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Skin barrier structure, function and formation – learning from cryo-electron microscopy of vitreous, fully hydrated native human epidermis

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Synopsis The hydration level of the stratum corneum largely depends on the physical state and molecular organization of the stratum corneum intercellular lipid matrix. A better understanding of stratum corneum lipid organization may thus aid the development of more rational cosmetic formulations. Several experimental and theoretical problems of a fundamental character remain, however, unresolved. These are, e.g. that precise quantitative skin barrier compositional data are difficult to obtain and that experimental skin barrier models usually are of limited value because of the prevailing non-equilibrium conditions . However, new experimental methods have recently been developed, which may help to overcome some of these limitations. These are, e.g. direct electrospray ionization-mass spectrometry (ESI-MS) of intact long-chain skin ceramides and direct high-resolution cryo-transmission electron microscopy (cryo-TEM) of vitreous sections of native, fully hydrated epidermis. Here, we show that cryo-transmission electron micrographs of vitreous normal human skin often dramatically differ from those obtained by conventional electron microscopy of resin-embedded skin. Our epidermal cryo-TEM data are subsequently discussed in relation to central problems of present conceptions of skin barrier structure, function and formation.

French
Résumé

Le taux d’hydratation du stratum corneum dépend grandement de l’état physique et de l’organisation moléculaire de la matrice lipidique inter-cellulaire du stratum corneum. Une meilleure compréhension de l’organisation lipidique du stratum corneum peut ainsi aider au développement plus rationnel des formules cosmétiques. Plusieurs problèmes expérimentaux et théoriques, d’aspects fondamentaux, restent cependant non résolus. Ainsi, par exemple, les données quantitatives précises de la composition de la barrière cutanée sont difficiles à obtenir et les modèles expérimentaux in vitro de barrière cutanée sont d’interêt limité vis à vis des véritables conditions de non-équilibre de l’in vivo. Cependant, quelques nouvelles méthodes expérimentales récemment développées devraient aider à s’affranchir de ces limitations. Celles ci sont, par exemple, la spectrométrie de masse par electrospray- ionisation (ESI-MS) des céramides intacts à longues chaînes et l’observation directe par la microscopie électronique de cryo-transmission (cryo-TEM) à haute résolution, de sections vitreuses d’un épiderme natif, pleinement hydraté. Nous montrons ici que les images de microscopie électronique par cryo-transmission de peau normale humaine vitreuse, divergent souvent largement de ceux obtenus par microscopie électronique conventionnelle d’une peau incluse dans une résine. Nos résultats de cryo-TEM obtenus sur l’épiderme sont par conséquent discutés vis à vis des problèmes centraux des conceptions actuelles quant aux structure, fonction et formation de la barrière cutanée.
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Keywords: ceramides; lipids; stratum corneum

Document Type: Research Article

Affiliations: Group of Applied Physics (GAP) – Biomedical, Department of Physics, University of Geneva, Geneva, Switzerland, and Department of Cell and Molecular Biology (CMB) and Department of Medical Biochemistry and Biophysics (MBB), Karolinska Institute, Stockholm, Sweden

Publication date: October 1, 2003

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