Background: Excessive exposure to solar ultraviolet radiation is involved in the complex biologic process of cutaneous aging. Wavelengths in the ultraviolet-A and -B range (UV-A and UV-B) have been shown to be responsible for the induction of proteases, e. g. the collagenase matrix metalloproteinase 1 (MMP-1), which are related to cell aging. As devices emitting longer wavelengths are widely used in therapeutic and cosmetic interventions and as the induction of MMP-1 by water-filtered infrared-A (wIRA) had been discussed, it was of interest to assess effects of wIRA on the cellular and molecular level known to be possibly involved in cutaneous degeneration.
Objectives: Investigation of the biological implications of widely used water-filtered infrared-A (wIRA) radiators for clinical use on human skin fibroblasts assessed by MMP-1 gene expression (MMP-1 messenger ribonucleic acid (mRNA) expression).
Methods: Human skin fibroblasts were irradiated with approximately 88% wIRA (780-1400 nm) and 12% red light (RL, 665-780 nm) with 380 mW/cm(2) wIRA(+RL) (333 mW/cm(2) wIRA) on the one hand and for comparison with UV-A (330-400 nm, mainly UV-A1) and a small amount of blue light (BL, 400-450 nm) with 28 mW/cm(2) UV-A(+BL) on the other hand. Survival curves were established by colony forming ability after single exposures between 15 minutes and 8 hours to wIRA(+RL) (340-10880 J/cm(2) wIRA(+RL), 300-9600 J/cm(2) wIRA) or 15-45 minutes to UV-A(+BL) (25-75 J/cm(2) UV-A(+BL)). Both conventional Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction (RT-PCR) and quantitative real-time RT-PCR techniques were used to determine the induction of MMP-1 mRNA at two physiologic temperatures for skin fibroblasts (30 degrees C and 37 degrees C) in single exposure regimens (15-60 minutes wIRA(+RL), 340-1360 J/cm(2) wIRA(+RL), 300-1200 J/cm(2) wIRA; 30 minutes UV-A(+BL), 50 J/cm(2) UV-A(+BL)) and in addition at 30 degrees C in a repeated exposure protocol (up to 10 times 15 minutes wIRA(+RL) with 340 J/cm(2) wIRA(+RL), 300 J/cm(2) wIRA at each time).
Results: Single exposure of cultured human dermal fibroblasts to UV-A(+BL) radiation yielded a very high increase in MMP-1 mRNA expression (11 +/-1 fold expression for RT-PCR and 76 +/-2 fold expression for real-time RT-PCR both at 30 degrees C, 75 +/-1 fold expression for real-time RT-PCR at 37 degrees C) and a dose-dependent decrease in cell survival. In contrast, wIRA(+RL) did not produce cell death and did not induce a systematic increase in MMP-1 mRNA expression (less than twofold expression, within the laboratory range of fluctuation) detectable with the sensitive methods applied. Additionally, repeated exposure of human skin fibroblasts to wIRA(+RL) did not induce MMP-1 mRNA expression systematically (less than twofold expression by up to 10 consecutive wIRA(+RL) exposures and analysis with real-time RT-PCR).
Conclusions: wIRA(+RL) even at the investigated disproportionally high irradiances does not induce cell death or a systematic increase of MMP-1 mRNA expression, both of which can be easily induced by UV-A radiation. Furthermore, these results support previous findings of in vivo investigations on collagenase induction by UV-A but not wIRA and show that infrared-A with appropriate irradiances does not seem to be involved in MMP-1 mediated photoaging of the skin. As suggested by previously published studies wIRA could even be implicated in a protective manner.
Hintergrund: Eine übermäßige Exposition gegenüber Ultraviolettstrahlung der Sonne ist mit dem komplexen biologischen Prozess der Hautalterung verbunden. Für Wellenlängen im Ultraviolett A und B (UVA und UVB) wurde gezeigt, dass sie für die mit der Zellalterung verbundene Protease-Induktion, z. B. der Kollagenase Matrix-Metalloproteinase 1 (MMP-1), mitverantwortlich sind. Da längere Wellenlängen häufig für therapeutische und kosmetische Zwecke verwendet werden und die Induktion von MMP-1 durch wassergefiltertes Infrarot A (wIRA) diskutiert worden war, war es von Interesse, Effekte von wIRA, die zur Hautdegeneration führen könnten, auf zellulärem und molekularem Niveau zu untersuchen.
Ziele: Untersuchung der biologischen Wirkungen von klinisch häufig gebrauchten wassergefilterten Infrarot-A-Strahlern auf menschliche Hautfibroblasten anhand der MMP-1-Gen-Expression (Expression der MMP-1-Messenger-Ribonukleinsäure (mRNA)).
Methoden: Menschliche Hautfibroblasten wurden einerseits etwa 88% wIRA (780-1400 nm) und etwa 12% rotem Licht (RL, 665-780 nm) mit 380 mW/cm² wIRA(+RL) (333 mW/cm² wIRA) und andererseits zum Vergleich UVA-Strahlung (330-400 nm, vorwiegend UVA1) und einem kleinen Anteil von blauem Licht (BL, 400-450 nm) mit 28 mW/cm² UVA(+BL) ausgesetzt. Es wurden Überlebenskurven anhand der Koloniebildungsfähigkeit nach Einzelbestrahlungen zwischen 15 Minuten und 8 Stunden mit wIRA(+RL) (340-10880 J/cm² wIRA(+RL), 300-9600 J/cm² wIRA) oder 15-45 Minuten mit UVA(+BL) (25-75 J/cm² UVA(+BL)) erstellt. Sowohl die konventionelle Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) als auch die quantitative Echtzeit-RT-PCR wurden angewandt, um die Induktion von MMP-1-mRNA bei zwei physiologischen Temperaturen für Hautfibroblasten (30°C und 37°C) nach Einzelexposition (15-60 Minuten wIRA(+RL), 340-1360 J/cm² wIRA(+RL), 300-1200 J/cm² wIRA; 30 Minuten UVA(+BL), 50 J/cm² UVA(+BL)) und zusätzlich bei 30°C nach wiederholter Exposition (bis zu zehnmal 15 Minuten wIRA(+RL) mit bei jedem Mal 340 J/cm² wIRA(+RL), 300 J/cm² wIRA) zu bestimmen.
Ergebnisse: Nach einer einzelnen UVA(+BL)-Exposition von kultivierten menschlichen dermalen Fibroblasten zeigte sich eine sehr starke Zunahme der MMP-1-mRNA-Expression (11 ±1 fache Expression für RT-PCR und 76 ±2 fache Expression für Echtzeit-RT-PCR jeweils bei 30°C, 75 ±1 fache Expression für Echtzeit-RT-PCR bei 37°C) sowie eine dosisabhängige Minderung des Zellüberlebens. Im Gegensatz hierzu rief wIRA(+RL) kein Zellsterben und keine mit den angewendeten sensitiven Methoden erkennbare systematische Induktion der MMP-1-mRNA-Expression hervor (weniger als zweifache Expression, innerhalb der methodischen Schwankungsbreite). Auch bei wiederholter wIRA(+RL)-Exposition von menschlichen Hautfibroblasten wurde MMP-1-mRNA nicht systematisch induziert (weniger als zweifache Expression bei bis zu 10 aufeinanderfolgenden wIRA(+RL)-Expositionen und Analyse mit Echtzeit-RT-PCR).
Folgerungen: wIRA(+RL) induziert selbst unter den untersuchten unphysiologisch hohen Bestrahlungsstärken im Gegensatz zu UVA-Strahlung weder den Zelltod noch eine systematisch verstärkte Expression von MMP-1-mRNA. Diese Ergebnisse unterstützen Resultate früherer in vivo-Untersuchungen zur Kollagenase-Induktion durch UVA, aber nicht durch wIRA, und zeigen, dass Infrarot A bei adäquaten Bestrahlungsstärken nicht in die MMP-1-induzierte Lichtalterung der Haut involviert zu sein scheint. Wie in früher veröffentlichten Studien nahegelegt, könnte wIRA sogar eher mit einer Schutzfunktion verbunden sein.
Keywords: Matrix metalloproteinase 1 (MMP-1); UV-A radiation; infrared-A radiation (IR-A); photoaging; ultraviolet-A (UV-A); ultraviolet-A1 (UV-A1); water-filtered infrared-A (wIRA).