title: Application of UV-radiation and UV-responsive nanocapsules for skin antisepsis
Creators: name: Busch, Loris
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2023
Subjects: Haarfollikel
UVA
Pharmacology &amp; therapeutics, prescription drugs
Pharmakologie, Therapeutik
Hautantisepsis
Wunden
Nanokapseln
DNA Schäden
Stratum corneum
Melanin
UVC
LED
Hauttyp
Kontrollierte Wirkstofffreisetzung

description: Angesichts der weltweiten Belastung des Gesundheitswesens durch postoperative Wundinfektionen (SSI) und der steigenden Prävalenz multiresistenter Bakterien, war das Ziel dieser Dissertation die Umsetzung zweier neuartiger und innovativer Ansätze für eine verbesserte Hautantisepsis. Haarfollikel stellen ein dicht kolonisiertes Erregerreservoir dar. Bei langwierigen chirurgischen Eingriffen kann es daher zu einer Rekolonisierung der Hautoberfläche aus diesem Reservoir, und der Verschleppung potenzieller Krankheitserreger in das Operationsgebiet, kommen. Es ist bekannt, dass SSI in 90% aller Fälle durch endogene Keime verursacht werden. Daraus ergeben sich zwei mögliche Ansätze für eine verbesserte Hautantisepsis: die Dekontamination tiefer Bereiche der Haarfollikel und die wiederholte intraoperative Dekontamination der Haut. Der erste Teil dieser Dissertation zielte auf die Anwendung eines pharmazeutisch basierten Ansatzes zur verbesserten Hautantisepsis ab. Basierend auf dem so genannten Ratscheneffekt dringen Nanopartikel in Haarfollikel ein, wenn äußere Kräfte auf sie einwirken. So ist bekannt, dass mit Nano-Delivery-Systemen eine deutlich tiefere follikuläre Penetration von Therapeutika erreicht werden kann als mit der Anwendung von freien Wirkstofflösungen. Eine gezielte Eradikation könnte also durch eine kontrollierte Freisetzung von Antiseptika in den tieferen Segmenten der Haarfollikel erfolgen, während diese Segmente für nicht partikuläre Substanzen unzugänglich sind. Für eine gezielte und schnelle Freisetzung des in den Nanokapseln (NCs) enthaltenen Antiseptikums wurde Ultraviolett A (UVA) Licht verwendet, da es die dermalen Hautbereiche erreichen kann. Dieser Ansatz wurde mit UVA Licht emittierenden Dioden (LED) sowie biokompatiblen photoresponsiven NCs verfolgt. Die erste von zwei Studien konzentrierte sich auf Prinzipexperimente zum Nachweis der Möglichkeit einer follikulären Penetration und intrafollikulären UV-getriggerten Wirkstofffreisetzung unter Verwendung von biokompatiblen Polyurethan (PU)-NCs. Anhand eines ex vivo Schweinehautmodells wurde ein UVA-abhängiger Abbau der NCs bei einer mittleren follikulären Eindringtiefe von etwa 500 µm festgestellt, wobei der Modellwirkstoff Sulforhodamin 101 (SR101) in kryohistologischen Schnitten mit konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) verfolgt wurde. In einem weiteren Ansatz wurden Hydroxyethylstärke (HES)-NCs verwendet, die auf der gleichen Technologie basierten. Mit diesen konnte eine vergleichbare follikuläre Eindringtiefe erreicht werden. In einem abschließenden Experiment, bei dem HES-NCs mit eingekapseltem Ethanol verwendet wurden, konnte hinsichtlich der Dekolonisierung kein signifikanter Unterschied zu einer partikelfreien Kontrolle (80% Ethanol) auf der ex vivo Schweineohrhaut festgestellt werden, was zeigt, dass die Wahl der Nanoträgermaterialien immer mit dem Anwendungsbereich und der Kompatibilität mit der kontinuierlichen Phase abgestimmt werden sollte.

Ergänzend dazu stellt Fern-UVC-Licht (UVC unter einer Wellenlänge von 240 nm) den zweiten Ansatz zur Dekontamination der Hautoberfläche dar, da es sich sehr leicht sequentiell anwenden lässt und somit rekolonisierte Flächen schnell desinfizieren kann um SSI zu verhindern. Fern-UVC-Strahlung hat aufgrund ihrer hohen Energie den Vorteil, dass sie resistenzfrei Pathogene durch die sofortige Erzeugung von DNA-Läsionen inaktiviert. Im Gegensatz zur UVC-Strahlung von 254 nm, die meist zur Desinfektion von Wasser und Oberflächen eingesetzt wird, wird sie in der obersten, nicht nukleierten Schicht der Haut, dem Stratum corneum, stark absorbiert. Daher ist die Penetration von Fern-UVC-Photonen in die Lebendepidermis nur begrenzt möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neuartige LED, die Fern-UVC-Licht mit einer Peak-Wellenlänge von 233 nm emittiert, an verschiedenen Hautmodellen hinsichtlich der Bildung von DNA-Schäden und freien Radikalen umfassend auf ihre Hautverträglichkeit geprüft. Dabei wurden zuvor von den Projektpartnern der Universitätsmedizin Greifswald ermittelte mikrobiozide Dosen eingesetzt. Bei einer Anwendungsdosis von 40 bis 60 mJ/cm2 konnte eine vollständige Eradikation von Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) auf Agarplatten und Keimträgern beobachtet werden. Die Bestrahlung mit mikrobiozidem 233 nm Fern-UVC führte zu geringeren DNA-Schäden in intakter ex vivo Humanhaut im Vergleich zu 10% einer minimalen Erythemdosis (MED) UVB-Strahlung. Darüber hinaus war die Bildung freier Radikale in rekonstruierten humanen Epidermismodellen geringer als bei sichtbarer und nahinfraroter (VIS–NIR) Bestrahlung, die einem 20-minütigen Aufenthalt in der Mittagssonne entspricht. Um der Frage nachzugehen, ob 233 nm Fern-UVC-Strahlung auch während chirurgischer Eingriffe an Wunden angewandt werden kann, wurde in der Folgestudie ein ex vivo Wundmodell zur Risikobeurteilung von 233 nm Fern-UVC-Strahlung untersucht. Hier wurde nach Bestrahlung mit 233 nm Fern-UVC eine Zunahme und Verlagerung von DNA-Läsionen in tiefere Bereiche der wunden Haut beobachtet. Interessanterweise führte das Auftragen von künstlichem Wundexsudat auf die exponierte Lebendepidermis vor der Bestrahlung zur Nachahmung der photoprotektiven Funktion eines intakten Stratum corneum. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass in der Wunde eine gewisse Menge an freien Radikalen gebildet wird, was die Wundheilung unterstützen könnte. Um den Einfluss der Melaninkonzentration zu ermitteln, wurde menschliche Haut verschiedener Hauttypen ex vivo mit 222 nm und 233 far-UVC-Licht sowie mit breitbandigem UVB-Licht bestrahlt. In dieser Studie zeigte sich, dass die Bildung von DNA-Läsionen bei dunklen Hauttypen nach Bestrahlung mit 233 nm geringer war als bei hellen Hauttypen. Die Bestrahlung bei 222 nm verursachte jedoch aufgrund ihrer begrenzten Eindringtiefe keine hauttypabhängigen Unterschiede. Im Gegensatz dazu verursachte UVB eine starke Divergenz zwischen hellen und dunklen Hauttypen bei der Anwendung von 10% einer MED. Die Melaninkonzentration unterscheidet sich zwischen hellen und dunklen Hauttypen in der oberen Epidermis weniger als in den tiefen Schichten der Epidermis. Dies führt, basierend auf der maximalen Eindringtiefe der jeweiligen Wellenlänge, zu hauttypabhängigen Abweichungen in der Verträglichkeit der Strahlung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der in dieser Dissertation untersuchte nanopartikelbasierte Ansatz zur Hautdekolonisierung durch den Fern-UVC-Licht-basierten Ansatz sinnvoll ergänzt wird und beide Ansätze Potenzial für eine präoperative sowie intraoperative Hautantiseptik besitzen. Dennoch müssen für eine endgültige Umsetzung noch deutliche Optimierungen auf pharmazeutischer Seite gesucht werden. Der Einsatz von Fern-UVC-LEDs zur Dekontaminierung der Hautoberfläche wurde in der vorliegenden Arbeit erstmals umfassend behandelt. Auch hier müssen für die endgültige Umsetzung weitere Studien zur Risikobewertung durchgeführt werden.