Interaction of nanoscale particles with the skin barrier

Abstract

Skin penetration of nanoparticles was the focus of several recent studies. This is of major importance in basic research for potential future applications, e.g. designing topical and transdermal delivery systems, as well as for health risk analysis. Yet, there is a controversy among researchers on the status of their skin penetration due to different experimental setups. Meanwhile, there is little known about the mechanism and determinants of nanoparticle penetration. The main thesis objective was hence to study the penetration of model gold nanoparticles of different physicochemical and formulation parameters through human skin of different degrees of barrier integrity. Multiphoton microscopy was used for nanoparticle detection. Imaging parameters were determined in terms of resolution and depth profiling of gold nanoparticles in skin. A semiquantitative approach based on pixel analysis of gold nanoparticles was developed to compare nanoparticle localization in different skin locations under different conditions. Based on penetration experiments, determinants that favor or limit particle penetration were determined as well as the barrier to penetration (intercellular lipids). Finally nanoparticle penetration was successfully enhanced using a chemical enhancement approach. Results obtained are important to enhance our understanding of nanoparticle interaction with the skin barrier. Future studies are required to reduce the gap between research and applications.

Die Penetration von Nanopartikeln ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Diese Frage ist von großer Bedeutung für die Anwendung im Bereich der Nanomedizin als auch für die Abschätzung des Risikopotenzials bei Kontakt mit solchen Systemen. Bis dato sind allerdings keine eindeutigen Aussagen möglich. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Untersuchung des Penetrationsverhaltens anhand von kolloidalem Gold (AuNP). Dieses Modellsystem erlaubt die Untersuchung der Penetration in Abhängigkeit von verschiedenen physikochemischen Eigenschaften der Partikel (oberflächenmodifiziert), als auch von Formulierungseigenschaften (Vehikel). Die AuNP erlauben eine Visualisierung mittels Multiphotonen Mikroskopie. Daher wurden die Auflösung und die optischen Parameter für AuNP in Haut bestimmt. Des Weitern wurde ein Pixel-basiertes Verfahren ermittelt, das eine semiquantitative Analyse der penetrierten Objekten ermöglicht. Dies erlaubt eine Abschätzung der Partikelpenetration. Penetrationsexperimente erlaubten die Parameter, die die Penetration beeinflussen, hinsichtlich Größe und Oberflächenpolarität einzuschränken. Außerdem konnte gezeigt werden, dass auch die Penetration von Nanopartikeln mit Hilfe von Penetrationsverbesserern gesteigert werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind wichtige Bausteine für das Verständnis der Interaktion von Nanopartikeln mit der Hautbarriere. Zukünftige Studien sind dennoch nötig, um die Lücke zwischen Forschung und möglicher Anwendung zu schließen.