Reconstructed human epidermis and full thickness skin initially created to substitute seriously wounded skin are of high interest in in vitro tests as alternative to animal experiments and to compensate the limited availability of human skin for this purpose. Reconstructed human epidermis is OECD adopted for testing of e.g. corrosivity and irritancy and appears suitable for the estimation of percutaneous absorption of compounds, too. However, for regulatory acceptance and broader use in particular in preclinical drug development an ideal construct should mimick morphology and present a barrier but also biotransformation capacity close to human skin. Biotransformation of substances with dermal absorption can influence penenetration and permeation and thus the effects of the applied compound. Cutaneous biotransformation may not only lead to formation of the active form of pro-drugs influencing drug absorption and efficacy, but also CYP related formation of mutagenic and sensitising products. Therefore biotransformation in the skin is of relevance and we need to understand biotransformation activities in human skin as well as RHE/RHS. For a first approach into biotransformation capacity of RHE/RHS the current thesis focuses on the prednisolone diester prednicarbate used for inflammatory skin diseases to unravel the potential of reconstructed tissues for the investigation of ester-prodrugs. Furthermore, the OECD adopted test compound testosterone was choosen because of the most complex biotransformation involving several enzymes. Esteratic cleavage and androgen (de-)activation in RHS composed of differentiated NHK and NHDF embedded into a collagen matrix are compared to human skin ex-vivo and RHE formed by differentiated NHK without dermal equivalent. Well-known differences in the esteratic, oxidative/reductive and phase II enzyme activity biotransformation capacity of dermal cells ask for the comparison of the constructs. For separation and quantification of testosterone and its metabolites an hplc assay with radiodetection and corticosterone as internal standard was established and in-house validated. Determination of retention times, retention factors, separation factors, resolution as well as linearity and inter-/intraday-variability revealed that the results obtained with this method were reliable and valid. The lower limit of quantification (LOQ) was 0.0075 MBq/ml (0.7 ng). The quality of the reconstructed tissues in accordance with OECD TG 431 requirements and resiliency to test compounds and solvents was determined. No morphological abnormalities and sufficient cell viability of the RHE EpiDerm and RHS EpiDerm-FT and Phenion FT were detected. In contrast, the AST2000 failed to meet the requirements and was excluded from the biotransformation experiments. Because of the still incomplete stratum corneum formation by RHE/RHS a significant difference in extent of permeation and biotransformation compared to human skin ex vivo is - at least in part - due to enhanced uptake seen on a regular base with compounds widely varying in molecular weight and lipophilicity. However, no qualitative differences in the metabolic profile of PC were seen in the RHE EpiDerm and both RHS (EpiDerm-FT and Phenion FT) compared to human skin demonstrating that PC esteratic cleavage predominantly occurs in the epidermal layers. In fact, experiments performed within this thesis verified that PC cleavage in NHK exceeded hydrolysis in NHDF by far. To complete the knowledge on PC biotransformation by dermal cells, the focus was on HaCaT cell line because of the elimination of donor-related variability. It could be demonstrated that the proportion of ester hydrolysis is very similar to NHK, although PD formation in HaCaT was even faster. Qualitatively, the biotransformation profile of testosterone in RHE and RHS, especially Phenion FT, was very similar to human skin, too. Differences in the quantitative formation of testosterone metabolites (HOT, E2) in human skin and the reconstructed tissues as well as undifferentiated cell cultures are due to differences in culture conditions and differentiation status of epidermal cells with well-known influences on enzyme expression and activity. Considerably lower formation in RHE confirmed the general higher androgen formation in the dermis. This is confirmed by the more pronounced expression of relevant enzymes and especially testosterone formation in NHDF compared to oxidative/reductive biotransformation in NHK. In addition, it could demonstrated that the experimental setup influences the extent of biotransformation. It was shown that PC transformation following drug exposure in membrane inserts was three times higher compared to results obtained using Franz cell technique. This is explainable by the anticipated higher stress level in human skin fixed in Franz cell resulting in a lower enzymatic activity. Thus, all experiments were conducted using the membrane insert approach. Furthermore, influence of skin cryoconservation on biotransformation was analysed. Noteworthy, profile and quantity of native PC and its metabolites were almost identical in freshly excised and cryoconserved human skin. In contrast, cryoconservation leads to almost complete degradation of steroidogenic enzymes. Thus, skin viability is relevant for the majority of dermal enzymes and freezing of skin not an option when biotransformation is investigated. Interestingly, there is no difference in esteratic cleavage of PC in female and male skin enhancing esterdrug/prodrug development and toxicity analysis since activation in human skin is irrelevant of sex. With targeted enzyme inhibition it was shown that PC is mainly hydrolysed by carboxylesterases and unspecific serin esterases in human skin. Taken together, in this thesis it has been demonstrated that reconstructed human epidermis and especially reconstructed full thickness human skin exerts a biotransformation capacity and enzyme expression profile close to human skin although RHE and RHS once more proved overpredictive with respect to skin penetration. Given this result verified in studies on a large scale of further subjects of phase I and phase II metabolism, reconstructed human skin may find its use as validated and accepted standard in in vitro tests for pharmacological and toxicological testing in particular for preclinical drug development, thereby reducing animal experiments and eliminating species- related differences.
Ziel dieser Dissertation war es, rekonstruierte humane Epidermis- sowie humane Vollhautmodelle hinsichtlich ihrer Biotransformationsleistung untereinander sowie insbesondere gegenüber menschlicher Haut ex vivo vergleichend zu charakterisieren. Rekonstruierte Hautmodelle - initial zur Versorgung schwerer Hautwunden entwickelt - haben in den vergangenen Jahren als Ersatzmethoden zum Tierversuch, bzw. zur Kompensation schwer verfügbarer Humanhaut ex vivo, bei der pharmakologischen bzw. toxikologischen Prüfung von Substanzen mit dermaler Absorption (Kosmetika, Pestizide, Arzneimittel zur (trans-)dermalen Applikation), an Bedeutung gewonnen, insbesondere auch in der präklinischen Entwicklung. Zur Bestimmung der perkutanen Absorption sowie zur Prüfung der Hautirritation/-korrosion sind diese Hautmodelle zum Teil bereits validiert und von der OECD als Testmatrices akzeptiert. Der kutane Metabolismus hat jedoch einen entscheidenden Einfluss auf das Absorptionsverhalten, auf die Aktivierung/Deaktivierung in der Haut und somit auf die Wirkung und Toxizität einer Substanz. Daher ist neben einer vergleichbaren morphologischen Struktur sowie Barriereeigenschaft rekonstruierter Hautmodelle ebenso eine vergleichbare Biotransformationsleistung von entscheidender Bedeutung, um ein in-vitro-Testsystem zu etablieren, dass die menschliche Haut bezüglich Barriereeigenschaft und metabolischer Fähigkeiten hinreichend widerspiegelt und somit einen sicheren, reproduzierbaren und wissenschaftlich basierten Einsatz als Ersatzmethode für Toxizitätsprüfungen ermöglicht. Die Biotransformation in den rekonstuierten Häuten im Vergleich zu Humanhaut ex vivo wurde anhand des Glucocorticoids Prednicarbat, ein Doppelester des antiinflammatorisch wirkenden Prednisolons, sowie des Androgens Testosteron untersucht, der einem komplexen Metabolisierungsprozess, an dem zahlreiche Enzyme beteiligt sind, unterliegt. Diese Substanzen werden dermal bzw. transdermal appliziert. Testosteron findet darüber hinaus als anerkannter OECD-Standard häufige Anwendung in Penetrationsstudien. Zunächst wurde eine HPLC-Methode mit Corticosteron als interner Standard zur Trennung sowie zur quantitativen Bestimmung von Testosteron und der entsprechenden Metabolite nach Extraktion aus den verschiedenen biologischen Matrices entwickelt und durch Ermittlung insbesondere der Retentionszeiten, der Auflösung, des Kapazitätsverhältnisses und des Trennfaktors als Maß für die Trennleistung sowie der Linearität und Inter-/Intraday-Variabilitäten hausintern validiert. Der Einsatz eines Radiodetektors ermöglichte eine Nachweisgrenze von 0.0075 MBq/ml (0,7 ng). Für die Testsubstanz Prednicarbat konnte eine bereits etablierte HPLC-UV/Vis-Methode verwendet werden. Die rekonstruierten Gewebe wurden histologisch hinsichtlich der Qualität nach Anlieferung sowie der Einfluss der experimentellen Bedingungen (wie Lösungsmittel, Konzentrationen, Inkubationsdauer) auf Qualität und Zellintegrität untersucht. Für das Epidermismodell sowie die rekonstriuerten Vollhautmodelle EpiDerm-FT und Phenion FT wurden keine Auffälligkeiten, die zu einem Ausschluss aus den Versuchen geführt hätten, festgestellt. Dagegen erfüllt ein Konstrukt (AST2000) aufgrund fehlender Barriereeigenschaften die Anforderungen an rekonstruierte Haut nicht. Es wurde daher von weiteren Versuchen ausgeschlossen. Ein Vergleich unterschiedlicher Versuchsbedingungen ergab, dass der Einsatz in der Franz-Diffusions-Zelle, eine etablierte in vitro Methode zur Bestimmung der kutanen Absorption, einen erhöhten mechanischen Stress der Haut verursacht und somit aufgrund einer möglichen Enzymschädigung eine geringere Biotransformation mit sich zieht. Für den weiteren experimentellen Vergleich der Biotransformation wurde daher ein schonender Einsatz des humanen und rekonstruierten Hautmaterials im Gewebe-Einsatz durchgeführt. Hinsichtlich der Esterhydrolyse ergab sich qualitatitv ein sehr ähnliches Profil der untersuchten rekonstruierten humanen Epidermis- und Vollhautmodelle gegenüber Humanhaut. Auffällig waren im Vergleich zur Humanhaut jedoch eine quantitativ erhöhte Esterhydrolyse sowie eine deutlich erhöhte Permeation beider Testsubstanzen, bzw. insbesondere der entsprechenden Metabolite, in das Rezeptormedium. Diese ist auf die bekannte geringer ausgeprägte Barrierefunktion rekonstruierter Haut zurückzuführen. Vergleicht man die Vollhautmodelle untereinander, sind sowohl das Ausmaß der hydrolytischen Prednicarbat-Biotransformation als auch der Permeation sehr ähnlich. Die unwesentlich geringere Biotransformation in der rekonstruierten Epidermis gegenüber den Vollhautmodellen demonstriert die wesentliche Beteiligung der Keratinozyten an der Esterhydrolyse. Die rekonstruierten Hautmodelle weisen auch für Testosteron ein gegenüber Humanhaut sowie untereinander ein vergleichbares Metabolitenprofil auf, wobei jedoch quantitative Unterschiede (hauptsächlich in der Bildung der Metabolite Estradiol und Dihydrotestosteron), die sich im Wesentlichen auf bekannte Einflussfaktoren wie Kulturbedingungen des biologischen Materials und Differenzierungsgrade zurückführen lassen, beobachtet wurden. Aufgrund der bekannten Unterschiede in der Enzymausstattung und -aktivität kutaner Zellen wurde die Biotransformation der Testsubstanzen zusätzlich in Monolayer- Kulturen dermaler Zellen (NHK/NHDF) untersucht. Es konnte bestätigt werden, dass die Esterase-Aktivität epidermaler Keratinozyten wesentlich ausgeprägter ist als die der humanen dermalen Fibroblasten. Darüber hinaus wurde, um die Kenntnisse der dermalen Prednicarbatumwandlung abzurunden, erstmals die Biotransformation in der immortalisierten Keratinozyten-Zelllinie (HaCaT) untersucht. Es zeigte sich, dass die Esterase-Aktivität dieser Zelllinie mit der normaler humaner Keratinozyten nahezu vergleichbar ist, jedoch ein 50%-iger Umsatz bereits in kürzerer Zeit erfolgte. Bezüglich der Biotransformation von Testosteron zeigte sich erwartungsgemäß ein umgekehrtes Bild; hier konnte eine deutlich erhöhte Biotransformation nach Inkubation der dermalen Zellen (NHDF) bestätigt werden. Auch für Testosteron konnten durch die Ergebnisse der Monolayerkulturen und der rekonstruierten Epidermis im Vergleich zur rekonstruierten Vollhaut die Unterschiede der Biotransformation von Testosteron in Epidermis und Dermis mit stärkerer Beteiligung des dermalen Hautkompartiments bestätigt werden. Es konnte ebenfalls bestätigt werden, dass der Differenzierungsgrad einen erheblichen Einfluss auf die CYP-Aktivität ausübt, da CYP-abhängige Biotransformationen in der Haut bzw. den Hautmodellen im Vergleich zur undifferenzierten Zellkultur deutlich erhöht waren. Dies stimmt mit Genexpressionuntersuchungen in Monolayerkulturen und Haut bzw. rekonstruierten Hautmodellen mit dem Ergebnis einer zunehmenden Genexpression bei höherem Differenzierungsgrad überein. Auch der Einfluss der Kryokonservierung hinsichtlich der Biotransformationseigenschaften des Hautmaterials (Humanhaut ex vivo) wurde untersucht. Hinsichtlich der Esterase- Aktivität konnte eine Stabilisierung durch den Einfrierprozess über einen Zeitraum von bis zu drei Monaten gezeigt werden, wohingegen eine nahezu vollständige Degradierung der androgen-transformierenden Enzyme festgestellt wurde. Somit ist die Viabilität der Haut eine wichtige Voraussetzung für die Mehrheit dermaler Enzyme des Fremdstoffwechsels. Bezüglich der Esterhydrolyse konnten keine geschlechtsspezifischen Unterschiede hinsichtlich der dermalen Biotransformationsleistung festgestellt werden. Dies macht die Untersuchung von (Ester-) Prodrugs einfacher, da ein geschlechtsspezifischer Unterschied hinsichtlich der Biotransformationsergebnisse ausgeschlossen werden kann. Des Weiteren konnte mit Hilfe von Enzyminhibitionsversuchen gezeigt werden, dass an der Esterhydrolyse des Doppelesters neben Carboxylesterasen hauptsächlich unspezifische Serinesterasen beteilgt sind. Zusammenfassend konnte hiermit durch den direkten Vergleich der Biotransformationsleistung rekonstruierter Epidermis- bzw. Vollhautmodelle mit humaner Haut ex vivo gezeigt werden, dass die untersuchten Hautmodelle für beide Testsubstanzen ein mit der humanen Haut vergleichbares Biotransformations- und enzymexpressionsprofil aufweisen und somit - nach hinreichender Validierung - als in vitro-Testmatrix zur Arzneistoffentwicklung, insbesondere in der präklinischen Phase, und Toxizitätsprüfung geeignet scheinen. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass aufgrund der verminderten Barrierefunktion dieser Testmatrices eine erhöhte und beschleunigte Penetration applizierter Substanzen in die Haut erfolgt und somit das Ausmaß der Biotransformation im Vergleich zu exzidierter Humanhaut erhöht ist.
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