Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Dreidimensionale digitale Rekonstruktion des humanen Stratum corneum der Haut in Kombination mit Simulation substantieller Diffusion durch das Stratum corneum

Wagner, Christine

Examinations of the stratum corneum of the skin involve enormous difficulties in terms of both apparatus and experiments. This accounts for why the physical properties of this skin layer have so far been only inadequately understood. The numerical simulation of drug diffusion through the stratum corneum enables an in-depth understanding of these properties, whereby this paper deals with the three-dimensional solution of this problem. For the purpose of three-dimensional digital reconstruction of the stratum corneum of the epidermis, the CuboidModeller software tool has been used in the C++ programming language. CuboidModeller permits the creation of three-dimensional digital stratum corneum model areas comprising two homogeneous phases, the lipids and the corneocytes, with variable geometrical parameters. CuboidModeller sets up the model area consisting of hexahedrons with an appearance based on the brick-wall model. The size of the model area, the size and thickness of the corneocytes, the overlapping degree of the corneocytes and the lipid share are freely selectable. This function enables the stratum corneum of different species and different regions of the body to be reconstructed. In addition to a geometrical description „brick.lgm“ for the desired model area ΩM in lgm format, CuboidModeller creates a brick.ng lattice for ΩM in ng format which comprises hexahedrons. The created lattices can be sophisticated both isotropically and anisotropically. The UG simulation tool can be used to read in brick.lgm and brick.ng and calculate substantial diffusion by means of the three-dimensional stratum corneum geometry ΩM. Using the UG simulation tool, substantial diffusion was simulated in a non steady state model in the created stratum corneum model areas. This enables the time-related development of an active substance level in the body to be estimated with the percutaneous absorption of substances already during an early development stage of these substances. For purposes of validation, simulation was performed with a relative diffusion coefficient of Dkor/Dlip = 1, i.e. on a homogeneous membrane. Several time-dependent concentration profiles within a stratum corneum model area were established and graphically represented depending on the corneocyte permeability Dkor/Dlip. Simulations with different relative diffusion coefficients from 10-2 to 10-6 were graphically evaluated and, as from Dkor/Dlip = 10-5, showed a similar pattern which is comparable with in-vitro studies. It was possible to establish that a relative diffusion coefficient of greater than 10-6 does not cause any changes in the effective rate of diffusion. In simulations with different magnitude settings of the stratum corneum, a clearly discernible influence of the stratum corneum magnitudes on the effective rate of diffusion was established. As was to be expected, the effective rate of diffusion decreases with an increasing number of layers. The effective diffusion coefficient is, on the other hand, almost proportional to the thickness ratio between the corneocyte and the lipid channel. As the overlapping degree of the corneocytes increases, the effective diffusion coefficient decreases. An increasing corneocyte diameter also results in a decreasing effective diffusion coefficient. As a result of simulations with a modified distribution coefficient, the distribution coefficient has no influence on the effective diffusion coefficient and the steady state although it considerably influences the lag time and the diffusion pattern in the non-steady state. If the distribution coefficient increases in favour of the corneocytes, the rate of diffusion decreases in the non steady state and the lag time increases. The values for the effective diffusion coefficient of the three-dimensional models demonstrate a high level of approximation to experimentally established values. Three-dimensional digital reconstruction of the stratum corneum with subsequent simulation of the substantial diffusion through the stratum corneum improves the basic understanding of the diffusion processes in the stratum corneum during the non steady state and the steady state, and forms a well-established basis for the further development of alternative animal experiment methods on the basis of simulations. Based on this paper, work is currently being performed on developing an industrially applicable alternative animal experiment method in cooperation between the University of Heidelberg’s Chair of Technical Simulation and ZEBET (Centre for Documentation and Evaluation of Alternatives to Animal Experiments of the Federal Institute for Risk Evaluation).

Untersuchungen des Stratum corneum der Haut sind mit enormen apparativen und experimentellen Schwierigkeiten behaftet. Dies ist der Grund, weshalb die physikalischen Eigenschaften dieser Hautschicht bisher nur mangelhaft verstanden sind. Die numerische Simulation der Arzneimitteldiffusion durch das Stratum corneum ermöglicht ein vertieftes Verständnis dieser Eigenschaften, wobei sich diese Arbeit mit der dreidimensionalen Lösung dieser Problems befasst. Zur dreidimensionalen digitalen Rekonstruktion des Stratum corneum der Epidermis wurde in der Programmiersprache C++ das Softwaretool CuboidModeller programmiert. Der CuboidModeller ermöglicht die Erstellung von dreidimensionalen digitalen Stratum corneum-Modellgebieten, bestehend aus zwei homogenen Phasen, dem Lipid und den Korneozyten, mit variablen Geometrieparametern. Der CuboidModeller baut das Modellgebiet aus Hexaedern bestehend mit einem an das Backsteinmauermodell angelehnten Aussehen auf. Die Größe des Modellgebiets, die Größe und Dicke der Korneozyten, der Überlappungsgrad der Korneozyten und der Lipidanteil sind frei wählbar. Durch diese Funktion besteht die Möglichkeit, das Stratum corneum verschiedener Spezies und unterschiedlicher Körperregionen zu rekonstruieren. Neben einer Geometriebeschreibung brick.lgm für das gewünschte Modellgebiet ΩM im lgm-Format erzeugt der CuboidModeller ein Gitter brick.ng für ΩM im ng-Format, welches aus Hexaedern besteht. Die erzeugten Gitter lassen sich sowohl isotrop als auch anisotrop verfeinern. Mit dem Simulationswerkzeug UG werden brick.lgm und brick.ng eingelesen und Berechnungen der stofflichen Diffusion mit Hilfe der dreidimensionalen Stratum corneum-Geometrie ΩM durchführt. Auf den erstellten Stratum corneum-Modellgebieten wurden mit dem Simulationswerkzeug UG die substantielle Diffusion in einem Non steady state-Modell simuliert. Hierdurch kann die zeitliche Entwicklung eines Wirkstoffspiegels im Körper bei der transkutanen Aufnahme von Stoffen schon in einem frühen Entwicklungsstadium dieser Substanzen abgeschätzt werden. Zur Validierung wurde eine Simulation mit einem relativen Diffusionskoeffizienten von Dkor/Dlip = 1, also auf einer homogenen Membran durchgeführt. Es wurden mehrere zeitabhängige Konzentrationsprofile innerhalb des Stratum corneum-Modellgebiets in Abhängigkeit von der Korneozytenpermeabilität Dkor/Dlip ermittelt und graphisch dargestellt. Die Simulationen mit unterschiedlichen relativen Diffusionskoeffizenten von 10-2 bis 10-6 wurden graphisch ausgewertet und zeigten ab Dkor/Dlip = 10-5 einen ähnlichen Verlauf, der auch mit in-vitro-Studien vergleichbar ist. Es konnte festgestellt werden, dass ein relativer Diffusionskoeffizient von größer 10-6 keine Veränderungen in der effektiven Diffusionsrate auslöst. Bei Simulationen mit verschiedenen Größeneinstellungen des Stratum corneum war ein deutlicher Einfluss der Stratum corneum-Größenverhältnisse auf die effektive Diffusionsrate festzustellen. Bei steigender Schichtanzahl verminderte sich, wie zu erwarten war, die effektive Diffusionsrate. Der effektive Diffusionskoeffizient ist hingegen zum Dickenverhältnis von Korneozyt zu Lipidkanal beinahe proportional. Mit steigendem Überlappungsgrad der Korneozyten sinkt der effektive Diffusionskoeffizent. Auch ein steigender Korneozytendurchmesser hat einen sinkenden effektiven Diffusionskoeffizenten zur Folge. Simulationen mit einem veränderten Verteilungskoeffizenten ergaben, dass der Verteilungskoeffizent auf den effektiven Diffusionskoeffizienten und den Steady state keinen Einfluss hat, sehr wohl aber auf die lag-time und den Diffusionsverlauf im Non steady state. Steigt der Verteilungskoeffizent zu Gunsten der Korneozyten, so vermindert sich die Diffusionsrate im Non steady state und die lag-time steigt. Die Werte für den effektiven Diffusionskoeffizenten der dreidimensionalen Modelle zeigen eine gute Annäherung an experimentell ermittelte Werte. Die dreidimensionale digitale Rekonstruktion des Stratum corneum mit anschließender Simulation der substantiellen Diffusion durch das Stratum corneum verbessert das Grundverständnis der Diffusionsvorgänge im Stratum corneum während des Non steady states und des Steady states und bildet eine fundierte Grundlage für die Weiterentwicklung von Tierversuchsergänzungs- und -ersatzmethoden auf der Basis von Simulationen. In Zusammenarbeit des Lehrstuhls für „Technische Simulation“ der Universität Heidelberg mit der ZEBET (Zentralstelle zur Erfassung und Bewertung von Ersatz- und Ergänzungsmethoden zum Tierversuch des Bundesinstitutes für Risikobewertung) wird zur Zeit aufbauend, auf der vorliegenden Arbeit, an der Entwicklung einer industriell einsetzbaren Tierversuchsersatzmethode gearbeitet.

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Wagner, Christine: Dreidimensionale digitale Rekonstruktion des humanen Stratum corneum der Haut in Kombination mit Simulation substantieller Diffusion durch das Stratum corneum. Hannover 2008. Tierärztliche Hochschule.

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