DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-88899-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39929949
تاريخ النشر: 2025-02-10
المؤلف: Thomas Sjøberg وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في توصيل الأدوية عبر الجلد
نظرة عامة
تبحث الدراسة في آثار النياسيناميد (NIA) على الترطيب والتنظيم الجزيئي للطبقة القرنية (SC)، وهي الحاجز الأساسي للبشرة. على الرغم من سلامته وفعاليته المعروفة في العناية بالبشرة، إلا أن التأثير المباشر لـ NIA على تنظيم مصفوفة الدهون في SC وسلوك امتصاص الماء عند مستويات رطوبة نسبية مختلفة (RH) لم يتم فحصه بدقة. باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية ذات الزاوية الصغيرة والعريضة وتقنيات امتصاص البخار الديناميكي، تقارن الدراسة عينات SC المعالجة بـ NIA مع عينات التحكم غير المعالجة عبر ظروف رطوبة مختلفة.
تكشف النتائج الرئيسية أن NIA، على الرغم من عدم كونه مائيًا، يعزز بشكل كبير امتصاص الماء في SC عند رطوبة عالية (95% RH). عند رطوبة أقل (60% RH)، يزيد NIA المسافة بين وحدات الكيراتين، مما يشير إلى تأثير مرطب قد يحسن مرونة SC في البيئات الأكثر جفافًا، على الرغم من انخفاض محتوى الماء الكلي. بالإضافة إلى ذلك، يغير NIA أنماط الحيود لمصفوفة الدهون بشكل مختلف عند 60% و95% RH، مما يدل على تفاعله مع كل من مجالات الدهون والبروتين داخل SC. يبدو أن هذه التأثيرات مستقلة عن الجرعة المحددة المستخدمة، مما يبرز عتبة التركيز لعمل NIA. بشكل عام، يظهر NIA تفاعلًا فريدًا مع الكيراتين، مما يعزز التغيرات الهيكلية دون أن يعمل كعامل تقشير تقليدي.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة، بما في ذلك النياسيناميد، NaCl، KH₂PO₄، Na₂HPO₄•2H₂O، LiCl، NaOH، HCl، وتربسين مستخرج من بنكرياس البقر، جميعها تم الحصول عليها من Sigma-Aldrich. تم إعداد نوعين من محاليل الملح المصفى: محلول ملحي مخفف بالفوسفات (PBS) عند pH 7.4، يتكون من 130.9 مليمول NaCl، 5.1 مليمول Na₂HPO₄•2H₂O، و1.5 مليمول KH₂PO₄، ومحلول ملحي مخفف بالسترات (CBS) عند pH 5.0، يتكون من 130.9 مليمول NaCl، 5.8 مليمول سترات الصوديوم (C₆H₇NaO₇)، و4.2 مليمول حمض الستريك (C₆H₈O₇).
بالإضافة إلى ذلك، تم إعداد المحاليل المخففة بالفوسفات والسترات (PB وCB) بدون NaCl، مع إجراء تعديلات على pH لتحقيق المستويات المرغوبة باستخدام 2 M NaOH أو 1 M HCl. تم صياغة جميع المحاليل المائية باستخدام مياه Millipore بمقاومة 18.2 MΩ•cm، مما يضمن نقاءً عاليًا لدقة التجارب.
النتائج
في هذه الدراسة، تم التحقيق في آثار النياسيناميد (NIA) على خصائص الترطيب والبنية الجزيئية للطبقة القرنية (SC) من خلال سلسلة من بروتوكولات العلاج التي تغيرت فيها pH والملوحة. يتراوح pH الفسيولوجي لـ SC عادة بين 4 و6، ولكن تركيبات العناية بالبشرة يمكن أن تغير pH الجلد المحلي عند التطبيق. لاستكشاف ذلك، استخدم الباحثون علاجات مسبقة باستخدام محاليل مخففة حمضية (pH 5.0) ومحايدة (pH 7.4). بالإضافة إلى ذلك، اعتبرت الملوحة عاملاً مهمًا، حيث أشارت الدراسات السابقة إلى أن الملح يعزز قدرة SC على امتصاص الماء، على الرغم من أن تأثيره على التنظيم الجزيئي لا يزال أقل فهمًا.
شمل التصميم التجريبي معالجة مسبقة لعينات SC باستخدام محلول مخفف بالسترات عند pH 5.0 (مع وبدون ملح) ومحلول مخفف بالفوسفات عند pH 7.4 (أيضًا مع وبدون ملح). بعد المعالجة المسبقة، تم حضانة عينات SC مع تركيز 5% وزني من NIA لمدة 24 ساعة، بينما كانت العينات غير المعالجة تعمل كعينات تحكم، تم علاجها في المحاليل المخففة المقابلة بدون NIA. تم اختيار هذا التركيز ليعكس الاستخدام النموذجي في التركيبات التجارية، مع الاعتراف بأن التغيرات في التركيز شائعة في الممارسة. تهدف الدراسة إلى توضيح كيفية تأثير pH والملوحة على اختراق NIA والتأثيرات الناتجة على خصائص SC.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على آثار النياسيناميد (NIA) على الترطيب والتنظيم الجزيئي للطبقة القرنية (SC). استخدمت الدراسة تجارب امتصاص البخار الديناميكي (DVS) لتقييم امتصاص الماء في عينات SC المعالجة مسبقًا بـ NIA عبر مستويات رطوبة نسبية مختلفة (RH). أشارت النتائج إلى أنه بينما NIA غير مائي، فإنه يعزز بشكل كبير امتصاص الماء عند RH عالية (95%)، مما يشير إلى أن تأثيراته المرطبة ليست بسبب خصائصه الجاذبة للماء. عند RH أقل (60%)، أدى علاج NIA إلى انخفاض طفيف في محتوى الماء في SC، مما يتناقض مع العلاجات المالحة التي زادت باستمرار من الترطيب عند كلا مستويي الرطوبة. تشير النتائج إلى أن NIA قد يؤثر على ديناميات ترطيب SC والتنظيم الجزيئي، خاصة عند RH مرتفعة.
أوضحت تحليلات حيود الأشعة السينية المزيد من التغيرات الهيكلية في بروتينات ودهون SC بسبب علاج NIA. كشفت بيانات SAXD وWAXD أن الترطيب يؤدي إلى توسيع المسافة بين وحدات الكيراتين، مشابهًا لتأثيرات الماء، مع إمكانية أن يحاكي NIA هذا التأثير المرطب حتى عند انخفاض محتوى الماء. من الجدير بالذكر أن علاج NIA أدى إلى زيادة الفوضى داخل بنية الكيراتين، مما يشير إلى تأثير مشابه لتأثيرات التقشير، على الرغم من أنه لم يقم بتفكيك الكيراتين كما يفعل عامل التقشير التقليدي. تختتم الدراسة بأن NIA يعزز مرونة SC وقابليتها للتكيف، خاصة في الظروف الجافة، من خلال الحفاظ على الحركة الجزيئية بطريقة مشابهة للماء، مما يساهم في فعاليته في تركيبات العناية بالبشرة الموضعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-88899-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39929949
Publication Date: 2025-02-10
Author(s): Thomas Sjøberg et al.
Primary Topic: Advancements in Transdermal Drug Delivery
Overview
The research investigates the effects of niacinamide (NIA) on the hydration and molecular organization of the stratum corneum (SC), the skin’s primary barrier. Despite its established safety and efficacy in skincare, the direct influence of NIA on SC lipid matrix organization and water sorption behavior at varying relative humidity (RH) levels had not been thoroughly examined. Utilizing small-and wide-angle X-ray diffraction and dynamic vapor sorption techniques, the study compares NIA-treated SC samples to untreated controls across different humidity conditions.
Key findings reveal that NIA, while non-hygroscopic, significantly enhances water uptake in the SC at high humidity (95% RH). At lower humidity (60% RH), NIA increases the spacing between keratin monomers, suggesting a plasticizing effect that may improve SC flexibility in drier environments, despite low overall water content. Additionally, NIA alters the diffraction patterns of the lipid matrix differently at 60% and 95% RH, indicating its interaction with both lipid and protein domains within the SC. These effects appear to be independent of the specific dosage used, highlighting a concentration threshold for NIA’s action. Overall, NIA demonstrates a unique interaction with keratin, promoting structural changes without functioning as a traditional keratolytic agent.
Methods
In this study, various materials were utilized, including Niacinamide, NaCl, KH₂PO₄, Na₂HPO₄•2H₂O, LiCl, NaOH, HCl, and trypsin sourced from bovine pancreas, all procured from Sigma-Aldrich. Two types of buffered saline solutions were prepared: Phosphate Buffered Saline (PBS) at pH 7.4, consisting of 130.9 mM NaCl, 5.1 mM Na₂HPO₄•2H₂O, and 1.5 mM KH₂PO₄, and Citrate Buffered Saline (CBS) at pH 5.0, composed of 130.9 mM NaCl, 5.8 mM sodium citrate (C₆H₇NaO₇), and 4.2 mM citric acid (C₆H₈O₇).
Additionally, corresponding phosphate and citrate buffers (PB and CB) were prepared without NaCl, with pH adjustments made to achieve the desired levels using 2 M NaOH or 1 M HCl. All aqueous solutions were formulated using Millipore water with a resistivity of 18.2 MΩ•cm, ensuring high purity for experimental accuracy.
Results
In this study, the effects of niacinamide (NIA) on the hydration properties and molecular structure of the stratum corneum (SC) were investigated through a series of treatment protocols that varied pH and salinity. The physiological pH of the SC is typically between 4 and 6, but skincare formulations can alter local skin pH upon application. To explore this, the researchers employed pretreatments using acidic (pH 5.0) and neutral (pH 7.4) buffers. Additionally, salinity was considered a significant factor, as previous studies indicated that salt enhances the SC’s water sorption capacity, although its impact on molecular organization remains less understood.
The experimental design involved pretreating SC samples with citrate buffer at pH 5.0 (both with and without salt) and phosphate buffer at pH 7.4 (also with and without salt). Following pretreatment, the SC samples were incubated with a 5 wt% concentration of NIA for 24 hours, while untreated samples served as controls, treated in the corresponding buffers without NIA. This concentration was chosen to reflect typical usage in commercial formulations, acknowledging that variations in concentration are common in practice. The study aims to elucidate how pH and salinity influence NIA penetration and the resultant effects on SC properties.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the effects of niacinamide (NIA) on the hydration and molecular organization of the stratum corneum (SC). The study utilized dynamic vapor sorption (DVS) experiments to assess water uptake in SC samples pretreated with NIA across varying relative humidity (RH) levels. Results indicated that while NIA is non-hygroscopic, it significantly enhances water uptake at high RH (95%), suggesting that its hydrating effects are not due to its intrinsic water-attracting properties. At lower RH (60%), NIA treatment resulted in a slight reduction in SC water content, contrasting with saline treatments that consistently increased hydration at both humidity levels. The findings imply that NIA may influence SC hydration dynamics and molecular organization, particularly at elevated RH.
X-ray diffraction analyses further elucidated the structural changes in SC proteins and lipids due to NIA treatment. The SAXD and WAXD data revealed that hydration leads to an expansion of keratin monomer spacing, akin to the effects of water, with NIA potentially mimicking this hydration effect even at lower water contents. Notably, NIA treatment resulted in increased disorder within the keratin structure, suggesting a keratolytic-like action, although it did not disintegrate keratin as a traditional keratolytic agent would. The study concludes that NIA enhances SC flexibility and pliability, particularly in dry conditions, by maintaining molecular mobility in a manner similar to water, thereby contributing to its efficacy in topical skincare formulations.