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  Ausgabe 1 (2003)

Dermokosmetik
Teststrategien für Mittel gegen Hautalterung
Neue Ansatzpunkte für die Entwicklung effektiver Antiaging-Kosmetika


Dirk Petersohn, Waltraud Knieps-Massong, Anke Kolbe, Günter Schmitt, Kordula Schlotmann, Melanie Giesen, Guido Fuhrmann, Anja Fischer, Jasmin Ă–zkabakcioglu und Thomas Gassenmeier, Düsseldorf

Immer mehr Menschen haben den Wunsch, ihre Haut jünger aussehen zu lassen, als es ihrem biologischen Lebensalter entspricht. Dieser Trend stellt die kosmetische Industrie vor die Herausforderung, wirksame Pflegeprodukte gegen die Zeichen der Hautalterung zu entwickeln. Voraussetzung für eine gezielte Produktentwicklung ist ein besseres Verständnis über die Alterungsprozesse der Haut auf biochemischer Ebene. Neue Erkenntnisse hierzu lassen sich mit molekularbiologischen Methoden wie der vergleichenden Proteomanalyse gewinnen. Mit Hilfe dieser Technik konnten in einem dreidimensionalen Ganzhautmodell bislang unbeachtete, durch Sonnenlicht induzierte Stressproteine detektiert werden. Aus diesem Befund ergeben sich neue Ansatzpunkte für die Entwicklung effektiver Antiaging-Kosmetika.
Unter dem Begriff "Hautalterung" wird ein sehr komplexer biologischer Prozess zusammengefasst. Typische Zeichen der sichtbaren Hautalterung sind erhöhte Rauigkeit, Faltenbildung, Verlust an Hautelastizität und eine unregelmäßige Pigmentierung [1]. Die Phänomene der Hautalterung sind jedoch nicht als alleiniges Resultat endogener Seneszenz (intrinsische Hautalterung), sondern auch als Konsequenz aus akkumuliertem, umweltbedingtem Stress (extrinsische Hautalterung) zu betrachten [2]. Beim Prozess der so genannten Photoalterung der Haut scheinen UV-Strahlen des Sonnenlichts eine entscheidende Rolle zu spielen [3]. Obwohl degenerative Entwicklungen, die typischerweise mit der Hautalterung einhergehen, im Fokus zahlreicher Untersuchungen standen, ist bis heute nur relativ wenig über die Alterungsprozesse der Haut auf biochemischer Ebene bekannt. So sind bisher zum Beispiel nur wenige durch Sonnenlicht induzierbare Markerproteine der Haut beschrieben worden [4].

Der vorliegende Beitrag bezieht sich auf einen Vortrag von Dr. Dirk Petersohn beim GD-Symposium "Wirkungen von Dermokosmetika" am 17. Oktober 2001 im Fritz-Henkel-Haus in Düsseldorf. Das Literaturverzeichnis und weitere Abbildungen finden Sie in der Online-Fassung dieses Beitrags, die im E-Journal von DermoTopics, Ausgabe 1/2003, veröffentlicht wurde (www.dermotopics.de). Außerdem wurden dort Beiträge zu dermokosmetischen Themen von Professor Dr. med. Jean Krutmann, Düsseldorf ("Targets für Repairpräparte gegen Photoaging"), Dr. Andreas Schrader und Mitarbeitern ("Rationale und Praxis der Biophotonik") sowie Professor Dr. Rolf Daniels und Mitarbeiter ("Differenzierung der UVA-Schutzleistung von Sonnenschutzprodukten") publiziert.

Phänomene der Hautalterung
Das komplexe Phänomen der Hautalterung findet seine Ursache in zwei voneinander unabhängigen Prozessen. Während die chronologische oder auch intrinsische Alterung ein genetisch gesteuerter Prozess ist, wird die extrinsische Alterung durch zellulären Stress, zum Beispiel durch Umwelteinflüsse, bedingt. Degenerative Veränderungen humaner Haut entstehen durch einen langsam fortschreitenden Prozess und werden mit zunehmendem Alter auch makroskopisch sichtbar (Abbildung 1).

Abbildung 1


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Histologische Untersuchungen zeigen, dass sich diese äußerlich sichtbaren Hautveränderungen im Hautgewebe widerspiegeln. Jugendliche Haut weist eine typische papilläre Struktur in der Grenzschicht zwischen Epidermis und Dermis auf. Die Epidermis ist hier zellreich und dick, während die Dermis dichte Ablagerungen von extrazellulärem Matrixmaterial aufweist und sehr regelmäßig aufgebaut ist. Gealterte Haut hingegen zeigt eine flache, wenig papilläre Struktur in der Grenzschicht zwischen Dermis und Epidermis. Darüber hinaus ist die Epidermis hier zellarm und dünn. Die Dermis besitzt wenig extrazelluläres Matrixmaterial (zum Beispiel Kollagen) und wirkt dadurch aufgelockert und wenig gleichmäßig (Abbildung 2).


Methoden zur Analyse der
umweltbedingten Hautalterung
Auslöser der extrinsischen Hautalterung sind neben den UV-Strahlen des Sonnenlichts auch Ozon, Stickoxide und Schwefeldioxide (Abbildung 3). Die Frage, wie genau Hautzellen auf diese Umwelteinflüsse reagieren und welche molekularen Mechanismen der zellulären Antwort zu Grunde liegen, ist bisher erst teilweise beantwortet [5]. Neue Erkenntnisse über die biochemischen Abläufe in unterschiedlichen Zellen und Geweben können mit modernen Methoden wie der vergleichenden Proteomanalyse gewonnen werden.

Abbildung 3:


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Für die Analyse eines Proteoms wird eine Querschnittstechnologie, bestehend aus Molekularbiologie, Proteinchemie, Bildverarbeitung und Massenspektroskopie, eingesetzt [6]. Eine Kerntechnologie der Proteomanalyse ist die 2D-Gelelektrophorese, bei der komplexe Proteingemische von Zellen, Geweben (zum Beispiel humane Haut) oder auch Hautäquivalenten (Hautmodelle) in einer zweidimensionalen Matrix voneinander separiert und visualisiert werden. Jeder Punkt in einer solchen Matrix repräsentiert mindestens ein definiertes Protein, wobei die Punktgröße mit der relativen Proteinmenge korreliert (Abbildung 4).


Einsatz der Proteomanalyse
in Ganzhautmodellen
Für die Anwendung dieser Technologien in der Kosmetikforschung stellen Ganzhautmodelle ein hervorragendes Homolog zur Humanhaut dar [7]. Sie können ideal als Testsysteme für die Proteomanalyse stressinduzierter Alterungsphänomene genutzt werden. Ganzhautmodelle entstehen unter definierten Laborbedingungen durch die Rekonstruktion einer Dermis und einer Epidermis. Darüber hinaus verfügen sie über ein ausdifferenziertes Stratum corneum und besitzen somit einen mit humaner Haut vergleichbaren histologischen Aufbau.

Weiterhin konnte weiterhin gezeigt werden, dass Ganzhautmodelle auf Umweltstress wie Sonnenlicht gleichermaßen physiologisch reagieren wie humane Haut. Dazu wurden Ganzhautmodelle mit einem Sonnenlichtsimulator (Sol 500, Firma Hoehnle) gestresst und analysiert. 48 Stunden nach der Bestrahlung wurde die RNA der Hautmodelle präpariert und mittels Northern-Blot-Technologie analysiert (Abbildung 5). Die Ergebnisse belegen, dass es durch Sonnenlicht - wie in der In-vivo-Situation - zu einer verstärkten Produktion des Kollagen abbauenden Enzyms Matrix-Metallo-Protease 1 (MMP 1) kommt [8], während der Inhibitor von MMP 1, Tissue Inhibitor of Metallo Protease 1 (TIMP 1), nicht wesentlich reguliert wird. Gleichzeitig vermindert sich die Genaktivität für Kollagen 1-Typ 1 [8, 9].


Diese Reaktionen sind kausal mit dem Phänomen der photogealterten Haut verbunden, bei der typischerweise die Gesamtkollagenmenge abnimmt. Neben dieser hauttypischen Stressantwort ist das Hautmodell ebenso in der Lage, auf Bioaktivstoffe physiologisch zu reagieren. So konnte zum Beispiel gezeigt werden, dass der Vitamin A-Ester Retinylpalmitat die durch Sonnenlichtbestrahlung erhöhte Synthese von MMP 1 um rund 80 Prozent reduziert und damit die Haut vor dem Phänomen der Photoalterung schützt (Abbildung 6).

Abbildung 6:


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Detektion von Stressproteinen
als Marker der Hautalterung

Proteine des Bindegewebes wie Kollagen, Kollagenasen, Laminine und Elastin stehen im Fokus der Kosmetikforschung. Im Gegensatz zur Untersuchung zuvor genau definierter Hautmarker erlaubt die vergleichende Proteomanalyse die Identifikation neuer, bisher unbeachteter Marker gestresster Haut. So zeigt zum Beispiel das Proteom von Hautmodellen, die mit Sonnenlicht bestrahlt wurden, im 2D-Gel erwartungsgemäß ein anderes Muster als das Proteom nicht bestrahlter Hautmodelle (Abbildung 7). Das Proteom bestrahlter Hautmodelle beinhaltet mehrere Proteinspots, die ansonsten fehlen oder nur in geringerer Konzentration vorhanden sind.


Diese durch Sonnenlicht induzierten Proteine können, ebenso wie die Kollagenase MMP 1, Targets für kosmetische Antiaging-Formulierungen beziehungsweise entsprechende Wirkstoffe repräsentieren. Bevor mit der Suche nach solchen Wirkstoffen begonnen werden kann, ist es jedoch notwendig, die detektierten Proteine zu identifizieren. Dazu werden die Proteine aus den Gelen eluiert, mittels spezifischer Proteasen in Fragmente geteilt und massenspektroskopisch analysiert. Nach der Identifikation der Proteine kann dann gezielt nach Wirkstoffen gesucht werden, die zum Beispiel die Produktion eines Schutzproteins der Haut unterstützen oder einen negativen Effekt vermindern.

Literatur


[1] Leveque, J.L. (1993), Aging Skin, Clinical Dermatology 4, Dekker New York
[2] Campisi, J. (1998), The Society of Investigative Dermatology 3 (1) , 1-5
[3] Fisher, G. J., Wang, Z.Q., Datta, S. C., Varani, J., Kang, S. and Voorhees, J.J. (1997), The New England Journal of Medicine 337 (20), 1419-1428
[4] Gilchrest, B. (1996), British Journal of Dermatology 135, 867-875
[5] Tyrrell, R. M. (1996), Bio Essays 18 (2), 139-148
[6] Link A.J. (1999), 2-D Proteome Analysis Protocols, Methods in molecular biology 112, Humana Press
[7] Schlotmann, K., Kaeten, M., Black, A. F., Damour, O., Waldmann-Laue, M., Förster, Th. (2001), International Journal of Cosmetic Science 23 1-10
[8] Scharffetter-Kochanek, K. (1997), Advances in Pharmacology 38, 639-655
[9] Bernstein, E.F., Chen, Y.Q., Kopp, J.B., Fisher, L., Brown, D.B., Hahn, P.J., Robey, F.A., Lakkakorpi, J., Uitto, J. (1996), Journal of the American Academy of Dermatology, 34 (2), 209-218



Für die Verfasser:

Dr. Dirk Petersohn
Henkel KGaA, Zentrale Forschung
Henkelstraße 67
D-40191 Düsseldorf

E-Mail: dirk.petersohn@henkel.de



Dr. Dirk Petersohn leitet die Forschungsplattform "Biochemie Haut" in der Zentralen Forschung bei Henkel in Düsseldorf. Er untersucht dort zusammen mit seinen Mitautoren die Wirksamkeit und Verträglichkeit von Produkten, die mit der Haut und den Schleimhäuten in Berührung kommen. Ein Forschungsschwerpunkt ist die Hautalterung. Mit modernsten Verfahren wird nach kosmetischen Wirkstoffen gesucht, die die Grundlage für eine neue Generation hochwirksamer Anti-Aging-Produkte sein können.

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