Veränderungen der menschlichen Epidermis nach ultravioletter

Aus der
Klinik für Dermatologie und Allergologie
des St. Josef-Hospital
-Universitätsklinikder Ruhr-Universität Bochum
Direktor: Prof. Dr. med. Peter Altmeyer
Veränderungen der menschlichen Epidermis nach ultravioletter Bestrahlung.
Histometrische Untersuchungen mittels optischer Kohärenztomographie in vivo
Inaugural-Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades der Medizin
einer
Hohen Medizinischen Fakultät
der Ruhr-Universität Bochum
vorgelegt von
Beate-Elvira Künzlberger
aus Wels
2007
Dekan:
Referent:
Koreferent:
Prof. Dr. med. G. Muhr
Prof. Dr. med. P. Altmeyer
Priv.-Doz. Dr. med. S. El Gammal
Tag der Mündlichen Prüfung: 16.10.2008
Abstract
Künzlberger
Beate-Elvira
Veränderungen der menschlichen Epidermis nach ultravioletter Bestrahlung. Histometrische Untersuchungen
mittels optischer Kohärenztomographie in vivo
Problem: Die Evaluation UV-induzierter Alterationen der menschlichen Epidermis beschränkte sich in der
Vergangenheit vorwiegend auf den Einsatz histologischer Verfahren, die immer ein iatrogenes Trauma erfordern und
nicht mehrfach an derselben Stelle durchführbar sind. In dieser Studie sollen epidermale Veränderungen nach UVBestrahlung unter Verwendung der OCT in vivo dargestellt und quantifiziert werden.
Methode: Zwölf Patienten werden nach Bestimmung der individuellen MED-UVA und MED-UVB einer
Photoprovokation mit UVA und UVB an drei aufeinander folgenden Tagen zugeführt. Die OCT-Aufnahmen werden
in vivo 24 Stunden nach der letzten UV-Exposition gewonnen. Die Kalkulation der Epidermisdicke ED erfolgt aus
Entfernungsmessungen zwischen dem Eintrittssignal und dem zweiten Intensitätsgipfel in den gemittelten A-Scans
unter Verwendung der integrierten OCT-Software. Zusätzlich werden bei weiteren 4 Personen nach Durchführung
der UV-Bestrahlungen und der OCT-Untersuchungen auch Hautbiopsien entnommen. Diese gelangen hinsichtlich
der Bestimmung der maximalen Epidermisdicke und histopathologischer Alterationen wie Akanthose und
interzellulärem Ödem zur Auswertung.
Ergebnis: Im Vergleich zur ED nicht bestrahlter Haut zeigt die UVA-exponierte Haut einen nicht signifikanten
Anstieg der ED von 11%, die UVB-bestrahlte Haut einen signifikanten Anstieg der ED von 25%. Außerdem
unterscheiden sich die ED von UVA- und UVB-bestrahlter Haut signifikant. In dem zusätzlich histologisch
untersuchten Kollektiv finden sich ebenfalls sowohl in den OCT-Messungen als auch in den histologischen Schnitten
deutlich höhere Werte für die ED UVB-bestrahlter, geringer auch für die ED UVA-bestrahlter im Vergleich zur ED
unbestrahlter Haut. Histologisch lässt sich der deutliche Anstieg der ED UVB-bestrahlter Haut mit Hyperkeratose,
Parakeratose und Akanthose korrelieren. Dyskeratosen, basale Vakuolenbildung, Akanthose und/oder milde
interzelluläre Ödeme sowie eine Verdickung des Stratum corneum sind vor allem in UVB-bestrahlter Haut
nachweisbar.
Diskussion: Die vorliegende in vivo-Studie bestätigt frühere histologische Untersuchungen, die eine signifikante
Verbreiterung der Epidermis nach UVB-Exposition gezeigt hatten. Außerdem konnte mittels der ergänzenden
Histologie die Dickenzunahme der Epidermis nach UVB-Bestrahlung vornehmlich auf eine Akanthose mit nur
milden interzellulären Ödemen zurückgeführt werden. Insbesondere auch hinsichtlich der publizierten Hinweise auf
eine Zunahme der ED nach UVA-Bestrahlung sind die vorliegenden Studienergebnisse eindeutig und weisen diese
sowohl mittels OCT als auch histologisch nach.
Die OCT stellt eine viel versprechende, schmerzlose und nicht-invasive Methode für die in vivo-Untersuchung
photobiologischer Effekte an der Haut dar. Weitere Studien scheinen erforderlich, um die Effekte unterschiedlicher
UV-Dosen und -Spektren zu bewerten und die mittels OCT gewonnenen Daten mit Routine-histologischen
Untersuchungen zu vergleichen.
Meiner Familie gewidmet
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung
4
1.1
Allgemeines zur Haut und deren Beeinflussung durch ultraviolette Strahlung
4
1.2
Bildgebende Untersuchungsmethoden der Haut in vivo und ex vivo
5
2
Theoretische Grundlagen
7
2.1
Aufbau der Haut
7
2.1.1 Aufbau der Epidermis
8
2.1.2 Aufbau der Dermis
9
2.2
Ultraviolette Strahlung
9
2.3
Wirkung der ultravioletten Strahlung auf die Haut
11
2.3.1
Akuter UV-Schaden
12
2.3.2
Chronische UV-Schäden
16
2.4
Photoadaptation
17
2.4.1
Verdickung der Epidermis („Lichtschwiele“)
18
2.4.2
Pigmentierung
18
2.4.2.1 Sofortpigmentierung
20
2.4.2.2 Spätpigmentierung
20
2.5
Hauttypen nach Fitzpatrick
21
2.6
Therapeutische Anwendung ultravioletter Strahlung
23
2.7
Optische Kohärenztomographie (OCT)
23
3
Problemstellung
31
4
Material und Methoden
32
4.1
Probandenkollektiv, Ein- und Ausschlusskriterien
32
4.2
Bestimmung der minimalen Erythemdosis (MED)
33
4.3
UV-Bestrahlungseinheiten und praktische Durchführung der UV-Bestrahlung
34
4.4
Messung mit der OCT
37
4.5
Korrelation von OCT und Histologie
40
4.6
Statistik
41
-1-
5
Ergebnisse
42
5.1
Ergebnisse der Bildauswertung mittels A-Scan
44
5.2
Graphische Darstellung berechneter Mittelwerte
46
5.3
Bestimmung der Epidermisdicke (ED) aus den OCT-Bildern mittels A-Scan
47
5.4
Korrelation von OCT und Histologie
49
6
Diskussion
51
7
Zusammenfassung
61
8
Literaturverzeichnis
63
Danksagung
Lebenslauf
-2-
Verzeichnis der Abkürzungen
2D
zweidimensional
CLSM
Confocal Laser Scanning Microscopy, Konfokale Laser-ScanningMikroskopie
DNA
Desoxyribonucleinacid
ED
Epidermisdicke
EP
entrance peak, Eintrittssignal
IL-1
Interleukin-1
J
Joule
MED
Minimale Erythemdosis
MHz
Megahertz
OCT
Optical Coherence Tomography, Optische Kohärenztomographie
s.c.
subkutan
SD
Standardabweichung
UV
Ultraviolett
W
Watt
-3-
1
Einleitung
1.1
Allgemeines zur Haut und deren Beeinflussung durch ultraviolette
Strahlung
Die Haut des Menschen stellt das Grenzorgan des Organismus zur Umwelt dar. Sie ist
das größte Organ des Menschen, von komplexem Aufbau und Träger zahlreicher
Funktionen. So erfüllt sie Sinnesfunktionen sowie Kontakt- und Schutzfunktionen. Zu
den Schutzfunktionen des Integuments zählen neben der sogenannten Barrierefunktion,
die den Stoffaustausch zwischen Organismus und Umwelt unterbindet, der mechanische
und der immunologische Schutz, der Schutz gegen Wärme und Kälte, der Schutz
gegenüber Mikroorganismen und vor allem auch der Schutz vor UV-Licht (Fritsch,
2004).
Die hautschädigenden Effekte von UV-Bestrahlung sind zum Teil schon gut untersucht
worden. So übt vor allem das UV-Licht im Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm
schädigende Wirkungen auf das Hautorgan aus, wobei der Anteil des kurzwelligen
UVB-Lichts (280-320 nm) hauptverantwortlich für die Hautkrebs-Entstehung beim
Menschen ist (Schaart et al., 1993). Zudem ist UVB in der Lage, eine verzögerte
Pigmentierung der bestrahlten Haut zu induzieren (Keong et al., 1990). Langwelliges
UVA-Licht
findet
neben
der
Sonne
weite
Verbreitung
in
kommerziellen
Bräunungsstudios, da es in der Lage ist, nach Exposition der Haut eine
Sofortpigmentierung hervorzurufen (Ryckmanns et al., 1987). Nach neueren
Erkenntnissen ist das UVA-Spektrum allerdings auch in der Lage, DNA-Schäden und
Hautkrebs zu verursachen (Bachelor und Bowden, 2004). Nicht unerwähnt darf in
diesem Zusammenhang die Langzeitwirkung von wiederholter, jahrelanger UVBestrahlung der Haut in Form einer Lichtalterung bleiben, die sich unter anderem als
Elastosis cutis actinica äußert (Sams, 1989).
Zum Schutz vor UV-Licht besitzt die Haut ein großes Spektrum von Adaptations- und
Reparationsmechanismen, von denen die Melaninpigmentierung der auffälligste ist
(Pamphilon et al., 1991). Das Stratum corneum wirkt zunächst als Filter der
-4-
auftreffenden UV-Strahlung (de Fine Olivarius et al., 1997), ca. 10% der UVB- und
50% der UVA-Energie werden schon hier gestreut, reflektiert und absorbiert. In den
tieferen Schichten führen Substanzen wie Melanin, Nukleinsäuren, Proteine, Lipide und
auch Blut und Karotenoide zur Streuung und Absorption, so dass die Eindringtiefe der
UV-Strahlung auch hierdurch limitiert wird. Das langwelligere UVA penetriert deutlich
tiefer in die Haut als das kurzwelligere UVB und erreicht zu 30-50% das obere Korium
(Fritsch, 2004).
Konsekutiv kommt es nach UV-Bestrahlung der Haut zu einer Änderung der
Blutzirkulation im Sinne einer Vasodilatation, die sich als Erythem äußert (Benrath et
al., 2001), zu einer Pigmentierung (Pawelek et al., 1992) und zu einer Änderung der
Zellkinetik, die sich im epidermalen Bereich letztendlich als Abschuppung manifestiert
(Bayerl et al., 1995). Hierbei wirkt sich der Effekt des einstrahlenden UVB mehr auf die
Epidermis, der des einstrahlenden UVA mehr auf die Dermis aus (Soter, 1990).
1.2
Bildgebende Untersuchungsmethoden der Haut in vivo und ex vivo
Aus histologischen Untersuchungen zur Hautdicke ist bekannt, dass wiederholte
Exposition mit UVB die epidermale Proliferation und Differenzierung fördert (Lee et
al., 2002) und damit eine signifikante Verbreiterung der Epidermis hervorruft (LockAndersen et al., 1997). Obwohl einige Untersuchungen darauf hinweisen, dass die
epidermale Verdickung auch nach wiederholten UVA- (Lavker et al., 1995) oder
UVA1-Expositionen (Lavker und Kaidbey, 1997) auftritt, scheint diese geringer
ausgeprägt zu sein im Vergleich zu UVB.
Bei der Betrachtung der aus histologischen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse
ist einschränkend zu beachten, dass Hautbiopsien zum einen die ursprüngliche
Hautmorphologie, wie sie in vivo vorliegt, verändern (z.B. durch die Entstehung von
Artefakten bei der Dehydratation, der Fixation und der Gewebefärbung), zum anderen
nicht wiederholt an der selben Stelle entnommen werden können und auch immer eine
iatrogene Verletzung erfordern. Daher sind nichtinvasive Methoden zu bevorzugen, mit
denen eine Untersuchung der Haut in vivo erfolgen kann, beispielsweise bei der
Fragestellung von Hautveränderungen nach externen Einflüssen. Diesbezüglich haben
-5-
in der letzten Dekade die CLSM (Roderfeld et al., 2003), der Hochfrequenzultraschall
(Emmert et al., 1997) und die OCT (Bouma und Tearney, 2001) große Fortschritte in
der Bildgebung der menschlichen Haut in vivo gemacht (Gambichler et al., 2003).
So ist mit Hilfe der OCT eine Darstellung von Hautstrukturen in Form von
zweidimensionalen (2D) Querschnittsbildern mit einer hohen Tiefenauflösung möglich.
Eine Eindringtiefe von annähernd 1mm (Welzel et al., 2000) ist somit in der Lage,
hochauflösende Bilder der Epidermis, also dem obersten Kompartiment der Haut, zu
liefern. Eine Auflösung auf Zellebene erlaubt das Verfahren nicht, allerdings hat es
gegenüber der Histologie den Vorteil, die Hautmorphologie in vivo in Echtzeit
darzustellen, wobei die gleichen Meßstellen beliebig oft zu bestimmten Zeitpunkten
untersucht werden können, ohne dass dadurch die Morphologie der Haut verändert
wird. In der vorliegenden Arbeit soll nun geprüft werden, inwieweit Veränderungen der
menschlichen Epidermis nach ultravioletter Bestrahlung (jeweils UVA und UVB) mit
Hilfe der OCT in vivo quantifiziert werden können.
-6-
2
Theoretische Grundlagen
2.1
Aufbau der Haut
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Hautschichten (Benner KU, 1991)
Die Haut ist das größte Organ des Menschen mit einer durchschnittlichen Oberfläche
von 2 m2 und einem durchschnittlichen Gewicht von 3 kg ohne Berücksichtigung des
Fettgewebes (Fritsch, 2004). Sie besteht aus 3 Schichten, der Epidermis (Oberhaut) als
äußerster Schicht, der unterliegenden Dermis (Lederhaut) und der Subkutis (Unterhaut),
die als Fettgewebspolster in der Tiefe den Faszien aufsitzt. Des Weiteren finden sich in
die Haut eingebettet Adnexorgane (Anhangsgebilde) wie Talg- und Schweißdrüsen,
Haare und Nägel, die allesamt epidermalen Ursprungs sind. Die Dicke der Haut
(Epidermis, Dermis) wird in Abhängigkeit von der betrachteten Region mit 1,5 – 4 mm
angegeben, wovon etwa 0,04 mm (Augenlider) bis 1,5 mm (Palmae und Plantae) auf die
Epidermis entfallen.
-7-
2.1.1
Aufbau der Epidermis
Die Epidermis ist ektodermaler Herkunft und besteht zu 90% aus Keratinozyten, die ein
geschichtetes Plattenepithel mit 4 horizontalen Zellschichten aufbauen. Nach unten wird
sie durch die sogenannte Basalmembran von der unterliegenden Dermis abgegrenzt
(Nishiyama et al., 2000).
Als klassisches Proliferationsgewebe unterliegt die Epidermis einer ständigen
Erneuerung mit einer Rekrutierung der Keratinozyten aus den unteren Zelllagen, die die
Epidermis durchwandern und schließlich nach außen abschilfern. Auf der
Basalmembran findet sich zunächst das Stratum basale, das die Stammzellen zur
Neubildung von Keratinozyten enthält und somit den Ort der mitotischen Aktivitäten
darstellt. Die hier entstandenen Keratinozyten bewegen sich von hier aus aktiv in die
nächsthöheren Schichten. Auf das Stratum basale folgt das Stratum spinosum, das aus
2-5 Zelllagen besteht. Im Stratum spinosum findet eine Umorientierung der
zylindrischen Basalzellen zur horizontalen Ausrichtung statt, die sich im Stratum
granulosum weiter ausprägt. Im Anschluß an diese epidermale Differenzierung, die
zwei Wochen andauert und mit einem Verlust der Zellteilungsfähigkeiten einhergeht,
gelangen die Keratinozyten in das Stratum corneum, dessen Durchwanderung
gleichfalls zwei Wochen in Anspruch nimmt und mit einer Abschilferung der
Korneozyten als Hornzellen, ähnlich einem holokrinen Organ, endet (Fritsch, 2004).
Die gesamte Turn-Over-Zeit des epidermalen Gewebes beträgt somit physiologisch
ungefähr 28-40 Tage. Als Charakteristikum verschiedener Dermatosen kommt es zu
einer signifikanten Verkürzung dieser Zeitspanne, die bei der Psoriasis vulgaris
beispielsweise nur acht bis zehn Tage beträgt und dann auch mit suprabasalen Mitosen
einhergeht (Braun-Falco et al., 1996). Längst nicht alle Zellen des Stratum basale sind
an der Proliferation beteiligt, die Mitoserate der normalen Epidermis beträgt <1 Prozent
der Basalzellen. Die Dauer von Mitose- und Synthese-Phase lässt sich mit ca. einer
Stunde bzw. acht Stunden einigermaßen exakt angeben, über die Dauer der restlichen
Zyklusphasen liegen aufgrund methodischer Schwierigkeiten unterschiedliche Daten
vor. So wird die Gesamtdauer eines Mitose-Zyklus der Keratinozyten auf 150 bis 300
Stunden geschätzt. Besonderen Anteil an dieser Schwankungsbreite hat die G1-Phase
im Zyklus, die von sehr variabler Dauer ist. Dies resultiert aus der Tatsache, dass sich
der größte Anteil der Mitose-fähigen Zellen im Stratum basale, nämlich ungefähr 60
Prozent, als ruhende Zellpopulation in der G0-Phase befindet. Diese G0-Zellpopulation
-8-
stellt ein Reservoir an Mitose-fähigen Zellen dar, die mit einer Latenzzeit von etwa 24
Stunden nach entzündlichen, traumatischen, chemischen, thermischen oder aktinischen
Reizen eine unspezifische Steigerung der Proliferation der Keratinozyten ermöglichen.
Diese synchrone Proliferation hat den Ersatz des geschädigten oder verloren
gegangenen Gewebes zum Ziel. In der Folge kommt es zu einer drastisch verkürzten
Transit- und Turn-Over-Zeit der Epidermis, die sich im Zuge der Wiederherstellung des
Gewebes abschwächt und letztendlich im ursprünglichen Proliferationsgleichgewicht
endet (Fritsch, 2004).
2.1.2
Aufbau der Dermis
Zwischen Epidermis und Dermis findet sich eine sägezahnartige Grenzzone, die
dermoepidermale Junktionszone, in der die Reteleisten der Epidermis mit den Papillen
der Dermis verzahnt sind. Dass diese Grenzschicht keineswegs nur zwei
unterschiedliche
Kompartimente
voneinander
trennt,
zeigen
unter
anderem
Untersuchungen zur Wundheilung, die auf einer koordinierten Antwort sowohl der
Dermis als auch der Epidermis beruht (Satish et al., 2003). Die Dermis selbst beinhaltet
als fibroelastisches Gewebe vor allem vernetzte Kollagenfaserbündel. Des Weiteren
sind elastische Fasern, Fibroblasten, Mastzellen und andere Gewebszellen und die
Haaranhangsgebilde (Haare, Schweiß- und Talgdrüsen) integrale Bestandteile.
Man unterscheidet das Stratum papillare als lockeres Bindegewebe, das zwischen den
epidermalen Reteleisten liegt (Sauermann et al., 2002), vom Stratum reticulare, das
reichlich kollagene Fasern enthält (Yasui et al., 2004) und für die hohe Reißfestigkeit
und Elastizität der Haut verantwortlich ist.
2.2
Ultraviolette Strahlung
Elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm bis etwa 750 nm
wird vom menschlichen Auge als Licht wahrgenommen. Dabei erscheint Strahlung mit
einer Wellenlänge von 750 nm als rot und die von 400 nm als violett. Strahlung mit
einer größeren Wellenlänge als 750 nm wird als Infrarotstrahlung (IR-Strahlung)
bezeichnet.
-9-
Abbildung 2: Elektromagnetisches Spektrum mit gespreizter UV-Skala (Fritsch, 2004)
Strahlung mit einer Wellenlänge, die kleiner ist als 400 nm, nennt man Ultraviolette
Strahlung (UV-Strahlung). Dabei werden drei UV-Bereiche unterschieden, die
physikalisch und biologisch verschiedene Wirkungen besitzen (s. Tabelle 1).
Strahlung mit noch kürzerer Wellenlänge als UVC wird zur ionisierenden Strahlung,
also Röntgen- oder Gammastrahlung, gerechnet.
Tabelle 1: UV-Strahlung: Aufteilung der Wellenlängenbereiche in nm
Wellenlängenbereich
UVC
200 - 280 nm
UVB
280 - 320 nm
UVA
320 - 400 nm
Sichtbares Licht
400 – 760 nm
- 10 -
2.3
Wirkung der ultravioletten Strahlung auf die Haut
Eine der bedeutendsten Umweltnoxen für das Hautorgan stellt die UV-Strahlung mit
ihren vielfältigen und komplexen Wirkungen dar. Detaillierte Berichte über die
physiologischen Effekte des Sonnenlichtes auf den menschlichen Körper finden sich
erstmals im Corpus Hippocraticum (460-375 v. Chr.) (Fuchs, 1895-1900). Zur
Schadensbegrenzung
stehen
der
Haut
multiple
Adaptions-
und
Regenerationsmechanismen zur Verfügung.
Das kurzwellige UV-Licht (UVC) gelangt im Gegensatz zum längerwelligen UVA und
UVB aufgrund der filternden Ozonschicht, die sich in der Stratosphäre befindet
(Schumann, 1992), kaum auf die Erdoberfläche und kann somit als Auslöser
photobiologischer Wirkungen beim Menschen nahezu unberücksichtigt bleiben. Eine
Ausnahme ergibt sich aus der UVC-Emission, die beispielsweise im Rahmen von
Schweiss-Arbeiten auftritt und einen wirksamen Schutz zumindest der Augen erfordert
(Daxer et al., 1998). Möglicherweise wird sich zukünftig mit steigender Durchlässigkeit
des filternden Mediums in der Atmosphäre auch für diesen Wellenlängenbereich die
Notwendigkeit intensiverer Forschungsarbeit ergeben.
UVA und UVB hingegen sind Bestandteile der auf die Erde auftreffenden
„terrestrischen Globalstrahlung“ (Kollias et al., 2003). In Abhängigkeit von
geographischer Breite, Meereshöhe, Klima, Tageszeit und etlichen weiteren Faktoren ist
ihre Intensität variabel und somit auch ihre photobiologische Wirkung mehr oder
weniger evident. Zu beachten ist ferner, dass UVA in der Lage ist, auch Glas zu
durchdringen und seine Wirkung an der Haut zu entfalten (Moehrle et al., 2003). Die
Epidermis stellt eine optische Barriere dar, die ultraviolette Strahlung reflektiert,
absorbiert und streut. Trifft Licht auf die Hautoberfläche, werden ca. 5% dieser
Strahlung reflektiert (Eichler und Seiler, 1991).
Die photobiologischen Wirkungen der einzelnen Wellenlängen der „terrestrischen
Globalstrahlung“ beruhen wesentlich auf der Eindringtiefe der Wellenlängen-Bereiche
in die Haut. Die Wahrscheinlichkeit einer Streuung von Lichtwellen nimmt mit
abnehmender Wellenlänge zu und der Absorptionskoeffizient ist von der Wellenlänge
des einstrahlenden Lichtes abhängig (Breuer und Breuer, 1988). Daher penetriert das
langwelligere UVA deutlich tiefer in die Haut als das kurzwelligere UVB und wird
hauptsächlich in der Dermis absorbiert im Gegensatz zu Wellenlängen unter 320 nm,
die vorwiegend in der Epidermis absorbiert werden (Everett et al., 1966). Dies ist
- 11 -
konform mit den Ergebnissen früherer Untersuchungen, in denen der UVB-Strahlung
eine wesentlich höhere Potenz zur Induktion zellulärer Veränderungen in der Epidermis
zugeschrieben wird als der UVA-Strahlung (Kumakiri et al., 1977). Erst in neueren
Untersuchungen konnten dann auch durch UVA direkt induzierte epidermale
Alterationen verifiziert werden (Pearse et al., 1987). Diese sind allerdings im Vergleich
zur UVB-Wirkung als deutlich schwächer anzusehen.
Die Effekte der UVA-Einstrahlung auf die Haut beinhalten eine Sofortpigmentierung,
die auf einer Konformationsänderung des Melanins und einer Umverteilung von
Melanosomen beruht, eine „Lichtalterung“ der Haut, die sich mit einer Latenzzeit von
20-30 Jahren manifestiert, und möglicherweise eine Mitbeteiligung an der
Hautkrebsentstehung via Singulett-Sauerstoffbildung.
Wesentlich stärkere Effekte sind nach UVB-Bestrahlung der Haut zu beobachten. Hier
findet sich ebenfalls eine Pigmentierung, die sich als „verzögerte“ Bräunung durch
Melanozyten-Aktivierung äußert, zudem treten in Abhängigkeit von der applizierten
Dosis ein UV-Erythem, eine Apoptose von Keratinozyten („sunburn cells“) und eine
Freisetzung proinflammatorischer Mediatoren auf (Rassner, 2000).
2.3.1
Akuter UV-Schaden
Bereits zu Beginn des 19. Jahrhunderts vermutete man, dass das ultraviolette Spektrum
des Lichtes für die Hautrötung, den Sonnenbrand und die Bräunung verantwortlich ist
(Szeimies, 2005). Ausdrucke eines akuten UV-Schadens sind das rasche Auftreten eines
Erythems als erste klinisch erkennbare Auswirkung einer UV-Exposition der Haut
(Aubin and Humbert, 1997), gefolgt von einer Pigmentierung.
Das Erythema solare entspricht einer Dermatitis solaris Grad I (Sonnenbrand) und stellt
einen der häufigsten pathologischen Zustände der Haut dar. Es entspricht einer
klassischen Entzündungsreaktion mit den typischen Kardinalsymptomen rubor, calor,
dolor, tumor und functio laesa (Morgenroth, 1996). Betroffen sind zu einem großen
Anteil Kinder, was zum einen auf einen Mangel an Erfahrung mit dem Umgang mit
UV-Strahlung, zum anderen auf eine reagiblere Haut zurückgeführt werden kann. Mehr
als drei Viertel aller schweren Sonnenbrände werden so bis zum 20. Lebensjahr
erworben. Mit zunehmender Anzahl an Sonnenbränden ist sowohl eine Zunahme der
melanozytären Naevi am Individuum (Kelly et al., 1994) als auch ein erhöhtes Risiko,
- 12 -
an einem malignen Melanom zu erkranken (Whiteman and Green, 1994), zu
verzeichnen.
Die Neigung zu Sonnenbränden ist individuell über die Menge und die Art des in der
Haut befindlichen Melanins genetisch determiniert. Man unterscheidet hier das
braunschwarze Eumelanin, das einen sehr potenten Lichtfilter (Absorption erfolgt über
das komplette Spektrum des sichtbaren Lichts und des UV-Lichts) darstellt, vom
rötlichen Phäomelanin, das bei der sogenannten „keltischen“ Komplexion (hellhäutige,
rotblonde Individuen mit blauen Augen und Neigung zu Epheliden) vorherrscht (Ito,
1993). Je nach UV-Empfindlichkeit erfolgt eine Klassifizierung der photobiologischen
Hauttypen nach Fitzpatrick (Fitzpatrick, 1988) (s.a. Abschnitt 2.5).
Prinzipiell kann das UV-Erythem durch alle UV-Qualitäten des Sonnenlichtes und
künstlicher Lichtquellen ausgelöst werden, die verschiedenen UV-Bereiche zeigen
allerdings erheblich unterschiedliche Wirksamkeiten. Im Erythem-Aktionsspektrum
findet sich für UVC- und UVB-Strahlung ein hohes Plateau, das bei ca. 320 nm steil
abfällt (Parrish et al., 1982). UVA-Strahlung ist damit zwar prinzipiell erythematogen,
doch ist zum Erzielen der gleichen Erythemintensität eine bis zu etwa 1000mal höhere
Energie erforderlich (Aubin and Humbert, 1997). Da UVA-Strahlung allerdings im
Vergleich zur UVB-Strahlung mit zehn- bis hundertfacher Intensität auf die
Erdoberfläche einstrahlt, entfallen auf diese immerhin noch ungefähr 15% des
erythematogenen Effektes. An der Entstehung von UV-induzierten Erythemen ist UVB
mit etwa tausendfach höherer Intensität als UVA beteiligt (Harber and Bickers, 1998)
und stellt somit den für die Erythementstehung bedeutendsten Anteil der UV-Strahlung
dar. Am Ausmaß der photobiologischen Wirkung sind unter anderem Art und Dauer der
Exposition, Tageszeit, Jahreszeit, die Anwesenheit von Wolken, Dunst oder
Schmutzpartikeln, die Dicke der Ozonschicht und der geographische Breitengrad
maßgeblich beteiligt (Jendritzky et al., 1997). Ebenso spielen individuelle Faktoren wie
die Dicke des Stratum corneum, der Pigmentierungsgrad der Haut und der vorliegende
Hauttyp eine wichtige Rolle bei der Erythementwicklung (Bech-Thomsen et al., 1991).
Die Erythemwirkung korreliert mit dem Produkt von applizierter UV-Energie und der
Einwirkungsdauer. Ab einer bestimmten Schwellendosis, der minimalen Erythemdosis
(MED), entsteht ein Erythem der Haut. Die MED entspricht also jener UV-Dosis, die
eine noch gerade sichtbare und gegen die umgebende Haut klar abgrenzbare Hautrötung
verursacht (Lock-Andersen and Wulf 1996). Die visuelle Ermittlung der MED erfolgt
konventionsgemäß 24 Stunden nach definierter UV-Bestrahlung ansonsten unbestrahlter
- 13 -
Haut (vorzugsweise gluteal). Sie ist für jedes Individuum und jede applizierte
Wellenlänge spezifisch, bei Applikation von Lichtdosen in verschiedenen Wellenlängen
kommt es in der Regel zu einer additiven Wirkung (Paul and Parrish, 1982). Auch
konstitutionelle Faktoren wie beispielsweise eine Atrophie der Epidermis reduzieren die
Schwellendosis für eine MED.
Täglich wiederholte Applikation von UV-Strahlung führt zu einer Anhebung der
Erythemschwelle durch Photoadaptation; somit ist dann eine höhere UV-Dosis
erforderlich, um ein Erythem auszulösen. Ardabi et al. konnten zeigen,
Zeitspanne
zur
Wiedererlangung
normaler
Hautverhältnisse
dass die
nach
einer
suberythematogenen Einzeldosis UVA zwischen 30 und 48 Stunden beträgt, nach UVB
jedoch nur zwischen 24 und 30 Stunden (Ardabi et al., 1983).
Ihren praktischen Nutzen findet die Bestimmung der MED in der Quantifizierung der
Auswirkung von UV-Strahlung auf das Hautorgan. In der therapeutischen Nutzung von
UV-Bestrahlungen erfolgt die MED-Bestimmung zur korrekten Festlegung der initial zu
applizierenden
UV-Dosis.
Die
MED
erfüllt
streng
genommen
bereits
die
pathophysiologischen Kriterien eines Sonnenbrandes. Für den kaukasischen Hauttyp
liegt die zu applizierende Dosis, die zu einer ausgeprägten Dermatitis solaris Grad I
führt, bei der 4fachen MED. Eine Blasenbildung ist nach Applikation der 8fachen MED
induzierbar (Taylor et al., 1990).
Das Erythema solare tritt mit einer Latenzzeit von drei bis fünf Stunden nach Exposition
auf und erreicht seine Maximalausprägung nach ca. 12-24 Stunden. Ein Abklingen ist
nach 48-72 Stunden fest zu stellen (Gilchrest et al., 1981). Prinzipiell ist bei höheren
Dosen und kurzwelligerer UV-Strahlung von einer rascheren Progredienz der
Hauterscheinungen und einer langsameren Abheilung auszugehen. Ebenso ist in diesen
Fällen verstärkt mit konsekutiver Pigmentierung der betroffenen Hautareale zu rechnen.
In einigen Studien wurde in Abgrenzung vom UVB-induzierten Erythem ein
biphasischer Verlauf des UVA-Erythems postuliert, der einen sofortigen Gipfel nach
UVA-Einwirkung, einen Abfall vier Stunden nach Bestrahlung und einen erneuten
Anstieg nach 6-24 Stunden beinhaltete (Diffey et al., 1987). Kontrovers zu diesen Daten
beschrieb Bohnert 1992/93 eine maximale Ausprägung des UVA-Erythems nach acht
Stunden, anschließend einen langsamen Abfall innerhalb von 48 Stunden. Fest zu
stehen scheint, dass das UV-Erythem bei älteren Menschen länger persistiert als bei
Jüngeren und in den ersten 24 Stunden bei Menschen oberhalb des 60. Lebensjahres
geringer ausgeprägt ist als bei Menschen unter 30 Jahren (Guarrera, 1988).
- 14 -
Klinisch finden sich bei der Dermatitis solaris Grad I hellrote, schmerzhafte, scharf auf
den Ort der Lichteinstrahlung begrenzte Erytheme. Als histologisches Pendant ist eine
Vasodilatation (Diffey and Oakley, 1987) mit über 24 Stunden progredienter
Endothelschwellung bekannt. Diese Vasodilatation resultiert aus einer Freisetzung von
proinflammatorischen Mediatoren wie Histamin, Serotonin und
Prostaglandinen
(vorwiegend D2) nach UV-Bestrahlung der Haut. Nach dieser Degranulation der
Mastzellen zeigt sich eine Normalisierung ihrer Morphologie ungefähr 24 Stunden nach
UV-Exposition (Gilchrest et al., 1981).
In weiterer Folge kommt es zu einer entzündlichen Reaktion im Gewebe mit
Schwerpunkt in der Epidermis und oberer (bei UVA auch mittlerer) Dermis, innerhalb
von 48 Stunden bildet sich ein gemischtzelliges lymphozytäres Infiltrat aus (Fritsch,
2004). Eine Stunde nach Bestrahlung finden sich perivaskuläre Ödeme, die nach ca. vier
Stunden komplett ausgebildet sind (Gilchrest et al., 1981). Zusammen mit den
Endothelschwellungen sind diese perivaskulären Ödeme auch in der retikulären Dermis
und im Fettgewebe ausgebildet.
UVB-Strahlung ist aufgrund ihrer geringeren Eindringtiefe im Vergleich zur UVAStrahlung besonders in der Epidermis wirksam, womit die Keratinozyten die
wichtigsten biologischen Zielstrukturen einer intensiven UVB-Bestrahlung darstellen
(Habig et al., 1996). So kommt es über die Vermittlung einer Prostaglandinfreisetzung
zur Vasodilatation der dermalen Gefäße. Durch Prostaglandinsyntheseinhibitoren
(Acetylsalizylsäure, Indomethacin) lassen sich konsekutiv das UV-Erythem und häufig
damit verbundene Schmerzsensationen weitgehend unterdrücken. Als Ausdruck der
epidermalen zellulären Schädigung treten allerdings unabhängig von der Gabe von
Prostaglandinsyntheseinhibitoren massenhaft apoptotische Keratinozyten („sunburn
cells“) auf (Danno and Horio, 1980). Ziegler et al. stellten 1994 die These auf, dass
apoptotische „sunburn cells“ als Ausdruck des Vermögens, schwerwiegend UVgeschädigte Zellen zu eliminieren, anzusehen sind. Die apoptotischen Keratinozyten
sind bereits 30 Minuten nach Applikation der dreifachen MED-Dosis verifizierbar
(Gilchrest et al., 1981), erreichen ihr Maximum nach etwa 12-24 Stunden und
persistieren dann für 3-5 Tage in der Epidermis.
„Sunburn cells“ sind grundsätzlich in der gesamten Epidermis anzutreffen, befinden
sich aber bevorzugt in den suprabasalen Zelllagen. In den oberen Zellschichten treten
sie erst ca. 72 Stunden nach UVB-Exposition auf und bilden hier das parakeratotische
Stratum corneum.
- 15 -
Bei höherer Intensität der einwirkenden Noxe UV kommt es zur vakuolisierenden
Degeneration der Keratinozyten, die sich klinisch in einer Blasenbildung äußert. Man
spricht dann von einer Dermatitis solaris Grad II. Finden sich weitergehend petechiale
Einblutungen oder gar Nekrosen, ist der Grad III per definitionem erreicht.
Begleitend zu den Hauterscheinungen finden sich bei schwereren Sonnenbränden
systemische Zeichen wie Fieber und Krankheitsgefühl, die durch die massive
Freisetzung von Mediatoren wie IL-1 und IL-6 begründet sind (Fritsch, 2004).
In der Abheilungsphase zeigt sich eine epidermale Hyperplasie und Hyperkeratose
(„Lichtschwiele“) sowie später eine Desquamation der Haut, die auch Ausdruck des
Verlustes der als Lichtschutz dienenden Hyperkeratose ist. Eine Pigmentierung wird
sichtbar und in der Folge können klinisch Pigmentverschiebungen wie Epheliden
(Sommersprossen) zu beobachten sein. Eine narbige Abheilung kommt selten nach
exzessiven Dermatitiden zustande.
2.3.2
Chronische UV-Schäden
Als Ausdruck einer chronischen UV-Schädigung findet sich zum einen eine vorzeitige,
vom natürlichen Alterungsprozess der Haut deutlich zu unterscheidende, allerdings
häufig damit überlagerte „Lichtalterung“ der Haut. Diese kann zum Teil erhebliche
kosmetische Beeinträchtigungen des Individuums bedeuten. Des Weiteren kann eine
chronische UV-Belastung auch eine Induktion der Karzinogenese hervorrufen. In den
letzten Jahren hat sich eine deutliche Zunahme des Risikos für eine Entwicklung von
aktinischen Schäden an der Haut und chronischen Hauterkrankungen gezeigt (John und
Schwanitz, 1992). Die chronischen UV-Schäden beruhen auf einer Akkumulation
molekularer Schäden über die Lebensspanne (Fisher et al., 2002) und treten daher mit
einer Latenzzeit von 20-30 Jahren auf. Prinzipiell ist von einer Irreversibilität der
Veränderungen auszugehen, auch konsequenter Lichtschutz führt nur zu einer mäßigen
Regredienz. Im weiten Feld des Anti-Agings finden sich unzählige Therapieversuche
mit teils marginaler Wirksamkeit.
Das Aktionsspektrum sowohl der Lichtalterung als auch der Karzinogenese entspricht
dem des akuten UV-Schadens (Kligman, 1986), auch hier ist UVB-Strahlung wirksamer
als UVA, dieses ist aufgrund seines Anteils am Sonnenlicht dennoch relevant beteiligt.
Lediglich bei der Entstehung der Elastosis cutis, die auf einer Zunahme von Elastin
- 16 -
(Oikarinen, 1994) beruht, spielt UVB-Strahlung kaum eine Rolle. Als klinisches
Korrelat entwickelt sich eine schlaffe, faltige und auch grob gefelderte Haut mit
trockener, rauer Beschaffenheit der Hornschicht. Insgesamt imponiert die Haut
lederartig. Die ohnehin im Zuge der Hautalterung fortschreitende Atrophie des
Deckepithels wird durch die aktinische Schädigung noch verstärkt. Auffällig ist die
scharfe Begrenzung der durch die Lichtalterung induzierten Hautveränderungen auf die
chronisch sonnenexponierten Areale (häufig Gesicht, Hals, Dekolleté und Hände)
(Fritsch, 2004).
Bei der sogenannten Cutis rhomboidalis nuchae findet sich eine besonders ausgeprägte
Furchung der Haut, häufig im Nackenbereich. In Kombination mit senilen Komedonen
diagnostiziert man ein Favre-Racouchot-Syndrom (Stojanovic et al., 1992). Als Zeichen
der aktinischen Schädigung ist auch die Erythrosis interfollicularis colli mit einer
diffusen Rotfärbung der Haut und als weiße Tüpfchen hervorstechenden Follikeln zu
werten.
Folge
der
UV-induzierten
Karzinogenese
sind
Präkanzerosen
und
Plattenepithelkarzinome, weniger auch Basalzellkarzinome (Armstrong and Kricker,
2001). Eine Korrelation mit der kumulativen UV-Dosis, die während des Lebens durch
das Individuum akquiriert wird, ist bekannt, wobei die unterschiedlichen UV-Spektren
des Sonnenlichtes sowohl additive als auch synergistische Wirkungen entfalten
(Wiskemann, 1988). So wirkt sich UVA-Strahlung potenzierend auf das UVB-Erythem
und die UVB-induzierte Karzinogenese aus (Menter, 1990).
2.4
Photoadaptation
Unter Photoadaptation werden Reaktions-Mechanismen der Haut zur Anpassung an die
wiederholte Exposition mit der potentiell schädigenden Noxe UV-Strahlung subsumiert.
Hierzu zählt zum einen die sogenannte „Lichtschwiele“ (Miescher, 1930), die eine
Leistung der Keratinozyten darstellt. Zum anderen entspricht auch die von den
Melanozyten ausgehende Pigmentierung der Haut, die sich in eine Sofortpigmentierung
direkt nach UV-Exposition und eine Spätpigmentierung nach einigen Stunden
unterteilen lässt, einer Photoadaptation.
- 17 -
2.4.1
Verdickung der Epidermis („Lichtschwiele“)
Im deutschen Sprachraum wurde der Begriff der Schwielenbildung nach UVBestrahlung 1930 durch Miescher in seiner Publikation über das Problem des
Lichtschutzes und der Lichtgewöhnung eingeführt. Die „Schwielenbildung“ beinhaltet
histologisch zum einen die Hyperkeratose des Stratum corneum, zum anderen die
Verbreiterung der Epidermis (Akanthose) aufgrund einer gesteigerten Epidermopoese.
Sie bildet sich nach wiederholter UV-Exposition der Haut als Schutzmechanismus aus
und wird hauptsächlich durch UVB-Strahlung induziert (Lee et al., 2002).
Kontrovers wird die Ausbildung einer Hyperkeratose und/oder Akanthose nach UVAStrahlung diskutiert. Einige Publikationen dokumentieren, dass es nach UVAExposition kaum zum Auftreten einer Lichtschwiele komme. Dies impliziert, dass das
in weiten Teilen der Bevölkerung beliebte „Vorbräunen“ vor einem geplanten
Sonnenurlaub mit Hilfe der Solarien relativ wenig Schutz vor erythematogener UVBStrahlung bietet (Ruegemer et al., 2002, Fitzpatrick, 1986). Andere Untersuchungen
hingegen konnten allerdings auch Veränderungen der Haut nach UVA-Exposition,
beispielsweise eine Zunahme der Epidermisdicke, nachweisen (Pearse et al., 1987,
Lavker and Kaidbey, 1997, Lavker et al., 1995, Gambichler et al., 2004).
2.4.2
Pigmentierung
Melanozyten sind Dendritenzellen, die physiologisch im Stratum basale der Epidermis
bzw. des Haarfollikels liegen. Sie sind wie die Keratinozyten neuroektodermaler
Herkunft und produzieren als Antwort auf physiologische und pathologische Stimuli
(insbesondere UV-Licht) das Pigment Melanin, das für die Eigenfarbe der Haut
hauptverantwortlich ist. Die Melaninsynthese beinhaltet zunächst die Oxydation von
Tyrosin zu Dihydroxyphenylalanin (DOPA) und weiter zu DOPAchinon. Die
Tyrosinase ist hierbei das katalysierende Enzym, ein Fehlen führt zum Albinismus. Die
Melaninsynthese spaltet sich ausgehend vom DOPAchinon in einen Haupt- und einen
Nebenweg auf. Der Hauptweg führt letztendlich nach abschließender Polymerisierung
zum braunschwarzen, nahezu unlöslichen und gegenüber fast allen Chemikalien
resistenten Eumelanin. Der Nebenweg bringt das Phäomelanin hervor, ein gelblichrötliches, schwefelhaltiges, in verdünnten Alkalien lösliches Melanin (Prota and
- 18 -
Misuraca, 1997). Die menschlichen Melanozyten erzeugen in der Regel nicht nur eines
der beiden Melanine, sondern Mischmelanine (Thody et al., 1991).
Die Mengenrelation beider Melanine ist für jedes Individuum genetisch determiniert,
kann aber regional und im Zeitverlauf verschieden ausgeprägt sein. So wird die
Pigmentierung der Haut von Anzahl und Aktivität der Melanozyten beeinflusst. Die
absolute Anzahl der Melanozyten im Individuum unterliegt keiner rassischen
Divergenz, so haben ethnisch dunkelhäutigere Menschen zwar mehr (etwa 400), ovalere
und größere (ca. 1,44 µm) Melanosomen in der Basalzelle als Kaukasier (etwa 100; ca.
0,94 µm) (Thong et al., 2003), jedoch die gleiche absolute Anzahl von Melanozyten.
Außerdem liegen die Melanosomen im Zytoplasma der Keratinozyten entweder einzeln
(bei
Dunkelhäutigen)
oder
zu
mehreren
in
Form
der
sogenannten
Melanosomenkomplexe (bei Kaukasiern) (Minwalla et al., 2001). Die Realisierung
einer Verteilungsform hängt nur von der Melanosomengröße ab, da größere
Melanosomen grundsätzlich einzeln liegen (Fritsch, 2004). In der Folge ist die
Dispersion
und
Absorption
von
UV-Strahlung
durch
wenige
große
Melanosomenkomplexe geringer als durch viele einzeln liegende Melanosomen, die
Haut erscheint daher im letzteren Fall dunkler.
Die Melaninsynthese des Melanozyten findet in den Melanosomen statt. Während ihrer
Reifung wandern die Melanosomen im Dendriten der Zelle peripherwärts. Die
eigentliche Pigmentierung der Haut entsteht dann über den Transfer von Melanosomen
in die benachbarten Keratinozyten („Pigmenttransfer“). Der Komplex aus Melanozyt
und den über seine Dendriten mit ihm in Kontakt stehenden etwa 36 Keratinozyten wird
„epidermale Melanineinheit“ genannt (Seiberg, 2001).
Eine Pigmentierung der Haut kann sowohl durch UVA- als auch durch UVB-Strahlung
ausgelöst werden. Die UVA- und die UVB-induzierte Pigmentierung der Haut
unterscheidet sich in der Verteilung des Pigments in der Epidermis. Melanin, das unter
UVA-Einfluß gebildet wurde, verbleibt vorwiegend im Stratum basale, während die
durch UVB-Strahlung vermehrt gebildeten Melanosomen die gesamte Epidermis
durchsetzen können (Braun-Falco et al., 1996).
Die zur Pigmentierung führenden Mechanismen sind vielfältig. Zunächst ist eine
Zunahme des Melanozytenvolumens mit Erhöhung der Dendritenanzahl möglich
(Libow et al., 1988, Todd et al., 1993, Rosen et al., 1987). Des Weiteren führt eine
gesteigerte Melanosomensynthese zu einem Anstieg der Melanosomenanzahl (Nakatani
and Beitner, 1995) und konsekutiv zu einem verstärkten Pigmenttransfer in die
- 19 -
Keratinozyten (Bech-Thomson and Wulf, 1996). Über eine Proliferation der
melaninbildenden Zellen kann es außerdem noch zu einer Zunahme der absoluten
Melanozytenzahl kommen (Todd et al., 1993, Bacharach-Buhles et al., 1997). Auch in
nicht direkt der UV-Strahlung exponierten Arealen ist eine Erhöhung der
Melanozytenanzahl möglich (Stierner et al., 1989).
Klinisch und photobiologisch ist eine Sofortpigmentierung von einer Spätpigmentierung
zu unterscheiden.
2.4.2.1 Sofortpigmentierung
Die während der UV-Exposition oder kurz danach entstehende Pigmentierung wird im
angloamerikanischen Raum auch „immediate pigment darkening“ genannt. Sie ist
wenig intensiv und persistiert nur wenige Stunden (Bech-Thomsen, 1997). Eine
Auslösung ist durch alle Lichtqualitäten möglich, im Vordergrund steht allerdings
UVA-Strahlung. Die stärkste Pigmentierungskapazität liegt bei 340 nm (Irwin et al.,
1993), die Schwellendosis liegt zwischen 10 und 30 J/ cm2 und ist umso geringer, je
mehr Pigment in der Epidermis vorliegt.
Der Sofortpigmentierung liegen eine chemische Konformationsänderung des Melanins
mit Photooxydation von Pigmentvorstufen in reifes Melanin (Beitner, 1988) und eine
Umverteilung von Melanosomen in die Zellperipherie zugrunde (Gilchrest et al., 1996).
Eine aktive Synthese neuer Melanosomen oder eine Vermehrung der Melanozyten
findet nicht statt.
Die Sofortbräunung hat kaum photoprotektive Wirkung, ein UVB-Erythem ist im
weiteren Verlauf trotzdem induzierbar (Black et al., 1985).
2.4.2.2 Spätpigmentierung
Die Spätpigmentierung wird erst ungefähr 48 bis 72 Stunden nach UV-Exposition
sichtbar und bleibt mehrere Wochen bestehen (Lowe et al., 1995). Somit repräsentiert
sie
die
eigentliche
(häufig
kosmetisch
gewünschte)
Sonnenbräunung.
Das
Wirkungsspektrum reicht hier von 250 bis 400 nm, die stärkste Pigmentierungskapazität
findet sich bei 294 nm, also im UVB-Bereich.
- 20 -
Der Pigmentierung liegt hier eine gesteigerte Melaninsynthese in den Melanosomen
zugrunde, was den zeitlichen Verlauf mit anfänglich verzögert einsetzender, dann
allerdings länger andauernder Färbung erklärt (Bohnert 1992/1993). Bei wiederholter
UVB- (weniger UVA-) Exposition tritt zusätzlich eine Proliferation der Melanozyten
mit vermehrter Dendritenbildung und vermehrtem Pigmenttransfer ein (Todd et al.,
1993). Die Quantität des gebildeten Melanins ist einerseits genetisch und hormonell
determiniert, andererseits auch abhängig von der Anzahl der vorhandenen Melanozyten.
Klinisch imponiert die Spätpigmentierung kupferfarben bis kaffeebraun im Gegensatz
zur Sofortpigmentierung, die als aschgrau bis bräunlich beschrieben wird (Beitner,
1988).
2.5
Hauttypen nach Fitzpatrick
Die Festlegung des photobiologisch relevanten Hauttyps eines Individuums ist unter
anderem für die Risikoabschätzung der Entwicklung von malignen Transformationen
sowie für die Einschätzung der individuellen Sonnenempfindlichkeit von Bedeutung. So
weiß man, dass Menschen der keltischen Komplexion (sehr helle Haut, rothaarig, blaue
Augen) bei UV-Exposition sehr rasch ein UV-Erythem, dosisabhängig auch eine
höhergradige Dermatitis solaris, allerdings kaum eine Pigmentierung entwickeln.
Anders der Hauttyp des Mitteleuropäers, der relativ gut bräunt und erst bei
Überschreitung einer gewissen Expositionsdauer einen Sonnenbrand akquiriert. So ist
für jeden Hauttyp eine Korrelation mit der individuellen photobiologischen
Reaktionsfähigkeit zu erkennen, die sich akut über die Bildung eines UV-Erythems,
einer Pigmentierung und einer „Lichtschwiele“ definieren lässt, langfristig aber auch
zum vorgezogenen „Photoaging“ und zur Entwicklung maligner Hauttumoren führen
kann.
Fitzpatrick stellte 1975 die Einteilung in Hauttypen als Möglichkeit vor, Individuen
nach
ihrer
Erythem-
und
Pigmentierungs-Antwort
nach
UV-Exposition
zu
klassifizieren. Die Einteilung erfolgt klinisch-anamnestisch, Phototestungen sind hierbei
nicht erforderlich. Heute noch findet dieses System breite Anwendung, beispielsweise
zur Abschätzung der Anfangsdosis einer Phototherapie und bei Diskussionen über die
Akklimatisation der Haut (Sayre et al., 1981).
- 21 -
Die Grenzen zwischen den einzelnen Hauttypen nach Fitzpatrick sind fließend.
Festzustellen bleibt, dass Menschen des Hauttyps I und II ein deutlich höheres Risiko
zur Entwicklung akuter und chronischer Lichtschäden besitzen als Menschen mit
höherem Hauttyp (III-IV). Deren Melanozyten sind zur intensiveren Melaninbildung
nach UV-Exposition in der Lage (Hollis and Scheibner, 1988).
Die Reliabilität des Verfahrens wurde mehrfach untersucht. So konnte in einigen
Studien keine strenge Korrelation zwischen dem anamnestisch über den Patienten
erhobenen Hauttyp und der tatsächlichen Sensitivität für UV-Strahlung, definiert durch
die minimale Erythemdosis (MED), gefunden werden (Jansen, 1989, Rampen et al.,
1988, Stern and Momtaz, 1984). Baron et al. konnten in ihrer Studie 1999 eine
signifikante Korrelation des Hauttyps und der MED nachweisen, allerdings zeigte sich
eine sehr große Spannweite von MEDs für jeden Hauttyp. Des Weiteren fanden sich
auch Überlappungen in den MED-Werten für verschiedene Hauttypen, sodass die
additive Bestimmung der MED beispielsweise vor geplanter Phototherapie empfohlen
wurde. Letzteres konnte kürzlich auch in einer anderen großen Studie bestätigt werden
(Gambichler et al., 2006).
Tabelle 2: Definition der Hauttypen (Fitzpatrick, 1988)
Hauttyp
Sonnenbrand
Bräunung
I
Immer
Nie
II
Immer
Selten
III
Selten
Immer
IV
Nie
Immer
V
Mäßig pigmentierte Ethnien (Inder)
VI
Stark pigmentierte Ethnien (Afrikaner)
- 22 -
2.6
Therapeutische Anwendung ultravioletter Strahlung
Neben der weit verbreiteten Nutzung künstlich erzeugter UVA-Strahlung zur
kosmetischen Bräunung in Sonnenstudios wird UV-Strahlung in der Dermatologie auch
zu therapeutischen Zwecken eingesetzt. Hierbei kommen UVA-Bestrahlungsgeräte
vorwiegend in der Therapie der Ekzeme, insbesondere des atopischen Ekzems
(Krutmann, 2000), aber auch bei verschiedenen Prurigo-Formen und der Sklerodermie
zum Einsatz. UVB-emittierende Bestrahlungsgeräte entfalten unter anderem in der
Behandlung der Psoriasis vulgaris, des Pruritus sine materia, des urämischen und des
hepatischen Pruritus sowie der Parapsoriasis en plaques ihre positive Wirkung. Im
UVB-Bereich lassen sich noch UVB-Schmalspektrum-Bestrahlungseinrichtungen
abgrenzen, die UV-Strahlung der Wellenlänge 311nm emittieren und damit
wahrscheinlich das optimale Wirkspektrum bei der Psoriasis vulgaris darstellen
(Storbeck et al., 1993).
Eine Wirkungssteigerung der UV-Therapie lässt sich durch die ergänzende Applikation
von lichtsensibilisierenden Substanzen im Vorfeld erreichen. Im UVA-Spektrum wird
die photosensibilisierende Wirkung des Psoralens genutzt, im UVB-Bereich ist schon
sehr lange eine synergistische Wirkung mit Sole-Bädern bekannt.
Idiopathische Photodermatosen, also Erkrankungen mit qualitativ abnormen Reaktionen
gegenüber (meist UV-) Licht, sprechen zudem gut auf ein Hardening mit Applikation
von UVB-Schmalspektrum in langsam ansteigender Dosierung an (Collins and
Ferguson, 1995).
2.7
Optische Kohärenztomographie (OCT)
Die optische Kohärenztomographie (OCT) wurde ursprünglich zur Untersuchung des
menschlichen Auges entwickelt (Huang et al., 1991, Hee et al., 1995) und hat in der
Ophthalmologie bereits Eingang in die Routinediagnostik von Veränderungen
verschiedener Augenabschnitte gefunden (Fujimoto et al., 1995). Als noninvasive
Methode zur bildgebenden Diagnostik in vivo, die ähnlich der Ultraschall-Technologie
keine unerwünschten Nebenwirkungen bei den untersuchten Kollektiven induzierte,
gewann die OCT rasch auch außerhalb der Ophthalmologie an Interesse. Allerdings
handelt es sich im Gegensatz zum menschlichen Auge, das sich naturgemäß als gut
- 23 -
lichtdurchlässiges Medium für eine optische Untersuchungsmethode eignet, bei der
Haut aufgrund von Absorptions- und Streuungsphänomenen um ein undurchsichtiges
Medium, was eine Anpassung der vorhandenen Technologie erforderte. Die Absorption
in der Haut ist im Wesentlichen abhängig von der Melanin- und der HämoglobinKonzentration, die Streuung von den unterschiedlichen Refraktärindizes. Aufgrund der
durch die Abschwächung von Lichtsignalen bedingten begrenzten Eindringtiefe in die
Haut wurde ein OCT-Gerät speziell für dermatologische Indikationen entwickelt
(Lankenau et al., 1996, Pan Y et al., 1995, Pan Y et al., 1997). Hier werden nun im
Vergleich zur ursprünglichen ophthalmologischen Anwendung längere Wellenlängen
genutzt (Tearney et al., 1995, Iftimia et al., 2003, Neerken et al., 2004).
Die OCT stellt eine nichtinvasive Methode unter Nutzung von Infrarot-Licht dar und
basiert auf dem Prinzip der Michelson Interferometrie. Interferenz meint im
physikalischen Sinne die Überlagerung von zwei oder mehr kohärenten, harmonischen
Lichtwellen. Da es nicht möglich ist, zwei Quellen herzustellen, die kohärentes Licht
ausstrahlen, ist es für die Beobachtung von Interferenzphänomenen unabdingbar, das
Licht einer relativ kleinen Lichtquelle zu teilen. Dieses gelingt mit kleinen Spiegeln,
Prismen oder Blenden. Die unterschiedlich langen Laufstrecken der geteilten
Lichtbündel bestimmen dann letztendlich den Phasenunterschied, der zur Darstellung
der Interferenzphänomene führt (Breuer and Breuer, 1988).
- 24 -
Abbildung 3: OCT-System in der Dermatologie
Bei den eingesetzten Lichtquellen handelt es sich um Superlumineszenzdioden, die mit
infrarotem Licht bei einer Wellenlänge von 830 oder 1300 nm arbeiten. Bei 1300 nm ist
aufgrund der von der Lichtwellenlänge abhängigen geringeren Lichtstreuung im
Gewebe eine höhere Eindringtiefe erreichbar. Für die OCT sind Lichtquellen mit sehr
kurzen Kohärenzlängen erforderlich, da die axiale Auflösung von der Kohärenzlänge
des verwendeten Lichtes abhängt. Die Detektion ultraschwacher Lichtsignale wird
durch eine hohe Dynamik gewährleistet.
Das Licht wird von der Diode ausgehend über optische Mono-mode-Fasern in zwei
Strahlen, einen Proben- und einen Referenzstrahl, aufgeteilt. Da der aus dem zu
untersuchenden Gewebe zurückgestreute Lichtanteil nur innerhalb der Kohärenzlänge
mit dem gespiegelten Referenzlicht interferieren kann, liefert die Interferenzmodulation
Informationen über die optische Weglängenverteilung des Probenlichtes und damit über
die tiefenabhängige Reflexion des Probenstrahles im Gewebe (Welzel et al., 2000).
25
Zur Darstellung kommen nach lateraler Abtastung mittels Verschiebung des
Messstrahles (A-Scan) zweidimensionale Tiefenschnittbilder in Echtzeit, ähnlich
Ultraschall-B-Bildern. Die OCT-Bilder spiegeln allerdings keine akustischen, sondern
optische Inhomogenitäten des Gewebes wider. Mit einer in der konventionellen OCTTechnik erreichbaren axialen Auflösung von 15 µm und einer lateralen Auflösung von
ca. 10 µm liegen diese erheblich höher als beispielsweise in der hochfrequenten 20MHz-Sonographie. Hiermit eröffnet die OCT eine interessante Perspektive zur
Gewebsdiagnostik mit nichtinvasiver Darstellung epidermaler Veränderungen. Die hohe
Auflösungskapazität verglichen mit der Hochfrequenz-Sonographie geht zu Lasten der
Eindringtiefe des Signals, die mit etwa 1 mm zwar hoch auflösende Bilder der
Epidermis und der papillären Dermis, von vorhandenen Adnexstrukturen und auch
Blutgefäßen liefert, zu tieferliegenden Strukturen allerdings keine verlässlichen
Aussagen mehr zulässt. Eine deutliche Erhöhung der Detektionstiefe über eine
Erniedrigung des Abschwächungskoeffizienten und damit eine Verbesserung der
Bildqualität wurde nach Vorbehandlung der Haut mit Glycerin gezeigt (Vargas et al.,
1999). Die genauen Parameter hängen von der verwendeten Lichtwellenlänge und der
Kohärenzlänge ab.
Die Messzeit ist abhängig von der Scanlänge und der gewählten lateralen Auflösung
und beträgt einige Sekunden. Pro Sekunde sind ungefähr 100 axiale Abtastungen
möglich. Die maximale laterale Scanlänge beträgt ca. 10 mm. Während der Messung
erfolgt auf einem Monitor eine Echtzeit-Darstellung der Bilder nach logarithmischer
Signalverstärkung in Falschfarben oder Grauwerten. Signalarme Areale erscheinen hier
dunkel, signalreiche Areale hell.
Die Eindringtiefe und die abbildbare Ausdehnung sind im Vergleich zur konfokalen
Laser-Scanning-Mikroskopie (KLSM) wesentlich höher, allerdings ist bei der OCT eine
Auflösung
auf
Einzelzell-Ebene
nicht
möglich.
Ein
wesentliches
Unterscheidungsmerkmal zur KLSM stellt außerdem die Ausrichtung der entstehenden
Bilder dar. Während bei der KLSM parallel zur Hautoberfläche gemessen und
abgebildet wird, entstehen bei der OCT Abbildungen des Hautquerschnittes, die als
vertikale Schnitte deutlich leichter interpretierbar sind.
Die OCT hat sich in den letzten zehn Jahren in eine etablierte Methode für die
experimentelle Bildgebung der Epidermis und der papillären Dermis in vivo entwickelt.
Frühe systematische Studien zu dermatologischen Erkrankungen konnten ihren Wert in
der Verlaufsbeobachtung inflammatorischer Erkrankungen und auch in der Bewertung
- 26 -
von Therapieeffekten demonstrieren. Lokalisationsbedingte Unterschiede, entzündliche
Veränderungen und Tumorzellverbände können dargestellt werden. So wiesen Bechara
et al. 2004 bereits bei Basalzellkarzinomen und melanozytären Naevi gleichartige
morphologische Strukturen im direkten Vergleich von in vivo gewonnenen OCTAufnahmen und anschließender histologischer Untersuchung derselben Hautstelle nach.
Die Autoren fanden hierbei auch nur geringe Abweichungen zwischen beiden
Methoden in den ausgemessenen Größen von Zellnestern und in den gemessenen
Epidermisdicken. Eine weitere Studie zum Vergleich von OCT-Aufnahmen und
histologischen Untersuchungen an 43 Basalzellkarzinomen konnte einen Verlust der
normalen Hautarchitektur mit ungeordneter Epidermis und oberer Dermis zeigen.
Korrelierend zur Histologie fanden sich in den OCT-Bildern unter anderem große
Zapfen-artige signalreiche Strukturen, Honigwaben-artige signalfreie Areale und
prominente signalfreie Hohlräume in der oberen Dermis (Gambichler et al., 2007).
Signifikante Unterschiede zwischen den verschiedenen Wachstumsformen der
Basalzellkarzinome (nodulär, infiltrierend, multizentrisch-superfiziell) konnten die
Autoren nicht nachweisen. Die OCT eignet sich somit zur Diagnostik, zur
Dokumentation und zur Verlaufsbeobachtung von physiologischen, experimentellen
und pathologischen Hautveränderungen (Welzel et al., 2000).
Nebenwirkungen der OCT sind nicht zu erwarten und werden in den bis dato
vorliegenden Publikation auch nicht beschrieben. Ein weiterer Vorteil dieser
nichtinvasiven Methode ist die Möglichkeit von Verlaufsuntersuchungen einer Läsion
ohne Alteration derselben. Dieses ist insbesondere auch hinsichtlich eines Monitorings
des Krankheitsverlaufes und der Beurteilung von therapeutischen Effekten bei
chronischen und schubhaft verlaufenden Hauterkrankungen von Interesse. In einer
Studie an sechs Patienten mit chronisch-diskoidem Lupus erythematodes (CDLE) und
fünf Patienten mit subakut-kutanem Lupus erythematodes (SCLE) wurden typische
histologische Kriterien der beiden Erkrankungen mit den entsprechenden OCT-Bildern
verglichen (Gambichler et al., 2007). Hier konnte der histologisch erkennbaren
Hyperkeratose eine Verdickung und Spaltung des Eintrittssignals zugeordnet werden,
ebenso entsprach die bestehende Atrophie der Haut einer verschmälerten Zone
unterhalb des Eintrittssignals. Dilatierte Gefäße wurden als vermehrte signalfreie Areale
in der oberen Dermis nachgewiesen. Die mittels OCT untersuchten Parameter
korrelierten signifikant mit den zugehörigen histologischen Merkmalen.
- 27 -
Erste Bilder der Haut ließen bereits verschiedene Schichten erkennen, deren eindeutige
Zuordnung durch den Vergleich mit korrespondierenden histologischen Schnitten und
auch durch die Untersuchung definierter blasenbildender Hautveränderungen möglich
wurde (Hoffmann et al., 1998, Lankenau et al., 1997, Welzel et al., 1997).
Da an den über eine gewählte Fläche gemittelten A-Scans Abstände und
Höhenunterschiede zwischen einzelnen Peaks gemessen werden können, ist es möglich,
beispielsweise die in den OCT-Bildern abgrenzbare Epidermis in ihrer Dicke zu
vermessen. Zudem ist eine manuelle Messung mittels inkludierten Messlineals
durchführbar. Darüber hinaus gibt es auch noch andere Algorithmen zur Bestimmung
der Epidermisdicke (Weissman et al., 2004). Vergleiche zwischen an histologischen
Schnitten und an OCT-Bildern gemessenen Epidermisdicken erbrachten bei
unterschiedlichen Messverfahren an den OCT-Bildern unterschiedliche Ergebnisse. So
zeigten Gambichler et al. 2005 zwar eine strenge Korrelation der Epidermisdicke in
OCT- und korrespondierenden histologischen Untersuchungen, allerdings wurde hier
bereits einschränkend auf ein sehr großes 95% Konfidenzintervall hingewiesen. Die
Autoren schlussfolgerten, sowohl die manuelle Messung als auch die Ermittlung der
Epidermisdicke mittels A-Scan können nicht synonym mit der Gewinnung der Daten an
histologischen
Schnitten
zum
Arbeitsgruppe
beschäftigten
Einsatz
sich
mit
kommen.
der
Weitere
Überprüfung
Studien
der
derselben
Validität
von
Messergebnissen aus A-Scans, ebenfalls im Vergleich zur Routine-Histologie. Hierbei
zeigte sich keine Übereinstimmung der ermittelten Werte für die Epidermisdicke. Da
die Messungen an den OCT-Bildern deutlich höhere Werte ergaben als die an den
histologischen Schnitten, postulierten die Autoren, der zweite Peak im A-Scan
entspreche nicht der dermo-epidermalen Junktionszone sondern vielmehr der oberen
Dermis (Gambichler et al., 2006).
Die signalreichere Linie, die histologisch mit der Basalschicht der Epidermis korreliert,
könnte nach Ansicht von Welzel et al. 2000 durch den erhöhten Melaningehalt der
basalen Keratinozyten hervorgerufen werden, da diese Linie am Unterlippenrot
weitgehend fehlt. Eine weitere Untersuchung zur Ermittlung der Epidermisdicke mittels
OCT fand statt im Vergleich zu Kryostat-Schnitten. Hier zeigte sich ein deutlich
besserer Erhalt der relativen und absoluten Abmessungen von Hautschichten im
Vergleich zu Paraffin-Schnitten (Gambichler et al., 2007).
OCT-Aufnahmen normaler Haut zeigen lokalisationsbedingte Besonderheiten. So ist
das Stratum corneum nur palmoplantar als relativ transparente, wellenförmige Schicht
- 28 -
sichtbar. In Regionen mit dünnem Stratum corneum kann dieses nicht von der restlichen
Epidermis abgegrenzt werden. Somit stellt normalerweise die Epidermis an allen
anderen Lokalisationen die erste abgrenzbare Schicht dar. Palmoplantar lassen sich
außerdem spiralförmig die Schweißdrüsenausführungsgänge im Stratum corneum
darstellen. Im Lippenrot zeigt sich eine dickere Epidermis mit multiplen signalarmen
Strukturen, die dilatierten Blutgefäßen entsprechen. An der Wange lassen sich
Adnexstrukturen wie Follikel und Talgdrüsen ausmachen (Welzel et al., 2000). Eine
Studie an 83 Probanden zur Abhängigkeit der Epidermisdicke von Alter, Geschlecht,
Hauttyp und Lokalisation wies eine signifikante Abnahme der Epidermisdicke mit
zunehmendem Alter an allen anatomischen Regionen nach. Geschlechtsspezifische
Unterschiede fanden sich bis auf eine dünnere Epidermis im Stirnbereich älterer Frauen
nicht. Ethnische Unterschiede konnten ebenfalls nicht eruiert werden. Die
Epidermisdicke an gleicher Lokalisation zeigte interindividuell keine signifikanten
Unterschiede, lediglich die Epidermisdicke an verschiedenen Körperregionen
unterschied sich intraindividuell signifikant (Gambichler et al., 2006).
Welzel et al. publizierten 2003 die Ergebnisse von OCT-Untersuchungen bei
Kontaktdermatitiden
Kontaktdermatitis
und
eine
Psoriasis.
Verstärkung
Hier
konnte
unter
anderem
bei
der
des Eintrittssignals korrespondierend zur
bestehenden Parakeratose nachgewiesen werden. Außerdem konnten die Autoren eine
Zunahme der ermittelten Epidermisdicken aufgrund der Akanthose nach Induktion einer
Kontaktdermatitis zeigen. Die Autoren beschreiben zudem Schwierigkeiten in der
Abgrenzung des zweiten Intensitätspeaks des A-Scans, der die Grenze der Epidermis zu
Dermis markieren soll, in der psoriatischen Plaque. Als mögliche Erklärung wird die
gezackte Epidermis-Dermis-Grenze in der Plaque angeführt, wodurch eine wenigdefinierte Grenzlinie entstehe. Bei akuter kontaktallergischer Reaktion im Patch-Test
konnten mittels OCT ein verbreitertes Eintrittssignal und eine signifikant verbreiterte
Epidermis nachgewiesen werden. Außerdem waren klar abgegrenzte signalfreie
Hohlräume in der Epidermis und eine deutliche Reduktion des dermalen
Reflexionsgrades zu erkennen. Diese Veränderungen korrelierten mit dem Grad der
klinisch sichtbaren Reaktion im Patch-Test (Gambichler et al., 2005). In einer weiteren
Studie dieser Arbeitsgruppe konnte der Brechungsindex als Maß für die Hydratation der
Haut bestätigt werden. So ergaben sich aus einer Untersuchung an 20 Probanden nur
nicht signifikante intraindividuelle Unterschiede bei Messung an der gleichen
Lokalisation
an
verschiedenen
Tagen.
- 29 -
Eine
signifikante
Abnahme
des
Brechungsindexes zeigte sich aber nach Applikation einer wässrigen Lotion mit
lipophiler Phase (Sand et al., 2006).
Nach einmaliger UVA-Bestrahlung der Haut mit 120 J/ cm2 fanden Welzel et al. 2004
keine Veränderung der Epidermisdicke und der Lichtabschwächung in der Epidermis.
Gambichler et al. zeigten 2005 eine Verdickung der Epidermis nach 3maliger UVBBestrahlung und ebenso eine geringe Dickenzunahme der Epidermis nach 3maliger
UVA1-Bestrahlung. In den UVB-belichteten Arealen fand sich zudem eine Spaltung
des Eintrittssignals, resultierend in einer verdickten Schicht mit signalarmem Zentrum,
korrespondierend zu Hyper- und Parakeratose in der Routine-Histologie. In einer
vergleichenden Studie mittels OCT und CLSM nach UV-Exposition fanden sich eine
verdickte Epidermis (Hyperproliferation, Akanthose), eine reduzierte Reflexion in der
Dermis (Ödem) und ein größerer Gefäßdurchmesser in den dermalen Papillen
(Vasodilatation) (Gambichler et al., 2006). Darüber hinaus gibt es nur sehr wenige
Studien, in denen die OCT zur Evaluation photobiologischer Effekte eingesetzt wurde.
- 30 -
3
Problemstellung
Frühere histologische Untersuchungen zur Hautdicke konnten eine signifikante
Verbreitung der Epidermis nach UVB-Exposition (Lock-Andersen et al., 1997) und
Hinweise auf eine epidermale Dickenzunahme nach wiederholter UVA-Exposition
(Lavker et al., 1995) zeigen.
Histologische Untersuchungen sind aber nicht in der Lage, die Hautmorphologie in vivo
exakt widerzuspiegeln, erfordern immer ein iatrogenes Trauma und sind auch nicht an
gleicher Stelle mehrfach durchführbar. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit nichtinvasiver Untersuchungsverfahren wie der OCT. Diese liefert hochauflösende Bilder
der Epidermis in vivo in Echtzeit und ist an gleicher Lokalisation beliebig oft ohne
Veränderung der Hautmorphologie wiederholbar. Die OCT eignet sich daher sowohl für
diagnostische Untersuchungen als auch zur Beobachtung von Krankheitsverläufen
(Gambichler et al., 2005).
Ziel dieser Untersuchung ist es nun zu prüfen, ob und inwieweit mit Hilfe der OCT
Veränderungen der menschlichen Epidermis nach UV-Bestrahlung in vivo quantifiziert
werden können.
- 31 -
4
Material und Methoden
4.1
Patientenkollektiv, Ein- und Ausschlusskriterien
Die Rekrutierung der Patienten erfolgt über die Dermatologische Abteilung des St.
Josef-Hospitals Bochum. Es handelt sich um Patienten, die im Rahmen der laufenden
Patientenversorgung
unter
der
Verdachtsdiagnose
einer
durch
UV-Strahlung
provozierbaren Dermatose einer Photodiagnostik zugeführt werden, die unauffällig
verläuft und deren Ergebnisse somit das Vorliegen einer UV-provozierbaren Dermatose
ausschließen. Jeder Patient wird im Vorfeld ausführlich zur geplanten Photodiagnostik
sowie zum Ziel und zu möglichen Risiken der beabsichtigten Studie aufgeklärt und
erklärt schriftlich sein Einverständnis. Bei einer kleineren Gruppe von Personen aus
dem Mitarbeiterkreis (4 Probanden) werden außerdem Hautbiopsien entnommen, ein
entsprechendes
positives
Votum
der
Ethikkommission
wurde
eingeholt
(Registrierungsnummer 2408).
Tabelle 3: Übersicht Patientenkollektiv (Alter zum Zeitpunkt der Untersuchung,
Geschlecht und Hauttyp nach Fitzpatrick)
Patient
Alter
Geschlecht
Hauttyp
1
47
F
II
2
69
F
II
3
52
M
II
4
43
F
I
5
28
F
I
6
59
M
II
7
51
F
II
8
61
F
II
9
50
F
II
10
78
F
II
11
49
F
II
12
27
F
II
- 32 -
Alle Patienten werden nach Bestimmung der individuellen MED-UVA und MED-UVB
an unbestrahlter Haut einer Photoprovokation an drei aufeinander folgenden Tagen
zugeführt. Ausschlusskriterien zur Studienteilnahme sind jegliche photosensitive
Erkrankungen, die Patienten dürfen zudem keine UV-Exposition, sowohl natürlichen
Ursprungs (z.B. Strandurlaub) als auch durch künstlich erzeugte UV-Strahlung, in den
letzten 2 Monaten vor Untersuchung erhalten haben. Gravidität und Stillzeit stellen
Ausschlusskriterien dar, um hormonelle Einflussfaktoren zu minimieren. Ebenso sind
Patienten unter einer Medikation mit entzündungshemmenden Substanzen und anderen
relevanten Wirkstoffen von der Teilnahme ausgeschlossen.
4.2
Bestimmung der minimalen Erythemdosis (MED)
Da die Bestimmung des vorliegenden Hauttyps nach der Klassifikation von Fitzpatrick
nicht streng mit der aktuellen Sensitivität des Individuums für UV-Strahlung korreliert,
ist vor einer geplanten Phototherapie oder auch vor ergänzender Photodiagnostik die
Durchführung einer sogenannten „Lichttreppe“ zur Festlegung der MED erforderlich.
Hierbei wird eine Folge von ansteigenden Dosen verschiedener Strahlungsbereiche auf
die Haut appliziert, vorzugsweise an üblicherweise nicht belichteten Arealen, z.B. im
Glutealbereich. Der Name „Lichttreppe“ leitet sich von den stufenweise ansteigenden
Strahlungsdosen ab.
Die Definition der MED geht auf Wucherpfennig, 1931 zurück und lautet: „Die
Erythemschwelle des Ultraviolett ist die schwächste, aber noch scharf gegen die nicht
bestrahlte Umgebung begrenzte Hautrötung, die 7 bzw. 24 Stunden nach der
Testbestrahlung abzulesen ist.“
Eine einheitliche Standardisierung zur Durchführung der Lichttreppe existiert bis dato
nicht. Gerade im UVB-Bereich werden sehr unterschiedliche Strahlungsqualitäten
eingesetzt, die von monochromatischem UVB bis zu polychromatischem UVB reichen
und besonders im angloamerikanischen Raum auch eine Kombination aus UVA- und
UVB-Licht sowie sichtbarem Licht, sogenannte „Sonnenstimulatoren“, umfassen. Der
Intensitätsbereich der Bestrahlungsdosis wird unabhängig von der Art der
Dosissteigerung, die exponentiell, prozentual oder linear erfolgen kann, am jeweiligen
Hauttyp des Patienten orientiert.
- 33 -
Die Lichttreppe hat zum einen das Ziel, die MED des Patienten zu evaluieren, zum
anderen besteht schon mit Hilfe dieses Verfahrens die Möglichkeit, eine
Photodermatose, z.B. eine Lichturtikaria aus dem Bereich des sichtbaren Lichtes, bei
einem Patienten zu provozieren.
4.3
UV-Bestrahlungseinheiten
und
praktische
Durchführung
der
UV-
Bestrahlung
Vor dem Beginn der Studie erfolgt eine Analyse des jeweiligen Emissionsspektrums der
benutzten UV-Quellen mittels Spektral-Radiometer MSS 2040 (MSS Elektronik GmbH,
Fröndenberg, Deutschland). Die UV-Bestrahlung wird in Übereinstimmung mit einem
etablierten Protokoll durchgeführt (Kuhn et al., 2001).
Die minimale Erythemdosis (MED) für Breitband UVB und Breitband UVA wird
mittels Saalmann Multitester SBB LT 400 (Saalmann GmbH, Herford, Deutschland) im
Glutealbereich der Patienten bestimmt (Spektren siehe Abbildung 4 und 5). Die
regelmäßig mittels RM-11 Radiometer (Ettlingen, Deutschland) bestimmte UVBIntensität beträgt 4,5 mW/ cm2. Die UVA-Intensität beträgt 25 mW/ cm2, bestimmt mit
UV-METER (Waldmann, Willingen-Schwenningen, Deutschland).
- 34 -
Abbildung 4: UVA-Spektrum des Saalmann Multitester Typ SBB LT 400
Abbildung 5: UVB-Spektrum des Saalmann Multitesters Typ SBB LT 400
- 35 -
Die Applikation der UVA-Dosen erfolgt rechts gluteal und steigt von 18 J/ cm2 bis auf
31 J/ cm2 an. Im UVB-Bereich werden Patienten mit Hauttyp I oder II mit einer
stufenförmig ansteigenden Intensität von 0,010 bis 0,037 J/ cm² bzw. Patienten mit
Hauttyp III von 0,017 bis 0,055 J/ cm² links gluteal exponiert. Die Ablesung der
minimalen Erythemdosis erfolgt 24 Stunden nach Durchführung der Lichttreppe.
An den folgenden drei Tagen erhalten die Patienten täglich eine Bestrahlung mit der
1,5fachen MED-UVB sowie mit 60 J/ cm2 UVA1, verabreicht mit der TeilkörperLichtquelle Sellamed 2000 System (Sellas, Gevelsberg, Deutschland) an zwei
gegenüberliegenden Flächen (7 mal 7cm) in der rechten und linken mittleren
Scapularregion.
Abbildung 6: UVA1-Spektrum SELLAMED 2000 SYSTEM
Die UVA1-Intensität, gemessen mit MP-100 OPTICAL Radiometer (UVA1-MED,
Wennigsen, Deutschland) beträgt 33,3 mW/ cm2. Die resultierenden kumulativen UVDosen errechnen sich mit 4,5facher MED für UVB und 180 J/ cm2 für UVA1. Vor jeder
Bestrahlung erfolgt die Bewertung der vorliegenden Hautreaktion hinsichtlich
pathologischer Befunde. Die identische Platzierung der Bestrahlungseinheit auf die zu
bestrahlende Fläche wird über eine wasserunlösliche Farbmarkierung, die am ersten
Termin aufgebracht wird, gewährleistet.
- 36 -
4.4
Messungen mit der Optischen Kohärenztomographie
Die Messung der Epidermisdicke erfolgt in vivo 24 Stunden nach der letzten UVExposition mittels OCT. Hierfür wird ein kommerzieller OCT-Scanner (SkinDex 300,
ISIS optronics GmbH, Mannheim, Deutschland) eingesetzt.
Abbildung 7: SkinDex 300, ISIS optronics GmbH, Mannheim, Deutschland
Die Messungen erfolgen pro Patient jeweils im Zentrum der UVA- bzw. der UVBbestrahlten Felder. Zusätzlich werden bei jedem Patienten OCT-Messungen an zwei
nach lateral angrenzenden (Abstand 2,5 cm), nicht bestrahlten Kontrollfeldern auf der
rechten und der linken seitlichen Skapula-Region vorgenommen. Die Festlegung dieser
Kontrollfelder
im
gleichen
anatomischen
intraindividuellen Unterschiede in der
Areal
dient
Epidermisdicke
Morphologie.
- 37 -
zur
und
Minderung
der
der
epidermalen
Der SkinDex 300 nutzt eine Lichtquelle, die Licht der Wellenlänge 1300 nm emittiert.
Nach Teilung in einen Referenz- und einen Messstrahl findet eine laterale Abtastung
der Haut mittels Verschiebung des Messstrahles statt. Der Referenzstrahl wird
zeitgleich auf einen Spiegel gelenkt. Nach Reflexion von einem Punkt im zu
untersuchenden
Gewebe
und
im
Spiegel
werden
beide
Strahlen
wieder
zusammengeführt und einem Detektor zugeleitet. Die anschließende Berechnung der
Interferenzmodulation liefert Informationen über die optische Weglängenverteilung des
Probenlichtes und damit über die tiefenabhängige Reflexion des Probenstrahles im
Gewebe.
Aus
den
optischen
Inhomogenitäten
des
Gewebes
werden
abschließend
zweidimensionale Tiefenschnittbilder aufgebaut, die an einem angeschlossenen Monitor
in Echtzeit verfolgt werden können. Signalarme Areale werden dunkel dargestellt,
signalreiche Areale hell.
Die entstehenden Querschnitts-Bilder haben eine axiale Ausdehnung von 0,9 mm und
eine laterale Ausdehnung (entsprechend der Eindringtiefe) von 1 mm. Die Auflösung
im 3D-Modus beträgt 3 (lateral) mal 5 (axial) µm2. Eine 3D-Darstellung des Gewebes
ist ohne Unterbrechung des Messvorganges möglich, indem aus 15 Einzelbildern, die
nacheinander durch Verschiebung des Messstrahles aufgenommen werden, mittels des
inkludierten 3D-Mode des SkinDex 300 3D-Bilder zusammengesetzt werden. Hierdurch
ist die dreidimensionale Darstellung eines Gewebestückes von 1 x 0,14 mm2 möglich.
Die Messzeit ist abhängig von der Scanlänge und der lateralen Auflösung und beträgt
für den SkinDex 300 im 2D-Mode pro Bild etwa 2 Sekunden. In einer Sekunde sind
ungefähr 100 axiale Abtastungen möglich.
Nach Abschluss der Messungen stehen für jeden Patienten 15 Querschnittsbilder aus
dem zuvor UVA-bestrahlten Areal, 15 Bilder aus dem zuvor UVB-bestrahlten Areal
und je 15 Bilder aus den beiden Kontrollfeldern zu Verfügung. Die Bilder werden
patientenbezogen zur weiteren Bearbeitung gespeichert. Wie schon durch Welzel et al
2004 beschrieben worden ist, erfolgt die Kalkulation der Epidermisdicke aus
Entfernungsmessungen zwischen dem Eintrittssignal und dem zweiten Intensitätsgipfel
in den gemittelten A-Scans (Abbildung 8). Hierfür wird die integrierte OCT-Software
genutzt.
- 38 -
Abbildung 8: Kalkulation der Epidermisdicke aus Entfernungsmessungen zwischen
dem Eintrittssignal EP und dem zweiten Intensitätsgipfel SP in den gemittelten A-Scans
mittels integrierter OCT-Software
Die signalreichere Linie, die den zweiten Intensitätsgipfel nach dem Eintrittssignal
darstellt, korreliert histologisch mit der Basalschicht der Epidermis und könnte durch
den erhöhten Melaningehalt der basalen Keratinozyten hervorgerufen werden, wie
Welzel et al. 2000 nach Untersuchungen an Arealen ohne Melanin (Lippenrot)
postulierten.
Prinzipiell ist bis zur Eindringtiefe von etwa 1 mm eine adäquate, hochauflösende
Darstellung der Epidermis und der papillären Dermis in vivo möglich. Die
resultierenden Bilder stellen Echtzeit-Aufnahmen dar. Je nach Körperregion und
gewählter Ausrichtung des Messareals sind ergänzend auch Adnexstrukturen wie
ekkrine Schweißdrüsen palmoplantar und auch dermale Blutgefäßen darstellbar, zu
tieferliegenden Strukturen sind methodenbedingt allerdings keine verlässlichen
Aussagen mehr möglich. Somit ermöglicht die optische Kohärenztomographie die
quantitative morphometrische Beurteilung der Epidermisdicke (palmoplantar sogar
zusätzlich
der
Dicke
lokalisationsbedingten
des
Stratum
Unterschieden
corneums),
im
die
Gewebsaufbau,
Spezifizierung
von
von
entzündlichen
Veränderungen oder von Tumorzellverbänden. Gerade in der Verlaufsbeobachtung und
zur Bewertung von Therapieeffekten wird die nicht-invasive und somit nicht gewebs-
- 39 -
zerstörende, beliebig oft wiederholbare, schmerzlose und relativ schnell durchführbare
Technik geschätzt.
Alle
Untersuchungen
werden
unter
standardisierten
Bedingungen
bei
einer
Umgebungstemperatur von 21°C ± 1°C und 50% ± 5% relativer Luftfeuchtigkeit
durchgeführt. Die Auswertung der gewonnenen Bilder (15 Querschnittsbilder aus dem
zuvor UVA-bestrahlten Areal, 15 Bilder aus dem zuvor UVB-bestrahlten Areal und je
15 Bilder aus den beiden Kontrollfeldern) mittels der inkludierten Software ergibt
jeweils die Dicke der Epidermis, gemessen von der Hautoberfläche bis zur dermoepidermalen Junktionszone. Die aus diesen A-Scans resultierenden Werte sind bereits
pro Messareal gemittelt.
4.5
Korrelation von OCT und Histologie
Zusätzlich werden 4 Personen aus dem Mitarbeiterkreis der Dermatologischen Klinik
des St. Josef-Hospitals (Mittelwert 53,4 ± 14,1 Jahre) mit Hauttyp II nach Fitzpatrick in
die Studie eingeschlossen. Diese werden im Vorfeld ausführlich zur geplanten
Photodiagnostik sowie zum Ziel und zu möglichen Risiken der beabsichtigten Studie
aufgeklärt und erklären schriftlich ihr Einverständnis. Ein entsprechendes positives
Votum
der
Ethikkommission
liegt
vor
(Registrierungsnummer
2408).
Die
Ausschlusskriterien zur Studienteilnahme entsprechen denen unter Abschnitt 4.1
genannten.
Die Durchführung der UV-Bestrahlungen und der OCT-Untersuchungen entspricht dem
Procedere wie in den Abschnitten 4.2, 4.3 und 4.4 beschrieben. 24 Stunden nach der
letzten UV-Bestrahlung werden allerdings zusätzlich zu den OCT-Messungen auch
Hautbiopsien entnommen. Die Entnahmestellen liegen jeweils im Zentrum der UVBbzw. UVA- bestrahlten Areale und an einer ca. 2,5 cm seitlich davon gelegenen, nicht
bestrahlten Stelle. Um eine Vergleichbarkeit der OCT-Aufnahmen mit den gewonnenen
Histologien zu gewährleisten, werden vor der OCT-Messung jeweils zwei wasserfeste
Markierungen in 4 mm Entfernung voneinander im Zentrum der UVA- und UVBbestrahlten Areale und im unbestrahlten Kontroll-Bereich aufgebracht. Sofort im
Anschluss an die OCT-Messung, die in den so markierten Bereichen stattfindet, werden
vorsichtig 4 mm Stanzbiopsien von diesen Stellen unter örtlicher Betäubung (Lidocain
1% s.c.) entnommen. Die Präparate werden in Formalinlösung fixiert und in Paraffin
- 40 -
eingebettet. Anschließend werden histologische Schnitte von 5 µm Dicke angefertigt,
die mit Hämatoxylin-Eosin gefärbt werden.
Für die weitere Auswertung wird jeweils derjenige histologische Schnitt jedes Patienten
ausgewählt, der die beste Qualität unter Berücksichtigung einer erhaltenen Hornschicht
und dem Fehlen von Artefakten aufweist. Die Messung der maximalen Epidermisdicke,
definiert als Abstand von der Hautoberfläche bis zu den Papillentälern, erfolgt an 5
zufällig ausgewählten Punkten in jedem Schnitt bei 40facher Vergrößerung.
Anschließend wird aus diesen 5 Messungen pro Schnitt ein Mittelwert bestimmt.
Zusätzlich werden histopathologische Alterationen wie Hyperkeratose, Parakeratose,
Akanthose, basale Vakuolenbildung, Dyskeratose und perivaskuläre Infiltrate mit Ödem
nach einem einfachen Punktsystem bewertet: - = keine, (+) = gering, + = mäßig, ++ =
stark. In Anbetracht der kleinen Fallzahl wird diesbezüglich von einer statistischen
Auswertung Abstand genommen.
4.6
Statistik
Alle Messergebnisse aus der MED-Bestimmung und aus der Bestimmung der
Epidermisdicke werden als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) angegeben. Die
statistische Auswertung wird mit der MedCalc Software (Mariakerke, Belgium)
vorgenommen. Die Analyse auf Normalverteilung erfolgt mittels KolmogorowSmirnov-Test. Für den Vergleich zwischen UVB-exponierten, UVA1-exponierten und
nichtbestrahlten Arealen wird die univariate Varianzanalyse (ANOVA) durchgeführt.
Paarweise Vergleiche werden mit dem Student-Newman-Keuls Post-hoc-Test
vorgenommen. Ein P-Wert < 0,05 wird als statistisch signifikant angesehen.
- 41 -
5
Ergebnisse
Im Bereich der zu untersuchenden Hautareale können bei jedem Patienten sowohl vor
jeder UV-Exposition als auch vor der abschließenden Untersuchung mittels OCT
pathologische Auffälligkeiten ausgeschlossen werden. Wie erwartet findet sich 24
Stunden nach der letzten UV-Exposition bei allen Patienten im UVA-bestrahlten Areal
eine leichte Pigmentierung, bei keinem Patienten wird eine Dermatitis solaris
nachgewiesen. Zum gleichen Zeitpunkt zeigt sich im UVB-bestrahlten Hautbereich ein
moderates Erythem. Am übrigen, nicht UV-exponierten Integument kann keine
Reaktion festgestellt werden.
Die Vermessung der Epidermisdicke ED (gemessen von der Hautoberfläche bis zur
dermo-epidermalen Junktionszone) und die Erstellung der Bildaufnahmen erfolgen mit
dem OCT (siehe Material und Methoden 4.4 und 4.5). Es resultiert für jeden Patienten
je ein bereits gemittelter Wert für die ED für je 3 gemessene Hautareale (unbestrahlte,
UVA-bestrahlte und UVB-bestrahlte Haut).
Der Kolmogorov-Smirnov-Test zeigt für alle erhobenen Daten eine Normalverteilung,
so dass die Verwendung von parametrischen Tests angemessen ist.
Tabelle 4: Kolmogorov-Smirnov-Anpassungstest
ED
Unbestr.
A-Scan
12
MEDUVA
12
MEDUVB
12
ED
UVA
A-Scan
11
ED
UVB
A-Scan
12
94,1708
30,5000
,02900
105,3727
125,7000
15,73484
,90453
,002558
12,83021
22,10056
Absolut
,120
,460
,333
,176
,152
Positiv
,096
,290
,333
,176
,152
Negativ
-,120
-,460
-,333
-,141
-,124
,414
1,593
1,155
,583
,527
,995
,013
,139
,885
,944
N
Parameter der
Normalverteilung (a,b)
Mittelwert
Standardabweichung
Extremste Differenzen
Kolmogorov-Smirnov-Z
Asymptotische Signifikanz (2-seitig)
- 42 -
Zum Zeitpunkt der Untersuchung beträgt das Alter der teilnehmenden Patienten
zwischen 27 und 78 Jahre (Mittelwert 51.2 ± 14.9 Jahre). Es handelt sich um 10 Frauen
und 2 Männer. Zum Großteil weisen die Patienten den Hauttyp II nach Fitzpatrick auf,
lediglich 2 Patienten werden als Hauttyp I, 1 Patient als Hauttyp III klassifiziert. Es
handelt sich hierbei um die Patienten 4 und 5 (Hauttyp I) und um Patient 3 (Hauttyp
III).
In der Auswertung der erhobenen Daten aus der Lichttreppe zeigen sich Normalwerte
für die MED-UVB (29 ± 2,6 mJ/ cm2; Streubreite 25–35 mJ/ cm2) und die MED-UVA
(30,5 ± 0,9 J/ cm2; Streubreite 29–31 J/ cm2).
Tabelle 5: MED-UVA und MED-UVB der einzelnen Patienten (angegeben in J/ cm2)
Patient
MED-UVA
MED-UVB
1
31,00
,029
2
31,00
,029
3
31,00
,031
4
31,00
,029
5
31,00
,025
6
31,00
,025
7
31,00
,029
8
31,00
,029
9
31,00
,035
10
29,00
,029
11
29,00
,029
12
29,00
,029
Mittelwert
30,50
,029
,90453
,002558
Standardabweichung
Kein Patient zeigt eine abnorme Minimale Erythemdosis (MED) für UVA oder UVB,
so dass die Daten aller Patienten in die weitere Auswertung aufgenommen werden
- 43 -
können. Die Patienten 4 und 5 mit dem helleren Hauttyp I zeigen in der Bestimmung
der MED im Vergleich mit dem vorherrschenden Hauttyp II keine Besonderheiten. Der
Patient Nummer 3 mit dem Hauttyp III nach Fitzpatrick weist eine im Vergleich leicht
erhöhte MED-UVB auf, die sich aber weiterhin im Normbereich befindet.
5.1
Ergebnisse der Bildauswertung mittels A-Scan
Die Kalkulation der ED der unbestrahlten, der UVA- und der UVB-bestrahlten Haut der
einzelnen Patienten erfolgt nun mittels Entfernungsmessungen zwischen dem
Eintrittssignal und dem zweiten Intensitätsgipfel in den gemittelten A-Scans. Hierfür
wird die integrierte OCT-Software genutzt.
Tabelle 6: Mittelwerte der ED unbestrahlter, UVA-bestrahlter und UVB-bestrahlter
Haut der einzelnen Patienten, ermittelt im A-Scan (angegeben in µm)
ED unbestr.
ED UVA
ED UVB
A-Scan
A-Scan
A-Scan
1
108,7
101,1
138,8
2
78,2
93,0
95,2
3
103
111,6
118,6
4
110,9
115,9
137,6
5
83,2
87,1
144,0
6
99,1
99,6
127,0
7
67,1
90,7
97,1
8
77,0
9
89,6
112,5
169,2
10
95,6
101,1
127,2
11
97,3
127,4
120,6
12
120,5
119,1
137,0
Mittelwert
94,17
105,37
125,70
15,73
12,83
22,10
Patient
Standardabweichung
96,1
- 44 -
Bei Patient 8 kann die ED der UVA-bestrahlten Haut nicht ermittelt werden, da sich im
A-Scan kein zweiter Intensitätsgipfel zeigt. Somit kommen bezüglich der ED UVA im
A-Scan nur 11 Messwerte zur Auswertung.
Tabelle 7: Ergebnis der univariaten Varianzanalyse
Quadratsummen Freiheitsgrade Quadratischer Mittelwert
Varianz zwischen
6121,5583
2
3060,7792
9742,3591
32
304,4487
15863,9174
34
den Gruppen
Varianz innerhalb
der Gruppen
Gesamt
10,054
F-Verteilung
P < 0,001
Signifikanzniveau
Tabelle 8: Ergebnis des Student-Newman-Keuls Post-hoc-Test
Faktor
n
Mittelwert Verschieden (P<0,05) von Faktor Nummer
(1) unbestrahlt 12
94,17 (3)
(2) UVA1
11
105,37 (3)
(3) UVB
12
125,70 (1) (2)
Die Daten der ED, ausgedrückt durch den Vergleich der gemittelten A-Scans, sind
normalverteilt und unterscheiden sich signifikant zwischen den nicht bestrahlten (94.2 ±
15.7 µm) und den UVB-bestrahlten (125.7 ± 22.1 µm) Arealen. Im Vergleich zur nicht
bestrahlten Haut zeigt die UVA1-exponierte Haut einen nicht signifikanten (p > 0,05)
Anstieg der ED von 11%, hingegen die UVB-bestrahlte Haut einen signifikanten (p <
0,001) Anstieg von 25%. Außerdem unterscheiden sich die ED von UVA1- und UVBbestrahlter Haut signifikant (p < 0,05).
- 45 -
5.2
Graphische Darstellung berechneter Mittelwerte
Abbildung 9: Graphische Auswertung der mittels A-Scan ermittelten ED unbestrahlter,
UVA-bestrahlter und UVB-bestrahlter Haut der einzelnen Patienten (Angaben in µm)
In der graphischen Darstellung der ED unbestrahlter, UVA-bestrahlter und UVBbestrahlter Haut, die mittels A-Scan ermittelt wurden, lässt sich für die einzelnen
Patienten ein deutlicher Anstieg der ED von unbestrahlter zu UVA- und ebenfalls zu
UVB-bestrahlter Haut erkennen. Insbesondere im Vergleich der unbestrahlten und der
UVB-bestrahlten Haut ist ein deutlicher Anstieg der ED zu verzeichnen. Aber auch bei
9 von 11 auswertbaren UVA-Messungen zeigt sich eine Zunahme der ED im Vergleich
zur Messung der unbestrahlten Haut. Lediglich bei 2 Patienten fällt die Messung der ED
nach UVA-Bestrahlung geringer aus als die der unbestrahlten Haut. Beide Patienten
weisen jedoch eine deutliche Zunahme der ED von unbestrahlter zu UVB-bestrahlter
Haut auf (Patienten 1 und 12).
- 46 -
5.3
Bestimmung der Epidermisdicke (ED) aus den OCT-Bildern mittels A-Scan
Im Folgenden finden sich als Beispiel für die Bestimmung der ED aus den OCT-Bildern
mittels A-Scan drei OCT-Bilder derselben Patientin, die von unbestrahlter, von UVAbestrahlter und von UVB-bestrahlter Haut gewonnen worden sind (siehe Material und
Methoden 4.4).
- 47 -
Abbildung 10: OCT-Bilder derselben Patientin mit den Linien der gemittelten A-Scans,
aufgenommen von unbestrahlter (A), von UVA-bestrahlter (B) und UVB-bestrahlter (C)
Haut
- 48 -
Der erste Intensitätspeak, das Eintrittssignal (entrance peak, EP), repräsentiert die
Hautoberfläche, der zweite Peak (second peak, SP) bildet die dermo-epidermale
Grenzzone ab. In diesen Aufnahmen wird die ED mit 103.4µm für die unbestrahlte,
123.4µm für die UVA-bestrahlte und 137.9µm für die UVB-bestrahlte Haut ermittelt.
Als Nebenaspekt lassen sich auf allen dargestellten Bildern kleinere und größere Gefäße
als dunkle, länglich verlaufende Strukturen erkennen.
5.4
Korrelation von OCT und Histologie
Auch bei den 4 Patienten, denen im Anschluss an die OCT-Messungen Hautbiopsien
entnommen werden, zeigt sich 24 Stunden nach der letzten UV-Exposition im UVAAreal eine leichte Pigmentierung, bei keinem Patienten besteht eine Dermatitis solaris.
Zum gleichen Zeitpunkt findet sich im UVB-bestrahlten Hautbereich ein moderates
Erythem.
Tabelle 9: Mittelwerte und Standardabweichungen der ED unbestrahlter, UVAbestrahlter und UVB-bestrahlter Haut, ermittelt aus OCT-Messungen mittels A-Scan
und aus Histologien (angegeben in µm)
Exposition
ED OCT
ED Histologie
keine
98.7 ± 19.2
87.8 ± 15
UVA
111.5 ± 18.4
94.5 ± 33.4
UVB
129.8 ± 39.8
117.5 ± 33
Wie Tabelle 7 zeigt, ergeben sich sowohl aus den OCT-Messungen wie auch aus den
Vermessungen an den histologischen Schnitten deutlich höhere Werte für die ED UVBbestrahlter im Vergleich zu unbestrahlter Haut. Auch die UVA-bestrahlten Areale
zeigen einen leichten Anstieg der ED im Vergleich zu unbestrahlter Haut.
Die histologische Untersuchung zeigt ferner, dass der deutliche Anstieg der ED UVBbestrahlter Haut mit Hyperkeratose, Parakeratose und Akanthose einhergeht.
- 49 -
Histologische Veränderungen wie Dyskeratosen, basale Vakuolenbildung, Akanthose
und/ oder milde interzelluläre Ödeme sind vor allem in UVB-bestrahlter Haut
nachweisbar (siehe Tabelle 10).
Tabelle 10: Histologische Veränderungen in unbestrahlter, UVA-bestrahlter und UVBbestrahlter Haut (Anzahl der Patienten/ Punktsystem: - = keine, (+) = gering, + = mäßig,
++ = stark)
Perivaskuläre
Exposition Hyperkeratose Parakeratose Akanthose Dyskeratose Infiltrate und
Ödem
keine
1/(+)
-
-
-
-
UVA
1/(+)
2/(+)
1/+
2/(+)
1/+
UVB
3/+, 1/(+)
2/+, 2/(+)
1/++, 2/+
1/++, 3/+
1/++, 2/+,
1/(+)
Interessanterweise zeigt sich in den OCT-Bildern der UVB-bestrahlten Areale eine
Dopplung des Eintrittssignals EP, resultierend in einer 15 – 30 µm dicken Schicht mit
signalarmem Zentrum. Histologisch kann eine Verdickung des Stratum corneum
bestätigt werden. Dasselbe Phänomen wird in geringerer Ausprägung bei einem
Patienten auch in den OCT-Bildern der UVA-bestrahlten Haut beobachtet. Im A-Scan
zeigt sich die Dopplung des EP in einer Aufsplitterung des ersten Intensitätspeaks.
- 50 -
6
Diskussion
Die Anzahl der Patienten, die aus der laufenden Patientenversorgung der
Dermatologischen Abteilung des St. Josef-Hospitals in Bochum für die Teilnahme an
dieser Studie rekrutiert werden konnten und deren Daten dann letztendlich auch zur
Auswertung gelangten, blieb relativ klein. Hierfür ist sicherlich zu einem großen Teil
die Voraussetzung des Studiendesigns verantwortlich, dass nur Patienten berücksichtigt
wurden, die ohnehin im Rahmen ihrer Diagnostik unter der Verdachtsdiagnose einer
durch UV-Strahlung provozierbaren Dermatose einer Photodiagnostik zugeführt
wurden. Diese musste auch, um eine UV-provozierbare Dermatose auszuschließen,
unauffällig verlaufen. Außerdem war es erforderlich, dass die Patienten alle Termine
zur Bestimmung der MED und zu den folgenden Photoprovokationen zeitgerecht
wahrnahmen sowie 24 Stunden nach der letzten UV-Provokation nochmals zu den
OCT-Aufnahmen in der Klinik vorstellig wurden. Ausgewertet werden konnten
schließlich die Messungen an 12 Patienten. Außerdem wurden weitere 4 Probanden aus
dem Mitarbeiterkreis der Dermatologischen Klinik gewonnen, die auch an den
zusätzlichen histologischen Untersuchungen teilnahmen. Ein kleines Kollektiv an
Studienteilnehmern ist in der wissenschaftlichen Arbeit häufig nicht zu vermeiden und
trotz der geringen Fallzahlen sind durchaus verwertbare Resultate zu erwarten.
Es ist bekannt, dass für jeden Hauttyp eine Korrelation mit der individuellen
photobiologischen Reaktionsfähigkeit besteht, die sich akut über die Bildung eines UVErythems, einer Pigmentierung und einer „Lichtschwiele“ definieren lässt, langfristig
aber auch zum vorgezogenen „Photoaging“ und zur Entwicklung maligner Hauttumoren
führen kann. Hierbei sind die Ausbildung der epidermalen Hyperkeratose und die
Zunahme der Pigmentierung als Aufbau von Schutzmechanismen zu verstehen, die das
Individuum vor weiterer Schädigung durch UV-Strahlung schützen sollen (Miescher,
1930, Miescher 1931). Unter Berücksichtigung dieser Tatsache und zur weiteren
Differenzierung der Adaptationsmöglichkeiten der verschiedenen Hauttypen mittels
epidermaler Hyperplasie ist es prinzipiell erstrebenswert, den individuellen Hauttyp bei
der Auswahl der Studienteilnehmer miteinzubeziehen. Die Rekrutierung der Patienten
erfolgte in einer mitteleuropäischen Klinik, was erklärt, warum 9 der 12 auswertbaren
Teilnehmer in der Gruppe ohne histologische Zusatzuntersuchung den Hauttyp II nach
- 51 -
Fitzpatrick und lediglich 2 Patienten den Hauttyp I und nur 1 Patient den Hauttyp III
nach Fitzpatrick (Fitzpatrick, 1988) aufwiesen. In dieser Studie konnten keine Hauttypspezifischen Besonderheiten hinsichtlich der Veränderung der Epidermisdicke unter
Einfluss von UV-Strahlung evaluiert werden, hierfür wären größere Patientenzahlen mit
einer Zuordnung der Patienten in Hauttyp-Gruppen erforderlich.
Ziel dieser Arbeit war es, in vivo epidermale Veränderungen nach ultravioletter
Bestrahlung unter Verwendung der OCT darzustellen und zu quantifizieren. Hierfür war
im Vorfeld der Messungen eine standardisierte UV-Exposition unter kontrollierten
Bedingungen erforderlich. Die Patienten durften 2 Monate vor und während der
Studienteilnahme keiner zusätzlichen UV-Bestrahlung ausgesetzt gewesen sein. Bei der
Auswahl der zu bestrahlenden Hautareale wurde auf die UV-geschützten Bereiche
sowie auf die Durchführbarkeit der Messungen mittels OCT geachtet.
Die Epidermisdicke unterliegt einer erheblichen interindividuellen aber auch
intraindividuellen
Variation.
So
zeigt
sich
eine
signifikante
Abnahme
mit
zunehmendem Alter an allen anatomischen Regionen. Davon abgesehen finden sich für
die Epidermisdicken unabhängig vom Geschlecht und der ethnischen Herkunft an
identischen Lokalisationen interindividuell keine signifikanten Unterschiede. Allerdings
unterscheidet sich die Epidermisdicke an verschiedenen Körperregionen intraindividuell
signifikant (Gambichler et al., 2006). So beträgt sie an unterschiedlichen Regionen des
Körpers zwischen 30 und 300µm (Jung and Bohnert, 1979). Vor diesem Hintergrund
wurden die UV-Bestrahlungen und die anschließenden Aufnahmen der OCT-Bilder
immer an genau definierten Lokalisationen, nämlich an zwei gegenüberliegenden
Flächen (7 mal 7cm) in der rechten und linken mittleren Scapularregion, durchgeführt.
Die identische Platzierung der Bestrahlungseinheit auf die zu bestrahlende Fläche
wurde über eine wasserunlösliche Farbmarkierung gewährleistet.
Akute Effekte der UV-Bestrahlung beinhalteten ein Erythem als Zeichen der
Vasodilatation, ein interzelluläres Ödem aufgrund gesteigerter Vasopermeabilität, eine
Pigmentierung und schließlich auch eine Hautverdickung (Soter, 1990). Die durch UVA
und UVB induzierten epidermalen Veränderungen wie Hyperplasie und Verdickung des
Stratum corneums sind bereits mittels histologischer Verfahren gut untersucht (Lavker
et al., 1995, Pearse et al., 1987). Wie kürzlich mittels konfokaler Lasermikroskopie in
vivo gezeigt werden konnte, induzieren wiederholte Sonnenbank-Expositionen
(kumulative Breitband-UVA-Dosis 126 J/ cm2) eine signifikante Verdickung der
- 52 -
Epidermis, die hauptsächlich auf einer Dickenzunahme des Stratum corneum beruht
(Gambichler et al., 2004).
Mittels nicht-invasiver bildgebender Verfahren wurde der Einfluss von UVB und
UVA1 auf die Epidermisdicke bisher noch kaum untersucht. In der vorliegenden Studie
sollten nun die histometrischen Veränderungen der menschlichen Epidermis nach
ultravioletter Bestrahlung mittels eines nicht-invasiven Verfahrens, der OCT,
quantifiziert werden.
Aus früheren histologischen Studien an UVA-exponierter Haut sind widersprüchliche
Ergebnisse bekannt. Seité et al. berichteten 1997 von einer nicht signifikanten
Hyperplasie mit einer signifikanten Steigerung der Zellagen des Stratum corneum nach
39 ansteigenden UVA1-Bestrahlungen (10 – 51,8 J/ cm2). Die Autoren beobachteten
trotz einer kumulativen Dosis von 1237 J/ cm2 eine Zunahme der Epidermisdicke von
lediglich ungefähr 6%. Im Gegensatz hierzu konnten zuvor Lavker und Kaidbey
ebenfalls 1997 eine signifikante Verdickung der lebenden Epidermis nach UVA- und
auch nach UVA1-Exposition zeigen. Die Ergebnisse dieser Autoren scheinen
widersprüchlich. Zum einen wird demonstriert, dass UVA-Wellenlängen zwischen 320
nm und 345 nm effektiver als längere Wellenlängen waren (360-400 nm), andererseits
zeigte sich, dass UVA1 (340-400 nm) genauso effektiv wie das gesamten UVASpektrum (320-400 nm) in entsprechender Dosis war bezüglich der hervorgerufenen
Veränderungen der Epidermisdicke (Lavker et al., 1995).
In einer kürzlich durchgeführten OCT-Studie beobachteten Welzel et al. keine
signifikante Epidermisverdickung glutealer Haut 24 Stunden nach einer einzeitigen
UVA-Bestrahlung von 120 J/ cm2 (Welzel et al., 2004). Leider gaben die Autoren keine
Details zur verwendeten UVA-Quelle an. Gambichler et al. zeigten 2005 eine
Verdickung der Epidermis sowohl nach 3maliger UVB-Bestrahlung als auch geringer
nach 3maliger UVA1-Bestrahlung.
Frühere Studien zu Auswirkungen von UV-Strahlung auf die Epidermis bedienten sich
oft der konventionellen histologischen Untersuchung oder der Elektronenmikroskopie
(Hollis and Scheibner, 1988, Gilchrest et al., 1981, Lavker and Kaidbey, 1997). Hierbei
ist einschränkend eine Verfälschung der in vivo bestehenden Verhältnisse anzunehmen,
unter anderem durch eine traumatische Probengewinnung sowie durch den Einfluss der
erforderlichen Dehydratation, Färbung und Fixierung des entnommenen Gewebes. In
einer vergleichenden Untersuchung zur Ermittlung der Epidermisdicke zwischen OCT
und Kryostat-Schnitten zeigte sich ein deutlich besserer Erhalt der relativen und
- 53 -
absoluten Abmessungen von Hautschichten im Vergleich zu Paraffin-Schnitten
(Gambichler et al., 2007). Mittels der OCT ist eine nicht-invasive Untersuchung der
Epidermis in vivo unter Umgehung von durch die Behandlung des Gewebes
entstehenden Alterationen möglich.
In dieser Studie wurden die in vivo-Messungen nach standardisierter UV-Exposition
vorgenommen. Die Durchführung der UV-Bestrahlungen unter kontrollierten
Bedingungen ist für die Auswertbarkeit der Daten in Studien unabdingbar, da nur so
zum Bespiel Teilaspekte der Epidermiskinetik nach UV-Exposition untersucht und die
erhobenen Resultate mit Ergebnissen aus anderen Studien verglichen werden können.
Das natürliche Sonnenlicht emittiert neben UV-Strahlen auch andere Strahlung wie zum
Beispiel
Infrarot
und
lässt
daher
per
se
keine
genauen
Aussagen
zu
wellenlängenspezifischen Alterationen der Epidermis zu. Die in dieser Studie
verwendeten UV-Bestrahlungsgeräte emittieren sehr genau die zu untersuchenden
Wellenlängenbereiche. Das Emissionsspektrum wurde zur Kontrolle auch vor jeder
UV-Applikation überprüft (siehe Material und Methoden 4.3).
Die Ergebnisse dieser Studie entsprechen Daten aus früheren histologischen
Untersuchungen, die zeigen konnten, dass nicht nur leichte erythematogene UVBDosen sondern auch suberythematogene UVA1-Dosen einen signifikanten Effekt auf
die Epidermisdicke haben können (Seité et al., 1997, Pearse et al., 1987, Lavker and
Kaidbey, 1997, Lavker et al., 1995).
Es wurden insgesamt 16 Personen in diese Studie eingeschlossen. 24 Stunden nach
definierter UV-Exposition wurden in vivo Aufnahmen an zuvor definierten Messarealen
mittels OCT angefertigt. Um die Reproduzierbarkeit der gewonnenen Ergebnisse zu
gewährleisten, wurden alle Untersuchungen unter standardisierten Bedingungen mit
21°C ± 1 °C Raumtemperatur und 50% ± 5% relativer Luftfeuchtigkeit durchgeführt.
Da für eine optimale Darstellung der Haut mittels OCT ein luftgefüllter Spalt zwischen
Aufsatzstück und Haut zu vermeiden ist, wurde für die jeweiligen Aufnahmen
Ultraschall-Gel dünn auf die Hautoberfläche aufgetragen. Die darauf folgenden
Untersuchungen wurden innerhalb der ersten fünf Minuten nach Kontakt der Haut mit
dem Ultraschall-Gel abgeschlossen, um eine Verfälschung der Ergebnisse durch eine
mögliche Schwellung der Epidermis zu vermeiden.
Für die Untersuchungen zur Korrelation der OCT-Ergebnisse mit Messungen an
histologischen Schnitten wurde die Epidermisdicke in den histologischen Schnitten an
zufällig ausgewählten Punkten manuell vermessen. Dies geschah nur durch einen
- 54 -
Untersucher, um interindividuelle Verschiebungen auszuschließen. Die Lage der
Messpunkte im jeweiligen Schnitt wurde durch den Untersucher selbst festgelegt,
hierbei spielte die Abgrenzbarkeit der Papillentäler eine wesentliche Rolle.
Bei allen untersuchten Patienten konnten im gewonnenen Bildmaterial der OCTAufnahmen Epidermis und papilläre Dermis unterschieden werden. Auf einigen
Aufnahmen waren zusätzlich auch zumindest größere Blutgefäße ersichtlich, wie im
Kapitel
5
Ergebnisse
demonstriert.
Adnexstrukturen,
wie
zum
Beispiel
Schweißdrüsenausführungsgänge, die 2000 durch Welzel et al. beschrieben wurden,
konnten nicht dargestellt werden. Dies liegt sicherlich auch an der gewählten
Lokalisation, da diese Gangstrukturen durch die deutlich breitere Hornschicht an der
Fingerkuppe besser abgrenzbar sind.
Aufgrund der wasserunlöslichen Markierung, die am ersten Provokationstermin im
Bereich der UV-provozierten Areale aufgebracht wurde, wurde gewährleistet, dass die
UV-Bestrahlungen jeweils im gleichen Areal vorgenommen wurden und die
Lokalisation der Messareale wurde hierüber interindividuell standardisiert. Ebenfalls
wasserfeste Markierungen wurden benutzt um sicherzustellen, dass die bei 4 Personen
entnommenen Hautbiopsien exakt den zuvor mittels OCT untersuchten Arealen
entsprachen.
Bezüglich der Abgrenzbarkeit des dermo-epidermalen Überganges wurden kürzlich
Hinweise darauf vorgelegt, dass der zweite Gipfel im OCT A-Scan eher die oberen
dermalen Schichten als die dermo-epidermale Junktionszone repräsentiert (Neerken et
al., 2004, Gambichler et al., 2006). Falls dieses zutrifft, würden unsere Messergebnisse
aus den gemittelten A-Scans einen systematischen Fehler beinhalten. Konkret wären die
mit Hilfe der inkludierten Software bestimmten Epidermisdicken, gemessen zwischen
Eintrittssignal und zweitem Signal, tendenziell zu hoch angegeben. Dieser Unterschied
würde jedoch die relativen Veränderungen, die zwischen den bestrahlten und den nichtbestrahlten Arealen beobachtet wurden, nicht affektieren, da bei allen Messungen von
dem gleichen systematischen Fehler auszugehen wäre. Insgesamt bietet sich vor diesem
Hintergrund allerdings eine mögliche Erklärung dafür, warum die in den histologischen
Schnitten manuell ausgemessenen Dicken jeweils unter den mittels A-Scan ermittelten
Dicken lagen.
Aufgrund der Tatsache, dass das Stratum corneum der Haut am Rücken nicht dick
genug ist, um mit hoher Reproduzierbarkeit in der Auflösung der OCT-Technik erfasst
werden zu können, konnten wir alleine aus den gewonnenen OCT-Bildern nicht
- 55 -
evaluieren, ob die Zunahme der Epidermisdicke auf eine Verdickung des Stratum
corneum und/oder auf eine Dickenzunahme der lebensfähigen Schicht der Epidermis
zurückzuführen war. Bei den 4 Personen, die auch histologisch untersucht wurden,
zeigte sich allerdings in den OCT-Bildern der UVB-bestrahlten Areale eine Dopplung
des Eintrittssignals, resultierend in einer 15 – 30 µm dicken Schicht mit signalarmem
Zentrum. Histologisch konnte eine Verdickung des Stratum corneum bei diesen
Probanden auch bestätigt werden, weshalb es sich bei der im OCT sichtbaren Schicht
vermutlich um das Stratum corneum handeln dürfte. Die aus den histologischen
Untersuchungen
gewonnenen
Daten
weisen
auf
eine
Mitverursachung
der
Dickenzunahme UVB-bestrahlter Haut durch Hyperkeratose und Akanthose hin. Des
Weiteren konnte bei allen so untersuchten Probanden ein interzelluläres Ödem in UVBbestrahlter und bei einem Probanden auch in UVA-bestrahlter Haut nachgewiesen
werden. Wir können daher nicht völlig ausschließen, dass ein interzelluläres Ödem
partiell verantwortlich für die Zunahme der Epidermisdicke im Bereich der UVBbestrahlten Areale war. Gleichwohl war die verbreiterte Epidermisdicke im Bereich der
UVA1-bestrahlten Haut mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht ausschließlich auf eine
ödematöse Formation zurückzuführen, da medium-dose UVA1, wie es in unserer Studie
eingesetzt wurde, für gewöhnlich keine signifikante Entzündungsreaktion hervorruft
(Seité et al., 1997).
Unterschiedliche
Wellenlängen
aus
dem
UV-Bereich
haben
aufgrund
ihrer
unterschiedlichen Eindringtiefen und Absorptionsmaxima auch unterschiedliche
Auswirkungen auf Epidermis und Dermis. So wird UVA-Strahlung (320 – 400 nm)
vorwiegend im Korium absorbiert, während Wellenlängen unter 320 nm, entsprechend
UVB (280 – 320 nm) vor allem in der Epidermis absorbiert werden (Everett et al.,
1966). Dies ist konform mit den Ergebnissen früherer Untersuchungen, in denen der
UVB-Strahlung eine wesentlich höhere Potenz zur Induktion zellulärer Veränderungen
in der Epidermis zugeschrieben wird als der UVA-Strahlung (Kumakiri et al., 1977).
Erst in neueren Untersuchungen konnten dann auch durch UVA direkt induzierte
epidermale Alterationen verifiziert werden (Pearse et al., 1987), die allerdings im
Vergleich zur UVB-Wirkung als deutlich schwächer anzusehen sind.
In dieser Studie benutzten wir leicht erythematogene UVB- und suberythematogene
UVA-Dosen, aber keine äquivalenten erythematogenen Dosen. Natürlich kann die
Frage, ob die Unterschiede zwischen UVB und UVA auf unterschiedliche
erythematogenen Dosen zurückzuführen sind oder ob sie anzeigen, dass die
- 56 -
Hautverdickung ein anderes Aktionsspektrum als das Erythem hat, durch diese Studie
nicht beantwortet werden. Jedoch ist bereits gezeigt worden, dass chronische
epidermale und dermale Veränderungen unterschiedliche spektrale Abhängigkeiten
haben. Das Aktionsspektrum für kutane Veränderungen wie beispielsweise für die
Hautverdickung liegt deutlich in der UVA-Region, sich erstreckend bis 400 nm, und ist
sehr wahrscheinlich unterschiedlich vom akuten Erythem-Spektrum beim Menschen.
Demzufolge sind erythematöse Reaktion und Zunahme der Epidermisdicke nach UVExposition wahrscheinlich getrennt zu sehen (Pearse et al., 1987, Lavker and Kaidbey,
1997).
Aus früheren Studien ist bekannt, dass die UVB-Bestrahlung der Haut eine signifikante
epidermale Hyperplasie, insbesondere auch eine Zunahme des Stratum corneum,
hervorruft (Lehmann et al., 1991, Imai, 1994). Kontrovers wurde hingegen in der
Vergangenheit diskutiert, ob auch eine Bestrahlung der Haut mit UVA eine signifikante
epidermale Hyperplasie induzieren kann. So wurde dieses in einigen Publikationen als
erwiesen dargestellt (Pearse et al., 1987, Lavker et al., 1995), in
anderen
Untersuchungen wiederum wurde eine solche Dickenzunahme nach UVA-Exposition
nicht klar nachgewiesen (Hönigsmann 2002). Eine Dickenzunahme des Stratum
corneum nach UVA-Bestrahlung (9 Expositionen im Bereich des Rückens über einen
Zeitraum von 3 Wochen, absolute Dosis 9000 kJ/ m2) konnten Lehmann et al. 1991
nicht nachweisen. Leider sind Effekte von UVA-Strahlung auf die proliferierenden
Epidermisschichten in dieser elektronenmikroskopischen Studie nicht untersucht
worden (Lehmann et al., 1991). Kontrovers zu diesen Ergebnissen berichteten Seité et
al. 1997 von einer signifikanten Dickenzunahme des Stratum corneum nach 39 UVABestrahlungen mit einer Einzeldosis von 10 bis 51,8 J/cm2. Diese war verbunden mit
einer nicht signifikanten Hyperplasie der gesamten Epidermis. Die Studienergebnisse
von Seité et al. konnten durch die Arbeitsgruppe um Lavker bestätigt werden. Diese
fanden eine signifikante Hyperplasie der lebenden Epidermisschichten und eine
Verdickung des Stratum corneum nach suberythematogenen UVA-Expositionen mit 520 J/cm2 (Lavker et al., 1995). Des Weiteren wurde durch diese Arbeitsgruppe eine
spektrale Abhängigkeit der UVA-Wirkung in der Haut nachgewiesen. So wurden durch
Wellenlängen zwischen 320nm und 345nm größere Effekte als bei längeren
Wellenlängen induziert (Lavker et al., 1997). Eine leichte Verdickung des Stratum
corneum über eine Zunahme der Anzahl der Zelllagen nach Bestrahlung mit
suberythematogenen UVA-Dosen (Exposition zweimal wöchentlich über insgesamt 8
- 57 -
Wochen) findet sich auch in den Ergebnissen einer bereits älteren Studie (Kaidbey,
1986). Zu erwähnen sind in diesem Zusammenhang außerdem Studienergebnisse von
Ruegemer et al., die nach 18 UVA-Expositionen weder eine Verdickung des Stratum
corneum noch eine Hyperplasie der Epidermis im bestrahlten Areal nachweisen
konnten. Hierbei ist einschränkend anzumerken, dass in dieser Arbeit sehr niedrige
Einzeldosen zwischen 1,13 und 1,46 J/cm2 appliziert wurden.
Generell könnten die widersprüchlichen Ergebnisse im Bezug auf die Dickenzunahme
der
Haut
unter
UVA-Bestrahlung
auf
den
zurückzuführen
sein.
So
Bestrahlungsmodalitäten
Einsatz
wurden
verschiedener
unterschiedliche
Expositionsprotokolle mit verschiedenen UV-Spektren und auch unterschiedlichen UVDosen angewendet. Zu beachten ist, dass als UVA-Lampen klassifizierte Lichtquellen
oft auch bei 313nm einen Quecksilber Peak haben und insbesondere bei kumulativer
UV-Bestrahlung eine signifikante Verdickung der Epidermis hervorrufen können. Für
den UVB-Bereich konnte nachgewiesen werden, dass sowohl Hyperkeratose als auch
Akanthose in den ersten 24 bis 48 Stunden nach Bestrahlung der Haut mit der
zweifachen MED-UVB am stärksten ausgeprägt sind und nach 72 Stunden wieder
abnehmen (Lee et al., 2002). In der vorliegenden Studie wurde daher auf eine
Standardisierung der UV-Exposition nach etabliertem Protokoll und auf die Einhaltung
des Emissionsspektrums der verwendeten Bestrahlungsgeräte während aller UVExpositionen geachtet.
Der wissenschaftliche Hintergrund dieser Studie lag in der Untersuchung der
Auswirkung definierter UV-Exposition im UVA- und UVB-Bereich auf
die
menschliche Epidermis. Klinisch fanden sich zunächst im UVA-bestrahlten Areal eine
Pigmentierung, im UVB-bestrahlten Areal ein Erythem. Dies entsprach den
Erwartungen. Zur Beurteilung der in vivo vorliegenden epidermalen Veränderungen
nach UV-Eposition wurde mit der OCT ein nicht-invasives Messverfahren gewählt, das
artefizielle Alterationen des Gewebes durch Materialentnahme und –aufarbeitung
ausschließen sollte.
Unter Verwendung der CLSM konnte zum einen bereits eine signifikante Zunahme der
Dicke des Stratum corneum und der Epidermis nach suberythematogenen UVABestrahlungen nachgewiesen werden (Sauermann et al., 2000). Zum anderen konnte
ebenfalls mit der CLSM nach sechs suberythematogenen UVA-Expositionen eine
statistisch signifikante Verdickung des Stratum corneum um ca. 20% gezeigt werden
(Gambichler et al., 2004).
- 58 -
In dieser Studie wurde nun eine signifikante Dickenzunahme der Epidermis sowohl in
den UVB- als auch in den UVA-bestrahlten Arealen nachgewiesen. Im Vergleich zur
nicht bestrahlten Haut zeigte die UVA-exponierte Haut einen nicht signifikanten (p >
0,05) Anstieg der ED von 11%, hingegen die UVB-bestrahlte Haut einen signifikanten
(p < 0,001) Anstieg von 25%. Außerdem unterschieden sich die ED von UVA- und
UVB-bestrahlter Haut signifikant (p < 0,05).
Bei den zusätzlich histologisch untersuchten Probanden konnten ebenfalls sowohl in
den OCT-Messungen als auch an den Vermessungen der histologischen Schnitte eine
deutliche Dickenzunahme der Epidermis in UVB-bestrahlter Haut und geringer auch in
UVA-bestrahlter Haut nachgewiesen werden. Die histologische Untersuchung zeigte
ferner, dass der deutliche Anstieg der ED UVB-bestrahlter Haut mit Hyperkeratose,
Parakeratose
und
Akanthose
einherging.
Histologische
Veränderungen
wie
Dyskeratosen, basale Vakuolenbildung, Akanthose und/oder milde interzelluläre Ödeme
waren vor allem in UVB-bestrahlter Haut nachweisbar. Die Studienergebnisse belegen,
dass die Verdickung der Epidermis nach UVA- und UVB-Bestrahlung nicht nur auf
einer ödematösen Formation des Gewebes im Rahmen einer Entzündungsreaktion
beruht.
Es
findet
insbesondere
unter
UVB-Bestrahlung
eine
deutliche
Gewebsvermehrung in der Epidermis statt, die sich histologisch als Akanthose äußert.
Veränderungen des Stratum corneum werden als Hyper- und Parakeratose histologisch
sichtbar. Die in den OCT-Bildern der UVB-bestrahlten Areale sichtbare Dopplung des
Eintrittssignals EP, resultierend in einer 15 – 30 µm dicken Schicht mit signalarmem
Zentrum, entspricht histologisch einer Verdickung des Stratum corneum. Im A-Scan des
OCT zeigt sich die Dopplung des EP in einer Aufsplitterung des ersten Intensitätspeaks.
Diese Beobachtungen bestätigen die Ergebnisse einer vergleichenden Studie mittels
OCT und CLSM nach UV-Exposition, in der unter anderem eine Verdickung der
Epidermis mit Hyperproliferation und Akanthose nachgewiesen wurde (Gambichler et
al., 2006).
Somit gehen die Ergebnisse dieser Studie konform mit früheren Studien, die eine
signifikante
epidermale
Verdickung
nach
UVB-Bestrahlung
mit
Hilfe
von
histologischen Untersuchungen nachwiesen (Pearse et al., 1987, Lavker et al., 1995, Lee
et al., 2002). Sie unterstützen aber zudem auch die Ergebnisse vorausgegangener
Studien hinsichtlich einer signifikanten Dickenzunahme der Epidermis nach UVAExposition (Gambichler et al., 2005) und belegen damit durch UVA direkt induzierte
epidermale Alterationen, wie sie durch Pearse et al. bereits 1987 postuliert wurden.
- 59 -
Leider ist es nun, wie bereits zuvor diskutiert, aufgrund der eingeschränkten Auflösung
der OCT nicht möglich, eine exakte Aussage hinsichtlich des Anteils des Stratum
corneum an der beobachteten Dickenzunahme zu formulieren.
Nach diesen Studienergebnissen führt sowohl die Exposition der menschlichen Haut mit
UVA- als auch mit UVB-Strahlen zu einer epidermalen Dickenzunahme, die neben der
Melaninpigmentierung den größten photoadaptiven Faktor zum Schutz gegen
schädigende UV-Strahlung darstellt. Insbesondere bei Patienten mit Pigmentstörungen
wie zum Beispiel der Vitiligo ist die Zunahme der Epidermisdicke somit der wichtigste
Lichtschutzfaktor (Gniadecka et al., 1996, Gambichler et al., 1999).
Mit der Einführung der OCT in die Dermatologie wurde eine schmerzlose, nichtinvasive Methode zur (bisher noch experimentellen) bildgebenden Diagnostik in vivo
geschaffen, von der ähnlich der in der gesamten Medizin weit verbreiteten UltraschallTechnologie keine unerwünschten Nebenwirkungen zu erwarten sind. Von großem
Interesse ist die Methode vor allem auch aufgrund der Tatsache, dass sie beliebig
häufige Messungen der selben Hautstelle ohne Alteration derselben zulässt und damit
die Möglichkeit von Verlaufskontrollen beispielsweise für photobiologische Studien
eröffnet.
In dieser Studie wurden nun mit Hilfe der OCT die Veränderungen der menschlichen
Epidermis nach UV-Bestrahlung in vivo quantifiziert. Hierbei konnten frühere
histologische Untersuchungen, die eine signifikante Verbreiterung der Epidermis nach
UVB- Exposition (Lock-Andersen et al., 1997) gezeigt hatten, bestätigt werden. Ferner
konnte mittels ergänzender histologischer Untersuchungen die Dickenzunahme der
Epidermis nach UVB-Bestrahlung vornehmlich auf eine Akanthose mit nur milden
interzellulären Ödemen zurückgeführt werden. Insbesondere auch hinsichtlich der in
früheren Jahren publizierten Hinweise auf eine epidermale Dickenzunahme nach
wiederholter
UVA-Exposition
(Lavker
et al., 1995) sind die vorliegenden
Studienergebnisse eindeutig und weisen diese sowohl in dem mittels OCT untersuchten
Kollektiv als auch in den ergänzenden histologischen Untersuchungen nach.
Obgleich die OCT damit eine vielversprechende Bioengineering-Methode zu sein
scheint, sind allerdings weitere systematische Studien erforderlich, um die
Messgenauigkeit und Validität der Methode zu untersuchen.
- 60 -
7
Zusammenfassung
In der Vergangenheit wurde der Einfluss von UV-Bestrahlung auf die menschliche
Epidermis vorwiegend mittels Routine-histologischer Verfahren untersucht. Diese
erfordern immer ein iatrogenes Trauma und können nicht wiederholt an derselben Stelle
entnommen werden. Außerdem wird durch die Aufarbeitung des Gewebes eine
Veränderung der Hautmorphologie, wie sie in vivo vorliegt, induziert. Daher sind
nichtinvasive Methoden zu bevorzugen. In dieser Studie werden nun epidermale
Veränderungen nach UV-Bestrahlung in vivo mit Hilfe der OCT dargestellt und
quantifiziert.
Hierzu erhalten 12 Patienten nach Bestimmung der individuellen MED-UVA und
MED-UVB eine Photoprovokation mit UVA und UVB an drei aufeinander folgenden
Tagen. 24 Stunden nach der letzten UV-Exposition werden OCT-Aufnahmen von
unbestrahlter, UVA- und UVB-bestrahlter Haut gewonnen. Die Ermittlung der
Epidermisdicke ED erfolgt anhand der gewonnenen Bilder aus Entfernungsmessungen
zwischen dem Eintrittssignal und dem zweiten Intensitätsgipfel in den gemittelten AScans. Zusätzlich werden bei 4 Personen nach Durchführung der UV-Bestrahlungen
und der OCT-Untersuchungen auch Hautbiopsien aus unbestrahlter, UVA- und UVBbestrahlter Haut entnommen. Diese werden Routine-histologisch hinsichtlich der
Bestimmung der maximalen ED und histopathologischer Veränderungen wie
Hyperkeratose, Parakeratose, Akanthose und interzellulärem Ödem ausgewertet.
Die Daten der ED unterscheiden sich signifikant zwischen den nicht bestrahlten und den
UVB-bestrahlten Arealen. Im Vergleich zur nicht bestrahlten Haut zeigt die UVAexponierte Haut einen nicht signifikanten Anstieg der ED von 11%, hingegen die UVBbestrahlte Haut einen signifikanten Anstieg von 25%. Außerdem unterscheiden sich die
ED von UVA- und UVB-bestrahlter Haut signifikant. Auch in dem zusätzlich
histologisch untersuchten Kollektiv ergeben sich für die ED UVB-bestrahlter Haut
deutlich höhere Werte im Vergleich zur ED unbestrahlter Haut. Für die ED UVAbestrahlter Haut findet sich ein geringerer Anstieg gegenüber der ED unbestrahlter
Haut. In der histologischen Zusatzuntersuchung korreliert die deutlich verdickte
Epidermis der UVB-bestrahlten Haut mit Hyperkeratose, Parakeratose und Akanthose.
Ebenfalls vor allem in der UVB-bestrahlten Haut sind Dyskeratosen, basale
61
Vakuolenbildung und milde interzelluläre Ödeme sowie eine Verdickung des Stratum
corneum nachweisbar. Die Dopplung des Eintrittssignals EP, die sich in den OCTBildern der UVB-bestrahlten Regionen zeigt, entspricht histologisch der Verdickung
des Stratum corneum.
Die Ergebnisse dieser in vivo-Studie bestätigen die Aussagen früherer histologischer
Untersuchungen, die eine signifikante Zunahme der ED nach UVB-Exposition gezeigt
hatten. Mit Hilfe der zusätzlichen histologischen Evaluation kann diese Dickenzunahme
bei nur milden interzellulären Ödemen vornehmlich auf eine Akanthose zurückgeführt
werden. Bei bis dato widersprüchlichen Publikationen zur Veränderung der ED nach
UVA-Bestrahlung sind die vorliegenden Studienergebnisse eindeutig und weisen eine
Zunahme der ED nach UVA-Exposition sowohl mittels OCT als auch histologisch
nach.
Als nichtinvasive Methode stellt die OCT eine viel versprechende Möglichkeit für die
in vivo-Untersuchung gerade photobiologischer Effekte an der Haut dar. Ein
wesentlicher Vorteil ist die beliebig häufige, schmerzlose und unkomplizierte
Untersuchung der intakten Haut in vivo. Hinsichtlich der Bewertung von epidermalen
Effekten unterschiedlicher UV-Dosen und –Spektren sind weitere Studien erforderlich,
die die mittels OCT gewonnenen Daten auch mit den Ergebnissen aus Routinehistologischen Untersuchungen vergleichen.
62
8
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Danksagung
Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater, Herrn Professor Dr. Peter Altmeyer,
für die Überlassung dieses interessanten Themas.
Ganz herzlich danke ich Herrn Dr. med. Thilo Gambichler für die geduldige Betreuung
meiner Arbeit und für wertvolle Anregungen und Hinweise.
Ich danke den Menschen, die durch ihre Teilnahme an der Studie diese Arbeit erst ermöglicht haben.
Meiner Familie danke ich für ihre stete Unterstützung und Ermutigung.
Lebenslauf
Name:
Künzlberger
Vorname:
Beate-Elvira
Geburtsdatum:
28.07.1976
Geburtsort:
Wels (Austria)
Familienstand:
ledig
Staatsangehörigkeit: deutsch
Schulausbildung:
1982 – 1986 Volksschule, Wels (Austria)
1986 – 1990 Bundes-Realgymnasium, Wels (Austria)
1990 – 1995 Märkisches Gymnasium, Bochum
Abschluss:
Studium:
Allgemeine Hochschulreife
1995 – 2002 Humanmedizin, Ruhr-Universität Bochum
Abschluss:
Ärztliche Prüfung am 24.04.2002
Vorläufige Approbation am 23.05.2002
Vollapprobation am 01.01.2004
Berufstätigkeit:
01.07.02 – 31.12.03 Arzt im Praktikum, Gemeinschaftspraxis
Dr. J. Kerner/ C. Pieck, Bochum
01.01.04 – laufend
Assistenzärztin, Klinik für Dermatologie
und Allergologie des St. Josef-Hospital (Leiter:
Prof. Dr. P. Altmeyer), Bochum
Weiterbildung:
seit 08.07.06 Fachärztin für Haut- und Geschlechtskrankheiten