A human skin explant model to study molecular changes in response to fractional photothermolysis: Spatio-temporal expression of HSP70

Background and objectivesAblative fractional photothermolysis (AFP) is a new concept to treat aged skin. Despite growing clinical experience, little is known about the molecular changes induced over time by AFP in the targeted skin compartments. This is due, in part, to difficulties in obtaining multiple skin biopsies from AFP-treated individuals. In an attempt to circumvent these limitations, a human skin explant model was designed. In order to test its suitability as a model to study molecular changes induced by AFP, the spatio-temporal expression of heat shock protein 70 (HSP70) has been investigated in response to AFP at different pulse energies.Materials and methodsAFP was performed using a scanned 250 μm CO2-laser beam. The ablative single pulse energies were set to 50, 64 and 300 mJ at 150 ablation zones per cm2. The immediate response to AFP, as well as a response 1, 3 or 7 days after AFP, was studied; untreated skin explants served as a control. Additionally, intradermal injections of transforming growth factor β (TGF-β) on day 0 served as a positive control for HSP70 induction in non-laser-treated samples, cultivated over 7 days. A routine pathology workup and immunohistochemistry (HSP70) was performed in all untreated (control group and positive control samples) and AFP-treated samples. In summary, a total of 245 samples were investigated.ResultsIn this explant model, HSP70 showed a clear time-dependent induction by AFP with expression profile being most prominent in the epidermis, a marked up-regulation at 1 h following AFP, peaking between 1 and 24 h post-treatment, only then to decline significantly within the following 7 days.ConclusionThe human skin explant model can be used to bridge the gap between in vitro cell culture experiments and in vivo investigations to study the spatio-temporal effects of AFP on human skin. Specifically, CO2-laser AFP of skin explants resulted in an energy-dependent, short-lived up-regulation of HSP70 expression predominantly in the epidermal compartment.

ZusammenfassungHintergrundDie ablative fraktionierte Photothermolyse (AFP) gehört zu den neuen Behandlungsverfahren von Alterserscheinungen der Haut. Trotz wachsender klinischer Erfahrung ist nur wenig über die durch AFP induzierten molekularen Veränderungen im Zielgewebe im Zeitverlauf bekannt. Aufgrund der Schwierigkeit, multiple Hautbiopsien von mit AFP behandelten Individuen zu erhalten, wurde ein humanes Hautexplantatmodell entwickelt. Um dessen Eignung als Modell zur Untersuchung der durch AFP induzierten Veränderungen zu testen, wurde die zeitlich-räumliche Expression des Hitzeschockproteins HSP70 nach Applikation verschiedener Laserenergien untersucht.Material und MethodenVerwendet wurde ein CO2-Laser (Laserstrahldurchmesser: 250 μm) mit ablativen Energien der Einzelpulse von 50, 64 und 300 mJ und einer Ablationsdichte von 150 pro cm2. Untersucht wurden die Reaktionen unmittelbar nach AFP sowie nach 1, 3 und 7 Tagen; unbehandelte Hautproben dienten als Kontrollproben. Zusätzlich dienten intradermale Injektionen mit TGF-β in unbehandelte Hautproben als Positivkontrollen für die HSP70-Induktion.Alle nicht behandelten (Kontrollproben, Positivkontrollen) und AFP-behandelten Hautproben wurden routinepathologisch und immunhistochemisch (HSP70) aufbereitet. Insgesamt wurden so 245 Proben untersucht.ErgebnisseIm Explantatmodell zeigte sich eine klare zeitabhängige Induktion von HSP70 mit größter Prominenz in der Epidermis und Maxima zwischen einer und 24 Stunden nach AFP und signifikantem Abfall innerhalb der folgenden sieben Tage.SchlussfolgerungenDas humane Hautexplantatmodell kann zur Überbrückung der Lücke zwischen In-vitro-Zellkulturexperimenten und In-vivo-Experimenten zur Untersuchung der räumlich-zeitlichen AFP-Effekte auf humane Haut dienen. In Hautexplantaten, behandelt mittels AFP mit einem CO2-Laser, zeigte sich eine energieabhängige, kurzzeitige Erhöhung der HSP70-Expression, insbesondere in der Epidermis.