Unsere Körperoberfläche ist Lebensraum einer Vielzahl von Mikroorganismen, die der Gesundheit dienen. Kosmetika sollten das natürliche Hautmikrobiom möglichst nicht stören. Deshalb hat bei Evonik ein Team um den Mikrobiologen Stefan Pelzer ein Modell entwickelt, an dem wichtige Inhaltsstoffe getestet werden können.
Wir können sie nicht sehen. Wir können sie nicht hören. Wir können sie nicht spüren. Doch sie sind überall – unser Körper ist übersät mit ihnen: Mikroorganismen. Kleinstlebewesen, die in unvorstellbarer Zahl unsere Haut besiedeln. Schätzungsweise 30 Billionen Bakterien beherbergt ein Mensch. Sie tummeln sich in den Poren auf unseren Armen, vermehren sich im Talg unserer Nase oder ernähren sich vom Schweiß der feuchten Wärme unserer Achseln.
Klingt eklig? Ist ganz natürlich. Der Mensch ist sogar auf seine Mitbewohner angewiesen. Sie halten zum Beispiel den Säureschutzmantel der Haut stabil und bilden einen natürlichen Schutz. Ohne ein stabiles Hautmikrobiom, wie die Gemeinschaft der Mikroben auf uns heißt, hätten Krankheitserreger leichtes Spiel.
Es lohnt sich also, die gesund erhaltenden Mikroorganismen auf der Haut ebenso gut zu pflegen wie die Haut selbst. Doch geht das überhaupt, angesichts der vielen Kosmetika, die in hiesigen Badezimmern zum Einsatz kommen?
Umfragen zufolge verwendet die Hälfte der Menschen in Deutschland täglich Hautpflegeprodukte. Weltweit werden mit Reinigern und Cremes, Lotionen und Masken, Seren und Ölen in diesem Jahr mehrere Hundert Milliarden US-$ umgesetzt.
Vielfältige Wohngemeinschaft
Doch wie wirken sich diese Pflegeprodukte auf das Hautmikrobiom aus? Bringen sie es aus dem Gleichgewicht? Und falls ja: Wie ließe sich das verhindern? Diesen Fragen geht in Halle-Künsebeck unweit von Bielefeld Professor Dr. Stefan Pelzer mit seinem Team nach. Der Mikrobiologe ist seit 2012 bei Evonik und leitet im Biotech Hub des Unternehmens die Mikrobiomforschung. Das Unternehmen verspricht sich viel von biobasierten, biotechnologisch hergestellten und biologisch abbaubaren Lösungen. Der Biotech Hub vereint die Kompetenzen auf diesem Gebiet, rund 150 Angestellte arbeiten an drei Standorten an fast 80 Projekten.
Pelzer, der bereits für den Bereich Animal Nutrition die Forschung zum Darmmikrobiom voranbrachte, erarbeitet mit seinem Team zurzeit die Grundlagen, um die Wirkung von Kosmetika auf das Hautmikrobiom künftig bereits im Labor abschätzen zu können. Denn Evonik entwickelt, produziert und vermarktet auch Inhaltsstoffe für Hautpflegeprodukte. Kunden des Bereichs Care Solutions sind Kosmetikfirmen, die selbstverständlich die neuesten Erkenntnisse in Sachen Mikrobiom und das Interesse potenzieller Endverbraucher daran in ein entsprechendes Produktangebot umsetzen wollen.
Voraussetzung dafür sind nachweislich „mikrobiomfreundliche“ Wirk- und Hilfsstoffe. Aus ihnen formulieren die Hersteller Produkte, die mit dem entsprechenden Versprechen beworben werden können. „Als mikrobiomfreundlich bezeichnen wir ein Produkt, das weder die Vermehrung der Mikroorganismen stört noch ihre Vielfalt gravierend verändert“, erklärt Pelzer.
Zur „natürlichen Besiedlung“ gehören zum Beispiel Staphylokokken, die sich gern in traubenähnlichen Gebilden anordnen, Corynebakterien, die unter dem Mikroskop wie kleine Keulen aussehen, stäbchenförmige Cutibakterien und viele mehr. Die Wohngemeinschaft aus Mikroorganismen ist vielfältig, unterscheidet sich allerdings in ihrer Zusammensetzung, je nachdem welche Körperstelle man betrachtet. So leben im feuchten Milieu der Kniekehlen nicht die gleichen Bakterien wie auf den eher trockenen Unterarmen. Und im Talg einer öligen Stirn, auf die viel Sonne trifft, fühlen sich andere Mitbewohner wohl als im Intimbereich, wo Bakterien mit wenig Licht und Sauerstoff auskommen müssen. Nur ganz bestimmte Arten sind als „Allrounder“ nahezu überall zu finden – sie stehen deshalb bei Evonik im Fokus.
Den Begriff Mikrobiom prägte 2001 der inzwischen verstorbene US-amerikanische Mikrobiologe und Nobelpreisträger Joshua Lederberg. Seitdem ist die Euphorie groß. Zunächst ging es vor allem um das Darmmikrobiom. Die Gemeinschaft der Mikroben im Verdauungstrakt ist – daran besteht kein Zweifel mehr – maßgeblich für Gesundheit und Wohlbefinden mitverantwortlich. Sie soll sogar im Zusammenhang mit Erkrankungen wie Diabetes oder Alzheimer stehen. „Was wir über die Besiedlung des Darms von Mensch und Tier wissen, ist uns beim Erforschen des Hautmikrobioms eine große Hilfe“, berichtet Pelzer. „Wir können zum Beispiel Technologien aus der Darmmikrobiom-Forschung übernehmen und viel über die richtige Herangehensweise lernen.“
Welche Mikroben sich auf der Haut eines Menschen tummeln, entscheidet sich schon bei seiner Geburt: Kommt ein Baby per Kaiserschnitt auf die Welt, besiedeln andere Bakterien seine Haut als nach einer natürlichen Geburt. Später beeinflussen das Alter, die Hormone, das Immunsystem, Antibiotikabehandlungen, der Wohnort und der Lebensstil das Ökosystem auf der Haut. Wie oft setzen wir uns der Sonne aus? In welchem Klima leben wir? Wie oft duschen wir, und womit waschen wir uns, welche Cremes tragen wir danach auf?
Konkurrenten auf der Haut
Wie Kosmetika und ihre Inhaltsstoffe auf die Haut wirken, ist bisher meist ohne angemessene Rücksicht auf das Mikrobiom getestet worden. Versuche beschränkten sich bestenfalls auf wenige Bakterienarten. „Das ist zu vereinfachend“, findet Pelzer, dem es darum geht, im Labor realistische Testbedingungen zu schaffen. Schließlich leben zahlreiche Mikroben auf der Haut zusammen. Sie stehen im Wettbewerb oder profitieren voneinander. Sie kommunizieren über Botenstoffe und beeinflussen sich in ihrem Wachstum gegenseitig. „Deshalb haben wir ein Mikrobiom-Modell aus den wichtigsten Hautmikroben entwickelt, das erstmals auch die Wechselwirkungen und Abhängigkeiten der Bakterien untereinander erfasst“, erklärt der Wissenschaftler, der derzeit auch Präsident der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie ist. „Denn eine gepflegte Haut, egal an welcher Stelle, ist auf ein ausbalanciertes Mikrobiom angewiesen.“
Das Team um Stefan Pelzer betrachtet die Mikroben nicht isoliert, sondern als Gemeinschaft. Ausgerichtet am Bedarf der Kosmetikindustrie und aufbauend auf ersten Experimenten bei der Creavis, der strategischen Forschungseinheit von Evonik, wurde ein Mikrobiom-Modell entwickelt. Die Forscher in Halle-Künsebeck nahmen sich die verschiedenen Hautzonen – trocken, feucht, ölig – zum Vorbild und stellten aus jenen Bakterien, die in allen drei Bereichen siedeln, sogenannte Co-Kulturen zusammen. Acht bis zehn der häufigsten Mikrobenarten wachsen gleichzeitig in Nährmedien, scheiden wie auf der menschlichen Haut Stoffwechselprodukte aus, interagieren und konkurrieren miteinander. Setzt man sie gemeinsam den Inhaltsstoffen von Kosmetika aus, kann das ihr Zusammenspiel beeinflussen. Damit geht die Komplexität des Systems weit über die der bisher verfügbaren Tests hinaus.
Wie die Mikroben auf Tenside, Ceramide, Öle oder Feuchtigkeit spendende Stoffe reagieren, lässt sich nicht mit bloßem Auge sehen. Die Aufschlüsselung der spezifischen Bakterien-DNA in einer Probe verrät jedoch genau, welche Mikroben eine Testsubstanz gut aushalten und welche womöglich ganz verschwinden. „Wir haben festgestellt, dass manche Inhaltsstoffe Diversität und Wachstum kaum beeinflussen“, berichtet Pelzer. „Andere am Markt erhältliche Substanzen wiederum hatten immense Effekte auf die Vielfalt der Hautbakterien.“
Eine kleine Herausforderung auf dem Weg zum mikrobiomfreundlichen Produkt sind Konservierungsstoffe. Sie sind unverzichtbar, damit eine Creme im Tiegel nach dem Öffnen haltbar bleibt. Sie hemmen nach dem Auftragen aber auch das Wachstum der „guten“ Bakterien auf der Haut, zumindest vorübergehend. Hier gilt es, Mittel zu finden, die einerseits ihre Funktion als Konservierungsmittel erfüllen und andererseits dem Mikrobiom so wenig wie möglich schaden. Am Standort Hamburg arbeitet ein Team von Care Solutions an genau dieser Aufgabe: Es entwickelt Konservierungsstoffe ausschließlich aus natürlichen Rohstoffen.
Gerät die Bakterien-WG auf der Haut für längere Zeit aus dem Gleichgewicht, etwa durch Antibiotika oder übertriebene Hygiene, schwächt das die Barrierefunktion der Haut. Dann können unerwünschte Mikroorganismen die Oberhand gewinnen. Ein Beispiel: Cuti-bacterium acnes gehört zu den häufigsten Vertretern auf der menschlichen Haut. Werden bestimmte Stämme davon aber dominant, kann das Akne begünstigen. Oder ein Hefepilz breitet sich leichter aus, wodurch sich Schuppen bilden. Neben Kosmetika, die das Mikrobiom möglichst nicht stören, hat die Evonik-Forschung auch Pflegeprodukte im Blick, die das Wachstum bestimmter Bakterien sogar fördern – ähnlich wie sich mit probiotischen Joghurts die Darmflora gesund halten lässt.
Gefrierschrank und Brutschrank
Viele der Versuche laufen im Labor in Halle-Künsebeck unter strengen Sicherheitsvorschriften. Nur nach einer Einweisung und ausgerüstet mit Kittel und Schutzbrille ist der Zutritt erlaubt. Einerseits bewahren diese Regeln die wertvollen Kulturen vor Verunreinigungen, andererseits schützen sie Mitarbeiter oder Besucher vor den Bakterien. Die Mikroben lagern bei minus 80 Grad Celsius in einem Gefrierschrank, den ein Zahlenschloss sichert. Angenehmere Temperaturen herrschen in großen Brutschränken, die zahlreiche Glaskolben gleichzeitig wärmen und schwenken. In einer hypoxischen Station arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit anaeroben Mikroben, die ohne Sauerstoff auskommen. In einem Hochdurchsatz-Kultivator und einem Mikrobioreaktor vermehren die Forschenden kontrolliert Bakterien und verfolgen deren Wachstum online. Wie gut oder wie schlecht die Kulturen gedeihen, ermitteln sie auch per Durchflusszytometrie, einem Verfahren, bei dem sich Zellen mithilfe von Laserlicht voneinander unterscheiden lassen.
Einen Teil der Arbeit, die früher Menschen verrichteten, erledigen im Evonik-Labor Maschinen: In einem Raum picken Hightech-Roboter Bakterien von Nährböden, in einem anderen pipettieren und verdünnen sie mit präzisen Bewegungen Proben. „Die Automatisierung von Arbeitsschritten spart uns viel Zeit“, sagt Pelzer. „Wir kommen so schneller zum Ergebnis und schaffen Kapazitäten für andere Aufgaben.“
Die Erforschung des Mikrobioms bei Akne zum Beispiel. Michelle Dargatz ist bei Evonik dafür zuständig. Die Biotechnologin arbeitet seit sieben Jahren im Unternehmen, kürzlich hat sie eines der Evonik-Modelle auf einem internationalen Hautmikrobiom-Kongress in Den Haag vorgestellt. In Künsebeck entwickelt sie jetzt das erste Modell, das Problemhaut simulieren soll.
Leiden Menschen unter Akne, liegt das unter anderem daran, dass sich bestimmte Stämme von Cutibacterium acnes auf ihrer Haut besonders wohlfühlen. Sie vermehren sich im Talg übermäßig und verdrängen dadurch andere Mikroben. Dargatz untersucht, wie Bakteriengemeinschaften, die typischerweise auf Aknehaut zu finden sind, auf bestimmte Inhaltsstoffe von Kosmetika reagieren. Welchen Effekt hat beispielsweise Salicylsäure, die in Pflegeprodukten für unreine Haut zu finden ist? Wie reagiert das Cutibacterium acnes auf entzündungshemmendes Zink? Und welche Substanzen verbessern den Abfluss des Talgs, ohne dabei die „guten“ Hautbakterien zu stören?
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AUS DEM REAGENZGLAS AUF DIE HAUT
In einer Labor-Sterilbank läuft gerade der erste Test mit sogenannten Stressfaktoren. Dargatz will prüfen, wie ihre Bakterien auf UV-Licht, also Sonneneinstrahlung, reagieren. Einige Stunden lang stehen sie im leuchtenden Blau, danach wird gezählt, ob sie sich noch normal vermehren können.
„Mithilfe der beiden Modelle für normale und akneanfällige Haut wollen wir Mikroorganismen und ihre Wechselwirkungen genau verstehen, um die Produkte für unsere Kunden zu verbessern“, sagt Forschungsleiter Pelzer. Bislang habe das Team rund 30 Substanzen aus Kosmetika an den Kulturen überprüft, darunter sowohl eigene Inhaltsstoffe als auch Produkte von Kunden. Eine wichtige Erkenntnis: Die Formulierung, also der Mix verschiedener Substanzen, kann die Wirkung einzelner Zutaten aufheben oder verändern.
In Zukunft will Pelzers Team vor allem Inhaltsstoffe und Formulierungen aus den Evonik-Laboren mit den Hautmikrobiom-Modellen testen. Zudem sollen weitere Mikrobiom-Modelle entwickelt werden, die etwa Kopfhaut mit Schuppen, atopische Dermatitis oder ältere Haut imitieren. Computersimulationen, ergänzt Pelzer, könnten seine Forschung dank künstlicher Intelligenz bald unterstützen und Vorhersagen zur Wirkung von Substanzen treffen.
Noch untersucht das Team im Biotech Hub die Bakterien in Reagenzgefäßen. Doch Pelzer plant schon den nächsten Schritt: „Es wäre die Königsdisziplin, die Mikroben in Zukunft auf künstlichem 3D-Hautgewebe zu untersuchen, um auch ihre Interaktion mit den Hautzellen zu erforschen.“ Um diesem Ziel näher zu kommen, arbeitet die Gruppe in Halle-Künsebeck eng mit anderen Evonik-Forschungseinheiten zusammen. Dazu gehört das Evonik Skin Institute in Singapur, das im März dieses Jahres gegründet wurde. „Zu untersuchen, wie Kosmetika auf die Haut wirken und was der Verbraucher von den Produkten erwarten kann, ist eine unserer Spezialitäten“, sagt Leiterin Dr. Jennifer Bourland.
Das Team der Zellbiologin arbeitet nicht nur an Zellkulturen und Geweben, sondern lässt auch Tests an Freiwilligen durchführen. Das Skin Institute dient somit als Schnittstelle zwischen Markt und Wissenschaft. Seit drei, vier Jahren spiele das Mikrobiom für die Kosmetikindustrie eine zunehmende Rolle, berichtet Bourland: „Und inzwischen ist das mehr als nur ein Trend. Das Hautmikrobiom ist zu einem ganz wichtigen Faktor bei der Vermarktung von Kosmetikprodukten geworden.“
Gut 20 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten mit Bourland im Skin Institute an verschiedenen Projekten, das Mikrobiom fasziniert die Biotechnologin aber besonders: „Es kristallisiert sich heraus, dass es nicht nur mit Erkrankungen im Zusammenhang steht, sondern auch bei Gesunden mit der Haut interagiert und ebenso wie das Darmmikrobiom Einfluss auf viele Bereiche unseres Lebens hat.“
Weltweit vernetzt
Mit Stefan Pelzer in Deutschland ist Bourlands Team nahezu wöchentlich in Kontakt. „Haben wir beispielsweise Substanzen, die wir für das Mikrobiom für interessant halten, testen die Kollegen sie für uns. Wir arbeiten viel an der Haut, die Künsebecker viel am Mikrobiom“, berichtet Bourland. Beides miteinander zu kombinieren sieht auch sie als großes Ziel.
Um es zu erreichen, arbeitet das Skin Institute mit verschiedenen Start-ups zusammen, die sich mit Hautbiologie beschäftigen. „Auf der Suche nach neuen Wegen und Innovationen ist unser Netzwerk ein wichtiger Schlüssel zum Erfolg“, so die Wissenschaftlerin. Bisher stehen die Tests des Mikrobioms auf Laborhaut aber am Anfang. „Die Modelle sind noch nicht repräsentativ für das, was wirklich auf der Haut geschieht“, sagt Bourland, „doch wir arbeiten daran.“
In absehbarer Zeit, glaubt die Zellbiologin, werden viele Kosmetika in den Drogerieregalen mikrobiomfreundlich sein. „Bei ihrer Entwicklung wird es die größte Herausforderung sein, auf möglichst vieleMikrobiome einzugehen, da diese ja sehr individuell sind“, so Bourland.
Um diese Individualität weiter zu erforschen, ist Evonik weltweit vernetzt. Auch mit dem Center for Microbiome Innovation der University of California in San Diego (USA) sind die Forschenden aus Künsebeck in regelmäßigem Kontakt. Hinzu kommt der Austausch mit Kosmetikherstellern, die die Interessen ihrer Kunden im Blick haben. Ob Kalifornien, Singapur oder Deutschland – das gemeinsame Ziel ist klar: In Zukunft sollen wissenschaftlich nachgewiesene Pflegeprodukte das Hautmikrobiom schützen und unterstützen. Um die Gesundheit zu erhalten und optimale Hautpflege zu ermöglichen – ganz individuell.
Stefan Pelzer erklärt den Forschungsansatz
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