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«DISSERTATION zur Erlangung des Doktorgrades des Fachbereiches Chemie der Universität Hamburg aus dem Institut für Gewerblich Technische ...»

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Rheologische in vivo-Untersuchung an der

menschlichen Haut mit nicht-invasiven Verfahren

DISSERTATION

zur Erlangung des Doktorgrades

des Fachbereiches Chemie

der Universität Hamburg

aus dem

Institut für Gewerblich Technische Wissenschaften

- Fachrichtung Körperpflege der Universität Hamburg

vorgelegt von

Sabine Gütt (geb. Lemke)

Hamburg 1998

Die vorliegende Arbeit wurde an der Universität Hamburg in der Zeit von März 1994 bis Dezember 1998 unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. M. Rimpler und Frau Prof. Dr. I.

Mühlhauser angefertigt. Die praktischen Studien wurden im Institut der Biomedizinischen Technik der Medizinischen Hochschule Hannover, in der Dermatologischen Haut- und Allergieklinik Borkum und im Institut für Dermatologische Forschung und Entwicklung BioSkin in Hamburg-Poppenbüttel durchgeführt.

1. Gutachter: Prof. Dr. I. Mühlhauser

2. Gutachter: Prof. Dr. Dr. H. Steinhart

3. Gutachter: Prof. Dr. V. Steinkraus Datum der mündlichen Prüfung: 6. Oktober 1999 Danksagung Ich danke allen Mitarbeitern der Abteilung Biomedizinische Technik der Medizinischen Hochschule Hannover für Ihre freundliche Unterstützung.

Mein besonderer Dank gilt der Firma BioSkin in Hamburg. Für die ausgezeichnete fachliche Beratung, die persönliche Betreuung und das stets in mich gesetzte Vertrauen danke ich Herrn Dipl. Ing. S. Bielfeldt, Herrn Dr. J. Gaßmüller und Frau Dr. B. Hughes.

Bei allen weiteren Mitarbeitern möchte ich mich für die angenehme und freundliche Arbeitsatmosphäre, die herzliche Aufnahme in den Arbeitskreis und die freundliche Zusammenarbeit bedanken. Darüber hinaus gebührt ein besonderer Dank Herrn Th.

Frase, der die Planung und Auswertung der Biostatistik unterstützte.

Ein großer Dank gebührt Herrn Dr. J. Ennen und Herrn S. Jaspers aus der Abteilung Experimentelle Dermatologie Beiersdorf AG in Hamburg. Ihr stetes Interesse an dem Projekt, ihre Ratschläge und Anregungen haben entscheidend zur Fertigstellung dieser Arbeit beigetragen. Ausdrücklich möchte ich mich für die fachliche Beratung zu geräteimmanenten Fragen bedanken.

Darüber hinaus danke ich Herrn Dr. W. Umbach von der Firma Henkel KGaA in Düsseldorf für die Unterstützung bei der Literaturrecherche, den Unternehmen Courage und Khazaka electronic GmbH in Köln für die freundliche Leihgabe ihrer Hautmeßgeräte sowie IONTO COMED GmbH in Eggenstein für ihre finanzielle Unterstützung. Herzlichen Dank sei auch Herrn J. Gareiß von der Firma Nattermann Phospholipid GmbH in Köln ausgesprochen, dessen Anregungen in den gemeinsamen Diskussionen über die Entwicklungen in der Liposomentechnologie sehr hilfreich waren.

An dieser Stelle möchte ich mich auch bei Herrn Dipl. Ing. K. Schwabe und Herrn Dipl.

Ing. J. Pölzl bedanken, die mir bei der Produktion der kosmetischen Testpräparate zur Seite standen. Ein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Chr. Rimpler für die Überlassung des Kosmetiklabors sowie der Produktionsanlage des Kosmetik Kontors in Berghof.

Abschließend gilt ein besonderer Dank Frau Prof. Dr. I. Mühlhauser und Herrn Prof. M.

Rimpler für die ausgezeichnete Betreuung der Dissertation. Daneben danke ich Herrn Prof. Dr. Dr. H. Steinhart und Prof. Dr. V. Steinkraus für die Begutachtung der Arbeit.

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Changes in the regulatory guidelines for cosmetics as well as consumer interest have led to increased efforts in assessment of product efficacy and claim substantiation.

Within the framework of the development of modern emulsion systems with improved percutaneous absorption, it is important to be able to detect even slight alterations in skin conditions. This requires a selection of suitable measurement procedures with high reproducibility. This dissertation focuses on the evaluation of methods for the noninvasive measurement of biomechanical skin parameters, particularly in conjunction with application of cosmetic skin care products.

In the first series of studies a new device for in vivo measurement of torsion (MEdyS) was evaluated by assessing the reproducibility, validity and measurement range. In a study with 3 volunteers (1 male, 1 female, 1 patient with systemic sclerosis) intra- and interindividual differences were assessed by making repeated measurements (5-10) on various regions of the body. In a second study interindividual differences were evaluated on healthy skin in 116 volunteers with constitutional skin alterations (seborrhoea, sebostasis, normal and aged skin; group 1) and lesional skin in 63 patients with skin diseases (psoriasis, atopic dermatitis, acne vulgaris, polymorphic light eruption; group 2). In group 1 test fields were located on the forehead and the right volar forearm. In group 2 multiple lesions on various body regions were assessed. In both groups three measurements were performed per test field. Due to the high variability of the results in both studies it was not possible to determine viscoelastic skin properties with sufficient accuracy. On the basis of the results the prototype MEdyS does not appear suitable for discrimination of skin characteristics associated with different skin conditions. Therefore this device was not included in the further testing of skin care products.





Important criterias for skin care products are their influence on skin hydration and viscoelastic properties. In the main study of this dissertation the influence of two skin care products (liposome cream vs. vehicle) on these properties and stratum corneum thickness were investigated. Validated devices for measurement of skin moisture (Corneometer CM 825®) and viscoelasticity (Cutometer SEM 575®) were tested as well as a prototype designed for measurement of skin moisture and stratum corneum thickness (IONTO HANA). In addition skin structure was assessed by using a new device for Photodocumentation (Beauty scope).

Topical application of liposomes has been shown to improve the water binding capacity and hydration of the stratum corneum. The therapeutic use of phospholipids by every form of dry skin, including aged skin, is based on this pharmacodynamic effect. The test product, an O/W emulsion containing loaded liposomes, was tested in a double-blind, placebo-controlled, randomized study with intraindividual comparison of treatment effects. Fourtyeight women aged 50 years and older with dry but otherwise healthy skin in the treatment areas (volar forearm) participated in the study. Treatment with the test product and vehicle was performed twice daily at home over a 3 week period.

Measurements of skin moisture, stratum corneum thickness and viscoelasticity as well as photodocumentation were performed at ΙΙ baseline ( day 1) and following a 3 weeks treatment. A significant increase in the hydration of the stratum corneum (approximately 20%; p = 0,000) was measured for both products using the validated corneometer for measurement of skin moisture. No statistical differences were observed between the test fields treated with liposomes and the liposome-free vehicle (p = 0,1392). Even though the stratum corneum thickness values measured with the prototype IONTO HANA were plausible and were negatively correlated with the values measured with the corneometer (r = -0,7282; p = 0,000), plausible values were not obtained for skin moisture. However, since the values are recorded as arbitrary units the results are not useful for the determination of absolute thickness of stratum corneum.

No significant influence on elastic and viscoelastic parameters (UA/UF, UR/UF, UR/UE, UV/UE, UV (5)/UE(5) / X/UF) were detected as a result of treatment.

Only a significant reduction in the viscoelastic parameter (X (5)/UF(5)) was detected for both products (test product:

-6,4%, p = 0,023; vehicle:

-8,1%, p = 0,047). This corresponds with the internal softness of the skin, which is probably related to easier displacement of the corneocytes. Using a small diameter probe (2 mm) and a negative pressur of 200 mbar the suction method was not suitable for objective assessment of cosmetic efficacy.

Minor alterations in skin conditions can not be sufficiently detected. In conclusion the present study shows that other biomechanical devices are needed for monitoring the effect of moisturizers on skin viscoelasticity.

An interpretation of in vivo tests can be difficult, as no analytical model has been developed that can relate measurements from these tests directly to basic skin properties. Subtile differences between methods make a comparison difficult. However, the alternative to bioengineering methods is the hand and eye, which provide subjective (and often biased) nonlinear, and notoriously variable data between individuals. Even experienced clinicians have difficulties with judging the severity of involvement, the changes due to treatment or progress of disease and the efficacy of competing treatments. Objective, numerical information on the effects of different active compounds and their formulations is essential if new preparations are to be optimized.

Measurement of biomechanical properties is one aspect of this important field of endeavor.

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ΙV ULV unilamellar vesicles UR/UE Elastische Funktion UR/UF relative Elastische Erholung der Haut UR elastisches Rückstellungsvermögen der Haut (unmittelbare elastische Erholung der Haut) UT zeitabhängige Deformation der Haut UV/UE Viskoelastisches Verhältnis UV verzögerte, viskose Deformation der Haut (vorübergehendes Kriechen) X/UF Biologische Elastizität X verbleibende Deformation der Haut (Irreversibilität des Dehnungsprozesses)

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Hautpflege findet heute in einer breiten Öffentlichkeit großes Interesse, und das Bemühen den Alterserscheinungen entgegenzuwirken, um eine jugendliche, straffe Haut zu bewahren, ist von einer kaum zu übertreffenden Aktualität.

Durch den Einsatz nicht-invasiver physiologisch sinnvoller Untersuchungsmethoden läßt sich die Wirksamkeit von kosmetischen Pflegeprodukten (u.a. Moisturizer, Emollients, Liposomen, Fruchtsäurepräparate) in vivo objektiv darstellen. Dabei können die Effekte quantitativ und reproduzierbar erfaßt, und/oder die Überlegenheit einiger Formulaturen aufgezeigt werden. Von besonderem Interesse sind bei kosmetischen Wirksamkeitsprüfungen Messungen der Feuchtigkeit, des Fettgehaltes, des transepidermalen Wasserverlustes sowie Untersuchungen der Oberflächenstruktur der Haut. Mittlerweile gehen aus neuen Entwicklungen der Biomedizinischen Technik auch kommerziell verfügbare, computergestützte Geräte zur Messung biomechanischer Parameter hervor (1), die in der Dermatologie inzwischen zur Erforschung von Bindegewebserkrankungen (2), zur Untersuchung pathologischer Hautveränderungen, äußeren Einflüssen wie UV-Strahlen oder physiologischen Alterungsvorgängen (3 - 14) eingesetzt werden. Der Einfluß kosmetischer Präparate auf die biomechanischen Eigenschaften der Haut ist kaum untersucht worden.

Zur Charakterisierung des biomechanischen Hautverhaltens wird der Begriff der Viskoelastizität eingeführt. Hierbei handelt es sich um eine Eigenschaft, bei der sich sowohl elastisches Verhalten von Festkörpern als auch die Viskosität von Flüssigkeiten bemerkbar macht (15 - 18). Die Kombination dieser Eigenschaften zeigen vornehmlich hochpolymere Substanzen (zum Beispiel Kautschuk) und im besonderen die Biopolymere Polypeptide, Proteine, Polynucleotide und Polysaccharide (17). Vor allem die Proteoglykane haben einen wesentlichen Anteil am Aufbau des Binde- und Stützgewebes, wobei ihre physiologische Rolle typisch für die Struktur und die Eigenschaften der Dermis ist. Die Wechselbeziehung der Proteoglykane mit dem Kollagen und dem Elastin ergibt ein viskoelastisches System, wobei die Interaktionen das zeitabhängige Materialverhalten der Haut beeinflussen, welches eine Funktion der Belastungs- oder Deformationsgeschichte ist. Kriech- und Relaxationserscheinungen sind typische viskoelastische Effekte (16). Schließlich geht auch die Verformbarkeit und Einleitung 2 biomechanische Belastungsfähigkeit der Dermis auf den Zustand des viskoelastischen Systems zurück (17). Eine Zerstörung oder eine Alterung der Struktur von Biopolymeren führt zu einer Instabilität des Systems und schließlich zu einer Veränderung des gesamtmechanischen Verhaltens (17).



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