Verwendung eines Ex-vivo-Gewebemodells zur Untersuchung der Hautregeneration nach Mikronadelreizen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18115 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Microneedling ist ein beliebtes Verfahren zur Hauterneuerung und -verjüngung. Um bessere Zusatzprodukte für Verbraucher zu entwickeln, besteht wissenschaftlicher Bedarf an einem besseren Verständnis des Mechanismus, durch den Microneedling die Regeneration der Haut stimuliert. Der Zweck dieser Studie besteht darin, ein physiologisch relevantes Ex-vivo-Gewebemodell zu entwickeln, das das tatsächliche Microneedling-Verfahren genau nachahmt, um seinen Wirkungsmechanismus aufzuklären. In dieser Studie wurde menschliche Ex-vivo-Haut einer Mikronadelbehandlung unterzogen und 6 Tage lang kultiviert. Die histologische Analyse zeigte, dass die Ex-vivo-Haut während der gesamten Kulturperiode in der Lage war, durch Microneedling-Verletzungen zu heilen. Die Microneedling-Behandlung stimuliert die Proliferation und Barriererneuerung der Haut. Das Verfahren erhöhte außerdem dynamisch und zeitabhängig den Spiegel an entzündlichen Zytokinen und angiogenen Wachstumsfaktoren. Das Gewebe zeigte durch morphologische und molekulare Veränderungen nach der Behandlung charakteristische Anzeichen einer epidermalen Regeneration. Dies ist eine der ersten Arbeiten überhaupt, die mikrobenadelte Ex-vivo-Haut nutzt, um ihr regeneratives Verhalten zu demonstrieren. Unser Modell fasst die Grundzüge der Microneedling-Behandlung zusammen und ermöglicht die Bewertung zukünftiger kosmetischer Wirkstoffe, die in Verbindung mit Microneedling eingesetzt werden.

Minimalinvasive ästhetische Eingriffe sind beliebte Optionen für Verbraucher, die Lösungen für kosmetische Probleme suchen1. Der technologische Fortschritt der letzten Jahrzehnte hat leicht zugängliche und erschwingliche ästhetische Optionen zur Verjüngung und Korrektur der Gesichtshaut ermöglicht2. Unter den minimalinvasiven Verfahren ist Microneedling eine beliebte und schnell wachsende kosmetische Behandlung3. Microneedling hat sich als wirksam bei der Hautverjüngung, Narbenremodellierung, Melasma und anderen pigmentierten Hauterkrankungen erwiesen2,4,5,6,7,8. Dies wird erreicht, indem solide Nadelstifte verwendet werden, um die Epidermis (oder Dermis, abhängig von der Nadellänge) zu punktieren, wodurch Mikrowunden entstehen, die eine nachgeschaltete Wundheilungskaskade auslösen9. Diese Mikrowunden können auch als mikroskopische Kanäle für große Moleküle dienen, um die Hautbarriere zu überwinden und in tiefere Gewebeschichten einzudringen10. Das kosmetische Microneedling-Verfahren induziert die Hautregeneration und sorgt für eine verbesserte Penetration der Wirkstoffe in Produkten nach dem Eingriff11.

Die gängigen Geräte auf dem Markt reichen von mechanischen Rollern bis hin zu automatisierten elektrischen Stiften. Jedes Instrument variiert je nach Nadellänge und -dichte sowie der Nadelgeschwindigkeit (bei elektrisch betriebenen Geräten). Dermaroller für den Heimgebrauch (Nadellänge unter 0,5 mm) haben nachweislich die Fähigkeit, das Erscheinungsbild von Poren und feinen Linien zu reduzieren und die Aufnahme von Hautpflegeprodukten zu verbessern12. Unterdessen erzeugte das im klinischen Umfeld durchgeführte Microneedling mit einem automatisierten Dermapen (Nadellänge zwischen 0,5 und 3,5 mm) tiefere Mikrowunden, die Neoelastogenese und Neokollagenese induzierten12. Zwei der am häufigsten klinisch verwendeten Dermapens sind die von der FDA zugelassenen Candela Exceed-Geräte (Exceed, Amiea Med, MT.DERM GmbH, Berlin, Deutschland) und SkinPen-Geräte (Crown Aesthetics, Dallas, TX, USA). Das medizinische Microneedling-Gerät Candela Exceed ist ein System, das einstellbare Nadelgeschwindigkeiten und Eindringtiefen zur Behandlung von Aknenarben und Falten nutzt13. Ebenso ist der SkinPen für die Behandlung von Aknenarben und die Einleitung einer Hautverjüngung geeignet. Es wurde klinisch nachgewiesen, dass die Verwendung eines Dermapens mit einer Nadellänge von 1,0 mm die Hautstruktur und -straffung deutlich verbesserte14.

Ein tieferes Verständnis des Wirkmechanismus hinter der Mikronadelung ist nicht nur notwendig, um die Patientenversorgung zu verbessern, sondern kann auch Möglichkeiten zur Regulierung molekularer Signalwege bieten, die für Mikronadelbehandlungen spezifisch sind15. Es eröffnet auch Möglichkeiten, Behandlungen mit spezifischen kosmetischen Wirkstoffen zu kombinieren, um die Behandlungsergebnisse zu verbessern und Nebenwirkungen zu reduzieren11. Ziel dieser Studie ist daher die Entwicklung eines physiologisch relevanten menschlichen Ex-vivo-Gewebemodells, das die Bedingungen des Microneedling-Verfahrens genau nachahmt, um seinen Wirkungsmechanismus aufzuklären.

Einen Tag nach der Bauchdeckenstraffung wurde frische Ex-vivo-Haut (10 Spender zwischen 37 und 64 Jahren, weiblich, 4 afroamerikanische Spender, 4 kaukasische Spender und 2 hispanische Spender) erworben (BioIVT, Westbury, NY, USA). Die Studie wurde vom WCG IRB genehmigt (IRB-Tracking-Nummer: 20180798). Die Verwendung von menschlichem Bauchdeckenstraffungsgewebe nach dem Korrekturverfahren wurde von allen Spendern nach Aufklärung genehmigt. Alle Experimente wurden in Übereinstimmung mit den einschlägigen Richtlinien und Vorschriften durchgeführt.

Nach der Aufnahme wurde die Unterhautschicht entfernt und das Gewebe wurde zwei Wäschen mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) unterzogen, um die Blutrückstände zu entfernen. Anschließend wurde das Gewebe mit einem Mikronadelstift (36-polige Nadeln, Dr. Pen A6-Kartuschenspitzen, Dr. Pen Inc., San Jose, CA, USA) mit einer Nadellänge von 1,5 mm behandelt. Das Gewebe wurde fünf Durchgängen mit der Mikronadel unterzogen16,17. Nach der Behandlung wurden Hautbiopsien mit einem Durchmesser von 1,2 cm erstellt (mindestens N = 3 pro Zustand) und an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche kultiviert. Als unbehandelte Kontrollgruppe dienten Hautexplantate, die keinem Microneedling unterzogen wurden. Alle Proben wurden in Dulbecco's Modified Eagle's Medium (650 µL pro Vertiefung, DMEM mit 10 % fötalem Rinderserum und 1 % Penicillin-Streptomycin) bei 37 °C und 5 % CO2 kultiviert. Die Medien wurden mit Ausnahme der Wochenenden jeden zweiten Tag gewechselt. Nach einer 6-tägigen Kulturperiode wurden alle Biopsien für die histologische und immunhistochemische Analyse verarbeitet.

Ex-vivo-Hautgewebe wurden für die Hämatoxylin- und Eosin-Färbung (H&E) (Reveal Biosciences, San Diego, CA, USA) unter Verwendung eines Standardprotokolls verarbeitet. Die immunhistochemische Färbung wurde unter Verwendung eines automatisierten Immunfärbegeräts von Leica Bond (Reveal Biosciences, San Diego, CA, USA) durchgeführt. Gewebeproben wurden in 10 % Formalin fixiert, verarbeitet und in Paraffinwachs eingebettet. Die hitzeinduzierte Antigengewinnung wurde unter Verwendung des Leica Bond Epitope Retrieval Buffer durchgeführt und die endogene Peroxidase wurde 20 Minuten lang blockiert. Anschließend wurde die unspezifische Antikörperbindung mit einem Novolink-Protein für 30 Minuten blockiert. Die Schnitte wurden dann mit dem Primärantikörper (Maus monoklonal gegen Anti-Filaggrin, 1:200 Verdünnung, Kat.-Nr. MA5-13440, Thermofisher, Waltham, MA, USA) inkubiert. Das Anti-Filaggrin wurde mit 3′3-Diaminobenzidin (DAB) nachgewiesen und sichtbar gemacht. Anschließend wurden alle Schnitte mit einer Hämatoxylin-Kernfärbung gegengefärbt. Der Primärantikörper wurde über Nacht bei 4 °C auf gegen Ki67 gefärbtes Gewebe aufgetragen (Anti-Ki67, Rabbit Monoclonal, 1:100 Verdünnung, Kat.-Nr. ab16667, Abcam, Waltham, MA, USA). Esel-Anti-Kaninchen-IgG Alexa Fluor 647 wurde 60 Minuten lang aufgetragen, gefolgt von einer DAPI-Kerngegenfärbung. Die gegen Transglutaminase-1 (TGM-1) gefärbten Schnitte wurden mit dem TGM-1-Primärantikörper (Anti-TGM-1, Mouse Monoclonal, 1:100 Verdünnung, Kat.-Nr. pab0060, Covalab, Bron, Frankreich) inkubiert. Die Bilder wurden mit dem Kernmikroskop EVOS XL und einem Fluoreszenzmikroskop (Leica DM500, Wetzlar, Deutschland) aufgenommen. Die Intensität der Färbung wurde durch Berechnung der optischen Dichte der Färbung mit MATLAB R2020a angegeben. Die Bildanalyse für Ki67- und TGM-1-Antikörper wurde unter Verwendung von 2 Sichtfeldern aus 2 biologischen Proben mit insgesamt 2 Spendern pro Antikörper berechnet. Für Filaggrin wurden für die Berechnungen 2 Sichtfelder pro Probe, 3 biologische Proben pro Spender und 5 Spender mit insgesamt N = 30 verwendet. Bei allen Bildanalysen für Filaggrin-Proben wurden dieselben Parameter verwendet.

In dieser Studie wurde der Überstand (von den Explantaten abgesonderte Medien) vom Tag 1 und Tag 6 gesammelt, um 20 Zytokine und Chemokine zu bewerten. Die Medien vom Zeitpunkt Tag 6 wurden aus dem letzten Medienwechsel am Tag 4 der Kultur akkumuliert. Das Multiplex-Zytokin-Array (Inflammation 20-Plex Human ProcartaPlex™ Paneld, Thermofisher, Waltham, MA, USA) wurde unter Verwendung des Luminex™ MAGPIX™ Instrument System (Thermofisher, Waltham, MA, USA) gemäß den Anweisungen des Herstellers durchgeführt. TGF-β wurde gemäß den Anweisungen des Herstellers mit kommerziellen ELISA-Kits (TGF-β, Kat.-Nr. DY240, R&D Systems, Minneapolis, MN, USA) bewertet. Aufgrund der unterschiedlichen Gewebegröße verschiedener Spender variierte die Probengröße eines Spenders für jede Behandlungsbedingung zwischen 3 und 6 Biopsien.

Der transepitheliale elektrische Widerstand (TEER) wird üblicherweise zur Messung der Tight Junction-Integrität einer Epithelmonoschicht und zur Beurteilung der Hautbarrierefunktion verwendet18. Zur Messung über die Ex-vivo-Haut wurde ein biokompatibler Klebstoff verwendet, um den Spalt zwischen der Haut und der Wand des Transwells abzudichten (Kwik-Cast Sealant, World Precision Instrument, Sarasota, FL, USA). Nach der Versiegelung des Gewebes wurden TEER-Messungen am Tag 0 direkt nach der Anwendung des Mikronadelverfahrens erfasst und dann bis zum 6. Tag gemessen (EVOM2, World Precision Instrument, Sarasota, FL, USA). Während der Messungen wurde der Transwell im apikalen Bereich mit 500 µL DPBS (Thermofisher, Kat.-Nr. 14190144, Waltham, MA, USA) und im Basalbereich mit 2 ml DPBS gefüllt. Der Beitrag des Transwell allein wurde gemessen und von den Probenwerten abgezogen. Der TEER-Wert in Ω cm2 wurde durch Multiplikation des elektrischen Widerstands mit der Hautoberfläche ermittelt.

Die für die quantitative Polymerasekettenreaktion (qPCR) verwendeten Hautproben wurden 2 Stunden lang bei Raumtemperatur in RNAlater (Sigma, Kat.-Nr. R0901, St. Louis, MO, USA) fixiert und bei –80 °C gelagert. Für jede Behandlungsgruppe wurden drei einzelne Hautexplantate von einem Spender verwendet. Die Proben wurden durch Perlenschlagen in Lysepuffer aufgeschlossen und die RNA wurde unter Verwendung eines Qiagen RNeasy-Kits (Qiagen, Kat.-Nr. 74106, Hilden, Deutschland) gemäß dem Protokoll des Herstellers isoliert. Die RNA-Konzentration und -Reinheit wurden mit einem Nanodrop 2000-Spektrophotometer (Thermofisher, Waltham, MA, USA) bestimmt. cDNA wurde aus 230 ng RNA pro Probe unter Verwendung eines Hochleistungs-cDNA-Synthesekits (Thermofisher, Kat.-Nr. 4368814, Waltham, MA, USA) gemäß den Anweisungen des Herstellers für die Verarbeitung des Taqman-Einzelröhrchen-Assays erzeugt. qPCR-Reaktionen wurden unter Verwendung validierter Taqman-Genexpressionstests durchgeführt. Die Platten wurden mit dem QuantStudio 12K Flex-Gerät von Life Technologies betrieben. Jedes Gen wurde doppelt getestet. Primer für K5, K14, NOTCH1, PCNA und PPARD wurden gemäß dem Protokoll von Applied Biosystems verwendet. Die Ergebnisse wurden unter Verwendung des Referenzgens PPIA normalisiert, das von Applied Biosystems erhalten wurde. Die Endergebnisse wurden als normalisierte RQ-Werte für die Kontrollbehandlungsgruppe interpretiert.

Die Daten wurden mithilfe des Student-T-Tests und einer Zwei-Wege-ANOVA mit Mehrfachvergleichs-Holm-Sidak-Test ausgewertet. Die Unterschiede zwischen den Gruppen wurden mit Graphpad Prism 9.0.1 (GraphPad Software Inc., La Jolla, CA, USA) verglichen.

In dieser Studie wurden die Auswirkungen des Microneedling-Verfahrens auf menschliches Hautgewebe auf molekularer bis gewebebezogener Ebene untersucht. Die Ergebnisse verdeutlichten die Veränderungen in der Gewebeheilungsmorphologie, den Barrierefunktionsmarkern, entzündungsfördernden Zytokinen und Wachstumsfaktoren, die an verschiedenen Phasen der Wundheilung beteiligt sind, sowie der Genexpression der epidermalen Homöostase.

Die Morphologie des Gewebes wurde mittels H&E-Färbung bewertet. Wie in Abb. 1c gezeigt, wurden Mikropunktionen in der gesamten Epidermis nach 5 Durchgängen der Microneedling-Behandlung (MN) beobachtet. Bei Nadeln mit einer Länge von 1,5 mm erreichten die Nadeln den dermalen Papillarbereich. Im Gewebe wurden punktuelle Blutungen beobachtet, die in Kliniken typischerweise als verlässlicher Endpunkt für den Eingriff verwendet werden (ergänzende Abbildung 1f)6. Nach 6 Tagen Kultur behielten die Kontrollproben (Abb. 1b) eine ähnliche Morphologie wie die Proben von Tag 0 (Abb. 1a). Die Wunde in der MN-Gruppe (Abb. 1d) zeigte einen Heilungsprozess, bei dem Keratinozyten den verletzten Bereich bedeckten. Die Auswirkung unterschiedlicher Längen und Durchgänge auf die Erzeugung von Mikropunktionen im Hautgewebe wurde ebenfalls bewertet (ergänzende Abbildung 1). Es zeigte sich, dass die 0,25 mm lange Nadel durch die obere Epidermisschicht eindringen kann, während sowohl 1,0 als auch 1,5 mm lange Nadeln bis zur Hautschicht reichen.

Charakterisierung von Ex-vivo-Hautgewebe. H&E-Färbung des Kontrollgruppengewebes (a,b) und des mit Mikronadeln (MN) behandelten Gewebes an Tag 0 und Tag 6 (c,d). (e) Die TEER-Werte, die die Integrität der Tight-Junction-Barrierefunktion von Ex-vivo-Gewebe am Tag 0 und Tag 6 anzeigen (N = 4 biologische Proben, 1 Spender). TEER wurde statistisch mithilfe einer Zwei-Wege-ANOVA mit Mehrfachvergleichs-Holm-Sidak-Test getestet. Statistische Unterschiede werden als **P ≤ 0,01, ***P ≤ 0,001 angegeben. Maßstabsbalken 50 µm.

Die Hautbarrierefunktion nach Microneedling wurde mittels transepithelialem elektrischem Widerstand (TEER) und immunchemischer Färbung untersucht. Die TEER-Werte des mit MN behandelten Gewebes sanken unmittelbar nach dem Eingriff deutlich, was darauf hindeutet, dass die Hautbarriere beeinträchtigt ist (Abb. 1e). Nach 6 Tagen in Kultur stieg der TEER-Wert des MN-Gewebes von 393,7 ± 93,2 auf 5685 ± 3659,5 Ω cm2. Allerdings wurde die Barrierefunktion der mit Mikronadeln behandelten Gewebe im Vergleich zur Kontrollgruppe nicht vollständig wiederhergestellt (11.936,7 ± 11,6 Ω cm2), was darauf hindeutet, dass sich das Gewebe noch in Phasen der Wundheilung befand.

Die Immunfärbung mit Anti-Ki67-Antikörpern (Abb. 2a–c) bestätigte die Proliferation von Keratinozyten aus am Tag 6 entnommenem Gewebe. Die Anzahl der positiv gefärbten Ki67-Zellen war im mit MN behandelten Gewebe signifikant höher (37,7 ± 13,2 %) im Vergleich zur Kontrolle Gruppe (13,7 ± 2,5 %). Dies deutet darauf hin, dass das MN-Verfahren die Keratinozytenproliferation als Reparaturmechanismus rund um die Wundstellen stimuliert5. Quantitative PCR-Daten deuten auf eine Hochregulierung von K5 und K14 hin (ergänzende Abbildung 2), was weiter belegt, dass das Verfahren die Keratinozytenproliferation in der Basalschicht der Epidermis stimulierte.

Epidermale Regeneration von Ex-vivo-Gewebe mit und ohne Microneedling-Verfahren. Keratinozyten aus der Kontrollgruppe (a) und der MN-Gruppe (b) exprimieren am 6. Tag den Proliferationsmarker Ki67 (rosa, N = 8, 2 Sichtfelder aus 2 biologischen Proben pro Behandlung, 2 Spender). Die Kerne wurden mit DAPI (blau) gefärbt. Weiße gestrichelte Linien markieren die dermal-epidermale Grenze. (c) Der Grad der Basalzellproliferation wurde anhand der Ki67-positiven Zellen in mehreren Regionen der Epidermis quantifiziert. (d,e) Immunfärbung für den Differenzierungsmarker Filaggrin in Kontroll- und MN-Behandlungsgruppen. (f) Normalisierte Filaggrin-Intensität der Kontroll- und MN-Gruppen (N = 30, 2 Sichtfelder pro Probe, 3 biologische Proben pro Spender, 5 Spender). (g,h) Immunfärbung für den Differenzierungsmarker TGM-1 in Kontroll- und MN-Behandlungsgruppen. (i) Normalisierte TGM-1-Intensität der Kontroll- und MN-Gruppen (N = 8, 2 Sichtfelder aus 2 biologischen Proben pro Behandlung, 2 Spender). Student-t-Test, *P ≤ 0,05, **P ≤ 0,01, ***P ≤ 0,001, ****P ≤ 0,0001. Maßstabsbalken 100 µm.

Darüber hinaus wurde in der mit MN behandelten Gruppe auch eine Hochregulierung von Filaggrin (Abb. 2d – f) und TGM-1 (Abb. 2g – i) beobachtet. Die Aktivität von Filaggrin und TGM-1 ist entscheidend für den Aufbau der Hornhauthülle und erklärt daher die erhöhte Epidermisdicke nach Mikronadelung bei Menschen in früheren klinischen und tierexperimentellen Studien 5,7.

Um zu zeigen, dass dieses Modell eine wichtige Komponente der Zell-Zell-Interferenz in frühen Stadien der Wundheilung trägt, wurden ausgewählte Wachstumsfaktoren, Zytokine und Chemokine, die am Reparaturmechanismus beteiligt sind, durch Untersuchung des Gewebekulturüberstands analysiert (Abb. 3, 4). . Die Wachstumsfaktoranalyse zeigt, dass das Microneedling-Verfahren eine signifikante Hochregulierung des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF), des aus Blutplättchen gewonnenen Wachstumsfaktors (PDGF), des Fibroblasten-Wachstumsfaktors (FGF) und des Insulins stimulierte (Abb. 3a–d). Die Aktivierung der oben genannten Proteine ​​ist typischerweise repräsentativ für frühe Stadien der Gewebereparatur. Interessanterweise war der Sekretionsspiegel des transformierenden Wachstumsfaktors Beta (TGF-β, Abb. 3e) in den mit Microneedling behandelten Geweben am 6. Tag der Kultur signifikant höher, jedoch nicht innerhalb von 24 Stunden nach der Kultivierung. Darüber hinaus wurde in Tierversuchen berichtet, dass der Tumornekrosefaktor (TNF-α) stark am frühen Prozess der Wundheilung beteiligt ist19. Hier wurde eine signifikante Hochregulation in der mit MN behandelten Gruppe am Tag 1 beobachtet, gefolgt von einem Rückgang auf den Ausgangswert am Tag 6 (Abb. 3f).

Quantifizierung von Wachstumsfaktoren im Ex-vivo-Gewebe. (a–f) Die Expression von Wachstumsfaktoren wurde in pg/ml unter Verwendung eines Multiplex-Zytokin-Arrays gemessen. Das Medium wurde am 1. und 6. Tag gesammelt (N = 4, 2 biologische Proben pro Spender, 2 Spender). Student-t-Test, *P ≤ 0,05, **P ≤ 0,01, ***P ≤ 0,001, ****P ≤ 0,0001.

Quantifizierung entzündungsfördernder Zytokine im Ex-vivo-Gewebe. (a–g) Die Expression von Wachstumsfaktoren wurde mithilfe eines Multiplex-Zytokin-Arrays gemessen. Die Medien wurden am 1. und 6. Tag gesammelt (N = 4, 2 biologische Proben pro Spender, 2 Spender). Student-t-Test, *P ≤ 0,05, **P ≤ 0,01, ***P ≤ 0,001, ****P ≤ 0,0001.

Die Zytokinanalyse ergab eine zeitabhängige Reaktion der Freisetzung aus dem Gewebe, das Microneedling-Stimuli ausgesetzt war. Die Expression von IL-1α erreichte einen Tag nach der Verletzung ihren Höhepunkt, während Angiogenese-assoziierte Chemokine wie P-Selectin, E-Selectin, Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor (GM-CSF) und lösliches interzelluläres Adhäsionsmolekül-1 (sICAM-1) involviert waren ) stieg im Verlauf von 6 Tagen weiter an (Abb. 4). Andererseits war die Expression der Matrix-Metalloproteinase 1 (MMP-1) am 6. Tag tendenziell höher als am 1. Tag (Abb. 4d), erwies sich in diesem Modell jedoch als statistisch nicht signifikant. Darüber hinaus lag die Expression von IL-17A, IL-4, IL-10, IL-13 und IP-10 unterhalb der Nachweisgrenze und es wurden keine signifikanten Veränderungen beobachtet. Die Genexpressionsanalyse ergab, dass die mit MN behandelte Gruppe im Vergleich zur Kontrolle am 6. Tag eine leicht erhöhte Expression von PPARdelta (PPRD) aufwies (ergänzende Abbildung 2).

Microneedling ist eine beliebte Option im Portfolio ästhetischer Eingriffe, da es nur minimale Ausfallzeiten bietet und sowohl zu Hause als auch im professionellen Bereich eingesetzt werden kann6. Es hat sich gezeigt, dass es ein breites Spektrum an Zielanwendungen hat, von der Hautpflege bis zum Haarausfall20. Klinische Bewertungen haben gezeigt, dass es bei einem breiten Anwendungsspektrum bei vielen Hauttypen wirksam ist, insbesondere bei Lichtalterung, Aknenarben, Falten, Dyspigmentierung und dem gesamten Hautbild21,22,23,24,25. Die Mehrzahl der Patienten, die sich einer Mikronadelbehandlung zur Behandlung von Aknenarben unterzogen, zeigten eine klinische Verbesserung um mindestens zwei Stufen gemäß dem Bewertungssystem für Aknenarben von Goodman und Baron26,27,28.

Ogunjimi et al. berichteten in einer Studie mit 111 Probanden, dass das Microneedling-Verfahren vorübergehende Poren auf der Hautoberfläche erzeugt, was zu einem Anstieg des TEWL und einer Verringerung der Hautimpedanz führt, wobei die durchschnittliche Verschlusszeit der Mikroporen zwischen 2 und 4 Tagen liegt10. Die Verschlusszeit der Mikroporen war bei den Probanden mit dunklerem Hauttyp im Vergleich zur asiatischen und kaukasischen Probandengruppe deutlich länger. Weitere Erkenntnisse zur Funktionsweise von Microneedling wurden in Tiermodellen und klinischen Studien beschrieben15,29,30,31. Ein Rattenmodell hat gezeigt, dass die Entzündungsreaktion durch erhöhte TGF-β-Spiegel bis zu 2 Wochen nach dem Eingriff am Heilungsprozess nach dem Microneedling beteiligt ist29. Darüber hinaus gab es eine messbare Zunahme der epidermalen Verdickung, der Genexpression von FGF7, Kollagen I und III sowie erhöhte Spiegel von Kollagen I und III sowie GAGs30. Zusätzliche Einblicke in den molekularen Mechanismus des Microneedling lieferten Schmitt et al. indem 3D-rekonstruierte Haut Microneedling-Stimuli ausgesetzt wird15. Dieses Modell berichtete über einen Anstieg des Keratin 13-, CCL11-, IGF-, TIMP3- und Kollagen III- und VIII-Spiegels 5 Tage nach der Microneedling-Behandlung15. Interessanterweise war die Genexpression vieler proinflammatorischer Marker wie IL-1α, 1L-1β, IL-36, IL-4 und S100 in diesem Modell deutlich verringert15.

Ein typischer Wundheilungsprozess der Haut verläuft über ein überlappendes Muster von Phasen, darunter Entzündung, Epithelisierung, Bildung von Granulationsgewebe und Gewebeumbau. Die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Arten von Hautzellen und die zugrunde liegende Signalübertragung des parakrinen Wachstumsfaktors sind für die Koordinierung von mit der Wundheilung verbundenen Prozessen wie Proliferation und Migration von wesentlicher Bedeutung32,33,34. Der Wundheilungsprozess in Ex-vivo-Haut, die verschiedenen physikalischen Reizen wie Einschnitten, Verbrennungen, Laserbehandlungen oder Stanzbiopsien ausgesetzt ist, wurde umfassend untersucht; Diese haben die Fähigkeit des Gewebes gezeigt, sich während der gesamten Kulturperiode erneut zu epithelisieren und die Freisetzung von Wachstumsfaktoren und entzündlichen Zytokinen zu modulieren, um zu heilen35,36,37,38. Diese Fähigkeit kann auf die einzigartigen Eigenschaften der Ex-vivo-Haut zurückgeführt werden. Eines der bemerkenswertesten Merkmale ist das Vorhandensein aller Zelltypen, einschließlich nachweisbarer Mengen an Immunzellen bis zu 10 Tagen in der Kultur, und seine Fähigkeit, während der gesamten Kultur eine robuste Hautbarriere aufrechtzuerhalten39. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Ex-vivo-Haut die Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher Spenderprofile (Alter/Geschlecht/ethnische Zugehörigkeit) und verringert ethische Einschränkungen bei Tests im Vergleich zu tierexperimentellen oder klinischen Bewertungen. Das Gewebe unterliegt jedoch mehreren Einschränkungen, wie z. B. der Zugänglichkeit, der Kulturdauer oder der Menge des vom Spender erhaltenen Gewebes. Trotz dieser Einschränkungen ermöglichen die einzigartigen Eigenschaften von Ex-vivo-Hautgewebe, insbesondere im Vergleich zu zweidimensionalen oder rekonstruierten menschlichen Hautäquivalenten, ein umfassendes präklinisches Verständnis des Wundheilungsprozesses durch die Entdeckung der Wirkmechanismen verschiedener physikalischer oder chemischer Reize und erweisen sich als nützliches Instrument in der dermatologischen Forschung38,40.

Die aktuelle Ex-vivo-Hautstudie verfolgte einen umfassenden Ansatz, um die stimulierte molekulare Reaktion der Haut je nach den verschiedenen Bedingungen der Microneedling-Behandlung zu verstehen. Nach der Mikronadelung zeigte die Ex-vivo-Haut während des 6-tägigen Kulturzeitraums bei allen Hautspendern eine sofortige Verringerung der Hautimpedanz und der Fähigkeit zur Heilung. Diese Effekte im mit Mikronadeln versehenen Gewebe waren spürbar, obwohl alle Gewebe einer physikalischen Manipulation durch die Bauchstraffung, die Entfernung des Unterhautgewebes und die Erzeugung von Biopsie-Explantaten unterzogen wurden, was möglicherweise zu einem systemischen Anstieg der Entzündungsmoleküle in allen Proben geführt hat. Unseres Wissens gab es keinen Unterschied in der Reaktion je nach Hauttyp. Dieses Verständnis spiegelt die gängige Standardpraxis des Microneedling-Verfahrens wider und zeigt, wie wichtig es ist, den Hautheilungsprozess nach der Behandlung zu nutzen. In dieser Studie zeigte die Haut einen Anstieg der Proliferation (Ki67) und der Biomarker der Hautbarriere (TGM-1 und Filaggrin), was zeigte, dass die Verbesserung der Biomarker im Zusammenhang mit der Erneuerung der Barriere Teil der robusten Reaktion der Haut auf Microneedling-Stimuli war. Die Ex-vivo-Haut zeigte einen lehrbuchähnlichen Reparaturprozess, wie in der Auswertung von über 20 Wachstumsfaktoren und proinflammatorischen Zytokinen 1 Tag und 6 Tage nach der Microneedling-Behandlung gezeigt wurde, eines synchronisierten Ereignisses zwischen proinflammatorischen Zytokinen (sofortige Hochregulierung). TNF-α und IL-1α & β, TGF-β und MMP-1 am Tag 6) mit proangiogenen Faktoren (erhöhte Werte von VEGF, PDGF und FGF zu beiden Zeitpunkten).

Es besteht eine große Chance, das ästhetische Ergebnis unmittelbar nach und in den darauffolgenden Tagen nach dem Eingriff zu verbessern, indem Microneedling mit verschiedenen Wirkstoffen kombiniert wird, da kosmetische Wirkstoffe besser in die Haut eindringen41,42,43. Antioxidantien wie Vitamin C wurden in Verbindung mit Microneedling zur Behandlung von Aknenarben und Melasma untersucht44. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Verwendung von topischem plättchenreichem Plasma mit dem Microneedling-Verfahren eine höhere Wirksamkeit im Vergleich zum alleinigen Microneedling bei Hautverjüngung, Aknenarben und Haarausfallanwendungen erzielt44,45,46. Eine weitere klinische Studie zeigte, dass die Kombination der Anwendung einer Microneedling-Behandlung mit 35 % Glykolsäure das Erscheinungsbild von Aknenarben deutlich verbesserte47. Im Allgemeinen wird den Patienten empfohlen, eine nicht allergische Feuchtigkeitscreme und einen physikalischen Sonnenschutz zu verwenden, um die geschädigte Haut nach dem Eingriff zu schützen6.

Unsere Arbeit lieferte zusätzliche Einblicke in 3D-rekonstruierte Haut- und Rattenmodelle, indem sie ein vorübergehend erhöhtes Verhalten einiger der klassischen frühen Entzündungsmarker zeigte. Einige der schnell reagierenden Marker erreichten am ersten Tag ihren Höhepunkt und nahmen sechs Tage nach der Mikronadelung zunehmend ab, wohingegen die mit der Matrixumgestaltung verbundenen Biomarker zu späteren Zeitpunkten zunahmen. Die in unserem Modell beobachtete molekulare Reaktion stimmte eher mit den von Aust et al. veröffentlichten Rattenmodellen überein. und weniger mit dem 3D-rekonstruierten Hautmodell15,29,30. Der Unterschied kann möglicherweise auf die unterschiedlichen Hautmodelle sowie auf den Zeitpunkt nach der Microneedling-Behandlung zurückgeführt werden.

Zusammenfassend wurde in der aktuellen Studie ein nicht-tierisches, physiologisch relevantes Ex-vivo-Modell erstellt, um den Wirkungsmechanismus des Microneedling besser zu verstehen. Dieses Modell spiegelt auch den dynamischen Prozess der Wundheilung wider und stärkt das aktuelle klinische Verständnis des Microneedling-Verfahrens. Wir glauben, dass dieses Modell eine wichtige Plattform für die zukünftige Entdeckung von Wirkstoffen sein kann, die das Ergebnis der Mikronadelung und den Pflegestandard für Patienten und Verbraucher besser verbessern können.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken Dr. Yung-Hao Tsou für seine technischen Beiträge

L'Oreal Research and Innovation, Clark, NJ, USA

Xue Liu, Rebecca Barresi, Kun Qian, I-Chien Liao, Qian Zheng und Charbel Bouez

Hautpflegeärzte, Chestnut Hill, MA, USA

Michael Kaminer

Episkin, Lyon, Frankreich

Fabienne Thillou & Michel Bataillon

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XL entwarf und führte Experimente durch, analysierte Daten und war Mitautor des Artikels; RB führte Experimente durch und war Mitautor der Arbeit; FT und MB führten eine histologische Analyse durch; I.-CL entwarf die Experimente und war Mitautor der Arbeit; MK überprüfte und leitete den Versuchsaufbau und war Co-Autor der Arbeit. KQ überprüfte und leitete das Experimentdesign und war Mitautor des Papiers. QZ und CB überprüften, leiteten und überwachten den Versuchsaufbau und verfassten gemeinsam die Arbeit.

Korrespondenz mit I-Chien Liao.

Dr. Michael Kaminer hat Honorare für seine Beratung von L'Oreal Research and Innovation erhalten. Bei den übrigen Autoren bestehen keine Interessenkonflikte.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Liu, X., Barresi, R., Kaminer, M. et al. Verwendung eines Ex-vivo-Gewebemodells zur Untersuchung der Hautregeneration nach Mikronadelreizen. Sci Rep 12, 18115 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22481-w

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Eingegangen: 18. April 2022

Angenommen: 14. Oktober 2022

Veröffentlicht: 27. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22481-w

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