Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Einfluss des Lipidmusters und der Morphologie der Epidermis auf transdermale Permeationsraten im In-vitro-Versuch

Stahl, Jessica

In-vitro permeation experiments are used in pharmacological, toxicological and cosmetical research to characterize transdermal drug transport. However, permeability is subject to considerable inter- and intraspecies variance caused by differences in biochemical and morphological skin characteristics. In the present study a comprehensive comparison of morphological parameters and epidermal lipid compositions in four skin models was obtained, which are relevant in dermatological research (cattle: udder skin, pig and dog: lateral abdominal skin, rat: abdominal and back skin). The aim was to characterize influences of these skin properties on transdermal drug transport as a basis for further research in topically applied drugs in veterinary medicine. Moreover, the examined skin types were evaluated concerning their suitability as replacement to human material in in-vitro diffusion experiments. Morphological skin parameters (e.g. thickness of the epidermis) were obtained in cryostat slices (hematoxylin eosin stained). High-performance thin-layer chromatography (HPTLC) was used to analyze epidermal lipid compositions. It was shown that both morphological skin structure (e.g. hair follicle density) and epidermal lipid compounds differ considerably between the different species. Furthermore, permeation rates of some nonsteroidal anti-inflammatory drugs (flufenamic acid, ibuprofen, indomethacin and salicylic acid) were examined in Franz diffusion cells over a period of 30 hours in split skin of the four species (thickness 500 µm). A general ranking for permeation rates could be established: pig < dog < cattle < rat. Moreover, each species showed the same ranking for drug permeability, which correlated positively with the lipophilicity and negatively with the melting point of the drugs: salicylic acid < indomethacin < ibuprofen < flufenamic acid. The species´ permeation rates showed an inverse correlation with thickness of the stratum corneum and a positive correlation to total epidermal lipid content. In contrast to former reports in the literature a direct influence of several epidermal lipid fractions on percutaneous permeation could not be detected. The present study demonstrates an influence of stratum corneum thickness and total epidermal lipid content on permeation rates of the nonsteroidal anti-inflammatory drugs flufenamic acid, ibuprofen, indomethacin and salicylic acid in four dermatological relevant skin models. Porcine skin is a suited replacement to human material due to similarities of morphological skin structure and epidermal lipid composition. However, the examined skin types of dogs, cattle and rats are also useful models to human skin depending on the purpose of the respective study.

In-vitro-Permeationsversuche werden sowohl in der pharmakologischen, der toxikologischen als auch der kosmetischen Forschung zur näheren Charakterisierung des transdermalen Stofftransportes eingesetzt. Die Versuchsergebnisse unterliegen dabei stets erheblichen Ergebnisschwankungen, deren maßgebliche Ursachen Unterschiede in den biochemischen und morphologischen Hauteigenschaften sind. Mit der vorliegenden Arbeit wurde ein umfassender Vergleich morphologischer Parameter sowie epidermaler Lipidkompositionen von vier dermatologisch relevanten Hautmodellen angestrebt (Rinder: Euterhaut, Schweine und Hunde: laterale Bauchhaut, Ratten: Bauch- und Rückenhaut). Ziel der durchgeführten Untersuchungen war es, den Einfluss dieser Hauteigenschaften auf den transdermalen Stofftransport näher zu charakterisieren, um somit eine Grundlage für die weitere Entwicklung topisch applizierter Arzneimittel in der Veterinärmedizin zu schaffen. Zudem wurde die untersuchte Haut hinsichtlich ihrer Eignung als Ersatzmaterial für Humanhaut in In-vitro-Diffusionsversuchen bewertet. Dazu wurden morphologische Hautparameter (u.a. Dicke der Epidermis) an Kryostatschnitten (Hämatoxilin-Eosin gefärbt) untersucht. Die Untersuchung der epidermalen Lipide erfolgte mittels Hochleistungsdünnschichtchromatographie (HPTLC). Es wurde gezeigt, dass sich der morphologische Hautaufbau (z.B. die Haarfollikeldichte) ebenso wie die epidermale Lipidzusammensetzung zwischen den verschiedenen Spezies erheblich unterscheidet. Darüber hinaus wurde die Permeation der nichtsteroidalen Antiphlogistika Flufenaminsäure, Ibuprofen, Indomethacin sowie Salicylsäure über 30 Stunden an Spalthaut (500 µm Dicke) der vier Spezies in der Diffusionszelle nach FRANZ (1975) untersucht. In den Versuchen wurde für jede Testsubstanz die gleiche Reihenfolge der Permeabilität der untersuchten Spezies festgestellt: Schwein < Hund < Rind < Ratte. Zudem wies jede Tierart die gleiche Abfolge der Testsubstanzpermeabilität auf (Salicylsäure < Indomethacin < Ibuprofen < Flufenaminsäure), die positiv mit der Lipophilie und negativ mit dem Schmelzpunkt der eingesetzten Substanzen korrelierte. Beim Vergleich der Permeationsraten der einzelnen Tierarten mit den untersuchten hautphysiologischen Parametern wurden Zusammenhänge zwischen der Hautdurchlässigkeit und der Dicke des Stratum corneum (negative Korrelation) sowie dem epidermalen Gesamtlipidgehalt (positive Korrelation) festgestellt. Ein direkter Einfluss einzelner Lipidfraktionen der Epidermis auf die transdermale Permeation wurde trotz Hinweisen aus der einschlägigen Literatur nicht nachgewiesen. Die vorliegende Arbeit zeigt einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Hornschichtdicke sowie dem epidermalen Gesamtlipidgehalt und der Hautdurchlässigkeit von den nichtsteroidalen Antiphlogistika Flufenaminsäure, Ibuprofen, Indomethacin und Salicylsäure bei vier dermatologisch relevanten Hautmodellen. Porcine Haut erweist sich aufgrund der ähnlichen Morphologie und epidermalen Lipidzusammensetzung als geeignetes Ersatzmaterial zu humanem Material. Allerdings sind auch die untersuchten Häute der Spezies Hund, Ratte und Rind in Abhängigkeit von der Fragestellung als Vergleichsmodelle zur menschlichen Haut geeignet.  

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Stahl, Jessica: Einfluss des Lipidmusters und der Morphologie der Epidermis auf transdermale Permeationsraten im In-vitro-Versuch. Hannover 2007. Tierärztliche Hochschule.

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