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Elektronenspinresonanz (ESR)-Spektroskopie

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Methode

Untersuchungen haben gezeigt, dass der Mechanismus der Hautschädigung  durch Luftverschmutzung vor allem auf der Entstehung von freien Radikalen beruht.

Die Elektronenspinresonanz (ESR) -Spektroskopie stellt eine nicht-invasive Methode zur Detektion von Radikalbildung in Gewebe (in vivo, ex vivo)[1-5] und Zellkulturen dar. Freie Radikale können mit dieser Methode quantifiziert und charakterisiert werden [3].

Die Verwendung von sogenannten Spinmarkern erlaubt es,Aussagen über die Radikalentstehung bzw. den endogenen Redox-Zustand zu tätigen. Bei den Spinmarkern werden meistens Nitroxide eingesetzt. Nitroxide sind paramagnetische Spezies, die ein freies, ungepaartes Elektron in der äußeren Hülle besitzen. Diese Eigenschaft führt dazu, dass sie von sich aus ein charakteristisches ESR-Signal liefern, d.h. sie sind ESR-aktiv. Nach Reaktion mit einem Radikal werden sie ESR-inaktiv, d.h. die Intensität des Signals nimmt mit zunehmender Radikalproduktion ab. Zur Untersuchung der Radikalentstehung induziert durch exogene Faktoren, wie z.B. Bestrahlung, Zigarettenrauch kann der Spinmarker PCA (3-(Carboxyl)-2,2,5,5-tetramethyl-1-pyrrolidinyloxy) eingesetzt werden. Aus dem Intensitätenabfall des PCA-Signals über die gemessene Zeit ist eine Quantifizierung von gebildeten Radikalen in der Haut möglich [2-6].

Das Nitroxide 2,2,6,6-Tetramethyl-1-piperidinyloxy (TEMPO) stellt einen typischen Spinmarker für die Untersuchung des antioxidativen Status dar. Sein amphiphiler Charakter ermöglicht die Aufnahme in Zellen, wodurch dieser Spinmarker direkt mit metabolisch produzierten Radikalen und Antioxidantien interagieren kann. Eine Abnahme des ESR-Signals von TEMPO über die Zeit, ermöglicht Aussagen zum Redoxstatus [1].

Sogenannte „Spinfallen“ (Spintraps) werden zur Bestimmung der Radikaltypen verwendet. Die Spinnfalle DMPO (5,5-Dimethyl-1-pyrrolin-N-oxid) kann zur Unterscheidung zwischen reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und Lipidsauerstoffspezies (LOS) in der Haut verwendet werden. Bei Spinfallen ist im Gegensatz zu Spinmarkern zunächst kein ESR-Signal sichtbar. Erst nach Reaktion mit einem Radikal ist ein Signal ersichtlich, das durch Simulation charakterisiert werden kann.  Spinfallen sind derzeit nur ex vivo und in vitro anwendbar [3].

 

Nachweis von
  • Freien Radikalen
  • Untersuchung des antioxidativen Status in Haut/ Zellen
  • Radikaltypen; Unterscheidung zwischen ROS und LOS

 

Geeignet für
  • Untersuchung von Haut, die eine Exposition von z.B. Pollution, Sonnenstrahlung (UV, VIS, NIR) erfahren hat [4, 5]
  • Testung der Wirksamkeit gegen eine erhöhte Radikalproduktion von Anti-Pollution-Produkten im Vergleich zu unbehandelter Haut und anderen Cremeformulierungen
  • Vergleich von systemischer und topischer Applikation von Wirkstoffen auf den antioxidativen Status der Haut

 

Literatur

[1] Lohan SB, Lauer AC, Arndt S, Friedrich A, Tscherch K, Haag SF, Darvin ME, Vollert H, Kleemann A, Gersonde I, Groth N, Lademann J, Rohn S, Meinke MC: Determination of the antioxidant status of the skin by in vivo-electron paramagnetic resonance (epr) spectroscopy. Cosmetics (2015), 2:286-301. https://doi.org/10.3390/cosmetics2030286
[2] Lohan SB, Muller R, Albrecht S, Mink K, Tscherch K, Ismaeel F, Lademann J, Rohn S, Meinke MC: Free radicals induced by sunlight in different spectral regions - in vivo versus ex vivo study. Exp Dermatol (2016), 25:380-385. DOI: 10.1111/exd.12987
[3] Albrecht S, Elpelt A, Kasim C, Reble C, Mundhenk L, Pischon H, Hedtrich S, Witzel C, Lademann J, Zastrow L, Beckers I, Meinke MC: Quantification and characterization of radical production in human, animal and 3D skin models during sun irradiation measured by epr spectroscopy. Free Radic Biol Med (2019), 131:299-308. DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2018.12.022
[4] Albrecht S, Jung S, Muller R, Lademann J, Zuberbier T, Zastrow L, Reble C, Beckers I, Meinke MC: Skin type differences in solar-simulated radiation-induced oxidative stress. Br J Dermatol (2019), 180:597-603. DOI: 10.1111/bjd.17129
[5] S.B. Lohan, K. Buhring, A.C. Lauer, A. Friedrich, J. Lademann, A. Buss, R. Sabat, K. Wolk, M.C. Meinke, Analysis of the Status of the Cutaneous Endogenous and Exogenous Antioxidative System of Smokers and the Short-Term Effect of Defined Smoking Thereon, Antioxidants (Basel), 9 (2020). DOI: 10.3390/antiox9060537
[6] Bielfeldt, S., Jung, K., Laing, S., Moga, A., & Wilhelm, K. P. Anti‐pollution effects of two antioxidants and a chelator—Ex vivo electron spin resonance and in vivo cigarette smoke model assessments in human skin. Skin Research and Technology (2021) https://doi.org/10.1111/srt.13068

Allgemeine ESR und Anwendung:
EPR Spectroscopy: Applications in Chemistry and Biology (Topics in Current Chemistry (Band 321), Hrsg. Malte Drescher, Gunnar Jeschke,  ISBN-13 : 978-3642283468