The future of sunscreen efficacy evaluation: a comparative study of universal sun protection factor, radical formation ratio and sun protection factor assessing the protective value of sunscreen formulations containing chemical-, and/or physical filters as well as antioxidant additives

Abstract

The sun protection factor (SPF) has been the internationally accepted standard characterizing sunscreen efficacy for the past decades. This factor is based solely on prevention of erythema, principally induced by UVB irradiation. However, UVA and even visible and infrared radiation have been equally implicated to contribute towards sun induced skin damages, thereby highlighting limitations implied with the use of the SPF as single indicator. Alternative efficacy indicators, providing a more comprehensive approach for characterization, have been proposed. The aim of this study was to determine the protective efficacy of sunscreen utilizing two of these alternative indicators, the spectroscopic universal sun protection factor -USPF- and the radical formation ratio -RF-, calculated based on electron paramagnetic resonance measurements. By comparing these results to SPF values, provided by an outside institution, conclusions regarding capabilities and limitations of both efficacy indicators could be drawn. Five specially developed formulations, containing commonly utilized active ingredients - chemical filters, physical filters and antioxidants, which exhibit different mechanisms of action, were evaluated in changing composition. As expected, chemical filters were shown to provide a protective effect measurable by each method utilized. When physical filters were investigated as single active ingredient, USPF and SPF values increased. Due to the relatively low amount (2%) of physical filter contained in the formulations and a possible interaction of physical filters with antioxidants, leading to a decrease in antioxidant capacity, no clear conclusion could be drawn when physical filters were utilized in combination. Antioxidants were shown to significantly increase SPF values. As anticipated, this effect failed to appear in the solely spectroscopically based USPF values. However, there was also no effect observed for RF values, possibly attributable to the high radiation intensity used in the ex vivo setting, obliterating antioxidants early on. A comparison of determined USPF values with previous results from sunscreen formulations containing similar compositions of active ingredients confirmed the expected linear correlation for USPF and SPF values. The values obtained verify the significance of USPF values for objective evaluation of sunscreen efficacy over the entire UV spectrum, independent of biological responses. In combination with the RF for infrared and visible ranges, these indicators could lead to a more comprehensive sunscreen characterization. The results of this study provide important information regarding effectiveness and capabilities of the investigated efficacy indicators, but also highlight the need for further research to eventually implement altered, more comprehensive efficacy indicators in international sunscreen evaluation standards.

Der Lichtschutzfaktor SPF ist aktuell die anerkannte Größe zur Kennzeichnung der Wirksamkeit von Sonnenschutzmitteln. Dieser Faktor beruht allein auf der Basis der vorrangig durch UVB-Strahlung ausgelösten individuellen Erythembildung. Indessen sind jedoch auch UVA-Strahlung sowie sichtbares und infrarotes Licht für ihre hautschädigende Wirkung bekannt. Diese Erkenntnisse waren Grundlage dafür, neue Messgrößen vorzuschlagen, die das vollständige Gefahrenpotential der Sonneneinstrahlung berücksichtigen. Zielstellung der vorliegenden Arbeit war es, zwei dieser neuen Messgrößen, den spektroskopisch bestimmten Universellen Lichtschutzfaktor - USPF - und einen über die Messung der paramagnetischen Elektronenresonanz zugänglichen Radikalbildungsquotienten - RF- zu bestimmen. Durch Vergleich mit dem klassischen SPF-Wert, der durch einen Partner gemessen wurde, konnten Hinweise über die Leistungsfähigkeit und die Grenzen beider Kenngrößen erhalten werden. Für diese Untersuchungen waren fünf spezielle Formulierungen verfügbar, die typische Inhaltstoffe der Sonnenschutzmittel mit unterschiedlichen Wirkmechanismen in wechselnder Zusammensetzung enthielten: Chemische Filter, physikalische Filter und Antioxidantien. Erwartungsgemäß zeigten in allen Fällen die chemischen UV-Filter den stärksten Schutzeffekt. Bei Einsatz der physikalischen Filter als Einzelkomponente konnten nur Einflüsse auf die USPF- und SPF-Werte nachgewiesen werden. Bedingt durch den relativ geringen Gehalt von 2% physikalischen Filtern in den verfügbaren Proben und durch eine mögliche Wechselwirkung der Partikel mit Antioxidantien, ergaben sich für USPF und RF bei kombiniertem Einsatz keine eindeutigen Ergebnisse. Die Wirkung der Antioxidantien war erwartungsgemäß beim Vergleich zwischen USPF und SPF besonders deutlich ausgeprägt. Der SPF zeigte gegenüber dem USPF erhöhte Werte. Bei den Radikalbildungsquotienten konnte, wahrscheinlich bedingt durch die erforderlichen hohen Bestrahlungsintensitäten, kein Einfluss der Antioxidantien nachgewiesen werden. Der Vergleich der gemessenen USPF-Werte mit in der Arbeitsgruppe vorliegenden Werten anderer Sonnenschutzformulierungen ähnlicher Zusammensetzung, bestätigt den erwarteten linearen Zusammenhang zwischen USPF und SPF. Die Beeinflussung der SPF-Werte durch die spezifischen, die Erythembildung beeinflussenden, Antioxidantien wird auch bei dieser Interpretation deutlich. Die erhaltenen Ergebnisse bestätigen die Bedeutung der USPF-Werte zur objektiven Beurteilung der Effizienz von Sonnenschutzmitteln im gesamten UV-Bereich. Sie sind unabhängig von einer bestimmten biologischen Schädigung und erfassen die Erniedrigung der Strahlungsintensität im UVA- und UVB-Bereich. Der eindeutige Zusammenhang zwischen USPF- und RF- Werten wird durch den bestimmenden Einfluss der chemischen Filter erklärt. Die durchgeführten Untersuchungen geben wichtige Hinweise auf die Effektivität und die Einsatzmöglichkeiten der neuen Lichtschutzfaktoren, dem USPF und dem Radikalbildungsquotienten. Sie unterstreichen die Notwendigkeit erweiterter Studien, um ergänzende Aussagen mit dem Ziel zu erhalten, eine Akzeptanz geänderter Lichtschutzfaktoren im Rahmen der internationalen Standardisierung zu erreichen.