Drug delivery to the hair follicle : role of follicular tight junctions as a biological barrier and the potential for targeting clobetasol nanocarriers

Abstract

The porcine ear skin model has become a well-accepted in vitro model for follicular uptake studies of nanoparticle-based drug delivery systems. The present study further confirms the suitability and transferability of this model to human tissue regarding chemical composition of various hair follicle (HF) components, as well as expression and localization of follicular tight junction (TJ) proteins claudin-1, -3, -4, occludin, and ZO-1, by means of confocal Raman microscopy, qPCR, and immunostaining, respectively. Moreover, combining confocal Raman microscopy and optical profilometry allowed for a 3-D analysis of cyanoacrylate biopsies, the main analytical method to quantify follicular uptake, showing the removal of intact HFs and thus only further corroborating suitability and reliability of this technique. Furthermore, functionality of follicular TJs was investigated and a continuous TJ barrier was detected throughout the HF via an extracellular tracer molecule, confirming a second line of defense for xenobiotics. Modification of this barrier using EDTA was feasible. Lastly, the interplay of follicular uptake and interfollicular, transdermal permeation of three different nanocarriers for Clobetasol was evaluated. Although differing in the molecular architecture, all three particles displayed similar drug-releases and a similar reduction in skin permeation as opposed to dissolved drug. Follicular uptake, however, was particle-dependent. Massage amplified this uptake.Das Schweineohr-Hautmodell ist ein anerkanntes in vitro-Modell für follikuläre Aufnahmestudien von Nanopartikel-basierten Wirkstoffträgersystemen. Die vorliegende Arbeit bestätigt die Übertragbarkeit dieses Modells auf den Menschen hinsichtlich chemischer Zusammensetzung der verschiedenen Haarfollikel (HF)-Komponenten, sowie der Expression und Lokalisierung der follikulären Tight Junction (TJ) Proteine Claudin-1, -3, -4, Occludin und ZO-1, welche mittels konfokaler Raman Mikroskopie, qPCR und Immunfärbung gezeigt werden konnten. Durch die Kombination von konfokaler Raman-Mikroskopie und optischer Profilometrie wurde zudem eine 3D-Analyse von Cyanoacrylatbiopsien durchgeführt. Diese Analyse zeigte eine Entfernung des gesamten, intakten HF, wodurch Nutzen und Zuverlässigkeit der Technik bewiesen wurden. Ebenfalls wurde die Funktionalität der follikulären TJs untersucht. Mit Hilfe eines extrazellulären Tracermoleküls wurde eine intakte, kontinuierliche TJ-Barriere über den gesamten HF festgestellt, welche durch EDTA geöffnet werden konnte. Schließlich wurde ein Zusammenspiel zwischen follikulärer Aufnahme und Hautpermeation durch Verwendung dreier verschiedener mit Clobetasol-beladener Nanopartikel gezeigt. Obwohl sich diese in ihrem molekularen Aufbau unterscheiden, erzeugten alle ähnliche Arzneimittel-Freisetzungsprofile, sowie eine vergleichbare Minderung der Hautpermeation. Die follikuläre Aufnahme war jedoch Partikelabhängig. Massage verstärkte diese Aufnahme stets