Epidermale und dermale Aspekte der Hautalterung - Die Rolle von Toll-like Rezeptor 3 in der Epidermis und die Elastinfaserbildung in der Dermis

Abstract

Die menschliche Haut als äußerste Schutzschicht vor Umwelteinflüssen, aber auch als Spiegel der äußerlichen Schönheit ist ein zentrales Thema kosmetischer Forschung. Vorwiegendes Ziel dieser Forschung ist es, unerwünschte Veränderungen, die im Rahmen der intrinsischen und extrinsischen Alterung auftreten, entweder zu reparieren oder diese von vornherein zu verhindern. Die Mechanismen, die der sichtbaren Hautalterung zugrunde liegen bzw. mögliche Ansatzpunkte, um dieser entgegen zu wirken, sind häufig nur unzureichend verstanden. Im Kontext der epidermalen Hautalterung wurde in dieser Arbeit die Funktion von Toll-like Rezeptor 3 (TLR 3) hinsichtlich einer über die Rolle eines Immunrezeptors hinausgehenden Bedeutung untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass TLR 3 in der Haut und im Modell nahezu exklusiv in basalen undifferenzierten Keratinozyten exprimiert wird. Dabei liegt TLR 3 in der Haut alter Spender im Vergleich zu jungen Spendern reduziert vor. Eine literaturseitig beschriebene Relevanz im Lipidstoffwechsel der Haut konnte dabei im siRNA Knockdown nicht bestätigt werden. Hingegen wurde gezeigt, dass die Aktivierung von TLR 3 zur Repression wichtiger Marker der epidermalen Differenzierung führt und damit potenziell zum Erhalt des basalen Status der Keratinozyten beiträgt. Ein Human Whole Genome Array konnte zeigen, dass sich die Aktivierung von TLR 3 in humanen Keratinozyten noch auf eine Reihe weiterer nicht-inflammatorischer Prozesse wie Zellproliferation und –überleben auswirkt. Die Daten zeigen außerdem, dass TLR 3 über eine Induktion von tight junction Proteinen möglicherweise einen Beitrag zur Ausbildung der Hautbarriere leisten kann, wohingegen die Repression des Desmosom Proteins DSG1 eher einen Barrieredefekt verursacht. In Verbindung mit UV-Strahlung ist TLR 3 in der Literatur als ausschlaggebender Sensor für UV-Schäden beschrieben. Hier konnte mit Hilfe von ex vivo Hautmaterial und korrespondierenden MED-Werten (minimale Erythemdosis) des gleichen Probanden gezeigt werden, dass ein starker Zusammenhang zwischen dem TLR 3-Expressionsniveau eines Probanden und seiner Sensibilität gegenüber UV-Strahlung besteht. Dieses Ergebnis zeigt eindrucksvoll, dass unterschiedliche TLR 3-Level in vivo einen Phänotyp verursachen und somit eine Modulation von TLR 3 und seiner Funktion kosmetische Relevanz besitzt. Wie die unterschiedlichen Einflüsse von TLR 3 zur die Gesamthomöostase der Epidermis beitragen und wie junge und insbesondere gealterte Haut von einer Modulation der TLR 3-Aktivität profitzieren, müssen zukünftige Studie zeigen. Die dermale Hautalterung geht insbesondere mit einem Elastizitätsverlust einher. Ursächlich dafür ist der Verlust funktionaler elastischer Fasern. Um diese zu regenerieren, ist ein detailliertes Verständnis der Elastogenese nötig. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dafür ein weiterführendes Zellkulturmodell humaner dermaler Fibroblasten mit Fluoreszenz-markiertem Elastin etabliert. Die Überexpression von funktionalem Citrin-Elastin in neonatalen und adulten Fibroblasten zeigt, dass die Expression von Elastin allein ausreicht, um ein eindrucksvolles Netzwerk elastischer Fasern zu generieren. Entscheidend für die Ablagerung von Elastin in der extrazellulären Matrix ist dabei das Gerüst an Mikrofibrillen, so dass eine kosmetische Modulation der Elastinmenge nur bei einer intakten Matrix sinnvoll erscheint. Zur Untersuchung der Ultrastruktur der gebildeten Elastinfasern wurde die Ground state depletion (GSD) Mikroskopie angewendet. Die GSD-Analysen zeigten, dass die elastische Faser kein Kern amorphen Elastins gesäumt von Mikrofibrillen ist, sondern vielmehr ein Gerüst aus Mikrofibrillen, das mit globulären Elastinstrukturen besetzt ist. Die hier erhobenen Daten zur Rolle von TLR 3 in der Epidermis und das vorgestellte Modell des fluoreszenten Netzwerks elastischer dermaler Fasern liefern damit relevante Befunde und neue Aspekte für wissenschaftliche Fragestellungen und kosmetische Anwendungen und sollten in weiterführenden Projekten detailliert untersucht werden.

The human skin as the outermost protective layer against environmental influences, as well as a mirror of beauty is a central theme of cosmetic research. Predominant objective of this research is either to repair unwanted changes that occur as part of intrinsic and extrinsic aging or to prevent them from the start. The underlying mechanisms of skin aging, or possible approaches to counteract visible skin aging, are often poorly understood. In the context of epidermal skin aging the function of Toll-like receptor 3 (TLR 3) was examined beyond its importance as an immune receptor. It was shown that TLR 3 in the skin and in an in vitro model is expressed almost exclusively in basal undifferentiated keratinocytes. In skin samples of aged donors TLR 3 levels are reduced compared to those of young donors. A relevance of TLR 3 for the skin’s lipid metabolism as reported in the literature could not be confirmed via siRNA knockdown experiments. However, it was shown that the activation of TLR 3 leads to a repression of important epidermal differentiation markers and therefore could potentially preserve the basal status of epidermal keratinocytes. A human whole genome array demonstrated that the activation of TLR 3 affects a number of other non-inflammatory processes in human keratinocytes like cell proliferation and survival. The data presented here show that TLR 3 possibly supports the formation of the skin barrier by inducing tight junction proteins, whereas the repression of the desmosomal protein Dsg1 tends to cause a barrier defect. TLR 3 is reported to be the most important sensor for UV-induced cell damage. Analysis of ex vivo skin samples and the corresponding minimal erythemal dose (MED) of the same volunteer revealed a strong correlation of the volunteer's TLR 3-levels and his sensitivity for UV radiation. This illustrates that altered TLR 3 levels lead to an in vivo phenotype, which gives the modulation of TLR 3 and its function a relevance in cosmetics. Future studies need to demonstrate how the different influences of TLR 3 activation contribute to the overall epidermal homeostasis and how young and especially aged skin could benefit from a modulation of TLR 3 activity. Dermal skin aging is especially accompanied by a marked decrease of skin elasticity mainly via a strong loss of functional elastic fibers. A detailed knowledge of elastogenesis is needed to regenerate lost elastic fibers. In this work, an advanced cell culture model of human dermal fibroblasts expressing fluorescence-tagged elastin, Citrine-elastin, was established. Overexpression of Citrine-elastin in neonatal and adult fibroblasts showed, that the expression of elastin alone is sufficient to generate an imposing network of elastic fibers. In particular the microfibrillar scaffold seems to be of main importance when elastin is deposited during network formation. Hence, a modulation of elastin expression and deposition only appears to be advantageous if the extracellular matrix is intact. Ground State Depletion microscopy was used to analyze the ultrastructure of the elastic fibers formed in this model. GSD-analyses showed that the elastic fiber is a microfibrillar scaffold bordered with globular elastin structures rather than an amorphous core of elastin surrounded by microfibrils. The data presented here on the role of TLR 3 in the epidermis and the established cell culture model of fluorescent elastic dermal fibers thus provide relevant findings and new aspects for scientific research and cosmetic applications and should be examined in detail in further projects.