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Comparative analysis of solar radiation-induced cellular damage between ex vivo porcine skin organ culture and in vitro reconstructed human epidermis

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Synopsis Reconstructed human epidermis models (RHE) constitute an innovative alternative to study phototoxicity and photoprotection in the cosmetic industry. However, little information is currently available concerning the harmful effects of solar-simulated radiation (SSR) in these skin models. In this study, the phototoxic effects of a single acute SSR dose of 275 kJ m were evaluated in a validated RHE model (from SkinEthic), and were compared with those obtained from an skin organ culture recently developed from domestic pig ears. The RHE model was well differentiated and released a significant level of the cytosolic enzymes lactate dehydrogenase (LDH) and extracellular signal-related kinase 2 (ERK2) protein in the culture medium 24 h after SSR exposure. The SSR-induced cytotoxicity was related to the formation of sunburn cells and the appearance of DNA damage (thymine dimer and DNA fragmentation) in keratinocytes. Interestingly, these DNA alterations were associated with the activation of the caspase-3 protease, mainly in the basal layers of the epidermis. In addition, the RHE model responses were comparable with porcine skin following solar irradiation, and none of the above cellular responses was observed in non-irradiated skin models. Finally, topical application of a broad-spectrum UVB + A sunscreen formulation efficiently protected both the RHE and pig skin against the deleterious effects of SSR. Thus, both RHE and pig skin organ culture models are complementary tools in the assessment of SSR-induced DNA damage and apoptosis, and they may be used to evaluate the photoprotective capacity of cosmetic formulations.

French
Résumé

Les épidermes humains reconstruits (EHR) constituent des modèles alternatifs innovants pour étudier la phototoxicité et la photoprotection dans l’industrie cosmétique. Toutefois, peu d’informations sont actuellement disponibles sur les effets nocifs des radiations solaires dans ces modèles in vitro de peau. Dans cette étude, les effets phototoxiques d’une dose unique aiguë de radiation solaire de 275 kJ m−2 ont étéévalués dans un modèle validé de EHR (provenant de SkinEthic). Ils ont aussi été comparés à ceux obtenus sur une culture organotypique de peau récemment développée ex vivoà partir d’oreilles de porc domestique. Le modèle EHR est bien différenciéin vitro, et il libère un taux significatif d’enzymes cytosoliques, la lactate déshydrogénase (LDH) et la protéine ERK2 (extracellular signal-related kinase 2), dans le milieu de culture 24 h après exposition solaire. La phototoxicité a été corrélée à la formation de cellules “coup de soleil” et à l’apparition de dommages à l’ADN (dimère de thymine et fragmentation de l’ADN) dans les kératinocytes du modèle EHR. Il est intéressant de noter que les altérations de l’ADN ont été associées à l’activation de la protéase caspase-3 majoritairement dans les couches basales de l’épiderme. De plus, le modèle EHR a répondu de façon comparable à la peau de porc suite à l’irradiation solaire, et chaque réponse cellulaire observée est spécifique aux modèles de peaux irradiées. Finalement, l’application topique d’un écran solaire à large spectre UVB + A protège efficacement à la fois les peaux humaine et porcine contre les effets délétères du rayonnement solaire. Ainsi, le modèle EHR et la culture organotypique ex vivo de peau d’oreille de porc sont des outils complémentaires pour étudier les dommages à l’ADN et l’apoptose induits par les radiations solaires. Ils pourraient être utilisés en complémentarité pour évaluer les capacités photoprotectrices d’une formulation cosmétique.
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Keywords: DNA damage; alternative skin model; caspase-3; phototoxicity; sunscreen

Document Type: Research Article

Publication date: August 1, 2009

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