Die Haut ist mit circa zwei Quadratmetern das größte Organ des Menschen. Die äußere Hautschicht, die Epidermis, stellt ein dynamisches System der fortwährenden Proliferation und Differenzierung dar. Die wichtigste Funktion der Haut ist neben ihren vielen anderen Funktionen (Temperaturregulation, Sinnesorgan, Schutz vor Schadstoffen und mechanischen Einflüssen) die Hydratationsbarriere, die das Austrocknen der Haut und des Organismus verhindert und das osmotische Gleichgewicht innerer Gewebe aufrecht erhält. Diese Funktionen werden vom Stratum corneum wahrgenommen, der äußersten der fünf Schichten der Epidermis. Im Kontakt mit der Umwelt werden Hornzellen permanent abgenutzt und entsprechende verhornende Keratinozyten im Stratum basale nachproduziert. Dieser regenerative Prozess dauert normalerweise ungefähr 20 Tage und verlängert sich im Laufe des Lebens, wobei insbesondere das Wasserbindungsvermögen der Hornschicht abnimmt. Die Haut verliert Elastizität, wird trocken und rissig und es treten Barriereschäden auf. Dadurch wird die Haut anfällig für schädigende Umwelteinflüsse, Eindringen von Mikroorganismen, Toxinen und Allergenen. Epidermale Lipide werden in ungenügender Menge und Zusammensetzung gebildet. Die Folgen sind eine erhöhte Durchlässigkeit der Hornschicht und ein Verlust an hygroskopischen Substanzen und Wasser.

Wasser ist für die Funktion der Haut von entscheidender Bedeutung. Wasser ist ein Transportmedium und ist notwendig für alle physiologischen Funktionen in den verschiedenen Hautschichten. Die dort wirksamen Enzyme können ihre Funktionen nur bei einer ausreichenden Hydratation erfüllen. Der richtige pH-Wert ist dabei eine Voraussetzung für ausreichende Enzymaktivitäten. Wassertransport über Zellmembranen hinweg ist ein fundamentaler Prozess des Lebens.

Altersbedingte Abweichungen vom Normalzustand durch umweltbedingte Abnutzungserscheinungen, Lichtschäden, intrinsische und extrinsische Hautalterung führen zu Störungen der Schutzfunktion der Hautoberfläche. Es kommt zu Hauterkrankungen wie beispielsweise atopischer Dermatitis, Psoriasis, Rosacea, Akne, trockener und empfindlicher Haut oder auch zu einer vorzeitigen Hautalterung.

Der Wassergehalt der Epidermis regelt Elastizität und Spannkraft der Haut. Wasser wird in dem hydrophoben Milieu des Stratum corneum durch die Substanzen des natürlichen Feuchtigkeitsfaktors (NMF) wie beispielsweise Glycerin, Harnstoff, Aminosäuren und Peptide gebunden. Für die Schutzfunktion der Hautbarriere ist die spezifische Lipidzusammensetzung von entscheidender Bedeutung. In den verschiedenen Hautschichten werden die Lipide durch Enzyme verändert. Für eine ausreichende Enzymaktivität sind Wasser und ein saurer pH-Wert in der Epidermis notwendige Voraussetzungen.

Das intakte Stratum corneum stellt eine unüberwindbare Barriere für hydrophile Substanzen dar. Zahlreiche pharmazeutische und apparative Verfahren wurden entwickelt, um Substanzen durch die Schutzbarriere zu transportieren. Elektrischer Strom, Schall- und Lichtenergie versetzen die zähflüssige Lipiddoppelschicht in Schwingungen und verändern dadurch die Konsistenz und Durchlässigkeit der Membran. Geeignete Vehikel für den Transport über die Schutzbarriere sind Liposomen und Nanopartikel, deren Hüllen aus hautphysiologischen Phospholipiden besteht. In Liposomen werden hydrophile, in Nanopartikel lipophile Substanzen verkapselt. Bei Hautkontakt verbindet sich die Hülle mit den Lipiden des Stratum corneum und transportiert den Inhalt der Liposomen und Nanopartikel in tiefe Hautschichten.

Aquaporine

Alle lebenden Organismen müssen den Zu- und Abfluss von Wasser zu den Zellen regulieren, damit Funktion, Form und Größe der Zellen erhalten bleiben. Dafür sind spezielle Proteine zuständig, die als "Aquaporine" bezeichnet werden.

Aquaporine (AQP) sind Wasserkanäle, die von außen geregelt werden können, um den Wasserfluss in und aus der Zelle zu steuern.

Die Tatsache, dass Wasser über Zellmembranen ausgetauscht werden kann, ist lange bekannt. Nach der Entdeckung der Lipiddoppelschicht in Plasmamembranen in den späten 1920er Jahren ging man von der einfachen Diffusion von Wasser durch die Zellmembran aus. In den 1970er Jahren wurde unter anderem von Arthur Solomon, Robert Macey und Alan Finkelstein aufgrund biophysikalischer Modelle die Existenz von spezifischen Wasserkanälen postuliert.

Erst Anfang der 1990er Jahre gelang es der Arbeitsgruppe um Peter Agre, den gesuchten Wasserkanal zu identifizieren. Sie nannten dieses Protein dann Aquaporin-1 (AQP1). 2003 erhielt er für seine Forschungen auf dem Gebiet der Aquaporine den Nobelpreis für Chemie. Bis heute sind eine ganze Reihe von Aquaporinen beim Menschen, bei Tieren, Pflanzen und Bakterien identifiziert worden.

Quellen: [Agre P. et al: Aquaporin water channels - from atomic structure to clinical medicine. J. Physiol. (2002) 542, 3-16. Agre P et al: Aquaporin water channels: molecular mechanisms for human diseases. FEBS Lett (2003) 555, 72-78. Burghardt, B: Distribution of aquaporin water channels AQP1 and AQP5 in the ductal system of the human pankreas. GUT (2003) 52, 1008-1016]

Aquaporine sind integrale Membranproteine

Alle bekannten Aquaporine weisen eine ähnliche Struktur und Aminosäurensequenz auf. Das AQP1 besteht aus einer Kette von 268 Aminosäuren. Diese bildet sechs Helices, welche die Membran durchspannen (integrales Membranprotein). Am Ende der Helix befindet sich eine charakteristische Struktur, bestehend aus drei Aminosäuren (Asparagin-Prolin-Alanin), die wesentlich zur Selektivität des Wasserkanals beiträgt. Der Kanal ist in der Mitte am engsten (0,3 nm), an den beiden Öffnungen beträgt der Durchmesser 2 nm. In Säugetieren sind 12 verschiedene Aquaporine bekannt. Die Wasserleitfähigkeit pro Kanal und Sekunde beträgt bis zu 3 x 10⁹ Wassermoleküle. Das bedeutet, dass eine 10 x 10 cm² große Membran mit eingebetteten Aquaporinen einen Liter Wasser in ca. 7 Sekunden filtern kann. 

Quelle: [Farage MA. Textbook of Aging Skin, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010]

Aquaporine sind hoch selektiv. Auf Grund des Engpasses in der Mitte des Kanals können keine größeren Teilchen als Wassermoleküle den Kanal passieren.

Die hohe Effizienz der Aquaporine liegt darin begründet, dass sie die Wassermoleküle einzeln und geordnet durch den Kanal leiten und dabei die Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Wassermolekülen zeitweise lösen. Der Durchtritt von Kationen, die kleiner als ein Wassermolekül sind, wird von positiv geladenen Aminosäure-Resten im Inneren des Kanals verhindert.

Der Wasserhaushalt von Zellen wird über den osmotischen Druck geregelt. Der Unterschied zwischen Diffusion und kanalvermittelter Permeabilität ist erheblich. Diffusion ist ein Prozess, der mit geringer Kapazität in beide Richtungen durch die Membran aller Zellen abläuft. Beim Vorhandensein von spezifischen Wasserkanälen kann das Wasser fast ungehindert in Richtung des osmotischen Gradienten wandern. Der Kanal arbeitet bidirektional, d.h. Wasser kann in beiden Richtungen durch den Kanal wandern. Während die Diffusion nicht blockiert werden kann, können unter anderem Quecksilberverbindungen die Aquaporine verschließen. Andererseits können bestimmte Substanzen wie Glycerylglucosid, Coffein und Theophyllin, aber auch ein osmotischer Stress von außen die Bildung von Aquaporinen stimulieren.

In der Lipidmembran der Haut wurden ebenfalls Aquaporine nachgewiesen. Die Lipidschicht des Stratum corneum ist in ihrem Inneren wasserabweisend (hydrophob). Daher ist ihre Leitfähigkeit für Wassermoleküle sehr gering. Damit Wasser über die Lipidschicht in tiefe Hautschichten gelangen kann, muss freies Wasser entweder über spezifische Kanäle geleitet oder an hydrophilen Substanzen gebunden entlang der Desmosomenbrücken in die Epidermis transportiert werden.

Der Wassergehalt der Epidermis wird durch die Substanzen des natürlichen Feuchtigkeitsfaktors (NMF) geregelt. Bei Barriereschäden kommt es zu einem vermehrten Wasserverlust (TEWL = transepidermaler Wasserverlust), der zu einer trockenen und empfindlichen Haut führt. Geeignete dermatokosmetische Produkte können den Feuchtigkeitsgehalt der Epidermis entscheidend verbessern, wenn sie die Transportmöglichkeiten von Wasser über die Aquaporine nutzen.

Die Proteinfamilie der Aquaporine wird in so genannte einfache Aquaporine und Aquaglyceroporine unterteilt. Einfache Aquaporine sind reine Wasserkanäle. Aquaglyceroporine leiten zusätzlich kleine organische Moleküle wie Glycerin und Harnstoff. In der Haut scheint Aquaglyceroporin-3 eine besondere Rolle zu spielen. Hara et al. konnten zeigen, dass bei defektem Aquaporin-3 der Wasser- und Glycerintransport in die Epidermis gestört ist. Dadurch ist die Feuchtigkeit und Elastizität der Haut vermindert und Barrierestörungen werden nur verzögert repariert.

Quelle: [Hara M et al. Glycerol replacement corrects defective skin hydration, elasticity and barrier function in aquaporin-3 deficient mice. Prog Natl Acad Sci USA (2003) 100, 7360-7365]

Die Aquaglyceroporine sind sehr wichtige Transportkanäle für Feuchthaltesubstanzen der Haut und sollten daher "Korneoporine" genannt werden. Aquaporin-3 der Haut transportiert nicht nur Wasser, sondern auch Glycerin und Harnstoff in tiefere Hautschichten. Dadurch kommt es zu einer besseren Durchfeuchtung der Haut mit einer gesteigerten Aufnahmefähigkeit von Glycerin und Wasser aus kosmetischen oder dermatologischen Präparaten.

Radiofrequenztherapie

Die Radiofrequenztherapie nutzt die Diathermie (griechisch für Wärmedurchdringung), bei der Wärme im Körper mit Hilfe von hochfrequentem elektrischen Strom erzeugt wird. Dazu werden Elektroden auf die Haut aufgesetzt, die mit einer Hochfrequenzquelle verbunden werden. Eine Elektrode ist der Sender, die Gegenelektrode die Empfängerantenne. Die Radiowellen induzieren im Gewebe Wirbelströme, die zur Wärmeentwicklung führen. Der physikalische Vorgang der Erwärmung beruht auf der Erhöhung der inneren Energie des Gewebes. Die Ursache der Erwärmung sind Bewegungsanregungen der im Gewebe vorhandenen Wasserdipole.

Durch die Erwärmung wird die Permeation auch von lipophilen Molekülen durch die Hautbarriere verbessert. Wie stark verschiedene Gewebe erwärmt werden, hängt von der Gewebezusammensetzung und der Permittivität (lat.: durchlassen) für elektrische Felder ab. Durch die Erwärmung wird die zähflüssige Lipidmembran der Haut fluidisiert und Kollagen- und Elastinfasern "geschrumpft", so dass eine Faltenglättung zu beobachten ist. Durch die milde Wärmeentwicklung und die Stimulation der Fibroblasten in der Dermis werden Kollagen- und Elastinfasern neu gebildet.

Für dermatokosmetische Behandlungen werden mono-, bi- und tripolare Radiofrequenzgeräte verwendet. Laut Hersteller sollen bi- und tripolare Geräte bessere Behandlungsergebnisse zeitigen, da die Hitzeentwicklung für den Patienten nicht so belastend sei. Aus physikalischer Sicht muss dieser Darstellung widersprochen werden. Bei bipolaren Geräten befinden sich die aktive Elektrode und die Antennenelektrode nebeneinander im Handstück. Zwischen beiden Elektroden breitet sich das Hochfrequenzfeld aus. Bei tripolaren Geräten werden zwei aktive Elektroden gegen eine Neutralelektrode geschaltet. Bei der bi- und tripolaren Elektrodenanordnung wird das elektromagnetische Feld zwischen der aktiven und der Neutralelektrode in einer horizontalen Ebene aufgebaut, das heißt parallel zum Stratum corneum. Die elektrischen Feldstärken entfalten sich nicht senkrecht durch die Barriere, sondern verursachen eher Scherkräfte und destabilisierende Wirbelströme im Stratum corneum. Im Gegensatz dazu befinden sich bei monopolaren Geräten die aktive Elektrode im Handstück und die Neutralelektrode am Körper des Patienten. Die Hochfrequenzfeldlinien breiten sich senkrecht zur Hautoberfläche aus und transportieren Energie durch die Barriere.

Aquaporation verbessert die Elastizität und Feuchtigkeit der Haut

Bei der Aquaporation werden geeignete dermatokosmetische Präparate über die Barriere tief in die Epidermis eingeschleust. Der Transport der Wirkstoffe über die Membran wird mit Hilfe von hochfrequenten Strömen beschleunigt. In einer Studie wurde beobachtet, dass Barriereschäden behoben und der Feuchtigkeitsgehalt der Haut verbessert wurde. Bei zusätzlicher Anwendung von Radiowellen wurde nachhaltig mehr Feuchtigkeit in die Haut transportiert und Falten geglättet. Dieser Effekt war nicht nur kurzzeitig zu beobachten, sondern konnte durch mehrere Behandlungen gesteigert werden.

Es wird vermutet, dass durch Radiowellen die Transportkapazität der Aquaporine für Wasser durch Konformationsänderungen der Proteinstrukturen im Kanal vergrößert werden kann. Die Wirbelströme der Radiowellen verursachen nicht nur eine Separation der Wassermoleküle durch Schwächung der Wasserstoffbrücken im engen Kanal, sondern auch eine Änderung der räumlichen Anordnung der Proteinstrukturen durch Wärme. Dadurch wird der Wassereinstrom über Aquaporine durch die Lipidmembran in die Epidermis deutlich gesteigert.

Zur Überprüfung der Hypothese, dass die Hautfeuchtigkeit durch geeignete Präparate und Einschleusung über elektromagnetische Felder mehr gesteigert werden kann als durch Auftragen der Präparate alleine, wurde folgende Versuchsreihe durchgeführt:

1. Die Hautfeuchtigkeit wurde mit einem Corneometer gemessen und dann eine Mischung aus liposomalem NMF und Hyaluronsäure auf die Innenseite des Unterarms der Versuchsperson aufgetragen.

2. Durch die Haut des anderen Arms wurden die gleichen Wirkstoffe mit einem Radiofrequenzgerät über 20 Minuten eingeschleust.

Durch die Behandlung mit Radiowellen konnte deutlich mehr Feuchtigkeit in die Haut transportiert werden als durch Feuchtigkeitspräparate alleine.

Für die Aquaporation wurden spezielle Präparate entwickelt, die Substanzen des natürlichen Feuchtigkeitsfaktors NMF in einer liposomalen Formulierung und Hyaluronsäure enthalten [KOKO GmbH & Co. KG, Leichlingen]. Mit Liposomen werden hydrophile Substanzen durch Lipidmembranen der Epidermis transportiert. Die Liposomenhülle besteht aus einer Phospholipiddoppelschicht, die sich bei Hautkontakt mit der identisch aufgebauten Lipidschicht des Stratum corneum vereint und den Liposomeninhalt in tiefe Hautschichten transportiert. Bei der Aquaporation werden Wasser, Glycerin, Harnstoff und andere hydrophile Substanzen auf zwei Wegen über die Lipidmembran transportiert:

1. über den liposomalen Weg

2. über Aquaporine.

Hyaluronsäure wirkt dabei wie ein wassergefüllter Schwamm auf der Haut, der durch Radiowellen ausgepresst wird.

Durch Erwärmung der Lipiddoppelschicht wird die Barriere fluidisiert und damit durchlässiger für lipophile Substanzen. Die Phospholipide der Liposomenhüllen verstärken die Lipidmembran und liefern essentielle Linolsäure zum Aufbau der Ceramide 1 und 4, die über lange Fettsäurenketten die beiden Lipidschichten verzahnen.

Durch den RF-Wärmereiz wird die Neubildung von Aquaporinen in der Haut angeregt. Mit Radiowellen werden Wirbelströme der Wasserdipole induziert, die vorhandenen Wasserstoffbrücken gelockert und so ein Wasserfluss über die Aquaporinkanäle in tiefe Hautschichten aufgebaut. Zusätzlich wird durch Wärmeentwicklung die Anordnung der Proteinstrukturen in den Aquaporinkanälen verändert und so der Kanal erweitert. Dadurch wird der Wasserfluss erheblich gesteigert. Große Mengen Feuchtigkeit gelangen auf diese Weise in tiefe Hautschichten. Aquaporation steigert somit nachhaltig den Feuchtigkeitsgehalt und die Elastizität der Haut.

Behandlungsablauf der Aquaporation

Vor jeder Behandlung wurden der Feuchtigkeits- und Sebumgehalt der Haut gemessen [Corneometer, Sebumeter, Fa. Courage & Khazaka, Köln]. Nach Abreinigen mit einer Mischung aus Reinigungsgel und Reinigungsmilch (1:1) werden die Wirkstoffkonzentrate [KOKO GmbH & Co.KG, Leichlingen]:

• Liposomen NMF-Komplex

• Hyaluronsäure Konzentrat

mit einem Pinsel auf die Gesichtshaut aufgetragen. Mit einem Radiofrequenzgerät [radioSURG^® 2200, Fa. Meyer-Haake GmbH, Wehrheim] wird dann ein elektromagnetisches Feld aufgebaut und Radiowellen gleichmäßig auf dem zu behandelnden Gebiet mit einer RF-Konuselektrode verteilt.

Die Neutralelektrode wird bei Behandlungen im Gesicht-, Hals- und Dekolleté-Bereich unter die Schulter des Patienten gelegt. Dadurch werden die Feldlinien senkrecht zum Stratum corneum ausgerichtet. Es ist darauf zu achten, dass die Neutralelektrode ganz vom Patienten bedeckt wird. Direkter Hautkontakt ist nicht notwendig, da die Elektrode als Antenne wirkt.

Das radioSURG^® 2200 wird in der Einstellung MONO CUT (ohne Koagulationsgrad) auf ca. 18-20 Watt eingestellt. Die Elektrode wird mit leichtem Druck auf das zu behandelnde Gebiet aufgelegt, so dass zwischen Elektrode und Haut kein Spalt mehr besteht. Erst dann wird das Gerät über den Fuß- oder Fingerschalter aktiviert und die Elektrode in kreisenden Bewegungen über das Behandlungsgebiet geführt. Es sollte vor jeder Behandlung ein Toleranztest durchgeführt werden. Wenn sich die Haut am Dekolleté leicht rötet, ist das die richtige Einstellung für die empfindlicheren Hautpartien.

Kühlgele oder herkömmliche Ultraschallgele sollten nicht verwendet werden, da Duft- und Konservierungsstoffe eine allergisierende und sensibilisierende Wirkung bei Eindringen in tiefe Hautschichten haben, die durch Radiowellen noch verstärkt werden kann.

Bei der Studie wurden 6 Behandlungen im wöchentlichen Abstand durchgeführt. Für die Heimbehandlung wurde eine DMS^®-Membrancreme, in die liposomaler NMF, Hyaluronsäure und D-Panthenol gemischt wurde, den Probanden mitgegeben. Diese Pflegecreme sollte morgens und abends auf die Gesichtshaut aufgetragen und einmassiert werden.

Mit der Aquaporation und geeigneten dermatokosmetischen Wirkstoffen sind eine Verbesserung der Feuchtigkeit und Elastizität der Haut, eine Reparatur von Barriereschäden und ein Aufhalten der vorzeitigen Hautalterung zu erreichen, die mit herkömmlichen kosmetischen Präparaten und Moisturizern alleine bisher nicht erreicht wurden.

Dr. Hans-Ulrich Jabs

Bildquellen:

• Aquaporine als integrale Strukturproteine in der Lipidmembran. [de Groot, B et al: Water Permeation Across Biological Membranes: Mechanism and Dynamics of Aquaporin-1 and GlpF, Science (2001), 294, 2353-2357]

• Röntgenstruktur von Aquaporin-1 mit einer Auflösung von 0,115 nm. [Fischer G. et al: Crystal Structure of a Yeast Aquaporin at 1.15 Å Reveals a Novel Gating Mechanism. PLoS Biol. (2009) 7 (9), e 10001300]

veröffentlicht in
Ästhetische Dermatologie (mdm)
2010 (5), 6-12