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Untersuchung der grundlegenden Mechanismen von blaulicht-induzierten biologischen Effekten in Haut und Hautzellen

Fachliche Zuordnung Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Förderung Förderung von 2018 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403583563
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Bisherige Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Blaulicht sowohl positive als auch negative Effekte auf die Haut haben könnte. Zudem kann Blaulicht antibakteriell wirken. Hautfbibroblasten sind Zellen, die für eine normale Funktion und Aufbau der Haut eine wichtige Rolle spielen. Zum Beispiel werden in der Wundheilung Fibroblasten durch einen Wachstumsfaktor (TGF-β) aktiviert und zu Myofibroblasten differenziert, daher sie ändern ihr Aussehen und Funktion. Diese Myofibroblasten bilden ein neues Netzwerk im Wundbereich und können die Wundränder zusammenziehen. Eine Fehlregulation und Überaktivität dieser Zellen führt oft zu verstärkter Narbenbildung. Aus diesem Grund untersuchten wir mit welcher Wellenlänge, Dosis und Intensität Blaulicht, die Umwandlung von Fibroblasten in Myofibroblasten hemmen kann und welche Veränderungen Blaulicht auf die Genexpression mit sich bringt, um mögliche Blaulicht-basierte Therapieoptionen oder präventive Maßnahmen gegen bestimmte Hautprobleme ableiten zu können. Blaulicht kann, abhängig von Dosis und Wellenlänge, eine toxische Wirkung auf Fibroblasten haben. Blaulicht mit einer Wellenlänge von 420 nm zeigte die stärkste Beeinträchtigung von Vitalität und Zellteilung. Selbst eine niedrige Dosis von 20 J/cm² konnte die Zellteilung ohne sichtbare Toxizität vollständig hemmen und erhöhte die Genexpression des Leucin-rich repeat containing Protein 32 signifikant, einen Schlüsselregulator des TGF-β. Nach wiederholter Blaulicht-Bestrahlung mit/ohne Zugabe von TGF-β sind etwa 300 Gene signifikant verändert. Viele runterregulierte Gene sind an Zellteilung/Mitose beteiligt, was mit der beobachteten Hemmung der Zellteilung korreliert. Unter den hochregulierten Genen befinden sich solche für Proteine mit verschiedenen biologischen Funktionen, darunter Wachstumsfaktoren, Rezeptoren, Integrine und Proteasen. Besonders das Ketimine reductase mu-crystallin (CRYM) zeigt eine 117-fache Erhöhung durch Blaulicht und kann die intrazelluläre Konzentration von Triiodothyronin (T3) regulieren. Bei Zugabe von TGF-β sind insbesondere das Putative Pregnancy-specific beta-1-Glycoprotein 7 (100x) sowie Bone morphogenetic protein 2 (60x) stark erhöht, deren Rolle in der Hautphysiologie und Photobiologie jedoch wenig erforscht ist. Blaulicht, selbst in geringen Dosen, kann die Zellphysiologie erheblich beeinflussen. Neben der Zellteilung- und Differenzierungshemmung wurde durch Blaulicht (420 und 455 nm) eine Reduzierung der intrazellulären ATP- Konzentration, was einen Energiemangel verursacht, und eine Hemmung eines Enzyms gegen oxidativen Stress (Katalase) beobachtet. Die beobachteten Effekte könnten möglicherweise durch Blaulicht-induzierten oxidativen Stress gefolgt von mitochondrialer Dysfunktion vermittelt werden. Im Zuge des Projekts wurde auch die antibakterielle Effektivität des Blaulichts untersucht, die insbesondere bei der Behandlung/Vorbeugung von Wundinfektionen und chronischen Wunden eine hohe klinische Relevanz hat. Kurzwelliges Blaulicht (420 nm) und längerwelliges Blaulicht (455 nm) zeigten antimikrobielle Eigenschaften gegen verschiedene Keime, insbesondere gegen Pseudomonas aeruginosa, der insbesondere bei Verbrennungswunden zu lebensbedrohlichen Infektionen führt. Da Blaulicht mit 420 nm möglicherweise toxisch für menschliche Hautfibroblasten sein kann, wurde der mögliche Einsatz von nicht-toxischen Blaulicht mit 455 nm überprüft. Hier zeigte sich, dass erst ab einer gewissen Intensität (40 mW/cm²) ausreichende antimikrobielle Wirksamkeit erreicht wurde. Dennoch ist die notwendige Behandlungszeit für den klinischen Einsatz mit 1-2 Stunden zu lang. Experimente mit höherer Intensität (300 mW/cm²) und kürzerer Bestrahlungszeit (30 Minuten) zeigten vergleichbare Ergebnisse, aber die dabei entstehende Wärme erforderte eine aufwendige Kühlung der Haut. Dieses Projekt identifizierte interessante Effekte und Kandidatengene, von denen bisherige Beteiligungen an photobiologischen Prozessen unbekannt waren, und ist so eine wichtige Grundlage für zukünftige Studien. Eine Blaulichttherapie hat Potenzial bei der Bekämpfung von übermäßiger Narbenbildung und bakterieller Infektionen in Wunden. Allerdings sollten potenzielle toxische Effekte berücksichtigt werden, da sie die Wundheilung beeinträchtigen könnten. Die Ergebnisse weisen auch darauf hin, das Blaulicht auch einen möglich fördernden Einfluss auf die Hautalterung haben könnte. Die signifikanten Auswirkungen auf Fibroblasten machen eine Blaulichttherapie aber auch für die Krebstherapie interessant, da häufig bei der Tumorbildung Fibroblasten eine unterstützende Rolle haben können. In diesem Kontext sind weitere wissenschaftliche und klinische Studien notwendig, um das therapeutische Potential auszuloten und weitere zugrundeliegende Mechanismen zu identifizieren.

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