Determining Factors of Skin Colouration : A Light and Electron Microscopic Study of the Distribution of Melanin and Its Degradation in the Human Epidermis

Abstract

The colour of the human skin is predominantly determined by the present quantity of the pigment melanin and its epidermal distribution patterns. The subtype of melanin plays a subordinate role, as eumelanin polymers constitute the major component of melanin particles in all skin phenotypes, with the sole exception of Fitzpatrick’ skin phototype I, where pheomelanin accounts for one fifth of the total melanin content. Melanin is synthesized by dendritic cell, the melanocytes, located in the basal layer of the epidermis, in specialized organelles, so-called melanosomes. These melanosomes are transferred to the surrounding keratinocytes, providing – among other functions – protection against UV light by scattering and absorption interactions with the incident light. Within the keratinocytes, the melanosomes are either distributed individually or agglomerated into clusters. This dispersal is governed by the mode of transfer from melanocyte to keratinocyte. Electron microscopic evidence gathered in this study indicates multiple co-existing modes of transfer, most likely involving exocytosis from the melanocytes, resulting in melanosomes free of surrounding membranes in the intercellular space, that are immediately internalized by adjacent keratinocytes via phagocytic processes. In all skin types, the largest amount of melanosomes is observed in the Stratum basale, with gradually decreasing numbers toward the Stratum corneum, where no or only few melanosomes are left. The underlying degradation process is based on the oxidative breakdown of the biopolymer melanin by hydrogen peroxide, arising from superoxide anion produced via the membrane-associated enzyme complex NADPH oxidase, and the involvement of this enzyme in melanin degradation is demonstrated in this project. The darker the skin, the larger the constitutional amount of melanosomes in the Stratum basale. And as the degradation process is equally efficient in all skin types, this leads to an accumulation of melanosomes in the upper epidermal layers of dark skin types, as more melanosomes reach the Stratum corneum. This influences the perception of the skin colour, since incident light is already absorbed and/or diffusely scattered in the upper epidermal layers, resulting in a darker appearance than experienced for skin with lower melanosome content. Hence Caucasian skin, containing only small amounts of melanosomes is perceived as white, while Negroid skin with considerably higher melanosome content is experienced as dark brown-to-black. In contrast, the outward appearance of age spots and freckles is determined by the association of melanosomes into clusters, while maintaining high levels of melanosomes throughout all epidermal layers. As a consequence, the lesion is experienced as a dark spot compared to its surroundings.

Die menschliche Hautfarbe wird im Wesentlichen von der Menge des vorhandenen Pigmentes Melanin, sowie seiner Verteilung in der Epidermis beeinflusst. Die Unterart des Melanins spielt dabei eine untergeordnete Rolle, da das in der Epidermis vorkommende Melanin zu einem Großteil aus den Polymeren des Eumelanins gebildet wird. Dies gilt für alle Hauttypen, mit der Ausnahme des Phototyps I, in dem das Phäomelanin ein Fünftel des gesamten Melaningehaltes ausmacht. Melanin wird von dendritischen Zellen, den Melanozyten, die in der Basalschicht der Epidermis ansässig sind, in spezialisierten Organellen, den so genannten Melanosomen gebildet. Die Melanosomen werden an die benachbarten Keratinozyten abgegeben, wo sie u.a. eine Schutzfunktion gegen UV Strahlung übernehmen, indem sie das einfallende Licht streuen und absorbieren. Innerhalb der Keratinozyten liegen die Melanosomen entweder als einzelne Partikel vor oder sind zu Clustern zusammengefasst. Dieses Verteilungsmuster wird von der Art des Transfers von den Melanozyten zu den Keratinozyten bestimmt. Elektronenmikroskopische Untersuchungen haben gezeigt, dass vermutlich mehrere verschiedene Transfermechanismen parallel existieren. Am wahrscheinlichsten ist jedoch die exozytotische Abgabe der Melanosomen in den Interzellularraum, wo sie als membranfreie Partikel vorliegen und sofort von den benachbarten Keratinozyten über Phagozytose aufgenommen werden. In allen Hauttypen wird die größte Konzentration an Melanosomen im Stratum basale beobachtet. Zu den oberen Epidermisschichten nimmt der Melanosomengehalt ab, wobei im Stratum corneum fast keine oder nur sehr wenige Melanosomen festzustellen sind. Der hier zugrunde liegende Abbaumechanismus basiert auf der oxidativen Zersetzung des Biopolymers Melanin durch Wasserstoffperoxid. Dieses entsteht intrazellulär aus Superoxid Anion, das von dem membranständigen Enzymkomplex NADPH Oxidase gebildet wird. Die Beteiligung dieses Enzymkomplexes am Abbau von Melanin konnte in diesem Projekt gezeigt werden. Je dunkler die Haut, desto mehr Melanosomen sind in den tiefen Schichten der Epidermis vorhanden. Da die Melanosomen in allen Hauttypen gleich stark abgebaut werden, die Ausgangsbasis jedoch unterschiedlich ist, erreichen in dunklerer Haut mehr Melanosomen die oberen Epidermisschichten. Diese Anreicherung beeinflusst die Wahrnehmung der Hautfarbe dahingehend, dass einstrahlendes Licht bereits in höheren Epidermisschichten gestreut und absorbiert wird, was zu einer dunkleren Erscheinung führt, als es bei Hauttypen mit einem geringeren Melanosomengehalt in den oberen Schichten der Epidermis der Fall ist. Daher erscheint Kaukasische Haut, die einen geringen Melanosomengehalt aufweist, hell, während Negroide Haut mit einem deutlich höheren Anteil an Melanosomen als dunkel empfunden wird. Ungleich anders verhält es sich in Altersflecken und Sommersprossen, hier bestimmt die Assoziation von Melanosomen zu kleinen Aggregaten, bei relativ hohem Melanosomengehalt in allen Schichten der Epidermis, den Farbunterschied zw. hellen Hautstellen und den dunklen Hautflecken.