Differenzielle Effekte von Coffein

Durchgeführt am Institut für Dermatologie der Universität Lübeck, Deutschland

Differenzielle Effekte von Coffein auf die Länge des Haarschafts, auf Wachstum und Vermehrung hornbildender Zellen, sowie auf Haarzyklus-regulierende Wachstumsfaktoren in männlichen und weiblichen menschlichen Haarfollikeln in vitro*

Das Hormon Testosteron ist ein wichtiger Faktor für die Entstehung des erblich bedingten Haarausfalls, der androgenetischen Alopezie (AGA). Testosteron wird durch ein Enzym (5α-Reduktase) zu Dihydrotestosteron (DH-Testosteron) umgesetzt. DH-Testosteron kann Prozesse einleiten, die aufgrund einer Verringerung des Energiespiegels eine verkürzte Wachstumsphase des Haares und somit Haarausfall zur Folge haben. Schrittweise können die Haarfollikel dadurch verkleinert und letztlich zerstört werden, so dass sich nach und nach eine Glatze bildet.

Coffein ist eines der weltweit bekanntesten Stimulantien, das z.B. in Kaffee enthalten ist. Sein anregender Effekt entsteht hauptsächlich durch die Hemmung eines Enzyms (Phosphodiesterase), die zu einem Anstieg des Wachstumsbotenstoffes cAMP führt. Dadurch steigt der zelluläre Energiespiegel an und fördert Zellwachstum und -vermehrung.

In früheren Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass Coffein den hemmenden Effekt von Testosteron auf Wachstum und Vermehrung hornbildender Zellen (sog. Keratinozyten) und das Wachstum männlicher Haarfollikel neutralisiert.

In dieser Studie wurde der Einfluss von Coffein auf den Haarzyklus und die Haarmatrix tiefergehend analysiert. Weiterhin wurde der Einfluss auf die Bildung zweier Hauptfaktoren, die das Haarwachstum regulieren (der transformierende Wachstumsfaktor TGF-β2 und der Insulinähnliche Wachstumsfaktor IGF-1), sowie auf hornbildende Zellen (Keratinozyten) aus der äußeren Haarwurzelscheide (ORSK), die aus menschlichen Haarfollikeln isoliert wurden, analysiert. Zusätzlich wurde untersucht, ob sich in Gegenwart von Testosteron der Coffein-Effekt auf männliche gegenüber weibliche Haarfollikel unterscheidet.

Methode 1: Haarorgankulturmodell (HOKM)

Die Coffein- und Testosteron-Wirkungen am Haar wurden durch das Haarorgankulturmodell (HOKM) abgebildet. Dafür wurden Haare aus der Kopfhaut gewonnen und unter Laborbedingungen kultiviert.

Untersucht wurde der Einfluss von Testosteron allein, sowie in Kombination mit unterschiedlichen Konzentrationen an Coffein im Vergleich zu einem reinen Nährmedium (Kontrolle).

Die Konzentrationen an Coffein (0.005%, 0.001%), die bereits in früheren Untersuchungen das Haarfollikelwachstum in Gegenwart von Testosteron stimulierten, zeigten sich hier an männlichen Follikeln erneut erfolgreich. Weibliche Haarfollikel reagierten empfindlicher auf Coffein als männliche (Abb. 1). Zur Stimulierung dieser genügten daher in Gegenwart von Testosteron bereits geringere Coffein-Konzentrationen (0.0005%).

Die Gestalt des Haarfollikels und die Haarzyklusphase (Wachstums- oder Ruhephase), sowie Zellwachstum und-vermehrung (Proliferation) und programmierter Zelltod wurden über Anfärbungsreaktionen visualisiert. Coffein erhöht die Proliferation der hornbildenden Zellen (Keratinozyten) und zeigt sich als Gegenspieler des Testosterons.

Abb.1: Der Einfluss von Testosteron und Coffein auf das Haarfollikelwachstum in weiblichen Haarfollikel (HOKM)

Abb.2: Neutralisation des negativen Effekts von Testosteron auf die Anagenrate (Wachstumsrate) durch Coffein in männlichen Haarfollikeln.

Es konnte zudem gezeigt werden, dass der negative Effekt von Testosteron auf den Haarzyklus durch den Zusatz von Coffein in männlichen (Abb. 2) und zu einem Anteil auch in weiblichen Haarfollikeln neutralisiert wird.

Auch die unmittelbar gebildeten Hauptfaktoren, die das Haarwachstum regulieren (TGF-β2 und IGF-1), konnten über eine Reaktion mit dem jeweiligen Antikörper nachgewiesen werden.

Methode 2: ORSK-Modell

Die hornbildenden Zellen (Keratinozyten) der äußeren Haarwurzelscheide (ORSK) wurden mit unterschiedlichen Coffein-Konzentrationen im Vergleich zu wachstumsfördernden Substanzen (Positivkontrolle: IGF-1 und Minoxidil) und wachstumshemmenden Substanzen (Negativkontrolle: Tretinoin) kultiviert und die resultierende Zellproliferation analysiert (Abb.3).

Alle untersuchten Coffein-Konzentrationen zeigten einen wachstumsfördernden Effekt in den ORSK nach 24 Stunden einen wachstumsfördernden Effekt in den ORSK im Vergleich zur Kontrolle. Die Positivkontrollen IGF-1 und Minoxidil zeigten eine etwas geringere Steigerung. Die Negativkontrolle (Tretinoin) hatte keinen Einfluss.

Abb.3: Positiver Effekt von Coffein auf das Zellwachstum im ORSK-Modell.

Am gleichen ORSK-Modell wurde der neutralisierende und schützende Effekt von Coffein untersucht. Sowohl der Einfluss von Substanzen, die in vivo Haarausfall fördern (wie TGF-β2, Anandamid), als auch der Einfluss von Coffein und bekannten Wachstumsfaktoren wie IGF-1 und KGF (Keratinozyten-Wachstumsfaktor) auf die ORSK wurde untersucht.

ORSK, die mit haarausfallfördernden Substanzen wie TGF-β2 oder Anandamid behandelt wurden, zeigten Anzeichen des physiologischen und des pathologischen Zelltods. Wurden die gleichen Zellen für 48 Stunden zusätzlich mit wachstumsfördernden Substanzen wie Coffein, IGF-1 oder KGF behandelt, wurde dieser Effekt neutralisiert. Ein signifikanter Schutzeffekt wurde bereits bei 0.001% Coffein festgestellt.

Die Genexpression von Wachstums-regulierenden Faktoren wie TGF-β2 und IGF-1 wurde nach Stimulation mit unterschiedlichen Coffein-Konzentrationen im Vergleich zu Positivkontrollen (IGF-1, Minoxidil) und Negativkontrollen (Tretinoin) in der äußeren (ORS) und der inneren Haarwurzelscheide (IRS) verifiziert.

In männlichen Haarfollikeln erhöhte Testosteron die Expression von Hauptfaktoren für den Übergang des Follikels in die Ruhephase (wie TGF-β2). In Gegenwart von Coffein konnte die Bildung dieses Faktors auf das Niveau der Kontrolle herunterreguliert werden. In weiblichen Follikeln konnte durch Testosteron keine erhöhte Bildung von TGF-β2 festgestellt werden.

Testosteron reduzierte in männlichen Haarfollikeln im Vergleich zur Kontrolle die Bildung von IGF-1, während eine Co-Kultivierung mit Coffein die Bildung steigerte. In weiblichen Haarfollikeln war der Effekt von Testosteron auf die Bildung von IGF-1 nicht so ausgeprägt. Allerdings führte die Kultivierung mit Coffein zu einer gesteigerten Bildung an IGF-1.

Ergebnisse

Im Rahmen der Studie konnte der haarwachstumsfördernde Effekt von Coffein auf männliche und weibliche Haarfollikel gezeigt werden: Coffein fördert das Haarfollikelwachstum, verlängert die Wachstumsphase (Anagen) und stimuliert Wachstum und Vermehrung hornbildender Zellen (Keratinozyten) der Haarmatrix. Hierbei zeigten weibliche Haarfollikel eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Coffein.

Der Einfluss von Coffein auf bestimmte Haarwuchsfaktoren wurde belegt: Coffein steigert die Bildung des Wachstumsfaktors IGF-1 und hemmt die Bildung des Faktors TGF-β2, der für den Übergang des Follikels in die Ruhephase verantwortlich ist.

Coffein neutralisiert die durch Testosteron induzierte Bildung von haarausfallfördernden Faktoren wie TGF-β2 in männlichen Haarfollikeln. In weiblichen Follikeln wird die Bildung von TGF-β2 nicht durch Testosteron induziert, durch Coffein allerdings reduziert. Bei beiden Geschlechtern konnte durch Coffein die Bildung des Haarwachstumsfaktors IGF-1 gesteigert werden. Diese Effekte konnten im HOKM sowie im ORSM beobachtet werden.

Zusammenfassung

Die Ergebnisse dieser in vitro-Studien zeigen die Bedeutung, die Coffein auf molekularer, zellulärer und auf Haarorgan-Ebene für das komplexe, menschliche Haarwachstum besitzt. Sie belegen die haarwachstumsfördernden und haarfollikelschützenden Eigenschaften des Coffeins für beide Geschlechter.

T. W. Fischer, E. Herczeg-Lisztes, W. Funk, D. Zillikens, T. Bíró, R. Paus, Br. J. Dermatol. 2014, 171, 1031-1043.

* Originaltitel der Studie: Differenzielle Effekte von Coffein auf die Länge des Haarschafts, die Keratinozyten-Proliferation der Matrix und der äußeren Wurzelscheide, sowie die TGF-β2-/IGF-1-vermittelte Regulierung des Haarzyklus in männlichen und weiblichen menschlichen Haarfollikeln in vitro.