Influence of indentation test factors on the mechanical response of the skin / Influencia de los factores experimentales de la indentación en la respuesta mecánica de la piel / Influência dos fatores experimentais da indentação na resposta mecânica da pele

Abstract This study proposes in vivo tests and design of experiments to determine the influence of experimental factors on the mechanical response of the soft tissue. The experimental factors considered are: room temperature (A), indentation velocity (B), indenter temperature (C), pump pressure (D) and muscle activation (E). An inverse method was developed to obtain the constants for constitutive equations of a multilayer biological model (skin, hypodermis, and muscle) through the use of indentation tests in combination with a finite element method. For each combination of the experimental factors, two groups of constants were established from the inverse method. Sixteen combinations of experimental conditions and their corresponding constants for the Mooney-Rivlin constitutive equations were obtained to be used in further numerical models. The factor D and factor interactions ADE, CDE, and ACDE were statistically significant with respect to skin mechanical response. Therefore, it can be concluded that there is not a current equation able to represent the mechanical properties of the skin under all the experimental conditions considered in this study

Resumen Este estudio propone pruebas in vivo y diseño de experimentos para determinar la influencia de los factores experimentales en la respuesta mecánica de tejidos blandos. Los factores experimentales considerados son: temperatura ambiente (A) velocidad de indentación (B), temperatura del indentador (C), presión de bombeo (D) y activación muscular (E). Se desarrolló un método inverso con el fin de obtener las constantes para las ecuaciones constitutivas de un modelo biológico de multicapa (piel, hipodermis y músculo) a través del uso de pruebas de indentación en combinación con el método del elemento finito. Para cada combinación de los factores experimentales, se establecieron dos grupos de constantes del método inverso. Se obtuvieron dieciséis combinaciones de condiciones experimentales y sus correspondientes constantes para las ecuaciones constitutivas de Moorney-Rivlin, que se pueden usar en futuros modelos numéricos. El factor D y las interacciones de los factores ADE, CDE y ACDE fueron estadísticamente significativas con respecto a la respuesta mecánica de la piel. En consecuencia, se puede concluir que no hay actualmente una ecuación capaz de representar las propiedades mecánicas de la piel bajo las condiciones experimentales consideradas en este estudio.

Resumo Este estudo propõe ensaios in vivo e desenho de experimentos para determinar a influência dos fatores experimentais na resposta mecânica de tecidos moles. Os fatores experimentais considerados são: temperatura ambiente (A), velocidade de indentação (B), temperatura de indentação (C), pressão de bomba (D) e ativação muscular (E). Desenvolveu-se um método invertido com o fim de obter as constantes para a equação constitutivas de um modelo biológico de multicapa (pele, hipoderme e músculo) por meio do uso de ensaios de indentacao em combinação com o método do elemento finito. Para cada combinação dos fatores experimentais, se estabeleceram dois grupos de constantes do método inverso. Obtiveram-se dezesseis combinações de condições experimentais e suas constantes correspondentes para as equações constitutivas de Mooney- Rivlin, que podem ser usadas em futuros modelos numéricos. O fator D e as interações dos fatores ADE, CDE e ACDE foram estatisticamente significativas com respeito a resposta mecânica da pele. Assim sendo, se pode concluir que não há atualmente uma equação capaz de representar as propriedades mecânicas da pele baixo as condições experimentais consideradas neste estudo.

Desenvolvimento de pele humana reconstruída contendo equivalente dérmico glicado na avaliação da eficácia e toxicidade de compostos anti-glicação / Development of reconstructed human skin containing glycated dermal equivalent to toxicity and efficacy tests of anti-glycation compounds

A glicação não enzimática das proteínas é um fator comum para a fisiopatologia de uma série de transtornos relacionados ao envelhecimento e a doenças como o diabetes mellitus (DM). O geração dos produtos de glicação, os AGEs (do inglês: Advanced Glycation End Products) se dá através de reações de glicação da mariz extracelular (MEC) na derme e têm sido apontado como um dos fatores responsáveis pela perda de elasticidade e deficiência de cicatrização da pele. A permeação cutânea de compostos anti-AGE é uma limitação importante para eficiência terapêutica de compostos que devem atingir camadas mais profundas da pele. Modelos de pele reconstruída contendo equivalente dérmico glicado são estruturas tridimensionais geradas in vitro que mimetizam a pele humana e representam um eficiente modelo para o estudo de células e modificações provocadas na MEC no processo de envelhecimento e DM. O modelo 3D de pele reconstruída tem características metabólicas, de permeabilidade e atividade semelhantes à da pele original, potencializando seu papel nas investigações sobre permeabilidade de drogas, toxicidade, irritação, eficácia e segurança de compostos e diferenciação de queratinócitos. Uma série de compostos naturais ou sintéticos inibidores de AGEs têm sido descobertos e apresentados recentemente e podem representar inovação terapêutica no tratamento de modificações causadas pela a formação e acúmulo destes AGEs também na pele. Este estudo avaliou o desenvolvimento da pele reconstruída glicada e posteriormente, a avaliação da eficácia e toxicidade de compostos anti-glicação como aminoguanidina e carnosina em modelo de pele reconstruída glicada. Em perspectiva, este estudo contribuiu para o desenvolvimento de uma nova tecnologia in vitro, a pele reconstruída glicada, que auxiliará a compreensão da biologia da interação célula-MEC mimetizando processos fisiopatológicos importantes como o envelhecimento e o DM

The Advanced Glycation End Products (AGEs) of proteins is a common factor to the pathophysiology of a number of disorders related to aging and diseases such as diabetes mellitus (DM). The generation of the AGEs products on skin occurs mainly through non-enzymatic glycation reactions of the dermal extracellular matrix and has been touted as one of the factors responsible for loss of elasticity and disability of skin healing. The skin permeation of compounds is an important limitation for therapeutic/cosmetic efficacy of anti-AGE compounds, which must reach the deepest layers of the skin. Reconstructed skin model containing dermal equivalent modified by in vitro glycation is able to mimic the elderly human skin and represent an efficient model for the study of cells interactions and changes in extracellular matrix induced by aging and diabetes. The 3D reconstructed skin model has metabolic characteristics, permeability and activity similar to the original skin, reinforcing its role in drug permeability of investigations toxicity, irritation, safety and efficacy evaluation of compounds and differentiation of keratinocytes. A number of natural or synthetic AGEs inhibitor compounds have been recently discovered and displayed and can represent therapeutic innovation for the treatment of changes caused by the aging of the skin. In this study we performed the development of reconstructed glycated skin model and evaluated the efficacy and toxicity of anti-glycation compounds such as aminoguanidine and carnosine. In perspective, this study has contributed to the development of a new technology in vitro, and for the understanding cell-extracellular matrix interaction during the aging of skin

Análise da composição bioquímica da pele por espectroscopia Raman / Skin biochemical composition analysis by Raman spectroscopy

O envelhecimento cutâneo caracteriza-se por alterações celulares e moleculares. Neste contexto, a espectroscopia Raman Confocal foi utilizada para medir estas alterações bioquímicas em função da profundidade da pele in vivo. Neste estudo houve a tentativa de correlacionar os modos vibracionais dos aminoácidos puros com os espectros da pele de voluntárias de diferentes faixas etárias. Foram coletados espectros in vivo de 32 voluntárias, sendo 11 para o Grupo A (20-23 anos), 11 para o Grupo B (39-42 anos) e 10 para o Grupo C (59-62 anos). Para cada grupo, os espectros Raman foram medidos na superfície (0 µm), 30 ± 3 µm e 60 ± 3 µm. Os resultados das comparações intergrupos mostraram que o grupo de maior idade teve prevalência da banda da tirosina, mas também apresentou um decréscimo da banda do ácido pirrolidônico, centrada em 875 cm-1. A banda da amida I, centrada em 1637 cm-1, atribuída à presença de colágeno, como também outras proteínas e lipídeos, apresentou uma menor intensidade no Grupo C, o que pode ser justificado pelo decréscimo na concentração de colágeno em função da idade.

Skin aging is characterized by cellular and molecular alterations. In this context, Confocal Raman spectroscopy was used in vivo to measure these biochemical changes as function of the skin depth. In this study we have tried to correlate spectra from pure amino acids to in vivo spectra from volunteers with different ages. This study was performed on 32 volunteers: 11 from Group A (20-23 years), 11 from Group B (39-42 years) and 10 from Group C (59-62 years). For each group, the Raman spectra were measured on the surface (0 µm), 30 ± 3 µm and 60 ± 3 µm below the surface. The results from intergroup comparisons showed that the oldest group had a prevalence of the tyrosine band, but it also presented a decrease in the band centered at 875 cm-1 of pyrrolidone acid. The amide I band centered at 1637 cm-1 that is attributed to collagen, as well as other proteins and lipid, showed a smaller amount of these biomolecules for Group C, which can be explained by the decrease in collagen concentration as a function of age.

Identification of skin phototypes through in vivo photoacoustic measurements / Identificação dos fototipos de pele através de medidas fotoacústicas in vivo

The aim of the present work was to classify and identify skin phototypes through in vivo photoacoustic (PA) measurements. Fifty-seven female volunteers took part in the study, being clinically evaluated and classified according to skin phototype (Fitzpatrick classification). After cleaning the skin area to be measured, the PA signal level was obtained for the inner and outer faces of both forearms. Volunteers were then classified according to the respective PA signal amplitude; subsequently, this classification was compared to the phototype classification and to the recently proposed Baumann classification. Comparison between the PA signal of the inner and outer faces of the forearm shows a highly significant statistical difference (p < 0.005), attributed to the higher pigmentation level of the skin region continuously exposed to solar radiation, demonstrating that skin constitution and aspect are influenced by the level of sun exposure. Comparison among phototypes was performed separately for the inner and outer faces of the forearm. The results show that the PA signal level (amplitude) for the inner forearm tends to scale with skin phototype, also allowing the division of the volunteers in two groups, according to their pigmentation levels and also following the recent Baumann classification. In this way, the photoacoustic methodology presented allows an objective, numerical classification of the skin types.

O objetivo do presente trabalho foi de identificar e classificar os fototipos de pele através de mensurações fotoacústicas (PA) utilizada para caracterizar a pele em função da amplitude do sinal observado in vivo. Participaram do estudo cinquenta e sete mulheres voluntárias que incialmente foram avaliadas e classificadas de acordo com o fototipo da pele (classificação de Fritzpatrick). Foram realizadas medidas nas regiões interna e externa de ambos os antebraços, após a limpeza do mesmo com álcool 70%. As voluntárias foram classificadas de acordo com o sinal fotoacústico, em seguida comparados com a classificação proposta recentemente por Baumann. A comparação entre o sinal PA das faces interna e externa do antebraço mostra uma diferença altamente significativa (p < 0,005), atribuída ao maior nível de pigmentação da pele da região continuamente expostos à radiação solar, demonstrando que a constituição do aspecto da pele é influenciada pelo nível de exposição ao sol. A comparação entre os fototipos foi realizada separadamente para as faces interna e externa do antebraço. Os resultados mostram que o nível (amplitude) do sinal PA para a parte interna do antebraço tende a seguir a classificação em fototipos, permitindo também a divisão de voluntários em dois grupos, conforme o nível de pigmentação, seguindo assim a classificação recentemente proposta por Baumann. Assim, a metodologia fotoacústica apresentada permite uma classificação objetiva, numérica, dos tipos de pele.

Immediate and long-term effects of polysaccharides-based formulations on human skin

A new trend in cosmetic formulations is the use of biotechnological raw materials as the polysaccharides from Klebsiella pneumoniae, which are supposed to enhance cell renewal, improve skin hydration and micro-relief. Botanical extracts of Myrtus communis leaves contain different sugars, which may provide the same benefits. Thus, the objective of this study was to evaluate through objective and subjective analysis the immediate and long-term effects of cosmetic formulations containing polysaccharides biotechnologically-originated and / or the ones contained in Myrtus communis extracts. Three polysaccharide-based and placebo formulations were applied on the forearm skin of 40 volunteers. Skin hydration, transepidermal water loss (TEWL), viscoelasticity and skin micro-relief measurements were made before and 2 hours after a single application and after 15 and 30 day-periods of daily applications. Answers to a questionnaire about perceptions of formulation cosmetic features constituted the subjective analysis. All polysaccharide-based formulations enhanced skin hydration. Formulations with isolated or combined active substances improved skin barrier function as compared to placebo, in the short and long term studies. Formulations containing Myrtus communis extracts had the highest acceptance. Results suggest that daily use of formulations containing these substances is important for protection of the skin barrier function.

Uma nova tendência em formulações cosméticas é a utilização de matérias-primas biotecnológicas como os polissacarídeos de Klebsiella pneumoniae, que pode aumentar a renovação celular e melhor a hidratação e micro-relevo da pele. Por outro lado, o extrato vegetal de Myrtus communis contém diferentes polissacarídeos, que também podem proporcionar benefícios à pele. Assim, o objetivo do estudo foi a avaliação dos efeitos imediatos e em longo prazo, de formulações cosméticas contendo polissacarídeos obtidos por processo biotecnológico e/ou de extrato de M. communis por meio de análises objetivas e subjetivas. Três formulações contendo os polissacarídeos e um placebo foram aplicadas na pele dos antebraços de 40 voluntários. As medidas foram realizadas antes e após 2 horas da aplicação das formulações e após 15 e 30 dias de aplicações diárias em termos de hidratação da pele, perda transepidérmica de água (TEWL), viscoelasticidade e micro-relevo da pele. Para a análise subjetiva, os voluntários responderam um questionário a fim de obter-se informações sobre a percepção relativa à qualidade de cosméticos. Todas as formulações provocaram aumento da hidratação cutânea. As formulações que continham os polissacarídeos melhoraram a função barreira da pele, em curto e em longo prazo. A formulação contendo extrato de M. communis apresentou maior aceitação. Os resultados sugerem que o uso diário dos polissacarídeos avaliados é importante na proteção da função barreira da pele.

In vitro safety assessment of papain on human skin: A qualitative Light and Transmission Electron Microscopy (TEM) study / Avaliação in vitro da segurança de uso da papaína em pele humana: Estudo qualitativo por microscopia de luz e eletrônica de transmissão (MET)

Papain is a thiol proteolytic enzyme widely used in dermatology that found applications in wound treatment. Recently, papain was also used as absorption enhancer which can modify the peptide/protein material in the bilayer domain. We investigated papain safety using human skin that was exposed to papain in vitro at different times: 4, 24 and 48 hours. The samples were examined using Light and Transmission Electron Microscopy (TEM) to study of the mechanisms involved in enhancer-skin interaction. After 24 hours, changes occurred in corneosomes. However, samples of 48 hours did not show major changes in agreement with the control. These findings indicated that papain could be used safely onto the skin.

Papaína é uma enzima proteolítica amplamente utilizada na dermatologia para o tratamento de feridas. Atualmente, a papaína também tem sido empregada como promotor de absorção cutânea passível de modificar os domínios protéicos da epiderme. Nesta pesquisa investigou-se in vitro a segurança da papaína, utilizando pele humana exposta a enzima em diferentes períodos de tempo de contato: 4, 24 e 48 horas. As amostras foram avaliadas por Microscopia de Luz e Eletrônica de Transmissão (MET), técnicas que podem ser utilizadas no estudo dos mecanismos envolvidos na interação de promotores de absorção cutânea e a pele. Após 24 horas de contato entre a pele a solução de papaína, mudanças ocorreram nos corneossomos, no entanto, as amostras em contato por 24 horas não evidenciaram alterações relevantes comparadas com o controle. Os resultados indicaram que a papaína poderia ser seguramente aplicada sobre a pele.