Rickmeyer, Christiane : Penetrationseigenschaften von beschichtetem mikrofeinem Titandioxid

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Kapitel 4. DISKUSSION

4.1 Ist die Abrissmethode nach dem angewandten Verfahren für quantitative Penetrationsuntersuchungen geeignet?

Voraussetzung für vergleichbare und reproduzierbare Messungen ist, dass die Abrissmethode nach dem verwendeten Standard die Hornschicht vollständig und quantifizierbar entfernt.

In der Literatur finden sich eine Reihe von Beispielen dafür, dass diese Voraussetzungen nicht erfüllt wurden:

In Versuchen Hojyo-Tomokas wurden nur 2/3 der Hornschicht entfernt; er entnahm 30-40 Abrisse [37].

Van der Molen zeigte, dass nach Anwendung seiner Methode noch Korneozyten in den Furchen verblieben [63].

Bei der Bewertung dieser Ergebnisse muss berücksichtigt werden, dass die in der Literatur beschriebenen Untersuchungen unter anderen Bedingungen durchgeführt wurden, als das in der vorliegenden Arbeit der Fall war. Das betrifft in erster Linie Unterschiede im Gewebe. Die publizierten Ergebnisse wurden an exzidierter Haut erhalten. Weiterhin erfolgte der Andruck des Klebefilms auf der Haut durch Pressen und nicht durch Rollen.

Im Gegensatz dazu führte die hier verwendete Abrissmethode zu einer vollständigen Entfernung der Hornschicht, wie die Schnitte der Biopsie nach der Durchführung des Verfahrens zeigten. Diese Ergebnisse wurden in unabhängigen Untersuchungen an zwei weiteren Probanden reproduziert [49].

Die Histologie der Biopsie zeigt eine Schwellung der Haut. Diese Schwellung ist eine vitale Reaktion auf die mechanische Irritation der Haut durch die Abrissmethode. Sie ist Voraussetzung für die Straffung der Hautoberfläche und die Eliminierung der Falten und Furchen. Dieser Effekt lässt sich nur bei In-vivo-Experimenten erzielen, weil ausreichender Hautturgor und Schwellreaktion in vitro fehlen.

Im angewandten Verfahren wurde ein flexibler Klebefilm verwendet, der nicht einfach angedrückt wurde, sondern sich durch die Rollbewegungen an die Strukturen der Haut anschmiegte und dabei Unebenheiten ausglich. Dieses Verfahren ist ebenfalls nur in vivo sinnvoll, weil dafür eine ausreichende Elastizität der Haut notwendig ist, die in exzidierten


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Proben nicht gegeben ist.

In nachfolgenden Abrissuntersuchungen mit Farbstoffen konnte verifiziert werden, dass im Ergebnis dieser Vorgehensweise keine Farbreste in den Furchen verblieben [49].

Darüber hinaus ist in Penetrationsversuchen mit anderen Substanzen (z. B. Eusolex) gezeigt worden, dass schon nach wenigen Abrissen keine Substanz mehr auf den Abrissen nachweisbar war [52]. Daraus folgt, dass der Einfluss der Furchen bei der im Rahmen der Untersuchungen eingesetzten Methode unerheblich ist.

Zusammenfassend ergibt sich die Aussage, dass die hier verwendete Abrissmethode die Hornschicht der Haut vollständig und gleichmäßig abträgt, der Einfluss der Furchen ist zu vernachlässigen. Sie ist damit für die angestrebten Untersuchungen geeignet.

4.2 Wie tief penetriert Titandioxid in die Hornschicht?

Das Auftreten potentieller Schädigungen durch Titandioxid setzt einen Kontakt mit den lebenden Zellen der Haut voraus. Für den Einsatz der Mikropartikel als Sonnenschutzmittel sollte daher ein Verbleib der Partikel in den äußeren Schichten des Stratum corneum ohne eine tiefere Penetration gesichert werden.

In den Langzeitpenetrationsuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass ca. 90% der Substanz in der oberen Hälfte der Hornschicht lokalisiert war. Jedoch war auch in den unteren Schichten Titandioxid messbar, wenn auch in sehr geringer Menge am Rande der Nachweisgrenze.

Ein Kontakt von Titandioxid mit lebenden Zellen könnte nach diesen Ergebnissen also, wenn überhaupt, nur in verschwindend geringem Umfang zustande kommen.

In der Literatur finden sich zu diesem Thema scheinbare Widersprüche. Einerseits haben die Untersuchungen von Tan messbare Konzentrationserhöhungen von Titandioxid in der Dermis nach Langzeitapplikation ergeben. Dazu wurden Biopsien entnommen, die Hornschicht durch Abriss entfernt und die Konzentration in der verbleibenden Probe ermittelt [89].

Andererseits konnte Castiel-Higounenc bei Experimenten an Diffusionszellen zeigen, dass keine Penetration von Titandioxid in die Dermis stattfindet [12].

Darüber hinaus ist bei In-vivo- und In-vitro-Untersuchungen menschlicher und tierischer Haut unter dem Elektronenmikroskop Titandioxid ausschließlich in den äußeren Schichten der Hornschicht gefunden worden [12, 35, 54, 68].

Allerdings gibt es bei Pflücker Hinweise darauf, dass in den Haarfollikeln auch in tieferen Schichten Titandioxid nachweisbar ist (In-vitro-Untersuchungen an Schweinehaut) [68]. Für


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Zinkoxid konnte Lansdown eine Penetration in die Haarfollikel zeigen [54].

Bei der Einschätzung der potentiellen Gefährdung dieser geringen Titandioxidmengen ist zu berücksichtigen, dass diese Substanz Bestandteil in Nahrungsmitteln und Arzneimitteln ist [10, 28].

Die Ergebnisse der Langzeitpenetrationsuntersuchungen konnten klären, wie Titandioxid in der Hornschicht verteilt ist. Offen blieb die Frage, an welche Strukturen der Hornschicht das Titandioxid assoziiert ist. Daher bedurfte es weiterer Experimente mit besonderem Augenmerk auf die Haarfollikel als potentielle Penetrationswege. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden in Punkt 4.7 ausführlich diskutiert.

4.3 Wie verändert sich die Titandioxid-Konzentration im Laufe der Tage?

Bei der Diskussion der beobachteten Erniedrigung der Titandioxid-Konzentration müssen zwei Bereiche unterschieden werden, der oberflächennahe Bereich und die tiefern Schichten des Stratum corneum.

An der Hautoberfläche kommt es spontan insbesondere mechanisch induziert laufend zum Abschuppen einzelner Korneozyten-Aggregate (Desquamatio insensibilis), so dass schon im Normalzustand eine dauernde Regeneration des Epithels stattfindet [14, 70]. Dieser Vorgang ist wesentlich für die drastische Abnahme der Titandioxidkonzentration in den oberen Schichten des Stratum corneum schon nach 24 Stunden verantwortlich. Zusätzlich müssen Verluste durch die Textilabdeckung während dieser Zeit in Betracht gezogen werden.

Im Gegensatz dazu ist für die Titandioxid-Konzentration in den unteren Schichten im Zeitraum von 24 bis 96 Stunden eine relativ geringe Abnahme zu beobachten. Angenommen, Titandioxid wäre ausschließlich in der Hornschicht verteilt, wäre zu erwarten, dass mit der natürlichen Regeneration der Haut auch die Titandioxidpartikel aus den tieferen Schichten des Stratum corneum zur Hautoberfläche geschoben werden. Dann dürfte an der Grenze zu den lebenden Zellen der Epidermis, also auf den unteren Abrissen, nach diesen Zeiten kein Titandioxid mehr nachweisbar sein. Jedoch wurden hier geringe Konzentrationen gemessen.

Dieses Ergebnis und die bisher vorliegenden Hinweise auf ein Vorkommen von Titandioxid in den Follikelkanälen, die in die lebende Epidermis und Dermis hineinreichen, erforderten genauere Untersuchungen der Verteilung von Titandioxid in den Strukturen der Haut (siehe 4.7).


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4.4 Welchen Einfluss haben unterschiedliche Beschichtungen des Titandioxids auf den Penetrationsprozess? Welche Rolle spielen interindividuelle Unterschiede?

Die Aluminiumoxidbeschichtung der verwendeten Partikel unterschied sich vor allem durch den Zusatz von Stearinsäure (UV-Titan) bzw. Natriumpolyacrylat (Tioveil).

Bei einem Probanden wurden Emulsionen, die jeweils eine der beiden Substanzen enthielten, an je einem Arm aufgetragen. Die Unterschiede der Penetrationsprofile sind sehr gering. Im Rahmen der durchgeführten Messungen konnten keine signifikanten Differenzen festgestellt werden.

Die Penetrationsprofile der beiden Probanden, bei denen die gleiche Substanz aufgetragen wurde (Tioveil), zeigen geringe Unterschiede im Verteilungsmuster. Es konnten aber keine auffälligen Abweichungen im Penetrationsverhalten der beiden Substanzen aufgezeigt werden. Um statistisch relevante Ergebnisse zu erhalten, müssten die Untersuchungen an weiteren Probanden und mit anderen Beschichtungen durchgeführt werden.

4.5 Kann man mit Osmiumtetroxid die Position der Haarfollikel auf den Abrissen sichtbar machen?

Im Haarfollikel befindet sich der Ausgang einer Talgdrüse. Das von ihr produzierte Sebum setzt sich zusammen aus freien Fettsäuren, gebundenen Fettsäuren und anderen Substanzen, wie Squalen, Cholesterin und Wachsen [32].

Mit der beschriebenen Methode ist es gelungen, die Positionen der Follikelöffnungen auf den Abrissen mit Osmiumtetroxid anzufärben (Abbildung 17). Das Verteilungsmuster der schwarzen Punkte entsprach dem der Haarfollikel [69]. In nachfolgenden Versuchen mit Cyanoacrylatabrissen konnte eine genaue fotografische Zuordnung der einzelnen Punkte zu Haarfollikeln durchgeführt werden [50].

Damit wurde gezeigt, dass die beschriebene Färbemethode geeignet ist, die Follikelöffnungen auf den Abrissen sichtbar zu machen.


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4.6 Können die Partikel mit Fluoreszenzmessungen unter dem Laser-Scan-Mikroskop sichtbar gemacht werden?

Wie schon berichtet, konnte nach Anregung der UV-Titan-Partikel unter dem Laser-Scan-Mikroskop mit einer Wellenlänge von 415 nm eine schwache charakteristische Fluoreszenz mit Wellenlängen höher als 600 nm beobachtet werden.

Die Reflexionsmessungen haben die Verteilung von Titandioxid dargestellt, die Fluoreszenzsignale ergaben exakt das gleiche Muster (Abbildungen 18 und 19). Damit wurde gezeigt, dass die fluoreszierende Substanz an die Partikel gebunden ist. Der Nachweis von Titandioxid-Mikropartikeln durch die Fluoreszenzsignale war also möglich und konnte im weiteren genutzt werden, um die Partikel auf den Abrissen sichtbar zu machen.

4.7 Welche Rolle spielen die Follikel bei der Penetration von Titandioxid?

Im Verlauf des Abrissverfahrens wurden an der Entnahmestelle im Bereich von Follikelöffnungen weiße Punkte sichtbar, die dem Verteilungsmuster der Haarfollikel entsprachen. Das führte zur Annahme, dass Titandioxid in die Follikelöffnungen penetriert.

Auch in der Literatur gibt es Hinweise auf die wichtige Rolle der Haarfollikel bei der Penetration.

Illel konnte bei In-vitro-Untersuchungen der Haut von haarlosen Ratten zeigen, dass bei einigen Substanzen (z. B. Hydrocortison, Koffein) der Hauptweg der Penetration die Haarfollikel sind [40]. Versuche mit ähnlichen Modellen und anderen Substanzen führten zum gleichen Ergebnis [5, 87].

Schaefer zeigte in Penetrationsuntersuchungen, dass Cadmiumsulfid tief in die Haarfollikel eindringt [85]. Bei den Penetrationsuntersuchungen von Lansdown wurde Zinkoxid auf Hasenhaut aufgetragen, nach der Entfernung der Hornschicht durch die Abrissmethode wurde elektronenmikroskopisch Zinkoxid in den Haarfollikeln nachgewiesen [54].

Pflücker fand bei seinen In-vitro-Experimenten an Schweinehaut nach zehn Abrissen ebenfalls Titandioxid in den Follikelöffnungen [68].

Die vorliegende Arbeit bestätigt den Einfluss der Follikel auf das Penetrationsverhalten von Titandioxid.

Die beschichteten Partikel waren im oberen Teil der Hornschicht hauptsächlich auf den


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Korneozyten lokalisiert. Die Titandioxidkonzentration nahm mit wachsender Tiefe des Stratum corneum rasch ab. In der unteren Hälfte waren die Korneozyten frei von Mikropartikeln. In dieser Region fanden sich Partikel ausschließlich in den Follikelöffnungen. Das konnte durch die Laser-Scan-Mikroskopie und Ramanspektroskopie belegt werden.

Diese Ergebnisse wurden durch die Auswertung der Biopsie bestätigt. Die Röntgenfluoreszenzmessungen zeigten Titandioxidpartikel nur in einem Follikelkanal und nicht im umliegenden Gewebe. Darüber hinaus wurde der gesamte Kanal beurteilt. Bis zur Haarwurzel ließ sich Titandioxid nachweisen. Das Verhältnis der Titandioxidkonzentration im unteren Abschnitt des Follikelkanals zu der Konzentration in der Follikelöffnung betrug etwa 1:100.

Daraus ließen sich folgende Aussagen ableiten:

  1. Der Hauptteil des topisch applizierten Titandioxids ist in den obersten Schichten des Stratum corneum lokalisiert.
  2. Titandioxid penetriert nicht durch die Hornschicht.
  3. In den tieferen Hautschichten ist Titandioxid ausschließlich in den Follikelkanälen lokalisiert, das umgebende Gewebe ist partikelfrei, d. h. die Titandioxid-Mikropartikel kommen nicht mit lebenden Zellen in Kontakt.

Diese Ergebnisse bieten die Möglichkeit, die scheinbaren Widersprüche in der vorliegenden Literatur zu lösen.

So lassen sich die Resultate von Tan mit diesen Ergebnissen in Einklang bringen. Die dort in Epidermis und Dermis gefundenen geringen Titandioxidmengen sind auf das Vorkommen in den Follikelkanälen zurückzuführen [89].

Auch der Ausschluss der Titandioxidpenetration in die Haut bei Castiel-Higounenc wird bestätigt [12].

Aus dem Vorhandensein von Titandioxid in den Follikelkanälen kann nicht auf einen Kontakt mit lebenden Schichten der Haut geschlossen werden; die oberen 3-4 mm des Kanals sind ebenfalls mit einer Hornschicht ausgekleidet, so dass es nicht zur Penetration kommen kann.

Die Vorgänge im unteren Bereich des Follikelkanals müssen weiter untersucht werden, spielen allerdings eine untergeordnete Rolle, weil die gemessene Titandioxidkonzentration dort verschwindend gering ist. Damit ist gezeigt, dass ein biologisch relevanter Kontakt des topisch


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applizierten Titandioxids mit den lebenden Zellen der Haut ausgeschlossen werden kann.

Prinzipiell müssen auch die Schweißdrüsen als Penetrationswege bedacht werden. Jedoch entleeren sich die Schweißdrüsen wesentlich schneller und intensiver als die Haar- und Talgdrüsenkanäle. Daher reichern sich die Partikel voraussichtlich nicht in den Schweißdrüsen an [31].

Die Experimente sind an gesunder Haut durchgeführt worden, Aussagen für vorgeschädigte Haut lassen sich daraus nicht mit Sicherheit ableiten.

Es wäre sinnvoll, die Rolle der Follikel auf das Penetrationsverhalten anderer Substanzen zu untersuchen. Der Einfluss müsste für kleinere Moleküle vermutlich wesentlich größer sein als für die untersuchten Titandioxid-Mikropartikel.

4.8 Wird in allen Haarfollikeln Titandioxid gefunden?

Die Untersuchungen der Abrisse aus den tieferen Schichten unter dem Laser-Scan-Mikroskop haben gezeigt, dass Titandioxidpartikel ausschließlich in den Follikelkanälen lokalisiert waren. Die Fluoreszenzsignale ließen sich aber nicht in jedem Haarfollikel, sondern nur in etwa jedem achten nachweisen.

Die Biopsie enthielt zwei Follikelkanäle. Vor der Entnahme der Biopsie wurden mehrere Abrisse entfernt, dadurch die Follikelöffnungen als weiße Punkte sichtbar gemacht und das Gewebe um einen dieser Punkte ausgestanzt. Damit war sichergestellt, dass die Biopsie einen vollständigen Follikelkanal enthielt. In diesem Haarfollikel wurde Titandioxid nachgewiesen, der zweite Follikelkanal war dagegen titandioxidfrei.

Es gibt also sowohl Follikelkanäle, in die Titandioxid penetriert, als auch solche, in die es nicht penetriert. Dieser Effekt ist in der Literatur bisher nicht erwähnt. Es ist von großem Interesse, nach den Ursachen dieser Unterschiede zu suchen. Ein Zusammenhang mit den Zyklusphasen des Haarwachstums wäre denkbar.

4.9 Welche Aussagen können zum Einsatz von Titandioxid als Sonnenschutzmittel gemacht werden?

Beschichtetes Titandioxid ist ein zugelassener Lichtschutzfilter und wird seit vielen Jahren in kommerziellen Produkten verwendet.


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Titandioxid hat folgende Eigenschaften:

Damit erfüllen beschichtete Titandioxid-Mikropartikel alle Anforderungen an ein gutes Sonnenschutzmittel.


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