Vergleichende Untersuchung hautphysiologischer Parameter mit Einfluss auf die perkutane Penetration bei verschiedenen Spezies | Comparative study of physiological skin parameters affecting percutaneous penetration in different mammalian species

1\. Deckblatt 2\. Druckgenehmigung 3\. Widmung 4\. Inhaltsverzeichnis 5\. Abkürzungen 6\. Einleitung 7\. Literaturübersicht 8\. Fragestellung und Zielsetzung 9\. Eigene Untersuchungen 10\. Diskussion 11\. Zusammenfassung 12\. Summary 13\. Literaturverzeichnis 14\. Danksagung 16\. Eidesstattliche Erklärung

Die perkutane Penetration topisch applizierter Substanzen ist ein Prozess, der maßgeblich von den hautphysiologischen Gegebenheiten eines Organismus abhängt. Dabei ist das Ausmaß der Penetration innerhalb der verschiedenen Tierarten sehr variabel. In der vorliegenden Arbeit wurden die Morphologie und Verteilung der Haarfollikel, sowie die Zusammensetzung der interzellulären Lipidmatrix, vergleichend innerhalb verschiedener Haustier- und Versuchstierspezies analysiert. Im ersten Teil wurde die Haarfollikelmorphologie, sowie die Dichte der Follikel, mit Hilfe der Follikelbiopsie durch Cyanacrylat (CSSB) analysiert. Es wurde gezeigt, dass Größe und Verteilung der Follikel speziesabhängig variieren. Hund und Meerschweinchen besitzen die größte Speicherkapazität in den Haarfollikeln. Mit der Kalkulation des follikulären Volumens existieren nun Daten, die die Reservoirkapazität der Follikel von Tieren näher charakterisieren. Mit der follikulären Oberfläche, die auch als Vergrößerung der Resorptionsfläche zu verstehen ist, wurde ein Parameter gefunden, dem im Hinblick auf die kutane Permeabilität die größte Bedeutung beigemessen werden muss. Es wurde gezeigt, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Permeabilität der Haut von Tieren und der Follikeloberfläche besteht. Damit muss den Follikeln beim Kaninchen und beim Hund die größte Bedeutung beigemessen werden, während für den Affen und das Schwein wurden die geringsten Werte ermittelt wurden. Die Vermessung der Haarfollikel durch die CSSB Technik bringt erstmalig, über den bisherigen Stand der Literatur hinausgehende, objektive Parameter hervor, die die Morphologie der Follikel bei Tieren exakter beschreiben. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Zusammensetzung der interzellulären Stratum corneum Lipide bei verschiedenen Tierarten untersucht. Die Anteile der Hauptkomponenten Cholesterol, Ceramide, freie Fettsäuren und Cholesterolester wurden in der isolierten Stratum corneum Lipidmatrix verschiedener Spezies analysiert. Der Vergleich der Zusammensetzung, sowie der Verhältnisse der vier Lipidklassen zueinander mit der Hautpermeabilität der einzelnen Tiere zeigt deren Bedeutung für das speziesabhängige unterschiedliche Penetrationsverhalten. Für jede der vier untersuchten Spezies wurde in dieser Arbeit ein charakteristisches Ceramidmuster nachgewiesen. Einen weiteren neuen Ansatz für das Verständnis der Rolle der Lipidzusammensetzung in der perkutanen Penetration bietet möglicherweise das Cholesterol Ceramid Verhältnis, das erstmals für eine Tierart evaluiert wurde. Damit bietet die vorliegende Arbeit neue grundlegende Ansätze für das Verständnis der perkutanen Penetration bei Tieren. Die Berücksichtigung der erfassten morphologischen Unterschiede trägt entscheidend zur Optimierung individuell an die einzelne Tierart angepasster topischer Medikamente bei. Schließlich werden mit den vorliegenden Daten weitere Argumente geliefert, dass der Einsatz der Labornager, sowie des Kaninchens als Ersatzmodelle für die Haut des Menschen in Ermangelung vergleichbarer hautphysiologischer Kriterien nicht empfohlen werden kann. Demgegenüber stehen Schwein und Affe, deren Haut sowohl aus morphologischer Sicht der Haarfollikel, als auch hinsichtlich der Lipidkomposition des SC der Haut des Menschen am ähnlichsten und kann demnach gut als Ersatzmodell eingesetzt werden.

Skin physiology significantly influences percutaneous penetration and varies among mammalian species. The two major routes that substances pass through the skin are the follicular and the intercellular pathways. Both routes were investigated in animals. Hair follicle morphology and distribution were analysed using cyanoacrylate skin surface biopsies (CSSB). CSSB analysis of hair follicles revealed objective parameters characterizing hair follicle morphology in mammalian species for the first time. The follicular volume is a novel parameter describing reservoir capacity of hair follicles in animal species. It was proven that follicular surface and skin permeability are directly linked. For the first time, a comprehensive study involving numerous species and individuals demonstrated that individual hair follicle morphology is a key point for the understanding of skin permeability and follicular penetration. The four major components of the intercellular stratum corneum lipids: cholesterol, ceramides, free fatty acids and cholesterolester were analysed. The ratios of the four major lipid classes regarding skin permeability were examined. Four animal species were investigated: pigs and for the first time dogs, cats and rabbits. A characteristic species-dependent pattern of ceramides, representing the composition of the different ceramide classes, was proven to exist in stratum corneum lipid matrix. A further approach for understanding the relevance of the stratum corneum lipid composition is represented by the cholesterol-ceramide ratio. Thus, a correlation of lipid composition and skin permeability as demonstrated in human beings has been established in the four species. This study provides fundamental knowledge for the understanding of percutaneous penetration of animal species. The measurement of species-specific follicle parameters allows the calculation of the follicular reservoir capacity and resorption for substances applied to the skin and more accurately estimates follicular penetration. This knowledge is of particular relevance in the processing of topical drugs. The development of individually adapted drugs in veterinary medicine can be optimized if morphological differences among the species are adequately considered. Finally, the data in this work contributes to the evidence-based recommendation that laboratory animals such as mice, rats, guinea pigs and rabbits are not appropriate models for human skin research. The porcine pinna appears to be the most appropriate pragmatic experimental paradigm for the exploration of human skin pharmacology