In vivo Analyse molekularer Parameter der Hautbarriere im Stratum corneum bei Psoriasis und atopischer Dermatitis mittels konfokaler Raman-Mikrospektroskopie

Abstract

Psoriasis and atopic dermatitis (AD) represent two of the world’s most common chronic inflammatory skin diseases. Although the pathogenesis of these conditions differs, both are associated with an impaired skin barrier function (SBF). The SBF is predominantly based on an intact stratum corneum (SC) as the outermost layer of the skin. Confocal Raman microspectroscopy (CRM) proves to be a highly precise method for the SC investigation. So far, the SBF of psoriatic and atopic SC have mainly been analysed using the transepidermal water loss (TEWL) as an SBF-defining parameter. Although TEWL is a widely used method, it is prone to artefacts and contains no specific molecular depth information. Therefore, we recruited 19 psoriasis and 21 AD patients to compare SBF-relevant molecular parameters between lesional and non-lesional skin non-invasively and in vivo using CRM. The analysis of the parameters was carried out for the first time over the entire SC thickness and as depth-dependent functions to elucidate the fine structure of the SC. Our results for psoriasis reveal a lower total concentration of intercellular lipids (ICL), a shift in lamellar ICL organization towards gauche conformation, and a decrease in the denser orthorhombic lateral ICL organisation in the lesional SC. Additionally, we observe a lower concentration of the natural moisturizing factor (NMF) and water molecules, along with a strong tendency towards less tightly-bound water molecules in the lesional SC. Furthermore, lesional SC exhibits a less stable secondary keratin structure with reduced α-helices and an altered tertiary keratin structure with a higher degree of folding. Our results for AD show a lower ICL and carotenoid concentration, as well as a reduced orthorhombic lateral ICL organization in the lesional SC. We also observe a lower NMF concentration, altered secondary and tertiary keratin structure, and a tendency towards increased strongly-bound water molecules in the lesional SC. These findings reveal clear structural alterations, indicating an impaired SBF in lesional compared to non-lesional SC of psoriatic and atopic skin. The results are critically discussed in comparison to other studies on psoriatic and atopic skin, as well as results obtained with the same CRM method on healthy skin. Unresolved issues requiring further investigation are addressed. A thorough understanding of molecular alterations between lesional and non-lesional skin is not only interesting from a pathophysiological perspective, but is also crucial for the development of targeted topical and systemic therapies for these conditions. Their effectiveness could be well monitored through interventional studies using our CRM method.

Psoriasis und atopische Dermatitis (AD) stellen zwei der weltweit häufigsten chronisch-entzündlichen Hauterkrankungen dar. Obwohl sich die Pathogenese der beiden Erkrankungen voneinander unterscheidet, gehen beide mit einer gestörten Hautbarrierefunktion (SBF) einher. Die SBF beruht physiologisch größtenteils auf ein intaktes Stratum corneum (SC) als äußerste Hautschicht. Die konfokale Raman-Mikrospektroskopie (CRM) eignet sich als sehr präzises Verfahren für die Untersuchung des SC. Die SBF von psoriatischem und atopischem SC wurde bislang hauptsächlich mittels transepidermalen Wasserverlusts (TEWL) als SBF-definierenden Parameter untersucht. TEWL ist zwar ein etabliertes Verfahren, es ist jedoch fehleranfällig und bietet keine spezifische molekulare Tiefeninformation. Daher wurden 19 Psoriasis- und 21 AD-Patienten rekrutiert, um SBF-relevante molekulare Parameter nicht-invasiv und in vivo mittels konfokaler Raman-Mikrospektroskopie zwischen läsionaler und nicht-läsionaler Haut zu vergleichen. Die Analyse der Parameter erfolgte zum ersten Mal über die gesamte SC-Dicke und als tiefenabhängige Funktionen, um die Feinstruktur des SC darzulegen. Unsere Ergebnisse für die Psoriasis zeigen eine niedrigere Gesamtkonzentration interzellulärer Lipide (ICL), eine Verschiebung der lamellaren ICL-Anordnung in Richtung gauche-Konformation und eine Abnahme der dichteren orthorhombischen lateralen ICL-Anordnung im läsionalen SC. Darüber hinaus wird eine niedrigere Konzentration von „natural moisturizing factor“ (NMF) und von Wassermolekülen sowie u.a. eine starke Tendenz zu schwächer-gebundenen Wassermolekülen im läsionalen SC beobachtet. Des Weiteren zeigt das läsionale SC eine weniger stabile sekundäre Keratinstruktur mit verminderten α-Helices und eine veränderte tertiäre Keratinstruktur mit höherem Faltungsgrad. Unsere Ergebnisse für die AD zeigen eine niedrigere ICL- und Carotenoidkonzentration sowie eine verringerte orthorhombische laterale ICL-Anordnung im läsionalen SC. Weiterhin werden eine niedrigere NMF-Konzentration, veränderte sekundäre und tertiäre Keratinstruktur und eine Tendenz zu vermehrt stark-gebundenen Wassermolekülen im läsionalen SC beobachtet. Diese Befunde offenbaren eindeutige strukturelle Unterschiede, die auf eine gestörte SBF im läsionalen im Vergleich zum nicht-läsionalen SC der psoriatischen und atopischen Haut hinweisen. Die Ergebnisse werden kritisch im Vergleich zu anderen Studien über die psoriatische und atopische Haut sowie auch zu Ergebnissen, die mit derselben CRM-Methode über die gesunde Haut erzielt wurden, diskutiert. Ungeklärte Sachverhalte, die weitere Erforschung benötigen, werden angesprochen. Ein gründliches Verständnis der molekularen Veränderungen zwischen läsionaler und nicht-läsionaler Haut ist nicht nur aus pathophysiologischer Sicht interessant, sondern auch wichtig für die Entwicklung gezielter topischer und systemischer Therapien für diese Erkrankungen. Deren Effektivität könnte gut im Sinne interventioneller Studien mit unserer CRM-Methode kontrolliert werden.