Effect of light on the phagocytic ability of keratinocytes in a model system.

Ubarwienie skóry jest jednym z kluczowych procesów, który odpowiada m.in. za podtrzymywanie homeostazy. Proces ubarwienia skóry polega na syntezie barwnika melaninowego przez wyspecjalizowane komórki – melanocyty a następnie przekazie barwnika do sąsiadujących keratynocytów. Melanina w komórkach barwnikowych, w tym komórkach skóry, występuje w postaci ziaren tzw. melanosomów. Mogą one przybierać formę brązowo-czarnych eumelanosomów oraz żółto-czerwonych feomelanosomów. Zawartość eumelaniny jak i foemelaniny w komórkach skóry jest cechą charakterystyczną tzw. fototypu skóry. W przekaz melanosomów z melanocytów do keratynocytów zaangażowane są liczne mechanizmy, m.in. fagocytoza. Pomimo, iż proces ubarwienia skóry jest od lat intensywnie badany wiele aspektów związanych z przekazem melaniny pozostaje niewyjaśnionych. Nie wiadomo na przykład, jak intensywne światło słoneczne wpływa na zdolności fagocytarne keratynocytów różnych fototypów skóry. Głównym celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu światła imitującego promieniowanie słoneczne na zdolności keratynocytów do fagocytozy. W tym celu opracowano unikatowy model, polegający na hodowli pojedynczej warstwy keratynocytów ze sfagocytowanymi ziarnami melaniny wyizolowanymi z włosów ludzkich od dawców o różnym fototypie skóry. W ramach badań przeprowadzono izolację melanosomów z włosów od dawców fototypu I, II, III oraz V. Najpierw określono typ melaniny w melanosomach, wykorzystując elektronowy rezonans paramagnetyczny. Następnie dokonano analizy rozmiaru wyizolowanych melanosomów metodą dynamicznego rozpraszania światła oraz zobrazowano ziarna melaniny za pomocą mikroskopu sił atomowych. Przeżywalność keratynocytów z melanosomami oraz komórek kontrolnych przed jak i po naświetleniu określono przy pomocy testu aktywności metabolicznej mitochondriów oraz barwienia jodkiem propidyny. Wydajność fagocytarną keratynocytów zbadano za pomocą analizy skaningowej laserowej mikroskopii konfokalnej, w której jako sondę wykorzystano kuleczki fluorescencyjne o zbliżonym rozmiarze do melanosomów. Wyniki uzyskane w niniejszej pracy pokazały, że obecność melanosomów fototypu II w keratynocytach najbardziej hamowała zdolności fagocytarne komórek natomiast obecność melanosomów fototypu V w keratynocytach promowała zdolności fagocytarne komórek względem keratynocytów kontrolnych. Zaobserwowane różnice można tłumaczyć zwiększoną fotoreaktywnością melanosomów bogatych w zmodyfikowaną feomelaninę, które pod wpływem światła uszkadzały cytoszkielet komórkowy, odpowiedzialny za fagocytozę. Badania te stanowią wkład w wiedzę na temat procesu fagocytozy melanosomów przez keratynocyty różnych fototypów skóry.

Skin pigmentation is one of the key processes that play a crucial role in maintaining homeostasis. This process consists of the synthesis of melanin pigment by specialized cells – the melanocytes, and subsequent transfer of the pigment to neighboring keratinocytes. Melanin in pigment cells, including skin cells, is in the form of distinct granules, called melanosomes. These granules can be in the form of brown-black eumelanosomes and yellow-red pheomelanosomes. Presence of eumelanin and pheomelanin in skin cells is a characteristic feature of the so-called skin prototype. Multiple mechanisms are involved in the transfer of melanosomes from melanocytes to keratinocytes, including phagocytosis. Despite significant research efforts made over the years to study skin pigmentation, many aspects related to the transfer of melanin remain unknown. In particular, it remains to be determined how intense sunlight affects the phagocytic efficiency of keratinocytes from different skin phototypes. The main objective of this study was to investigate the effect of light imitating solar radiation on the phagocytic efficiency of keratinocytes. To accomplish this goal, a unique model was developed that consisted of culturing single cell monolayer of keratinocytes with phagocytized melanin granules isolated from human hair from donors of different skin phototypes. During the studies melanosomes were isolated from hair of donors of the following skin phototypes: I, II, III and V. First, the type of melanin in the melanosomes was determined using electron paramagnetic spectroscopy. Next, the size of the isolated melanosomes was analyzed by dynamic light scattering and the melanin granules were imaged using an atomic force microscopy. Cell survival of keratinocytes with melanosomes and of control cells before and after irradiation was determined using the mitochondrial metabolic activity assay and propidium iodide staining. The phagocytic efficiency of keratinocytes was examined by scanning laser confocal microscopy analysis, in which fluorescent beads of similar size to melanosomes were used as a probe. Results obtained in this study, have demonstrated that the presence of phototype II melanosomes in keratinocytes inhibited the phagocytic abilities of cells to highest extent, while presence of phototype V melanosomes in keratinocytes promoted phagocytic abilities of cells when compared to control keratinocytes. The observed differences can be explained by the increased photoreactivity of melanosomes rich in modified pheomelanin, which under light irradiation damaged the cytoskeleton responsible for phagocytosis. These studies contribute to the knowledge about the process of melanosome phagocytosis by keratinocytes of different skin phototypes.