Anti-Pollution Matrix – Schädigung – Molekular – Oxidativer Stress

Oxidativer Stress

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Erklärung

Generell äußert sich oxidativer Stress durch eine erhöhte Konzentration von freien Radikalen im Organismus und daraus resultierend in einem Ungleichgewicht zwischen dem antioxidativen Abwehrsystem des Körpers und reaktiven Metaboliten. Bei den entstehenden freien Radikalen handelt es sich in den meisten Fällen um Sauerstoffradikale (reactive oxygen species, ROS). Hierzu zählen u.a. Super­oxidanion­radikale (O2-), Hydroxylradikale (OH-), Wasserstoffperoxid (H2O2) und Singulett-Sauerstoff (1O2). Aber auch reaktive Stickstoffspezies (reactive nitrogen species, RNS), die Lipidperoxidationsreaktionskaskaden fördern und zu Entzündungsreaktionen führen können, zählen dazu [1, 2]. Es wurde vielfach gezeigt, dass verschiedene Arten von Verschmutzung, wie, Feinstaub, Russ etc. aber auch Sonnenlicht zu erhöhtem oxidativem Stress in der Haut und ihren Zellen führen.

 

Auswirkung für die Haut

Kommt es zu einer übermäßigen Radikalbildung z.B. durch Sonnenexposition oder Luftschadstoffe, kann es zu einer verstärkten Oxidation von Zellbestandteilen wie Membranen, Lipiden, Proteinen und Nukleinsäuren kommen, wodurch Zell- und Gewebsschädigungen (Entzündungen) begünstigt werden.

UV-Strahlung dringt in die Haut ein und kann dort die Produktion von ROS induzieren. Darüber hinaus können einige Schadstoffe an der Oberfläche oder in der Haut die Produktion von ROS  induzieren. Die Kombination von UV-Strahlung und Schadstoffen kann die biochemischen und klinischen Auswirkungen von Luftschadstoffen verstärken [3].

ROS können jedes Molekül oder jede zelluläre Struktur angreifen. Die oxidative Schädigung der DNA führt zu einer Vielzahl von modifizierten Purin- und Pyrimidin-Basen. Die Purinbase Guanin ist auf Grund ihres niedrigen Ionisierungspotenzials die instabilste Base und damit der Hauptangriffspunkt für Sauerstoffradikale. In Gegenwart von ROS wird bevorzugt das Kohlenstoffatom in der C8-Position des Guanins hydroxyliert und es entsteht 8-Oxo-2´-deoxyguanosin (8-OxodG). Pollution schädigt nicht nur die Schleimhaut in der Lunge, sondern auch die Haut. Dies fördert die Entstehung von oxidativem Stress in der Haut, wodurch vorzeitige Hautalterung (Veränderung des Kollagen-Elastin-Gehaltes in der Haut), Schädigungen der Hautbarriere, Pigmentstörungen und Zellschädigungen durch freie Radikale die Folgen sind. Des weiteren werden Veränderungen des Hautmikrobioms zugunsten pathogener Erreger begünstigt, es kommt zu einer veränderten Talgproduktion und auch der pH-Wert der Haut weicht vom Normbereich ab [2,4].

 

Maßnahmen

Um Schäden, die durch ROS verursacht werden können, besser zu kontrollieren und zu minimieren, steht den freien Radikalen das antioxidative Schutzsystem der Haut gegenüber, das aus enzymatischen und nicht-enzymatischen Antioxidantien (AO) besteht. Diese können entweder endogener (von der Haut selbst produziert) oder exogener Natur (mit der Nahrung oder topisch mit Cremes zugeführt) sein. Wichte AO in der Hautpflege sind Vitamine wie beispielsweise Vitamin E und Vitamin C sowie Derivate davon. [2]. Weiter enthalten auch natürliche Extrakte zum Beispiel von Pflanzen oder Algen eine Vielzahl von Molekülen mit antioxidativer Wirkung.

Um schädlichen Umwelteinflüssen entgegenzuwirken, sind in den letzten Jahren vermehrt Hautpflegeprodukte mit Anti-Pollution-Wirkung auf dem kosmetischen Markt erschienen,. Solche Produkte sollen das Risiko von u.a. frühzeitiger Hautalterung, Pigmentflecken und Hautirritationen reduzieren und die Haut in ihrer Schutzwirkung gegen die Entstehung von freien Radikalen (ROS) unterstützen [5].

 

Nachweismethoden der Auswirkungen

Es stehen verschiedene Nachweismethoden für die Detektion von freien Radikalen/ ROS zur Verfügung.

Die Elektronenspin-Resonanz (ESR)-Spektroskopie ist eine empfindliche nicht-invasive Methode zum Nachweis von Radikalbildung im Gewebe (in vivo/ex vivo) und auch in Zellen. Der Einsatz verschiedener ESR-Sonden erlaubt die Quantifizierung und Charakterisierung von Radikalen, u.a. nach Sonnenexposition.

Zudem gibt es viele fluoreszenzbasierte Methoden, mit denen die gesamte ROS-Konzentration in Gewebe/ Zellkultur nachgewiesen werden kann; aber auch der Nachweis von spezifischen Oxidationsprodukten verschiedener Zellkomponenten ist möglich, wie z.B. DNA-Komponenten (Comet-Assay) oder oxidierter Lipide und Proteine. Diese Nachweismethoden basieren auf der Erkennung fluorogener Verbindungen durch die Verwendung der Fluoreszenzspektroskopie, die leicht durch die Lichtstreuungseigenschaften der untersuchten Subjekte beeinflusst werden kann, was zu Fehlinterpretationen und falschen Ergebnissen führen kann.

Zum Nachweis von oxidativem Stress dient ebenfalls der DCF-Assay. Hierbei wird die Oxidation von 2 ', 7'-Dichlorfluorescindiacetat (DCF-DA) zu der fluoreszierenden Verbindung 2', 7 'Dichlorfluorescein (DCF) aufgrund des Vorhandenseins reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) nachgewiesen.

 

Literatur

[1] H. Sies, Oxidative stress: a concept in redox biology and medicine, Redox Biol, 4 (2015) 180-183, doi: 10.1016/j.redox.2015.01.002
[2] M. Valko, D. Leibfritz, J. Moncol, M.T. Cronin, M. Mazur, J. Telser, Free radicals and antioxidants in normal physiological functions and human disease, Int J Biochem Cell Biol, 39 (2007) 44-84, DOI: 10.1016/j.biocel.2006.07.001
[3] E. Araviiskaia, E. Berardesca, T. Bieber, G. Gontijo, M. Sanchez Viera, L. Marrot, B. Chuberre, B. Dreno, The impact of airborne pollution on skin, J Eur Acad Dermatol Venereol, 33 (2019) 1496-1505, DOI: 10.1111/jdv.15583
[4] J Rembiesa, T Ruzgas, J Engblom, A Holefors, The impact of pollution on skin and proper efficacy testing for anti-pollution claims, Cosmetics, (2018) 5 1-9, https://doi.org/10.3390/cosmetics5010004
[5] M Portugal-Cohen, M Oron, D Cohen, Z Ma'or Z, Antipollution skin protection - a new paradigm and its demonstration on two active compounds. Clin Cosmet Investi, 10 (2017)185-193, doi: 10.2147/CCID.S129437