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Investigation of the influence and function of different ceramide subspecies to the nanostructure and the dynamic of Stratum corneum lipid model systems

Subject Area Biological and Biomimetic Chemistry
Term from 2013 to 2017
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 232323064
 
Final Report Year 2017

Final Report Abstract

Für die im Gemeinschaftprojekt geplanten Untersuchen mittels Neutronenstreuung, 2H-NMR sowie Monoschichtexperimenten war die Darstellung von spezifisch deuterierten und perdeuterierten Ceramiden erforderlich. Die Einführung der Deuteriumatome erfolgte im Fettsäureteil der Ceramidmoleküle, die als Aminoalkoholkomponente Sphingosin, Phytosphingosin sowie Dihydrosphingosin enthielten. Die Kettenlänge der Fettsäuren wurde dabei ebenfalls variiert. Für die Untersuchung der Ceramide [EOS] und [EOP] wurde ein spezifisch deuteriertes Derivat entwickelt, das eine größere Stabilität und leichtere Zugänglichkeit bei gleichem Phasenverhalten im Vergleich zu den natürlichen Verbindungen aufweist. Zusätzlich zu den geplanten Arbeiten wurde ein partiell deuterieres dimeres Ceramid synthetisiert, von dem eine Verbesserung der Barrierefunktion der Haut erwartet wird. In 2H-Festkörper-NMR-Untersuchungen wurden die Struktur und Dynamik sowie das thermotrope Phasenverhalten von ceramidhaltigen Lipidmischungen quantitativ untersucht. Hierzu wurden uns insbesondere deuterierte Lipidspezies von der AG Dobner synthetisiert und zur Verfügung gestellt. Die 2H-NMR-Technik erlaubt es, für jede Komponente des Systems temperaturabhängig den Phasenzustand zu bestimmen. Dabei können die orthorhombische Phase, die Gelphase, die flüssig-kristalline Phase und die isotrope Phase unterschieden und die jeweiligen Phasenanteile quantifiziert werden. In den Untersuchungen zeigte sich, dass die ceramidhaltigen Lipidmischungen meist nicht phasenrein vorliegen, sondern gleichzeitig verschiedene Phasen bilden. Bei niedriger Temperatur, insbesondere bei Hauttemperatur von 32 °C, dominiert für die meisten Lipidmischungen die orthorhombische Phase, jedoch führen Verkürzungen der Kettenlänge einzelner Komponenten der Mischung oder Veränderungen an der Ceramid-Kopfgruppe zu Packungsdefekten, die das Phasenverhalten nachhaltig beeinflussen. In unseren Arbeiten wurde hierzu eine Systematik begonnen, die aber der Untersuchung weiterer Ceramidklassen bedarf. In Kombination mit Molekulardynamik-Simulationen und in Kooperation mit den Daten der Neutronenstreuexperimente der AG Neubert konnten quantitative physikalische Modelle der Struktur des stratum corneums erstellt werden. Quasi-zweidimensionale Ceramid-Monoschichten an der Wasser-Luft Grenzfläche wurden mit einer Palette oberflächensensitiver Messmethoden umfassend untersucht. Die Ceramide Cer[NS], Cer[NP], Cer[AS], Cer[AP] (jeweils zwei C18 Ketten) weisen, wie auch von der AG Huster in 3D Systemen festgestellt, ein komplexes Phasenverhalten mit der Koexistenz verschiedener metastabiler Phasen auf. Die chemische Struktur der Kopfgruppe hat hier einen klaren Einfluss. Die Phytosphingosine (AP und NP) sind dichter gepackt als die entsprechenden Sphingosine (AS und NS). Die Bildung von H-Brückennetzwerken ist dabei entscheidend. Die neuen und sehr interessanten Strukturuntersuchungen an den in der AG Dobner getrennten Diastereomeren sollten weiter verfolgt werden. In zukünftigen Modellen ist der Einsatz der natürlichen D-Form für weitergehende Aussagen zur Haut wichtig. Die Monoschichtuntersuchungen haben sich in Kombination mit den Neutronenexperimenten beim Studium der Wirkung von Penetrationsenhancern als sehr aussagekräftig erwiesen. Die beiden Enhancer Harnstoff und Taurin weisen keine auflockernde Wirkung beim eingesetzten Hautmodell auf. Die Wechselwirkung mit den Ceramid-Kopfgruppen wurde aber nachgewiesen. Die Ergebnisse stützen die Annahme, dass sich beide Enhancer im nativen SC vorrangig im Inneren der Korneozyten anreichern und für eine vermehrte Aufnahme von Wasser sorgen. Der Einfluss von Isopropylmyristat (IPM, Penetrationsenhancer in pharmazeutischen Formulierungen) auf die thermodynamischen und strukturellen Eigenschaften des SC-Lipidmodells (Cer[AP]:Stearinsäure:Cholesterol 1:1:0.7) wurde sowohl in 3D als auch 2D Systemen untersucht. Die Untersuchungen haben klar gezeigt, dass nur eine sehr geringe Menge IPM mit dem SC-Lipidmodell mischbar ist. IPM führt zu einer marginalen Fluidisierung der SC-Modell-Schicht, wird aber bei Kompression zu höheren Lateraldrücken aus der Schicht gedrückt, wie auch im 3D System gezeigt.

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