CAPACITÀ FOTOPROTETTIVA NATURALE DELLA CUTE potenziamento con antiossidanti topici Pietro Santoianni Università di Napoli Federico II Dipartimento di Patologia sistematica - Dermatologia Dottorato di Ricerca in Dermatologia Sperimentale

assorbita da cromofori endogeni* NADH-NADPH, riboflavine citocromi UV / effetti Radiazione UV assorbita da cromofori endogeni* NADH-NADPH, riboflavine citocromi triptofano e altri aminoacidi proteine enzimatiche (ossid.) acido urocanico basi del DNA (maggiore cromoforo per l’ UVB) * Sander CS et al. J Invest Dermatol 2002 * Hanson KM, Simon JD. Proc Natl Acad Sci USA 1998

UVB azione diretta sul DNA 290-320 nm effetti indiretti e mutazioni UV / effetti UVB azione diretta sul DNA 290-320 nm effetti indiretti e mutazioni UVA 320-400 nm danno indiretto del DNA induce in condizioni sperimentali mutazioni immunodepressione

causa delle specifiche alterazioni UV / effetti eventi molecolari indotti da UV causa delle specifiche alterazioni cliniche ed istologiche fotodanno del DNA Specie Reattive Ossigeno (ROS) (ossigeno singoletto, perossido di H, anione superossido)

UV modulazione della risposta immunitaria cutanea liberazione di mediatori citochine chemochine fattori di crescita prostaglandine fattori immunosoppressivi neuropeptide alfa MSH - inibizione del rilascio di alcune citochine modulazione della risposta immunitaria cutanea

UVA ha azione dose-dipendente Valutazione in vitro dell’effetto di UVA sulla liberazione di istamina da basofili UVA ha azione dose-dipendente - a basse dosi irradiative riduzione del rilascio di istamina - a dosi crescenti incremento

depressione risposta immunitaria locale e sistemica fotoimmunomodulazione UV cascata alterazioni immunologiche depressione risposta immunitaria locale e sistemica

UV forma acido cis-urocanico (cis-UCA) nella cute fotoesposta cis-UCA fotoimmunomodulazione UV forma acido cis-urocanico (cis-UCA) nella cute fotoesposta cis-UCA immunomodulazione e coinvolto nella inibizione della immunità tumorale

produzione cis UCA è correlata - all’ irradiazione solare - al livello e al tipo di pigmentazione melaninica soggetti a pelle chiara e bambini (esposti a radiazione UV) producono più cis-UCA

soggetti a pelle chiara e bambini - a più alto rischio di immunodepressione UV indotta?* Produzione cis UCA è correlata all’insorgenza di MC o di NMSC? * Norval M. J Photochem Photobiol B 2001 * de Fine Olivarius F et al. J Photochem Photobiol B 1999

effetti della fotoimmunomodulazione § regolati da esposizione solare in tutte le età è determinante effetti della fotoimmunomodulazione § regolati da suscettibilità genetica * * Ullrich SE. Front Biosci 2002 * Norval MJ. Photochem Photobiol B 2001

interazione con fattori genetici esposizione solare rilevante fattore di rischio radiazioni ultraviolette (290-400 nm) - effetti negativi della irradiazione accumulata nel tempo epiteliomi invecchiamento - intensa esposizione solare precoce incidenza del MC interazione con fattori genetici

sistemi di fotoprotezione capacità fotoprotettiva della cute FOTOPROTEZIONE NATURALE UV causa molteplici effetti biologici azioni protettive nella cute sono presenti numerosi sistemi di fotoprotezione (scavenger di radicali liberi – antiossidanti,etc)

Sistema complesso di protezione Fotoprotezione naturale sistemi endogeni interagenti tra loro Sistema complesso di protezione

capacità fotoprotettiva della cute I sistemi di protezione sono attivati dall’irradiazione UV

La cute contiene un gran numero di antiossidanti capacità fotoprotettiva della cute La cute contiene un gran numero di antiossidanti complessi meccanismi di interazione proteggono dai ROS e dagli altri radicali liberi prodotti dalla intensa esposizione

pool antiossidanti (tocoferoli,ascorbato,glutatione,etc) capacità fotoprotettiva della cute pool antiossidanti (tocoferoli,ascorbato,glutatione,etc) HSP “Heat Shock Proteins” citocromo P450 (monossigenasi microsomiali) alcune citochine …… sistema di difesa naturale efficiente protezione cellulare dal danno UV-indotto (e verso altri insulti endogeni ed esogeni)

“Heat Shock Proteins (HSP)” capacità fotoprotettiva della cute “Heat Shock Proteins (HSP)” adattamento e protezione riduzione dell’impatto sulla cute di condizioni ambientali dannose* *Trautinger F. J Photochem Photobiol B 2001

UV (principalmente UVB) capacità fotoprotettiva della cute UV (principalmente UVB) (cheratinociti) aumentata espressione di HSP-72 protezione cellulare dal danno UV-indotto * prevenzione di cancerogenesi cutanea e photoaging ** * Zhou X. J Invest Dermatol 1998 **Marrot L et al. Photochem Photobiol 1999

emossigenasi (HO) produzione indotta da UV antiossidanti endogeni capacità fotoprotettiva della cute antiossidanti endogeni emossigenasi (HO) “stress induced proteins” attività enzimatica ed altre funzioni produzione indotta da UV protezione dalla fotoesposizione cronica * * Raikin GY et al. Biochemistry 2000

pool antiossidanti down regulation e controllo effetti UV La capacità antiossidante è più alta nelle cellule cheratinizzate rispetto agli strati germinali

 carotene  tocoferolo ascorbato GSH perossidasi Catalasi SOD capacità fotoprotettiva della cute antiossidanti endogeni scavengers radicali liberi  tocoferolo ascorbato GSH perossidasi Catalasi SOD Altri sistemi riducenti -NADPH-NADP+ -NADH-NAD+ (riserva attività antiossidante)  carotene Licopene Ubichinone GSH Ac.alfalipoicoTaurina

capacità fotoprotettiva della cute antiossidanti endogeni non enzimatici scavengers radicali liberi Tocoferoli Ascorbato radicali liberi Carotenoidi lipidi perossidi specie reattive dell’ossigeno Ossicarotenoidi Ubichinone (c.Q) Glutatione Ac.alfa lipoico Taurina

capacità fotoprotettiva della cute antiossidanti endogeni enzimatici H2O2 protezione SOD anione superossido Superossido dismutasi Catalasi GSH perossidasi GSH reduttasi H202 e perossidi lipidi GSSG Sintesi enzimi antiossidanti: Se - Zn - (Cu)

I sistemi di protezione sono attivati dall’irradiazione UV La maggior parte dei sistemi naturali di fotoprotezione diviene insufficiente dopo intensa e prolungata esposizione UV

La fotoprotezione locale e sistemica consente di potenziare tali sistemi

potenziamento della fotoprotezione naturale Studi di fotoprotezione topica catalasi prevenzione delle sunburn cells (studi in vitro) SOD effetto protettivo (dati sperimentali su topi) derivati cisteina Prevenzione dell’immunosoppressione UV indotta (topi) ascorbato effetto protettivo (instabile) effetto protetivo verso eritema taurina -carotene risultati negativi effetto protettivo -tocof. acetato  -glucano diminuisce la immunosoppressione UV

potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Vit E gruppo di tocoferoli e tocotrienoli (alfa-tocoferolo maggiore attività biologica) - controllo catena ossidativa - attività scavenger - altre attività (stabilizz. membrane, etc)

potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Vit E - prevenzione del fotodanno DNA alfa tocoferolo 1% dopo irradiazione: riduzione del 50 % formazione dimeri timina* - riduzione immunosoppressione da UV** * Mc Vean M, Liebler DC. Carcinogenesis 1997 ** Gensler , Magdaleno et al.Nutr Cancer 1991

Vit E - cheratinociti epidermici irrad. UVB (30-60 mJ) potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Vit E - cheratinociti epidermici irrad. UVB (30-60 mJ) notevole riduzione di “cellule vitali” * (topo) - applicazione di Vit E prima e dopo irradiazione* notevole incremento di “viable cells” contemporanea riduzione di cellule apoptotiche * Maalouf S et al. Mol Carcinog 2002

antiossidanti endogeni e scavenger potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Vit E difesa dal danno UV effetto protettivo verso UVB e UVA* (colture di cheratinociti umani) deficit: aumento perossidi nella cute** (topo) irradiazione UV e VIS accentua il deficit°(uomo) * Quiec et al. J Invest Dermatol 1995 * Kondo et al. Photodermatol Photoimmunol Photomed 1990 ° Werninghaus,Gilchrest et al. Photodermatol Photoimmunol Photomed 1991 ** Igarashi et al.Br J Dermatol 1989

potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Vit E applicazione alfa tocoferolo: (topo) - aumento della vitamina nella cute (decine di volte)* - dopo irradiazione UV (290-400 nm): concentrazione ancora elevata * Lopez-Torres et al. Br J Dermatol 1998

potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger alfa tocoferolo applicazione topica ( uomo) - inibisce l’eritema UV indotto* - diminuisce la formazione di “sunburn cells”** prima e anche dopo irradiazione * De Rios et al. J Invest Dermatol 1978 ** Cesarini et al. Photochem Photobiol 1988 Vit E

potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Vit E prevenzione danni da ROS sulla produzione di collagene* ( colture di fibroblasti umani) deficit : aumento di collagene insolubile** ( protezione da perossidi inefficace) (ratto) rallenta il danno ossidativo nell’ invecchiamento * Tanaka et al. Dermatol Res 1993 ** Igarashi et al. Br J Dermatol 1989

assorbito e convertito a tocoferolo libero* potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Vit E (alfa tocoferolo instabile) tocoferolo acetato assorbito e convertito a tocoferolo libero* - riduce il danno da UV prima dell’irradiazione UVB ed anche dopo ** (topo) - è molto attivo verso il danno da UV*** (topo) tocoferolo sorbato * Norkus et al. Photochem Photobiol 1993 ** Trevithick et al. Scanning Microsc 1993 *** Jurkiewicz et al. J Invest Dermatol 1995

- riduce l’eritema da UV potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Vit E tocoferolo acetato 10% - riduce l’eritema da UV prima dell’irradiazione UVB ed anche dopo* (uomo) * Nino et al. Ann It Dermatol 2002

applicazione alfa tocoferolo: aumento di ascorbato, GSH, SOD potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger L’ aumento del tocoferolo probabilmente modula la regolazione genica degli antiossidanti enzimatici applicazione alfa tocoferolo: aumento di ascorbato, GSH, SOD Up-regulation del sistema antiossidante endogeno

i carotenoidi non richiedono rigenerazione: potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Carotenoidi Beta carotene, licopene, ossicarotenoidi (es.zeaxantina e luteina) i carotenoidi non richiedono rigenerazione: “quencing” è di natura fisica e lascia la struttura intatta

tocoferolo. e ac. Ascorbico potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica Beta carotene tocoferolo. e ac. Ascorbico proteggono dall’azione e eritemigena di UVB * (topo) Beta carotene e vit E riducono il danno da UVA degli enzimi antiossidanti ° (topo) * Shindo et al. J Invest Dermatol 1993 ° Evelson P et al. J Photochem Photobiol B 1997

l’incremento da UVA di MMP-1 mRNA potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger VIT E l’incremento da UVA di MMP-1 mRNA è soppresso solo da aggiunta di vitamina E in colture con beta carotene e licopene* vit E :potenziale fotoprotettivo intrinseco “stabilizzante” le capacità fotoprotettive di altri antiossidanti* * Offord et al. Free Radical Biol Med 2002

potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Ascorbato radicale ascorbato è ridotto da sistemi comprendenti NADPH-NADP+ NADH-NAD+ rigenera radicali tocoferolo riserva attività antiossidante

Incremento del network antiossidante potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Vit E e Vit C efficace fotoprotezione - a dosi basse -una singola applicazione prima dell’irradiazione* (topo) Incremento del network antiossidante * Steenvoorden et al. Int J Radiation Biol 1999

- effetto fotoprotettivo potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Glutatione – esteri (non penetrazione GSH) GSH etilestere: - aumento GSH nell’epidermide* (topo) - effetto fotoprotettivo - controllo dell’immunodepressione UV indotta Sistema GSH – Se - Tocoferolo * Steenvoorden et al. Radiat Res 1998

prevenzione dell’immunosoppressione potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Cisteina – derivati prevenzione dell’immunosoppressione UV indotta * (topo) effetto fotoprotettivo mediato da inibizione cis-Urocanico? *Steenvoorden et al. Radiat Res 1998

cofattore enzimatico tiolico delle deidrogenasi potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Acido alfa-lipoico cofattore enzimatico tiolico delle deidrogenasi penetra facilmente nella cute* e trasformato in acido diidrolipoico° (topo) potente antiossidante* * Podda M et al. Biochem Pharmacol 1996 ° Podda M et al. Biochem Biophys Res Commun 1994

Taurina aminoacido libero a livello tessutale potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger aminoacido libero a livello tessutale Taurina neutralizza ROS e regola flussi ionici a livello biomembrane si riduce con l’età - 40 % - UV inibisce enzima responsabile formazione supplementazione topica riduce eritema UV indotto * (uomo)

Interdipendenza dei vari antiossidanti con incremento potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica Il sistema antiossidante può essere modulato cambiando un singolo parametro del pool Interdipendenza dei vari antiossidanti con incremento della totale capacità antiossidante Up-regulation del sistema antiossidante endogeno

Studi sull’applicazione topica (enzimi) potenziamento fotoprotezione naturale / fotoprotezione topica antiossidanti endogeni e scavenger Studi sull’applicazione topica (enzimi) prevenzione delle cellule sunburn* (studi in vitro-topo) Catalasi SOD Emossigenasi effetto protettivo** (topo) produzione indotta da UV attività di scavenger su ferro° (uomo) ( < radicale idrossilico) protezione dalla fotoesposizione cronica * Miyachi Y et al. Clin Exp Dermatol 1983 ** Miyachi Y et al. J Invest Dermatol 1987 ° Vile G et al. Proc Natl Acad Sci Usa 1994

Fotoprotezione Sistemica Licopene protezione verso eritema UV (dieta ricca)* -Carotene una parte ridotta è assorbita effetti collaterali ad alte dosi *Stahl W et al. J Nutr 2001

Pigmentazione costituzionale fotoprotezione naturale Pigmentazione costituzionale - è il determinante più importante della fotosensibilità* - e influenza la immunomodulazione UV indotta** *Lock-Andersen et al. Photodermatol Photoimmunol Photomed 1997 **de Fine Olivarius et al. J Photochem Photobiol B 1999

fotoprotezione naturale capacità di pigmentazione - nei soggetti capaci di una buona abbronzatura le esposizioni solari durante l’ infanzia costituirebbero elemento di protezione * - con l’aumento dell’esposizione sarebbero più protetti *White et al. Am J Epidemiol 1994

delle caratteristiche fenotipiche (colore, fototipo, etc) fotoprotezione naturale La determinazione delle caratteristiche fenotipiche (colore, fototipo, etc) costituisce un criterio i importante per la valutazione del rischio di fotodanno

La reattività cutanea alle radiazioni UV fotoprotezione naturale La reattività cutanea alle radiazioni UV presenterebbe un miglior accordo con le caratteristiche fenotipiche determinate mediante l’analisi delle melanine identificazione del tipo e del livello di melanine * * Prota G. 10th Meeting European Society of Pigment Cell Research

fotoprotezione naturale pigmenti melanici: diversità molecolare - eumelanine ______polimerizzazione 5-6- idrossiindoli - feomelanine ______polimerizzazione via cisteinil-DOPA - prodotti di modificazioni ossidative* *Prota G et al. Biochim Biophys Acta 2000

fotoprotezione naturale vari tipi di melanine * a differenti proprietà fisico-chimiche non identiche proprietà fotobiologiche ** * Prota G. Pigment Cell Res 2000 ** Ortonne JP. Br J Dermatol 2002

e di rischio per NMSC e MC* fotoprotezione naturale rapporto feomelanine / eumelanine parametro indice di fotosensibilità e di rischio per NMSC e MC* * Snellman E et al. Photochem Photobiol1995 *Vincensi MR et al.(Univ. Federico II) Melanoma Res 1998

Il rapporto tra tipi di melanine può costituire un fattore di fotoprotezione naturale Il rapporto tra tipi di melanine può costituire un fattore di protezione naturale microanalisi tipi di melanine