DE10322413A1

DE10322413A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Einflusses kosmetischer oder pharmazeutischer Externa auf die Transmission der menschlichen Haut

Info

Publication number: DE10322413A1
Application number: DE2003122413
Authority: DE
Inventors: Stephan Bielfeldt
Original assignee: PRODERM INST fur ANGEWANDTE D; Proderm Institut fur Angewandte Dermatologische Forschung GmbH
Current assignee: PRODERM INST fur ANGEWANDTE D; Proderm Institut fur Angewandte Dermatologische Forschung GmbH
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Einflusses kosmetischer oder pharmazeutischer Externa auf die Transmission der menschlichen Haut. Um die Strahlenbelastung für Probanden möglichst gering zu halten, aber eine höhere Messgenauigkeit als bei den bekannten in vitro-Messmethoden zu erreichen, wird vorgeschlagen, das Externum auf die Oberseite einer UV-durchlässigen Trägerschicht oder Membran aufzubringen, beide Komponenten mittels einer UV-Lichtquelle zu durchleuchten und die transmittierte Strahlung von einem an die Unterseite der Trägerschicht oder Membran geführten Lichtleiter aufzunehmen und zu einem Radiometer weiterzuleiten und zu messen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Einflusses kosmetischer oder pharmazeutischer Externa auf die Transmission der menschlichen Haut.
Die optische Transmission der Haut nach Einwirken von Externa ist für eine Reihe pharmazeutischer und kosmetischer Produkte von Bedeutung. Dazu gehören abdeckende, zumeist pigmenthaltige Formulierungen, Produkte, die die Haut färben bzw. bräunen sollen, solche, die vor Infrarotlicht schützen sollen und Präparationen, die überwiegend die Transmission von UV-Licht durch die Haut reduzieren (Lichtschutzmittel). Weiterhin können Externa gewollt oder als unerwünschte Wirkung die Durchlässigkeit der Haut für elektromagnetische Strahlen erhöhen. Die Untersuchungen solcher Effekte sind vor allem wichtig, wenn eine erhöhte Lichtempfindlichkeit der Haut durch die Anwendung externer Präparate vermieden werden soll.
Die derzeit bedeutendste Anwendung von Methoden zur Messung der optischen Transmission von Externa auf der menschlichen Haut stellt die Messung der Wirksamkeit von Lichtschutzmitteln dar. Der im nachfolgenden erläuterte, technische Stand der Verfahren bezieht sich zwar im Wesentlichen auf die Messung von Lichtschutzmitteln, ist aber auch für die anderen genannten Fragestellungen gültig.
Die Prüfung von Lichtschutzmitteln auf ihre Wirksamkeit erfolgt üblicherweise in vivo mit Hilfe von Messreihen an ausgewählten Probanden. Man ermittelt die Bestrahlungszeit bis zum Erreichen der Erythem-Schwellendosis, bei der eine Rötung auftritt, und bildet den Quotienten aus dem Verhältnis von Erythem-Schwellzeit mit Sonnenschutzmittel und Erythem-Schwellzeit ohne Sonnenschutzmittel.
Der so berechnete Lichtschutzfaktor gibt an, wie viel länger die durch das Mittel geschützte Haut im Vergleich zur ungeschützten Haut der Sonne ausgesetzt werden kann.
In Europa wurde die Methode zur Bestimmung der Lichtschutzfaktoren von dem Verband der Europäischen Kosmetikhersteller „Colipa" standardisiert und ist Grundlage für die europäische Harmonisierung der Lichtschutzfaktorprüfung. Nach diesem Standardvertahren werden die Testsubstanzen in einer Flächenkonzentration von 2 mg/cm² auf dem Rücken der Probanden aufgetragen. Die Messflächen werden dann mit einer gefilterten Xenon-Lampe, deren Spektrum der spektralen Verteilung des natürlichen Sonnenlichtes in etwa entspricht, belichtet. Die Bestrahlungsdosis wird von Messfläche zu Messfläche schrittweise um 25 % erhöht. Der Sonnenschutzfaktor wird dann aus den Bestrahlungsdosen errechnet, die gerade ein minimales Erythem erzeugt haben.
Bei der Methode besteht zum einen eine Fehlerquelle darin, dass die Rötung der Haut nicht gemessen, sondern durch den Augenschein des Prüfers bestimmt wird. Zum anderen wird der Proband mit einer Strahlendosis belastet. Für alle Arten von Strahlenbelastungen gilt aber, dass kein Grenzwert angegeben werden kann, bei dem eine Exposition als vollkommen unschädlich gilt. Aus diesem Grund ist aus ethischen Gründen die Strahlungsbelastung für Probanden bei einer Prüfung möglichst gering zu halten.
Man hat deshalb in vitro-Methoden zur Bestimmung des Lichtschutzfaktors und des UV-A-Schutzes von Lichtschutzmitteln entwickelt, um völlig ohne Probanden auszukommen. Ein Verfahren wird in der deutschen Offenlegungsschrift 196 32 687 beschrieben. Dabei wird ein Prüfkörper aus Quarz oder transparentem Kunststoff vorgeschlagen, der im Wellenbereich von 290 bis 400 Nanometer optisch transparent ist und eine Prüffläche zur Aufnahme des Externums aufweist. Es wird dann die Transmission durch den Prüfkörper und das aufgetragene Externum frequenzaufgelöst mittels eines Radiometers gemessen.
Nachteilig an diesem Messverfahren ist insbesondere, dass das transmittierte UV-Licht erst nach einem relativ weiten Weg von mehreren Millimetern gemessen wird. Hierdurch wird das Messergebnis durch Streueffekte des Messlichtes verfälscht, was das Verfahren ungenau macht.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Messung des Einflusses kosmetischer und pharmazeutischer Externa auf die Transmission der menschlichen Haut vorzuschlagen, bei dem die Strahlenbelastung für Probanden möglichst gering ist, welches aber eine höhere Messgenauigkeit als bei den bekannten in vitro-Messmethoden aufweist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe sieht vor, dass die transmittierte Strahlung von einem an die Unterseite der Trägerschicht oder Membran geführten Lichtleiter aufgenommen und zu dem Radiometer weitergeleitet wird. Bei diesem Verfahren kann durch Verwendung eines Lichtleiters die transmittierte elektromagnetische Strahlung an einem einzelnen Punkt direkt unterhalb der Trägerschicht oder Membran aufgenommen werden. Das aufgefangene Licht wird dann durch den Lichtleiter nahezu verlustfrei zu einem Radiometer weitergeleitet und die Intensität wellenlängenaufgelöst gemessen. Hierdurch wird das Messergebnis nicht durch einen längeren Austrittsweg verfälscht und die Messgenauigkeit erhöht sich.
Wird statt einer starren Trägerschicht, etwa aus Quarzglas, eine permeable Membran als Trägermaterial verwendet, dann ist es darüber hinaus möglich, den Lichtleiter in das Innere der Membran einzuführen und dort die Transmission direkt zu messen. Dadurch wird der Abstand zwischen der Schicht des Externums und dem Messpunkt verkürzt und verfälschende Einflüsse der Trägerschicht auf das Messsignal werden minimiert.
Bei der menschlichen Haut liegen die Schichten, die mit dem eintretenden UV-Licht wechselwirken, je nach Wellenlänge in einem Bereich von 10 μm bis 300 μm überwiegend in der Epidermis. Um den Eigenschaften der menschlichen Haut möglichst nahe zu kommen, wird mit Vorteil eine Trägerschicht oder Membran mit einem Durchmesser von unter 500 μm und/oder ein Lichtleiter mit einem Durchmesser von unter 150 μm verwendet.
Bei den vorbekannten und beschriebenen in vitro-Messungen wird das Externum auf eine Trägerfläche, etwa eine Quarzplatte, aufgebracht. Im Gegensatz zu diesen Prüfkörpern ist die menschliche Haut aber kein homogener, inerter Festkörper, sondern sie besteht histologisch aus übereinander liegenden Schichten mit differenzierten Zelltypen und nichtzellulären Bestandteilen. Bei Bestrahlung mit UV-Messlicht kommt es aufgrund diesen Aufbaus innerhalb der Haut selbst zu wellenlängenabhängigen Reflektions-, Streuungs-, Absorptions- sowie Fluoreszenzeffekten. Diese Wechselwirkungen treten bei einer Transmissionsmessung durch eine einfache Quarzplatte nicht auf. Hierdurch wird das Messergebnis verfälscht, weil es die realen Verhältnisse nur unzureichend wiedergibt.
Ein weiterer Unterschied zwischen in vitro- und in vivo-Messungen besteht darin, dass das Externum beim Aufbringen auf eine inerte Trägerfläche dort verbleibt. Bei Anwendung eines Externums auf der menschlichen Haut verbleibt dieses dagegen nicht auf der Hautoberfläche, sondern wird von der Haut resorbiert. Die unterschiedlichen Bestandteile des Schutzmittels diffundieren dann in Abhängigkeit von ihrer Größe und ihren polaren Eigenschaften in die Hautschichten, extrazellulären Räume, Zellmembranen oder Zellen. Dieser Vorgang verändert die optischen Eigenschaften der Haut.
Außerdem hat die Haut eine bestimmte Temperatur, die über der Umgebungstemperatur liegt. Auch hierdurch können die Eigenschaften des Externums verändert werden.
Die optischen und mechanischen Wechselwirkungen von Haut, Externum und Messlicht sind bei den bekannten in vitro-Verfahren nicht erfasst. Sie finden deshalb auch keinen Eingang in das Messergebnis.
Dieser prinzipielle Mangel der in vitro-Messverfahren lässt sich nun auf überraschende Weise dadurch beheben, dass der Lichtleiter in die, als Trägerschicht für das Externum verwendete, menschliche Haut eingeschoben und die Messung in vivo durchgeführt wird. Hierdurch werden die oben genannten Einflussfaktoren vollständig berücksichtigt, da das austretende Licht nach seinem Weg durch die menschliche Haut direkt gemessen wird. Es ergeben sich also die Vorteile des in-vitro Verfahrens, nämlich die objektive Messung der Transmission, ohne dass das Verfahren die genannten Nachteile, nämlich das Fehlen wesentlicher Einflussfaktoren, aufweist.
Indem der Lichtleiter im Bereich zwischen Hornschicht der Epidermis und Basalmembran der Haut liegend eingeführt wird, wird das Licht genau in jenem Bereich der Haut aufgenommen, in dem die Zellschädigung durch die UV-Strahlung stattfindet.
Da die Messung direkt durch die Haut erfolgt, ist es nicht notwendig, eine Hautrötung zu erzeugen. Deshalb kann die verwendete Bestrahlungsdauer und -intensität des Messlichtes unterhalb der Erythemschwelle gehalten werden. Dadurch wird die Strahlungsbelastung für die Probanden sehr viel geringer gehalten, als bei der Prüfung nach dem Colipa-Standard.
Dadurch, dass die Vorrichtung einen Lichtleiter zur Aufnahme und Weiterleitung der Strahlung aufweist, kann die transmittierte elektromagnetische Strahlung an einem einzelnen Punkt direkt unterhalb der Trägerschicht oder Membran aufgenommen werden. Hierdurch wird das Messergebnis nicht durch einen längeren Austrittsweg verfälscht und die Messgenauigkeit erhöht sich.
Bei der menschlichen Haut liegen die Schichten, die mit dem eintretenden UV-Licht wechselwirken, je nach Wellenlänge in einem Bereich von 10 μm bis 300 μm überwiegend in der Epidermis. Um den Eigenschaften der menschlichen Haut möglichst nahe zu kommen, weist die Trägerschicht oder Membran einen Durchmesser von unter 500 μm und/oder der Lichtleiter einen Durchmesser von unter 150 μm auf. Durch den geringen Durchmesser des Lichtleiters ist es außerdem möglich, diesen nahezu schmerzfrei in die oberen Schichten der menschlichen Haut einzuführen, ohne dass eine Verletzung entsteht.
Um die Strahlung zu fokussieren und an spezifische Versuchsbedingungen anzupassen, weist der Lichtleiter zur Aufnahme der Strahlung eine Mikrooptik auf.
Beim Einführen in die Haut wird das Risiko unerwünschter Wirkungen auf die Haut dadurch verringert, dass der Lichtleiter als biokompatibles Material ausgebildet ist.
Um die Strahlenbelastungen für die Probanden weiter zu verringern, ist das Radiometer als Photomultiplier oder Diodenarray-System ausgeführt. Hierdurch wird die Empfindlichkeit der Messvorrichtung erhöht. Bei Verwendung eines Diodenarray-Systems kann außerdem eine schnelle und gleichzeitige Messung aller Wellenlängen erfolgen. Hierdurch wird der Messvorgang beschleunigt und die Strahlenbelastung weiter erniedrigt.
Um den Abstand und/oder den Winkel zwischen Lichtaustrittsstirnfläche des Lichtwellenleiters und Sensoreingang des Radiometers stufenlos zu verstellen, ist ein Verbindungsstück zwischen beiden vorgesehen. Hierdurch kann die Leistungsübertragung vom Lichtwellenleiter zum Sensoreingang optimiert werden. Dieses geschieht dadurch, dass der Lichtwellenleiter in das Verbindungsstück eingeführt und fixiert wird. Dann werden Abstand und Winkelposition in kleinen Stufen verändert und die Signalstärke gemessen, bis das Maximum gefunden ist.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
1: Ein schematisches Schaltbild der Messvorrichtung und die Haut mit eingeführtem Lichtwellenleiter in einer Schnittdarstellung.
In 1 sind die Haut mit eingeführtem Lichtleiter und die Messapparatur dargestellt. Es wird gezeigt, wie nach dem beschriebenen Verfahren und mittels der beschriebenen Vorrichtungen sehr genaue Messungen in vivo durchgeführt werden können. Es handelt sich um eine schematische Darstellung, die die Größenverhältnisse nicht unbedingt im richtigen Verhältnis zueinander zeigt.
Mit 9, 10, 11, 12 sind verschiedene Schichten der menschlichen Haut bezeichnet, die in einer schematischen Schnittdarstellung dargestellt ist. Dabei ist 9 die Hautoberfläche, 10 die Epidermis, 11 die Basalzellschicht und 12 die unteren Hautschichten.
Die Haut wird mittels einer UV-Lampe 5 bestrahlt, die UV-Strahlung 6 im Wellenlängenbereich von 280-420 nm abgibt und damit die Haut belichtet. Das Licht trifft zunächst auf die Hautoberfläche 9, durchstrahlt diese und danach die Epidermis 10 bis zur Basalzellschicht 11. Dabei wird die Strahlung von den Hautschichten absorbiert, so dass kein oder nur sehr wenig Licht die unteren Hautschichten 12 erreicht. Bei dem bekannten „Sonnenbrand" werden hauptsächlich Zellen geschädigt, die über der Basalzellschicht 11 liegen; darum ist es zweckmäßig, die Messung in dieser Hauttiefe durchzuführen. Für andere Wellenlängen, wie z.B. sichtbares Licht und Infrarot, kann je nach Fragestellung auch in tieferen Schichten gemessen werden.
In die Haut wird ein dünner Lichtleiter 1 relativ schmerzfrei eingeführt, und zwar beispielsweise bis an die Basalzellschicht 11. Je nach Messbedingungen kann der Lichtleiter 10 bis mehrere 100 μm unter der Hautoberfläche liegen. Das von den Hautschichten transmittierte Licht wird dann von dem Lichtwellenleiter an seiner Stirnfläche 14 aufgenommen und zum Radiometer 2 verlustarm weitergeleitet. Das Licht tritt an der Austrittsfläche 15 des Lichtwellenleiters 1 aus und trifft auf den Sensor 13 des Radiometers 2. Durch das Verbindungsstück 3 kann der Abstand und der Winkel zwischen Austrittsfläche 15 und Sensor 13 verändert und auf maximale Signalstärke optimiert werden. Um das Signal nach Wellenlängen aufzulösen, wird ein Monochromator verwendet. Die Empfindlichkeit der gesamten Messvorrichtung und die Schnelligkeit des Messvorganges kann dadurch erheblich gesteigert werden, dass als Sensor 13 ein Photomultiplier- oder vorzugsweise ein Diodenarray-System verwendet wird. Bei Verwendung eines Diodenarray-Systems kann eine schnelle und gleichzeitige Messung aller Wellenlängen erfolgen. Hierdurch wird der Messvorgang beschleunigt und die Strahlenbelastung erniedrigt. Das aufgenommene Signal wird dann vom PC gespeichert und ausgewertet.
Es wird auf diese Weise zunächst eine Messung ohne aufgetragenes Externum 7 durchgeführt, die als Referenz dient. Danach wird das Externum 7 auf die Hautoberfläche 9 aufgetragen und eine erneute Messung durchgeführt. Das Externum 7 verbleibt dabei zum Teil auf der Hautoberfläche 9, teilweise dringt es auch über die Hautoberfläche 9 und in die Epidermis 8 ein. Dadurch werden die Absorptionseigenschaften innerhalb der Haut verändert. Da in der Haut in vivo gemessen wird, werden diese Effekte bei der Messung vollständig berücksichtigt.
Aus der Messung mit Externum kann zusammen mit der Referenzmessung der Lichtschutzfaktor des Externums 7 gemessen werden. Da für die Messung keine Strahlendosis notwendig ist, die ein Erythem erzeugt, kann die Strahlenbelastung für die Probanden sehr gering gehalten werden.
Hierdurch ist auf überraschende Weise eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem der Einfluss kosmetischer oder pharmazeutischer Externa auf die Transmission der menschlichen Haut in vivo sehr genau, unter realistischen Bedingungen aber mit einer sehr geringen Strahlenbelastung für den Probanden gemessen werden kann.

1: Lichtleiter
2: Radiometer
3: Verbindungsstück
4: PC
5: UV-Lampe
6: UV-Strahlung
7: Externum auf der Hautoberfläche
8: Resorbiertes Externum
9: Hautoberfläche
10: Epidermis
11: Basalzellschicht
12: Untere Hautschichten
13: Sensor
14: Eintrittsfläche des Lichtleiters
15: Austrittsfläche des Lichtleiters

Claims

Verfahren zur Messung des Einflusses kosmetischer oder pharmazeutischer Externa auf die Transmission der menschlichen Haut, wobei das Externum auf die Oberseite einer UV-durchlässigen Trägerschicht oder Membran aufgebracht, beide Komponenten mittels einer UV-Lichtquelle in einem geeigneten Wellenlängenbereich, insbesondere von 280-420 nm, durchleuchtet werden und die Intensität der transmittierten Strahlung, vorzugsweise frequenzaufgelöst, mit einem Radiometer gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die transmittierte Strahlung von einem an die Unterseite der Trägerschicht oder Membran geführten Lichtleiter aufgenommen und zu dem Radiometer weitergeleitet wird.
Verfahren zur Messung des Einflusses kosmetischer oder pharmazeutischer Externa auf die Transmission der menschlichen Haut nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die transmittierte Strahlung von einem in das Innere der Trägerschicht oder Membran geführten Lichtleiter aufgenommen und zu dem Radiometer weitergeleitet wird.
Verfahren zur Messung des Einflusses kosmetischer oder pharmazeutischer Externa auf die Transmission der menschlichen Haut nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerschicht oder Membran mit einem Durchmesser von unter 500 μm und/oder ein Lichtleiter mit einem Durchmesser von unter 150 μm verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter in, als Trägerschicht für das Externum verwendete, menschliche Haut eingeschoben und die Messung in vivo durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter im Bereich zwischen Hornschicht der Epidermis und Basalmembran der Haut liegend eingeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Bestrahlungsdauer und -intensität unterhalb der Erythemschwelle liegt.
Vorrichtung zur Messung des Einflusses kosmetischer oder pharmazeutischer Externa auf die Transmission der menschlichen Haut mit einer UV-Lichtquelle, einer UV-durchlässigen Trägerschicht oder Membran und einem Radiometer zur Messung von Intensität und/oder Frequenz der transmittierten elektromagnetischen Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Lichtleiter zur Aufnahme und Weiterleitung der Strahlung aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht oder Membran einen Durchmesser von unter 500 μm und/oder der Lichtleiter einen Durchmesser von unter 150 μm aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter eine Mikrooptik aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter als biokompatibles Material ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Radiometer als Photomultiplier- oder vorzugsweise als Diodenarray-System ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsstück zwischen Lichtaustrittsstirnfläche des Lichtwellenleiters und Sensoreingang des Radiometers zur stufenlosen Einstellung des Abstandes und/oder des Winkels vorgesehen ist.