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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-25952
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2005/2595/


Untersuchung oxidativer Prozesse anhand induzierter ultraschwacher Photonenemission (UPE) : Anwendung für dermatologische und kosmetische Fragestellungen

Khabiri, Faryar

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SWD-Schlagwörter: Chemilumineszenz
Freie Schlagwörter (Deutsch): Reactive oxygen species (ROS) , Tryptophan-Phosphoreszenz , ultraschwache Photonenemission , UV-Strahlung , Humanhaut
Freie Schlagwörter (Englisch): Reactive oxygen species (ROS) , tryptophan phosphorescence , ultraweak photon emission , UV rays , human skin
Basisklassifikation: 42.12 , 35.74
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Duchstein, Hans-Jürgen (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.07.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 07.09.2005
Kurzfassung auf Deutsch: In den vergangenen Jahren hat die Bedeutung von freien Radikalen und oxidativen Stresses auf die menschliche Haut in der dermatologischen und kosmetischen Forschung einen immer größeren Stellenwert errungen. Besonderes Interesse gilt dabei den Umweltnoxen wie UV-Strahlung, Ozon oder Luftverschmutzung, welche einen schädigenden Einfluss auf die Haut haben und den Möglichkeiten der Prävention durch Unterstützung hauteigener Schutzmechanismen.
In vivo Studien dieser Arbeit machen deutlich, dass sich die Messung der induzierten ultraschwachen Photonenemission (ultraweak photon emission, UPE) – eine einfache nicht invasive Technik – speziell zur Beurteilung der Wirksamkeit topisch applizierter Antioxidantien auf Humanhaut eignet. Es konnte sowohl eine deutliche Erhöhung der UPE nach Exposition der Haut mit relevanten Stressoren wie UVA Strahlung, Ozon und Benzolyperoxid beobachtet, als auch die Schutzwirkung von Antioxidation, über die Reduktion der induzierten UPE, aufgezeigt werden.
Untersuchungen an Schweinehaut zeigen zudem, dass auch oxidative Prozesse tieferer Hautschichten mit Hilfe der UPE-Messung erfasst werden können. So konnte eine Beteiligung innerer Hautschichten an der Gesamtintensität der UPE bei der UVA induzierten UPE (UPEUVA) nachgewiesen werden.
In vitro Untersuchungen zeigen eine klare Beziehung zwischen der Emission von Photonen und der oxidativen Modifikation von Bovinem Serum Albumin (BSA) bzw. einzelner Aminosäuren (AS). Dieser Befund ließ sich durch Erfassung des oxidativen Stoffumsatzes mittels der Bestimmung von Oxidationsmarkern – wie Carbonylverbindung und anderen Oxidationsprodukten – eindeutig nachweisen. Zusätzlich stellte sich die UPE-Messung als eine besonders empfindliche Methode zur Bestimmung oxidativer Prozesse heraus.
Für die Emission von Photonen nach oxidativer Modifikation von BSA ließen sich die Aminosäuren Phenylalanin, Cystein, Histidin und Tryptophan identifizieren. Untersuchungen der spektralen Verteilung der UPE zeigen, dass Tryptophan eine Schlüsselstellung einzunehmen scheint. Ein Vergleich des UPE-Spektrums einzelner Aminosäuren mit der von kombinierten Aminosäuren zeigt, dass Tryptophan nicht nur durch oxidative Modifikation, sondern möglicherweise auch über Energietransfer durch andere angeregte Spezies zur Emission von Photonen in der Lage ist (Typ II-Mechanismus). Gerade für komplexere Systeme wie der Haut hätte dies zur Folge, dass spektrale Unterschiede möglicherweise durch Energietransfer auf Tryptophan nivelliert werden und somit eine Identifizierung einzelner Prozesse – aus der spektral aufgelösten UPE – nicht möglich ist.
UV-Strahlung, als wichtigster Einflussfaktor für die umweltbedingte Hautalterung, wurde hinsichtlich der UPE generierenden Mechanismen näher untersucht. Es stellte sich heraus, dass das Abklingverhalten der UPEUV bzw. der UPEUVA nicht einheitlich auf die untersuchten Einflussfaktoren (UV-Dosis, Sauerstoffgehalt, Hautfeuchtigkeit und Hauttemperatur) reagiert. Die Datenlage lässt den Schluss zu, dass die Abklingkurve der UPEUV bzw. der UPEUVA ein Summensignal – aus mehreren Reaktionen mit unterschiedlichen Kinetiken – darstellt. In Phase 1 der Abklingkurve (ca. 20 s nach Bestrahlung) dominieren höchstwahrscheinlich Phosphoreszenzerscheinungen, mit einer schnellen Abklingkinetik, die Intensität der UPE. In Phase 2 (ab der 20. Sekunde nach Bestrahlung) weist die Wirkung der untersuchten Einflussfaktoren auf die Beteiligung von Radikalprozessen hin, die mit einer deutlichen langsameren Abklingkinetik zur Generierung der UPE beitragen.
Kurzfassung auf Englisch: In recent years, dermatological and cosmetic research has put increased emphasis on free radicals and oxidative stress on human skin. Special interest has been taken in environmental noxa such as UV-radiation, ozone or polluted air, which have a damaging impact on skin, and on the chances of prevention by supporting the skin's own protective mechanisms.
In vivo studies of this work clearly show that the measurement of the induced ultraweak photon emission (UPE)  a simple, non-invasive technique  is particularly suited to assess the effectiveness of topically applied antioxidants on human skin. A clear increase in UPE after exposition of the skin to relevant stressors such as UV- radiation, ozone and benzoly peroxide and further, the protective effect of antioxidants, via a reduction of induced UPE, were observed.
Examinations of pig skin further demonstrate that oxidative processes of deeper skin layers can also be covered through UPE measurements. It was proven that inner skin layers are involved in the overall UPE intensity in the UVA induced UPE (UPEUVA).
In vitro examinations show that there is a clear connection between the emission of photons and the oxidative modification of bovine serum albumin (BSA) or individual amino acids respectively. This finding could be proven by measuring the oxidative conversion via a determination of oxidation markers such as carbonyl compounds and other oxidation products. Further, the UPE measurement was found to be a particularly sensitive method to ascertain oxidative processes.
For the emission of photons after oxidative modification of BSA the amino acids phenylalanine, cysteine, histidine and tryptophan could be identified. Examinations of the UPE's spectral distribution show that tryptophan seems to be a key factor. A comparison of the UPE spectrum of individual amino acids with the spectrum of combined amino acids shows that tryptophan is not only able to emit photons through oxidative modification, but also via energy transfer through other stimulated species (type II - mechanism). Particularly for complex systems such as skin this would mean that it might be possible to level spectral differences by energy transfer to tryptophan, and that therefore an identification of individual processes - within the spectrally dissolved UPE - is not possible.
UV-radiation, being the most important factor for an environmentally induced aging of the skin, was more closely examined as to its UPE generating mechanisms. It was found that the fall-off behaviour of UPEuv or UPEUVA respectively does not react uniformly to the influencing factors examined (UV dose, oxygen content, skin moisture and skin temperature). The data found admit the conclusion that the UPEuv's or UPEUVA’s fall-off curve forms a cumulative signal consisting of several reactions with differing kinetics. In phase 1 of the fall-off curve (approx. 20 s after exposure to radiation) phosphorescence phenomena, with a quick fall-off kinetic, probably dominate the UPE's intensity. In phase 2 (starting with the 20th second after exposure to radiation) the effect of the examined influencing factors suggests the participation of radical processes, which contribute to the generation of UPE with significantly slower fall-off kinetics.

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