Die Haut ist eine Barriere zwischen dem menschlichen Körper und der äußeren Umgebung. Es schützt den Körper vor exogenen chemischen und physikalischen Faktoren, nimmt an den Stoffwechselprozessen teil, spielt eine resorptive und thermoregulatorische Funktion, ist die erste Verteidigungslinie gegen pathogene Mikroorganismen und nimmt an immunologischen Prozessen teil .
Die komplexe Struktur der menschlichen Haut und ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften machen sie zu einer wirksamen äußersten Verteidigungslinie gegen exogene Faktoren und tragen zur Aufrechterhaltung der Homöostase des menschlichen Körpers bei. Diese Rolle spielt die epidermale Barriere, in der die Hornhautschicht der Epidermis eine besonders wichtige Funktion hat . Es besteht aus 15-20 Schichten vollständig verhornter Keratinozyten – Korneozyten. Im unteren Teil der verhornten Schicht grenzen die Zellen eng aneinander, während sie im oberen Teil locker angeordnet sind und skaliert werden. Die Konstruktion der Hornhautschicht ähnelt einer Wand, in der Korneozyten für Ziegel stehen, und eine fettreiche interzelluläre Matrix ist der Zement . Das Innere der Hornhautzellen ist mit mit Filaggrin gebundenen Cytokeratinfilamenten gefüllt. Diese Zellen sind von einer steifen, verhornten Hülle umgeben, die hauptsächlich aus dem Loricrin-Protein besteht und einen Teil der sogenannten Protein-Lipid-Hülle bildet . Die Hülle ist mit der extrazellulären Flüssigkristallmatrix verbunden und bildet die Grenze zwischen der hydrophilen Oberfläche der Zellen und den lipophilen unpolaren Fettsäuren der die Korneozyten umgebenden Matrix .
Die Dicke der äußeren Schicht der Epidermis, die Größe der Korneozyten und die Zusammensetzung der oberflächlichen Lipide beeinflussen die regenerativen Eigenschaften der Haut, die zu den verschiedenen Verläufen dermatologischer Erkrankungen und dem Heilungsprozess beitragen gleichermaßen. Anatomische Bereiche mit dicker Epidermis sind widerstandsfähiger gegen äußere Faktoren . Andererseits zeichnen sich die Bereiche mit einer relativ dünnen verhornten Schicht, wie das Gesicht, durch eine hohe Anfälligkeit für schädigende Faktoren aus, aber auch durch die Fähigkeit, die Barrierefunktion sehr schnell wiederherzustellen. Es ist mit einer hohen proliferativen Aktivität verbunden, wodurch eine schnelle Regeneration der Epidermis, eine intensive Vaskularität, eine gute Hydratation und das Vorhandensein vieler Schweißdrüsen erreicht werden .
Der Zustand der epidermalen Barriere hängt von ihren physikalischen Eigenschaften ab, wie z. B. der Menge an produziertem Talg, der Hydratation der Epidermis, dem transepidermalen Wasserverlust und dem pH-Gradienten zwischen der Hautoberfläche und dem Körperinneren . Viele individuelle und Umweltfaktoren beeinflussen die Veränderung der oben genannten Prozesse, einschließlich Alter, Geschlecht, Rasse, anatomischer Bereich der Haut, Schweißintensität, Hauttemperatur und Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Jahreszeit, Tagesrhythmus, Hormonhaushalt und viele andere .
Die Oberfläche der verhornten Schicht ist von einem Lipidfilm bedeckt, der eine sehr wichtige Rolle bei der Funktion der epidermalen Barriere spielt. Es stammt aus zwei Quellen: Talg, der von den Talgdrüsen ausgeschieden wird und den größten Teil des Lipidmantels ausmacht, und die epidermalen Lipide, die einen Teil der verhornten Schicht der Epidermis bilden . Die Dicke des Lipidmantels beträgt 0,5 µm bis 5 µm, abhängig von der Anzahl der Talgdrüsen in einem bestimmten Bereich .
Lipide der interzellulären Matrix der Hornhautschicht der Epidermis entwickeln sich im Prozess der Umwandlung ihrer Vorläufer, die von multilamellaren Odland-Korpuskeln der körnigen Schicht bereitgestellt werden . Die polaren Lipide werden in unpolare umgewandelt, die Hydrolyse von Glycolipiden erzeugt Ceramide, während Phospholipide zu freien Fettsäuren metabolisiert werden. Diese Prozesse führen zur Schaffung einer Struktur, die aus dicht gepackten Lamellen besteht, die parallel zur Oberfläche der Epidermiszellen positioniert sind . Interzelluläre Lipide sind hauptsächlich Sphingolipide oder Ceramide (45-50%) sowie Cholesterin (20-25%), gesättigte freie Fettsäuren (10-15%) und geringe Mengen unpolarer Lipide . In der menschlichen Haut können wir neun Unterklassen von Ceramiden unterscheiden, die mit 1 bis 9 gekennzeichnet sind, abhängig von der chemischen Struktur der Hauptgruppe. Fraktionen der Länge der Kohlenstoffkette C24 bis C26 werden am häufigsten unter Ceramiden gefunden. Das Ceramid, das die Hauptrolle in der Epidermis spielt, ist die Linolsäure . Auf der anderen Seite scheinen unter den freien Fettsäuren diejenigen mit der Kettenlänge von C22 und C24 zu dominieren. Etwa 2-5% der Matrixbestandteile sind Cholesterinsulfat, das für die Hemmung proteolytischer Enzyme verantwortlich ist und Desmosomenverbindungen zwischen den Epidermiszellen verdaut .
Sebum ist eine klebrige Flüssigkeit und eine Mischung aus unpolaren Lipiden. Es besteht aus Triglyceriden (∼16%), freie Fettsäuren (∼33%), wachsestern (∼26%), Squalen (∼12%), Cholesterin-Ester (∼3%) und Cholesterin (∼1.5%) . Die dominierenden Fettsäuren sind essentielle Fettsäuren der Länge der Kohlenstoffkette C16 und C18, wobei die dominierende Säure die Ölsäure ist . Unter den gesättigten Fettsäuren ist die Palmitinsäure die häufigste. Die Zusammensetzung von Talg ist relativ konstant und seine Veränderungen können einige Hautkrankheiten mit sich bringen. Die größten Veränderungen in der Zusammensetzung von Talg werden bei Jugendlichen während der verstärkten Hydrolyse von Triglyceriden zu freien Fettsäuren beobachtet. Die Produktion von Talg ist ein sehr dynamischer Prozess, bedingt durch individuelle Eigenschaften und Umweltfaktoren. Die beobachtete Talgproduktion ist bei Männern größer als bei Frauen . Die Produktion von Talg hängt von der Dichte, Lage und Aktivität der Talgdrüsen ab . In Bereichen wie der Kopfhaut, der T-Zone des Gesichts, dem Brustbein oder den interskapulären Bereichen beträgt ihre Dichte 900 pro Quadratzentimeter Haut, an anderen Stellen werden jedoch weniger als 100 Talgdrüsen pro Quadratzentimeter beobachtet .
Sebum ist an der Schaffung der 3-dimensionalen Struktur der epidermalen Lipide beteiligt, wodurch seine Integrität erhalten bleibt . Es bildet eine Schutzschicht gegen die Vermehrung pathogener Mikroorganismen mit proinflammatorischen und entzündungshemmenden Eigenschaften . Die Menge an produziertem Talg hat Einfluss auf die Zunahme der Besiedlung mit zahlreichen Mikroorganismen, die aus dem Talg nahrhafte Substanzen ableiten, z.B. Propionibacterium acnes oder Malassezia-Hefen . Sebum bildet eine Art Isolierung gegen übermäßige Feuchtigkeit und Schwankungen der Umgebungstemperatur . Darüber hinaus hilft es, die Wasserbindungskapazität der Epidermis aufrechtzuerhalten . Die richtige Talgproduktion korreliert mit einer hohen Befeuchtung der verhornten Schicht . Dank seiner physikalisch-chemischen Eigenschaften beeinflusst es die selektive Permeation von Verbindungen, die auf die Haut aufgetragen werden . Darüber hinaus hat es antioxidative Eigenschaften und schützt die Haut vor UBV-Strahlung, die mit der Funktionsstörung der Talgplättchen-aktivierenden Acetylhydrolase II verbunden ist .
Lipide der verhornten Schicht spielen eine sehr wichtige Rolle bei der Regulation der Absorption verschiedener Verbindungen von der Hautoberfläche . Es gibt zwei Arten der Absorption: durch die Epidermis und durch die Hautanhangsgebilde. Der Hauptweg ist die selektive Absorption durch die Epidermis. Die lamellare, zweischichtige Struktur der elektrischen Ladung extrazellulärer Lipide erleichtert das Auflösen lipophiler Substanzen. Ihre hydrophoben Eigenschaften verhindern einen übermäßigen Wasserverlust und die Auflösung hydrophiler Substanzen . Die Absorption von Substanzen von der Hautoberfläche hängt in hohem Maße von der Größe der Korneozyten der verhornten Schicht ab und ist proportional zur Kapazität des Interzellularraums und umgekehrt proportional zur Größe der Zellen . Unpolare Verbindungen mit einem Molekulargewicht unter 500 Da durchdringen leicht die Epidermis . Die Aufnahme von Substanzen durch Hautanhangsgebilde (Schweißdrüsen, Talgdrüsen, Haarfollikel) erfolgt nur in geringem Maße. Es wird aufgrund der geringeren Selektivität und der Möglichkeit, größere Moleküle zu absorbieren, als schneller Permeationspfad bezeichnet. Aus diesem Grund sind die Bereiche mit vielen Schweißdrüsen, wie das Gesicht oder der obere Teil des Rumpfes, stärker der Absorption potenziell entzündungsfördernder Substanzen ausgesetzt, die häufig die Ursache für Hautausschläge sind .
Die Oberfläche gesunder Haut kann durch einen sauren pH-Wert charakterisiert werden, der zwischen 4,0 und 6,0 schwankt. Der pH–Wert der menschlichen inneren Organe ist nahezu neutral – zwischen 7,35 und 7,46, wobei in verschiedenen Bereichen der Haut unterschieden wird. Die höchsten pH-Werte werden in den am stärksten hydratisierten Bereichen wie Hautfalten und Gelenkfossae beobachtet . Die Aufrechterhaltung des sauren pH-Wertes hängt von der Bildung freier Fettsäuren, hauptsächlich Milchsäure und Aminosäuren, Wasserstoff- und Ammoniumverbindungen, sowie von der Zusammensetzung der Talglipide und der Proteine der Hornhautschicht der Epidermis ab . Diese Bestandteile bestimmen die Entstehung des pH-Gradienten, verbunden mit dem signifikanten Unterschied zwischen seinem Wert auf der Hautoberfläche und innerhalb der lebenden Schichten der Epidermis, wo er den Wert von ca. 7.0 . Auf diese Weise bleibt das sogenannte Puffervolumen der Epidermis erhalten . Eine bedeutende Rolle bei der Bildung der Säureschicht spielt die korrekte Aktivität lipolytischer Enzyme, die am Metabolismus der intrazellulären Lipide der Hornhautschicht beteiligt sind. Der saure pH-Wert in den unteren Schichten der Epidermis wird durch Natrium / Protonenaustauschproteine – NHE – aufrechterhalten. Sie entfernen H + -Ionen aus den Zellen und ziehen Na + -Ionen an, während sie gleichzeitig die intrazelluläre Umgebung vor Versauerung schützen . Der pH-Wert kann durch den Grad der Hautfeuchtigkeit, die atmosphärischen Bedingungen, die Intensität der Schweißsekretion und die körperliche Aktivität verändert werden. Darüber hinaus hängt es von genetischen Faktoren, Komorbiditäten und den verwendeten Medikamenten oder Kosmetika ab . Sex beeinflusst höchstwahrscheinlich nicht die Unterschiede im pH-Wert , obwohl es einige Berichte gibt, die darauf hindeuten, dass es eine solche Korrelation gibt . Auch das Alter ändert diesen Wert nicht, aber bei Neugeborenen und Menschen über 80 Jahren werden höhere pH-Werte festgestellt .
Saurer pH-Wert der Hautoberfläche und der Unterschied zwischen dem pH-Wert der Hautoberfläche und dem pH-Wert der tieferen Schichten der Hornhautschicht der Epidermis steuern die physiologische Flora und potenziell infektiöse. Das Wachstumstempo und die Besiedlungsdichte von Bakterien und Pilzen nehmen mit zunehmendem pH-Wert zu. Andererseits hat das Vorhandensein saprophytischer Mikroorganismen einen positiven Einfluss auf die Aufrechterhaltung des Säuregehalts der Hautoberfläche, unter anderem durch den Abbau von Triglyceriden zu freien Fettsäuren .
Der richtige pH-Wert trägt auch zur Aufrechterhaltung der korrekten Hydratation der Epidermis bei. Sein Anstieg aktiviert Cathepsine, baut Filaggrin ab und verringert auf diese Weise die Bildung des Natural Moisturizing Factor (NMF) . Erhöhte pH-Werte korrespondieren auch mit einem Anstieg des transepidermalen Wasserverlustes (TEWL), einem der wichtigsten Indikatoren für die epidermale Barrierefunktion . Darüber hinaus spielt der pH-Wert der Haut eine der wichtigsten Rollen bei der korrekten Organisation der Matrixlipide, indem er deren Oberflächenstruktur und Stabilität reguliert . Intrazelluläre Lipide reagieren empfindlich auf pH-Schwankungen, die hydrolytische Reaktionen modifizieren und ihre Zusammensetzung und räumliche Struktur verändern können .
Die Integrität der epidermalen Barriere schützt die Haut vor übermäßigem Wasserverlust und schützt die Aufrechterhaltung der korrekten Hydratation der Epidermis. Wasser wird dank der Hornhautschicht der Epidermis angesammelt und die Wassermenge in dieser Schicht wird als Hautfeuchtigkeit definiert . Der richtige Feuchtigkeitsgehalt wird durch Faktoren wie die Wassermenge beeinflusst, die aus den unteren Schichten der Epidermis, der Dermis und der Talgdrüsen zugeführt wird, sowie durch die Verdunstung verlorene Wassermenge und die Fähigkeit der Hornhautschicht, Wasser anzusammeln. Die Wasserretention in dieser Schicht wird auch durch das Vorhandensein von Lipiden der extrazellulären Matrix und der Proteinhülle der Zellen beeinflusst .
Die Hornhautschicht hält den Wassergradienten zwischen der Hautoberfläche und den unteren Schichten der Epidermis aufrecht. Die Hydratation der Keratinozyten nimmt mit ihrem Übergang von der Basalschicht zur Epidermisoberfläche ab . Wasser macht etwa 15-20% der Gesamtmasse der Hornhautschicht aus und reichert sich hauptsächlich in den Korneozyten an, während in den lebenden Schichten der Epidermis Wasser bis zu 70% seiner Masse ausmacht . Der oberflächlichste – der obere Teil der Hornhautschicht ist am wenigsten hydratisiert und steht unter dem Einfluss äußerer Faktoren auf den Wassergehalt. Die Dicke der verhornten Schicht beträgt 30 µm. Nach liberaler Befeuchtung steigt sie sogar auf 40 µm an. Der tiefste Teil der Epidermis enthält mehr Wasser und damit die Auswirkungen der äußeren Umgebung ist unbedeutend. Der mittlere Bereich wiederum ist die Zone mit den höchsten Möglichkeiten zur Regulierung der Wasseransammlung. Es zeichnet sich durch eine hohe Konzentration von NMF aus, das sich in den Hornhautgewebe befindet. Der natürliche Feuchtigkeitsfaktor ist für die Aufrechterhaltung der korrekten Hydratation der Epidermis und der Hautplastizität verantwortlich. Es macht 10-30% der Trockenmasse der Hornhautschicht aus und besteht hauptsächlich aus freien Aminosäuren und ihren Metaboliten wie Urocansäure (UCA) und Pyrrolidoncarbonsäure, die die Produkte der Filaggrin-Proteolyse sind. Andere Bestandteile der Hornhautschicht mit hygroskopischen Eigenschaften sind Laktate, Harnstoff, Proteine, Saccharide, organische Säuren und zahlreiche Elektrolyte, die über Schweißdrüsen ausgeschieden werden, sowie Glycerin, das von Talgdrüsen abgegeben wird .
Die Lipide des intrazellulären Raums der Hornhautschicht der Epidermis wirken dem übermäßigen Wasserverlust aus der Epidermis entgegen, hauptsächlich dank ihrer anatomischen und biochemischen Struktur, wodurch sie die Rolle eines Barrierebestandteils spielen . Sie sind parallele Platten, die eng aneinander haften und vor Wasserverdunstung aus der Hornhautschicht der Epidermis schützen. Eine besondere Rolle spielt das Vorhandensein von Ceramiden, die die Wasserretention in der Hornhautschicht erhöhen . Eine Abnahme des Gehalts an Ceramiden, Cholesterin und freien Fettsäuren der intrazellulären Matrix verringert die Hautfeuchtigkeit . Bei der Hydratation lebender Schichten der Epidermis spielt Aquaporin-3 eine wichtige Rolle. Es ist Bestandteil von Wasserkanälen von Zellmembranen und erleichtert den Transport von Wasser, Harnstoff und Glycerin in die Epidermiszellen . Der richtige Wassergehalt in der Dermis bleibt dank Hyaluronsäure aufgrund ihrer hydrophilen Eigenschaften erhalten. Einige kleinere Mengen dieser Säure können auch in der intrazellulären Matrix der Hornhautschicht gefunden werden .
Die Hydratationswerte der Epidermis variieren je nach anatomischem Bereich. Die höchsten Werte finden sich auf der Gesichtshaut, Gelenkfossae, niedrigere Werte – an den Unterarmen, die niedrigsten – an den Schienbeinen . Dies hängt hauptsächlich von der Dicke der Epidermis und der Lage der Talg- und Schweißdrüsen ab . Der Feuchtigkeitsgehalt ändert sich auch in Abhängigkeit von der Umgebungsfeuchte und der Temperatur. Diese Parameter beeinflussen die Wasserretention und den Grad ihrer Verdunstung aus der Hornhautschicht, was einen gewissen Einfluss auf die Änderung des Hydratationsgradienten zwischen der Epidermis und der Umwelt hat . Darüber hinaus kann der Feuchtigkeitswert auch durch die Art der verzehrten Lebensmittel beeinflusst werden. Eine der Studien hat gezeigt, dass die epidermale Hydratation durch die Ernährung, die reich an gesättigten oder einfach ungesättigten Fettsäuren ist, verringert wird .
Der Verlust von Wasser aus der Haut ist ein Ergebnis der Sekretion von Schwitzen und transepidermale passive Diffusion. Der Wasserverlust durch die Epidermis wird durch den TEWL-Wert beschrieben und beeinflusst den Feuchtigkeitsgehalt der Epidermis . Der transepidermale Wasserverlust ist ein Parameter, der die Integrität der Epidermiswasserschicht widerspiegelt und ein sehr empfindlicher Indikator für die Schädigung der Epidermisbarriere ist . Der transepidermale Wasserverlust ist ein Gradient des Dampfdrucks, der in zwei Punkten gemessen wird, die senkrecht zur Hautoberfläche in einer offenen Kammer liegen, und ist ein Zwischenwert der Wassertransmission aus der Hornhautschicht. Unter stabilen Umgebungsbedingungen schwankt TEWL je nach Hautareal um 4-10 g / h /m2, kann aber bei Schädigung der Epidermis sogar bis zu einem 30-fach höheren Wert ansteigen . Der TEWL-Wert ändert sich auch unter dem Einfluss von Faktoren wie Hauttemperatur, Blutfluss durch Hautgefäße, dem Tempo der Epidermisregeneration, der Dicke der Hornhautschicht, dem Lipidgehalt in der Hornhautschicht, der Anzahl und Aktivität der Schweißdrüsen auf einer bestimmten Hautfläche, Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit und vielen anderen . Dieser Parameter hängt von der korrekten Struktur der Verbindungen zwischen den Zellen der Hornhaut- und Körnerschicht ab, die der Ort des Durchgangs zwischen einer niedrigen und einer hohen Konzentration von Wasser sind. Diese Verbindungen regulieren die Übertragung von Wasser und anderen darin gelösten Substanzen auf lebende Schichten der Epidermis . Die höchsten TEWL-Werte finden sich auf der Haut von Handflächen, Fußsohlen, Gesicht, Genitalien und den Bereichen der Gelenke; während die niedrigsten – auf den Waden . Transepidermale Wasserverlustwerte hängen höchstwahrscheinlich nicht vom Geschlecht ab , obwohl einige Studien auf höhere Werte dieses Parameters bei Männern hinweisen . Seine altersbedingte Veränderbarkeit ist ebenfalls umstritten . Höchstwahrscheinlich treten niedrigere TEWL-Werte bei Personen über 60 Jahren auf . Dieser Parameter beeinflusst auch die Regulation der Epidermis-Exfoliation und der mit der Keratinisierung einhergehenden enzymatischen Funktionen. Je intensiver der Wasserverlust ist, desto intensiver ist der Keratinisierungsprozess, der sich klinisch in übermäßigem Peeling und Erythem äußert .
Ein Indikator für gesunde Haut ist die korrekte Funktion der epidermalen Barriere, die vor äußeren Einflüssen und vor pathogenen Mikroorganismen schützt. Der Verlust der strukturellen oder funktionellen Integrität dieser Barriere erleichtert das Auftreten von Hautläsionen, die mit vielen dermatologischen Erkrankungen einhergehen. Das Wissen über biophysikalische Prozesse in der Haut kann für die Durchführung prophylaktischer Maßnahmen nützlich sein, deren Ziel es ist, die Barrierefunktion wiederherzustellen und vor der Entwicklung pathologischer Läsionen zu schützen, und kann auch hilfreich sein, um eine wirksame Behandlung einzuleiten.