Skin hydration - How water and osmolytes influence biophysical properties of stratum corneum

Abstract

The outermost layer of skin (i.e., the stratum corneum, SC) is the interface that separates the water-rich inside of the body from the relatively dry external environment. SC forms an effective permeability barrier, which has to be overcome in transdermal drug delivery. Its function as a barrier for molecular diffusion depends on the SC molecular structure and phase behavior. Both structure and phase behavior may be altered, for example, by hydration or addition of other solutes, which affects the barrier properties.



This thesis explores the interplay between molecular properties of SC components and the macroscopic properties of the SC membrane. We investigate the influence of hydration on SC permeability at steady state by using an in vitro set-up where the boundary conditions are controlled by the water activity in the solutions in contact with the skin membrane. Changes of macroscopic properties are rationalized by employing techniques that provide information on SC molecular organization and molecular dynamics.



We show that SC hydration leads to increased SC permeability, which is attributed to a higher fraction of fluid SC molecular components with lower diffusional resistance. This can have implications, for example, in transdermal delivery applications where it is desirable to increase the amount of drug delivered across the skin barrier to reach therapeutic effect.



We show that common so-called moisturizers, like glycerol and urea, can be used to retain high SC permeability under dehydrating conditions. This effect is ascribed to the capability of these small polar molecules to maintain the SC molecular properties in a state that is similar to a more hydrated SC membrane at reduced hydration conditions. This result provides a deeper understanding of the beneficial effect of moisturizers in treatment of dry skin conditions and challenges the view that moisturizers, like glycerol and urea, are beneficial for skin health by merely increasing the SC hydration.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hudens fuktighet kan påverkas av många faktorer så som torr luft, ett varmt bad, användning av diskhandskar eller plåster, osv. Men hur påverkas hudbarriären av förändringarna av de yttre förhållandena? Frågan är särskilt relevant i situationer då läkemedel läggs på huden eftersom detta, i de flesta fall, för med sig en förändring av de yttre villkoren som kan påverka barriärens egenskaper.



I denna avhandling undersöker vi samspelet mellan omställningar i den yttre miljön och förändringar av hudbarriärens egenskaper. Huvudsakligen fokuserar vi på vad som händer med barriäregenskaperna när omgivningen förändras från torra till blöta förhållanden. För att definiera vad som menas med torrt eller blött använder vi oss av termen vattenaktivitet, vilken mäts på en skala från 0 (helt torrt) till 1 (rent vatten, dvs. blött). Mer specifikt har vi studerat läkemedelstransport över hudbarriären och hur transport av olika läkemedel beror på omgivningens vattenaktivitet. Vi har även utforskat hur närvaro av små molekyler så som urea och glycerol påverkar läkemedelstransport över huden när omgivningens vattenaktivitet ändras. Dessa substanser är relevanta eftersom de finns naturligt i hudbarriären och

även som komponenter i vanliga hudkrämer.



Att få in läkemedel i kroppen via huden är attraktivt, bland annat därför att nedbrytning av den aktiva substansen i detta fall är lägre jämfört med till exempel transport via mag- och tarmkanalen. Trots detta finns det få läkemedel som utnyttjar denna transportväg och förklaringen ligger i att huden utgör en nästan ogenomtränglig barriär mot transport av läkemedel och andra molekyler.



Hudbarriären försäkrar att vi har goda förutsättningar att upprätthålla vår vattenbalans och skyddar mot att farliga kemikalier ska nå kroppen. Barriären finns i den yttersta delen av överhuden som kallas hornlagret (eng. stratum corneum). Hornlagret är ungefär 10 gånger tunnare än ett vanligt pappersark vilket leder till frågan: Hur kan ett så tunt membran utgöra en nästan ogenomsläpplig barriär?



Svaret ligger i hornlagrets uppbyggnad som kan liknas vid en tegelvägg. Tegelstenarna motsvarar döda celler som innehåller hornämne (keratin, trådbildande proteiner) och omges av fettmolekyler som motsvarar det sammanhängande murbruket. Vi fortsätter vår liknelse och tänker oss att en

vattenmolekyl eller ett läkemedel ska färdas mellan marken och taknocken av en tegelfasad. Detta innebär att molekylen måste transporteras genom murbruket, men kan i princip undvika tegelstenarna genom att snirkla sig fram genom murbruket. Rådande hypotes är att den kontinuerliga fettfasen, bestående av ordnade och fasta fettmolekyler, till största del ansvarar för hudens barriär. Men

vad händer med hornlagrets protein- och fettmolekyler när omgivningens vattenaktivitet förändras och hur påverkar det transport av olika molekyler genom barriären?



I tre artiklar behandlar vi denna fråga utifrån olika perspektiv. Vi visar att man kan reglera hudbarriärens genomsläpplighet för läkemedel genom att justera vattenaktiviteten i omgivningen; en blöt omgivning leder till ökad läkemedelstransport och vice versa. Vi bidrar till ökad förståelse av de underliggande molekylära förändringarna av hudbarriären, som ytterst avgör barriärens genomsläpplighet för läkemedel. Med experiment baserade på kärnmagnetisk resonans (NMR) har vi kartlagt de dynamiska egenskaperna hos hornlagrets protein- och fettkomponenter. Med hjälp av röntgendiffraktion har vi

fått en bild av hur den molekylära strukturen påverkas. Sammantaget visar vi att hornlagrets struktur är relativt opåverkad av omgivningens vattenaktivitet. Däremot påverkas andelen rörliga protein- och fettmolekyler när omgivningens vattenaktivitet förändras; en blöt omgivning leder till fler rörliga molekyler med högre genomsläpplighet och vice versa. Våra resultat bidrar till en molekylär

förklaring till varför hudbarriären är mer genomsläpplig när omgivningen är blöt och omvänt mindre genomsläpplig i en torrare miljö. I praktiken kan resultaten ha konsekvenser för hur man väljer att utforma läkemedelsformuleringar avsedda för att antingen nå det systemiska blodomloppet eller i situationer när man vill behandla huden lokalt och eventuellt minimera transporten genom hornlagret.



I två artiklar visar vi att urea och glycerol kan användas för att öka hudbarriärens genomsläpplighet för läkemedel vid låga vattenaktiviteter. En relativt torr omgivning med närvaro av urea eller glycerol leder till likartat högt läkemedelsflöde över barriären som när omgivningen är blöt. Detta resultat kan relateras till att glycerol och urea bevarar hornlagrets struktur vid lägre vattenaktiviteter, sett utifrån röntgendiffraktion. Vi visar även att glycerol och urea kan bibehålla samma dynamiska egenskaper av protein- och lipidkomponenterna vid torra förhållanden som samma komponenter har vid fuktiga förhållanden. En viktig slutsats är att glycerol och urea kan användas för att öka hudbarriärens genomsläpplighet i torra förhållanden där vatten avdunstar medan dessa molekyler inte gör så. Studierna

belyser även en annan viktig aspekt, nämligen att glycerol och urea inte nödvändigtvis ökar hudens fuktighet utan snarare bevarar den fuktiga hudbarriärens dynamiska egenskaper i torra förhållanden.



Slutligen har vi utvecklat en mätmetod för att bestämma vattenaktiviteten i lösningar eller fasta material vilken vi visar vara särskilt känslig för höga vattenaktiviteter där mer konventionella metoder tappar sin säkerhet. Metoden har använts för att fastställa vattenaktiviteten i våra olika läkemedelsformuleringar och ytterst säkerställa att vi har väldefinierade förhållanden med avseende på

vattenaktiviteten i våra studier av läkemedelstransport över hudbarriären.

• author: Björklund, Sebastian
• supervisor: Emma Sparr; Johan Engblom; Krister Thuresson
• opponent: Professor Thewalt, Jenifer, Department of Physics, Simon Fraser University, Vancouver, Canada.
• organization: Physical Chemistry
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Chemistry
• keywords: Stratum corneum, diffusive transport, permeability, flow-through cell, Franz cell, transdermal drug delivery, water activity, vapor pressure, osmotic gradient, relative humidity, ceramide, free fatty acid, cholesterol, keratin filaments, natural moisturizing factor (NMF), urea, glycerol, molecular mobility, 13C natural-abundance solid-state NMR, polarization transfer, isothermal calorimetry, impedance spectroscopy, X-ray diffraction
• pages: 188 pages
• defense location: Lecture hall B, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Lund.
• defense date: 2013-06-14 10:15:00
• ISBN: 978-91-7422-325-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 2f89daec-cd35-4a6f-a51a-5f4a72aafcdb (old id 3787575)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:22:14
• date last changed: 2018-11-21 20:58:22