Neutron scattering on biological subjects - neue Einblicke in die Struktur der Lipidmatrix des Stratum corneum, basierend auf Modellmembranen

Abstract

Die äußerste Hautschicht, das Stratum corneum (SC), stellt die Hauptpenetrationsbarriere des menschlichen Organismus dar. Detailliertes Wissen über die molekulare Anordnung der Lipide im Stratum corneum ist essentiell für das Verständnis der SC Barrierefunktion und für ein rationelles Design von drug delivery Systemen. Eine wesentliche Eigenschaft dieser multilamellar organisierten Schicht ist die besondere Lipidzusammensetzung, in der den Ceramiden als Hauptbestandteil die größte Bedeutung beigemessen wird. In der vorliegenden Arbeit sollten die für die Barrierefunktion als essentiell angesehene ω-Acylceramide CER[EOS] und CER[EOP] erstmals bezüglich ihres physikochemischen Verhaltens charakterisiert werden. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit lag auf der Entwicklung multilamellarer Modellmembranen, bestehend aus synthetischen, strukturell definierten SC Lipiden, die mithilfe der Neutronendiffraktion charakterisiert werden sollten. Mittels dieser Methode konnte durch Kontrastvariation das Phasenproblem der Vorzeichenbestimmung von Strukturfaktoren gelöst werden und das berechnete Streulängendichteprofil ps(x) erlaubte Aussagen über die innere Membranstruktur. Durch den Einsatz definiert zusammengesetzter Membranen konnte aus dem Neutronenstreulängedichteprofil ps(x) der Einfluss bestimmter Lipide, speziell der von Ceramiden, auf die Mikrostruktur bestimmt werden. Da die signifikant verschiedenen Streulängen von Wasserstoff und Deuterium die Identifizierung deuteriummarkierter Molekülregionen im Membranprofil ermöglichen, konnte durch Einsatz entsprechend modifizierter Lipide die Aussagekraft des ps(x) gesteigert werden. Neben Struktur-Wirkungsbeziehungen, der Lokalisierung bestimmter Molekülsequenzen und der Berechnung charakteristischer Membranparameter konnte auch der Einfluss äußerer Parameter wie Temperatur und rel. Feuchtigkeit auf das ps(x) verfolgt werden. Schließlich konnten strukturgebende Einflüsse der einzelnen Lipidkomponenten auf den Membranbildungsprozess aus dem ps(x) abgeleitet und entsprechende Modelle über die molekulare Anordnung der Lipide innerhalb der Membran entwickelt werden.

The stratum corneum (SC), the outermost layer of the mammalian skin, exhibits the main skin barrier. To know the internal structure and hydration behaviour on the molecular level is essential for studying the SC barrier function and for the design of rational drug delivery systems. Ceramides (CERs) as the major constituent of the multilamellar organized SC lipid matrix are of particular interest. In the present thesis, the ω-acylceramides CER[EOS] and CER[EOP] which are regarded to be crucial for skin barrier properties, were firstly characterised concerning their physicochemical behaviour. The main focus was put on the development of multilamellar model membranes, consisting of synthetic, well-defined structured SC lipids, which should be studied by neutron diffraction. By applying that method the sign of the structure factor could be decided by contrast variation and the calculated neutron scattering length density profile ps(x) allows insights into the internal membrane structure. From the ps(x) of defined composed model membranes, the influence of certain lipids, in particular the one of ceramides, on the membrane nanostructure could be determined. The significant different neutron scattering lengths of hydrogen and deuterium allow the identification of specially marked molecular regions in the membrane profile. Therefore, the impact of the neutron scattering length density profile could be enhanced by the employ of relevant deuterium-labelled lipids. Aside from structure-relations, the localisation of certain molecular regions and the calculation of characteristic membrane parameters, the influence of outside parameters as temperature and humidity on the ps(x) could be determined. Finally, structural influences of single lipid components on the membrane assembling process could be derived from the ps(x) and corresponding schematical models about the arrangement of the lipids on a molecular level were developed.