REGUŁA 500 Da, CZYLI JAK DUŻA CZĄSTECZKA MOŻE PRZENIKAĆ PRZEZ SKÓRĘ
Jak wielkość cząsteczki wpływa na jej przenikanie przez skórę
2/3/20207 min read
Skóra jest organem, którego jednym z głównych zadań jest ochrona - co do zasady ma nie pozwalać "obcym" substancjom na wnikanie do organizmu. Oczywiście jednak istnieje wiele substancji zdolnych do pokonania bariery naskórka, a także do dotarcia do skóry właściwej. Zagadnienie przenikania jest ważne także w kontekście produktów kosmetycznych - dzięki tej zdolności niektóre substancje mogą działać nie tylko na powierzchni skóry, kwestia absorpcji skórnej jest również rozważana podczas oceny bezpieczeństwa składników kosmetycznych.
Jak substancje mogą przenikać skórę?
Jak właściwie powinno się rozumieć "przenikanie przez skórę"? Termin ten obejmuje zarówno przenikanie do jednej z warstw skóry (przede wszystkim naskórka) oraz dostawanie się substancji do krwioobiegu. Absorpcję skórną można podzielić na etapy:
- penetracji - czyli wnikania do konkretnej warstwy skóry, najczęściej myślimy o naskórku (warstwie rogowej, gdzie może następować zatrzymywanie niektórych substancji) oraz skórze właściwej (do której jest w stanie dotrzeć niewiele związków),
- przenikania - czyli przechodzenia z jednej warstwy skóry do drugiej,
- resorpcji - czyli wchłaniania do układu limfatycznego lub krwionośnego, co prowadzi do absorpcji ogólnoustrojowej (nie jest to pożądane, a nawet nie powinno mieć miejsca w przypadku kosmetyku - takie działanie zarezerwowane jest dla substancji leczniczych).
Rozróżnia się trzy główne drogi transportu substancji przez skórę:
- międzykomórkowa - przenikanie poprzez tzw. cement międzykomórkowy,
- przezkomórkowa - przechodzenie z komórki do komórki,
- transfolikularna - przez mieszki włosowe i ujścia gruczołów łojowych.
To czy w ogóle oraz jak szybko i w jakiej ilości substancje są w stanie przenikać skórę, zależy od szeregu czynników. Część z nich związana jest z właściwościami samych substancji (rozmiar, lipo/hydro-filowość, polarność, stężenie), właściwości całej receptury kosmetyku (pH, pozostałych składników, lepkości), obecności promotorów przenikania oraz stanu skóry (wieku, płci, uszkodzeń funkcji barierowej, stanów chorobowych). Wszystkie procesy przenikania przez skórę są procesami opartymi na dyfuzji, nie ma tu znaczenia transport aktywny, a substancje migrują zgodnie z gradientem stężeń (tj. z miejsca o większym stężeniu do miejsca o stężeniu mniejszym). Jednym z podstawowych czynników determinujących przenikanie jest wielkość cząsteczki, a ściślej rzecz ujmując - masa cząsteczkowa i to na tym elemencie się dziś skupimy.
Czym jest masa cząsteczkowa?
Masa cząsteczkowa to suma mas atomowych, które budują daną cząsteczkę, a powszechnie stosowaną jednostką masy cząsteczkowej jest Dalton. Nie można w prosty sposób powiązać masy cząsteczkowej z wielkością cząsteczki (np. średnicą), choć istnieją takie metody dla dużych cząsteczek, np. białek i polimerów (np. dla 5 kDa to w przybliżeniu 1,1 nm, a 500 kDa to 5,2 nm). Dla małych cząsteczek (poniżej 800-900 Da), wielkość można opisać w Å (1 Å = 10-10 m), ale nie ma to praktycznego zastosowania. Masa jest jedną z podstawowych właściwości fizykochemicznych opisujących cząsteczkę. Przy opisywaniu przenikania przez skórę posługujemy się właśnie masą cząsteczkową, ponieważ te dane są łatwiej dostępne i niedwuznaczne (pomiary rozmiarów są znacznie bardziej złożone i trudne w interpretacji).
Reguła 500 Da
W 2000 roku dwóch naukowców z Uniwersytetu Amsterdamskiego zaproponowało do określania możliwości absorpcji przez skórę tzw. regułę 500 Da, która mówi, że cząsteczka musi mieć poniżej 500 Da, aby była zdolna do przenikania przez skórę. Uzasadnili to trzema argumentami:
Praktycznie wszystkie znane alergeny kontaktowe mają wielkość poniżej 500 Da. Cząsteczka, która ma kontakt ze skórą, ale nie jest zdolna do jej penetracji w odpowiednich ilościach, nie może być czynnikiem alergizującym. I tak np. alergeny zapachowe (eugenol, geraniol itd.) mają wielkość ok. 150-200 Da.
Najpowszechniej stosowane na skórę substancje lecznicze mają wielkość poniżej 500 Da (np. miejscowo stosowane kortykosteroidy mają ok. 400-500 Da).
Wszystkie substancje w systemach transdermalnych mają poniżej 500 Da (np. nikotyna ok. 160 Da).
Od tej pory zasada ta na stałe zagościła w farmacji, toksykologii, ale i naukach związanych z kosmetykami i jest powszechnie stosowana przy przewidywaniu absorpcji skórnej i opisywaniu bezpieczeństwa składników.
Jakie masy cząsteczkowe mają składniki kosmetyczne?
Jako składniki kosmetyczne stosuje się bardzo zróżnicowane pod względem wielości cząsteczki - od małych (kwasy, witaminy), po polimery (kwas hialuronowy), peptydy czy proteiny.
Pamiętajmy, że wiele składników kosmetycznych (m.in. ekstrakty, oleje, hydrolaty) to złożone mieszaniny, w których skład wchodzi wiele związków chemicznych. Nie można więc określić masy cząsteczkowej ekstraktu czy olejku eterycznego.
Kilka przykładów
Nanocząstki Nanocząstki, jak sama nazwa wskazuje, są bardzo małych rozmiarów, można by więc pomyśleć, że wpisują się w regułę 500 Da i przenikają skórę. Są to jednak CZĄSTKI a nie CZĄSTECZKI, które mogą być zbudowane z wielu atomów, co w sumie znacznie przekracza 500 Da. W opisie nanocząstek posługujemy się ich rozmiarem, a nie masa cząsteczkową. Obecnie uważa się, że nanocząstki mają bardzo ograniczoną możliwość przenikania przez skórę lub nie pokonują tej bariery wcale.
Kwas hialuronowy Kwas hialuronowy to jeden z tych składników, gdzie kwestia przenikania jest sporna. Nawet najmniejszy (ultra niskocząsteczkowy) kwas hialuronowy, dla którego czasem deklaruje się przenikanie do skóry właściwej, ma masę cząsteczkową rzędu kilku kDa, czyli 1000 Da, czyli jest to wartość znacznie przekraczająca 500 Da. Jednak w 2016 roku ukazała się publikacja, w której wykorzystano inną, niż standardowe (stripping test, komora dyfuzyjna in vitro) metodę pomiaru penetracji skórnej, mianowicie spektroskopię Ramana. Wyniki z tego doświadczenia pokazują, że kwas hialuronowy o wielkości 20-50 kDa obecny był na głębokości 100 µm naskórka, podczas gdy HA 1000-1400 kDa pozostawał tylko na powierzchni, a 100-300 kDa na głębokości ok 25 µm. Warstwa rogowa naskóra ma grubość ok. 10-30 µm, a cały naskórek ok. 100 µm. Na rysunku poniżej pokazano wyniki tego eksperymentu - a) kontrola pozytywna - gliceryna, b) kontrola negatywna - woda, c) HA 1000-1400 kDa, d) HA 100-300 kDa, e) HA 20-50 kDa.
Ponieważ nie ma innych doniesień w tym zakresie, nadal powszechnie przyjmuje się, że kwas hialuronowy, niezależnie od masy cząsteczkowej, nie jest w stanie penetrować skóry, a już na pewno nie dociera do skóry właściwej.
Woda Woda jest bardzo cząsteczką o bardzo małej masie, teoretycznie więc nic nie stoi na przeszkodzie do wnikania w głąb skóry. Jednak woda jest jednocześnie cząsteczką polarną, a takie praktycznie nie mają szans na pokonanie lipofilowej bariery cementu komórkowego warstwy rogowej naskórka. Pomyślcie, gdyby skóra wchłaniała wodę z zewnątrz, puchnęlibyśmy podczas kąpieli! Woda z kosmetyku nie nawilża skóry.
Peptydy Peptydy to związki zbudowane z kilku aminokwasów. Ich wielkość jest zróżnicowana, niektóre są w stanie przenikać do naskórka, inne są na to za duże, ale nadal wykazują pożądane działanie. Niektóre z kolei sama działają jako promotory przenikania i pomagają innym substancjom przedostać się w głąb skóry.
Silikony Silikony, jako polimery, nie przenikają skóry. Ze względu na swoją budowę, tworzą na jej powierzchni półprzepuszczalny film, który pozwala na swobodniejszą wymianę tlenu czy wody, niż silnie okluzyjna parafina.
Kiedy reguła 500 Da nie działa?
Przede wszystkim wtedy, gdy bariera skórna jest uszkodzona, czy to w wyniku zranienia, czy choroby (np. AZS, łuszczyca). Wówczas zwiększa się zdolność do penetracji skóry również większych cząsteczek. Ukazała się też publikacja, w której pokazano wyjątek od tej zasady - udało się zaobserwować przenikania dla białka wielkości 6000 Da.
Wielkość cząsteczek jest ważnym, ale nie jedynym czynnikiem determinującym przenikanie przez skórę. Również sam fakt, że jakaś cząsteczka przenika skórę nie jest wyznacznikiem działania - są składniki kosmetyczne, które nie przenikają, ale świetnie spełniają swoją rolę pielęgnacyjną. A większość tzw. składników aktywnych, to małe, zdolne do przenikania cząsteczki.
Źródła:
Environmental Health Criteria 235 DERMAL ABSORPTION
The 500 Dalton Rule of Dermal Penetration and Cosmetic Science