Struktur der Hautbarriere aufklären

Wissenschaft, MIRA |

Versprechen bei Hautcremes reichen von Abhilfe bei trockener Haut bis hin zu verjüngenden Effekten. Das Schlagwort: Ceramide. Ganz schön viel Verantwortung für eine Molekülgruppe. Doch das ist nicht alles: Sie bilden auch die natürliche Barriere auf der äußersten Hautschicht. Um ihre genaue Funktionsweise zu verstehen, müssen jedoch zuerst die Strukturen besser untersucht werden, in die sich die Lipide auf der Haut anordnen. Neutronenstreuung ist da eine besonders geeignete Methode.

Ceramide gehören zu den Lipiden (aus dem Griechischen: „fettartig“). Das sind Moleküle bestehend aus einer langen Kette von Kohlen- und Wasserstoffatomen. Diese Ketten sind hydrophob, sie lösen sich also ähnlich wie Öl und Fett nicht in Wasser. Bei Ceramiden kommt zusätzlich dazu ein hydrophiler (wasserlöslicher) Teil, der zwei hydrophobe Ketten miteinander verbindet. Durch das Zusammenspiel aus hydrophoben und hydrophilen Teilen können sich mehrere Ceramide selbständig zu größeren Strukturen anordnen.

Dünner Film auf Haut hält Feuchtigkeit
Auf der Haut beispielsweise bilden Ceramide gemeinsam mit anderen Lipiden einen sehr dünnen Film zwischen den Hornzellen der äußersten Hautschicht. Dadurch hindern sie die Feuchtigkeit des Körpers am Verdampfen und gleichzeitig ein Eindringen von Stoffen aus der Umwelt. Feuchtigkeitscremes stellen Ceramide zur Verfügung, wenn die Haut selbst gerade keine liefern kann.

Ausschlaggebend für die Funktionsweise ist die genaue Struktur, in der sich die Ceramide anordnen – eine Fragestellung, die bis heute nicht vollständig beantwortet und unter anderem für die Optimierung von Feuchtigkeitscremes wichtig ist. Denn die Struktur gibt vor, wie sich Wassermoleküle innerhalb des Films anordnen können und damit auch, wie wasserdurchlässig dieser ist.

Neutronen sehen Ceramide besonders gut
Eine Gruppe von Wissenschaftler:innen der Charles Universität in Prag, der Universität für Chemie und Technologie Prag und der Comenius Universität in Bratislava widmete sich genau dieser Fragestellung. Streuexperimente mit Röntgenstrahlen und Neutronen sind dabei die Methoden der Wahl. Aus dem Streumuster lassen sich die Abstände zwischen zwei Schichten, sowie die Anordnung der Ceramide innerhalb einer Schicht ermitteln.

Neutronen haben da einen entscheidenden Vorteil gegenüber Röntgenstrahlen: Sie sind viel empfindlicher auf leichte Atome. Das ist bei Ceramiden besonders wichtig, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen. Hinzu kommt, dass man mit Neutronen leicht zwischen Wasserstoff und Deuterium, dem schweren Wasserstoffisotop, unterscheiden kann. Durch den gezielten Austausch von Wasserstoff mit Deuterium in der Probe kann man zusätzliche Informationen über die Struktur gewinnen.

Jungfernfahrt für MIRA in Biofilmmessungen
Gemessen haben die Wissenschaftler:innen ihre Proben am MIRA der Technischen Universität München am MLZ. „Das war für uns das erste Mal, dass wir mit unserem Instrument eine solche Messung durchgeführt haben“, sagt Dr. Robert Georgii, Instrumentverantwortlicher an MIRA. „Ein Grund dafür, dass das so gut funktioniert hat, ist der sehr geringe Untergrund, bei dem wir unsere Messungen durchführen können“, fährt er fort. „Denn wir sind weit genug vom Reaktorkern entfernt, dass sich keine Hintergrundneutronen in unseren Detektor verirren. Außerdem sorgt der Aufbau als Dreiachsenspektrometer dafür, dass wir nur die Neutronen detektieren, die auch wirklich zur Messung beitragen.“

Mit dieser gewonnenen Expertise sollen in Zukunft also weitere solche Experimente folgen. Diese werden jedoch an MIRAs Nachfolger LaDiff durchgeführt, das sich zurzeit am ehemaligen Platz von MIRA aufgebaut wird.

Strukturen abhängig von Temperatur
Auch die Gastwissenschaftler*innen aus Tschechien sind zufrieden mit den Ergebnissen. Mithilfe der Röntgenmessung konnten sie zeigen, dass sich die Ceramide in zwei verschiedene Strukturen anordnen können, der so genannten „short lamellar phase“ (SLP) und der „medium lamellar phase“ (MLP). Welche der beiden angenommen wird, hängt von den Umgebungsbedingungen ab und insbesondere von der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit.

Plausibles Modell für Anordnung
„Das ist das erste Mal, dass mit Neutronenstreuung die MLP Phase gemessen und Ergebnisse dazu veröffentlicht wurden. Dank der Neutronen konnten wir zusätzliche Informationen über die Wasserverteilung innerhalb der MLP Wiederholeinheit erhalten“, sagt die Hauptautorin der Arbeit, Petra Pullmannová von der Charles Universität in Prag. Die Wiederholeinheit in einer langen Molekülkette ist der kleinste sich wiederholende Baustein „Diese Messungen waren sehr anspruchsvoll, denn die Wiederholeinheiten in dieser Struktur sind vergleichsweise groß. Alles in Allem konnten wir ein plausibles Modell für die Anordnung der Moleküle vorschlagen und verstehen damit besser, wie Ceramide funktionieren“, fährt Petra Pullmannová fort.

Originalpublikation:
Petra Pullmannová, Barbora A. Čuříková-Kindlová, Veronika Ondrejčeková, Andrej Kováčik, Kristýna Dvořáková, Lucia Dulanská, Robert Georgii, Adam Majcher, Jaroslav Maixner, Norbert Kučerka, Jarmila Zbytovská, and Kateřina Vávrová:
Polymorphism, Nanostructures, and Barrier Properties of Ceramide-Based Lipid Films
ACS Omega 2023 8 (1), 422-435
https://doi.org/10.1021/acsomega.2c04924

Weitere Informationen:

Skin Barrier Research Group:
https://portal.faf.cuni.cz/Groups/Skin-barrier-research-group/

Universität für Chemie und Technologie Prag – Fakultät für chemische Technologien:
https://www.vscht.cz/?jazyk=en

Comenius Universität in Bratislava – Fakultät für Pharmazie:
https://www.fpharm.uniba.sk/en/