Dreidimensionale digitale Rekonstruktion des humanen Stratum corneum der Haut in Kombination mit Simulation substantieller Diffusion durch das Stratum corneum

und dem

Lehrstuhl für Technische Simulation der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

Dreidimensionale digitale Rekonstruktion

des humanen Stratum corneum der Haut in Kombination mit Simulation substantieller Diffusion durch das Stratum corneum

INAUGURAL-DISSERTATION

Zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Veterinärmedizin (Dr. med. vet.) durch die Tierärztliche Hochschule Hannover

Vorgelegt von Christine Wagner

aus Sinsheim

Hannover 2008

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Wilfried Meyer

Anatomisches Institut der Tierärztlichen Hochschule Hannover Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Gabriel Wittum

Lehrstuhl für Technische Simulation der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

1. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Wilfried Meyer 2. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. med. vet. Wolfgang Bäumer

Tag der mündlichen Prüfung: 20. Mai 2008

Meinen Eltern und

meinem veterinärmedizinischen Ziehvater Dr. Wolfgang Fritz

1 Einleitung...1

2 Theoretische Grundlagen...3

2.1 Histologisch-anatomische Betrachtungen...3

2.1.1 Histologischer Aufbau der Haut...3

Schichtaufbau der Haut ...4

Zellen der Epidermis...10

Dickenverhältnisse ...10

Stratum corneum...12

2.1.2 Modellvorstellungen des Stratum corneum...15

Kolumnarstruktur...15

Backsteinmauermodell...17

2.1.3 Entwicklung von Keratinozyten zu Korneozyten...18

Keratin ...26

Regeneration des Stratum corneum...27

2.1.4 Lipide des Stratum corneum ...29

Lipidzusammensetzung...29

Synthese der interzellulären Lipide des Stratum corneum...32

Funktion der interzellulären Lipide...39

2.1.5 Methoden zur Untersuchung des Stratum corneum...40

2.1.6 Barriere- und Reservoirfunktion der Haut...42

Allgemeine Funktionen der Haut...42

Barrierefunktion...45

Transepidermaler Wasserverlust...47

Reservoirfunktion...48

Verhältnis von Barriere- zu Reservoirfunktion...49

2.2 Pharmakologische Betrachtungen...50

2.2.1 Wege der Permeation...50

Diffusion...50

Permeationswege durch das Stratum corneum...51

Hautanhangsgebilde...54

Polare und unpolare Route der interzellulären Permeation...54

Vergleich: Mensch - Tier...57

2.2.2 Methoden zur Messung der Stoffpenetration durch die Haut...59

Vor- und Nachteile transdermaler Systeme...63

Substanzeigenschaften...65

Penetrationsmodulatoren...66

Chemische Penetrationsmodulatoren...68

Physikalische Methoden...73

Kriterien für geeignete Wirkstoffe...74

Anwendungsbeispiele...76

2.2.4 Pharmakologische Grundbegriffe...79

2.3 Mathematische Grundlagen...86

Geschichtliche Entwicklung...86

2.3.1 Runge-Kutta-Verfahren 2.Ordnung...87

2.3.2 Partielle Differentialgleichung...92

2.3.3 Finite-Volumen-Verfahren ...94

Vorgehensweise des Finite-Element-Verfahren...95

2.3.4 Mehrgitterverfahren...98

Grund für die Verwendung von Mehrgitterverfahren...98

Funktionsweise von Mehrgitterverfahren...99

3 Methodik...103

3.1 Dreidimensionale digitale Rekonstruktion des Stratum corneum ...103

Backsteinmauer-Modell...103

CuboidModeller...104

lgm-Dateiformat...104

ng-Dateiformat...109

Einstellbare Parameter...112

Modelleigenschaften...116

Gitterbeschreibung...117

Umsetzung des Hautmodells in lgm...117

Umsetzung des Hautmodells in ng...123

3.2 Simulation der substantiellen Diffusion durch das Stratum corneum....125

Mathematische Grundlagen und Definitionen des Modells...125

UG - eine allgemeine Einführung...128

Simulation der substantiellen Diffusion mit UG...130

Modellgebiet für die Simulation...132

Ergebnisausgabe...133

Simulation mit verschiedenen relativen Diffusionskoeffizenten...135

Einfluss der Programmparameter auf die Simulation...153

Einfluss des Verteilungskoeffizenten auf die Simulation...161

5 Diskussion...163

Besonderheiten eines dreidimensionalen Modells...164

Wahl der Geometrie des Modells ...165

CuboidModeller, Simulation und Ergebnisse...167

Schlussfolgerung...171

6 Zusammenfassung ...173

7 Summary...175

8 Literaturverzeichnis...177

9 Abbildungsverzeichnis...198

10 Tabellenverzeichnis...200

11 Danksagung...201

1 Einleitung

Die Haut ist das größte Organ des Menschen. Sie ist eine riesige Fläche, die das Überleben durch ihre Barrierefunktion sichert. Beim erwachsenen Menschen beträgt die Hautoberfläche ca. 1,5 – 2 m² und macht damit etwa 7-16% des Körpergewichts aus (IMOKAWA u. HATTORI 1885; STÜTTGEN u. SCHAEFER 1985; BEHRENDT et al. 1989; LEONHARDT 1990; ODLAND 1991; NEUBERT et al. 2001).

Noch vor den Sinneshaaren und den Augen ist die Haut im menschlichen und tieri- schen Miteinander das wichtigste Kommunikationsorgan. Sie signalisiert Gesundheit und drückt durch die Hautmuskeln und mimischen Muskeln Gefühle aus. Abweichun- gen von der Norm fallen dem Gegenüber schneller auf als jede Veränderung in anderen Organen. Bei allen Säugetieren spielt sie eine wichtige Rolle. Einerseits ver- hindert sie den Verlust von Flüssigkeit und Nährstoffen, andererseits schützt sie den Organismus vor biologischen, chemischen und physikalischen Schädigungen. Hier- bei stellt sie allerdings keine absolut dichte Trennwand dar, sondern ist besonders bei Haussäugetieren und beim Menschen für verschiedene Substanzen unterschied- lich durchlässig.

Diese Eigenschaft machten sich schon die Völker des Altertums zu Nutze und ver- wendeten verschiedene Wirkstoffpflaster für medizinische Zwecke. Der Transfer von Wirkstoffen durch die Haut ist seit Jahrtausenden bekannt, wie Funde aus dem alten Griechenland beweisen (SHAW et al. 1991). Erstaunlicherweise ging dieses Wissen im Laufe der Jahrhunderte wieder verloren, so dass man im 19. Jh. wieder annahm, die Haut sei eine absolute Barriere des Körpers zu seiner Umwelt (Fleischer 1877).

Erst im 20. Jh. wurde klar, dass die Haut unter Umständen selektiv permeabel ist (LANDMANN 1988).

Ohne die Haut als Barriere wäre jegliches tierisches und menschliches Leben auf der Welt nicht möglich. Die Zellen der Wassertiere würden durch osmotische Pro- zesse aufquellen und platzen, während Landlebewesen austrocknen würden. Jegli- cher Kontakt mit Noxen, ob biologischer, chemischer oder physikalischer Art, würde unweigerlich zum Tod des Individuums führen.

Betrachtet man die unterschiedlichen Abschnitte der Haut und ihre Bedeutung als Barriere, so zeigt sich, dass die vitale Epidermis diese Strukturen produziert, d.h. die

eigentliche Barriere aus Glucoceramiden zwischen Stratum granulosum und Stratum corneum und das Stratum corneum selbst (STÜTTGEN 1972; MADISON et al. 1987;

FRITSCH 2004; MEYER 2009). Diese ständig erneuerte Hornschicht ist die äußere Grenze aller Säugetiere zur Umwelt (PLEWIG et al. 1997). Ein erwachsener Mensch verliert täglich ca. 10 g Hornschüppchen. Dies bedeutet, dass nach ungefähr zwei Wochen die gesamte Hornschicht ausgetauscht ist (HEYMANN 2002). Das Stratum corneum stellt beim Menschen die Hauptbarriere für die Resorption von Substanzen dar. Die Diffusionskonstante für die meisten Stoffe ist in den lebenden Hautschichten der Epidermis um eine Zehnerpotenz größer als in der Hornschicht (STÜTTGEN 1972). Aus diesem Grund ist das Stratum corneum bei der perkutanen Absorption der geschwindigkeitslimitierende Faktor (SCHEUPLEIN 1978; STÜTTGEN et al.

1986). Es muss allerdings betont werden, dass diese Sichtweise nur aus human- dermatologisch klinischer Sicht gilt und nicht allgemein in der Hautbiologie der Säu- getiere (NEURAND u. MEYER 1987).

In der pharmazeutischen Forschung spielen Diffusions- und Transportvorgänge von Substanzen durch Membranen eine herausragende Rolle, da die Resorption der meisten Arzneimittel passiv durch Diffusion erfolgt. Neben der allgemein angewand- ten oralen Applikation von Arzneistoffen wurde in den letzten Jahrzehnten in zuneh- mendem Maße die Haut als Resorptionsorgan für systemisch wirkende Arneistoffe interessant. Damit einhergehend ist die Konzeption transdermaler therapeutischer Applikationssysteme Gegenstand großer Anstrengungen in der Arzneimittelfor- schung. Verschiedene Arzneimittel, die über die Haut appliziert werden, sind bereits auf dem Markt (z.B. Nitroglycerin, Clonidin, Nicotin, hormonelle Kontrazeptiva, Mor- phin, Scopolamin, Clenbuterol) oder stehen vor der Markteinführung.

In der vorliegenden Arbeit betrachte ich ausschließlich die Diffusion durch das Stra- tum corneum, wobei versucht wird mit Hilfe dreidimensionaler digitaler Modelle die Diffusionsprozesse durch die oberste Hautschicht zu simulieren. Ziel ist es dabei, ein genaueres Verständnis für die Diffusionsprozesse aufzubauen und Grundlagen für digitale Tierversuchsergänzungs- und -ersatzmethoden zu schaffen.

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Histologisch-anatomische Betrachtungen 2.1.1 Histologischer Aufbau der Haut

Durch Fortschritte in der Mikroskopiertechnik (z.B. konfokaler Mikroskopie, Zwei- Photonen-Fluoreszenz- und konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie) ist es gelungen, tiefere Einblicke in die Struktur des Stratum corneum zu gewinnen. Seine Bestand- teile, die Korneozyten und die sie umgebenden Lipid-Doppelschichten konnten genauer betrachtet werden. In der Aufklärung der Arzneimitteltransportwege durch das Stratum corneum wurden durch neue Untersuchungstechniken große Fort- schritte erzielt (SCHÄTZLEIN U. CEVC 1998; RICHTER et al. 2001; TALREJA et al.

2001; YU et al. 2001, 2002 u. 2003, FORSLIND et al. 2004).

Die Haut besitzt als äußerste Schicht ein mehrschichtiges, verhornendes Plattenepi- thel (LEONHARDT 1990; SCHWARZ u. MEYER 1994; MEYER 2009). Der grund- sätzliche Aufbau und die Funktionen der Haut sind bei allen Säugetieren gleich. Im Detail variiert der Aufbau aber nicht nur von Tierart zu Tierart, sondern schon in den verschiedenen Körperregionen eines Tieres. Es unterscheiden sich die Gesamtdicke der Epidermis, der Unterbau, die Entwicklung und die Dicke des Stratum corneum.

Bei den meisten Haustieren hängt die Dicke des Stratum corneum von der Dicke der Epidermis ab. Bei einer dünnen Epidermis sind nicht alle Schichten voll ausgeprägt.

Im Wasser lebende Säugetiere besitzen hingegen bei geringer Behaarung ein besonders dickes Stratum corneum (MONTAGNA 1967; SCHWARZ u. MEYER 1994).

Schichtaufbau der Haut

Die Haut besteht aus der Epidermis (Oberhaut), der Dermis (Lederhaut) und der Hypodermis. Alle drei Hautschichten bilden gemeinsam, sowohl aus struktureller als auch aus funktioneller Sicht, das Organ Haut.

Die Epidermis ist eine äußerst vielseitige Schutzschicht des Organismus. Sie verhin- dert u.a. den Austausch von Stoffen zwischen dem Inneren des Organismus und sei- ner Umwelt.

Die Dermis ist das bindegewebige Gerüst der Haut. Ihre Funktion ist neben der Sta- bilisierung der Haut die Versorgung der Epidermis und der Hypodermis mit Nährstof- fen, darüber hinaus sind in ihr die Haarfollikel verankert.

Die Hypodermis ist ein Fettgewebspolster; mit der Speicherung von Fettgewebe schützt sie durch Polsterung die inneren Organe vor mechanischen Belastungen und isoliert den Organismus gegen Temperaturschwankungen. Zusätzlich verändert sich die Menge des eingelagerten Fettgewebes in Abhängigkeit von Nahrungsangebot und Energiebedarf des Organismus und stellt so einen wichtigen Energiespeicher dar. Darüber hinaus ist sie ein wichtiger Produzent von Hormonen (z.B. Leptin) (FRITSCH 2004; MEYER 2009).

Zum vitalen Teil der Epidermis, im Folgenden auch vitale Epidermis genannt, gehö- ren das Stratum basale, das Stratum spinosum und das Stratum granulosum. Zum nicht vitalen Teil der Epidermis gehört das Stratum corneum.

Die unvaskularisierte Epidermis ist beim Menschen und z.B. dem Hausschwein über höckerförmige Ausstülpungen, den Papillen, mit der vaskularisierten Dermis verbun- den. Die Basalmembran bildet die Grenzschicht zwischen den beiden (SHAW et al.

1991; HEYMANN 2002; FORSLIND et al. 2004; MEYER et al. 2007).

Abb. 1: Schema des Schichtaufbaus der Haut nach MEYER et al. 2008; MEYER 2009

Histologisch betrachtet besteht die Hypodermis aus traubenförmig angeordneten Fettzellen, die von Bindegewebssepten unterteilt werden. Ihre Dicke ist sowohl abhängig vom Ernährungszustand des Lebewesens als auch von seinem Geschlecht (NEUBERT et al. 2001; MEYER 2009).

Die Dermis besteht aus kollagenen und elastischen Fasern zwischen denen Fibro- blasten, Fibrozyten und verschiedene Abwehrzellen, wie Makrophagen und Mastzel- len, in einer Grundsubstanz liegen. Sie wird von einem dichten Blutgefäßnetz und einem Lymphkapillarsystem durchzogen, das die Haut versorgt. (NEUBERT et al.

2001; MEYER 2009).

Neue vergleichende Untersuchungen ergaben drei (oberes, mittel-dermales und der- males) Blutgefäßgeflechte im Integument der Säugetiere, der wichtigsten systemati- schen Gruppen (MEYER et al. 2008).

Es bestehen deutliche Unterschiede in der Hautvaskularisation und in der Blutgefäß- organisation von stark und spärlich behaarter Haut; diese lassen sich mit der bisheri- gen, vom Menschen abgeleiteten Nomenklatur nicht ausreichend beschreiben.

Daher entwickelte MEYER et al. (2008) eine neue überarbeitete Nomenklatur. Der Ansatz versucht eine Nomenklatur zu vermeiden, die nur auf der humanen Haut basiert und berücksichtigt die meisten der wichtigen Säugetiergruppen. Die subepi- dermalen und Blutgefäßnetze der oberen Dermis wurden unabhänig von einem dichten Haarkleid mit einer eher dünnen Epidermis (Ratte, Katze) oder einem spärli- chen Haarkleid mit einer eher dickeren Epidermis (Schwein, Pferd) neutral benannt (MEYER et al. 2008).

Tab. 1: Gefäßversorgung der Haut nach neuer und alter Nomenklatur nach MEYER et al. (2008)

Hautschicht Versorgungsgebiet neue Nomenklatur alte Nomenklatur Stratum superficiale

dermidis Epidermis, Talg- drüsen, Haarfollikel- trichter

Ansa capillaris;

Rete arteriosum subepidermale;

Plexus venosus subepidermalis

Ansa capillaris;

bisher keine Bezeichnung vor- handen;

Plexus venosus subpapillaris super- ficialis

Stratum mediale

dermidis mittlerer und tiefe- rer Haarfollikelan- teil,

Mm. arrector pili, Haarpapillen, oberer sekretori- scher Anteil der Apokrinendrüsen

Rete arteriosum intradermale;

Plexus venosus intradermale

Rete arteriosum subpapillaris;

Plexus venosus subpapillaris pro- fundus

Stratum profundum

dermidis Rete arteriosum

dermidis Rete arteriosum dermidis

Stratum adiposum

hypodermidis Bindegewebe und Fettzellen,

eventuell der untere Anteil der Haarfolli- kel und der

untere sekretori- sche Anteil der Apokrinen Drüsen

Plexus venosus

dermidis Plexus venosus dermidis profundus

Stratum fibrosum

hypodermidis tiefe Dermis, unterer sekretori- scher Anteil der Apokrinen Drüsen, hypodermales Bin- degewebe incl.

Fettzellen

Rete arteriosum hypodermidis;

Plexus venosus hypodermidis

bisher keine Bezeichnung vor- handen;

Plexus venosus subcutaneus

Die Epidermis ist ein mehrschichtiges, verhornendes Plattenepithel. Ihre Dicke beträgt beim Menschen zwischen 30 µm und 1,6 mm und ist abhängig von der Körperregion (NEUBERT et al. 2001).

Die Epidermis besteht aus den folgenden Schichten:

Das Stratum basale ist die unterste, aus isoprismatischen bis zylindrischen Zellen, den Basalzellen, aufgebaute Schicht der Epidermis. Die Basalzellen sind durch ovale Zentriolen von den anderen Zellen der Epidermis zu unterscheiden. Sie besitzen intermediale Zytoplasma-Filamente von 7 - 8 nm, Syntheseorganellen wie den Golgi- apparat, Mitochondrien, ein Endoplasmatisches Retikulum und zahlreiche Riboso- men. Die deutlichen Zentriolen und die prominenten Nucleoli in dieser Schicht sind ein Zeichen der häufigen Zellteilung. Aus den sich teilenden Basalzellen entstehen zum einen erneut Basalzellen, die sich weiter teilen, und zum anderen Stachelzellen, die in den Differenzierungsprozess eingehen. Über „gap junctions“ erfolgt Substanz- und Informationsaustausch zwischen den Zellen. "Gap junctions" sind Zell-Zell- Kanäle, die den Interzellularspalt überbrücken und die Zytoplasmen zweier Zellen miteinander verbinden. Sie bestehen aus porenbildenden Proteinkomplexen, aus Connexinen, den Connexonen, welche die Plasmamembran zweier benachbarter Zellen eng miteinander in Kontakt bringen (STÜTTGEN u. SCHAEFER 1985; NEU- BERT et al. 2001; MEYER 2009).

Die Basalzellschicht ist stark mit der Dermis verzahnt. Ihre Zellen sind durch Hemi- desmosomen mit der Basalmembran verbunden (MEYER 1986; LEONHARDT 1990;

ODLAND 1991).

Bei der Basalmembran handelt es sich um eine spezialisierte extrazelluläre Matrix, die als stabilisierende Schicht unter der Basalzellschicht dazu dient, das Auseinan- dergleiten der Zellen dieser Schicht zu verhindern. Die Basalmembran besteht aus drei Laminae mit Proteinen vom Typ IV-Kollagen und Laminin sowie Proteoglykanen wie Perlecan (MEYER et al. 2007; NEBELSIEK 2007).

Das Stratum spinosum, die Stachelzellschicht, wie sie aufgrund ihrer polygonalen Zellform mit Fortsätzen genannt wird, besteht aus zwei bis fünf Zellschichten. In die- ser Schicht nimmt das Volumen der Keratinozyten zu und es kommt zu einer Abfla- chung der Zellen. Desmosomen sind Haftstellen zwischen einzelnen Keratinozyten.

Aus ihnen ziehen die Keratinfilamentbündel in den cytoplasmatischen Raum der Sta-

chelzellen und sorgen für den Zusammenhalt der Zellen. Ein Desmosom besteht typischerweise aus verbindenden Adhäsionsmolekülen, einer überbrückenden medianen Verdickungsplatte, umschriebenen plattenartigen Verdickungen in beiden Zellmembranen und davon in das Zytoplasma ausstrahlenden Keratinfilamente. Sie kommen in allen vitalen Epidermiszellen vor. Das Stratum spinosum ist gekennzeich- net durch die Bildung der sogenannten Odland-Bodies, die im nachfolgenden Text noch genauer beschrieben und deren Funktion noch erläutert wird (STÜTTGEN u.

SCHAEFER 1985; SCHWARZ u. MEYER 1994; NEUBERT et al. 2001; FORSLIND et al. 2004; MEYER 2009).

Das Stratum granulosum ist durch das Auftreten von Keratohyalingranula gekenn- zeichnet. Es besteht bei dicker Epidermis aus 2-3 Zelllagen.

Das Stratum lucidum ist durch seine schwache Anfärbbarkeit gekennzeichnet und nur in der Plantar– und Palmarhaut vorhanden. Elektronenmikroskopisch sind in die- sem Septum noch Zellstrukturen enthalten, die im folgenden Stratum corneum voll- ständig aufgelöst sind (STÜTTGEN u. SCHAEFER 1985).

Im Übergang zum Stratum corneum werden die noch vitalen, aber wasserarmen, kernhaltigen Keratinozyten des Stratum granulosum zu kernlosen, starren Korneozy- ten, die überwiegend nur noch aus vernetzten Keratinfilamenten bestehen und von einer starren Hülle, dem „cornified envelope“, umhüllt sind, umgebaut. Die Hornzel- len haben eine Dicke von 0,5 – 3 µm und einen Durchmesser von 30 – 40 µm und zählen damit zu den größten Körperzellen. Das humane Stratum corneum besteht durchschnittlich aus 10 – 20 Zellschichten. Abhängig von Körperregion und Spezies ist die Hornschicht unterschiedlich dick. Als Extrembeispiel kann die Stratum cor- neum Dicke von 0,03 mm am Kopf und 1 mm an der Fußsohle genannt werden (NEUBERT et al. 2001).

Grundsätzlich besteht das Stratum corneum aus dem kompakten Stratum corneum conjunctum und dem lockeren Stratum corneum disjunctum (MEYER 2009).

Zellen der Epidermis

Neben den Keratinozyten, die nicht nur Keratin, sondern ebenso antimikrobielle Sub- stanzen (z.B. spezielle Peptide), bilden und den Hauptanteil der Zellen ausmachen, kommen in der Epidermis auch noch z.T. immigrierte Zellen wie Langerhans-Zellen, Merkelzellen und T-Lymphozyten vor (HENZ et al. 1998; MEYER 2009). Diese hoch- spezialisierten Zellen machen insgesamt weniger als 5% der epidermalen Zellen aus (PLEWIG et al. 1997; MEYER 2009).

Die Melanozyten bilden Melanin, das für die Pigmentation der Haut verantwortlich ist und vor UV-Strahlen schützt. Melanozyten findet man hauptsächlich im oder unter dem Stratum basale. Es sind dendritische Zellen, die erst sekundär im Embryonal- stadium aus der embryonalen Neuralleiste in die Haut einwandern. Sie sind durch die Melanosomen gekennzeichnet, in denen das Melanin synthetisiert wird. Über die dendritischen Fortsätze in der Melanozytenmembran werden die Melanosomen an die Keratinozyten abgegeben, indem diese die Spitzen der Melanozytenausläufer phagozytieren und so die Melaningranula aufnehmen, die dann im Zytoplasma der Epithelzellen zu finden ist (MEYER 1986; NEUBERT et al. 2001; MEYER 2009).

Die Langerhans-Zellen vertreten zusammen mit den T-Lymphozyten den zellulären Anteil des immunologisch aktiven Organs Haut. Die überwiegend im Stratum spino- sum zu findenden Langerhans-Zellen tragen durch Phagozytose und Antigenpräsen- tation zur Immunantwort bei. Sie sind spezialisierte Makrophagen und können über das Blut- und Lymphsystem, das die Epidermis versorgt, in den Körper gelangen. In den regionalen Lymphknoten können sie mit Hilfe der T-Helfer-Zellen eine Immun- antwort einleiten (MEYER 1986; NEUBERT et al. 2001; MEYER 2009).

Dickenverhältnisse

Die Dicke der einzelnen Hautschichten unterscheidet sich um Größenordnungen.

Während das Stratum corneum durchschnittlich 5 - 50 µm stark ist, hat die vitale Epi- dermis eine durchschnittliche Stärke von 10 - 150 µm und die Dermis eine Stärke von 100 - 200µm. Die gesamte Haut weist beim Menschen eine Stärke von ca. 2000 µm auf (SCHEUPLEIN 1978; BRONAUGH et al. 1982; MEYER 1986; SHAW et al.

1991).

Die Dicke der Haut und auch des Stratum corneum variiert in den verschiedenen Körperregionen und bei den verschiedenen Säugerspezies. So besitzt die humane Epidermis eine durchschnittliche Dicke von 75 – 150 µm. An den Hand- und Fußflä- chen kann die Gesamtdicke allerdings 400 - 1000 µm betragen, hier sind sowohl mehr Zellschichten vorhanden als auch die einzelnen Zellen dicker. Man sollte mei- nen, dass in diesen Körperregionen das Stratum corneum durch seine Dicke absolut undurchlässig ist. Der Vergleich zum Stratum corneum anderer Hautbereiche zeigt, dass der unterschiedliche Aufbau der Plantar- und Palmarregion in Bezug auf Zell- größe und Anzahl der Zellschichten, trotz der größeren Dicke, eine fast identische Durchlässigkeit in diesen Bereichen bewirkt (SCHEUPLEIN 1978).

Im Durchschnitt besteht das humane Stratum corneum aus 19 Zellschichten mit einer Dicke von je 0,55 µm, also einer Gesamtdicke von 10,45 µm (SCHEUPLEIN 1978).

Die Dickenverhältnisse des Stratum corneum varieren jedoch je nach Körperregion und Spezies zwischen 0,2 und 1 µm Korneozytendicke und 15 und 40 µm Korneozy- tenduchmesser.

Der lipidgefüllte Interzellularraum des Stratum corneum besitzt ein Ausmaß von etwa 0,1 - 0,18 µm (STÜTTGEN 1972; MARKS u. BARTON 1983, LEONHARDT 1990;

PLEWIG et al. 1997; YU et al. 2002; FRITSCH 2004).

Bei einem dichten Haarkleid liegt eine eher dünne Epidermis, wie bei Ratte und Katze, vor; ein spärliches Haarkleid ist mit einer eher dickeren Epidermis, wie bei Schwein und Pferd, kombiniert. Die Epidermisdicke ist bei den meisten an Land lebenden Säugetieren unter anderem von der Stärke der Behaarung abhängig.

(MEYER 1986; SCHWARZ u. MEYER 1994; MEYER et al. 2008; MEYER 2009).

Tab. 2: Vergleich der Hautdicke und der Anzahl der Haarfollikel zwischen Mensch und Tieren nach BRONAUGH et al. 1982; MEYER 1986.

Art Stratum

corneum (µm)

Epidermis (µm)

Gesamte Haut (µm)

Anzahl der Haarfollikel pro cm²

Durchmesser d. Haarfollikel (µm)

Mensch 16,8 ± 0,7 46,9 ± 2,3 297 ± 28 11 ± 1 97 ± 3 Schwein (dt.

Edelschw.) 68,8 ± 21,2 40,5 ± 10,4 343 ± 5 24 ± 4 177 ± 4 Ratte 18,4 ± 0,5 32,1 ± 1,3 209 ± 7 289 ± 21 25 ± 1 Haarlose

Maus 8,9 ± 0,4 28,6 ± 0,9 70 ± 2 75 ± 6 46 ± 1

Maus 5,8 ± 0,3 12,6 ± 0,8 84 ± 2 658 ± 38 26 ± 1

Stratum corneum

Das Stratum corneum ist eine heterogene Struktur aus mehr oder weniger abgestor- benen, keratinisierten, abgeflachten, epidermalen Keratinozyten, die Korneozyten genannt werden und deren Zellkern bald zerfällt. Es ist aus 15 – 30 Zellschichten mit einer Zelldicke von 0,5 – 1 µm und einer intrazellulären lamellaren Lipidschicht auf- gebaut. An der Innenseite der Zellmembran der Korneozyten sind Keratinfilamente in dichter Packung angelagert. Hygroskopische Verbindungen im Inneren der Korneo- zyten halten den Hydratationszustand der Hornschicht aufrecht (HENZ et al. 1998;

FORSLIND et al. 2004 ).

Das Stratum corneum besteht beim Menschen aus 40% Protein, welches sowohl intra- als auch extrazellulär vorkommt, 40% Wasser und 20% Lipid. Das Lipid kon- zentriert sich hauptsächlich im extrazellulären Bereich (SHAW et al. 1991).

Die abgeflachten Zellen des Stratum corneum sind polygonale, meist 4- bis 6-seitige, sehr unterschiedlich geformte Zellen mit einer zerfurchten unregelmäßigen Oberflä- che. Auch ihre Größe variiert abhängig von den Körperregionen (ELIAS et al. 1983;

MARKS u. BARTON 1983).

Abb. 2: Konfokale Lasermikroskop-Aufnahme des Stratum corneum des Menschen (LADEMANN et al. 2002)

Dünne Korneozyten haben eine große Oberfläche, 1100 – 1200 µm², wie z.B die Zel- len am Rücken und in der Achsel, während dicke Korneozyten, die an Stirn, Fußsoh- len und Handflächen zu finden sind, eine kleine Oberfläche (750 µm²) besitzen.

Die tatsächliche Dicke der Korneozyten ist abhängig von der Spezies, der Körperre- gion, dem Alter der Person und der Belastung der Haut und bewegt sich beim Men- schen zwischen 0,22 µm in der Achselhöhle und 0,42 µm an der Fußsohle (PLEWIG et al. 1983).

An den Handflächen und Fußsohlen findet man hauptsächlich dickere und unregel- mäßig geformte Korneozyten. Die Korneozyten in den Achseln, am Rücken und im Nabelbereich sind dagegen dünn und meist hexagonal geformt. Die Korneozyten an Stirn, Extremitäten und Kopfhaut sind sehr unterschiedlich, teils dick, teils dünn, an manchen Stellen gleichmäßig, an anderen eher ungleichmäßig geformt. Hier kann man nicht generell von einer bestimmten Form ausgehen (HEILMANN et al. 1983).

In Regionen mit einer hohen Proliferationsrate, auch z.B nach Verletzungen sind die Korneozyten immer kleiner als im Durchschnitt (GROVE u. KLIGMAN 1983).

Die Stratum corneum-Zellen sind durch Desmosomen verbunden, die das interzellu- läre Lipid perforieren. In den äußeren Schichten des Stratum corneum verschwinden

die Desmosomen und es kommt zur Abschilferung der Zellen (ODLAND 1991).

Die hier behandelte, klinisch interpretierte Permeabilitätsbarriere der Haut wird durch ein heterogenes Zwei-Komponenten-System aus proteinreichen Keratinozyten und in Membrandoppelschichten angeordneten, interzellulären und stark polaren Glukoli- piden aufgebaut (ROUGIER et al. 1985; PROKSCH 1988; LANDMANN 1991;

SCHAICH u. KORTING 1992; PLEWIG et al. 1997). Die Korneozyten bilden eine physikalische und die Glukolipide eine chemische Form der Barriere im Stratum cor- neum. Die interstitielle Lipidphase bildet eine kontinuierliche Matrix, in der die Prote- inphase in Form von Korneozyten eingebettet ist. Die Proteinphase, die den größten Volumenanteil darstellt, ist diskontinuierlich und gibt dem Stratum corneum physikali- sche und chemische Stabilität (LANDMANN 1991; PLEWIG et al. 1997).

Das Stratum corneum besteht also aus dicht gepackten, lamellären Schichten, in denen sich Korneozyten und interzelluläre Lipide mit polaren und unpolaren Schich- ten abwechseln. Es ist als Zwei-Kompartimenten-System aus lipidarmen Zellen, die von lipidreichen interzellulären Gebieten umgeben sind, aufgebaut (ELIAS et al.

1983; STÜTTGEN et al. 1986).

Die Korneozyten sind kohärente, plättchenartige, kernlose, hexagonale ca. 30 µm breite und lange Zellen, die aus Keratinfilamenten und einer amorphen starren Pro- teinmatrix-Hülle bestehen (ODLAND 1991; PLEWIG et al. 1997; FORSLIND et al.

2004).

Bei langsamem Wachstum und wenig mechanischen Belastungen kommt eine säu- lenartige Anordnung vor. Häufiger sind jedoch Körperregionen höherer mechani- scher Belastung, in denen die Überlappung der Korneozyten im Querschnitt eher wie eine Backsteinmauer aussieht (FRITSCH 2004).

2.1.2 Modellvorstellungen des Stratum corneum

Kolumnarstruktur

In verschiedenen Körperbereichen existieren unterschiedliche Anordnungsmuster der Korneozyten. Die aus dem Bildungsprozess der Korneozyten heraus logisch ent- stehende Struktur ist eine säulenförmige Anordnung über den produzierenden Basal- zellen. Die säulenförmige Anordnung der Korneozyten nennt man Kolumnarstruktur.

Dieser Ordnungszustand ist jedoch anfällig gegenüber Störungen, wie z.B. mechani- scher Belastung. Kontinuierliche Reibung über die Haut, aber auch Zugbelastung der Haut, wie sie z.B. durch das Gehen entsteht, bringt die Kolumnarstruktur durcheinan- der. Folglich ist eine perfekte Kolumnarsturktur nur in belastungsfreien Hautarealen zu finden. Andere Körperregionen zeigen einen unterschiedlichen Grad von unge- ordneten Korneozyten (MACKENZIE 1983 a).

Dies gilt insbesondere für dickere Hornschichten, die im Regelfall in Bereichen hoher mechanischer Belastung auftreten und nicht die geregelte säulenförmige Schichtung zeigen, sondern aus ungeordnet aufeinander getürmten Korneozyten aufgebaut sind. In diesen Bereichen kann man eine seitliche Überlappung von über 10%

annehmen (PLEWIG et al. 1997).

An der Rumpfhaut des Menschen können sich abhängig von der proliferativen Aktivi- tät und der mechanischen Belastung entweder epidermale columnäre oder verscho- bene Strukturen entwickeln. An distalen Körperpartien und Extremitäten kommt die säulenförmige Anordnung von Korneozyten nicht vor (STÜTTGEN u. SCHAEFER 1985).

Dies zeigt, dass das Auftreten der Kolumnarstruktur von einer langsamen Proliferati- onsrate der Epidermiszellen abhängt. Somit weisen Bereiche mit einer hohen Prolife- rationsrate üblicherweise keine Säulenstruktur auf. Die Gebiete mit einer geordneten Struktur sind von ungeordneten Gebieten nicht scharf abgegrenzt, die Übergänge sind fließend (MACKENZIE 1983 b).

Bei Nagetieren ist an speziellen Körperregionen bzw. haarärmeren Bereichen, wie dem Ohr, morphologisch gesehen die Kolumnarstruktur deutlicher ausgeprägt als bei Primaten. Bei den Primaten wird das histologische Bild von einer größeren Unord- nung und stärkeren Überlappung beherrscht. Auch das Stratum corneum von Amphi-

bien und Vögeln besitzt eine gewisse morphologische Ähnlichkeit mit dem von Säu- getieren. Aber auch hier variiert der Grad der Ordnung (Kolumnarstruktur) und der Überlappung (MACKENZIE 1983 b).

Ein Modell, mit welchem die in einigen Körperregionen vorkommende Säulenarchi- tektur erklärt werden kann, ist das Tetrakaidekaedermodell. Ein Tetrakaidekaeder ist ein Körper mit 8 hexagonalen und 6 quadratischen Flächen und entspricht der Form von absolut zwischenraumlos gepackten Korneozyten (SCHÄTZLEIN u. CEVC 1998;

RICHTER et al. 2001; FRITSCH 2004).

Abb. 3: Tetrakaidekaedermodell nach FRITSCH (2004)

Ein Modell mit noch engerer Packung ist nur mit zwei unterschiedlichen Formen zu erreichen und wurde in der Arbeitsgruppe um Goldberg entwickelt. Es besteht aus sogenannten Goldbergtetrakaidekaedern mit Dodekaedern (ZIHERL u. KAMIEN 2001).

Zusammengefasst kann gesagt werden, dass die 15 -20 Schichten flacher kernloser Zellen mit den Maßen von ca. 0,5 µm x 30-40 µm, immer wieder als Stapel hexago- naler Zellen gefunden werden können, dies entspricht aber nicht dem allgemeinen Erscheinungsbild des Stratum corneum (ODLAND 1991).

Backsteinmauermodell

Das Stratum corneum besitzt eine einzigartige Morphologie, die oft vereinfacht als

„Backsteinmauer“ aus „Ziegeln und Mörtel“ beschrieben wird. Im Backsteinmauermo- dell stellt man sich die Hornzellen als Ziegel vor, die Lipide übernehmen die Funktion des Mörtels. Sie sorgen aber nicht für den Zusammenhalt, sondern dichten das

„Mauerwerk“ ab. Der Zusammenhalt der Hornzellen wird durch die Desmosomen, Zellverbindungen, gewährleistet (ROUGIER et al. 1985; LANDMANN 1991;

ROGERS et al. 1996; HENZ et al. 1998; HEYMANN 2002; FORSLIND et al. 2004;

FRITSCH 2004).

Abb. 4: Backsteinmauermodell nach LANDMANN (1991)

Das Lipid sorgt so für das Wasserhaltungsvermögen des Körpers und bildet eine chemische Barriere, die für verschiedene Substanzen, abhänig von deren Lipophili- tät, unterschiedlich durchlässig ist. Die Korneozyten verleihen dem Stratum corneum seine physikalische Stabilität (LANDMANN 1988). Der Modellansatz der Backstein- mauer beschreibt eine Zwei-Kompartimenten-Membran. Das Lipid bildet eine konti- nuierliche Phase, durch die Substanzen permeieren können. Folglich sind zwei Penetrationswege, die dem Fick'schen Diffusionsgesetz folgen, möglich:

1.) Penetration in Serie durch die Lipidmatrix und die Korneozyten 2.) Penetration in einem tortuosen Weg durch die Lipidmatrix

Der Penetrationsweg wird von der Löslichkeit des Penetrats im Lipid und im wässri- gen Protein bestimmt. Somit haben Substanzen mit einer hohen Löslichkeit sowohl im Lipid als auch im Wasser eine relativ hohe Diffusionsrate (SHAW et al. 1991).

2.1.3 Entwicklung von Keratinozyten zu Korneozyten

Der Begriff Korneozyt wird nur verwendet, wenn ausschließlich Zellen des Stratum corneum gemeint sind. Der Begriff Keratinozyt umfasst alle nicht-spezialisierten Zel- len der Epidermis.

Differenzierung der Keratinozyten

Für einen Überblick werden zunächst die einzelnen Entwicklungsprozesse stich- punktartig zusammengefasst und den Epidermisschichten, in denen sie ablaufen, gegenüber gestellt. Im Laufe des Kapitels werden die Syntheseprodukte und ihre Funktion ausführlicher erläutert.

Tab. 3: Entwicklungsprozesse der Hornschicht nach ROUGIER et al. (1985), HENZ et al. (1998) und NEUBERT et al. (2001)

Epidermisschicht Entwicklungsprozess

Stratum basale - Filamentbildung: Protofilamente (Prekeratine) Stratum spinosum - Synthese von Lamellenkörperchen

- Synthese von Profilaggrin und Involucrin Stratum granulosum - Bildung von Keratohyalingranula

- Konzentration der Keratinfilamente - Abbau von Zellorganellen

- Sekretion von Lamellenkörperchen in den Interzellularraum zur Bildung der Lipidlamellen Stratum corneum - Bildung der Keratinmatrix mit Filamenten

- Bildung der verhornten Zellhülle - Desquamation insensiblis

Die Differenzierung der Keratinozyten, im Verlauf der Entwicklung von Basalzellen zu Hornzellen, verläuft über verschiedene Stufen enzymatischer Aktivitäten und stoffli- cher Umsetzung. Sie drückt sich auch in der Zellstruktur aus. Die vitalen Keratinozy- ten besitzen die gleiche strukturelle Ausstattung wie andere Körperzellen (Zellkern, rauhes endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Mitochondrien, etc.). Allerdings sind sie quantitativ anders bestückt und unterscheiden sich auch innerhalb der ver- schiedenen Schichten. Die Keratinisation ist die Transformation der Keratinozyten zu Stratum corneum-Zellen (STÜTTGEN u. SCHAEFER 1985).

Abb. 5: Differenzierungsgang der Keratinozyten nach FRITSCH (2004)

Die Keratinozyten unterliegen einer genetisch definierten Differenzierung, die sich in einer Reihe zytologischer Veränderungen im Laufe des Wandels vom Keratinozyten zum Korneozyten äußert. Die Differenzierung verläuft mit einer Abflachung und Grö-

ßenzunahme des Zellkörpers, einer Reorganisation der Zellstruktur und dem Auftre- ten charakteristischer Strukturen unter fortschreitender Entwässerung.

Die charakteristischen Strukturen der Keratinozyten, die zytoplasmatischen Fila- mente, Adhäsionsorganellen, Lamellenkörperchen, Keratohyalinkörper, der „Corni- fied envelope“ und die Melanosomen werden im folgenden Abschnitt genauer beschrieben (PLEWIG 1997; FRITSCH 2004).

Zytoplasmatische Filamente (Zytoskelett)

Die Keratinfilamente bilden zusammen mit den Aktinfilamenten das Zytoskelett der Keratinozyten.

Keratinfilamente

Die Keratinfilamente sind intermediäre Filamente von 10 nm, die in Desmosomen und Hemidesmosomen inserieren. Sie werden aus Zytokeratinen, die man in zwei Familien einteilen kann, aufgebaut. Zur Familie I gehören die sauren Polypeptide, die Familie II besteht aus neutralen bis alkalischen Polypeptiden. Während der termina- len Differenzierung werden die niedrigmolekularen Keratine, auch basale Zytokera- tine (K5/14) genannten, von hochmolekularen (K 1/10/11) Keratinen verdrängt. Die Keratinfilamente stabilisieren die Keratinozyten und bilden den fibrillären Anteil des Keratins.

Aktinfilamente

Die Aktinfilamente sind Mikrofilamente von 7 nm. Sie sorgen als ein das Zytoplasma durchziehendes Fasernetz für die Zellfestigkeit, die Adhärenz und Lokomotion (FRITSCH 2004).

Adhäsionsorganellen oder „junctions“

Jeder Keratinozyt besitzt hunderte dieser Zellverbindungen.

Die oben genannten Keratin- und Aktinfilamente inserieren in Desmosomen (Macu- lae adhaerentes) und Adhärenzkontakten aus Cadherinen, die der Verbindung der Keratinozyten untereinander dienen (FORSLIND et al. 2004).

Desmosomen und Adhärenzkontakte sind umschriebene plattenartige Verdickungen an Innenseite der Zellmembran. Auf der zytoplasmatischen Seite dieser Verdickun- gen, den Plaques, inserieren die Keratin- und Aktinfilamente. Auf der Membranseite überbrücken Adhäsionsmolekule (Cadherine) den verbreiterten Interzellularraum.

Die Desmosomen besitzen zusätzlich noch eine, den Interzellularraum über- brückende, mediane Verdickungsplatte (FRITSCH 2004).

Die „gap-junctions“ zählen ebenfalls zu den Zellverbindungen. Sie dienen aber nicht der Haftung der Zellen aneinander, sondern der Kommunikation. Sie sind porenbil- dende Proteinkomplexe aus Connexinen (Connexone), die beide Plasmamembranen der benachbarten Zellen durchqueren, den Spalt zwischen den Zellen überbrücken und damit die Zellmembranen und Cytoplasmen der Zellen miteinander verbinden (SCHWERTNER 2007).

Lamellenkörperchen (Odlandkörperchen)

Lamellenkörperchen, die membrane coating granules (MCGs), auch nach einem ihrer ersten Beschreiber (Odland 1960) Odlandkörperchen genannt, treten im Stra- tum spinosum erstmals auf. Dort werden, durch Freisetzung aus dem endoplasmati- schen Retikulum (Golgiapparat), die mit Stapeln paralleler Glukolipidlamellen gefüll- ten, ovalen, 0,2 - 0,3 µm großen Zellorganellen gebildet. Im Stratum granulosum wird der Inhalt der Lamellenkörperchen in den Interzellularraum ausgeschleust. Dort wer- den durch den sauren pH-Wert Lipasen und Hydrolasen aktiviert, die die Lipidlamel- len zur Lipidmatrix umbauen (FORSLIND et al. 2004; FRITSCH 2004).

Keratohyalinkörper

Im oberen Stratum spinosum wird Profilaggrin synthetisiert. Gemeinsam mit Keratin- filamenten bildet das Profilaggrin klumpige Aggregate, die Keratohyalingranula. Das basische und histidinreiche Protein Filaggrin wird im Stratum granulosum durch Dephosphorylierung und Proteolyse aus dem hochmolekularen phosphorylierten Vorläuferprotein Profilaggrin gebildet und führt zur Aggregation der Keratinfilamente und deren Vernetzung durch Disulfidbrücken. Im Stratum corneum zerfällt Filaggrin zu Aminosäuren, deren Funktion unter anderem die Wasserretension ist, und Uro- kaninsäure, einer photoprotektiven Substanz (FRITSCH 2004).

„Cornified envelope“ (Zellhülle) der Korneozyten

Ich verwende hier den englischen Begriff „cornified envelope“ um diese spezielle Struktur zu beschreiben, da mir die Verwendung des Begriffes Zellhülle oder ver-

hornte Hülle zu unpräzise erscheint und die Gefahr von Missverständnissen in sich birgt.

Die Korneozyten können die Plasmamembran nicht durch ständige Erneuerung intakt halten, daher bilden sie im Endstadium der Keratinozytenreifung den „cornified envelope“, eine verhornte Hülle, die die Zellen schützt. Der „cornified envelope“ ist eine elektronen-dichte, beim Menschen 4 – 6 nm dicke, aus amorpher Masse beste- hende Zone an der Zellgrenze. Die Dicke beim Rind beträgt ebenfalls 4 – 6 nm und bei der Ratte 10 nm. Chemisch gesehen ist die Zellhülle gegenüber Laugen, Reduk- tionsmitteln, proteolytischen Enzymen, Ionen und dissoziativen Substanzen stabil.

Die Zellhülle macht 5 % der Trockenmasse der Zelle aus (POLAKOWSKA u.

GOLDSMITH 1991; FORSLIND et al. 2004).

Nach außen lagert sich an den „cornified envelope“ eine membranartige ceramidrei- che Lipidschicht, der „covalently bound envelope“ an. Der„cornified envelope“ ist über einen Glutamat-Rest mit den Hydroxyceramiden des „covalently bound enve- lope“ verbunden. Der „covalently bound envelope“ dient als Verbindung zwischen Korneozyten und der interzellulären Lipidmatrix (WERTZ u. DOWNING 1991;

FRITSCH 2004).

Abb. 6: Cornified envelope und covalently bound envelope nach MADISON et al.

(1987)

cornified envelope

Zonenaufbau des Lipids

covalently bound envelope

Die endgültige Envelope-Bildung erfolgt erst sehr spät im Laufe der Differenzierung der Keratinozyten und ist irreversibel. Die Synthese des „cornified envelope“ beginnt im oberen Stratum spinosum mit der Bildung von Vorläuferproteinen, die Bildung wird erst im Stratum corneum abgeschlossen. Die Vorläuferproteine lagern sich im oberen Stratum granulosum an die Innenseite der Zellmembran an. Eine kalziumab- hängige, membrangebundene Transglutaminase verknüpft durch eine ε-(γ-glutamyl)- lysine-Vernetzung die Vorläuferproteine zu heterogenen Polymeren, die die Grund- struktur des „cornified envelope“ bilden. Die kovalente Bindung zwischen der Car- boxyl-Gruppe des peptid-gebundenen Glutamin-Restes und der ε-amino-Gruppe des peptid-gebundenen Lysin-Restes gilt als konstantes Charakteristikum der Zellhülle und dient der Stabilisierung der Envelope-Struktur (POLAKOWSKA u. GOLDSMITH 1991; FRITSCH 2004).

Abb. 7: Quervernetzung durch epidermale Transglutaminase nach POLAKOWSKA und GOLDSMITH (1991)

NH₃

NH₂

γ CH₂

β CH₂ H N

H C

O

~ C~

δ CH₂

ε CH₂

γ CH₂

β CH₂ H

N H C

O

~ C~

O C NH₂

γ CH₂

β CH₂ H

N H C

O

~ C~

C H

N H C

O

γ CH₂

β CH₂

ε CH₂

δ CH₂

~

~

O C

+

+

Calcium

peptide-gebundener Gluamin-Rest

peptide-gebundener Lysin-Rest

durch ε-(γ-glutamyl)lysine quervernetztes Protein

Die membrangebundene Transglutaminase wird durch einen Anstieg des intrazellu- lären Kalziumgehalts aktiviert und vernetzt, wie in der Abb. 7 erkennbar, die Vorläu- ferproteine zu einer unlöslichen, stabilen Hülle. Die Aktivität der Transglutaminase steigt mit fortschreitender Keratinisation an. Die aktivitätssteuernden Mechanismen sind nicht bekannt. Vorstellbar wäre eine Steuerung über die Menge des zur Verfü- gung gestellten Substrats, über die Menge der Transglutaminasesynthese oder über eine proteolytische posttranslative Modifikation der Transglutaminase. Die Querver- netzung führt zu einer hohen Rigidität und chemischer Resistenz der Korneozyten gegen Keratolytika und organischen Lösungsmittel.

Die genaue Zusammensetzung der Aminosäuren der Zellhülle differiert. Sie besteht allerdings hauptsächlich aus Glutamin-Säure und Lysin-Resten. Die Haupt-Vorläufer- proteine sind beim Menschen Involucrin, Keratolinin und Loricrin. Beim Rind ist Kera- tolinin am häufigsten zu finden. Bei der Ratte dominiert Filaggrin die Vorläuferprote- ine. Bei der Maus kommt Loricrin am häufigsten vor. Involucrin ist ein wasserlösli- ches Vorläuferprotein von 80 kD, das unlösliche Polymere bildet und die Vernetzung der Membranproteine fördert. Es macht beim Menschen etwa 2 % der extrahierbaren Proteine der Korneozyten aus (POLAKOWSKA u. GOLDSMITH 1991; FRITSCH 2004).

Einteilung der Transglutaminasen

Transglutaminasen können sowohl in gelöster als auch in membrangebundener Form vorliegen.

Je nach Ort des Vorkommens unterscheidet man 5 Typen:

1. die intrazellulär vorkommende membrangebunde epidermale Transglutaminase 2. die Haarfollikel-Transglutaminase

3. die intrazelluläre ubiquitäre Gewebstransglutaminase, wie sie z.B. in der Leber vorkommt

4. die intra- und extrazelluläre Faktor-XIII-Transglutaminase 5. und die extrazelluläre Prostata-Transglutaminase.

(SCHEUPLEIN 1978; POLAKOWSKA u. GOLDSMITH 1991; FRITSCH 2004)

Zusammensetzung der Korneozyten

Die Korneozyten sind relativ wasserarme kompakte Zellen, die in Kombination mit den interzellulären Lipiden für die geringe Permeabilität des Stratum corneum ver- antwortlich sind. Hauptbestandteil der Korneozyten ist Keratin, das je nach Körperre- gion die Hälfte bis Zweidrittel des Gewichts ausmacht. Ebenfalls relativ variabel ist der Anteil an Enzymen und komplexen Glukokonjungaten, der teilweise bis zu einem Fünftel beträgt, in anderen Fällen aber auch nur ein Zwanzigstel eines Korneozyten darstellt. Jeweils etwa 10% eines Korneozyten entfällt auf lösliches Protein und Ami- nosäuren. Es wird diskutiert, ob auch Lipide in den Keratozyten enthalten sind und die verbleibenden 10% der Korneozyten ausmachen (BADEN u. GOLDSCHMITH 1970; SCHEUPLEIN 1978).

Beschreibung der Zellen

Die Abmessungen der Hornzellen sind wohl am besten mit Schieferplatten vergleich- bar: Sie sind hauchdünn bei einer relativ großen Fläche. Die Korneozyten haben eine Dicke von 0,1 - 2 µm und eine Länge von 15 - 40 µm. Ihr Zellleib wird von einer 5 nm starken strukturlosen Membran umhüllt. An verschiedenen Körperregionen sind sie unterschiedlich groß und verschieden geformt. Von oben betrachtet sind sie meist quadra-, penta- oder hexagonal. Die Form und Größe der Korneozyten ist auch vom Alter, der Jahreszeit und äußeren Reizen abhängig (PLEWIG et al. 1997).

Interessanterweise ist die Dicke des Stratum corneum und die Anzahl der Zelllagen bei humaner sonnengeschützter Haut unabhängig vom Alter (GILCHREST 1991).

Keratin

Keratin ist ein fibrilläres schwefelreiches Skleroprotein mit Disulfidbrücken zwischen den Cystinabschnitten seiner Polypeptidketten. Keratine sind unlöslich und mecha- nisch sehr widerstandsfähig. Zusätzlich zu den Disulfidbrücken werden im Laufe der Keratinsynthese die Seitenketten der Aminosäuren Glutamin und Lysin durch das Enzym Transglutaminase über Säureamidbildung miteinander verknüpft. Die Festig- keit des Keratins ist auf die kombinierte Verknüpfung von parallel angeordneten Pep- tidketten durch Wasserstoff- und Disulfidbrücken zurückzuführen.

Man unterscheidet verschiedene Fraktionen, das Skleroprotein α und β. Bei den α-

Keratinen wird die Sekundärstruktur von der α-Helix bestimmt, bei β-Keratinen über- wiegt die Faltblattstruktur (STÜTTGEN u. SCHAEFER 1985; HEYMANN 2002).

Die Keratinozyten enthalten ein gut entwickeltes Zytoskelett, das aus Zytokeratinen besteht. Diese fibrillären Proteine unterteilt man in einen sauren und einen basi- schen Typ. Diese Keratine bilden lichtmikroskopisch sichtbare Filamentbündel, die sich funktionell in die Nachbarzellen fortsetzen und so eine Verbindung der Keratino- zyten untereinander ermöglichen. In den kubischen Basalzellen kommen Keratine vom Subtyp K 5 und K 14 vor. Zusätzlich zu diesen werden im Stratum spinosum noch K 1 und K 19 exprimiert, die für die feste Zellstruktur verantwortlich sind. Die Keratohyalingranula im Stratum granulosum wird aus 20 verschiedenen Keratinen gebildet. Gleichzeitig werden zelluläre Hüllproteine exprimiert, die sich unter der Plasmamembran lokalisieren. Im Laufe der terminalen Differenzierung entsteht aus Keratinfilamenten und Keratohyalinderivaten chemisch und physikalisch wider- standsfähiges Keratin. Aus Involucrin, einem glutaminreichen Protein, wird eine che- misch äußerst widerstandsfähige Zellhülle gebildet, die die Hornzelle umgibt. Die Keratinfilamente bilden zusammen mit dem histidinreichen Protein Filaggrin Keratin- makromoleküle (ROUGIER et al. 1985; LANDMANN 1991;PLEWIG et al. 1997;

HEYMANN 2002).

Der von BRODY (1960) beschriebene „Keratin pattern“ besteht aus zwei Komponen- ten. Zum einen aus α-Keratin-Filamenten mit 6 – 8 nm, die von quasikristalliner Natur sind und zum anderen aus einer amorphen Masse, die ein heterogenes Gemisch aus schwefelreichen Proteinen ist. Diese beiden Komponenten sind über Disul- fidbrücken miteinander verbunden (SCHEUPLEIN 1978).

Regeneration des Stratum corneum

Für einen guten Schutz des Organismus gegenüber seiner Umwelt ist ein vollständi- ges Stratum corneum sehr wichtig. Da die Korneozyten je nach Körperbereich durch mechanische Belastungen einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind, muss der Kör- per die verlorenen Zellen möglichst schnell ersetzen.

Das obere Stratum corneum wird aufgrund seiner nur lockeren Desmosomen auch

als Stratum corneum disjunctum bezeichnet. Durch die sich auflösenden Desmoso- men können Substanzen in die apikalen Korneozyten aufgenommen werden. Sie übernehmen eine später genauer erläuterte Reservoirfunktion. Die tiefer liegenden Hornzellschichten des Stratum corneum conjunctum haben dagegen einen engen Verbund und stellen eine Barriere für die Diffusion von Substanzen dar (SCHEUP- LEIN 1978; BODDE et al. 1990; NEUBERT et al. 2001).

Die Epidermis bildet ein Fließgleichgewicht von Zellbildung und Zellverlust. Durch Mitose der Basalzellen werden neue Keratinozyten gebildet, die sich im Rahmen der synchronen terminalen Differenzierung zu Korneozyten entwickeln, infolge der Apop- tose absterben und anschließend abschilfern. Die Lamellenkörperchen enthalten hydrolytische Enzyme, die für die Abschilferung der superficialen Korneozyten ver- antwortlich sind (GRICE 1980; FRITSCH 2004).

Das Stratum basale erzeugt im Rahmen der Homöostase beim Menschen jeden Tag eine neue Zellschicht. Die Erneuerungszeit der Hornschicht beträgt durchschnittlich 2 Wochen. Die exakte Dauer der vollständigen Erneuerung des Stratum corneum ist von seiner Zellschichtanzahl abhängig und kann bis zu 30 Tage benötigen (MEYER 1986; ODLAND 1991; SHAW et al. 1991). Untersuchungen anderer Autoren wei- chen in der Regenerationszeit für das Stratum corneum teilweise nach unten ab und nennen eine Zeit von ca. 8 Tagen. Für die Regenerationszeit der Epidermis sind die Ergebnisse jedoch mit ca. 28 bis 40 Tagen relativ ähnlich (STÜTTGEN u. SCHAE- FER 1985; NEUBERT et al. 2001; HEYMANN 2002).

Kommt es zu einer Verletzung, erhöht sich im Rahmen der Wundheilung nach einer 24-stündigen Latenzzeit die Mitoserate und eine Reihe metabolischer Vorgänge wird angeregt. Die Lipidsynthese wird gesteigert, der interzelluläre Kalziumspiegel steigt an und es kommt zur gesteigerten Exozytose der Lamellenkörperchen und einer erhöhten Sekretion von Zytokinen und Wachstumsfaktoren (FRITSCH 2004).

2.1.4 Lipide des Stratum corneum

Die Zusammensetzung der Lipide ähnelt sich bei allen Säugetieren. Vögel und Rep- tilien besitzen dagegen eine andere Lipidkomposition.

Vergleicht man die Lipidzusammensetzung der Stratum corneum Lipide von Men- schen und Schweinen, so stellt man fest, dass sie fast identisch ist (ELIAS et al.

1983; WERTZ u. DOWNING 1991).

Lipidzusammensetzung

Bei den Säugetieren machen Ceramide mit einem Gewichtsanteil von ca. 40 % die größte Gruppe der Stratum corneum-Lipide aus. Die Ceramide bilden zusammen mit Cholesterin (ca. 25 %) und freien Fettsäuren (ca. 30 %) extrazelluläre Lipidlamellen, die eine Hauptfunktion in der epidermalen Permeationsbarriere übernehmen.

Geringe Mengen an Cholesterolsulfat (ca. 6 %), anderen Cholesterinestern, freien Sterolen, Glukosylceramiden, Phospholipiden, Triglyceriden, n-Alkanen und Stero- lestern sind ebenfalls Bestandteil der Stratum corneum-Lipide. Die freien Fettsäuren setzen sich hauptsächlich aus Linolsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Ölsäure und Docosanoicsäure zusammen. Linolsäure ist wichtig für die Barrierefunktion des Stra- tum corneum, obwohl sie mengenmäßig nur einen geringen Anteil der Stratum cor- neum Lipide ausmacht. Die genaue Zusammensetzung der freien Fettsäuren unter- scheidet sich je nach anatomischer Region. Unterschiede bestehen in der Vereste- rung der Fettsäuren mit Neutralfetten und Sphingolipiden. Während Maus und Schwein in scheinbar allen Lipiden langkettige Fettsäuren besitzen, sind die langket- tigen Fettsäuren beim Menschen hauptsächlich mit den Sphingolipiden verknüpft (ELIAS et al. 1983; LAMPE et al. 1983; PROKSCH 1988; LANDMANN 1988, 1991;

SHAW et al. 1991; ROGERS et al. 1996; NEUBERT et al. 2001; FORSLIND et al.

2004).

Die Lipide des porcinen Stratum corneum setzen sich aus Ceramiden, Fettsäuren, Cholesterin, Glukosylceramiden, Triacylglyzerin, Cholesterolsulfat und anderen Cho- lesterinestern zusammen. Im Stratum corneum des Schweins werden 0,5 % freie Sphingosine gefunden. Hydroxyceramide und Hydroxysäuren findet man an Proteine

des Korneozyten-Envelopes gebunden. Im Stratum corneum von Schweinen findet man die gleiche Zusammensetzung der freien Fettsäuren wie beim Menschen. Es dominieren gesättigte Fettsäuren mit mehr als 20 Kohlenstoffatomen. Die Gruppe der Sterole wird sowohl beim Menschen als auch beim Schwein hauptsächlich durch Cholesterin vertreten und macht 27% aus. Die Sterolester bestehen zum größten Teil aus Cholesterinestern (10%) und nur zu 1% aus Diestern (YARDLEY 1983;

WERTZ u. DOWNING 1991).

Die Lipide der menschlichen Haut bestehen zu 28% aus Ceramiden und Glukosyl- ceramiden, deren Glukoseanteil meist abgespalten wird, zu 23% aus Cholesterin und Cholesterinester, davon hauptsächlich mit Schwefelsäure verestertes Choleste- rin (Cholesterolsulfat), zu 20% aus freien Fettsäuren, zu 7% aus Squalenen und zu 14% aus neutralen Fetten. Die menschlichen Neutralfette enthalten mono- und die- noische kurzkettige Fettsäuren, wie z.B. Linol- und Ölsäure. Kurzkettige Fettsäuren kommen beim Menschen auch in den Sphingolipiden vor und sind zum Teil als O- Acyl-Fettsäuren an den Glukolipiden in der menschlichen, aber auch der porcinen Epidermis zu finden (ELIAS et al. 1983; HEYMANN 2002).

Abb. 8: Durchschnittliche Lipidzusammensetzung im Stratum corneum der Labor- maus nach ELIAS et al. 1983; LAMPE et al. 1983; PROKSCH 1988; SHAW et al.

(1991)

Die Lipidzusammensetzung ändert sich im Laufe der Keratinisation. Im Stratum basale und Stratum spinosum dominieren die Phospholipide. Im Stratum granulosum nehmen Sphingolipide, also Ceramide und Glukosylceramide, und Cholesterin zu, während der Anteil der Phospholipide abnimmt. Im Stratum corneum findet man große Mengen an Ceramiden, freien Fettsäuren und Cholesterin. Die Phospholipide der Zellmembran werden durch eng an die Eiweiß-Hülle gebundene Sphingosine ersetzt (LANDMANN 1988).

Sowohl beim Menschen als auch beim Schwein sind bis zu den obersten Schichten des Stratum corneum disjunctum intakte Lipidlamellen vorhanden. Der wichtigste Unterschied in der Lipidzusammensetzung des äußeren, abschilfernden Stratum cor- neum gegenüber den tieferen kohäsiven Stratum corneum-Schichten ist das voll- kommene Fehlen polarer Lipide, nämlich von Cholesterolsulfat und Glukosylcerami- den. Die Abwesenheit von polaren Lipiden ist für eine physiologische Abschilferung der Korneozyten notwendig.

Im oberflächlichen Stratum corneum setzen sich die Lipide beim Schwein aus ca.

50% Ceramiden, 22% freien Fettsäuren, 21% Cholesterin, 3% Triacylglycerin und 1% Cholesterinestern zusammen (YARDLEY 1983; MADISON et al. 1987).

Ceramide

Biochemisch können beim Menschen 7 Stratum corneum-Ceramide unterschieden werden. Glukosylceramide, einfache Glukosphingolipide, sind die Vorgänger der Stratum corneum-Ceramide. Ceramide gehören zu der Gruppe der Sphingolipide.

Sie sind bipolare Substanzen, die aus einem langkettigen Sphingosin und einer über die Aminogruppe gebundenen, hydrophoben Fettsäure bestehen. Gegenüber freien Radikalen, wie Sauerstoff, Temperaturschwankungen und UV-Strahlen sind Cera- mide sehr widerstandsfähig. Hauptverantwortlich für die Integrität der Hautbarriere ist das Ceramid 1. Es enthält eine langkettige (C 30-34) ω-Hydroxyfettsäure und ist mit Linolsäure verestert. Ceramide nehmen auch eine wichtige Funktion bei der Bildung der Lipidlamellen ein. Die gebildete Lipiddoppelschicht wird durch die Kombination von O-Acylceramid mit kleinen Mengen freier Fettsäuren und Cholesterinsulfat stabi- lisiert (WERTZ et al. 1987; LANDMANN 1991; PLEWIG et al. 1997; HAMANAKA et al. 2002).

Bei den Ceramiden des Schweins unterscheidet man ebenfalls 7 Reihen:

Ceramid 1-5 , 6a, 6b. Sie unterscheiden sich in ihrer Sphingosin-Base, der Amid-ver- knüpften und der Ester-verknüpften Fettsäure und der Anzahl der freien Hydroxyl- gruppen (WERTZ u. DOWNING 1991).

Synthese der interzellulären Lipide des Stratum corneum

Die sogenannten Barrierelipide werden in den vitalen Schichten der Epidermis gebil- det und in Lamellenkörperchen (MCGs) gespeichert, um im Übergang zwischen Stratum granulosum zum Stratum corneum ausgestoßen und zur interzellulären Lamellendoppelschicht verknüpft zu werden.

Die Zellen der Haut synthetisieren 20-25% der körpereigenen Lipide. Da diese Lipide für die Schutzfunktion der Haut unabdingbar sind, hängt die Produktionsmenge vom Bedarf ab. Wird die Permeabilitätsbarriere der Haut gestört, kommt es innerhalb von 1-4 Stunden zu einem starken Anstieg der Lipidsynthese und somit zur vollständigen Wiederherstellung ihrer Funktion. Stimulator für diesen Prozess ist ein erhöhter transepidermaler Wasserverlust (ROUGIER et al. 1985; PROKSCH 1988; FRITSCH 2004).

Lamellenkörperchen (MCGs)

Die Lamellenkörperchen sind ein Syntheseprodukt der Keratinozyten. Die im oberen Stratum spinosum und im Stratum granulosum synthetisierte, membranumhüllte, Lamellargranula enthält verschiedene hydrolytische Enzyme und Lipide (Glukosyl- ceramide, Sterolester und Phospholipide), die in lamellären Stapeln vorliegen. Die Lamellenkörperchen kommen vereinzelt im Stratum spinosum vor, treten aber im Stratum granulosum in großer Anzahl auf.

Erst kurz vor der sichtbaren Verdickung der Zellhülle und der endgültigen Umwand- lung zu Korneozyten wird im oberen Stratum granulosum der Inhalt der Lamellenkör- perchen, Lipide, Zucker und hydrolytische Enzyme, durch Exozytose in den extrazel- lulären Raum sezerniert. Die Ausschüttung der „Disks“ am Übergang der vitalen Epi- dermis zum Stratum corneum in den Interzellularspalt ermöglicht den Umbau und die Vernetzung der enthaltenen Lipide durch chemische und physikalische Prozesse zu einem Lipidmultilayer aus den typischen Stratum corneum-Lipiden. Gleichzeitig wer-

den durch eine Vielzahl an Enzymen im oberen Stratum granulosum alle Zellorganel- len abgebaut.

Im Interzellularraum werden die ausgeschütteten hydrolytischen Enzyme durch den niedrigen pH-Wert aktiviert und die Lipidlamellen-Scheiben zu einer breiten, parallel gerichteten, kontinuierlichen Lipiddoppelschicht-Matrix remodelliert. Dies geschieht durch Verschmelzung der Lamellenkörperchen zu großen einschichtigen Liposomen, die dann in Anwesenheit von extrazellulärem Ca2+ und Fettsäuren das vielschichtige Lipiddoppelschicht-System durch „Eck-zu-Eck-Fusion“ bildet. Auch Cholesterinsulfat und Ca2+ spielen bei diesem Prozess eine wichtige Rolle, sie fördern die Zelladhä- sion im Stratum corneum (LANDMANN 1988; MADISON et al. 1987; WERTZ u.

DOWNING 1991; FORSLIND et al. 2004; FRITSCH 2004).

Die Lamellenkörperchen (MCGs, lamellar bodies) sind kleine, ovale intrazelluläre Organellen mit einer Breite von 100 nm und einer Länge von 500 nm, die Stapel abgeflachter Scheiben enthalten und von einer Membran umhüllt sind. Jede Lipid- scheibe besteht aus 2 Bilayern.

Die Lamellenkörperchen besitzen ein Lipid-Protein-Verhältnis von 2:1. Die Lipide setzten sich aus 34% Phospholipid, 23% Sphingolipid, welches aus Ceramiden, Glu- kosylceramiden und Acylceramiden besteht, und 15% Cholesterin.

Die Syntheserate der Körperchen hängt von der Effektivität der Barrierefunktion ab (MADISON et al. 1987; LANDMANN 1988; WERTZ u. DOWNING 1991).

Umstrukturierung der Lipidzusammensetzung

Vom Stratum granulosum, in dem Phospholipide vorherrschen, zum Stratum cor- neum, das größtenteils von Ceramiden beherrscht wird, ändert sich die Lipidzusam- mensetzung im interzellulären Raum. Während der epidermalen Differenzierung wer- den die in den unteren Epidermalschichten dominierenden Glukosylceramide und Phospholipide umgebaut. Die Phospholipide werden zu freien, hauptsächlich gesät- tigten Fettsäuren mit 12-18 Kohlenstoffatomen gespalten. Das macht die Lipiddop- pelschicht widerstandsfähig gegenüber Oxidation und UV-Licht. Die Vorgänger der Stratum corneum-Ceramide sind die Glukosylceramide. Sie enthalten einen

Zuckeranteil an der Kopfgruppe. Dieser Zucker wird im Rahmen der terminalen Dif-

ferenzierung enzymatisch abgespalten. So sind die Ceramide des Stratum corneum unempfindlicher gegenüber Bakterien, die den Zuckeranteil abbauen würden.

Die Glukosylceramide werden in 7 Typen unterteilt, wovon insbesondere O-Acyl-Glu- kosylceramid eine wichtige Rolle zum Aufbau der Lipiddoppelschicht spielt. O-Acyl- Glukosylceramid besteht aus einem 16-20 Kohlenstoffatomen langen Sphingosin, das über eine Amidbindung mit einer 32-Kohlenstoffatome-langen ω-hydroxy-Fett- säure verbunden und mit Linolsäure verestert ist. Es bildet den Vorgänger des Cera- mid 1.

Die Ceramide versteifen durch laterale Wasserstoffbrücken die Doppelschicht. Man bezeichnet die Wasserstoffbrücken auch treffend als „Molekulare Nieten“. Besonders Ceramid 1 trägt wesentlich zur Stabilisierung des Lipidbilayers bei. Die Linolsäure im Ceramid 1 spielt für die Barrierefunktion eine herausragende Rolle, die bei Mangel dieser essentiellen Fettsäure durch einen steigenden transepidermalen Wasserver- lust deutlich wird.

Bei der Formation des Lipidbilayers spielen nach LANDMANN (1988, 1991) auch freie Fettsäuren, Cholesterylsulfat und Calcium eine wichtige Rolle. Gesättigte Fett- säuren erhöhen die molekulare Ordnung. Die an Glukosylsphingolipide und Cera- mide gebundenen Fettsäuren sind weitgehend gesättigt und ohne Strukturverzwei- gungen. Sie haben meist eine Länge von 22 bis 35 Kohlenstoffatomen, besitzen einen hohen Schmelzpunkt, sind oxidationsstabil und unempfindlich gegenüber UV- Strahlung. Cholesterin zwingt benachbarte Fettsäuren in eine regelmäßige Anord- nung (SCHEUPLEIN 1978; ROUGIER et al. 1985; LANDMANN 1988; PROKSCH 1988; LANDMANN 1991; SCHAICH u. KORTING 1992; SCHNEIDER et al. 1997;

FORSLIND et al. 2004).

Abb. 9: Vereinfachte Darstellung der Syntheseschritte der interzellulären Lipidmatrix nach LANDMANN (1988)

Lipiddoppelmembran

Für die Entstehung der Lipiddoppelmembran gibt es zwei Modelle: das landläufige LANDMANN-Modell und das NORLEN-Modell.

LANDMANN (1988, 1991) propagiert die Bildung von Lamellarbodies in den Kerati- nozyten des Stratum granulosum mit anschließender Exozytose in den Interzellular- spalt, in dem die Lipide dann durch Enzyme zu einer Doppelmembran vernetzt wer- den.

NORLEN (2001 a, b) dagegen geht davon aus, dass im Stratum granulosum gebil- dete kuboide Lipide sich im Interzellularraum spontan zu einer Doppelschicht umfal- ten und begründet dies mit dem geringeren Energieverbrauch dieser Kristallisation.

Norlen glaubt, dass in der Lipiddoppelschicht sowohl kristalline als auch Gel-Phasen vorhanden sind, die durch die verschiedenen Lipide gebildet werden (FORSLIND et al. 2004).

Bildung der Doppelschicht

Ceramide, Cholesterine und Fettsäuren bilden eine lamellare Doppelschicht, deren Zusammenhalt auf den elektrischen Wechselwirkungen der polaren Kopfgruppen und hydrophoben Interaktionen zwischen den Alkylketten beruht. Die Ceramide ermöglichen durch die Abwesenheit von Doppelbindungen und durch Alkyl-Seiten- zweige eine sehr enge Packung der Doppelschicht beinahe kristalliner Bausteine.

Die Fettsäure Linolsäure ist essentiell zur Bildung einer geordneten Lamellenstruk- tur. Fehlt Linolsäure, kommt es zu einer Störung der Lamellenbildung, die Lipidlamel- len liegen in Bruchstücken vor, da die ω-Hydroxy-Fettsäuren zwar lang genug sind, um eine Doppelschicht aufzuspannen, aber aufgrund der fehlenden Linolsäure die Doppelschicht nicht stabilisiert werden kann. Die Lipiddoppelschicht wird durch die Kombination von O-Acylceramid, welches die besagte Linolsäure enthält, mit kleinen Mengen freier Fettsäuren und Cholesterinsulfat stabilisiert.

Die doppelte Bilayer-Struktur wird zum einen durch „molekulare Nieten“ in denen sich beide Bilayer Lipidmoleküle teilen (Acylceramid oder Acyl-Glukosylceramid) und zum anderen durch Kalziumbrücken zwischen den Cholesterinsulfaten stabilisiert.

Die Lipiddoppelschicht ist wenig flexibel und besitzt eine stabile Molekül-Lagerung.

Die lateralen Hydrogen(OH)-Brücken der Sphingolipide und das steife Sterolgerüst

des Cholesterin sorgen für Steifigkeit.

Im in-vitro-Versuch bildet ein Gemisch aus Cholesterin, Ceramiden, freien Fettsäu- ren und Cholesterinsulfat stabile Liposomen. Fügt man Acylceramid hinzu flachen die Liposomen ab und neigen zur Stapelbildung. Durch Zufügen von Kalzium werden sehr große stabile Liposomen gebildet, die mit dem interzellulären Bilayern vergli- chen werden können (WERTZ et al. 1987; LANDMANN 1988; BODDE et al. 1990;

WERTZ u. DOWNING 1991; KALBITZ et al. 1996).

Zonenaufbau

Die interzellulären Lipide besitzen eine lamelläre Struktur aus jeweils zusammenhän- genden lipophilen und hydrophilen Lipidregionen, die also sowohl einen lipophilen bzw. unpolaren, als auch hydrophilen bzw. polaren Diffusionsweg ermöglichen.

Unter dem Dünnschichtelektronenmikroskop sind mittels Gefrierbruchtechnik wech- selweise dicke und dünne, dunkle und helle Bänder erkennbar. Dieser multilamellare Aufbau ist typisch für polare Lipide in der Lamellarphase. Dicke dunkle Bänder stel- len die äußere hydrophile Region der liposomalen Doppelschicht dar. Die dünnen dunklen Linien entsprechen der inneren hydrophilen Zone. Die beiden dunklen Linien werden durch das helle Band, der kontinuierlichen hydrophoben Zone, getrennt (s. Abb. 10) (SCHEUPLEIN 1978; LANDMANN 1988 , 1991; WERTZ u.

DOWNING 1991; FORSLIND et al. 2004 ).

Die Menge und Verteilung der Lipide beeinflusst die Penetration der wasserunlösli- chen Nicht-Elektrolyte. Die Penetration von polaren, wasserlöslichen Substanzen hängt von der Menge und Verteilung von Wasser bzw. wässriger Regionen im Lipid- bilayer ab (SCHEUPLEIN 1978).

Abb. 10: Zonenaufbau unter dem Dünnschichtelektronenmikroskop nach MADISON et al. (1987)

Die Lipiddoppelschicht besteht prinzipiell aus 3 Zonen:

• Die äußere Zone, die an beiden Seiten des Bilayers zu finden ist, enthält die pola- ren Kopfgruppen der Lipide. Sie wird auch als polare Zone bezeichnet, ist flexibel und bietet wenig Penetrationswiderstand.

• Die intermediäre Zone enthält die proximalen Anteile der Fettsäureketten und das Sterolgerüst des Cholesterin. Sie ist weniger polar, ist hydrophob und wird auf- grund ihrer kristallinen Strukturen auch kristalline Zone genannt.

• Die innere Zone verbindet beide Anteile des Bilayers. Sie besteht aus den Schwanzgruppen der Hydrocarbonketten beider Seiten der Doppelschicht und ist flexibel, extrem hydrophob und unpolar. Daher wird sie auch als apolare Zone bezeichnet.

Diese drei Zonen des Bilayers tragen zur selektiven Permeabilität bei. Aufgrund der Zusammensetzung aus polaren und apolaren Bereichen permeieren Substanzen mit einem Öl-Wasser-Verteilungskoeffizenten nahe 1 am besten (LANDMANN 1988, 1991).