Forscher der Northwestern University haben eine synthetische Melanincreme entwickelt, die die Haut vor Sonnen- und Umweltschäden schützt und heilt, indem sie freie Radikale abfängt. Es hat potenzielle Anwendungsmöglichkeiten im Sonnenschutz, bei der Wundheilung und zur Abwehr von Umweltgiften, wobei klinische Studien in Sicht sind. Die obige entzündete Haut zeigt freie Radikale (grün) in der Haut. ROS sind „reaktive Sauerstoffspezies“ oder freie Radikale. Bildnachweis: Yu Chen, Northwestern University
Synthetische Cremes schützen die Haut auch vor Sonnenschäden.
Stellen Sie sich eine Hautcreme vor, die Schäden heilt, die durch tägliche Sonneneinstrahlung und Umweltgifte verursacht werden. Wissenschaftler der Northwestern University haben ein synthetisches, biomimetisches Melanin entwickelt, das das Potenzial hat, genau das zu tun.
Dieses synthetische Melanin, das dem natürlichen Melanin der menschlichen Haut nachempfunden ist, beschleunigt nachweislich die Wundheilung, wenn es topisch auf verletzte Haut aufgetragen wird. Diese Effekte treten sowohl in der Haut selbst als auch systemisch im Körper auf.
Wenn es in einer Creme aufgetragen wird, kann das synthetische Melanin die Haut vor Sonneneinstrahlung schützen und durch Sonnenschäden oder chemische Verbrennungen geschädigte Haut heilen, sagten die Wissenschaftler. Die Technologie fängt freie Radikale ein, die durch verletzte Haut wie beispielsweise einen Sonnenbrand entstehen. Wenn die Aktivität freier Radikale nicht kontrolliert wird, schädigt sie die Zellen und kann letztendlich zu Hautalterung und Hautkrebs führen.
Die Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht npj Regenerative Medizin.
Melanin sorgt bei Menschen und Tieren für die Pigmentierung von Haut, Augen und Haaren. Die Substanz schützt Ihre Zellen vor Sonnenschäden durch eine erhöhte Pigmentierung als Reaktion auf Sonnenlicht – ein Vorgang, der allgemein als Bräunung bezeichnet wird. Dasselbe Pigment in Ihrer Haut fängt auch auf natürliche Weise freie Radikale als Reaktion auf schädliche Umweltverschmutzung durch Industriequellen und Autoabgase ab.
„Die Menschen betrachten ihren Alltag nicht als eine Verletzung ihrer Haut“, sagte der Mitautor Dr. Kurt Lu, Eugene und Gloria Bauer Professor für Dermatologie an der Universität Nordwestliche Universität Feinberg School of Medicine und Dermatologe der Northwestern Medicine. „Wenn man jeden Tag ohne Gesicht in der Sonne herumläuft, wird man ständig mit ultraviolettem Licht bombardiert. Dies verschlimmert sich während der Hauptverkehrszeiten am Mittag und in der Sommersaison. Wir wissen, dass sonnenexponierte Haut im Vergleich zu durch Kleidung geschützter Haut altert, bei der das Alter nicht annähernd so deutlich sichtbar ist.“
B-Rolle aus dem Dermatologielabor des Studienautors Dr. Kurt Lu. Bildnachweis: Northwestern University
Die Haut altert auch aufgrund der chronologischen Alterung und äußerer Umweltfaktoren, einschließlich Umweltverschmutzung.
„All diese Schäden an der Haut führen zu freien Radikalen, die Entzündungen verursachen und das Kollagen abbauen“, sagte Lu. „Das ist einer der Gründe, warum ältere Haut ganz anders aussieht als jüngere Haut.“
Als die Wissenschaftler die synthetischen Melanin-Nanopartikel herstellten, veränderten sie die Melaninstruktur, um eine höhere Fähigkeit zum Abfangen freier Radikale zu erreichen.
Das synthetische Melanin wird auf entzündete Haut aufgetragen. Direkt unter der Hautoberfläche befinden sich grüne freie Radikale, auch bekannt als ROS oder „reaktive Sauerstoffspezies“. Bildnachweis: Yu Chen, Northwestern University
„Das synthetische Melanin ist in der Lage, im Vergleich zu menschlichem Melanin mehr Radikale pro Gramm abzufangen“, sagte Mitautor Nathan Gianneschi, Jacob und Rosaline Cohn Professor für Chemie, Materialwissenschaft und -technik, Biomedizintechnik und Pharmakologie an der Northwestern University. „Es ist wie Super-Melanin. Es ist biokompatibel, abbaubar, ungiftig und klar, wenn es auf die Haut gerieben wird. In unseren Studien fungiert es als effizienter Schwamm, der schädliche Faktoren entfernt und die Haut schützt.“
Nach dem Auftragen auf die Haut bleibt das Melanin an der Oberfläche und wird nicht von den darunter liegenden Schichten absorbiert.
„Das synthetische Melanin stabilisiert und versetzt die Haut in einen Heilungsprozess, den wir sowohl in den oberen Schichten als auch im ganzen Körper sehen“, sagte Gianneschi.
Sich einer neuen Theorie zuwenden
Die Wissenschaftler, die Melanin seit fast 10 Jahren erforschen, testeten ihr synthetisches Melanin zunächst als Sonnenschutzmittel.
„Es schützte die Haut und die Hautzellen vor Schäden“, sagte Gianneschi. „Als nächstes fragten wir uns, ob das synthetische Melanin, das vor allem die Funktion hat, Radikale aufzusaugen, nach einer Hautverletzung äußerlich angewendet werden kann und eine heilende Wirkung auf die Haut hat? Es stellt sich heraus, dass es genau so funktioniert.“
Lu stellt sich vor, dass die synthetische Melanincreme als Sonnenschutzverstärker für zusätzlichen Schutz und als Verstärker in Feuchtigkeitscremes zur Förderung der Hautreparatur verwendet wird.
Illustration einer Schicht des synthetischen Melanins, die sich auf entzündeter Haut befindet. Bildnachweis: Yu Chen, Northwestern University
„Sie können es anziehen, bevor Sie in die Sonne gehen, und nachdem Sie in der Sonne waren“, sagte Lu. „In beiden Fällen zeigten wir eine Verringerung von Hautschäden und Entzündungen. Sie schützen die Haut und reparieren sie gleichzeitig. Es ist eine kontinuierliche Reparatur.“
Die Creme könnte möglicherweise auch bei Blasen und offenen Wunden eingesetzt werden, sagte Lu.
Eine topische Creme beruhigt das Immunsystem
Gianneschi und Lu entdeckten, dass die synthetische Melanincreme das Immunsystem beruhigt, indem sie die freien Radikale nach einer Verletzung aufsaugt. Das Stratum corneum, die äußere Schicht reifer Hautzellen, kommuniziert mit der darunter liegenden Epidermis. Es ist die Oberflächenschicht, die Signale vom Körper und von der Außenwelt empfängt. Durch die Beruhigung der zerstörerischen Entzündung an dieser Oberfläche kann der Körper mit der Heilung beginnen, anstatt sich noch stärker zu entzünden.
„Die Epidermis und die oberen Schichten stehen mit dem gesamten Körper in Verbindung“, sagte Lu. „Das bedeutet, dass die Stabilisierung dieser oberen Schichten zu einem aktiven Heilungsprozess führen kann.“
Wie das Experiment funktionierte
Die Wissenschaftler verwendeten eine Chemikalie, um eine blasenbildende Reaktion auf eine menschliche Hautgewebeprobe in einer Schale hervorzurufen. Die Blasenbildung erschien als Ablösung der oberen Hautschichten voneinander.
„Es war sehr entzündet, wie eine Giftefeu-Reaktion“, sagte Lu.
Die Haut ist nach der Behandlung mit dem synthetischen Melanin nun wiederhergestellt. entzündete Haut. Bildnachweis: Yu Chen, Northwestern University
Sie warteten ein paar Stunden und trugen dann ihre topische Melanincreme auf die verletzte Haut auf. Innerhalb der ersten Tage förderte die Creme eine Immunantwort, indem sie zunächst die Erholung der hauteigenen Radikalfängerenzyme unterstützte und dann die Produktion von Entzündungsproteinen stoppte. Dies löste eine Kaskade von Reaktionen aus, bei denen deutlich höhere Heilungsraten beobachtet wurden. Dazu gehörte auch der Erhalt gesunder Hautschichten darunter. Bei Proben, die nicht mit Melanincreme behandelt wurden, blieb die Blasenbildung bestehen.
„Die Behandlung bewirkt, dass die Haut in einen Heilungs- und Reparaturzyklus versetzt wird, der vom Immunsystem gesteuert wird“, sagte Lu.
Melanin könnte Menschen vor Giftstoffen, einschließlich Nervengasen, schützen
Gianneschi und Lu untersuchen Melanin im Rahmen von Forschungsprogrammen, die vom US-Verteidigungsministerium (DOD) und dem US-Verteidigungsministerium finanziert werden Nationales Gesundheitsinstitut (NIH). Dazu gehörte auch die Betrachtung von Melanin als Farbstoff für Kleidung, der auch als Absorber für Giftstoffe in der Umwelt, insbesondere Nervengas, wirken würde. Sie zeigten, dass sie mit dem Melanin eine Militäruniform schwarz färben konnten und dass es das Nervengas absorbieren würde.
Melanin absorbiert auch Schwermetalle und Giftstoffe. „Obwohl es auf natürliche Weise auf diese Weise wirken kann, haben wir es mit unserer synthetischen Version so konstruiert, dass die Absorption dieser giftigen Moleküle optimiert wird“, sagte Gianneschi.
B-Rolle aus dem Chemielabor des Studienautors Nathan Gianneschi. Bildnachweis: Northwestern University
Die Wissenschaftler verfolgen die klinische Umsetzung und testen die Wirksamkeit der Creme mit synthetischem Melanin. In einem ersten Schritt haben die Wissenschaftler kürzlich einen Versuch abgeschlossen, der zeigt, dass die synthetischen Melanine die menschliche Haut nicht reizen.
Aufgrund ihrer Beobachtung, dass Melanin biologisches Gewebe vor energiereicher Strahlung schützt, vermuten sie, dass dies eine wirksame Behandlung für Hautverbrennungen durch Strahlenbelastung sein könnte.
Die vielversprechende Arbeit könnte künftig Behandlungsmöglichkeiten für Krebspatienten bieten, die sich einer Strahlentherapie unterziehen.
Referenz: „Topische Anwendung von synthetischem Melanin fördert die Gewebereparatur“ von Dauren Biyashev, Zofia E. Siwicka, Ummiye V. Onay, Michael Demczuk, Dan Xu, Madison K. Ernst, Spencer T. Evans, Cuong V. Nguyen, Florencia A. Sohn, Navjit K. Paul, Naneki C. McCallum, Omar K. Farha, Stephen D. Miller, Nathan C. Gianneschi und Kurt Q. Lu, 2. November 2023, npj Regenerative Medizin.
DOI: 10.1038/s41536-023-00331-1
Weitere Autoren aus dem Nordwesten sind: Dauren Biyashev, Zofia Siwicka, Ummiye Onay, Michael Demczuk, Madison Ernst, Spencer Evans, Cuong Nguyen, Florencia Son, Navjit Paul, Naneki McCallum, Omar Farha, Stephen Miller und Dan Xu.
Die Forschung wurde durch den Zuschuss U54 AR079795 des National Institute of Arthritis, Musculoskeletal and Skin Diseases des NIH und den Zuschuss FA9550-18-1-0142 des DOD unterstützt.