Pharmakologische Induktion der epidermalen Melanin und Schutz vor Sonnenbrand in einem humanisierten Mausmodell

Zusammenfassung

Epidermal Melanin wird durch die topische Anwendung von Forskolin in einem murinen Modell der hellhäutigen UV-empfindliche Menschen verursachte. Pharmakologische Manipulation von cAMP-Konzentrationen in der Haut und Epidermis stark verdunkelt Schutz gegen UV-vermittelte Entzündungen (Sonnenbrand), wie durch die minimale erythematöse Dosis (MED)-Assay gemessen.

Zusammenfassung

Fairness der Haut, UV-Empfindlichkeit und Hautkrebsrisiko alle korrelieren mit der physiologischen Funktion des Melanocortin-1-Rezeptor, einen G _{s-gekoppelten} Signalprotein auf der Oberfläche der Melanozyten gefunden. Mc1r stimuliert Adenylatzyklase und cAMP-Produktion, die wiederum, up-reguliert melanozytären Produktion von Melanin in der Haut. Um die Mechanismen, durch die Signalisierung Mc1r schützt die Haut vor UV-Schädigung zu untersuchen, diese Studie basiert auf einem Maus-Modell mit "humanisiert Haut", basierend auf epidermalen Expression von Stammzellfaktor (SCF). K14-SCF-transgenen Mäusen behalten Melanozyten in der Epidermis und haben daher die Fähigkeit, Melanin in der Epidermis abzuscheiden. In diesem Tiermodell, Wildtyp-Status Mc1r Ergebnisse in robuster Ablagerung von schwarzem Eumelanin Pigment und einem UV-geschützt Phänotyp. Im Gegensatz dazu K14-SCF Tiere mit defekt Mc1r Signal Fähigkeit zeigen eine rot / blonde Pigmentierung, sehr wenig Eumelanin in der Haut undein UV-sensitiven Phänotyp. Argumentation, dass Eumelanin Ablagerungen durch topische Mittel, die Mc1r Signalisierung imitieren verbessert werden, fanden wir, dass die direkte Anwendung von Forskolin Extrakt auf die Haut Mc1r mangel hellhäutigen Mäusen führte robust Eumelanin Induktions-und UV-Schutz ^ein. Hier beschreiben wir die Verfahren zur Herstellung und Anwendung eines Forskolin haltige Naturwurzelextrakt zur K14-SCF hellhäutigen Mäusen und berichten über eine Methode zur Messung der UV-Empfindlichkeit durch die Bestimmung minimale erythematöse Dosis (MED). Mit diesem Tiermodell ist es möglich zu untersuchen, wie cAMP epidermalen Induktion und Melanisierung der Haut beeinflussen physiologische Reaktionen auf UV-Exposition.

Einleitung

Die Inzidenz von Melanomen, die tödlichste Form von Hautkrebs, hat sich in den letzten Jahrzehnten in den Vereinigten Staaten vor allem bei hellhäutigen Personen gestiegen. Starke molekularen und epidemiologischen Beweise bringen UV-Strahlung als Hauptursache Umweltfaktor ^2-5. Erhöhte UV-Strahlung in Form von Sonneneinstrahlung und Solarium Benutzung geeignet ist, für viel der Anstieg der Melanom-Inzidenz ^6-7 verantwortlich zu sein. Melanom-Risiko scheint besonders mit Sonnenbrand ^8, vor allem in frühen Lebens ^9-10 verknüpft. Sonnenbrandgefahr verbunden ist, nicht nur Dosis und Intensität der UV-Belichtung, sondern auch durch Faktoren, die vererbte kutanen Reaktion auf UV-Strahlung beeinflussen. Pigmentierung der Haut ist eine der wichtigsten Determinanten der UV-Empfindlichkeit, Sonnenbrandrisiko und Krebsrisiko. Melanom im Vergleich zu dunkelhäutigen individua tritt etwa zwanzig mal häufiger bei hellhäutigen Personenls ^11-13.

Melanin, ein Pigment von Melanozyten in der Epidermis produziert wird, ist die wichtigste Determinante der Teint. Melanin wird in zwei Hauptarten: (1) Eumelanin, eine dunkelbraune / schwarze Pigment wirksam beim Absorbieren der Energie der UV-Strahlung, und (2) pheomelanin, eine rötlich / blonde Pigment weniger effektiv bei der Verhinderung des Eindringens der UV-Photonen in die Haut. Hautfarbe, UV-Empfindlichkeit und Melanom-Risiko weitgehend von epidermalen Eumelanin Inhalt ^14-15 bestimmt. Je mehr Eumelanin in der Epidermis können die weniger UV-Photonen in die Haut eindringen. Wegen der niedrigen Niveaus der angeborenen Eumelanin sind hellhäutige Menschen viel anfälliger für akute und chronische Wirkungen von UV-Strahlung ^16-18.

Die Pigmentierung der Haut, Melanom Risiko und die Fähigkeit, "tan" nach UV-Belastung korrelierten mit der Signalisierung Fähigkeit des Melanocortin-1-Rezeptor (Mc1r), einen G _S-gekoppelte sieben Trans surface Rezeptor auf Melanozyten ^19-22. Wenn Mc1r bindet seinem verwandten hochaffinen Liganden α-Melanozyten-stimulierendes Hormon (α-MSH), gibt es die Aktivierung von Adenylatzyklase und die Produktion des second messenger ^cAMP-23. Die normale physiologische Reaktion der Haut nach UV-Exposition umfasst epidermalen Herstellung von α-MSH durch Keratinozyten ^24-29. Wir und andere vermuten, dass Keratinozyten stamm α-MSH bindet an Mc1r auf epidermalen Melanozyten, die Einleitung nachgelagerten Produktion des second messenger cAMP durch Aktivierung von Adenylatzyklase ^30. cAMP-Spiegel kontrollieren viele Bereiche des Melanozyten-Differenzierung, einschließlich Überlebenswege, DNA-Reparatur und Pigmentsynthese. Mc1r Signal-und cAMP-Pigment Eumelanin Enzymwerte und Produktion deutlich zu induzieren. Wenn Mc1r Signalisierung ist intakt und melanozytären cAMP-Spiegel robust sind, wird Eumelanin produziert und die Haut dunkler. Wenn jedoch Mc1r Signalisierungs defekt ist undcytoplasmatische cAMP-Spiegel niedrig bleiben, wird pheomelanin statt ¹ hergestellt. Eumelanin-Synthese kann pharmakologisch durch Mittel, die cAMP-Spiegel erhöhen ^1,14,31-35 stimuliert werden.

Da die Mc1r Protein ist ein wichtiger Regulator der Melanom-Risiko bei Menschen ^{von 36 bis 46,} wir sind interessiert an Mechanismen, durch die Melanozyten Mc1r schützt vor UV-induzierten Krebsentstehung. Als Grundlage für unsere Studien erzielten wir eine transgene Mc1r-Variante Mausmodell auf einem reinen C57BL / 6 genetischen Hintergrund ^ein. In diesem Modell, Stammzellfaktor (SCF) wird konstitutiv in der basalen Epidermis und epidermale interfollikuläre Melanozyten in der Haut im Laufe des Lebens ⁴⁷ gehalten wird, im Gegensatz zu den nicht-transgenen Mäusen, in denen Melanozyten zu lokalisieren, um die Dermis in den Haarfollikeln. Mit dem K14-SCF-Transgen integriert, wird die Epidermis mit der besonderen Eigenschaft der Melaninpigmente Pigments pigmentiertBelastung des Tieres ^ein. K14-SCF-Mäuse auf dem C57BL / 6 genetischen Hintergrund mit Wildtyp-Signal Mc1r haben tiefschwarze Haut, die durch sehr hohe Pigment Eumelanin charakterisiert. Nicht überraschend sind diese Tiere sehr UV-beständig. Im Gegensatz dazu genetisch angepasst K14-SCF C57BL / 6 Tiere, die eine mutierte inaktive Mc1r Hafen fast keine Eumelanin in der Epidermis. Stattdessen diese "Erweiterung" Tieren (Mc1r ^{e / e)} haben eine helle Haut Teint durch Ablagerung von Pigment Phäomelanin (Abbildung 1A) verursacht und sind viel mehr UV-empfindliche ^48-49.

Pharmakologische Verbindungen mit chemischen Eigenschaften, die das Eindringen in die Haut ermöglichen, haben nachweislich eine starke induzieren Eumelanin in der Verlängerung (Mc1r ^{e / e)} K14-SCF-Tiermodell durch direkte Manipulation cAMP-Spiegel in epidermalen Melanozyten in der Haut. Melanin Hochregulation in diesem Modell ist rvon Adenylylzyklase Aktivierung ¹ sowie Phosphodiesterase-4-Hemmung ³⁵ eported. In diesem Artikel zeigen wir die Vorbereitung und die topische Anwendung von Forskolin in Verlängerung (Mc1r ^{e / e)} K14-SCF Tiere, welches Modell die hellhäutigen UV-empfindliche Menschen. Wir zeigen, dass zweimal tägliche Anwendung des Medikaments fördert beschleunigte Melanisierung aufgrund epidermale Ablagerung von Melanin, dass die Haut dunkler ist, und dass induzierte epidermale Melanin schützt vor UV-bedingten Sonnenbrand durch Messung der "minimal gerötete Dosis" (MED) ^48.

Protokoll

1. Herstellung von Forskolin für die topische Verabreichung von einem Rohöl-Wurzel-Extrakt der Plectranthus barbatus (Cohleus forskohlii) Pflanzen

1. Protokolle für Maus-Experimente folgten die Leitlinien für ethisches Verhalten in der Pflege und Verwendung von Tieren und wurden von der Institutional Animal Care und Verwenden Ausschuss an der Universität von Kentucky (Protokoll # 00768M2004) zugelassen. Der Wurzelextrakt wird bei 40% Gewicht / Volumen in einem Standard dermatologische Grund 70% Ethanol, 30% Propylenglykol.
2. Wiegen Sie 200 g rohe Forskolin-Wurzel-Extrakt und übertragen sie in ein Becherglas. Zu 500 ml einer 40% (w / v) Lösung zu resuspendieren 200 g rohes Forskolin Wurzelextrakt durch Zugabe meisten, aber nicht das gesamte Volumen des Fahrzeugs (70% Ethanol, 30% Propylenglykol) und bringen die Lösung etwa 450 ml.
3. Rühre eine Stunde bei Raumtemperatur. Die Lösung wird etwas viskos sein und manuellen Rühren auf "Lift" der Extrakt in Lösung vor erforderlichder Rührstab in der Lage ist, zu übernehmen.
4. Nach einer Stunde Rühren wurde die Mischung in einen Meßzylinder und bringe das Volumen auf 500 ml mit Fahrzeug, das verwendet wurde, um "ausspülen" Becherglas, das verwendet wurde, um die Aufschlämmung zu rühren (zu Rückgewinnung von Forskolin aus dem Becherglas zu maximieren) .
5. Übertragen der Aufschlämmung auf 50 ml Zentrifugenröhrchen aus Polypropylen. Zentrifuge (1.500 g, Raumtemperatur, 15 min) mit einer Tischzentrifuge. An diesem Punkt wird das unlösliche Material ziemlich verdichtet werden, so dass der Überstand leicht abgegossen werden.
6. Die Lösung wird durch ein 0,22 um-Celluloseacetat-Membran, um restliches unlösliches Material aus dem Extrakt zu entfernen. Wir verwenden eine Flaschenaufsatz-System für die Zellkultur entwickelt, zusammen mit der Verwendung von Pre-Filter, die mit dem Gerät kommen, um ein vorzeitiges Verstopfen der Membran von unlöslichen Bestandteilen des Wurzelextrakt zu verhindern. Bei der Herstellung großer Mengen des Extraktes, das Filter etwa 100 ml in einer Zeit, die Änderung der Vorfilter Wetteschen jedes zusätzliche Volumen.
7. Wenn sie bei Raumtemperatur gelagert, der Extrakt hält biologische Aktivität für bis zu einem Jahr.

2. Vorbereitung der C57Bl / 6 K14-SCF-Mäuse für topische Behandlungen

1. Entfernen dorsale Fell von den Tieren durch elektrische Scheren. Kurz gesagt, die Tiere zu betäuben mit inhalativen Isofluran Scher von Rückenfell mit Elektroschere mit einer 0,25 mm chirurgischen Vorbereitungs Kopf (Fisher Scientific) ausgestattet erleichtern. Vorzugsweise jeweils nur eine Art der Anästhesie (zB Ketamin / Xylazin) um das Risiko von Narkosedosis zu minimieren. Die gesättigte Inhalationskammer Berufsrisiko trägt, wenn sie außerhalb einer Abzugshaube verwendet und liefert unbekannten Mengen von Narkose zu Tieren. Idealerweise ein Präzisions Verdampfer verwendet werden.
2. Um Resthaarstoppeln zu entfernen, die Pflege der Tiere mit einem chemischen Enthaarungscremes. Anästhesie verabreichen, um das Tier mit einer ip Injektion von Ketamin 40 mg / kg Xylazin und 4 mg / kg
3. Sobald die Tiere angemessen (wie von Zehe Prise beurteilt) anästhesiert, gelten eine Fingerspitze große Menge Enthaarungscreme zu scherRückenHaut mit einem behandschuhten Finger. Reiben Sie die Creme in die Haut für 30-60 Sekunden oder bis Haare deutlich in der Creme zu sehen, wie es wird, bewegt werden. Lassen Sie die Creme auf die nur für die Mindestzeit für die Haarentfernung erforderlich, da bei längerer Exposition führt zu chemischen Verbrennungen der Haut, der Epidermis Zusammenbruch und Tod aus dem Verlust der epidermalen Integrität.
4. Wischen Sie die Rückenhaut mit Wasser getränkten Gaze-Pads wiederholt, bis alle Creme entfernt wurde. Trocken Tiere mit weichen Papierhandtücher, und es ihnen ermöglichen, in einem warmen abgeschiedenen Lage (z. B. saubere Käfige auf einem Erwärmung Pad platziert) zu erholen. Enthaaren die Tiere ein-by-one und während des gesamten Verfahrens sorgfältig überwachen.

3. Die topische Verabreichung von Forskolin oder Vehicle Control

1. Die Tiere sollten behandelt ein zu einer Zeit werden. Kurz mit einatmen betäubend Isofluran indem Sie die Maus auf einer form-Nylon luftdurchlässige Filter, unter denen wurde eine Isofluran-gesättigten Papiertuch in einem gesättigten Isofluran-Deckel klare Glas in einem Abzug gebracht. Setzen Sie die Maus, um Isofluran für eine ausreichende Zeit, um freiwillige Muskelbewegungen zu unterdrücken, sondern um Spontanatmung (in der Regel 10 bis 20 sec) zu bewahren. Verlassen Sie das Tier in Isofluran zu lang wird in der Atemunterdrückung und zum Tod führen. Es ist besser, auf der Seite des "going Licht" und mit neu setzen die Maus kurz auf mehr Isofluran und nicht an überbelichtet, das Tier auf die Droge und Risiko Tod irren.
2. Entfernen Sie das Tier aus der Isofluran-Kammer und legen auf eine saubere, saugfähige Unterlage Bank.
3. Mit einer 1000 ul Mikropipette mit einem Einweg-Polypropylen-Spitze ausgestattet, erarbeiten 400 ul von 40% Rohprotein Forskolinextrakt (Fahrzeugkontrolltiere werden mit 70% Ethanol, 30% Propylenglykol allein zu empfangen).
4. Übertragen Sie das Extrakt auf dieRücken des Tieres durch Eintropfen es auf die Haut und dann unter Verwendung der Seite der Pipettenspitze, Abstrich der Extrakt über die Rückenhaut bis die gesamte Haut bedeckt. Es besteht keine Notwendigkeit, um die Haut nach der Anwendung auslöschen.
5. Bringen Sie die Maus, um seinem Käfig, und genau zu beobachten, bis er aus der Narkose erholt.
6. Damit nicht-Pigment cAMP Effekte sollten nicht verwechseln UV-Empfindlichkeit Experimente, brechen alle topische Behandlungen 2 Tage vor der UV-Exposition (Pigment Wirkung hält über mehrere Tage letzten topischen Behandlung).

4. Hautfarbe Messung durch reflektierende Farbmetrik

1. Kurz betäuben die Maus mit inhalativen Isofluran (siehe oben).
2. Kalibrieren Sie einen Minolta-Kolorimeter, indem Sie den beweglichen Kopf auf dem standardisierten weiße Fläche mit dem Farbmessgerät zur Verfügung gestellt.
3. Setzen Sie den tragbaren Messkopf des Colorimeter bündig mit der Rückenhaut des Tieres sicherzustellen, dass die 1 cm ² runde AperturE ist vollständig auf die Haut gedrückt. Nehmen Sie sich mindestens drei separate Messungen in verschiedenen Bereichen der Rückenhaut.
4. Berechnung der mittleren L *-Score ± SD pro Tier und pro Behandlungsgruppe. Reflexionsfarbmessung kann an jeder Stelle in dem Experiment durchgeführt werden.

5. Bestimmung der UV-Empfindlichkeit durch Berechnung der "Minimal Erythematöse Dose" (MED)

1. Verwenden Sie Tiere, die entweder mit Fahrzeug oder Forskolin, wie oben beschrieben vorbehandelt wurden. Betäuben Tiere intraperitoneale Injektion einer Standardmischung von Ketamin und Xylazin (siehe oben).
2. Bereiten Sie ein Stück UV-Verschlussband für MED-Tests. Um Löcher in der Band zu erzeugen, verwenden Sie einen schweren Locher mit einem 1 cm ² kreisförmigen Ausschnitt (2A und B). Löcher mit definierter Größe und symmetrische Anordnung in dem Band erleichtert das Erkennen von Veränderungen der Haut nach Bestrahlung. In jedes Loch in der Band, eine kleine, aber leicht lösbare Stück der Band, die zu definierten Zeitpunkten während der UV-Belichtung entfernt kann die Verwaltung von verschiedenen UV-Dosen zu ermöglichen.
3. Sobald die Tiere ausreichend sediert, legen Sie das Band auf der Rückenfläche. Augen Schmiermittel sollte immer unter Vollnarkose eingesetzt werden.
4. Schalten Sie die UV-Quelle, die aus zwei Westinghouse F15T8UV-B-Lampen mit einer Spitzenleistung von 313 nm und einem Bereich von 280-370 nm liegt. Lassen Sie die Lampe auf eine konstante UV-Leistung ins Gleichgewicht wie von einem UV-Photometer mit einem UVB Sensor gemessen (dauert in der Regel ein paar Minuten für die Lampen, um sich aufzuwärmen).
5. Auf der Grundlage der UV-Durchlässigkeitsrate, wie durch die UV-Photometer gemessen wird, zu berechnen UV-Belichtungszeit für jede gewünschte Dosis. Zum Beispiel, UVB-Ausstoß Maßnahmen unserer Lampe 2,4 mW / cm ^2. Daher zu verabreichen 5 kJ / m ² wäre die Haut benötigen, um 208 sec der UVB-Strahlung (die 3 min und 28 s ist), wie nachstehend berechnet ausgesetzt werden:
   upload/50670/50670eq1.jpg "/>
6. Zeigen sediert Tiere (jeweils mit Verschlussband in place) Bauchfläche nach unten, auch UV-Bestrahlung zu gewährleisten. Um die gewählten Dosierungen von UV-Strahlung zu verabreichen, nacheinander entfernen Sie die kleine Verschlussbänder für die Löcher auf 1 cm an die richtigen Dosen von Strahlung aus ^zwei Bereichen der Haut. Daher kann unter Verwendung des obigen Beispiels, wenn 40 kJ / m ² ist die größte Dosis in dem Experiment, dann das Tier unter der Lampe für 27 Min. und 47 Sek. insgesamt und der Haut in der 40 kJ / m ² Zustand sein würde kein darüberliegenden Band die ganze Zeit. Jedoch würde Band über der 5 kJ / m ² Zustand entfernt werden, wenn es in der Belichtungs restlichen 208 sek. Zeitpunkt der Bandentfernung sollte getan werden, so dass jeder Zustand Enden gleichzeitig.
7. Nach der UV-Exposition, ziehen Sie das Klebeband von der Rückenhaut vorsichtig, wobei nicht auf die Haut mit plötzlichen oder übermäßig kraftvolle Bewegungen rippen. Zeigen Tiere in einen warmen ruhigen Ort zu ermöglichenErholung von der Narkose.
8. Überwachung der Mäuse 24-48 h bis zur diskreten Bereichen Erythem (Rötung), Ödem oder schauen (Quellung) entsprechend den anatomischen Stellen auf die spezifische Dosis der UV-Bestrahlung ausgesetzt. Dokumentieren Hautbefunde fotografisch.
9. MED-Wert entspricht der minimalen Dosis von UV zu Entzündungen führt, wie durch Erytheme und / oder Ödeme der gesamten freiliegenden Kreis der Haut definiert. Beachten Sie, dass die Pigmentierung der Haut kann die Bestimmung der MED fordern jedoch, Erythem und Ödem kann immer noch in der Regel genau beurteilt, zum Teil dank der definierten Form der Öffnungen in der Band während der UV-Bestrahlung werden.

6. Statistische Analyse

Analysieren von Daten zwischen Kohorten von Mäusen durch eine ANOVA mit Bonferroni Post-Test (Graph Pad PRISM). P-Werte <0,05 werden als statistisch signifikant.

Ergebnisse

C57BL / 6 Mäuse wurden am eumelanotic, pheomelanotic oder amelanotischen Hinter Einbeziehung der K14-SCF Transgen, wie beschrieben (Fig. 1A) erzeugt. Kohorten von hellhäutigen Erweiterung (Mc1r ^{e / e,} Tyr ^{+ / +)} wurden die Mäuse mit topisch zweimal täglich entweder Fahrzeug (70% Ethanol, 30% Propylenglykol) oder 40% Rohprotein Coleus forskohlii Wurzelextrakt (80 uM pro behandelt Dosis) für 5 Tage (Abb. 2B). Wirkungen der topischen Behandlunge...

Diskussion

Mit einem Tiermodell der hellhäutige Mensch, finden wir, dass die topische Anwendung einer Forskolin reichen rohen Wurzelextrakt robust dunkelt die Haut durch die Stimulierung der Melaninproduktion in der Haut. Epidermalen Melanin hängt von der Expression von Stammzellfaktor in der basalen Epidermis, wie es in der menschlichen Haut auftritt, aber nicht in genetisch nicht modifizierten Mäusehaut. Die Rückenhaut von Mäusen genetisch nicht modifizierten fehlt eine ausreichende Zahl von interfollikulären Melanozyten P...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reagents
Coleus Forskoli extract 20%	Buckton Scott USA Inc.	n/a	Princeton, NJ
Isothesia, Isoflurane , USP	Butler Schein	NCD 11695-6776-1	Dublin, OH, USA
Xylazine	Anased Injection	LA04612	Shenandoah, Iowa, USA
Ketamine HCl, USP	Putney	NDC 26637-411-01	St. Joseph, MO, USA
Ethanol	Decon Labs.	2705
Propylene glycol	Adesco	05751L	Solon, OH, USA
Depilatory cream, Nair	Church Dwight	JF-11 4381322	Priceton, NJ
EQUIPMENT
Germicidal Hg Lamp UV-B	Westinghouse	F15T8UV-B
Radiometer photometer	International light	1LT400A	Peabody, MA,USA
Chromameter	Konica Minolta	CR-400	Ramsey, NJ, USA
Data Processor for Chromameter CR-400	Konica Monilta	DR-400	Ramsey, NJ, USA