001) 116, 434-442.
  12. Norlén L. Skin barrier formation: the membrane folding model. J Invest Dermatol (2001) 117, 823-829.
  13. Al-Amoudi A et al. Nanostructure of the epidermal extracellular space as observed by cryo-electron microscopy of vitreous sections of human skin. J Invest Dermatol (2005) 124, 764-777.
  14. Steck TL et al. Probing red cell membrane cholesterol movement with cyclodextrine. Biophys J (2002) 83, 2118-2125.
  15. Lautenschläger H. Korneotherapie – Bindeglied zwischen Dermatologie und Kosmetologie. KOKO Kosmetikvertrieb GmbH & Co.KG, Leichlingen (2011).
  16. Lautenschläger H. Geschichte und aktuelle Gesichtspunkte der Korneotherapie. Kosmetische Medizin (2005) 26 (2), 58-60.
  17. Phillips MC et al. Monolayer characteristics of satured 1,2-diacyl phosphatidylcholines (lecithins) and phosphatidylethanolamines at the air/water interface. Biochim Biophys Acta (1968) 163, 301-313.
  18. Winter R. Struktur und Dynamik von Modell-Biomembranen. Chemie in unserer Zeit (1990) 24, 71-81.
  19. Keough KMW et al. Gel to liquid-crystalline phase transitions in water dispersions of satured mixed-acid phosphatidylcholines. Biochem (1979) 18, 1453-1461.
  20. Vist M et al. Phase equilibria of cholesterol/ dipalmitoylphosphatidylcholine mixtures: 2H nuclear magnetic resonance and differential scanning calorimetry. Biochemistry (1990) 29, 451-464.
  21. Smaby J et al. Phosphatidylcholine acyl unsaturation modulates the decrease in interfacial elasticity induced by cholesterol. Biophys J. (1997) 73, 1492-1505.
  22. Worthman LA et al. Cholesterol in condensed and fluid phosphatidycholine monolayers studied by epifluorescence microscopy. Biophys J. (1997) 72, 2569-2580.
  23. Tanaka K et al. Lipid lateral diffusion in Dilauroylphosphatidylcholine/Cholesterol mixed monolayers at the air/water interface. Langmuir (1999) 15, 600-606.
.