Nanoskalige Partikel in kosmetischen
Sonnenschutzmitteln – potentielle Aufnahme und Wirkung auf der Haut
Dr. Uta Berndt Diplom-Biochemikerin
Berlin Juli 2013
Abschlussarbeit im Postgradualstudium Toxikologie und Umweltschutz der Universität Leipzig
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG 4
1.1 NANOSKALIGE PARTIKEL IN DER KOSMETIK 4
1.2 WECHSELWIRKUNGEN VON UV-STRAHLUNG MIT DER MENSCHLICHEN HAUT 5
1.2.1 HAUTSCHÄDIGENDE WIRKUNGEN VON UV-LICHT 6
1.2.2 ADAPTIONSVORGÄNGE DER HAUT 7
1.3 LICHTSCHUTZFILTER IN SONNENSCHUTZMITTELN 7
1.3.1 CHEMISCHE UV-FILTER 8
1.3.2 PHYSIKALISCHE UV-FILTER 9
1.4 ZINKOXID- UND TITANDIOXID-NANOPARTIKEL 11
1.4.1 MIKROFEINES TITANDIOXID 11
1.4.2 MIKROFEINES ZINKOXID 12
1.5 AUFBAU DER HAUT 13
1.5.1 AUFBAU DER EPIDERMIS 14
1.5.2 PENETRATION VON FREMDSTOFFEN IN DIE HAUT 16
1.5.3 BEEINFLUSSUNG DER PENETRATION 17
1.6 POTENTIELLE GEFAHREN FÜR DIE HAUT 17
2 STUDIEN 18
2.1 PENETRATIONSSTUDIEN 19
2.1.1 KEINE PENETRATION DURCH DIE EPIDERMIS 20
2.1.2 KEINE SIGNIFIKANTE PENETRATION DURCH DIE EPIDERMIS 21 2.1.3 PENETRATION DURCH DIE EPIDERMIS, ABER KEINE TRANSDERMALE ABSORPTION;UNTERSUCHUNGEN AN
BEEINTRÄCHTIGTER HAUT 22
2.2 TOXIZITÄTSSTUDIEN 29
3 DISKUSSION 30
3.1 BEWERTUNG VON NANOPARTIKELN ALS UV-FILTER 32
3.2 FAZIT 33
4 LITERATUR 35
Zusammenfassung
Seit einigen Jahrzenten ist weltweit ein Anstieg an Hautkrebserkrankungen zu verzeichnen, der direkt mit der steigenden Exposition des Menschen gegenüber UV-Strahlung in Verbindung zu bringen ist. Durch Aufklärungskampagnen ist es inzwischen gelungen, für einen bewussteren Umgang mit UV-Strahlung zu sensibilisieren. Ein Indiz dafür ist der in den letzten Jahren zunehmende Verbrauch an kosmetischen Sonnenschutzmitteln. Die gestiegenen Anforderungen an eine Schutzwirkung über den gesamten UV-Bereich führten zur Einführung von Titandioxid- und Zinkoxid-Nanopartikeln als Inhaltsstoffe in Sonnenschutzmitteln. Diese Metalloxide dienen als physikalische UV-Filter, die das einfallende Licht nicht nur absorbieren, sondern auch streuen und reflektieren.
In der neuen Kosmetik-Verordnung 1223/2009, die am 11. Juli 2013 in der Europäischen Union in Kraft tritt, werden Nanomaterialien erstmals berücksichtigt. Nanomaterial wird definiert als ein "unlösliches oder biologisch beständiges Material mit einer oder mehreren äußeren Abmessungen oder einer inneren Struktur in einer Größenordnung von 1 bis 100 Nanometern". Aus der geringen Größe und den dadurch veränderten biologischen Eigenschaften der Partikel ergeben sich potentielle Gefahren für die Gesundheit. Risiken bestehen bei Verwendung von Titandioxid- und Zinkoxid-Nanopartikeln vor allen Dingen in einer Aufnahme in die Haut und einer daraus folgenden potentiellen systemischen Verteilung. Eine große Anzahl an Studien hat sich deshalb mit dem dermalen Penetrationsverhalten dieser Stoffe beschäftigt.
Nach der derzeitigen Datenlage lässt sich für den Einsatz von nanopartikelhaltigen Präparaten auf gesunder Haut Unbedenklichkeit bestätigen. Zu dieser Ansicht kommen auch nationale und internationale Institutionen wie das Bundesinstitut für Risikobewertung und das Scientific Commitee of Consumer Safety auf europäischer Ebene.
Eine abschließende Beurteilung der Anwendung von nanopartikelhaltigen Sonnenschutzmitteln auf bereits geschädigter oder erkrankter Haut ist aktuell aufgrund einer vergleichsweise geringen Anzahl an Studien noch nicht möglich.
Dennoch heben sich nanopartikelhaltige Formulierungen aus der Reihe der Sonnenschutzmittel deutlich durch eine bessere Hautverträglichkeit im Vergleich zu chemischen Filtern, einen höheren erreichbaren Lichtschutzfaktor und gesteigerte Akzeptanz beim Verbraucher durch ihre verbesserten kosmetischen Eigenschaften ab.
Einleitung
1 Einleitung
1.1 Nanopartikel in der Kosmetik
Bei nanostrukturierten Objekten liegt mindestens eins der drei Außenmaße im Nanomaßstab vor. Der Nanomaßstab wird dabei als ein Bereich von 1 bis 100 nm definiert.
Bei Nanopartikeln handelt es sich somit um nanostrukturierte Objekte mit allen Außenmaßen im Nanomaßstab (Deutsches Institut für Normung, DIN SPEC 1121 (DIN ISO/TS 27687).
Zudem existieren Materialien, deren Außenmaße an sich außerhalb dieser Definition liegen, jedoch aus Zusammenlagerungen von Nanopartikeln bestehen. Nach DIN ISO werden sie als nanostrukturierte Aggregate oder nanostrukturierte Agglomerate bezeichnet.
Grundsätzlich verhalten sich Nanopartikel wegen ihres enormen Oberfläche-zu-Masse- Verhältnisses anders als chemisch gleichartige größere Verbünde. Veränderungen in den Materialeigenschaften können unter anderem chemische und physikalische Eigenschaften wie Reaktivität, elektrische Leitfähigkeit, Mechanik, Optik oder Magnetismus betreffen.
Damit eröffnen sich völlig neue Anwendungsmöglichkeiten.
Heute enthalten viele Kosmetikprodukte nanoskalige Komponenten wie Nanoemulsionen, Leptosomen oder Nanosomien. Da sie sich beim Kontakt mit menschlicher Haut sofort auflösen, werden sie jedoch nicht zu den echten Nanomaterialen gezählt (Schilling et al., 2010).
Bei den am häufigsten genutzten „festen“ nanoskaligen Inhaltsstoffen handelt es sich um Metalloxidnanopartikel aus Titandioxid und Zinkoxid, die in Sonnenschutz- und anderen Hautpflegeprodukten als Breitband-UV-Filter eingesetzt werden. Oft werden diese Nanopartikel auch als mikronisiert oder mikrofein bezeichnet (Schilling et al., 2010). Ihre wichtigste Aufgabe ist, die Haut vor schädlicher ultravioletter (UV) Strahlung zu schützen.
In den letzten Jahren haben durch die erhöhte Exposition des Menschen gegenüber UV- Strahlung entzündliche Reaktionen der Haut wie Sonnenbrand und Photoallergien, aber auch Hautkrebs stetig zugenommen. Gesundes Sonnenschutzverhalten wird somit immer wichtiger. Allgemeine Sonnenschutzregeln beinhalten, die Haut durch Kleidung zu schützen, starke Sonneneinstrahlung zu vermeiden und Sonnenschutzmittel zu verwenden (Asmuß, 2012).
Einleitung
1.2 Wechselwirkungen von UV-Strahlung mit der menschlichen Haut
Das in die Erdatmosphäre eintretende Sonnenlicht setzt sich aus ultravioletter Strahlung der Bereiche A und B, aus sichtbarem Licht und Infrarotstrahlung zusammen. Die von der Sonne emittierte Strahlung wird beim Eintritt in die Erdatmosphäre durch Absorption, Streuung und Reflexion abgeschwächt, so dass in Abhängigkeit von der Wellenlänge nur ein bestimmter Anteil der Strahlung bis zur Erdoberfläche gelangt (Abb. 1).
Einer der wichtigsten Prozesse, der das Leben auf der Erde in der heutigen Form überhaupt erst ermöglicht, ist dabei die Absorption der energiereichen solaren UV-Strahlung (UV-C und 90% des UV-B-Anteils) in der Ozonschicht.
λ (nm)
UV-C 100-280
UV-B 280-315
UV-A 315-380
sichtbar 380-780 infrarot >780
Abb. 1 Spektrum der Sonnenstrahlung vor und nach Eintritt in die Erdatmosphäre mit Wellenlängenangaben (λ) (nach Environmental Health Criteria 160, WHO, Genf 1994)
Die UV-Strahlung ist der energiereichste Teil der nicht ionisierenden Strahlung mit Wellenlängen von etwa 100 bis 380 nm (Abb. 1). Sie macht nur wenige Prozentanteile der Sonnenstrahlung aus, ist aber für viele ihrer Wirkungen verantwortlich. Die Intensität und die spektrale Zusammensetzung der auf der Erdoberfläche eintreffenden UV-Strahlung werden durch den Sonnenstand, die geographische Lage, den Ozongehalt und das Ausmaß der Luftverschmutzung beeinflusst.
Die biologische Wirkung von UV-Strahlung hängt von deren Wellenlänge ab. Je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher ist die Strahlung und desto größer ist das Schädigungspotential. Dabei ist die Eindringtiefe der Strahlung in die Haut proportional zur Wellenlänge. Während die kurzwelligere UV-B-Strahlung zum größten Teil in der obersten
Einleitung
Epidermisschicht, dem Stratum corneum (Abb. 4), absorbiert wird, gelangt ein Großteil der UV-A-Strahlung in die lebenden Epidermisschichten (siehe 1.5.1).
1.2.1 Hautschädigende Wirkungen von UV-Licht
Der Sonnenbrand (Erythembildung) gehört zu den bekanntesten akuten Auswirkungen von UV-Strahlung. Er wird durch die energiereiche UV-B-Strahlung verursacht. Die typische Rotfärbung des betroffenen Hautareals wird durch Gefäßerweiterungen und verstärkte Durchblutung ausgelöst. Das Zellgewebe in der Epidermis wird geschädigt, was mit Entzündungsreaktionen (Schwellungen, Schmerzen, Blasenbildung) einhergeht.
Infolge eines Sonnenbrandes entstehen in den oberflächlichen Epidermisschichten sogenannte Sonnenbrandzellen. Es handelt sich dabei um Keratinocyten, die aufgrund von nichtreparablen UV-induzierten DNA-Schäden Apoptose durchlaufen (Laethem et al., 2005).
Der hohe Energiegehalt der UV-B-Strahlung kann zu folgenschweren DNA-Schäden wie Pyrimidin-Dimerisierung und Bildung von Pyrimidin-Photoprodukten führen. Als Folge der Dimeren-Bildung können Mutationen in Tumorsuppressorgenen und Onkogenen auftreten.
Diese DNA-Schädigungen stellen das erste Stadium der Entstehung eines Hautkarzinoms dar.
Eine Verbindung zwischen Erythembildung und DNA-Schäden gilt als nachgewiesen (Heenen et al., 2001). Sonnenbrände erhöhen somit das Hautkrebsrisiko (Armstrong & Kricker, 2001).
Die langwellige UV-A-Strahlung dringt bis in die Dermis ein und führt über den Abbau von Kollagen und elastischen Fasern primär zur Verstärkung der Hautalterung. UV-A-Strahlung führt zudem zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS). Diese Induktion von oxidativem Stress kann DNA durch Einzelstrangbrüche und Protein-DNA- Quervernetzungen schädigen und somit ebenfalls zur Hautkarzinogenese beitragen.
Auch eine immunsuppressive Wirkung von UV-Strahlung wurde in zahlreichen Studien nachgewiesen (Norval et al., 2008). Die Schwächung betrifft dabei hauptsächlich die zellvermittelte Immunantwort. So wird der karzinogene Effekt von UV-Licht weiter verstärkt.
UV-Licht führt zu Defekten an Antigen-präsentierenden Zellen und zu einer verstärkten Bildung von T-Suppressorzellen, so dass Tumorzellen der Imm n e n ent e en können (Norval & Halliday, 2011).
Photoallergische Reaktionen können auf eine Überreaktion des Immunsystems gegenüber photochemisch aktivierten Substanzen zurückzuführen sein. Bei phototoxischen Reaktionen erhöhen bestimmte Substanzen die Empfindlichkeit der Haut gegenüber UV-Strahlung. In
Einleitung
beiden Fällen kommen als Auslöser Medikamente und Bestandteile von Kosmetika in Frage (Neumann & Schauder, 2013).
1.2.2 Adaptionsvorgänge der Haut
Trifft Licht auf die Oberfläche der Haut, werden nur etwa 5% der Strahlung reflektiert. Die übrige Strahlung dringt in die Haut ein und wird entsprechend ihrer Wellenlänge in unterschiedlichem Maße absorbiert.
Zusätzlich verfügt die menschliche Haut jedoch in Abhängigkeit von individuellen Faktoren (Hauttyp, Alter, Gesundheitszustand) über Adaptionsmechanismen, die sie in gewissem Maße vor UV-Strahlung schützen. Diese UV-Adaption bewirkt unter anderem, dass die Zellteilung im Stratum basale (Abb. 4) angeregt wird. Mehr Keratinocyten wandern an die Oberfläche, wodurch das Stratum corneum verdickt wird (Lichtschwiele) und mehr Strahlung absorbieren kann.
Zum anderen führt UV-Strahlung zu einer Stimulierung der Melanocyten im Stratum basale.
Die erhöhte Melaninproduktion führt zu verstärkter Pigmentierung der Haut, so dass vermehrt UV-Licht absorbiert wird. Neben dieser UV-Absorption besteht die schützende Wirkung der Melaninpigmente auch darin, freie Radikale abzufangen und so unschädlich zu machen (Kadekaro et al., 2003).
Durch die Hornschichtverdickung und Pigmentierung kann die Schwelle bis zum Eintreten eines Sonnenbrandes erhöht werden. Empfindliche Hauttypen und Kinderhaut verfügen jedoch nicht über diesen Selbstschutz.
1.3 Lichtschutzfilter in Sonnenschutzmitteln
Lichtschutzfilter in Sonnenschutzmitteln haben die Aufgabe, die genannten Adaptionsvorgänge der Haut zu unterstützen und damit eine Verlängerung der Strahlenexpositionszeit ohne Lichtschäden zu erreichen.
Sonnenschutzmittel werden oberflächlich (topisch) in Form von flüssigen Emulsionen, als Wasser-in-Öl oder Öl-in-Wasser, auf die Haut aufgetragen. Sie bedecken das Stratum corneum und schützen so die darunter liegenden Hautschichten (Abb. 4). Nach ihrer Anwendung ergänzen sie den Eigenschutz der Haut (Burnett & Wang, 2011).
Idealerweise enthält ein Sonnenschutzmittel Inhaltsstoffe, die UV-Licht absorbieren, streuen oder reflektieren. Außerdem sollten Inhaltsstoffe wie Antioxidantien enthalten sein, um die
Einleitung
Bildung freier Radikale zu verhindern. Die Inhaltsstoffe sollten so weit stabilisiert sein, dass eine möglichst lange Wirksamkeit garantiert werden kann (Morabito et al., 2011).
Gemäß den Empfehlungen der European Cosmetic, Toiletry and Perfumery Association (COLIPA) werden Sonnenschutzprodukte seit 2006 nach ihrem Lichtschutzfaktor (LSF) in Kategorien von niedrig mit LSF 6 bis sehr hoch mit LSF 50+ eingeteilt (COLIPA, 2006). Der Lichtschutzfaktor ist ein Maß für den UV-B-Schutz. Er gibt an, wie viel mal länger man sich im Vergleich zur Eigenschutzzeit in Abhängigkeit vom Hauttyp in der Sonne aufhalten kann, ohne einen Sonnenbrand zu entwickeln. Bei Lichtschutzfaktor 6 werden 83%, bei LSF 15 93%, ab LSF 20 ca. 95% und bei LSF 50+ >98% der UV-Strahlen absorbiert. 2006 wurde in Europa zusätzlich ein Kriterium zur Angabe der Mindestwirksamkeit gegenüber UV-A- Strahlung eingeführt. Der UV-A-Schutzfaktor (UV-A-SF) muss dabei mindestens ein Drittel des LSF betragen (COLIPA, 2006).
Bei den UV-Filtern werden zwei Typen von Substanzklassen unterschieden. Die chemischen Lichtschutzfilter schützen vor UV-B- und/oder UV-A-Strahlung durch Umwandlung von schädlicher UV-Strahlung in harmlosere, energieärmere Wärmestrahlung. Entsprechend ihres Absorptionsmaximums werden sie in UV-A-, UV-B- oder Breitbandfilter eingeteilt.
Bei den physikalischen Lichtschutzfiltern handelt es sich um Metalloxidpartikel. Sie wirken durch Reflexion und Streuung der UV-Strahlen an den Pigmenten, weisen meist ein breites Wirkungsspektrum im UV-A- und UV-B-Bereich auf und gehören deshalb zu den Breitbandfiltern.
1.3.1 Chemische UV-Filter
Chemische Lichtschutzfilter sind organische aromatische Verbindungen, die aufgrund des konjugierten Doppelbindungssystems UV-Strahlung absorbieren. Ihre Schutzwirkung beruht auf der Umwandlung der UV-Strahlung in langwellige sichtbare Strahlung oder Infrarotstrahlung durch Absorption an den UV-filternden Molekülen. Bei diesen chemischen Filtern handelt es sich häufig um Derivate von Campher, Salicylsäure, Zimtsäure oder Benzophenon. In Abhängigkeit von den Substituenten weisen sie unterschiedliche Absorptionsspektren auf (Kindl, 1993).
Aus einer sich so ergebenden großen Vielfalt an organischen UV-Filtern resultieren Kombinationsmöglichkeiten, um Lichtschutzfaktor, Wasserlöslichkeit und galenische Eigenschaften an bestimmte Anforderungen anzupassen.
Einleitung
Allerdings stehen die chemischen Lichtschutzfilter als Auslöser von Hautunverträglichkeiten und Sensibilisierungen in der Diskussion. So können durch photochemische Sekundärreaktionen Abbauprodukte mit allergenen Eigenschaften entstehen, die Photoallergien auslösen. Phototoxizität kann hingegen auftreten, wenn die bei Sonneneinstrahlung absorbierte Energie direkt auf die Hautzellen übertragen wird (Morabito et al., 2011).
Für Benzophenone wird neben der photoallergenen Wirkung auch ein möglicher nachteiliger Effekt auf die hormonelle Homöostase angenommen (Burnett & Wang, 2011).
1.3.2 Physikalische UV-Filter
Anorganische Inhaltsstoffe wie Titandioxid und Zinkoxid entfalten ihre Schutzfunktion direkt nach dem Auftragen der Sonnenschutzmittel auf die Haut. Sie wirken als physikalische Lichtschutzfilter, weil sie eintreffende Strahlung nicht nur absorbieren, sondern zusätzlich auch reflektieren und streuen. Dadurch bieten diese Substanzen generell einen effektiveren UV-Schutz als chemische UV-Filter (Morabito et al., 2011).
Physikalische UV-Filter gewähren Schutz über einen weiten Wellenlängenbereich, der nicht nur den ultravioletten Bereich einschließt, sondern auch Teile des sichtbaren und infraroten Bereichs umfasst. Daher werden physikalische Filter vor allem in Sonnenschutzmitteln mit einem Lichtschutzfaktor über 25 eingesetzt.
Die lichtschützenden Eigenschaften von Titandioxid und Zinkoxid sind seit Jahrzehnten bekannt. Bereits vor Einführung als Nanopartikel enthielten Sonnenschutzmittel- formulierungen Titandioxid und Zinkoxid mit eine P tikel öße im μm–Bereich (Pigmente).
Diese Sonnenschutzmittel sind jedoch schwer auf der Haut zu verteilen und bleiben nach dem Auftragen als deckender, weißer Film sichtbar. Bei Verbrauchern besteht daher eher eine Abneigung gegen ihre Anwendung. Um diese Mängel zu reduzieren, wurde die Partikelgröße der anorganischen UV-Filter immer weiter bis in den Nanometerbereich verringert. Zum Einsatz kommen nun so genannte Mikropigmente mit einer Partikelgröße von 10 bis 60 nm für Titandioxid bzw. 20 bis 80 nm für Zinkoxid (Morabito et al., 2011) . Die optischen Eigenschaften dieser nanoskaligen Partikel führen zu erniedrigter Reflektion und erhöhtem Brechungsindex. Bei gleichbleibenden UV-Absorptionseigenschaften erscheinen nanopartikelhaltige Sonnenschutzmittel dadurch transparent, sind weniger viskös und somit leichter zu verteilen. Die kosmetische Akzeptanz wurde deutlich erhöht.
Einleitung
Der Zusammenhang zwischen Partikelgröße und Streuvermögen im sichtbaren Bereich ist in Abb. 2 dargestellt. Mit einer Verringerung der Teilchengröße steigt die Zahl der reflektierenden Flächen an. Mie-Streuung tritt auf, wenn die Wellenlänge des auftreffenden Lichtes in etwa dem Partikeldurchmesser entspricht. Ist der Teilchendurchmesser im Verhältnis zur Wellenlänge kleiner spricht man von Rayleigh-Streuung. Das relative Streuvermögen ist eine Funktion der Wellenlänge. Bei Verringerung der Partikelgröße tritt Streuung nicht mehr im sichtbaren Licht auf, sondern wird zu kürzeren Wellenlängen in den ultravioletten Bereich hin verschoben (Abb. 2).
Die theoretisch erwartete Transparenz im sichtbaren Bereich ist durch das Vorhandensein von Agglomeraten mit tatsächlichen Partikelgrößenverteilungen von 200 - 2000 nm nicht zu gewährleisten (Driller, 1995).
Abb. 2 UV/Vis-Strahlungsminderung Wellenlängen-abhängige Streuung von Partikeln unterschiedlicher Größe am Beispiel von Titandioxid. Berechnung nach der Mie-Theorie (Abbildung aus Schilling et al., 2010)
Die Strahlungsminderung durch einen Sonnenschutz entspricht der Summe aus Lichtstreuung und Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge. Einer der beiden Prozesse ist jeweils dominierend. Dabei ist die Abschwächung abhängig von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes, von der Partikelgröße, vom Brechungsindex und vom umgebenden Medium (Mitchnick et al., 1999).
Einleitung
Im Gegensatz zu chemischen Filtern sind physikalische Filter auch für empfindliche Haut von Kindern und Allergikern geeignet. Sie besitzen außerdem eine höhere Photostabilität und eine geringere Photoreaktivität als die chemischen UV-Filter (Mitchnick et al., 1999).
Der Anteil der Sonnenschutzpräparate, deren Lichtschutz allein auf dem Einsatz von physikalischen Lichtschutzfiltersubstanzen beruht, ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Auch die Akzeptanz und der Verbrauch bei den Konsumenten erhöht sich aufgrund der durch Nanopartikel erreichten Transparenz der Formulierungen (Nohynek et al., 2008; Morabito et al., 2011) stetig.
1.4 Zinkoxid- und Titandioxid-Nanopartikel
Die ersten Patente für Titandioxid- und Zinkoxid-Nanopartikel wurden bereits in den 1980er Jahren angemeldet. Eine weite kommerzielle Verbreitung und Anwendung begann in den 1990er Jahren (Mitchnick et al., 1999; Schilling et al., 2010).
Die heute genutzten Herstellungsverfahren für mikrofeines Titandioxid und Zinkoxid produzieren Nanopartikel mit einer Größe von 10 bis 60 nm (Popov et al., 2005b). Starke Anziehungskräfte (elektrostatische und van der Waals-Wechselwirkungen) zwischen diesen Partikeln führen jedoch zur Ausbildung von Aggregaten mit einer Größe von 30 bis 150 nm.
Dabei stellen diese festen Partikelverbünde die kleinsten auftretenden Partikel dar und werden deshalb oft als Primärpartikel bezeichnet (Schilling et al., 2010).
1.4.1 Mikrofeines Titandioxid
Titandioxid (TiO2) kommt in der Natur in den drei Modifikationen Rutil, Anatas und Brookit vor, die sich in ihrer Kristallstruktur unterscheiden. Die Anatas- und Rutil-Modifikationen besitzen aufgrund ihrer hohen Brechungszahl besondere technische Bedeutung als Weißpigmente. Titandioxid weist das höchste Aufhellvermögen und Deckvermögen auf.
Aufgrund seiner Einstufung als toxikologisch unbedenklicher Stoff wird Titandioxid sowohl in der Lebensmittelindustrie (z.B. als Weißpigment bei der Umhüllung von Salami, bei Zuckerwaren, etc.) als auch in der pharmazeutischen Industrie eingesetzt.
Ein großes Anwendungsgebiet findet Titandioxid als Inhaltsstoff dekorativer Kosmetika wie in Sonnenschutzmitteln, Lippenstiften, Körperpudern, Seifen, Perlglanzpigmenten und Zahnpasten (Römpp-online Version 3.33).
Einleitung
In kosmetischen Sonnenschutzmitteln wird Titandioxid als mineralischer UV-A- (320 bis 340 nm) und UV-B-Filter (290 bis 320 nm) hauptsächlich in seiner Modifikation Rutil oder einer Mischung der Modifikationen Rutil und Anatas verwendet (Dussert et al., 1997).
Titandioxid besitzt gegenüber zahlreichen chemischen Lichtschutzfiltern den Vorteil eines breiten Wirkungsspektrums. Die maximale Absorption von Titandioxid mit einer Partikelgröße von 20 nm liegt im UV-B Bereich bei 300 nm (Abb.2, Schilling et al., 2010)
Abb. 3 Strahlungsminderung (attenuation curve) für mikrofeines (< 200 nm) Titandioxid und Zinkoxid nach Mitchnick et al., 1999
In Sonnenschutzmitteln werden Titandioxid-Nanopartikel eingesetzt, die mit Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Siloxanen oder Stearinsäure beschichtet sind. Die Beschichtung erhöht die Dispersionsfähigkeit in Emulsionen und ist vor allem für die Photostabilität unabdingbar, da unbeschichtetes Titandioxid unter UV-Bestrahlung als Photohalbleiter zur Oxidation und zur Radikalbildung und dadurch verursachtem oxidativem Stress neigt (Popov et al., 2005b;
Jaroenworaluck et al., 2006; Bergstrom, 2010).
Im Schutz vor Strahlung mit einer Wellenlänge über 340 nm ist es weniger effektiv als Zinkoxid (Abb. 3). Titandioxid liefert jedoch höhere Lichtschutzfaktoren (Morabito et al., 2011).
1.4.2 Mikrofeines Zinkoxid
Zinkoxid (ZnO) kommt in der Natur in Form von kristallinen Mineralien vor. Es hat ein breites, Anwendungsspektrum von der Technik bis zur Pharmazie. Wie Titandioxid dient es
Einleitung
als Weißpigment in vielen Bereichen. In pharmazeutischen Produkten ist Zinkoxid in Salben, Pasten, Pflastern und Verbänden für die Haut- und Wundbehandlung enthalten. Zinkoxid setzt sich mit Wundsekreten zu antibakteriellen und fungistatischen Zinksalzen um (Römpp- Online Version 3.33). Aufgrund seiner guten Hautverträglichkeit findet es häufig Einsatz in kosmetischen Produkten (Pudern, Schminken).
In Sonnenschutzpräparaten fungiert Zinkoxid wie Titandioxid als UV-Breitbandfilter. So zeigt es das breiteste Abschwächungsspektrum (Abb. 3) aller transparenten Sonnenschutz- Agenzien (Mitchnick et al., 1999). Durch Zinkoxid wird sichtbares Licht bei 0,8 µm maximal gestreut. Bei dieser Partikelgröße erscheint Zinkoxid so weiß wie möglich. Unter dieser Größe nimmt die Streuung ab. Mit einer Partikelgröße kleiner als 0,2 μm e s eint es transparent. Im UV-Bereich tritt neben Streuung hauptsächlich Absorption auf. Zinkoxid absorbiert im UV-A-, UV-B- und sogar UV-C-Bereich. Das Absorptionsmaximum liegt in Abhängigkeit von der Partikelgröße bei etwa 380 nm (Mitchnick et al., 1999).
Mikrofeines Zinkoxid bietet bei einer Partikelgröße von 100 nm einen optimalen Schutz vor ultravioletter Strahlung. Bei weiterer Partikelverkleinerung erhöht sich aufgrund der Oberflächenvergrößerung die Reaktivität mit anderen Komponenten einer Formulierung (Mitchnick, 1994).
Zinkoxid-Nanopartikel für den Gebrauch in Sonnenschutzmitteln werden mit Silikonölen, Silicium- oder Aluminiumoxid beschichtet (Morabito et al., 2011). Durch die Beschichtungen kommt es zum s mmen llen e eil en öße en e n en mit einem Durchmesser von 200 bis 500 nm.
Die Kombination von mikrofeinem Zinkoxid mit chemischen Lichtschutzfiltersubstanzen führt synergistisch zu einer starken Erhöhung des Lichtschutzfaktors (Mitchnick et al., 1999).
1.5 Aufbau der Haut
Die Haut ist das größte Organ des Menschen. Sie stellt die Begrenzung zur Umwelt dar und übernimmt eine Vielzahl von Aufgaben. Ihre Hauptfunktion besteht im Schutz vor schädlichen Umwelteinflüssen wie chemischen (Chemikalien), biologischen (Mikroorganismen) und physikalischen Noxen (UV-Strahlung, Wärme, mechanische Beanspruchung).
Einleitung
Die Haut stellt zudem eine Diffusionsbarriere dar und bewahrt den Körper vor Wasserverlust durch Verdunstung. Sie fungiert als Sinnesorgan mit Rezeptoren für Druck, Berührung, Vibration sowie das Temperatur- und das Schmerzempfinden. Weitere Funktionen ergeben sich in der Regulation der Körpertemperatur, immunologischen Abwehrmechanismen und Biosynthesen, zum Beispiel von Vitamin D.
Die Haut wird von distal nach proximal in die drei Schichten Epidermis, Dermis und Subkutis unterteilt (Abb. 4). Eingebettet in diese Schichten sind zusätzlich Hautanhangsgebilde wie Haare, Talg- und Schweißdrüsen. Die Subkutis enthält Fett– und lockeres Bindegewebe und stellt die Verbindung zur Muskulatur dar. Für die Penetration in die Haut und die nachfolgende systemische Aufnahme von Fremdsubstanzen sind jedoch nur Dermis und Epidermis entscheidend.
In der Dermis befindet sich, von Bindegewebsfasern umgeben, ein fein kapillarisiertes Blutgefäßsystem. Dieses ist für die Versorgung der darüber liegenden Epidermis mit Nährstoffen und Sauerstoff, aber auch für den Transport von Metaboliten oder eingedrungenen Fremdstoffen verantwortlich. In der Dermis verlaufen außerdem hautversorgende Nervenbahnen und Lymphgefäße. Auch der Ursprung von Schweiß- und Talgdrüsen befindet sich in dieser Hautschicht.
Die Epidermis übernimmt die wichtigste Barriere- und Schutzfunktion der Haut. Sie ist ihrer Struktur nach ein mehrschichtiges verhornendes Plattenepithel. Entsprechend dem Differenzierungsgrad des vorherrschenden Zelltyps, den Keratinocyten, lassen sich licht- mikroskopisch vier bis fünf Schichten unterscheiden (Abb. 4).
1.5.1 Aufbau der Epidermis
Das Stratum basale steht in Kontakt mit der oberen Dermis. Diese Basalzellschicht enthält mitotisch aktive Keratinoblasten. Die entstehenden Tochterzellen wandern während ihrer Differenzierung zunächst in das Stratum spinosum. Dieses besteht aus zwei bis fünf Zellschichten und enthält Langerhans-Zellen als Bestandteil des Immunsystems.
Im Stratum granulosum finden weitere biochemische und morphologische Veränderungen bis hin zur vollständigen Differenzierung statt. Die Keratinocyten verlieren ihre Teilungsfähigkeit, Zellkerne und Organellen werden abgebaut.
Einleitung
Das Stratum corneum ist die äußerste Epidermisschicht und stellt die entscheidende Permeabilitätsbarriere der Haut für Partikel >500 Da dar (Bos & Meinardi, 2000).
Abb. 4 Schematischer Schnitt durch die Haut (Aumüller et al., 2010)
In Abhängigkeit von der Körperregion kann die Anzahl der Schichten des Stratum corneum variieren. Hier haben die Keratinocyten das Ende ihres Differenzierungsprozesses erreicht.
Die keratinhaltigen kernlosen Zellreste sind von einer Hornhülle umgeben und werden als Korneocyten bezeichnet.
Die sukzessive Differenzierung durch die epidermalen Schichten führt schließlich zu abgeflachten Korneocyten mit einem Durchmesser von 30 µm und einer Dicke von 0,5 bis 0,8 µm (Holbrook & Odland, 1974). Die Zwischenräume weisen im luftgetrockneten Zustand eine Breite von 75 nm auf (Baroli, 2010). Die Korneocyten sind regelmäßig überlappend angeordnet, über Korneodesmosomen und Desmosomen miteinander verbunden und in eine multilamellare interzelluläre Lipiddoppelschicht eingebettet (Brick and Mortar-Modell, Elias, 1983). Diese Lipidschicht setzt sich zumeist aus Ceramiden, Cholesterin, Fettsäuren und in geringem Anteil auch Cholesterinestern zusammen. Sie werden in den Keratinosomen
Einleitung
des Stratum spinosum synthetisiert. Dort werden sie in kleineren Vesikeln gespeichert (Odland bodies). Beim Übergang zum Stratum corneum werden die Lipide in den Interzellularraum sekretiert, wo sie maßgeblich an den Barriereeigenschaften der Epidermis beteiligt sind.
An der Oberfläche des Stratum corneum werden ständig Korneocyten abgestoßen. Durch die vom Stratum basale bis hin zum Stratum corneum stattfindende Keratinocyten- differenzierung wird innerhalb von 28 Tagen die gesamte Epidermis erneuert.
1.5.2 Penetration von Fremdstoffen in die Haut
Nach topischer Applikation eines Fremdstoffes ist nicht nur die lokale Wirkung, sondern auch die systemische Verfügbarkeit zu berücksichtigen. Penetration beschreibt das Überwindens des Stratum corneum und das Erreichen unterer Hautschichten. Die Aufnahme der Substanz über Penetration ist Voraussetzung für Hautpermeation oder dermale Absorption. Dabei schließt sich dem Eindringen des Stoffes in die Haut die Verteilung in die untere Epidermis und die Dermis an. Durch Resorption gelangt der entsprechende Stoff in die systemische Zirkulation.
Fremdstoffe können auf unterschiedlichen Wegen in und durch das Stratum corneum penetrieren. Eine Aufnahme kann transepidermal oder transfollikulär über die Hautanhangsgebilde stattfinden (Barry, 1987; Schaefer & Lademann, 2001). Bei der transepidermalen Penetration muss zwischen interzellulärer und transzellulärer Diffusion unterschieden werden. Dabei gilt der tranzelluläre Weg durch die Korneocyten als eher unwahrscheinlich, da eine Diffusion von Molekülen abwechselnd durch hydrophobe und hydrophile Schichten erfolgen müsste. Als häufigste Penetrationsroute gilt somit die interzelluläre Penetration, bei der Moleküle entlang der lamellaren Lipidschichten zwischen den Korneocyten wandern (Neubert & Wepf, 2007).
Die kompakte schützende Barriere des Stratum corneum wird durch Hautanhangsgebilde, die Haarfollikel und Drüsenausführgänge, durchbrochen. Zusammen sind sie für den transfollikulären Penetrationsweg verantwortlich. Die Follikelöffnungen erreichen in Abhängigkeit von der Körperregion und Haardicke Durchmesser von 10 bis 210 µm (Otberg et al., 2004). Die Talgdrüsenfollikeleinheiten durchziehen die Haut von der Subkutis oder Dermis aus, wo sie mit Nervenfasern und durch das Blut versorgt werden (Abb. 4). Sie stellen somit eine direkte Verbindung zu den lebenden Schichten der Haut dar. Verschiedene
Einleitung
Studien zeigen, dass der transfollikuläre Penetrationsweg zumindest für die Aufnahme von großen Molekülen oder Partikeln und kleinen hydrophilen Molekülen von Bedeutung ist (Baroli, 2010). Somit muss auch für Nanopartikel neben dem interzellulären Weg die Penetration über Schweißdrüsen und Talgdrüsen in Betracht gezogen werden.
1.5.3 Beeinflussung der Penetration
Die Penetration in die Haut wird durch die Molekülgröße der Substanzen limitiert, kann jedoch durch eine Vielzahl an Faktoren beeinflusst werden (Monteiro-Riviere & Filon, 2012;
Leite-Silva et al., 2013). Dabei spielen sowohl die Hautregion als auch der Hautzustand, die physikochemischen Eigenschaften der penetrierenden Moleküle und der Formulierungsbestandteile (z.B. Öl-in-Wasser- oder Wasser-in-Öl-Emulsion) eine wichtige Rolle (Baroli, 2010). So kann insbesondere der Hydratationszustand der Haut die Penetration von Substanzen beeinflussen. Eine durch Okklusion, die Verhinderung der Wasserabgabe durch die Haut, erreichte verstärkte Hydratation kann im Vergleich zu trockener Haut zu einer fünf bis zehnmal höheren Penetration führen (Raab & Kindl, 1999, 3. Auflage).
Substanzen mit einer großen Affinität zum Stratum corneum zeigen eine verstärkte Penetration.
Eine in einer bestimmten Formulierung schwer lösliche Substanz wird leichter an das Stratum corneum abgegeben und erreicht damit eine stärkere Penetration als eine Substanz mit einer höheren Löslichkeit. Außerdem kann durch die topische Anwendung verschiedener Substanzen der Interzellularraum (Volumen etwa 100 nm3) zwischen Zellen des Stratum corneum geweitet werden (Nemanic & Elias, 1980; Ghadially et al., 1992). So interagieren sogenannte Penetrationsenhancer mit den interzellulären Lipiddoppelschichten des Stratum corneum. Das kann zu strukturellen Veränderungen und einer reversiblen Ausschaltung der Hautbarrierefunktion führen. Für Nanomaterialien haben bisher jedoch nur wenige Studien diese Effekte untersucht (Monteiro-Riviere & Filon, 2012).
1.6 Potentielle Gefahren für die Haut
Sowohl Titandioxid als auch Zinkoxidpartikel gelten in herkömmlicher Größe als biologisch inert. Keiner der beiden Stoffe zeigt ein signifikantes Toxizitätsprofil (Schilling et al., 2010).
Studien
Gefahren in der Anwendung als Nanopartikel ergeben sich somit hauptsächlich aus der geringen Größe und den damit veränderten biologischen Eigenschaften der Nanopartikel im Vergleich zu gleichartigen größeren Teilchen. Dabei aufkommende Probleme umfassen die dermale Penetration, die systemische Absorption und die sich ergebende Toxizität.
Nanopartikel könnten auf Grund ihrer geringen Größe (Durchmesser 1 bis 100 nm) in die Haut eindringen und über den Blutkreislauf im Körper verteilt werden. Die Dimensionen entsprechen denen biologisch aktiver Moleküle wie DNA, RNA oder Proteine. Nanopartikel könnten somit Membranen überqueren und mit einer Vielzahl biologischer Prozesse interferieren (Newman et al., 2009).
Die Partikeltoxizität wird durch die Oberflächenreaktivität bestimmt. Damit stellen Nanopartikel durch ihr Oberfläche-zu-Masse-Verhältnis potentielle Gefahren dar. Durch ihre speziellen Eigenschaften können Nanopartikel die natürlichen Ausscheidungs- und Abwehrmechanismen leichter umgehen. Daraus können sich verlängerte Halbwertszeiten im Blutkreislauf, die Anreicherung in bestimmten Organen oder das Überwinden der Blut-Hirn- Schranke ergeben (Monteiro-Riviere & Filon, 2012). Eine potentielle Toxizität besteht ebenfalls in der Fähigkeit der Komplexbildung mit Proteinen (Newman et al., 2009).
Die größte Gefahr in der Anwendung von Titandioxid und Zinkoxid-Nanopartikeln in Sonnenschutzpräparaten besteht jedoch in der Entstehung freier Radikale. Sowohl Titandioxid als auch Zinkoxid sind photokatalytisch aktiv. Unter Einwirkung von UV-Licht werden Elektronen emittiert, die die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies verursachen können. Diese reaktiven Sauerstoffspezies können wiederum mit Proteinen, DNA und Lipiden reagieren, die dadurch geschädigt werden (Wamer et al., 1997).
Zusätzlich zur potentiellen dermalen Aufnahme muss bei einer Risikobewertung nanopartikelhaltiger Sonnenschutzmittel auch die respiratorische Aufnahme durch Aerosole (Sprays) oder die orale Aufnahme über den Mund (Sonnenschutz für Lippen, nanopartikelhaltige Puder, Make up) in Betracht gezogen werden (Gallagher et al., 1994;
Newman et al., 2009).
2 Studien
Die stetig größer werdende Allgegenwärtigkeit von Nanopartikeln in Pflege und Kosmetik- produkten macht Untersuchungen zu Risiken und Nebenwirkungen immer wichtiger. Eine
Studien
Vielzahl von in vitro- und in vivo-Studien hat sich in den letzten Jahren mit dem Penetrations- und Toxizitätsverhalten von Titandioxid- und Zinkoxid-Nanopartikeln beschäftigt.
2.1 Penetrationsstudien
Die bisher veröffentlichten wichtigsten Penetrationsstudien sind in Tabelle 1 bis Tabelle 3 zusammengefasst. Die meisten Hautexpositionsstudien nutzen humane Haut oder Schweinehaut. Es finden aber auch andere Tiermodelle Anwendung. Dabei sind bezüglich der Permeabilität für die verschiedenen Materialien große Unterschiede innerhalb der verwendeten Modelle zu beachten. Die Penetration nimmt in folgender Reihenfolge zu:
menschlicher Haut, Schweinehaut, Nagerhaut, Kaninchenhaut.
Um Nanopartikel oder die entsprechenden Metallionen nach einmaliger oder wiederholter Anwendung nachzuweisen, werden hochsensitive analytische Methoden wie Transmissions- elektronenmikroskopie, Raster-Transmissionselektronenmikroskopie, Rutherford-Back- scattering Spektroskopie und partikelinduzierte Röntgenemissionsspektroskopie verwendet.
Eine weitere häufig genutzte Methode, um das Penetrationsverhalten topisch applizierter Substanzen zu beurteilen, ist das sogenannte tape stripping (Abrissmethode). Hierfür werden nacheinander adhäsive Filme auf die Haut geklebt, abgezogen und die Substanzmenge pro Abriss bestimmt. Tape stripping ist eine einfach anzuwendende Methode. Sie liefert jedoch nur Informationen über das Stratum corneum. Aussagen über das Tiefenprofil können auch bei Quantifizierung der abgerissenen Korneocyten aufgrund von Hautfalten und Haarfollikeln nicht getroffen werden (Butz et al., 2007).
Das gebräuchlichste in-vitro-Modell zum Studium des dermalen Wirkstofftransportes sind die Diffusionszelle nach Franz und davon abgeleitete Modifikationen.Diese Diffusionszellen bestehen aus einem doppelwandigen Glasbehälter, in dem sich Reze t fl ssi keit befindet.
Die dermale Seite der Hautprobe liegt im direkten Kontakt zu dieser Flüssigkeit. Die epidermale Seite wird in eine trockene oder kontrolliert hydratisierte Umgebung gerichtet eingesetzt. Eine aufgetragene Substanz diffundiert anschließend durch die Schichten der Haut und kann in der e e t fl ssi keit n e iesen e en.
Die Ergebnisse aller Studien lassen sich nach dem Grad der festgestellten Penetration unterteilen. Eine dermale Absorption und damit eine systemische Verfügbarkeit wurde jedoch in keiner Untersuchung festgestellt.
Studien
2.1.1 Keine Penetration durch die Epidermis
In den meisten in vitro- und in vivo-Studien konnte eine Penetration von Titandioxid- oder Zinkoxid-Mikro- und Nanopartikeln in tierische oder humane Haut nicht nachgewiesen werden.
So nutzten einige Arbeitsgruppen (Bennat & Müller-Goymann, 2000; Pflücker et al., 2001;
Schulz et al., 2002; Gottbrath & Müller-Goymann, 2003) verschiedene Formen und Größen an Titandioxid-Nanopartikeln, verschiedenen Formulierungen und unterschiedlich lange Anwendungsdauer in humanen in vivo-Studien (Tabelle 1). Weder Unterschiede in den Oberflächeneigenschaften noch in Partikelgröße oder –form führten zu messbarer dermaler Absorption. Titandioxidwar ausschließlich auf den obersten Schichten des Stratum corneum aber nicht in Epidermis oder Dermis nachweisbar.
Gamer et al. nutzten in ihren in vitro-Studien an Schweinehaut eine Zinkoxid- und zwei Titandioxid–Emulsionen. Die Wiederfindungsrate in Penetrationsexperimenten in einer Franz-Diffusionszelle lag für Zinkoxid bei 102 bis 107%. Auch in tape stripping–Experimenten wurde in den ersten fünf Klebestreifen die gesamte aufgetragene Menge an Zink zurückgewonnen. Für Titandioxid lag die Wiederfindungsrate in den Penetrationsexperimenten bei 98 bis 100% bzw. bei 86 bis 93%. Titandioxid konnte durch Waschen der Hautoberfläche komplett entfernt werden. Danach war die Menge an Titan in den Klebestreifen und in der Haut nahezu am analytischen Detektionslimit. Somit durchdrangen weder Zink- oder Titan-Ionen noch die entsprechenden Nanopartikel Schweinehaut in den beschriebenen in vitro-Experimenten (Gamer et al., 2006).
Auch in japanischen Studien mit Ratten- oder Schweinehaut konnte eine Titandioxid–
Penetration über das Stratum corneum hinaus nicht nachgewiesen werden (Adachi et al., 2010; Senzui et al., 2010).
Die in den beschriebenen Untersuchungen festgestellte Verteilung der Nanopartikel entspricht der von herkömmlichen Titandioxid- und Zinkoxid-Partikeln. Eine systemische Absorption wird von den Autoren somit ausgeschlossen (Burnett & Wang, 2011).
Studien
2.1.2 Keine signifikante Penetration durch die Epidermis
In einer Pilotstudie von 1996 wurde beobachtet, dass Titandioxidpartikel mit einer Größe von 50 bis 100 nm über das Stratum corneum hinweg in die Dermis eindringen können.
Statistische Signifikanz wurde jedoch nicht erreicht (Tan et al., 1996).
Lademann et al. nutzten in ihren Untersuchungen Biopsien humaner Haut. Titandioxid wurde dabei in einzelnen Haarfollikeln nachgewiesen (Lademann et al., 1999). Die Beobachtung der Lokalisation In Haarfollikelöffnungen und Hautfalten/-furchen findet sich auch in einer Anzahl nachfolgender Studien sowohl mit Titandioxid als auch mit Zinkoxid (Lekki et al., 2007; Mavon et al., 2007; Durand et al., 2009; Adachi et al., 2010; Kimura et al., 2012). Eine Penetration in die lebende Epidermis wurde in all diesen Untersuchungen ausgeschlossen.
Kertész et al. berichten, dass Nanopartikel durch das Stratum corneum bis zur äußeren Grenze des Stratum granulosum penetrieren. Sie nutzten humane Haut xenotransplantiert auf immundefiziente Mäuse. In den Granularzellen wurden jedoch keine Partikel nachgewiesen (Kertész et al., 2005).
In einer Studie mit Minischweinen wurden Titandioxid-Nanopartikel viermal täglich über einen Zeitraum von 60 Tagen aufgetragen. In der Epidermis wurden dabei erhöhte Werte an Titan gegenüber den Kontrolltieren nachgewiesen. Einzelne isolierte Moleküle fanden sich in der Dermis. Ein Verteilungsmuster oder pathologische Effekte waren nicht zu erkennen.
Außerdem wurden weder in der Lunge, der Leber oder der Milz Nanopartikel detektiert. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass auch nach wiederholter Anwendung eine systemische Aufnahme von Titandioxid und Zinkoxid-Nanopartikeln in gesunde Haut vernachlässigbar erscheint (Sadrieh et al., 2010).
Zinkoxid-Nanopartikel erwiesen sich als noch weniger löslich und in die Haut penetrierend (Kuo et al., 2009). Bei Nacktmäusen konnte nur nach Behandlung der Haut mit Ethanol oder anderen, Lipide von der Haut entfernenden Detergentien eine Zinkoxid-Penetration nachgewiesen werden. In einer Studie mit menschlicher Haut wurde weder in vitro noch in vivo Penetration festgestellt (Zvyagin et al., 2008). Zinkoxid verblieb hauptsächlich auf den äußeren Schichten des Stratum corneum oder sank in Hautfalten und Haarfollikelöffnungen ein. In einer früheren in vitro-Studie wurde die Zinkoxid-Penetration mit 0,36% beziffert (Pirot et al., 1996).
Studien
In in vivo-Versuchen mit Schweinehaut bei 30 Tagen Exposition gelangte Titandioxid bis in die tieferen Epidermisschichten (Wu et al., 2009). Immundefiziente Nacktmäuse zeigten in dieser Langzeitstudie nach 60 Tagen generalisierter Exposition hingegen Penetration in tiefere Hautschichten und pathologische Veränderungen in verschiedenen Geweben (Wu et al., 2009). Allerdings wird diese Studie aufgrund fehlender Angaben und Daten von mehreren Autoren eher kritisch betrachtet (Jonaitis et al., 2010; Schilling et al., 2010).
Leite-Silva et al. untersuchten den Einfluss der Partikelbeschichtung und Formulierungszusammensetzung auf die Zinkoxidpenetration. Sie konnten für beschichtete Nanopartikel in einer Wasser-in-Öl-Emulsion geringe Penetration bis in das Stratum granulosum im Bereich von Hautfurchen nachweisen. Das führte jedoch nicht zu Änderungen im Zellmetabolismus oder in der Zellmorphologie (Leite-Silva et al., 2013).
2.1.3 Penetration durch die Epidermis, aber keine transdermale Absorption;
Untersuchungen an beeinträchtigter Haut
In der Literatur gibt es bisher keine Hinweise darauf, dass leicht geschädigte oder beeinträchtigte Haut generell eher durchlässig für kleinere Partikel ist (Schäfer-Korting et al., 1994). Bei pathologischen Hautzuständen, Sonnenbrand, Anwendung von Enthaarungscreme oder dem Rasieren der Haut kann jedoch nicht mit Sicherheit von einer intakten Barrierefunktion des Stratum corneum ausgegangen werden (Monteiro-Riviere et al., 2011). Auch bei Neurodermitis ist das Stratum corneum häufig geschädigt und die Penetration allgemein erhöht. (Newman et al., 2009)
Sonnenbrand verursacht hingegen eine Verdickung der Epidermis, was eher zu einer erhöhten Barrierefunktion der Haut führt (Gunther et al., 1998; Walker et al., 2003).
Auch bei Hautkrankheiten wie der Schuppenflechte könnte durch Hyperkeratose das Eindringen von Partikeln in die Haut erschwert werden. So finden weder Pinheiro et al. noch Filipie et al. in ihren Studien mit gesunder und durch Schuppenflechte beeinträchtigter Haut Hinweise auf eine Penetration oder gar Absorption von Titandioxid-Nanopartikeln (Pinheiro et al., 2007; Filipe et al., 2009).
Eine in-vivo-Studie mit Titandioxid-Nanopartikeln auf sonnenverbrannter Haut liefert keine eindeutigen Hinweise auf eine erleichterte Penetration. Die Autoren zeigten, dass kleine Mengen an Zink von topisch aufgetragenen Zinkoxidpartikeln durch die Haut absorbiert
Studien
wurden. Dabei war jedoch nicht klar, ob das detektierte Zink in Form von Zinkoxidpartikeln oder als lösliches Zink aufgenommen wurde (Gulson et al., 2010).
Monteiro-Riviere et al. nutzen hingegen UV-B-behandelte Schweinehaut, die histologisch einem Sonnenbrand entspricht, und können ein geringfügig erhöhtes Eindringen in das Stratum corneum nachweisen. Transdermale Absorption war hingegen nicht zu erkennen (Monteiro-Riviere et al., 2011).
Andere Studien untersuchten durch tape stripping oder Haarentfernung beeinflusste Haut.
Die Ergebnisse weisen keine signifikante Penetration von Nanopartikeln auf (Filipe et al., 2009; Senzui et al., 2010).
Studien
Tabelle 1 Zusammenfassung Studien zu Titandioxidpenetration
Referenz TiO2 Messungen Exposition Ergebnisse
(Tan et al., 1996) 10 -50 nm, Beschichtung nicht angegeben;
in vivo: humane Haut (Biopsien), geschädigte Haut
tape stripping, ICPMS
2 x täglich 2-6 Wochen, SSM mit 8% TiO2
erhöhte TiO2 -Konzentrationen in Epidermis und Dermis im Vergleich zur Kontrollgruppe;
statistisch nicht signifikant (Lademann et al.,
1999)
UV-Titan M 160: 20 nm Al2O3-, Stearinsäure- Beschichtung
in vivo: humane Haut (Biopsien) tape stripping, UV/Vis,
Röntgenfluoreszenz, LIFM, SRLSM
5 x 1.-3.Tag 1 x 4. Tag 2 mg/cm2 *, SSM
Penetration in obere Schichten des SC;
1% der Partikel in Haarfollikelöffnungen;
keine Penetration in lebende Epidermis (Bennat & Müller-
Goymann, 2000)
Größe und Beschichtung nicht angegeben;
mikroskalig
in vivo: humane Haut in vitro: humane Haut AAS, PLM, TEM
in vivo: 45 min, 2 mg/cm2, 40% TiO2 (SSM-Formulierung) in vitro: 24 h,
150 mg/cm2, 5% TiO2 (Dispersionen)
keine Penetration über SC hinaus
höhere Konzentration in SC mit liposomaler Formulierung
(Pflücker et al., 2001; Schulz et al., 2002)
10-100 nm, SiO2, Al2O3 oder
Kombinations-beschichtung
in vivo: humane Haut (Biopsien) TEM, Lichtmikroskopie
6 h, 4 mg/cm2, 4% TiO2 (Öl-in- Wasser-Emulsion)
ausschließlich auf äußeren Schichten des SC
(Gottbrath &
Müller-Goymann, 2003)
Tioveil AQ N
SiO2, Al2O3-Beschichtung
in vivo: humane Haut tape stripping, TEM, AAS
45 min 2 mg/cm2 liposomale und mizellare
Formulierungen mit 5% TiO2
keine Penetration über SC hinaus,
(Menzel et al., 2004)
45-150 nm lang, 17-35 nm breit
in vivo: Schweinehaut PIXE, RBS, ERDA, STIM
8, 24, 48 h;
verschiedene Formulierungen mit 4.5, 5, 18, 40% TiO2
minimale Penetration durch SC in SG innerhalb von 8 h
(Popov et al., 2005a)
100 nm, Rutil in vivo: humane Haut
tape stripping, Röntgenfluoreszenz
5 x über 4 Tage, SSM basierte Formulierung, 5%
TiO2
Penetration in obere Schichten des SC (äußere 3 µm)
(Kertész et al., 2005)
nanoskalig, ohne weitere Angaben
humane Vorhaut transplantiert auf immundefiziente Mäuse
kombinierte Ionenstrahlanalyse- Methoden, STIM, RBS, TEM, PIXE
1, 24, 48 h, Okklusion, hydrophobe Formulierung
Penetration in SC,
geringfügiger Nachweis an der Grenze zum SG (in zwei Proben)
Studien
(Gontier et al., 2008)
(Butz et al., 2007)
20-100 nm in vitro: Schweinehaut, humane Haut,
humane Vorhaut transplantiert auf immundefiziente Mäuse
STIM, PIXE mit TEM
verschiedene Expositionszeiten und Formulierungen
Penetration in obere Schichten des SC
(Lekki et al., 2007) 20 nm (PPG) in vitro: Schweinehaut, humane Haut; Haarfollikel
PIXE, RBS, STIM, Autoradiographie
30 min – 48 h, 2 mg/cm2, verschiedene Formulierungen mit 5% TiO2
Penetration in obere Schichten des SC, Nachweis in Haarfollikeln, nicht in lebenden Schichten
(Pinheiro et al., 2007)
nanoskalig, ohne weitere Angaben
humane Haut (gesund oder Schuppenflechte – psoriatisch) PIXE, RBS, STIM
2 h
handelsübliche Formulierung
Penetration in obere Schichten des SC, ähnlich in gesunder und psoriatischer Haut (Mavon et al.,
2007)
20 nm,
SiO2-Beschichtung
in vivo: humane Haut in vitro: humane Haut
tape stripping, Kolorimetrie, TEM, PIXE
5 h 2 mg/cm2,
Formulierung mit 3%
TiO2
Penetration in obere Schichten des SC, Nachweis in Haarfollikeln und Hautfalten,
(Kiss et al., 2008) nanoskalig, ohne weitere Angaben
humane Haut transplantiert auf immundefiziente Mäuse PIXE, STIM
2 mg/cm2,SSM keine Penetration über SC hinaus
(Wu et al., 2009) 4-10 nm (100% Anatas) 25-90 nm (100% Rutil) Degussa P25: 21 nm (25% Rutil/75% Anatas);
unbeschichtet
in vivo: Maus, Schwein in vitro: Schweinehaut
Franz Diffusions-Zelle, TEM, AAS
Schwein: 30 Tage Maus: 60 Tage 8 mg/cm2,5% TiO2 (Suspension) in vitro: ≤ 24
in vivo
Schwein: TiO2 in SC, SG, SS, SB (4 nm TiO2 ) Maus: 10-60 nm Partikel durchdringen die Haut, Einlagerung in Organe; negative
Wachstumseffekte (10,20 nm; P25) in vitro: TiO2 in SC
(Sadrieh et al., 2010)
400 nm (Rutil) unbeschichtet, 21-23 nm (80/20
Anatas/Rutil) unbeschichtet, 50-150 x 30 nm, AlOH3, Dimethicon/Methicon Copolymer-Beschichtung
in vivo: Minischwein ICPMS, TEM, SEM-EDXS
4 x täglich, 5 Tage/Woche über 4 Wochen
2 mg/cm2, SSM-Formulierung mit 5% TiO2
Penetration in das SC
keine systemische Verteilung in Leber oder Lymphknoten
Nachweis in Dermis möglicherweise durch Kontamination
Studien
(Senzui et al., 2010)
Rutil:
PPG 35 nm und 250 nm unbeschichtet,
PPG 35 nm Al2O3/SiO2/Silicon beschichtet, PPG 10 x 100 nm Al2O3/Silicon beschichtet
in vitro: Minischwein
gesunde oder durch tape stripping bzw. Haarentfernung geschädigte Haut
Franz Diffusions-Zelle, SEM-EDX, ICP-MS
24 h 10% TiO2
keine Penetration in lebende Haut,
Ti-Konzentrationen für alle Hautzustände ähnlich, Nachweis in Haarfollikelöffnungen
(Adachi et al., 2010)
26.4 ± 9.5 nm in vivo: Ratte
Lichtmikroskopie, konfokaler Laserscanningmikroskopie, TEM-EDX
4 h 4 mg/cm2 10% TiO2
keine morphologischen oder immunochemischen Veränderungen,
Nachweis in Haarfollikelöffnungen, keine Partikel in lebenden Schichten (Bennett et al.,
2012)
PPG 27 ± 4 nm in vitro: Schwein
Diffusions-Zelle, tape stripping, ICP-MS, STEM, EDX
200 µl 1mg/ml TiO2 wässrige Dispersion
± Sonnenlicht
unter Sonnenlicht Disaggregation von
Nanopartikelaggregaten und Penetration durch das SC bis in lebende Hautschichten
Tabelle 2 Zusammenfassung Studien zu Zinkoxidpenetration
Referenz ZnO Messungen Exposition Ergebnisse
(Pirot et al., 1996) ohne weitere Angaben in vitro: humane Haut 72 h 0.36% Penetration (Cross et al., 2007) 15-30 nm
Polymethylsilsesquioxan- Beschichtung
in vitro: humane Haut Diffusionszelle, TEM, ICP-MS
24 h 10 mg/cm2, 60% ZnO(Dispersion)
20% ZnO (Emulsion)
<0.03% Penetration in Epidermis, keine Partikel in tieferem SC
(Zvyagin et al., 2008)
26-30 nm PPG in vivo: humane Haut in vitro: humane Haut
tape stripping, MPM gekoppelt mit SEM und EDX
≤ 24 h 6 mg/cm2, SSM mit 19% ZnO
Penetration in oberste Schichten des SC, Nachweis in Haarfollikeln und Hautfalten
(Kuo et al., 2009) 10 nm unbeschichtet
in vitro: Nacktmäuse MPM, TEM
10% ZnO (Anwendung von Penetrations-
verstärker )
Penetration in SC
(Gulson et al., 2010)
19 nm;
>100 nm (Pigment)
in vivo: Mensch;
68Zn tracing,
Massenspektrometrie
2 x/Tag 5 Tage unter Sonneneinstrahlung
(>1h)
geringen Mengen an Zink absorbiert, nachweisbar in Blut und Urin
Studien
(Leite-Silva et al., 2013)
Z-COTE®
unbeschichtet Z-COTE® HP1 Triethoxycaprylsilan
beschichtet;
jeweils < 200 nm
in vivo: Mensch;
MPT-FLIM
6 h 2 mg/cm2
Gel-, Öl-in-Wasser-,
Wasser-in-Öl- Emulsionen
beschichtete und unbeschichtete Partikel in oberen Schichten des SC;
geringe Penetration beschichteter Partikel (Wasser-in-Öl-Emulsion) in das SG im Bereich von Hautfurchen;
keine Änderung im Zellmetabolismus oder der Zellmorphologie
Tabelle 3 Zusammenfassung Studien zu kombinierter Zinkoxid-und Titandioxidpenetration
Referenz TiO2 /ZnO Messungen Exposition Ergebnisse
(Lansdown &
Taylor, 1997)
<2-20 µm Beschichtung nicht
angegeben
in vivo: Kaninchen 4 h (1 Tag)
2 h (3 Tage) je 2 Tiere
Penetration in SC und äußere Haarfollikel
(Dussert et al., 1997)
TiO2 : 50-100 nm ZnO: 20-200 nm Beschichtung nicht
angegeben;
in vitro: humane Haut TEM
einmalige Anwendung 1 mg/cm2 SSM mit 11% TiO2 ;
2.5% ZnO
keine Penetration über SC hinaus
(Gamer et al., 2006)
TiO2 : 30-60 nm PPG; SiO2, Dimethicon-Beschichtung ZnO (Z-Cote): <160 nm PPG;
unbeschichtet
in vitro: Schweinehaut
Franz Diffusions-Zelle, tape stripping, AS, AAS, ICP-AES, ICP-MS
24 h 4 mg/cm2 10.3% ZnO, 10% TiO2
(Emulsionen)
keine transdermale Absorption, nahezu gesamtes TiO2 abwaschbar, nahezu gesamtes ZnO mit ersten fünf Klebestreifen entfernt (Filipe et al., 2009) TiO2 20 nm (Rutil);
beschichtet;
ZnO: 20-60 nm
in vivo: humane Haut (gesund, durch tape stripping geschädigt,
psoriatisch)
fokussierte Ionenstrahlanalyse, PIXE 2 h
0.5-1 und 2 mg/cm2, SSM mit TiO2oder TiO2 /ZnO-Kombination, hydrophobes Gel mit 80% TiO2
keine Penetration über SC hinaus, Nachweis in Haarfollikeln und Hautfalten
(Durand et al., 2009)
TiO2 : 30-150 nm, hydrophob beschichtet;
ZnO: 100-200 nm, beschichtet
in vitro: humane Haut
Franz Diffusions-Zelle, ICP-OES
24 h 2 mg/cm2 3% TiO2 , 1% ZnO (Emulsionen)
Penetration in SC, Nachweis in Haarfollikeln
