środa, 04 grudzień 2019 12:11

Budowa oraz właściwości fizyczne i chemiczne substancji a wchłanianie przez skórę

Napisane przez dr Kamil Jurowski


Pobierz załącznik:
Oceń ten artykuł
(3 głosów)

Budowa oraz właściwości fizyczne i chemiczne substancji determinują w istotnym stopniu jej przenikanie przez skórę. Temat ten jest jednak często pomijany lub bagatelizowany, a ma istotne znaczenie podczas oceny bezpieczeństwa czy oceny ryzyka w zagadnieniach toksykologii stosowanej. Warto zauważyć, że wpływ budowa i właściwości chemiczne substancji determinują jej sposób wchłaniania przez skórę, co jest uwidocznione dopiero w zmodyfikowanej postaci I prawa Ficka.

Dwa podstawowe sposoby wchłaniania dermalnego ksenobiotyków to transport transepidermalny, który zachodzi przez warstwy komórek naskórka i przestrzenie międzykomórkowe oraz transport transfolikularny, który zachodzi przez przydatki skóry. W celu lepszego zrozumienia tego zagadnienia i zauważenia wpływu budowy oraz właściwości fizycznych i chemicznych substancji w odniesieniu do wchłaniania przez skórę należy dokładniej omówić transport transepidermalny i zmodyfikowaną postać
I prawa Ficka.


Transport transepidermalny

Warstwa naskórka (łac. stratum corneum) stanowi najbardziej dominującą warstwę, która jest jednocześnie podsawową warstwą barierową. Wynika to z układu zrogowaciałych komórek osadzonych w matrycy lipidowej, których strukturę można opisać jako molekularną architekturę, tzw. model cegła i zaprawa (ang. brick and mortar model). W modelu tym cegły to korneocyty, a zaprawa pełniąca rolę spoiwa to związki lipidowe. Terminalnie zróżnicowane keratynocyty warstwy rogowej są w znacznym stopniu pozbawione fizjologicznych funkcji komórkowych, gdyż składają się głównie z białka – keratyny oraz tzw. korneocytowej koperty (ang. corneocyte envelope). Niektóre ksenobiotyki, które penetrują skórę muszą wówczas podlegać transportowi pomiędzy sąsiadującymi korneocytami, co wpływa na szybkość ich wchłaniania. Jest to droga międzykomórkowa (ang. intercellular route). W przeciwieństwie do tego rodzaju transportu, niektóre ksenobiotyki mogą dyfundować jednakowo zarówno przez korneocyty (cegły), jak i zaprawę lipidową, czyli przez drogę transkomórkową (ang. transcellular route).

O ile korneocyty stanowiące „cegły” można uważać za domeny hydrofilowe (cegły), to otoczone są one bogatą w lipidy matrycą (zaprawą), zawierającą głównie ceramidy, niezwiązane kwasy tłuszczowe oraz cholesterol. Dlatego domena międzykomórkowa jest w przeważającej mierze środowiskiem lipofilowym. Ten układ zapewnia, że warstwa rogowa naskórka zyskuje amfipatyczność, co zapewnia ograniczoną ochronę przed ksenobiotykami o charakterze zarówno lipofilnym, jak i hydrofilowym. Wynika z tego, że model „cegła i zaprawa” skutecznie określa górną granicę wielkości cząsteczek, które mogą przenikać do warstwy rogowej naskórka. Przyjmuje się tutaj tzw. zasadę 500, gdzie kilka substancji o masie cząsteczkowej powyżej 500 u jest zdolnych do biernej dyfuzji przez skórę. Jednak wyniki ostatnich badań sugerują, że ultradrobne cząsteczki (zwane również nanocząsteczkami) mogą przeniknąć do warstwy rogowej. Chociaż, biorąc pod uwagę masę cząsteczkową, jest to zjawisko w dużej mierze nieoczekiwane, ponieważ średnica takich cząstek jest mniejsza niż odległość, która oddziela sąsiadujące korneocyty, stąd dyfuzja przez warstwę rogową naskórka jest możliwa.

W rozważaniu transportu transepidermalnego bardzo istotne jest ilościowe omówienie wchłaniania przez skórę. Wykorzystuje się tutaj I prawo Ficka, które opisuje ilościowo szybkość procesu dyfuzji biernej, tj. szybkość dyfuzji (v) jest wprost proporcjonalna do wielkości powierzchni błony (wielkości powierzchni kontaktu, A) i różnicy stężeń (ΔC) po obu jej stronach, a odwrotnie proporcjonalna do grubości błony (d), co wyraża się wzorem:

wzor1 art KW 4 2019gdzie:

do wzor 1 KW 4 2019

Na pierwszy rzut oka może wydawać się, że równanie to nie ma związku z budową oraz właściwościami przenikającej substancji, bo nie występują w nim wielkości stricte związane z tymi czynnikami. Należy jednak pamiętać, że współczynnik dyfuzji (kD) obrazuje ruchliwość substancji ulegającej dyfuzji przez warstwę rogową. Wielkość ta zależy od właściwości substancji, w szczególności: masy cząsteczkowej, geometrii cząsteczki, współczynnika podziału olej : woda oraz właściwości błony. Jeśli cząsteczka jest złożona (duża masa cząsteczkowa, złożoność budowy), to dyfuzja jest słabsza. Współczynnik dyfuzji charakteryzuje wartość zdolności przenikania przez różne warstwy skóry, zazwyczaj przyjmuje wartości rzędu: 10–9 cm2 · s–1 dla warstwy rogowej (łac. stratum corneum) oraz 10–6 cm2 · s–1 dla kolejnych warstw naskórka i skóry właściwej.

W zagadnieniach dotyczących toksykologii skóry współcześnie stosuje się zmodyfikowaną postać I prawa Ficka, w której lepiej widoczny jest wpływ czynników takich jak budowa i właściwości substancji; zamiast szybkość dyfuzji biernej (v) wylicza się przepływ (strumień przepływu) przez skórę (J):

wzor2 art KW 4 2019

 gdzie:

do wzor 2 KW 4 2019


gdy C2 > C1,

d grubość błony (grubość warstwy rogowej) [μm].

Współczynnik przenikania (kpr) definiuje tempo dyfuzji – nie zależy on od stężenia, ale wyłącznie od budowy i właściwości substancji oraz grubości błony. Współczynnik podziału (P) odpowiada stosunkowi rozpuszczalności substancji ulegającej dyfuzji biernej w warstwie rogowej i w podłożu. Z uwagi na to, że rzeczywisty pomiar tego parametru nie jest w ogóle możliwy, do obliczeń przyjmuje się zawsze wartość przybliżoną, stosując współczynnik podziału oktanol : woda. Współczynnik podziału podawany jest zazwyczaj w postaci logarytmu dziesiętnego, tj. log(P), czyli logP. Ponieważ warstwa rogowa naskórka determinuje transport transepidermalny, to stężenie po drugiej stronie błony (strona wewnętrzna względem środowiska) w zasadzie w przybliżeniu wynosi C1 = 0 (tzw. warunki wsiąknięcia – ang. sink conditions) i dlatego często jako ΔC przyjmuje się po prostu wartość stężenia zaaplikowanej substancji.

Podsumowanie

Niniejszy artykuł ma na celu uświadomienie istotności zagadnienia, jakim jest znaczenie budowy chemicznej oraz właściwości fizycznych i chemicznych na wchłanianie substancji przez skórę. Zagadnienia te często nie są omawiane w literaturze fachowej, prawdopodobnie z uwagi na swoją interdyscyplinarność i małą popularność. Jednak osoby stykające się z zagadnieniami toksykologii skóry powinny wiedzieć, jaki przyczynek do wchłaniania przez skórę stanowią omówione w artykule czynniki. Jest to ważne nie tylko z dydaktycznego punktu widzenia, ale również praktycznego – szczególnie w odniesieniu do specjalistów ds. oceny bezpieczeństwa (safety assessorów).

Źródło:
Toksykologia i ocena bezpieczeństwa kosmetyków (K. Jurowski, W. Piekoszewski, PZWL, Warszawa 2019)

Czytany 74 razy Ostatnio zmieniany środa, 04 grudzień 2019 12:26