Introduction: The skin is particularly exposed to solar-induced oxidative stress. An excessive exposure to ultraviolet (UV) radiation increases the radical concentration, likely inducing skin damage (inflammation, tumor progression). Investigations on ex vivo human skin showed that half of all free radicals are induced by the visible (VIS) and near infrared (NIR) regions of the solar spectrum. However, in vivo results are missing. Therefore, the spectral radical production was measured and compared ex vivo (porcine and human skin) and in vivo (human skin). Different skin types (II, fair) and (IV-V, dark) were compared in vivo. Methods for the detection of the radical production in excised skin with spin marker (PCA) and spin trap (PBN) were established and compared. Also the dose dependence of the cutaneous radical production was investigated. Methods: The investigations on human skin in vivo, the comparative measurements between in vivo and ex vivo skin, respectively were performed using L-band electron paramagnetic resonance (ESR) spectroscopy during simulated solar irradiation in the UV, VIS-NIR and NIR regions. The methods for PCA and PBN were investigated using X-band EPR spectroscopy on excised porcine skin during UV-NIR and VIS-NIR irradiation. Results: In fair skin most radicals were induced in the UV followed by the VIS and finally by the NIR region during simulated solar irradiation. In dark skin all spectral regions induced the same radical amount. In darker skin the radical amount was significantly lower in the UV, and significantly higher in the NIR region compared to fair skin. In vivo human skin (II) showed the highest amount of irradiation-induced radicals, followed by excised porcine- and finally excised human skin. The amount and concentration of PCA and PBN significantly influence the cutaneous radical production. Optimal preparation parameters and an irradiation dose-dependent radical production could be found. Conclusion: The whole solar spectrum induces free radicals in fair and dark skin types. Dark skin showed a 40% decreased radical amount than fair skin (4 min UV-NIR). The in vivo and ex vivo cutaneous radical production is not quantitative comparable but shows comparable trends. For spin marker and spin trap measurements a sufficiently high concentration should be used to avoid substance depletion and a misinterpretation of the radical amounts. Both measurement methods (PCA, PBN) show comparable results in their relative values and time dependencies of the radical production in irradiated skin.
Einleitung Die Haut ist im besonderen Maße oxidativem Stress durch Sonnenbestrahlung ausgesetzt. Eine zu lange ultraviolette (UV)- Bestrahlung kann die Radikalkonzentration in der Haut erhöhen, was zu Hautschädigungen wie Entzündungen, vorzeitiger Hautalterung und einem Anstieg des Hautkrebsrisikos führen kann. In ex vivo Humanhaut-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Hälfte aller freien Radikale durch den sichtbaren (VIS)- und nahinfraroten (NIR)-Spektralbereich der Sonnenstrahlung gebildet werden. Jedoch fehlen hierzu In-vivo-Erkenntnisse. In dieser Arbeit wurde die spektrale Radikalproduktion ex vivo (Schweine- und Humanhaut) und in vivo (Humanhaut) untersucht und in vivo für verschiedene Hauttypen (II, hell) und (IV-V, dunkel) miteinander verglichen. Zudem wurden Verfahren zur kutanen Radikaldetektion mittels Spinmarkern (PCA) und Spinfallen (PBN) in exzidierter Schweinehaut etabliert und miteinander verglichen. Zusätzlich wurde die Dosisabhängigkeit der kutanen Radikalproduktion untersucht. Methodik Die in vivo Humanhaut-Untersuchungen sowie die Vergleichsmessungen zwischen in vivo- und ex vivo Haut wurden mit der L-Band-Elektronenspinresonanz (ESR) Spektroskopie mit PCA während einer simulierten Sonnenbestrahlung im UV-, VIS-NIR- und NIR-Bereich durchgeführt. Die Methodenuntersuchungen für PCA und PBN erfolgten mit der X-Band ESR-Spektroskopie an ex vivo Schweineohrhaut während UV-NIR- und VIS-NIR-Bestrahlung. Ergebnisse Bei simulierter Sonnenbestrahlung induzierte der UV-Bereich in heller Haut die meisten Radikale, gefolgt vom VIS- und am wenigsten durch den NIR-Bereich. In dunkler Haut wurden in allen Spektralbereichen gleich viele Radikalmengen gefunden. In dunkler Haut wurden, verglichen zur hellen Haut, signifikant weniger Radikale im UV-Bereich, aber signifikant mehr Radikale im NIR-Bereich induziert. Beim Vergleich heller Hautmodelle untereinander erzeugte in vivo Humanhaut unter Bestrahlung signifikant die meisten Radikale, gefolgt von ex vivo Schweinhaut und zuletzt exzidierter Humanhaut. Alle Hautmodelle zeigten unter UV- eine höhere Radikalproduktion als unter VIS-NIR-Bestrahlung. Die Substanzmenge und Konzentration (PCA, PBN) beeinflusst signifikant die detektierte kutane Radikalproduktion. Die für eine maximale Radikaldetektion optimalen Präparationsparameter konnten evaluiert und eine Dosisabhängigkeit der Radikalproduktion gezeigt werden. Schlussfolgerung Alle Bereiche des Sonnenspektrums (UV, VIS, NIR) induzieren in hellen und dunklen Hauttypen freie Radikale. Nach 4-minütiger UV-NIR Bestrahlung zeigte dunkle Haut nur 40 % weniger Radikale als helle Haut. In vivo- und ex vivo Haut ist in ihrer Radikalproduktion nicht quantitativ, jedoch in ihren Tendenzen miteinander vergleichbar. Bei der Messung mit Spinmarkern oder Spinfallen ist es von Bedeutung, die Konzentration und Menge ausreichend hoch zu wählen, um Substanzverarmungen und damit eine zu geringe Bestimmung der Radikalmenge (Fehler steigt mit steigender Substanzverarmung) zu vermeiden. Beide Messmethoden (PCA, PBN) zeigen in ihren relativen Werten und zeitlichen Abhängigkeiten vergleichbare Ergebnisse für die Radikalproduktion in bestrahlter Haut.
