Combined In Vitro and In Silico Investigation into the Interplay between Ceramides and the Skin Barrier Function

Abstract

Research into the barrier function of the human stratum corneum (SC) is of high relevance for the development of topical drugs and cosmetics. In recent years, research in this area has increasingly focused on ceramides as vital components of the intercellular lipid matrix of the SC, as the role of this diverse lipid family in maintaining the skin barrier function is still not fully understood. This work approaches the topic in two ways: In the first part of this project, the interaction of pharmaceutically used emulsifiers on the ceramides of the human SC was investigated in a human study, the effects of which were analyzed in detail using liquid chromatography coupled with mass spectrometry (LC-MS). This detailed analysis of the ceramides in the SC was then used as the basis for a regression analysis, which was able to associate individual ceramide classes, chain lengths, and individual ceramides with specific effects on the skin barrier. The analysis revealed that some ceramide classes, in particular sphingosine-based ceramides, are associated with a damaged skin barrier. Conversely, some ceramide classes, in particular phytosphingosine-based ceramide classes, were associated with an intact skin barrier. In the second part of the project, the established correlations between ceramide class and skin permeability were investigated using molecular dynamics simulations (MD simulations). In this study, SC lipid membranes containing a sphingosine-based ceramide class and a phytosphingosine-based ceramide class were simulated, and their water permeability and structure were analyzed. The results of the permeability measurements were consistent with the results of the human study and showed a significant difference in the water permeability of the membranes. These permeability differences could be linked to differences in membrane structure, particularly affecting the geometry of the ceramide head groups and the hydrogen bonds of the membranes.

Die Erforschung der Barrierefunktion des menschlichen Stratum Corneums (SC) ist von hoher Relevanz für die Entwicklung topischer Arzneimittel sowie Kosmetika. In diesem Bereich der Forschung wurde sich in den letzten Jahren vermehrt auf die Ceramide als Bestandteile der interzellulären Lipidmatrix des SC fokussiert, da die Rolle dieser vielfältigen Lipidfamilie für die Aufrechterhaltung der Hautbarriere bisher nur unvollständig bekannt ist. Diese Arbeit nähert sich dieser Thematik auf zwei Wegen: Zum einen wurde im Rahmen dieses Projektes die Wechselwirkung von pharmazeutisch verwendeten Emulgatoren auf die Ceramide des menschlichen SC in einer Humanstudie untersucht, welche durch Massenspektrometrie-gekoppelte Flüssigchromatographie (LC-MS) im Detail analysiert wurden. Die erfolgte Detailanalyse der Ceramide wurde als Basis einer Regressionsanalyse verwendet, welche in der Lage war, einzelne Ceramidklassen, Kettenlängen sowie individuelle Ceramide mit ihren jeweils spezifischen Effekten auf die Hautbarriere zu assoziieren. Die Analyse ergab, dass einige Ceramidklassen mit einer geschädigten Hautbarriere assoziiert sind, was insbesondere für Sphingosin-basierte Ceramide galt. Umgekehrt waren einige Ceramidklassen mit einer intakten Hautbarriere assoziiert, was wiederum insbesondere für Phytosphingosin-basierte Ceramidklassen der Fall war. Im zweiten Teil der Arbeit wurde versucht, die gefundenen Zusammenhänge zwischen Ceramidklasse und Hautpermeabilität in Molekulardynamik-Simulationen (MD-Simulationen) zu replizieren und genauer zu untersuchen. In dieser Studie wurden SC-Lipidmembranen simuliert, welche jeweils eine Sphingosin-basierte Ceramidklasse sowie eine Phytosphingosin-basierte Ceramidklasse enthielten, und ihre Wasserpermeabilität sowie Struktur analysiert. Die Ergebnisse der Permeabilitätsmessungen deckten sich mit den Ergebnissen der Humanstudie und zeigten einen signifikanten Unterschied in der Wasserdurchlässigkeit der Membranen. Diese Permeabilitätsunterschiede konnten mit Unterschieden in der Membranstruktur in Verbindung gebracht werden, welche insbesondere die Geometrie der Ceramidkopfgruppen als auch die Wasserstoffbrückenbindungen der Membranen betreffen.