Schalter für die Hautregeneration

Das konstante Volumen einer Zelle ist normalerweise fundamental für die Funktionen, die diese Zelle ausübt. Dennoch kann es vorkommen und durchaus sinnvoll sein, dass Zellen ihr Volumen verändern. Dann nämlich, wenn dadurch z.B. die Zellentwicklung oder -proliferation reguliert wird. Mit natürlichen Substanzen aus der BRAIN Substanz-Bibliothek ist eine solche Regulierung in vitro in einem Epidermis-Zellmodell gelungen. Dr. Torsten Fauth, Wissenschaftler und Projektleiter bei der BRAIN AG, hat kürzlich darüber bei der IFSCC Konferenz 2020 berichtet.

Die ISFCC ist die führende Konferenz der Kosmetikforschung mit höchstem wissenschaftlichen Anspruch. Und so fühlte sich Torsten Fauth geehrt, dass er schon zum zweiten Mal eingeladen worden war, um über seine aktuellen Forschungsergebnisse zu berichten. Zwei Jahre zuvor war der Biologe für seine Arbeit sogar mit dem IFSCC Award für Angewandte Forschung ausgezeichnet worden. In diesem Jahr präsentierte er seine neuesten Ergebnisse zur Aktivierung von Ionenkanälen in Keratinozyten-Stammzellen – ein Vorgang, mit dem die epidermale Hauterneuerung angeregt werden kann. Im Fokus: ein Ionenkanal mit Namen "LRRC8A".

Unsere Haut: Zwei Quadratmeter Schutz

Unsere Haut ist verschiedensten Stressfaktoren ausgesetzt, z.B. hoher oder niedriger Temperatur, UV-Strahlung, mechanischer Beanspruchung, aber auch Krankheitserregern. Solche Stressfaktoren beinträchtigen die Barrierfunktion der Haut und können zur Entstehung oder Verschlimmerung von Hauterkrankungen beitragen. Beispiele sind die atopische Dermatitis oder Psoriasis (Schuppenflechte). Die Hautfunktion zu erhalten und die Hauterneuerung zu unterstützen tragen somit zur Gesundheit bei.

Will man verstehen, wie der natürliche Hauterneuerungsprozess abläuft, empfiehlt es sich zunächst den Aufbau der unterschiedlichen Zell-Schichten zu betrachten, die zur Hauterneuerung beitragen (s. Abbildung) Diese bilden nämlich nur dann die Basis einer gesunden Epidermis, wenn ein Gleichgewicht zwischen Proliferation (Zellteilung) und Differenzierung (Zellspezialisierung) gegeben ist.

In der Basalschicht der Epidermis (Stratum basale) befinden sich Keratinozyten-Stammzellen (Keratinocyte Stem Cells, KSC). Stammzellen besitzen das Potenzial, sich zu spezialisierten Zellen weiter ausdifferenzieren zu können. Die Keratinozyten-Stammzellen in der Basalschicht durchlaufen dazu mehrere Zellteilungen: Aus einer Keratinozyten-Stammzelle wird zunächst eine Art Übergangszelle oder TA-Zelle (TA steht für "transient amplifying“). Während die Kertinozyten-Stammzellen an ihrem Ort verbleiben, vermögen die TA-Zellen zu „wandern“: Aus der Unterschicht heraus wandern sie in Richtung oberer Epidermis-Schicht und wandeln sich dabei nochmals um – zu sogenannten PM- (postmitotischen) Zellen. Diese entwickeln sich weiter und bilden letztendlich als äußerste Ebene die Stratum corneum Schicht, auch Hornschicht genannt.

Was bewirkt den Switch?

Der Switch, also der Wechsel von der Keratinozyten-Stammzelle zur TA-Zelle, ist ein entscheidendes Ereignis im Hauterneuerungsprozess, und die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei BRAIN wollten – in Zusammenarbeit mit der Dermatologie der Uniklinik Frankfurt – herausfinden, welche „Protagonisten“ an diesem Switch beteiligt sind. Sie erhofften sich außerdem, eine Stelle zu finden, an der man diesen Switch hin zu stärkerer oder hin zu geringerer Hauterneuerung beeinflussen kann. Denn nicht nur eine zu geringe Hauterneuerung kann Hautprobleme hervorrufen – eine übermäßige Hauterneuerung kann, wie z.B. bei der Psoriasis, ebenfalls ein Krankheitsbild hervorrufen. Tatsächlich gelang es dem Team eine Ionenkanalfamilie zu identifizieren, die nicht nur maßgeblich an der Regulation des Zellvolumens der Keratinozyten beteiligt ist, sondern auch bei der Differenzierung eine Rolle spielt. Teile dieser Forschungsarbeit sind im Fachjournal Experimental Dermatology veröffentlicht worden (Trothe et al. 2018).

Substanzen im Hochdurchsatz getestet

Auf diversen Voruntersuchungen basierend entwickelte Fauths Team einen zellbasierten Assay und testete in vitro in einem Pilot-Ansatz natürliche und naturidentische Substanzen aus der BRAIN Substanz-Bibliothek. Darunter fanden sich einige Stoffe mit Aktivität am relevanten Ionenkanal, die nun als „Hautzell-Aktivatoren“ weiter evaluiert werden. Dass diese bioaktiven Substanzen nicht nur die Proliferation der Keratinozyten-Stammzellen, sondern auch deren Differenzierung anregen, konnte das Team mit weiteren zell- und molekularbiologischen Technologien darstellen.

Screenen für die Kosmetikindustrie

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei BRAIN haben mit ihren Ergebnissen einen „Proof of Concept“ dafür erbracht, dass das untersuchte Zielmolekül bzw. „Target“ (LRRC8A) eine Bedeutung für die Entwicklung und Differenzierung von Hautzellen hat – und dass diese Entwicklung mit Modulatoren des Targets steuerbar bzw. beeinflussbar ist. Jetzt wollen sie ihr In-Vitro-Modell für Auftrags-Screenings einsetzen.

Der Screenline®-Assay zur Nachahmung der LRRC8-Funktion in Keratinozyten ist ein ideales In-Vitro-Modell, um weitere bioaktive Substanzen aus der BRAIN Substanz-Bibliothek zu finden und ihren positiven Einfluss auf die Hautregeneration zu testen. Die Ansteuerung des Ionenkanals zur Modulation der Differenzierung von Hautzellen ist zum Patent eingereicht (Ertongur-Fauth et al., 2019).

BRAIN möchte das neu entwickelte Zellmodell nutzen, um partnerschaftlich mit seinen Kunden wirksame Substanzen zu identifizieren, die als Inhaltsstoffe in kosmetischen Pflegeprodukten eingesetzt werden könnten. Denkbar sind Anwendungen bei gestresster, gealterter, barrieregestörter oder entzündeter Haut (z.B. bei Psoriasis oder atopischer Dermatitis). Als Basis können die vielfältigen BRAIN Substanz-Bibliotheken dienen, aber auch eigene Ressourcen der Kunden.

Förderung und Partner

Teile der Arbeiten von Fauth und seinem Team wurden freundlicherweise vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Strategischen Allianz Natural Life Excellence 2020 (NatLifE2020) gefördert.

Wir bedanken uns besonders bei unseren Kooperationspartnern: dem Universitätsklinikum Frankfurt (PD Dr. Claudia Bürger), der TU Darmstadt (Dr. Oliver Rauh) sowie der Nanion Technologies GmbH

Referenzen

• Ertongur-Fauth, T., J. Trothe, and C. Buerger. 2019. The volume-regulated anion channel protein LRRC8A for use in altering keratinocyte differentiation. Patent Application WO 2019/158696
• Trothe, J., D. Ritzmann, V., Lang, P. Scholz, U. Pul, R. Kaufmann, C. Buerger, and T. Ertongur-Fauth. 2018. Hypotonic stress response of human keratinocytes involves LRRC8A as component of volume-regulated anion channels. Experimental dermatology. https://doi.org/10.1111/exd.13789