Wie Umweltverschmutzung und Sonnenlicht die Hautalterung beschleunigen

Hautalterung ist ein komplexer Vorgang. Neben den sich ändernden Prozessen im Körper, nehmen auch Sonnenlicht und Umweltverschmutzung Einfluss. Wenn diese beiden Faktoren zusammentreffen, dann sprechen Forscher vom städtischen Exposom.

Komplex sind auch die beteiligten Mechanismen im Körper: Fett-, Protein- und Zuckerstoffwechsel tragen ebenso zur Hautalterung bei, wie die Fähigkeit des Gewebes zu kommunizieren und sich zu regenerieren. Dieses Zusammenspiel soll im interdisziplinären Projekt SKINMAGINE mit höchster Präzision auf Zellebene analysiert werden.

„Das ist ein sehr interdisziplinäres Projekt“, erklärt Markus Schosserer, Senior Scientist am Institut für Molekulare Biotechnologie an der Universität für Bodenkultur (BOKU) Wien. Hautveränderungen mit Einzelmethoden zu charakterisieren, ist sehr schwierig. Deshalb bündeln Dermatologen der MedUni Wien, Biotechnologen der Universität für Bodenkultur Wien und Chemiker der TU Wien ihre Methoden und ihr Wissen. Gemeinsam will man Massenspektroskopie mit anderen bildgebenden Verfahren kombinieren, um multimodale analytische Methoden anwenden zu können. Mit im Team ist der französische Mode- und Kosmetikkonzern Chanel.

An der BOKU forscht man schon seit 20 Jahren im Bereich Hautalterung. Ursprüngliche Idee sei es gewesen, Zellen unsterblich zu machen, um diese für biotechnologische Prozesse zu nutzen, erklärt Schosserer: „Zellen aus dem menschlichen Körper haben nur eine begrenzte Lebensspanne. Irgendwann hören sie auf, sich zu teilen. Mit unsterblichen Zellen könnten wir konstant Zellen vom gleichen Spender reproduzieren, und diese dann als Testsysteme zur Herstellung biotechnologischer Produkte verwenden.“

Der Senior Scientist etabliert die Raman Mikroskopie für Zellkulturen und Gewebeproben an der BOKU. Die Technologie ermöglicht es, zelluläre Vorgänge in lebenden Organismen zu erforschen und bietet unterschiedliche Verfahren der Bildgebung – von der Punktmessung bis zum Scannen eines ganzen Gewebestückes. Im Interview mit Innovation Origins erklärt Schosserer den Projektaufbau:

Wie ist der Stand der Technik in der Erforschung der Hautalterung? An welchen Forschungsstand schließen Sie an?

Es ist schon das zweite Projekt, in dem wir mit Chanel an neuen Erkenntnissen in der Hautalterung arbeiten. Im ersten Projekt trat Professor Erwin Tschachler vom Institut für Dermatologie an der MedUni Wien an uns heran, weil er an unseren Modellen für zellulare Hautalterung interessiert war. Damals begannen wir gemeinsam Modelle zu entwickeln, mit denen wir außerhalb des Körpers Zellen testen können.

Für die Kosmetikindustrie ist es sehr wichtig, weg von den Tiermodellen zu kommen. Mäuse sind kein gutes Modell für menschliche Hautalterung. Ihre Haut sieht ganz anders aus, als die menschliche Haut. Wir haben dazu beigetragen, dreidimensionale Modelle aus menschlichen Hautzellen zu entwickeln, welche die Hautalterung gut abbilden können. Dazu haben wir seneszente Zellen in ein künstliches Hautmodell eingebaut. Seneszente Zellen sind Zellen, die wir in Gewebekultur altern lassen. Je mehr seneszente Hautzellen wir in dieses Hautmodell hineingesetzt haben, desto mehr hat es wirklich alter Haut ähnlich gesehen. Damit konnten wir den realen Hautalterungsprozess abbilden, bei dem die Epidermis, die oberste Hautschicht, immer dünner wird.

Mit welchen Zellen forschen Sie zu den Mechanismen der Hautalterung?

Die Zellen bekommen wir von Hautbiopsien, die bei chirurgischen Eingriffen übrig bleiben. Meistens handelt es sich um ästhetisch bedingte Fettabsaugungen am Bauch. Die Bauchhaut eignet sich, weil am Bauch wenig UV-Strahlung auftrifft und die Hautzellen deshalb noch nicht vorgeschädigt sind. So gelangen wir an die Haut von jüngeren und älteren Spendern und Spenderinnen, die wir ex-vivo untersuchen können.

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Wegen unserem zellbiologischen Hintergrund arbeiten wir aber auch sehr viel mit Zellkultur. Einerseits mit wenig komplexen Kulturen eines einzelnen Zelltyps und andererseits mit künstlichen Hautäquivalenten. Das heißt, dass wir verschiedene Zellen zusammenmischen und daraus dann künstliche Haut züchten.

In dem Projekt soll auch noch Grundlagenwissen aufgebaut werden – welche Fragen möchten Sie beantworten?

Wir wissen zwar, dass die seneszenten Zellen zur Hautalterung beitragen, möchten aber die Mechanismen noch besser verstehen. Aus der Perspektive der BOKU interessiert mich vor allem die Proteinsynthese. Wir wissen schon lang, dass die Proteinsynthese allgemein bei Alterungsprozessen im Organismus eine große Rolle spielt. Zum Beispiel wissen wir, dass ein Organismus der weniger Protein zu sich nimmt, also weniger Proteinsynthese macht, länger lebt.

Jetzt möchten wir herausfinden, ob das auch auf zellulärer Ebene dazu führt, dass die Zellen früher oder später altern – und ob wir das umkehren können. Dazu müssen wir aber die Alterungsprozesse genau kennen. Wir müssen verstehen, wie die Proteinsynthese funktioniert und wie sich beim Altern die molekularen Maschinen verändern, die in der Zelle Protein erzeugen. (Anmerkung: Proteinsynthese ist die Neubildung von Proteinen in Zellen, bei der nach Vorgabe genetischer Information Proteine aus Aminosäuren aufgebaut werden).

Sie wollen die Hautalterung aufgrund des städtischen Exposom analysieren – wie stellen Sie diese Veränderungen dar?

Das ist sehr komplex, weil viele Faktoren zusammenspielen: Genetik, UV-Strahlen, verschiedene Abgaspartikel, die vielleicht auch überall anders sind … Deshalb versuchen wir die Dinge zunächst möglichst einfach zu halten und in-vitro zu analysieren, also mit Naturmaterial an unserem Modell. Um die genetische Varianz entfernen zu können, nehmen wir Zellen von nur wenigen Spendern. Dann bauen wir unsere künstliche Haut und setzen sie standardisierter UV-Strahlung und genau definierten Konzentrationen von Schmutz- und Feinstaubpartikeln aus. So können wir untersuchen, welche Veränderung das städtische Exposom in der Haut hervorruft – sowohl auf chemischer als auch auf zellulärer Ebene. Später werden wir den Vorgang auch in Proben von Spendern und Spenderinnen untersuchen, um zu sehen, ob sich die Ergebnisse übertragen lassen.

Die Ausgangsposition ist die ideale Haut, die Haut am Bauch?

Genau und die lassen wir dann quasi bei uns im Labor standardisiert altern.

Sie arbeiten in dem Projekt mit multimodalem Imaging – das heißt, sie kombinieren verschiedene bildgebende Mikroskoptechniken. Wie können wir uns das vorstellen?

Problematisch an der Raman Mikrospektroskopie ist, dass wir Spektren generieren, die sehr komplex sind. Jedes Makromolekül in der Zelle erzeugt ein eigenes Spektrum und das führt zu Überlagerungen. Auseinanderzuhalten, welches Molekül jetzt welche Veränderung macht, ist extrem schwierig.

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Wenn wir verschiedene bildgebende Verfahren kombinieren, bekommen wir umfassende Informationen über biologische Prozesse. Zunächst müssen diese Bildinformationen aber zusammengesetzt werden. Das ist insofern schwierig, als diese Bilder verschiedene Größenordnungen haben, es teilweise zu Verzerrungen kommt und die enthaltenen Informationen sehr unterschiedlich sind. Das dann mikrometer- oder sogar nanometergenau übereinander zu lagern, ist nicht einfach. Die große Herausforderung liegt also bei den Chemikern und Bioinformatikern von der TU Wien, die die verschiedenen Mikroskopbilder zusammenbauen.

In dem Projekt will man auch zu einer Methode kommen, die eine sofortige Aussage über den Hautzustand einer Person ermöglicht. Dazu soll eine Probe direkt von der Hautoberfläche genommen und online in das Gerät eingebracht werden. Wie soll das funktionieren?

Zunächst wollen wir einmal die Methode mit unserem Zellmodell etablieren. Unsere Kooperationspartner arbeiten jedoch auch schon mit Probanden daran, tragbare Raman-Sonden zu realisieren. Dabei braucht man nur mehr mit der Sonde zum Beispiel über die Hand zu scannen um die Spektren zu untersuchen. Wir haben mit unserem Modell eine deutlich höhere Auflösung und arbeiten daran, die Informationen, die wir auf unserem Modell generiert haben, auf die in-vivo-Situation übertragen zu können.

Chanel möchte in dem Projekt pflanzenbasierte Produkte entwickeln?

Wir haben schon in der vorangegangenen Zusammenarbeit mit Chanel einen Pflanzenextrakt aus der Goldrute gefunden, der die Zeichen der Hautalterung in unseren in-vitro-Modellen verlangsamen kann. Chanel konnte diese Ergebnisse später auch an Probandinnen verifizieren. Deren oberste Hautschicht wurde wirklich ein wenig dicker. Unsere biologischen Modelle sind ziemlich abstrakt und zu sehen, dass sie sich wirklich auf den Menschen übertragen lassen, ist ein tolles Erlebnis.

Genauso werden wir im neuen Projekt vorgehen. Wir werden wieder Extrakte oder andere aktive Substanzen auf pflanzlicher Basis von Chanel bekommen und dann untersuchen, ob diese Extrakte die Hautalterung verzögern oder umkehren können. Allerdings testen wir vorwiegend reine Extrakte. Ein fertiges Hautpflegeprodukt besteht natürlich aus vielen weiteren Komponenten und wir wissen nicht, wie dieses letztendlich formuliert ist. Die Tests von Hautpflegeextrakten und –produkten an Probandinnen macht vor allem unser Kooperationspartner Chanel.

Danke für das Gespräch.