Feinstaubpartikel der Größe 2,5 µm (PM2,5)-induzierte Hyperpigmentierung in einem rekonstruierten humanen Epidermismodell (MelaKutis®)
Epidemiologische Studien haben einen Zusammenhang zwischen Feinstaubpartikeln der Größe 2,5 µm (PM2,5) und Hauthyperpigmentierung aufgezeigt, jedoch fehlte bisher experimentelle Evidenz. Diese Studie untersuchte den Einfluss von PM2,5 auf die Melanogenese der Haut unter Verwendung normaler humaner epidermaler Keratinozyten (NHEKs), Melanozyten (NHEMs) und eines rekonstruierten humanen Epidermismodells (MelaKutis®). MelaKutis® ist ein dreidimensionales (3D) Hautmodell, das aus humanen Keratinozyten und Melanozyten besteht und die Struktur sowie metabolischen Eigenschaften natürlicher menschlicher Haut nachahmt. Das Modell ermöglicht die Stimulation von Melanozyten in der Basalschicht durch externe Faktoren, was zu Melaninproduktion und Hyperpigmentierung führt.
Um die Wirkung von PM2,5 auf menschliche Haut zu simulieren, wurden PM2,5-Proben an Smog-Tagen von November 2018 bis März 2019 in Peking, China, gesammelt. Ein HY-1000-intelligenter Hochvolumen-TSP-Probenahmesensor mit PM2,5-Abscheider wurde für die Quarzfilterprobenahme bei einer Durchflussrate von 1000 L/min eingesetzt. Die gesammelten Proben wurden in 75 % Ethanol eingelegt und 60 Minuten im Wasserbad ultraschallbehandelt, um Partikel zu eluieren. Eine hochkonzentrierte Stammlösung wurde mit sterilem Wasser hergestellt und bei –20 °C gelagert. Benzo[a]pyren (BAP), eine toxische PM2,5-Komponente, wurde von Sigma-Aldrich Chemical bezogen und als Positivkontrolle verwendet.
Die Auswirkungen von PM2,5 und BAP auf die Viabilität von NHEKs und NHEMs wurden mittels MTT-Assay bestimmt. Zellen wurden mit verschiedenen Konzentrationen von PM2,5 (3,13; 6,25; 12,50; 25,00; 50,00; 100,00; 200,00; 400,00 mg/ml) oder BAP (0,50; 1,00; 2,50; 3,50; 5,00; 10,00; 20,00; 50,00 mmol/l) bei 37 °C und 5 % CO₂ für 24 Stunden inkubiert. Nach Zugabe von MTT-Farbstoff für weitere 4 Stunden im Dunkeln wurde die Absorption bei 490 nm mittels Spektrophotometer gemessen. Die Zellmorphologie wurde unter einem Invertmikroskop bei 200-facher Vergrößerung analysiert. Alle Experimente wurden dreifach durchgeführt.
MelaKutis®-Modelle wurden in M-TA-Medium bei 37 °C und 5 % CO₂ gehalten. Unterschiedliche Konzentrationen von PM2,5 (7,50; 12,50 mg/ml) oder BAP (3,00; 5,00 mmol/l) wurden täglich auf die Modelloberfläche appliziert. Nach 7-tägiger Behandlung erfolgten makroskopische Beobachtung, Messung der Helligkeit (L-Wert), Melaninquantifizierung, Melaninverteilungsanalyse und histologische Untersuchung mittels Hämatoxylin-Eosin (H&E)-Färbung. Die Modelle wurden in zwei Gruppen unterteilt: Gruppe A für makroskopische, immunhistochemische und histologische Analysen; Gruppe B für L-Wert- und Melaninbestimmungen.
Die Ergebnisse zeigten, dass niedrige PM2,5-Konzentrationen (≤12,50 mg/ml) und BAP (≤5,00 mmol/l) die Zellviabilität und -morphologie von NHEKs und NHEMs nicht signifikant beeinträchtigten. Höhere Konzentrationen führten dosisabhängig zu Zelltod und Deformation. Daher wurden PM2,5 = 12,50 mg/ml und BAP = 5,00 mmol/l als maximale sichere Konzentrationen (Cmax) definiert. Folgestudien verwendeten PM2,5 (7,50; 12,50 mg/ml) und BAP (3,00; 5,00 mmol/l).
Die 7-tägige Behandlung von MelaKutis® mit PM2,5 oder BAP verursachte keine morphologischen Auffälligkeiten. Allerdings erschienen Modelle, die mit 12,50 mg/ml PM2,5 oder 5,00 mmol/l BAP behandelt wurden, dunkler mit vermehrtem Melanin in den unteren Epidermisschichten. In der 5,00 mmol/l BAP-Gruppe traten Risse auf. Der L*-Wert sank signifikant für 12,50 mg/ml PM2,5 (P = 0,000) und 5,00 mmol/l BAP (P = 0,000), während Änderungen bei niedrigeren Konzentrationen nicht signifikant waren (P = 1,000). Der Melaningehalt stieg signifikant in der 12,50 mg/ml PM2,5- (P = 0,001) und 5,00 mmol/l BAP-Gruppe (P = 0,047), nicht jedoch in den Niedrigdosisgruppen (P ≥ 0,948).
Die Studie folgert, dass niedrige PM2,5-Konzentrationen Hyperpigmentierung im rekonstruierten Epidermismodell induzieren können. Da die Anzahl von Keratinozyten und Melanozyten unverändert blieb, wird vermutet, dass PM2,5 primär die Melaninsynthese steigert. Die Hornschicht als Barriere verhinderte den direkten Melanozytenkontakt. Stattdessen aktiviert PM2,5 Keratinozyten, die über parakrine und autokrine Mechanismen Melanozyten stimulieren.
Die epidermale Melanozyt-Einheit reagiert schnell auf externe Stimuli. PM2,5 aktiviert den Arylkohlenwasserstoffrezeptor (AhR)-Signalweg, induziert oxidativen Stress und Entzündungsprozesse in Keratinozyten. AhR führt zur Expression von Cytochrom-P450-Enzymen, die polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) metabolisieren und reaktive Sauerstoffspezies (ROS) generieren. Zusätzlich fördern ROS die Melanogenese. Entzündungsfaktoren wie α-MSH, IL-1α, IL-1β, IL-6, IL-8, MMP-1, MMP-2, MMP-9 und TNF-α werden durch PM2,5-exponierte Keratinozyten sezerniert. α-MSH und Endothelin-1 steigern die Melaninproduktion und Melanozytenmigration.
Die Melaninanreicherung in den unteren Epidermisschichten korreliert mit dem natürlichen Melaninstoffwechsel. Melanosomen werden in Melanozyten synthetisiert, an Keratinozyten transferiert und während der epidermalen Regeneration (typisch 28 Tage) abgebaut. Die kurze Experimentaldauer von 7 Tagen erklärt die vorherrschende untere Melaninverteilung.
Risse in der 5,00 mmol/l BAP-Gruppe könnten auf Entzündungsreaktionen und dendritische Melanozytenveränderungen zurückgehen. PM2,5 schädigt Hautbarrieren durch Störung enger Zellverbindungen. Entzündungsmediatoren induzieren Zytokinsekretion und MMP-Expression, was zur Acantholyse ähnlich der Pemphigus vulgaris (PV) führen kann.
Zusammenfassend liefert diese Studie experimentelle Evidenz, dass PM2,5 in niedrigen Konzentrationen Hauthyperpigmentierung über Keratinozyten-Melanozyten-Interaktionen auslöst. Weitere Studien sind erforderlich, um die zugrundeliegenden Mechanismen vollständig aufzuklären.
DOI: 10.1097/CM9.0000000000001934