Penetration von Nanopartikeln in menschliche Haut: Auswirkung von Cyanoacrylate Skin Surface Stripping vs. Massage auf das Penetrationsverhalten von 40nm und 200nm soliden Polysterolpartikeln in wässriger Lösung und Cremegrundlage

Abstract

Bei der topischen Applikation von Stoffen unterscheidet man den Penetrationsweg durch das Stratum corneum (SC), transzellulär und interzellulär, von der Penetration durch physiologische Öffnungen in der Hautoberfläche, wie Haarfollikel. Partikel haben dabei die Eigenschaft, größenabhängig in Haarfollikelöffnungen zu aggregieren. Insbesondere Partikel im Mikro- und Nanometerbereich kann man dabei als Träger für aktive Wirkstoffe nutzen, um haarfollikelassoziierte Strukturen, wie die Talgdrüse oder Antigenpräsentierende Zellen (AZ) gezielt zu erreichen. Zielstellung der Arbeit war die Verbesserung des Penetrationsverhaltens von Partikeln durch menschliche Haut. Untersucht wurde das Eindringen von 40nm und 200nm soliden fluoreszierenden Polysterolpartikeln in exzidierter menschlicher Haut. Dabei wurde der Einfluss der Formulierung - wässrige Lösung/ PBS, bzw. DAC Basiscreme - und verschiedener Applikationstechniken evaluiert. Die Partikel wurden entweder auf nicht vorbehandelte bzw. mit einem Cyanoacrylatabriss (CSSS) vorbehandelte Haut aufgetragen oder nach der Applikation einmassiert. Durch einen CSSS können v.a. Haarfollikel geöffnet werden, indem ein Deckel aus Korneozyten und Sebum entfernt wird. Methoden: Das Differentielle Tape Stripping (DTS) erlaubte die differenzierte Quantifizierung der Nanopartikel (NP) im SC und in den Haarfollikeln. Durch die Erstellung von Hornschichtprofilen (HP), wobei das gesamte SC mittels der Filmabrissmethode abgetragen wird, kann eine Relation zwischen Abrissnummer und dabei entfernter Menge an Korneozyten hergestellt werden. Die Konzentration der Partikel auf jedem Abriss kann bestimmt und somit ihr Eindringen in das SC in einem Penetrationsprofil (PP) visualisiert werden. Die Anfertigung von Gewebeschnitten erlaubte durch die anatomische Lokalisation der NP in den Haarfollikeln eine qualitative Auswertung der zu untersuchenden Parameter. Mittels der Penetrationsprofile konnte gezeigt werden, dass ca. 90% der applizierten Partikel in den obersten Schichten des SC verbleiben und somit den Haarfollikeln für die tiefe Penetration der Partikel eine bedeutende Rolle zukommt. Hier zeigte sich nach der Applikation der 40nm NP eine Vergrößerung des follikulären Reservoirs bzw. ein Anstieg der follikulären Penetrationsrate im Vergleich zu 200nm NP. Penetrationsverstärkende Effekte konnten sowohl nach CSSS als auch nach Massage beobachtet werden. Partikel penetrierten besser in wässriger Lösung. Hier zeigte sich ein optimaler Effekt der Applikationstechniken. Der Vorschlag für ein Protokoll zur Applikation partikelassoziierter Wirkstoffe würde also die Verwendung von 40nm Partikeln, aufgetragen in wässriger Lösung sowie eine Vorbehandlung der Haut mit CSSS und ein Einmassieren der Partikel vorsehen. CSSS hat neben seiner penetrationsverstärkenden Wirkung auch immunstimulierende Effekte, indem es AZ aktivieren AZ kann. Durch die Verbesserung der Penetration von Nanopartikeln in das follikuläre Infundibulum kann zum einen das follikuläre Reservoir erhöht und somit topisch applizierte Medikamente länger gespeichert werden. Zum anderen werden haarfollikelassoziierte Strukturen gezielt erreicht. Dies hat Bedeutung für die Dermato- und Stammzelltherapie und, durch das Targeting von AZ, transkutane Immunisierungsstrategien.

Regarding the topical application of substances distinction is essentially made between the penetration pathway through the Stratum corneum (SC), transcellular or intercellular, and penetration through physiological openings in the skin surface, such as the hair follicle. Particles tend to aggregate in hair follicle openings depending on their size. Especially micro- and nanoparticles (NP) can be used as carriers for active agents to target hair follicle associated structures like the sebaceous gland or antigen presenting cells (APC). The objective of this work was the improvement of the penetration of particles through human skin. The penetration of 40nm and 200nm solid fluorescent polysterolparticles was examined in human excised skin regarding the influence of formulation – aqueous solution or DAC Basiscreme - and different application techniques. Particles were either applied on non- treated or Cyanoacrylate Skin Surface Stripping (CSSS) pre- treated skin or were massaged in after application. Using CSSS, hair follicles could be opened, in which a surface of corneocytes and sebum would be removed. The Differential Stripping can be used to study the penetration of topical applied substances in the SC and the follicular infundibula selectively. Horny layer profiles, in which the whole SC is removed by the tape- stripping method, allow the determination of a relationship between a single tape and the removed corneocytes. The concentration of particles on every single tape can be measured and their penetration into the SC visualized in a penetration profile. With frozen sections the anatomic localization of the NP in the hair follicles was visualised and hence a qualitative analysis of the investigated factors was made possible. Using the penetration profile, it could be shown that 90% of the applied particles remain in the upper layers of the SC. The role of the follicular infundibulum for the deeper penetration of substances could be underlined. After the application of 40nm NP the follicular reservoir and penetration rate increased compared to 200nm NP. Penetration enhancing effects were observed after CSSS application and also after massage. Particles penetrated better in aqueous solution. An optimal effect of the application techniques was shown here. According to the results of this study an application protocoll for particle associated actice agents would recommend the use of 40nm particles, applied in aqueous solution, pre- treatment of the skin with CSSS and the application of a massage. Apart from improving penetration CSSS shows immunstimulating effects by activating APZ. On one hand by improving penetration of NP in the follicular infndibulum, the follicular reservoir and storage of topical applied drugs can be increased. On the other hand the hair follicle associated structures can be targeted. This is important for skin-celltherapy, stemcelltherapy and, by targeting APZ, transcutaneous immunization strategys.