Ausgabe 43 — September 2007
   

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Ausgabe 43        
   
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Marktbericht   Neue Vermarktungskonzepte durch Verwendung biomimetischer Wirkstoffe: Übertragung pflanzlicher Mechanismen in die Haut- und Haarpflege Torsten Clarius*, Philippe Moser**, Olga Freis**, Florence Henry**, Louis Danoux**, Christine Jeanmaire**, Vincent Bardey**, Gilles Pauly** und Andreas Rathjens**

Abstract

Der Erkenntnistransfer von der Biologie in die Technik wurde 1958 von J. E. Steele unter den Begriff „Bionik“ gefasst, allgemeiner inzwischen auch als „Biomimetik“ bezeichnet. Biomimetische Ansätze, die kosmetische Effekte zum Ziel haben, sind noch wenig verbreitet.

Ein bekanntes Beispiel industrieller Umsetzung biomimetischer Konzepte basiert auf dem so genannten Lotus-Effekt. Bestimmte Oberflächenstrukturen, wie sie beispielsweise auf der Oberseite des Lotusblattes auftreten, verhindern, dass Wasser das Blatt benetzen kann. Auch Keime und Schmutzpartikel können nur schlecht haften und werden so von herabrollenden Wassertropfen mitgerissen – das Blatt verschmutzt nicht.

Dieses Prinzip lässt sich auch für Kosmetikprodukte nutzen: Aufgrund ihrer außergewöhnlichen, kationischen Struktur zeigen Proteine aus den Samen des Moringa-Ölbaums (Moringa Oleifera) eine im Ergebnis dem Lotus-Effekt analoge Wirkung. Schmutzpartikel können auf Haut- oder Haaroberflächen nur schlecht haften und lassen sich auch leichter abspülen.

Wissenschaftler der Universität Freiburg untersuchen in einem Biomimetik-Projekt das erstaunliche Rehydratationsvermögen von Myrothamnus flabellifolia, einer so genannten Auferstehungspflanze („Resurrection Plant“). Ein Extrakt dieser Auferstehungspflanze ist ein viel versprechender Bestandteil eines Feuchtigkeit spendenden Kosmetikwirkstoffs.

Ein weiteres Beispiel biomimetischer Kosmetikwirkstoffe wurde in einem Produkt umgesetzt, das eine Flavonoidfraktion aus den Blättern des Kerzenstrauchs (Senna alata (L.) Roxb) enthält. Bestimmte Flavonoide spielen eine entscheidende Rolle für den Schutz des Kerzenstrauchs vor den Folgen starker Sonneneinstrahlung. Dieses pflanzliche Schutzprinzip wurde erfolgreich auf die Hautpflege übertragen.

Lernen von der Natur: Biomimetik

Biomimetische Prinzipien lagen einer Vielzahl von Innovationen zugrunde, auch wenn dem Entwickler diese Tatsache – oder auch der Begriff „Biomimetik“ (noch) - nicht geläufig war. Der Begriff „Biomimetik“ setzt sich aus den Wortteilen „Biologie“ und Mimetik – Nachahmung – zusammen; „Bionik“ wird im deutschen Sprachraum synonym verwendet. Der Grundgedanke der Biomimetik besteht also darin, die Natur genau zu beobachten und die gewonnenen Erkenntnisse in technische Anwendungen umzusetzen. Damit ist die Biomimetik sicherlich Basis bereits der meisten steinzeitlichen Entwicklungen; die Menschen nutzten wenig veränderte und prozesstechnisch kaum bearbeitete natürliche Materialien und Strukturen. Das Prinzip verlor dann aber im Verlaufe der Jahrtausende Bedeutung; mit zunehmender Intelligenz gelangen dem Menschen ganz erstaunliche Leistungen, ohne auf Vorbilder aus der Natur zurückzugreifen. Ein prägnantes Beispiel ist der Siegeszug des rechten Winkels, der in der Natur praktisch gar nicht vorkommt und zum zentralen Element aller moderneren menschlichen Entwicklungen wurde. Eine ähnlich revolutionäre Erfindung war das Rad – auch hier fehlt jedes Gegenstück in Fauna oder Flora.

Die moderne Wissenschaft erkennt jedoch zunehmend die Perfektion natürlicher Materialien, Bauprinzipien oder Mechanismen. Immerhin sind sie das Resultat von Jahrmillionen Evolution. Dennoch führt das einfache Kopieren nur selten zum Erfolg, wie unzählige abgestürzte Flugpioniere dokumentieren, die dem Irrtum erlegen waren, das Fliegen erfordere Federn und Flügelschlag. Ein wichtiger Grundgedanke der Biomimetik ist deshalb das „Lernen von der Natur“ (Raoul Heinrich Francé), „die Natur liefert keine Blaupausen“ (Werner Nachtigall). Als historischer Begründer der Biomimetik wird Leonardo da Vinci angesehen, dessen Schlussfolgerungen aus der Analyse der Natur vielfach bahnbrechend, wenn auch seiner Zeit teilweise zu weit voraus waren.

Die heutige Biomimetik ist also ein neuerliches Zusammenführen von Natur und Technik. Man beschäftigt sich gegenwärtig beispielsweise mit der Weiterentwicklung von Informationsverarbeitung und Steuerung, angeregt durch die Neurobiologie und biologische Kybernetik. Aus der Photosynthese will man Erkenntnisse zur Wasserstofftechnologie gewinnen; angelehnt an die bei Tierbauten verwirklichten Prinzipien will man einen höheren Wohnkomfort bei gleichzeitiger Energieeinsparung erreichen.

In der Haut- und Haarpflege sind biomimetische Ansätze noch wenig verbreitet. Ihre Anwendung ist jedoch nahe liegend. Insbesondere die biologische Vielfalt der Flora bietet eine Vielzahl biologischer Modelle, die sich hervorragend in die Kosmetik übertragen lassen.

Der Lotus-Effekt

Das vielleicht bekannteste Ergebnis biomimetischer Überlegungen ist der so genannte Lotus-Effekt. Bereits Ende der 1970er Jahre wurde der Bonner Botaniker Wilhelm Barthlott auf das Phänomen aufmerksam, dass die Blätter der Lotus-Blume nie verschmutzt sind, und Lotus daher auch als Symbol der Reinheit in den asiatischen Religionen gilt. 1989 griff er das Thema wieder auf und erkannte das Funktionsprinzip. Fein auf der Blattoberfläche verteilte Wachskristalloide bilden eine mikroskopisch feine Noppenstruktur. Auf dieser Oberfläche können Schmutzpartikel nur schlecht haften. Außerdem können Wassertropfen diese Struktur nicht benetzen, so dass sie einfach abrollen, und dabei die Partikel mitreißen – das Blatt verschmutzt nicht. Die Lotuspflanze erreicht auf diese Weise einen Doppeleffekt: Sonnenlicht kann jederzeit das Blatt erreichen, ohne dass Schmutz dies verhindert, und außerdem können sich Pathogene, z. B. Pilzsporen, nicht auf der Oberfläche festsetzen.

Der Lotus-Effekt wurde in diversen technischen Anwendungen umgesetzt, z. B. in Dachziegeln, die nicht mehr verschmutzen oder selbst reinigenden Fassadenfarben (Lotusan™). Schott entwickelte ein Easy-to-clean™-Spezialglas, das auf dem Lotus-Effekt basiert, beispielsweise für Anwendungen als Fenster- und Duschglas. Villeroy & Boch setzten die Technologie in ihrer Ceramicplus™-Badezimmerkeramik um.

Der Lotus-Effekt an Haut und Haar: Puricare und Purisoft

Das Prinzip lässt sich auch für Kosmetikprodukte nutzen: Puricare und Purisoft enthalten aus den Samen des Moringa-Ölbaums (Moringa Oleifera, „Cleansing-Tree“) extrahierte Proteine. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen, kationischen Struktur [Gassen HG 1990], zeigen sie eine im Ergebnis dem Lotus-Effekt analoge Wirkung. Schmutzpartikel können auf Haut- oder Haaroberflächen nur schlecht haften und lassen sich auch leichter abspülen.

Um den Effekt auf der Haut zu demonstrieren, wurden Hautareale am Unterarm unterschiedlich vorbehandelt, und zwar mit Wasser (Abb. 1), einer Placebo-Lotion (Abb. 1b) und derselben Lotion, die zusätzlich 1.5 % einer Moringa-Protein-Lösung enthielt (Abb. 1c). Ein Hautareal blieb als Kontrolle unbehandelt. Anschließend wurde ein Standard-Schmutz aufgebracht. Eine wässrige Aktivkohle-Dispersion erwies sich dabei als am besten geeignet. Nach standardisierter Aufbringung waren die Hautflächen gleichmäßig verschmutzt. Nun wurde versucht, diesen Schmutz mit einem sanften Wasserstrahl wieder herunterzuspülen. Dabei stellte sich heraus, dass sich ein nur mit Wasser vorbehandeltes Hautareal kaum reinigen lässt. Im Falle der Vorbehandlung mit Placebolotion lassen sich einige Partikel abspülen. Man erzielt jedoch das weitaus beste Ergebnis bei Vorbehandlung mit einer Purisoft-Lotion.

Abbildung 1: Verschmutzung der Hautoberfläche nach Aufbringung des Standard-Schmutzes


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Abbildung 2: Verschmutzung der Hautoberfläche nach Abspülen


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Am Haar ist der Lotus-Effekt noch eindrucksvoller zu dokumentieren. Hier konnte auf elektronenmikroskopische Bilder zurückgegriffen werden. Zunächst wurden Haarsträhnen mit einem Placebo-Shampoo oder mit einem Shampoo, das zusätzlich 2 % Puricare-Lösung enthielt, gewaschen. Nach dem Waschen und Trocknen wurde wieder ein Modellschmutz aufgebracht, in diesem Fall wieder Aktivkohle, jedoch nicht in wässriger Dispersion, sondern als Pulver. Die Aufbringung erfolgt in standardisierter Weise; überschüssige Aktivkohle wird ausgeschüttelt. Anschließend werden die Haare unter dem Elektronenmikroskop betrachtet und die mit Partikeln behaftete Oberfläche analysiert.

Hat man die Haare mit einem Placebo-Shampoo gewaschen, haften die Aktivkohle-Teilchen ähnlich stark wie an ungewaschenem Haar – das Haar ist schmutzig (Abb. 3a; Abb. 3b). Wie auch schon auf der Haut haben die Moringa-Proteine in Puricare einen deutlich signifikanten Effekt. Das Haar bleibt sauberer (Abb. 3c).

Abbildung 3: SEM-Visualisierung der Verschmutzung unterschiedlich vorbehandelter Haare durch Kohlepartikel

Kontroll-Haar

Placebo-Shampoo

Shampoo mit 2 % Puricare™


Erstmalig ist eine Möglichkeit vorhanden, Haut und Haar vor einer Verschmutzung durch Partikel zu schützen. Darüber hinaus liegen in vitro- Studien an Fibroblasten vor, die den Schutz vor bekannten chemischen Umweltbelastungen, wie z. B. Schwermetallen zeigen.

Überlebensstrategien von Auferstehungspflanzen („Resurrection Plants“)

Wissenschaftler der Universität Freiburg versuchen in einem Biomimetik-Projekt, den Wasserfluss in Pflanzen zum Vorbild der Herstellung technischer Textilien mit außergewöhnlichem Flüssigkeitstransportvermögen zu nutzen. Anwendungsgebiete für derartige Materialien finden sich dort, wo Wasser möglichst schnell abgeführt werden muss, also z. B. in Windeln oder Funktionskleidung, aber auch in der Brennstoffzellentechnik [Schneider 1999]. Die Transportgeschwindigkeit, die aus einfachen Kapillarkräften resultiert, genügt hier nicht. In diesem Zusammenhang untersucht man unter anderem das erstaunliche Rehydratationsvermögen von Myrothamnus flabellifolia Welw [Schneider 2000], einer so genannten Auferstehungspflanze („Resurrection Plant“). Diese in südafrikanischen Wüsten beheimatete Spezies hat Mechanismen entwickelt, die ihr das Überleben unter besonders widrigen klimatischen Bedingungen ermöglichen. Gelangt sie nach monatelanger Trockenheit wieder an Wasser, kann sich Myrothamnus flabellifolia innerhalb weniger Stunden vollständig regenerieren (Abb. 4a und b). Ein Extrakt dieser Auferstehungspflanze ist Bestandteil des Wirkstoffs PA Reviviscence, der sich ausgezeichnet für das Marketing Feuchtigkeit spendender Kosmetikprodukte eignet [Freis, 2001 und Moussou, 2002] (Abb. 5).

Abbildung 4: Myrothamnus flabellifolia: dehydriert (a) and rehydriert (b) nach 12 Stunden

a) dehydriert

b) rehydriert


Abbildung 5: Langzeit-Feuchtigkeitsspende durch PA Reviviscence (ex vivo, Konduktometrie)



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Senna alata- Blattextrakt - Pflanzlicher Lichtschutz gegen die Hautalterung

Die Biomimetik geht längst über einfache mechanisch-technische Anwendungen hinaus. Auch biologische Mechanismen können auf der Grundlage von Biomimetik-Konzepten untersucht werden. Auf der Suche nach Pflanzen, deren Inhaltsstoffe sich für kosmetische Anwendungen eignen, wurde der in Brasilien auch als Guajava bezeichnete Kerzenstrauch Senna alata (L.) Roxb (Abb. 6) untersucht. Mikroskopische Studien mit Fluoreszenzmarkierungen zeigten, dass in den Epidermiszellen der Blattoberseite in hoher Konzentration das Flavonoid Kampherol-3-O-Sophorosid (K3OS) vorkommt. Ganz offensichtlich spielt es eine Rolle für den Lichtschutz der Pflanze. Bei näherer Untersuchung stellte sich heraus, dass K3OS insbesondere in und rund um den Zellkern lokalisiert ist (Abb. 7) [Danoux, 2004].

Abbildung 6: Blüten, Schoten und Blätter von Senna alata (L.) Roxb


Abbildung 7: CLSM-Bilder von K3OS (grün) in Blättern von Senna alata (L.) Roxb
A: Querschnitt durch das Blatt
B: Epidermiszellen (E)
C: Kerne (N) und Chloroplasten (Chl) (rot)


(A)

(B)

(C)

Um die Schutzeigenschaften dieses Moleküls auf Hautzellen zu übertragen, wurden weitere Studien mit SAE durchgeführt, einem Extrakt aus den Blättern der Guajava. An humanen Zellkulturen wurde die Auswirkung von UV-Bestrahlungen auf den Zellkern untersucht. Es ist bekannt, dass UV-B-Belastung zu Schäden der DNA führen kann, z. B. zur Dimerisierung benachbarter Thyminbasen auf dem DNA-Strang. Solche Thymindimere in der DNA lassen sich fluoreszenzmarkieren (Abb. 8). Steigende Konzentrationen von SAE oder reinem K3OS im Kulturmedium von Keratinocytenkulturen verringern deutlich das Auftreten von Thymindimeren als Folge von UV-B- Bestrahlung (Abb. 8).


Abbildung 8: Visualisierung der Bildung von Thymindimeren (grüne Fluoreszenz) an humanen Keratinocyten nach Applikation von SAE oder K3OS und UVB-Exposition. Die grüne Fluoreszenz wurde über Bildanalytik quantifiziert.

a) Unbehandelte Kontrollkultur



b) UVB (20 mJ/cm²)

c) UVB + 0.0025% K3OS

d) UVB + 0.015% K3OS

Neben der Photodimerisierung treten auch Strangbrüche als Folge von UV-B-Belastung auf. Solche Fragmentierungen der DNA lassen sich über Einzelzellen-Elektrophorese sichtbar machen. Die DNA-Bruchstücke liefern verschmierte Bilder der Kerne, so genannte „Kometen“ (Abb. 9). Die Fragmentierung der DNA in Gegenwart von SAE wird auf ein Minimum reduziert, das der Kontrolle beinahe entspricht (Abb. 9c, 9d) [Danoux, 2004].

Abbildung 9: Visualisierung der DNA-Strangbrüche an humanen Keratinocyten nach Applikation von SAE und UVB-Exposition



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Die Wirkung von SAE geht über die eines einfachen Antioxidans hinaus. Es hat sich herausgestellt, dass der Wirkstoff die DNA nicht nur schützt, sondern auch die zelleigenen Reparaturmechanismen unterstützt. Das zelleigene Reparatursystem ist dem Ausmaß der DNA-Schädigung angepasst. Geht der Schaden über die natürliche Reparaturleistung hinaus, wird das Reparatursystem abgeschaltet. Im anderen Fall starten die Zellen ein Programm, in das über zwanzig unterschiedliche Proteine zur Reparatur UV-bedingter Schäden eingreifen. GADD45α ist ein Gen, das eines der beteiligten Proteine codiert und unterschiedliche Phasen des DNA-Reparaturprozesses steuert. Dieses Gen wird unter dem Einfluss von SAE hochreguliert. Dies ließ sich mithilfe der DNA-Chip-Technologie abbilden. Dazu inkubiert man Zellkulturen mit und ohne Wirkstoff, extrahiert die gebildete RNA und misst über quantitative Real-Time-PCR den Anteil an GADD45α mRNA. Kulturen, die in Gegenwart von SAE oder K3OS inkubiert wurden, zeigen eine deutliche Anregung der GADD45α-Expression, was einer Stimulierung des natürlichen DNA-Reparaturprozesses entspricht. Wie in Pflanzenzellen spielt K3OS, Bestandteil von SAE, eine aktive Rolle im Schutz von Humanzellen vor Schäden durch UV-Strahlung [Danoux 2005].


Abbildung 10: GADD45α- Genexpression in humanen Keratinocyten, behandelt mit SAE oder K3OS, quantifiziert mit Real-Time RT-PCR



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Biomimetische Wirkstoffe als Marketinginstrument

Biomimetische Überlegungen sind nicht nur die Grundlage für die Entwicklung neuer Kosmetikwirkstoffe, sondern bieten sich auch für die unmittelbare Umsetzung in der Werbung für Kosmetik-Endprodukte an. Die entsprechenden Slogans könnten sich am grundlegenden Biomimetik-Prinzip orientieren, wie es der Biomimetik-Forscher Raoul Heinrich Francé formulierte: „Von der Natur lernen“.

Hinweise

Puricare, Purisoft und PA Reviviscence LS 9562 sind Handelsmarken der Cognis Gruppe.

PA Reviviscence LS 9562; INCI Name: Water (and) Glycerin (and) Trehalose (and) Tamarindus Indica Seed Polysaccharide (and) Myrothamnus Flabellifolia Extract (US) Aqua (and) Glycerin (and) Trehalose (and) Tamarindus Indica Extract (and) Myrothamnus Fabellifolia (EU).

Der Artikel “Neue Vermarktungskonzepte durch Verwendung biomimetischer Wirkstoffe - Übertragung pflanzlicher Mechanismen in die Haut- und Haarpflege” ist im SÖFW Journal, 132, 10-2006, S. 62-20 erschienen.

Anschriften der Autoren:

(*) Cognis GmbH, Henkelstraße 67, D-40551 Düsseldorf, Telefon: +49 (0) 211 7940 7472, Fax: +49 (0) 211 2006 17472

(**) Cognis France, Division Laboratoires Sérobiologiques, 3 rue de Seichamps, 54425 Pulnoy, France

Literatur

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Autor



Dr. Torsten Clarius promovierte am Institut für Anorganische Chemie an der Bayerischen Julius-Maximilians-Universität, Würzburg. Von 1996-1999 war er bei der C. H. Erbslöh KG, Krefeld (Chemiehandel) für den Vertrieb von Rohstoffen für Kosmetik und Reinigungsmittel mit Fokussierung auf den Wirkstoffsektor zuständig. Seit 2000 ist er bei der Cognis GmbH, Düsseldorf im Technischen Vertrieb & Marketing der Wirkstoffe der Cognis-Tochter Laboratoires Sérobiologiques (Nancy/Frankreich) für das Nord- und Osteuropa-Geschäft verantwortlich.

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