Beurteilung der Auswirkung äußerer Noxen auf das antioxidative Potential der Haut durch spektroskopische Messungen

- Evaluation of the effects of exogenous noxae on the antioxidative potential of the skin using spectroscopic methods -
Free radicals are created when exogenous noxae act on the skin. In the defence against radicals, antioxidants form a safety chain which decomposes ROS and prevents injuries. In this study measurements have been taken on the abdominal skin of 6 human beings, the skin of 14 cow’s udders and the skin of 6 pig’s ears to detect β-carotine, catalase enzyme activity and oxygen levels in the skin. This study demonstrates that subsequent to the influence of the same stresses, the formation of radicals is significantly reduced in vitro compared to the situation in vivo. Another important finding is that the in vitro examination is not suited to analyze the kinetics of antioxidants in the human skin or in animal models. Previously published results regarding the influence of exogenous stress factors such as UV-radiation pertain to studies using excised human skin. Insight obtained through these series of tests seem to only be the „tip of the iceberg“, because under in vivo condition, the formation of radicals can be expected to be dramatically higher. The insight gained during the course of the examinations should lead to wide-ranging consequences for the development of protection strategies against UV-radiation. Additionally, the conducted test series show that stress factors which are unsuitable for in vivo testing on human subjects, can indeed be tested on an animal model (e.g. cow’s udder). To evaluate the sun protection factor in sunscreen for example, humans are up to now exposed to UV radiation to determine erythema effectivity. The focus however should not lie on measuring the kinetics of antioxidants using raman-resonancespectroscopy because no correlation between the measurements in vivo and in vitro could be detected. The formation of free radicals should rather be verified directly with highly sensitive measuring technology, e.g. ESR.
In summary, this thesis demonstrates how to examine stress factors in vitro in an animal model, which are unsuitable for testing in vivo. Research on the interactions between antioxidants and free radicals in the human system in vivo and in vitro and in the animal model in vitro conducted through the course of this thesis allows to conclude that relevant understanding of the formation of radicals under in vivo conditions could be gained with more sensible technology like ESR. The results indicate the need for new and stricter standards for the development of protection mechanisms for the neutralisation of free radicals created through various stress factors in the skin in vivo. Freie Radikale werden gebildet, wenn äußere Noxen auf die Haut einwirken. In der Radikalabwehr bilden Antioxidantien eine Schutzkette, die reaktive Sauerstoffspezies (ROS) abbaut und so Schädigungen entgegenwirkt. In der vorliegenden Promotionsarbeit wurden an der Bauchhaut von 7 Menschen, der Haut von 14 Eutern und 6 Schweineohren verschiedene Messungen zur Detektierung der Carotinoide, der Katalase-Enzymaktivität und zum Sauerstoffgehalt in der Haut durchgeführt. Die Untersuchungen wurden am Menschen in vivo und in vitro, an der Haut der Tiere ausschließlich in vitro vorgenommen. Es ist im Rahmen dieser Studien gelungen nachzuweisen, dass die Radikalbildung unter gleichen Stresseinwirkungen in vitro deutlich reduziert ist im Vergleich zur Situation in vivo. Eine weitere bedeutsame Erkenntnis ist, dass in vitro-Untersuchungen nicht geeignet sind, um die Kinetik der Antioxidantien in der Haut des Menschen oder im Tiermodell zu analysieren. Bereits publizierte Literaturergebnisse zum Einfluss von äußeren Stressfaktoren wie UV-Strahlung beziehen sich in der Regel auf Untersuchungen an exzidierter Humanhaut. Die in diesen Versuchsreihen gewonnenen Einsichten scheinen nur die „Spitze des Eisberges“ darzustellen, da unter in vivo-Bedingungen eine eklatant höhere Radikalbildung zu erwarten ist. Diese Erkenntnis, die sich im Zuge der vorliegenden Untersuchungen ergab, sollte zu weitreichenden Konsequenzen im Bereich der Entwicklung von Schutzstrategien gegen UVStrahlung führen. Nicht zuletzt zeigen die zurückliegenden Studienreihen im Rahmen dieser Arbeit, dass Stressfaktoren, die in vivo am Menschen nicht getestet werden sollten, durchaus am Tiermodell untersucht werden können. Ein Beispiel hierfür könnte die Evaluierung des Lichtschutzfaktors bei Sonnenschutzmitteln sein, für welche bisher Menschen einer UV-Exposition ausgesetzt werden, um die Erythemwirksamkeit zu bestimmen. Für diese Tests sollte jedoch weniger die Kinetik der Antioxidantien durch Messungen mit der Raman-Resonanz-Spektroskopie in den Mittelpunkt gerückt werden, da hier keine Korrelation zwischen den Messungen in vivo und in vitro festgestellt werden konnte. Vielmehr sollte in diesem Fall die Bildung der freien Radikale direkt mit einer hochempfindlichen Messtechnik, zum Beispiel der Elektronen-Spin-Resonanz-Technik (ESR), nachgewiesen werden.
Zusammenfassend bildet diese Dissertation eine gute Grundlage für die Entwicklung weiterer Forschungswege, um Stressfaktoren, die unter in vivo-Bedingungen nicht getestet werden können, am Tiermodell in vitro zu untersuchen. Die im Rahmen der Arbeit durchgeführten Grundlagen-Untersuchungen zur Wechselwirkung von Antioxidantien und freien Radikalen am Humansystem in vivo und in vitro und am Tiermodell in vitro geben einen Ausblick, dass mit einer sensibleren Technik wie der ESR relevante Einsichten bezüglich der Radikalbildung unter in vivo-Bedingungen gewonnen werden können (HAAG et al., 2011). Aus den erzielten Erkenntnissen ergeben sich neue, verschärfte Anforderungen an die Entwicklung von Schutzmechanismen für die Neutralisation von freien Radikalen, die durch verschiedene Stressfaktoren in der Haut in vivo erzeugt werden.