Charakterisierung hautphysiologischer, lokal inflammatorischer und penetrationsdynamischer Parameter nach milder Hautbarriereschädigung: praktische Bedeutung für transkutane Vakzinierungsstrategien

Abstract

Einleitung: Transkutane Vakzinierung ist seit einigen Jahren im Fokus tiefergehender Forschung. Die in diesem Zusammenhang vielfach genutzten nadelfreien Impfmethoden erlauben es Probleme, die mit konventioneller Impfung einhergehen, zu umgehen. Gleichzeitig zeigten sich in Versuchen verschiedener Autoren vielversprechende Ergebnisse die immunologische Effektivität betreffend, darunter eine bevorzugte Induktion zellulärer Immunantworten. Es ergaben sich zudem Hinweise darauf, dass Penetrationsförderung und immunaktivierende Effekte wichtige Komponenten für die Entwicklung möglichst effektiver transkutaner Impfsysteme sind. Ob hierzu physikalische, chemische, bzw. biochemische Stimuli geeignet sind, ist bislang wenig bekannt. Methodik: Basierend auf vorangegangenen klinischen Studien mit Verwendung von Vorbehandlungsmethoden der Haut bei transkutaner Impfung, wurden in dieser Arbeit die Effekte physikalischer und chemischer Methoden zur Barriereschädigung in Kombination mit topischer Auftragung eines Influenza-Impfstoffes untersucht. Hierbei wurden drei Schwerpunkte gesetzt: Es wurden hautphysiologische Parameter bestimmt, um das Ausmaß der durch die verwendeten Schädigungsmethoden ausgelösten Barrierestörung zu evaluieren. Weitergehend wurde das reaktive inflammatorische Milieu der Epidermis mit verschiedenen ELISA sowie Array Analysen untersucht. Eine detailliertere Untersuchung durch RT-qPCR wurde für die Methode des Cyanoacrylat Skin Surface Strippings (CSSS) durchgeführt. Abschließend wurde mit Hilfe von histologischen Färbungen sowie unterschiedlichen ELISA der Einfluss der Schädigungsmethoden auf die Penetration des aufgetragenen Impfstoffes untersucht. Ergebnisse: Für die physikalischen Schädigungsmethoden zeigte sich ein geringfügiger Einfluss auf die Hautphysiologie. Die Evaluation verschiedener Inflammationsmarker ergab jedoch Hinweise auf eine durch Tape Stripping erzeugte Stimulation von IL-1alpha, und Array Analysen deuteten auf eine vermehrte Immunreaktion des Gewebes nach Vorbehandlung mit CSSS im Vergleich zu Tape Stripping hin. RT-qPCR wies auf eine vermehrte Genexpression mehrerer pro- inflammatorischer Moleküle nach CSSS und CSSS mit gleichzeitiger Impfstoffauftragung hin. Im Falle der chemischen Schädigungsarten zeigte sich ein milder Effekt auf die Hautphysiologie nach Okklusion von Wasser, ebenso wie von Imiquimod und Hinweise auf starke Störung der Hautbarriere durch 2% SLS unter Okklusion. Okklusion allein, sowie von Imiquimod zeigten einen stimulierenden Effekt auf IL-1alpha. Die Penetration zeigte sich durch Okklusion von SLS gesteigert. Diskussion: Tape Stripping und CSSS zeigten sich als Methoden milder Barriereschädigung, welche trotz lediglich geringer Störung der Hautintegrität die Penetration von topisch appliziertem Impfstoff zu fördern schienen. CSSS zeigte sich darüber hinaus als starker Immunstimulus, welcher eine vielseitige Immunantwort in Kombination mit topischer Impfstoffauftragung auslöste. Alle untersuchten chemischen Schädigungsmethoden zeigten Hinweise auf eine vermehrte Durchlässigkeit der Hautbarriere, wobei SLS eine vergleichsweise sehr starke Schädigung auslöste. Okklusion allein und mit Imiquimod erwiesen sich als immunstimulatorisch und teilweise penetrationsfördernd, was sie vielversprechend für weitere Untersuchungen macht.

Introduction: Transcutaneous vaccination strategies have been in the focus of research for several years. Amongst these, needle-free vaccination methods avoid many challenges associated with conventional vaccination. Concomitantly, overall efficacy for various different approaches has been shown by other authors with delivery via the cutaneous route favoring the induction of cellular immune responses. Furthermore, an increase in penetration and immune activation have been discovered to be significant aspects in transcutaneous vaccination. Whether physical, chemical or biochemical stimuli are able to procure this is has not been thoroughly investigated. Methods: Based on clinical studies using skin surface treatment in transcutaneous vaccination this project analysed the effects of physical and chemical skin barrier disruption in combination with topical vaccine application. Firstly, skin-physiological parameters were analysed to determine the degree of barrier disturbance by the disruption methods. Secondly, the inflammatory milieu of the epidermis was investigated with ELISA and Array analyses and a more detailed investigation using RT-qPCR was conducted for Cyanoacrylat Skin Surface Stripping (CSSS). Finally, the influence of skin barrier disruption on the penetration of topically applied vaccine was analysed using histological staining and ELISA. Results: For physical disruption no persistent impairment of the skin physiology was found. The evaluation of different inflammation markers however showed signs of IL-1alpha stimulation after tape stripping, and array analyses indicated increased immune response to CSSS compared to tape stripping. RT-qPCR uncovered an increased gene-expression of various pro-inflammatory molecules after CSSS and CSSS combined with topical vaccine application. In regard to the chemical disruption methods, occlusion of water and imiquimod indicated a mild effect on skin physiology, while more severe disruption was seen after 2 % SLS occlusion. Occlusion with water and imiquimod also showed a stimulating effect on the excretion of IL 1alpha. Penetration was increased following occlusion of SLS Discussion: Tape stripping and CSSS seemed to result in improved penetration of topically applied vaccine despite only causing mild and temporary skin barrier impairment. Furthermore, CSSS has shown itself to be an efficient immune-stimulus, causing a diverse immune response in combination with topical application of vaccine. All investigated chemical methods of skin barrier disruption indicated an increased permeability of the skin barrier, with SLS causing a comparably severe perturbation. Occlusion by itself and in combination with imiquimod has been illustrated to be immune stimulating as well as penetration enhancing, making them promising methods for further investigation.