Et samarbejde mellem universitet og industri skal afdække mulighederne for udvikling af nye analysemetoder til karakterisering og undersøgelser af hud med IR- og Ramanspektroskopi.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 11, 2006. Teksten kan desuden læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af T.M. Greve1,2, K. Birklund Andersen1, O. Faurskov Nielsen2, 1)Spectroscopy and Physical Chemistry, LEO Pharma A/S, 2)Kemisk Institut, Københavns Universitet
Huden er et meget heterogent organ, som er komplekst at karakterisere strukturelt, og der findes ingen nuværende metoder til analyse af fuld, intakt hud in vivo (dvs. i den levende organisme). Humanhud er et af kroppens største organer, og for en voksen person udgør den et samlet overfladeareal på omkring 2 m2 med en tykkelse på ca. 3 mm [1]. Hudens primære egenskaber er at forhindre vandtab fra kroppen og i det hele taget fungere som en barriere mellem kroppen og omgivelserne. Huden, som primært består af proteiner, lipider og vand, kan opdeles i to lag; epidermis og dermis, som hver især kan inddeles i flere lag med forskellige karakteristika som f.eks cellestørrelse. Stratum corneum er betegnelsen for det yderste, døde lag af epidermis, og det er dette lag der, selv om det kun er ca. 20 μm tykt, giver hudens barriere-egenskaber.
Københavns Universitet (KU) og LEO Pharma A/S har indgået et samarbejde om et erhvervsPhD-projekt, hvor formålet er udviklingen af nye analysemetoder til karakterisering og undersøgelser af hud med IR- og
Ramanspektroskopi.
En karakterisering af hud ud fra spektroskopiske teknikker kan bidrage med ny viden om og forståelse af hudens egenskaber, hvorved man kan supplere allerede anvendte dermatologiske modeller og eventuelt udvikle nye. Fordelen ved spektroskopiske metoder er, at de er ikke-destruktive metoder, hvilket gør det muligt at analysere intakt, levende hud. Derudover kræver metoderne ingen prøveforberedelse, så der kan måles direkte på både den levende, in vivo, og den døde, in vitro, hud uden yderligere indgreb, hvilket må formodes at give de mest realistiske målinger og modeller.
Andre modeller til bestemmelse af transport over huden anvender typisk hudstykker eller hud, der er fysisk adskilt i de forskellige lag, og sådanne præpareringer kan påvirke de egenskaber, man ønsker at undersøge.
Baggrund for samarbejdet
KU har tidligere samarbejdet med Bispebjerg Hospital om anvendelsen af Ramanspektroskopi til diagnosticering af hudsygdomme [2]. KU har ligeledes deltaget i forskningen omkring karakterisering af mumificeret hud og generelle vand/protein-interaktioner undersøgt med Ramanspektroskopi og termodynamiske målinger (i samarbejde med RUC) [3]. Vand i huden har essentiel betydning for hudens struktur og funktion, men den spektrale analyse af vand og dets bindinger er kompliceret. I den forbindelse er anvendelse af den såkaldte R( )-repræsentation af afgørende betydning [3-7].
Dermatologi er i dag et af LEO Pharmas hovedområder, og virksomheden har mangeårig erfaring inden for udvikling, fremstilling og salg af dermatologiske produkter. LEO har været involveret i behandling af hudsygdomme siden udviklingen og lanceringen af Fucidin i 1962, og i hhv. 1991 og 2001 lanceredes psoriasis lægemidlerne Daivonex og Daivobet. Ifølge LEO Vision 2010 vil LEO være globalt førende inden for dermatologi baseret på innovative og effektive produkter. Det kræver konstant forskning og udvikling inden for området, og en del heraf vil være udvikling af nye metoder og modeller, som kan supplere, underbygge og forbedre eksisterende modeller.
FT-NIR-, ATR FTIR- og FT-NIR-Ramanspektroskopi på hud
Ved målinger på hud med MIR-spektroskopi bruges den såkaldte ATR (Attenuated Total Reflectance) teknik, som muliggør målinger uden for det klassiske lukkede system. Ved ATR anvendes et prisme eller en krystal af et infrarødt absorberende materiale med et højt brydningsindeks, hvor zinkselenid, silicium, germanium og diamant er de mest almindeligt anvendte [8]. Prøven placeres vandret oven på krystallen, og det infrarøde lys fokuseres mod den ene ende af krystallen, som er skåret i en vinkel, således at lyset trænger ind i krystallen uden at afbøje, men rammer overfladen med en given indfaldsvinkel så der opstår total indre refleksion, hvor lyset er »fanget« i krystallen. Ved hver refleksion vil der dog være stråling, som trænger ind i prøven (typisk måledybde er 2-4 μm), og på denne måde kan ATR bruges til at frembringe et IR-spektrum [9].
Alle ATR-spektre i indeværende afhandling er optaget på et FTIR-instrument af typen Bruker Equinox 55 med en DLATGS-detektor, som er tilkoblet en Golden Gate ATR-enhed. ATR-enheden er udstyret med en diamantkrystal af størrelsen 1×1 mm. ATR-FTIR-spektrene er optaget i området 4000-650 cm-1 med 64 scan og en spektral opløsning på 5 cm-1. Det anvendte ATR-udstyr er vist i figur 1.
Til målinger på hud med NIR-spektroskopi (Near-Infrared) anvendes samme FTIR-spektrometer som ovenfor beskrevet – dog tilkoblet en optisk fiber-probe. Målingerne er baseret på diffus refleksion, og der er optaget spektre i området 12500-4000 cm-1. NIR-spektrene er optaget med 64 scan og en spektral opløsning på 8 cm-1. I figur 2 er vist et billede af den anvendte probe.
Ved målinger på hud in vivo med Ramanspektroskopi anvendes ligeledes en optisk fiber-probe, som er koblet til apparatet, således at det bliver muligt at optage spektre uden for det lukkede instrument. Det optiske fibersystem virker ved, at én optisk fiber fører laserlyset ud af instrumentet og ned til probe-hovedet, og en anden optisk fiber opsamler det reflekterede spredte lys og fører det tilbage i instrumentet, hvor det rammer detektoren. Der er i figur 3 vist et billede af den anvendte probe. Ved målinger på hud in vitro anvendes proben ikke, idet hudprøven placeres direkte i instrumentet. Alle Ramanspektre i denne artikel er optaget på et NIR-FT Raman-instrument af typen Bruker FRS100/S. Strålingskilden er en Nd:YAG-laser med en bølgelængde på 1064 nm (9398 cm-1) med en maks. effekt på 1500 mW, og der anvendes en flydende nitrogen-afkølet germanium-diode-detektor. Ramanspektrene er optaget med 500 scan ved 1500 mW og med en spektral opløsning på 4 cm-1.
Forsøgsresultater
Der er optaget spektre af humanhud fra både mænd og kvinder in vivo, af humanhud fra kvinder in vitro og af hud fra griseører, hårløse marsvin og mus, in vitro. I figur 4 er vist eksempler på NIR-, ATR IR- og Ramanspektre af hud.
Ved undersøgelser af hudens karakteristika for de forskellige species findes der både ligheder og forskelle vedrørende strukturen og mængden af proteiner, lipider og vand, der er de tre største stofgrupper i huden. Figur 5 viser spektre af hud in vitro fra kvinder, grise, marsvin og mus. Spektrene er normaliseret, så de har samme intensitet ved båndet fra den alifatiske CH-strækningsvibration omkring 2935 cm-1. Vand i huden findes både som proteinbundet vand og som »bulk«-vand, altså vand med en struktur som den i almindelig flydende vand. Ofte kaldes det »frit« vand, selvom det stadig er hydrogenbundet som flydende vand. Det i figur 5 viste bånd omkring 3250 cm-1 fra OH-stræknings-vibrationen i vand giver et estimat for den samlede mængde af vand i prøven. Der kan ses variationer i vandindholdet fra de forskellige prøver inden for hver af de fire grupper, men det er dog tydeligt, at vandindholdet i huden fra mus er væsentlig mindre end i prøverne fra de øvrige tre grupper. Mængden af vand i huden fra kvinder, grise og marsvin er forholdsvis ens, men der er tendens til at huden fra grise indeholder mere vand end huden fra marsvin, som igen indeholder mere vand end huden fra kvinder.
Strukturen af vand kan dog undersøges nærmere ved at kigge i det lavfrekvente område (400-40 cm-1) af Ramanspektret, hvor der findes et bånd ved 180 cm-1 som er signifikant for tilstedeværelsen af bulk-vand [3-7]. Intensiteten af Rayleighlinjen betyder dog, at dette bånd ikke er umiddelbart synligt, men det kan tydeliggøres ved anvendelse af R( )-repræsentationen, som omdanner Rayleighlinjen til et svagt aftagende plateau, hvilket synliggør øvrige bånd i det lavfrekvente område [3-7]1. I figur 6 er vist R( )-repræsentationen for de samme prøver, som er anvendt i figur 5. Ved R( )-repræsentationen for rent vand findes to bånd: Et ved 60 cm-1 og et ved 180 cm-1. Isotopsubstitution har vist, at båndet ved 180 cm-1 forårsages af vibrationer fra oxygenatomer i tetraedriske omgivelser, som det findes i bulk-vand, men ikke i f.eks. proteinbundet vand [7]. I figur 6 viser intensiteten af båndene ved 180 cm-1 således, at mængden af frit vand er den samme for huden fra kvinder, grise og marsvin, mens der i huden fra mus findes en væsentlig mindre mængde af frit vand. De fundne forskelle i vandindholdet mellem de førstnævnte tre grupper må således forklares med forskelle i mængden af proteinbundet vand.
Perspektiver
Udviklingen af nye analysemetoder til undersøgelser af hud, samt den nye viden de vil kunne give, kan anvendes til forsøg vedr. permeation og penetration af solventer og aktive komponenter fra lægemidler. Ved brug af spektroskopi er det teoretisk muligt ikke bare at bestemme selve effekten ved påføring af et solvent eller aktivt stof, men også hvor meget der passerer huden i et givent tidsrum. Undersøgelserne kan muligvis også antyde, om et stof er irritationsfremkaldende, ligesom selve virkningsmekanismen, hvormed stoffet påvirker huden, kan afklares. Det vil således kunne ses, om et solvent ændrer proteinstrukturen eller konformationen af lipiderne, eller om det binder til vandet i huden. Indledende studier med solventer som DMSO har givet lovende resultater, og yderligere forsøg skal foretages med relevante solventer anvendt i lægemidler til påføring på hud.
En udvidet forståelse af hudens barriere-egenskaber og de virkningsmekanismer, der ses i forbindelse med transport af stoffer over huden, vil således muligvis kunne munde ud i en screeningsmodel for solventer, og udviklingen af en sådan bliver et af de ultimative mål for projektet. En sådan model vil kunne afsløre om et udvalgt solvent påvirker huden på en måde, der vil øge optagelsen af de øvrige stoffer fra en færdig formulering. Med lidt held vil en sådan screeningsmodel også afsløre, om der er interaktioner mellem de forskellige komponenter i formuleringen.
Tak til
Ministeriet for Videnskab, Teknologi og Udvikling for økonomisk støtte (journal nr. 63781).
Fodnote
) R( )-repræsentationen er givet ved R( ) = [1 − exp(−hc /kT)] I( ), hvor er bølgetallet, c er lysets hastighed, T er temperaturen, h er Planck’s konstant og k er Boltzmann’s konstant [3-7].
Referencer:
1. Schaefer, H.; Redelmeier, T.E. Skin Barrier – Principles of Percutaneous Absorption. Karger, 1996
2. Johansson, C.K; Christensen, D.H.; Nielsen, O.F.; Gniadecka, M.; Wulf, H.C. Dansk Kemi, 80, nr.8, 12-14, 1999
3. Nielsen, O.F.; Refstrup, P.; Gniadecka, M.; Wulf, H.C.; Bang, S.; Liltorp, K.; West, P. Dansk Kemi, 83, nr. 9, 24-30, 2002
4. Nielsen, O.F. Chem. Phys. Lett. 60, 515-517, 1979
5. Nielsen, O.F. Dansk Kemi, 68, 163-165, 1987
6. O.F. Nielsen, in Handbook of Raman Spectroscopy; , I.R. Lewis and H.G.M. Edwards (Eds.), Marcel Dekker, , Inc.: New York, Basel (2001), 593-615
7. Nielsen, O.F.; Johansson, C.; Jacobsen, K.L.; Christensen, D.H.; Wiegell, M.R:, Pedersen, T.; Gniadecka, M.; Wulf, H.C.; Westh, P. in Optical Devices and Diagnostics in Materials Science; Andrews, D.L:, Asakura, T.; Jutamulia, S.;Kirk, W.P.; Lagally, M.G.; Lal, R.B.; Trollinger, J.D. (Eds.), Proceedings of SPIE, 4098, 160-168, 2000
8. Günzler, H.; Gremlich, H.-U. IR Spectroscopy – An Introduction, Wiley-VCH, 2002
9. Andrews, D.L. (Ed.) Perspectives in Modern Chemical Spectroscopy, Springer-Verlag, 1990
Figur 1. ATR FTIR-spektroskopi på humanhud in vivo.
Figur 2. FT-NIR-spektroskopi på humanhud in vivo.
Figur 3. Måling på humanhud in vivo vha. Raman-proben.
Figur 4. Spektre af humanhud in vivo og hud fra gris in vitro.
Øverst: NIR-spektre. Midten: Ramanspektre. Nederst: ATR IR-spektre.
Figur 5. Ramanspektre af hud in vitro fra kvinder, hårløse marsvin, grise og mus.
Figur 6. R( )-repræsentationen for in vitro hud fra kvinder, grise, hårløse marsvin og mus.
