Hautgefäße - Aufbau und Funktion - Einfluss des Lipidmusters und der Morphologie der Epidermis

2 Literaturübersicht

2.1 Haut

2.1.1 Aufbau und Funktion

2.1.1.4 Hautgefäße

Die Haut beinhaltet ein tiefes, ein oberflächliches und ein subepitheliales Gefäßnetz, die über vertikal verlaufende Gefäße miteinander verbunden sind. Dadurch wird sowohl die Thermoregulation des Körpers als auch eine Versorgung der einzelnen Hautschichten gewährleistet (FRITSCH 1988; LIEBICH et al. 1999).

9 2.1.1.5 Hautnerven

Die in der Haut befindlichen Nerven lassen sich in Nervenfasergeflechte um Hautanhangsgebilde, mit Nervenfasern versorgte Sinnesrezeptoren sowie freie Nervenendigungen unterteilen. Letztere dienen der Wahrnehmung von Sinnesreizen. Alle in der Haut vorhandenen Nerven sind autonomer oder sensibler Natur (FRITSCH 1988).

2.1.1.6 Hautanhangsgebilde

In der Haut befindet sich eine Reihe von Hautanhangsgebilden, zu denen die Hautdrüsen und die Haare zählen, was beim Menschen rund 1% der Gesamtoberfläche der Haut ausmacht (SCHAEFER u. REDELMEIER 1996).

Die Hautdrüsen unterteilt man bei den Haussäugetieren in die holokrin sezernierenden Talgdrüsen sowie in die apokrin sezernierenden Schweiß- und Duftdrüsen in Form so genannter Knäueldrüsen (MEYER et al. 1978b, c). Im Gegensatz zum Menschen existieren in der Haut der Haussäugetiere keine ekkrinen Schweißdrüsen. Funktionell gibt es zwischen den Schweißdrüsen des Pferdes und des Menschen Parallelen, wobei Equide im Gegensatz zum Menschen große Mengen an Proteinen mit dem Schweiß abgeben (JUNKELMANN 1976).

Aufgrund der gemeinsamen epidermalen Anlage der Hautanhangsgebilde spricht man auch von der epidermalen Trias. Die Sekrete der Hautdrüsen verleihen der Haut einen dünnen Säure- und Fettmantel (LIEBICH et al. 1999). Das Sebum der Talgdrüsen, das vorwiegend aus Wachsestern, Squalen und Triglyceriden besteht, wird in die Haarfollikel abgegeben und über diese auf die Hautoberfläche transportiert (FRITSCH 1988; STEWART u. DOWNING 1991). Bei stark behaarten Tierarten beschränkt sich die Funktion des Sebums vor allem auf die vor Wasser schützende Imprägnierung des Haarkleides (MEYER et al. 1978a). Die Zusammensetzung des Sebums variiert dabei in Abhängigkeit von der Körperregion sowie des Alters, denn mit dem Alter variiert die auf die Talgdrüsen wirkende Hormonproduktion (z.B. die auf die Talgproduktion stimulierend wirkenden Thyreotropin releasing-Hormone und Androgene) (FRITSCH 1988). Mit der Sebumabgabe werden gleichzeitig Vitamin E (Antioxidanz), Androgene und antimikrobielle Stoffe (gegen grampositive Bakterien) an die Hautoberfläche transportiert (BURTENSHAW 1942; CHAI u. CHAI 1980; THIELE et al.

1999; ZOUBOULIS et al. 2000; PILGRAM et al. 2001; FLUHR et al. 2003; WILLE u.

KYDONIEUS 2003). Obwohl schon länger bekannt ist, dass die antimikrobielle Wirkung des Sebums auf freie Fettsäuren zurückzuführen ist, konnte kürzlich festgestellt werden, dass es sich dabei vorwiegend um Palmitoleinsäure-Isomere (C16:1) handelt (STONE u. FULGUM 1984; LEYDEN et al. 1987; WILLE u. KYDONIEUS 2003).

Haare findet man über den gesamten Körper verteilt mit Ausnahme der Ballen, wobei sie beim Menschen nur ca. 0,1 – 1 % der Gesamtkörperoberfläche ausmachen (SCHAEFER u.

REDELMEIER 1996). Sie bestehen aus dem peripher gelegenen Haarschaft, dem sichtbaren Teil des Haares, der über den bindegewebigen Haarbulbus (Haarzwiebel) im Haarfollikel steckt und den Haarfollikel wie eine Haube umschließt. Je nach Spezies, Haartyp und Körperregion haben die Haare der Säugetiere einen speziellen Insertionswinkel und eine bestimmte Tiefe, in die sie reichen, um eine effektive Verankerung zu gewährleisten (MEYER et al. 2002). Im Haarfollikel findet das zyklisch stattfindende Haarwachstum statt (EBLING et al. 1991; RANDALL et al. 1991). Es untergliedert sich in die folgenden Phasen:

Anagen- (Wachstums-), Telogen- (Ruhe-) Phase und die kurze zwischengeschaltete Katagen- (Rückbildungs-) Phase. Während der Telogenphase fällt das Haar aus, da sich die Verankerung im Haarfollikel löst (FRITSCH 1988). Dieser Haarwechsel kann im Gegensatz zum Menschen topographisch diffus oder bilateral symmetrisch ablaufen (MEYER et al.

1978a). Die Steuerung des Haarzyklus geschieht durch eine Reihe an endogenen (z.B.

Geschlecht und Alter) und exogenen Faktoren (z.B. Licht und Temperatur). Man unterscheidet bei den Säugetieren anhand einer Vielzahl von morphologischen Parametern (z.B. Länge und Form) Primärhaare von Sekundärhaaren, die eine Vielzahl an Funktionen übernehmen. Unter anderem zählen dazu der mechanische Schutz, die Wärmeisolation sowie der Schutz vor ultravioletten Strahlen. Am Bedeutendsten ist allerdings die Fähigkeit der Hautsensibilität, die bewerkstelligt wird durch ein dichtes Netz an sensorischen Nervenfasern um den Haarfollikel herum (LIEBICH et al. 1999; MEYER et al. 2002).

2.1.2 Hautlipide

Der Gehalt der für die Hautpermeabilität wichtigen Lipide der Epidermis ist unabhängig vom extra-epidermalen Lipidgehalt des Körpers (ANDERSEN u. DIETSCHY 1977; GRUBAUER

et al. 1987; MONGER et al. 1988). Von LOWE (1977), MELTON et al. (1987), WERTZ et al. (1987) und FRITSCH (1998), konnte jedoch gezeigt werden, dass ein Defizit an essentiellen Fettsäuren eine Ausnahme darstellt, da durch morphologische Umwandlungsprozesse innerhalb der Epidermis herabgesetzte Barriereeigenschaften der Haut resultieren. Anhand ihrer chemisch-physikalischen Eigenschaften lassen sich die epidermalen Lipide in drei Gruppen einteilen (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Einteilung der epidermalen Lipide nach LAMPE et al. (1983a)

Hautlipide spielen neben der Permeabilitätsbeeinflussung eine wichtige Rolle bei der Desquamation, dem Zusammenhalt der Hornschicht (Kohäsion) sowie den mechanischen Eigenschaften der Haut (ELIAS et al. 1984). Daher können Störungen der Lipidbiosynthese schwerwiegende Auswirkungen auf den betroffenen Organismus haben, die sich ebenso wie beim Menschen auch bei den Haussäugetieren in Hauterkrankungen wie der Psoriasis, der Xerosis oder der Ichthyosis äußern können (SAINT-LEGER et al. 1989; MOTTA et al. 1994;

FARTASCH 1997).

Epidermale Lipide

Polare Lipide Neutrale Lipide Sphingolipide

Cholesterolsulfat Phospholipide

Sterole n-Alkane

Squalen

Ceramide Glycosphingolipide

Triglyceride freie Fettsäuren

12 2.1.2.1 Polare Lipide

2.1.2.1.1 Cholesterolsulfat

Cholesterolsulfat stellt ein hydrophiles Sterol dar, das im Stratum granulosum am höchsten konzentriert ist (siehe Abbildung 3). Zum Stratum corneum hin fällt es kontinuierlich ab und ist in abschilfernden Hornzellen nur noch in Spuren nachweisbar. Es entsteht durch Sulfatierung von Cholesterol mit 3´-Phosphoadenosin-5´-Phosphosulfat (PAPS) und trägt zur Integration der Lipidlamellen bei.

Durch seine amphiphile Struktur kann es Disulfidbrücken bilden und mittels seiner negativen Ladung ist es in der Lage, mit extrazellulären Ca²⁺-Ionen die Stabilität der Lipidlamellen zu erhöhen (WILLIAMS 1983; WILLIAMS u. ELIAS 1986). Im Stratum corneum katalysiert die Steroidsulfatase die Hydrolyse von Cholesterolsulfat. Diese Reaktion wird als ein möglicher Mechanismus der Desquamation angesehen, da die interkorneozytären Lipidlamellen destabilisiert und die Korneozytenkohäsion gemindert werden (LAMPE et al.

1983b; ELIAS et al. 1984; LONG et al. 1985; BOUWSTRA et al. 1999b). Daher wird das Verhältnis von Cholesterol zu Cholesterolsulfat, das beim Menschen etwa 10:1 ist, als ein wichtiger Parameter zur Beurteilung der Stratum corneum – Integrität herangezogen (HARATAKE et al. 2006). SERIZAWA et al. (1992) konnten durch vergleichende Untersuchungen zwischen der Haut vom Unter- und Oberarm allerdings zeigen, dass trotz massiver Unterschiede in der Kohäsion an diesen Körperlokalisationen keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Cholesterolsulfatkonzentration bestanden. Durch diese und weitere Untersuchungen von LUNDSTROM und EGELRUD (1988), SERIZAWA et al.

(1992), WILLIAMS et al. (1992b) sowie ZETTERSTEN et al. (1998) wird daher der angenommene Zusammenhang zwischen Cholesterolsulfat und der Stabilität des Stratum corneum in Frage gestellt.

2.1.2.1.2 Phospholipide

Zu den polaren Lipiden zählt neben dem Cholesterolsulfat auch die Gruppe der Phospholipide (siehe Abbildung 3). Hierzu gehören das Phosphatidylethanolamin, -cholin, -serin, das Sphingomyelin sowie das Lysolecithin. Während diese im Stratum granulosum noch zu über 60 % vertreten sind, nimmt ihr Gehalt während der Differenzierung der Zellen zur

Hornschicht stetig ab, da eine Aufspaltung in Glycerol und freie Fettsäuren stattfindet. Im Stratum corneum sind sie kaum noch nachweisbar (< 5 % der Lipide) (LAMPE et al. 1983b;

ELIAS u. FEINGOLD 1988; WERTZ u. DOWNING 1991).

Abbildung 3: Strukturformeln polarer, epidermaler Lipide nach MADISON (2003)

2.1.2.2 Neutrale Lipide 2.1.2.2.1 Sterole

Weitere Hauptkomponenten der Hornschicht sind die Sterole (siehe Abbildung 4), zu denen Cholesterol, -ester, Squalen, sowie das bereits beschriebene Cholesterolsulfat gehören. Den größten Anteil daran bildet beim Menschen das freie Cholesterol, das ein Bestandteil aller Zellmembranen ist und für die Membranfluidität verantwortlich ist. In der menschlichen Epidermis finden 21 % der gesamten Cholesterolbiosynthesereaktionen statt, die zudem unabhängig ist von der hepatischen Synthese, da Keratinozyten keine LDL-Rezeptoren (Low density lipoprotein) ausbilden (FEINGOLD 1991). Änderungen der Cholesterolkonzentrationen im Blut haben daher auch keinen Einfluss auf die Cholesterolbiosynthese in der Epidermis. Nachdem Cholesterol in den lebenden Epidermisschichten gebildet wurde, gelangt es durch Exozytose der Keratinosomen in die Hornschicht (ELIAS 1983; HEDBERG et al. 1988a). Es verhindert dort durch Einlagerung zwischen die Fettsäureacylketten in der Membran zum einen eine kristalline Anordnung durch Unterbrechung der hydrophoben Kräfte und zum anderen größere Molekularbewegungen durch sterische Blockierung. Dadurch wird einem Phasenübergang entgegengewirkt; die Membranfluidität wird vermindert (SINGER u. NICOLSON 1972;

BRETSCHER u. RAFF 1975). Cholesterol ist somit an der epidermalen Barrierefunktion und der Desquamation beteiligt. Zudem spielt es eine initiale Rolle im Vitamin D3-Stoffwechsel,

CH3

da Cholesterol in der Haut durch eine photochemische Reaktion unter UV-Licht-Einfluss in Vitamin D3 umgewandelt werden kann (LEHNINGER et al. 2001).

Sterolester sind im Stratum corneum stärker vertreten als in der lebenden Epidermis, wobei es sich bei den veresterten Fettsäuren vor allem um Ölsäure (C18:1), Palmitoleinsäure (C16:1) und Palmitinsäure (C16:0) handelt (LAMPE et al. 1983a).

Squalen (siehe Abbildung 4) lässt sich sowohl in physiologischer als auch in pathologisch veränderter Humanhaut nachweisen. Seine Herkunft ist allerdings umstritten: Während einerseits angenommen wird, dass es sich dabei um eine Sebumkontamination handelt, wird von LAMPE et al. (1983b) aufgrund seines Vorhandenseins in allen epidermalen Schichten davon ausgegangen, dass es keine Kontamination darstellen kann (MELNIK 1990).

2.1.2.2.2 n-Alkane

Bei den n-Alkanen (siehe Abbildung 4) handelt es sich um eine homologe Reihe lipophiler Stoffe mit unterschiedlicher Kettenlänge von C15-C35 (Maximum bei C25/26) (WILLIAMS u.

ELIAS 1982; BORTZ et al. 1989). N-Alkane stellen keine hauteigenen Lipide dar, sondern sind exogenen Ursprungs (BORTZ et al. 1989). Durch Untersuchungen von FITZGERALD et al. (1975), PETERS und WHITE (1978), SCOTT (1986) sowie LUBACH und KIETZMANN (1991) konnte gezeigt werden, dass eine Applikation von Hexadekan auf die Hautoberfläche neben einer Hautirritation eine epidermale Hyperplasie induziert.

2.1.2.2.3 Freie Fettsäuren und Triglyceride

Weitere neutrale Lipide der Epidermis stellen die freien Fettsäuren sowie die Triglyceride dar (siehe Abbildung 4). Die in den multilamellären Lipidschichten enthaltenen freien Fettsäuren enthalten Acylketten, die vorwiegend aus 14 bis 22 Kohlenstoffatomen bestehen, wobei der Anteil der C16:0- und C18:1-Ketten überwiegt (LAMPE et al. 1983a). Ihr Gehalt erhöht sich während der epidermalen Differenzierung, wobei unklar ist, ob dieser Anstieg im Stratum corneum durch Abbau von Membranlipiden (Phospholipide oder Acylglukosylceramide) oder durch Neusynthese bedingt ist (LAMPE et al. 1983a). Am Übergang vom Stratum

granulosum zum Stratum corneum und in den tieferen Schichten der Hornschicht kann die Phospholipid-aufspaltende Phospholipase-A2 nachgewiesen werden, deren Existenz darauf hinweist, dass freie Fettsäuren aus vorhandenen Lipiden synthetisiert werden (MAURO et al.

1998). Diese Vermutung kann durch die Ergebnisse weiterer Untersuchungen gestärkt werden, in denen eine Inhibition der Phospholipase-A2 einen verminderten Gehalt an freien Fettsäuren im Stratum corneum zur Folge hatte (MAO-QIANG et al. 1996).

Für den Aufbau und den Erhalt der Barriere sind die ungesättigten, vor allem die essentiellen Fettsäuren von Bedeutung, wobei besonders auf Linolsäure (C18:2) hingewiesen werden muss:

Durch Veresterung mit der endständigen ω-Hydroxyfettsäure der Ceramide entsteht das für den Zusammenhalt der Lipidlamellen wichtige Ceramid 1 (ZELLMER 2001).

Triglyceride findet man vorwiegend in den tieferen Schichten der Epidermis, wo sie der Energiegewinnung dienen (YARDLEY u. SUMMERLY 1981).

H3C

Abbildung 4: Strukturformeln epidermaler Neutrallipide nach MADISON (2003)

CH2

Freie Fettsäure (Ölsäure) Alkan (Dekan)

Triglycerid (Triolein) Squalen

16 2.1.2.3 Sphingolipide

Sphingolipide lassen sich anhand ihres chemischen Aufbaus in Sphingophospholipide, Ceramide und Glycosphingolipide unterteilen. Sie stellen amphiphile Moleküle dar, die sowohl hydrophile als auch hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Der hydrophobe Teil besteht aus einer Fettsäure, welche über ihren Amidrest mit dem Carbonrest des Sphingoidgerüstes (v.a. Sphingosin, Sphinganin, Phytosphingosin) verknüpft ist (siehe Abbildung 5). Da es mindestens 5 verschiedene Sphingoidgrundgerüste gibt, die mit mehr als 20 Fettsäure-Arten und bei den Glycosphingolipiden zusätzlich mit etwa 500 verschiedenen Kohlenhydratresten kombiniert werden können, gibt es eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten (FUTERMAN u. HANNUN 2004). Neben Strukturelementen können Sphingolipide first und second messenger für intrazelluläre Signalkaskaden sein (z.B.

bei der Apoptose). Sie sind zudem beteiligt am Aufbau von Membran-Mikrodomänen, den so genannten Lipid rafts (OKAZAKI et al. 1990; PAGANO 1990; KIM et al. 1991;

ROSENWALD u. PAGANO 1993; FUTERMAN u. HANNUN 2004).

Ceramide, die die größte Fraktion der Hornschichtlipide darstellen, wurden anfangs anhand ihres dünnschichtchromatographischen Trennverhaltens in 6 Gruppen eingeteilt (1, 2, 3, 4/5, 6I und 6II) (WERTZ et al. 1985; WERTZ 2000): je höher die Nummer ist, desto polarer ist das Ceramid und desto weiter läuft das Lipid bei der Dünnschichtchromatographie. Aufgrund ihrer Komplexizität und ständig neu entdeckter Ceramid-Varianten wurde eine neue Nomenklatur vorgeschlagen, die sich an der molekularen Struktur der Ceramide orientiert (MOTTA et al. 1993; ROBSON et al. 1994). Man unterscheidet danach zwischen Derivaten des Phytosphingosins, des Sphingosins und des 6-Hydroxy-Sphingosins (siehe Tabelle 1).

Zusätzliche Kriterien sind es, ob die ω-Hydroxygruppe der amidartig gebundenen Fettsäure verestert ist, und ob die Ceramide in α-Stellung hydroxyliert sind (ZELLMER 2001).

Abkürzung Aufbau

H Sphingoidbase: 6-Hydroxy-Sphingosin S Sphingoidbase: Sphingosin

P Sphingoidbase: Phytosphingosin

A Amidartig gebundene Fettsäure ist in α-Stellung hydroxyliert N Amidartig gebundene Fettsäure ist in α-Stellung nicht hydroxyliert O Amidartig gebundene Fettsäure ist in ω-Stellung hydroxyliert

E Amidartig gebundene Fettsäure ist in ω-Stellung mit einer anderen Fettsäure verestert

Tabelle 1: Nomenklatur der Ceramide nach MOTTA et al. (1993) und ROBSON et al. (1994)

Mittels dünnschichtchromatographischer Untersuchungen war es möglich, 7 Ceramidklassen zu identifizieren: Cer [EOS], Cer [NS], Cer [NP], Cer [EOH], Cer [AS], Cer [AP] und Cer [AH] (ROBSON et al. 1994). Allerdings überlappen sich dabei zwei Banden (Cer [NH]

und Cer [AS]). Da diese Ceramide die gleiche Polarität aufweisen, sind sie erst nach Acetylierung trennbar, wobei Cer [NH] den größeren Teil der Bande ausmacht (STEWART u. DOWNING 1999). PONEC et al. (2003) konnten durch Untersuchungen mittels Kernspinresonanz-Spektroskopie, Hochleistungsdünnschichtchromatographie und Gaschromatographie darüber hinaus das Ceramid 9 [EOP] nachweisen.

Der bekannteste Vertreter der Ceramide ist das Ceramid 1 [EOS], das das einfachste Sphingolipid darstellt. Es hat eine amidgebundene langkettige ω-Hydroxyfettsäure, die über ihre ω-Hydroxylgruppe mit einer kürzeren Nichthydroxyfettsäure verestert ist (im Stratum corneum zu 41% Linolsäure). Aufgrund seiner Moleküllänge kann es benachbarte Lipiddoppelschichten der interkorneozytären Lipidlamellen durch asymmetrische Anordnung miteinander verzahnen, wodurch ihm eine wichtige Bedeutung hinsichtlich der Hornschichtstabilisierung, der Struktur der Lipidlamellen sowie der Barrierefunktion zukommt (MELNIK 1990; BOUWSTRA et al. 1998; MCINTOSH 2003).

Abbildung 5: Strukturformeln epidermaler Sphingolipide nach MADISON (2003)

Bei den Glycosphingolipiden handelt es sich um Moleküle, bei denen die terminale Hydroxylgruppe des Sphingosins bzw. des Phytosphingosins glykosidisch an einen Zuckerrest gebunden ist. Zu dieser Gruppe zählen auch die Cerebroside, die in Abhängigkeit vom konjugierten Zuckerrest in Galactocerebroside und Glucocerebroside unterteilt werden.

Hauptanreicherungsort der Glycosphingolipide sind die Keratinosomen (Lamellar bodies), wo

H₃C

sie sich vorwiegend in den dicht gepackten, inneren Lipidlamellen befinden (WERTZ et al.

1984). Die ω-Hydroxyacylketten der Linoleylglukosylceramide durchdringen vollständig eine Lipiddoppelschicht, während Linoleylgruppen in benachbarte Lipiddoppelschichten hineinreichen. Durch eine Verzahnung der übereinander liegenden Lipiddoppelschichten wird die Bildung und Integrität der Lipidlamellen gewährleistet (WERTZ u. DOWNING 1982;

WERTZ et al. 1984, 1987; MCINTOSH 2003). Unter den Glycosphingolipiden ist das Acylglukosylceramid am bedeutendsten, da es etwa die Hälfte aller Glycosphingolipide ausmacht. Es ist ein nicht extrahierbares Ceramid und ermöglicht die Bildung des so genannten Lipid envelope, indem über seine ω-Hydroxygruppe eine kovalente Bindung mit den Hüllproteinen der Korneozyten (Involukrin, Lorikrin und SPRP) eingegangen wird (CHANG et al. 1993; STEINERT u. MAREKOV 1995).

Während der Differenzierung steigt der Anteil der Ceramide mit fortschreitender Verhornung proportional an, während der Glykosphingolipidanteil im Stratum corneum abnimmt.

Physiologischer Weise sind Glykosphingolipide nur in den lebenden Epidermisschichten vorhanden, so dass ihr Vorkommen in den äußeren Schichten der Hornschicht lediglich bei Verhornungsstörungen beobachtet werden kann (YARDLEY u. SUMMERLY 1981). Zu diesen zählt unter anderem die Parakeratose, die auch bei Haussäugetieren anzutreffen ist (CHRISTOPHERS u. BRAUN-FALCO 1970).

Aufgrund der unterschiedlichen Syntheseorte lässt sich ein Verteilungsprofil der epidermalen Lipide erstellen, das für den Menschen in Abbildung 6 dargestellt ist.

Abbildung 6: Epidermale Lipidverteilung nach FRITSCH (1998) und LAMPE (1983b)

2.1.3 Transdermaler Stofftransport

Für topisch applizierte Substanzen stellt die Hornschicht die erste und bedeutendste Barriereschicht dar (SCHEUPLEIN 1965). Gelangt eine Substanz in und durch diese hindurch, bezeichnet man dies als Penetration (STÜTTGEN u. SCHAEFER 1974). Dabei können Substanzen das Stratum corneum auf verschiedenen Wegen durchdringen: zum einen transdermal und zum anderen über so genannte „Shunt-Wege“ (siehe Abbildung 7).

Bei der transdermalen Route unterscheidet man zwischen dem Transport durch die Zellen (transzellulär) und dem Transport durch interzelluläre Kanäle (interzellulär) (KARZEL u.

LIEDTKE 1989). Beim transzellulären Weg müssen die Stoffe sowohl durch die Lipidlamellen als auch durch die Keratinozyten hindurch gelangen. Obwohl dieses der

„direkte“ Weg ist, ist es für Stoffe nicht leicht, ihn zu bewältigen, da sowohl hydrophile als auch lipophile Strukturen durchquert werden müssen. Der häufigste Weg durch die Haut ist daher der Interzelluläre zwischen den Korneozyten hindurch (HADGRAFT 2004).

Beim „Shunt-Weg“ gelangt die penetrierende Substanz über die Haarfollikel inklusive der Talg- und/oder ekkrinen Schweißdrüsen in den Körper (LADEMANN et al. 2003). Zudem bestehen die Möglichkeiten, dass Mikroläsionen der Hornschicht Eintrittspforten darstellen oder dass durch Auflösung der desmosomalen Zellkontakte wasserdurchlässige Poren entstehen (MENON u. ELIAS 1997; SCHAEFER u. LADEMANN 2001).

Keratohyalingranula

Odland bodies

Hemidesmosom Desmosom

Stratum corneum Stratum granulosum

Stratum spinosum

Stratum basale

Cholesterolsulfat Phospholipide Neutrale Lipide

Sphingolipide

Abbildung 7: Wege des transdermalen Stofftransportes nach HADGRAFT (2001)

Durchdringt die Substanz neben der Hornschicht auch die darunter liegende Cutis, so bezeichnet man diesen Vorgang als Permeation. Bei der Resorption kommt es zusätzlich zu einer Substanzaufnahme in die Lymph- und Blutgefäße (STÜTTGEN u. SCHAEFER 1974).

Der percutane Stofftransport verläuft direkt proportional zum Konzentrationsgradienten der Stoffverteilung (BLANK u. SCHEUPLEIN 1969). Daraus schlossen POTTS et al. (1992), dass der transdermale Fluss vorwiegend durch passive Diffusion erfolgt und den Gesetzmäßigkeiten der Membrandiffusion unterliegt. Ungerichtete Bewegungen der Teilchen führen zu einem Teilchenfluss mit einem Konzentrationsgradienten. Aktive Transport-vorgänge spielen im Stratum corneum nach SCHEUPLEIN (1978) und BARRY (1983) keine Rolle. Aufgrund dieser physikalischen Eigenschaften lässt sich der percutane Fluss durch das 1. Fick´sche Diffusionsgesetz beschreiben:

Diese Form des 1. Fick´schen Diffusionsgesetzes gilt nur für Experimente unter Infinite-Dose-Bedingungen. Von diesen spricht man, wenn die Testsubstanz in so hoher

c K D A t

J m ⋅ ⋅∆

⋅

∆

= ∆ [mol · s^-1· cm^-2] (1)

J: Flux D: Diffusionskoeffizient m: Masse K: Verteilungskoeffizient

t: Zeit c: Konzentration

A: Fläche x: Diffusionsstrecke

transzellulär interzellulär follikulär glandulär

Konzentration auf die Haut aufgetragen wird, dass die maximale Absorptionsrate über die gesamte Versuchsdauer aufrechterhalten wird.

Handelt es sich dagegen um Finite-Dose-Bedingungen (d.h. die maximale Absorptionsrate ist nur für kurze Zeit vorhanden), ändert sich der maximale Flux (Jmax) entsprechend der folgenden Gleichung nach (BARRY 2002):

x auf der Membranoberfläche K: Verteilungskoeffizient

J: Flux c: Konzentration

x: Diffusionsstrecke

Da die interzelluläre Route für die meisten Substanzen den Hauptweg der Permeation darstellt, ist der tatsächlich zurückgelegte Weg mit geschätzten 500 µm länger als die Dicke des Stratum corneum (ca. 20 µm) (HADGRAFT 2004). Die tatsächliche Diffusionsstrecke

„x“ ist unbekannt, weswegen (SCHEUPLEIN 1976) den so genannten Papp-Wert verwendet:

Papp : scheinbarer Permationskoeffizient D: Diffusionskoeffizient K: Verteilungskoeffizient x: Diffusionsstrecke

Damit ergibt sich aus dem 1. Fick´schen Diffusionsgesetz:

J =

c: Konzentration Papp : scheinbarer Permeationskoeffizient Papp =

x K D⋅

[cm · s^-1] (3)

Der Papp-Wert einer Substanz am Übergang von einer wässrigen Donorphase in eine lipophile Akzeptorphase kann auf empirischer Basis geschätzt werden (POTTS u. GUY 1992):

K MW

Dadurch ergibt sich, dass Substanzen mit einem hohen Molekulargewicht langsamer durch die Haut diffundieren, während Substanzen mit einer guten Löslichkeit in Wasser und Öl sehr gut durch die Haut gelangen. Letztere sind Substanzen mit einem niedrigen Schmelzpunkt (HADGRAFT 2004). Obwohl das 1. Fick´sche Diffusionsgesetz sowie die Schätzung des Papp-Wertes nach POTTS und GUY (1992) den Anschein erwecken, dass ein hoher Verteilungskoeffizient einen hohen transdermalen Stofftransport bedingt, ist dies nicht der Fall, denn große Verteilungskoeffizienten bringen Moleküle mit sich, die eine relativ geringe Löslichkeit haben. Ein optimales Verteilungsverhalten legen dagegen die Moleküle an den Tag, die einen log KOW von 1 bis 3 aufweisen (HADGRAFT 2004).

Das 1. Fick´sche Diffusionsgesetz beschreibt den Diffusionsstrom bei einer gegebenen Konzentrationsverteilung eines diffusionsfähigen Moleküls mit bekanntem Diffusions-koeffizienten. Da sich die Konzentrationen durch die stattfindenden Diffusionsströme verändern, kann das 1. Fick´sche Diffusionsgesetz in das 2. Fick´sche Diffusionsgesetz umgewandelt werden. Durch diese partielle Differentialgleichung 2. Ordnung wird die zeitabhängige Veränderung der Molekülkonzentration in der Membran bei gegebenem Diffusionskoeffizienten beschrieben (TANG et al. 2002):

₂

Papp : scheinbarer Permeationskoeffizient MW: Molekulargewicht KOW: Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizient x: Diffusionsstrecke

2.1.4 Einfluss der Haut auf den transdermalen Stofftransport

Wie bereits beschrieben stellt nicht die lebende Epidermis, sondern das intakte Stratum corneum mit seiner lipidreichen Interzellularsubstanz die wichtigste Permeabilitätsbarriere der Haut dar (SCHEUPLEIN 1965; GRAY u. YARDLEY 1975a, b; STÜTTGEN 1990;

WESTER u. MAIBACH 1992). Von SCHEUPLEIN (1966) konnte gezeigt werden, dass Wasser die Hornschicht 1000-mal schlechter durchdringt als die Epidermis und Dermis.

Das Stratum corneum stellt keine einseitige Barriere für Substanzen aus der Umwelt dar, sondern verhindert gleichzeitig einen Verlust körpereigener Substanzen. Bereits 1927 konnte von BENEDICT und BENEDICT (1927) festgestellt werden, dass der Körper Wasser über die Haut kontinuierlich abgibt. Der transepidermale Wasserverlust ist abhängig von Umgebungstemperaturen, der umgebenden Luftfeuchtigkeit sowie von Luftbewegungen auf der Hautoberfläche (SCHWINDT et al. 1998):

x D c

TEWL ∆

⋅

−

= [g · s^-1 · cm^-2] (7)

TEWL: transepidermaler Wasserverlust D: Diffusionskoeffizient

c: Konzentration x: Diffusionsstrecke

Ohne die lebensnotwendigen Lipide der Hornschicht würde der Wasserverlust eines Körpers um das 2500-fache und bei Fehlen der Hornschicht sogar um das 4-Millionenfache zunehmen (LANDMANN 1988). Daher dient der TEWL als ein Parameter für die Beurteilung der Hautintegrität (GRUBAUER et al. 1989). Durch Lipidextraktionsversuche konnte gezeigt werden, dass eine Lipidreduktion der Epidermis zu einem dramatischen Permeabilitätsanstieg

Im Dokument Einfluss des Lipidmusters und der Morphologie der Epidermis auf transdermale Permeationsraten im In-vitro-Versuch (Seite 22-0)