Sebastian Zellmer, Dr. rer. nat.

Lipid- und strahlungsinduzierte Störungen des humanen epidermalen Stratum corneums

Habilitationsschrift zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium habilitatus (Dr. rer. nat. habil.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Beschlußdatum 10.01.2001

Abstract
Die Haut ist mit 1,7 m2 das größte Organ des Menschen und mehrschichtig aufgebaut. Apikal ist die Epidermis lokalisiert. Die äußerste Schicht der Epidermis ist das Stratum corneum. Es besteht aus verhornten Zellen (Corneozyten), die in multilamellare Lipidschichten eingebettet sind. Durch diese Architektur ist es die entscheidende Barriere der Haut. Ziel der Arbeit war es, lipid- und strahlungsinduzierte Störungen dieser Barriere zu untersuchen. Dazu wurden drei verschieden Modellsysteme eingesetzt: (i) Vesikel aus Stratum corneum Lipiden (SCV), (ii) die rekonstituierte humane Epidermis (ReHE) und (iii) das isolierte Stratum corneum.
Für die Herstellung der SCV wurden die Lipide aus plantaren Stratum corneum extrahiert. Die Zusammensetzung der Lipide wurde über automatische Mehrfachentwicklung von HPTLC Platten (AMD/HPTLC) bestimmt. Die SCV wiesen mehrere Phasenübergänge auf und fusionierten oberhalb von 32,5 C in multilamellare Lipidschichten. Sie zeigten keine Wechselwirkung mit Liposomen aus Phosphatidylcholin (PC) und eine starke mit Liposomen aus Phosphatidlyserin (PS).
Natürliche und künstliche UV-Strahlung oxidierte die SCV Lipide. Singulett Sauerstoff ist an diesem Prozeß nicht beteiligt. Es entstanden eine Vielzahl von Lipidhydroperoxiden (MDA, 7- und 7-Cholesterolhydroperoxide). Cholesterol wirkte nicht antioxidativ.
Aus humanen epidermalen Keratinozyten wurde die ReHE hergestellt. Es zeigte sich, daß die Lipide topisch applizierter PC-Liposomen 20fach schneller durch die ReHE penetrierten als die von PS-Liposomen. Diese Unterschiede beruhen auf der unterschiedlichen Wechselwirkung mit den Stratum corneum Lipiden.
Ähnliches ergab sich, wenn Liposomen auf das enzymatisch isolierte Stratum corneum aufgetragen wurden. Topische Applikation von PC Liposomen führte zu einer Fluidisierung der multilamellaren Lipidschichten, während PS-Liposomen keinen Einfluß hatten.
Weitere Untersuchungen zeigten, daß Phospholipasen (PLA2) im Stratum corneum vorhanden sind, die penetrierte Lipide hydrolysieren können.

Human skin is the largest organ (1.7 m2) and consists of several layers. The apical layer is the epidermis. The outer layer of the epidermis is the Stratum corneum. It consists of horny cell remnants (Corneocytes) embedded into multilamellar lipid layers. Due to this architecture it is the main barrier of skin. The aim of this study was to investigate lipid- and radiation-induced disturbances of this barrier. Three different model systems were used: (i) vesicles made of Stratum corneum lipids (SCV), (ii) the reconstituted human epidermis (ReHE) and (iii) the isolated Stratum corneum.
Lipids of the plantar Stratum corneum were isolated for the preparation of SCV. The composition of the extracts was quantified by automated multiple development of HPTLC plates (AMD/HPTLC). Several phase transitions were detected in SCV and fusion in multilamellar lipid layers was detected above 32.5 C. No interaction (aggregation, fusion) occurred between SCV and liposomes made of phosphatidylcholine (PC) and a strong interaction was detected with liposomes made of phosphatidylserine (PS).
Irradiation with normal or artificial UV light resulted in an oxidation of the SCV lipids. Singulett oxigen, however, is not involved in this reaction. During the oxidation different lipid hydroperoxides were generated (MDA, 7- and 7-Cholesterolhydroperoxide). However, cholesterol had no antioxidative effects.
A ReHE was developed from human epidermal keratinocytes and liposomes were applied topically. The penetration rate of lipids from PC liposomes was 20fold higher compared to lipids of PS liposomes. This is due to different interactions of PC- and PS liposomes with the Stratum corneum lipids.
Similar results were obtained after the application of liposomes onto the isolated stratum corneum. Topical application of PC liposomes resulted in a fluidisation of the multilamellar lipid layers while the application of PS liposomes had no effect.
In addition it was shown that phospholipases (PLA2) are present in the Stratum corneum, which may hydrolyse penetrated phospholipids.

Keywords:
Stratum corneum, Liposomen, Penetration, Phasenübergang, Phospholipase, Keratinozyten Zellkultur, HPTLC, Oxidation, Stratum corneum Lipide

Stratum corneum, liposomes, penetration, phase transition, phospholipase, keratinocyte cell culture, HPTLC, oxidation, Stratum corneum lipids

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1. Zusammenfassung (1-2)
2. Einleitung und Fragestellung (3-5)
3. Grundlagen (6-32)
4. Material und Methoden (33-35)
5. Ergebnisse und Interpretation (36-80)
6. Verzeichnis der Abkürzungen (81)
7. Verzeichnis der Abbildungen und Tabellen (82)
8. Literatur (83-93)
9. Anhang (94)