Follikuläre und transfollikuläre Penetration

Abstract

Die Haut ist das größte und eines der lebenswichtigen Organe des Menschen. Ohne die Schutz- und Barrierefunktionen der Haut könnte ein Organismus nicht überleben. Dennoch ist es möglich, dass topisch applizierte Substanzen und Wirkstoffe die Hautbarriere überwinden können. Die Optimierung des topischen Applikationsweges ist Gegenstand intensiver aktueller Forschung. Prinzipiell sind drei Penetrationswege (interzellulär, follikulär und transzellulär) in und durch die Haut bekannt, wobei der follikuläre Weg immer mehr an Bedeutung gewinnt und auch Thema der vorliegenden Arbeit ist. Die konkrete Zielstellung der Arbeit war neben der Entwicklung von in vivo und ex vivo Methoden zur Untersuchung des follikulären Penetrationsprozesses auch die Identifizierung von geeigneten ex vivo Hautmodellen sowie die Aufklärung des Mechanismus der follikulären Penetration und die Entwicklung von neuen Ansätzen zum follikulären Wirkstofftransport. Im Rahmen der Arbeit konnten zwei Methoden zur Untersuchung der follikulären und transfollikulären Penetration etabliert werden. Mit Hilfe der Methode des selektiven Follikelverschlusses ist es nun möglich, den follikulären Anteil am Penetrationsprozess zu quantifizieren. Das ebenfalls etablierte Verfahren des differentiellen Strippings dagegen ermöglicht die selektive Quantifizierung des follikulären und interzellulären Reservoirs. In weiteren Arbeiten konnte das Schweineohrhautmodell klar als geeignetes ex vivo Hautmodell für Untersuchungen zur follikulären Penetration identifiziert werden, während die Anwendung von ex vivo Humanhaut als ungeeignet für entsprechende Untersuchungen eingestuft werden musste. Weiterführende Studien konnten zur Aufklärung des Mechanismus der follikulären Penetration beitragen. Es konnte klar belegt werden, dass Nanocarrier besonders effektiv in den Haarfollikel hinein penetrieren können und dass hier eine eindeutige Größenabhängigkeit besteht. Nanocarrier der Größe um 600 nm zeigten dabei die tiefste follikuläre Penetration. Anschließende Untersuchungen haben ergeben, dass diese Größenabhängigkeit im Zusammenhang mit der Struktur des Haares steht, und dass hier ein sogenannter Ratscheneffekt zwischen der Schuppenstruktur der Haares und der Nanocarrier die tiefe Penetration bewirkt. Auf Grundlage der Ergebnisse, dass partikuläre Substanzen besonders tief und effektiv in den Haarfollikel hinein penetrieren können, aufgrund ihrer Größe jedoch nicht transfollikulär in das den Haarfollikel umgebende Gewebe translozieren können, wurden neue Ansätze entwickelt, um die positiven Eigenschaften von Nanocarriersystemen trotzdem für den Wirkstofftransport nutzen zu können. Die grundsätzliche Idee besteht darin, die Nanocarrier nur für den Transport in den Haarfollikel zu nutzen, wo es dann ausgelöst durch ein Triggersignal zu einer Wirkstofffreisetzung aus den Nanocarriern kommt. Dieser kann dann unabhängig transfollikulär diffundieren. Als entsprechende Triggersignale wurden eine enzymatische Freisetzung und eine Infrarot-A-getriggerte Freisetzung erfolgreich getestet. Damit konnten in der vorliegenden Arbeit einige wichtige Aspekte der follikulären und transfollikulären Penetration näher herausgearbeitet werden und erste Untersuchungen zur getriggerten Freisetzung von Wirkstoffen im Haarfollikel erfolgreich realisiert werden. Dies ist ein vielversprechender Ansatz, der in den nächsten Jahren weiter verfolgt werden wird.

The skin is the biggest and one of the vital organs of the human body. Without the protective and barrier functions of the skin, the body could not survive. However, it is possible for topically applied drugs to overcome the cutaneous barrier. Currently, the optimization of the topical application pathway is a subject of intense research. The intercellular, follicular and transcellular routes are the three known penetration pathways into and through the skin, with the follicular route becoming more and more important. This follicular pathway is addressed in this habilitation thesis. The specific objective of this thesis was not only the development of in vivo and ex vivo methods suited to investigate the follicular penetration process but also the identification of suitable ex vivo skin models, the revelation of the follicular penetration mechanism and the development of new approaches towards the follicular drug transport. As a result of the habilitation studies, two methods for investigating the follicular and transfollicular penetration could be established. One of these methods, the selective follicle occlusion, now permits to quantify the follicular proportion in the penetration process. The differential stripping procedure, in turn, permits the follicular and intercellular reservoirs to be selectively quantified. In further experiments, the porcine ear skin model could be definitely identified as a well-suited ex vivo skin model for follicular penetration studies, whereas ex vivo human skin proved to be unsuitable for such investigations. Further studies contributed to reveal the follicular penetration mechanism. It could be clearly demonstrated that nanocarriers can penetrate very efficiently into the hair follicle and that this penetration efficiency definitely depends on the carrier size. Nanocarriers of about 600 nm in size penetrated deepest into the hair follicle. Subsequent experiments showed that this size dependency is due to the hair structure; a so-called ratchet effect between the cuticula structure of the hair and the nanocarrier causing the deep penetration. Based on the findings that particulate substances can penetrate very deeply and efficiently into the hair follicle, whereas their size keeps them from translocating into the tissue surrounding the hair follicle, new approaches were developed in order to utilise the positive properties of nanocarrier systems nevertheless for drug delivery. The basic idea is to use the nanocarriers exclusively for the transport into the hair follicle. Once there, the carrier releases its drug load via a trigger signal. The drug so released can then transfollicularly diffuse without assistance. An enzymatic release and an infrared A-triggered release were successfully tested as trigger signals. Thus, the present thesis could reveal some important aspects of follicular and transfollicular penetration. Moreover, initial experiments with the triggered release of drugs into the hair follicles could be completed successfully. This is a very promising approach which will be followed up in the years to come.