Jarmila Zbytovská

New insights into the Stratum Corneum lipid membrane organisation: An X-ray and neutron scattering study

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 20.10.2006

Abstract
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und physikochemische Charakterisierung von Membranmodellen, welche Ceramide enthalten. Das Hauptvorhaben ist, ein Membranmodell aus Stratum corneum-Lipiden bereitzustellen, welches in weiteren Studien für die Untersuchung der Wirkungsmechanismen von Hautpenetrationsmodulatoren einsetzbar wäre.
Im ersten Teil der Arbeit werden zwei Ceramide des Phytosphingosin-Typus, Cer[AP] und Cer[NP], in eine DMPC-Membran eingefügt. Diese binären Systeme sollten zur Erklärung der Rolle der Ceramiden bei der Apoptose beitragen.
Die folgenden Teile der Arbeit befassen sich mit dem quaternären Lipidmodellsystem, welches die Struktur der nativen Stratum corneum-Lipidmatrix imitiert. Das Phasenverhalten der hergestellten Systeme und der Einfluss von Cholesterol auf die Stratum corneum-Lipidmembran werden hier beschrieben.
Schließlich werden die Anwendung des entwickelten Stratum corneum-Lipidmodells sowie die Methoden, die beim Studium der Effekte ausgewählter exogener Substanzen (z.B. der Penetrationenhancer) verwendet wurden, bewertet.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Typen von Mebranmodellen hergestellt. Es handelt sich dabei um multi- und unilamellare Vesikel sowie um organisierte multilamellare Lipidfilme. Die vorbereiteten Proben wurden mit einigen konventionellen Methoden wie differential scanning calorimetry, Röntgendiffraktion und dynamischer Lichtstreuung charakterisiert. Neu wurden hier ebenfalls die Neutronenkleinwinkelstreuung an den unilamellaren Vesikeln und die Neutronendiffraktion an den organisierten multilamellaren Filmen angewendet.

This thesis is aimed at describing the development and physicochemical characterization of membrane models containing ceramides. The major purpose is to prepare a membrane model of stratum corneum lipids, which will be appropriate for further studies on the skin permeation enhancers’ mode of action.
In the first part of the thesis, two phytosphingosine-type ceramides, Cer[AP] and Cer[NP] were incorporated into the DMPC membrane. The prepared two-component systems should contribute to the elucidation of ceramides behaviour in biological membranes and of the role of ceramides in cell apoptosis.
The following part of the thesis describes a four-component stratum corneum lipid model system analogous to the composition of the native stratum corneum lipid matrix. The phase behaviour of the system and the influence of cholesterol on the stratum corneum lipid membrane have been described.
Finally, the application of the system and methods used for studying the effects of exogenous substances, e.g. permeation enhancers, has been evaluated.
Within the thesis, three types of membrane models have been prepared, namely the multilamellar and unilamellar vesicles as well as oriented multilamellar lipid films. The prepared samples have been tested by several conventional techniques as differential scanning calorimetry, X-ray diffraction and dynamic light scattering. Newly, small angle neutron scattering on unilamellar vesicles and neutron diffraction on oriented lipid films have been applied.

Keywords:
Ceramide, Stratum corneum, Röntgendiffraktion, Neutronenstreuung, Vesikeln, Membranmodelle

Ceramides, Stratum Corneum, X-ray Diffraction, Neutron Scattering, Vesicles, Membrane Models

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Inhaltsverzeichnis
Front page, Contents, List of Abbreviations, List of Symbols (1, i-v)
1 Introduction (1-3)
2 Current knowledge status of the stratum corneum structure and transdermal permeation enhancement (4-11)
3 Basic principles of experimental techniques employed (12-25)
4 Influence of phytosphingosine-type ceramides on the structure of DMPC membrane (26-45)
5 Influence of cholesterol on the structure of stratum corneum lipid model membrane (46-65)
6 Thermotropic phase behaviour of a SC lipid model system in the variation of cholesterol concentration (66-74)
7 Neutron diffraction on the SC lipid model system (75-86)
8 Influence of permeation modulators on the behaviour of a SC lipid model mixture (87-96)
9 Summary and Perspectives (97-98)
10 Zusammenfassung und Ausblick (99-102)
References (103-116)
Appendix (I-VII)
Publication List